[发明专利]一种正钛酸锌单晶薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种正钛酸锌单晶薄膜及其制备方法。以二乙基锌和四(二甲氨基)钛作为金属有机化合物源材料，氧气作为氧化气体，采用金属有机物化学气相沉淀设备在真空条件下在铝酸镁晶面衬底上生长钛酸锌薄膜，将制备的薄膜在空气中退火处理得到立方结构的正钛酸锌单晶薄膜。本发明所制备的正钛酸锌单晶薄膜材料晶格排列规则，结构完整，无孪晶，稳定性高，附着性能好，在半导体光电器件领域应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种正钛酸锌单晶薄膜及其制备方法，属于宽禁带氧化物半导体材料技术领域。

背景技术

正钛酸锌属于功能材料，用途十分广泛。立方结构的正钛酸锌(Zn₂TiO₄)是一种宽禁带半导体材料，室温下带隙宽度约为3.29eV，具有可见光区透过率高、物理化学性能稳定等优点。Zn₂TiO₄材料具有良好的光电特性，在发光、光催化、染料敏化太阳能电池和气敏传感器等领域具有应用潜力。

关于正钛酸锌材料的制备，主要采用溶液法、溶胶-凝胶法和溅射法等，例如公开号为：CN1884095A(申请号:200610021323.4)、CN103230812A(申请号201310073213.2)和CN206076058U(申请号201621112395.5)等。然而，当前制备的正钛酸锌材料仍然存在如下问题：

(1)目前制备的正钛酸锌材料多为粉末、多晶薄膜和纳米结构形态，所制备材料的结晶质量差、缺陷多。目前尚未见有Zn₂TiO₄块状单晶材料的报道。

(2)对正钛酸锌的研究多为注重材料光催化性能和发光等性能的提升，涉及单晶薄膜材料制备的研究报道很少见。而制约正钛酸锌在半导体电子器件领域发展的重要原因之一是正钛酸锌单晶薄膜材料的缺乏，限制了其在半导体光电器件领域的应用。

(3)制造高性能正钛酸锌基半导体器件，需要制备高质量的正钛酸锌单晶薄膜，并在此基础上通过掺杂获得电学性能可调控的正钛酸锌薄膜材料。

(4)制备正钛酸锌单晶薄膜一是需要采用适合生长单晶薄膜的工艺，二是需要有与其晶格相匹配的单晶衬底材料。目前使用最普遍的蓝宝石(α-Al₂O₃)和碳化硅(SiC)晶片及其氮化镓(GaN)外延片为六方结构，与立方结构的正钛酸锌晶型不同，若以这些材料为衬底制备正钛酸锌会形成三重畴的孪晶结构，并且晶格失配大。因此需要寻找适合正钛酸锌单晶薄膜生长的衬底材料。

此外，CN106024398A(申请号201610625265.X)公开了一种太阳能电池用染料敏化Zn₂TiO₄纳米晶薄膜，包括底层的亚氧化钛层和Zn₂TiO₄纳米晶薄膜，所述Zn₂TiO₄纳米晶的粒径为10-50nm，采用溶胶凝胶法经烧结成膜。TW201317050A(申请号TW100139569)公开了一种用以抗生物附着之光触媒薄膜，系包含ZnTiO₃、Zn₂TiO₄及Zn₂Ti₃O₈中之至少一种，采用溅射和溶胶凝胶法成膜。溶胶-凝胶法可通过浸渍提拉或旋涂方法制备凝胶薄膜，再经过干燥、烧结形成无机薄膜，特点是形成的薄膜为非晶或多晶结构，膜的质地疏松，缺陷多；溅射法可制备非晶或多晶结构的薄膜，但是不适合外延生长单晶薄膜。溅射法制备的薄膜质量优于溶胶-凝胶法。然而，CN106024398A和TW201317050A专利所制备的Zn₂TiO₄薄膜均为纳米晶结构薄膜，其用途分别为太阳能电池染料敏化薄膜和光触媒薄膜，对薄膜结构要求不高。因此，开发单晶结构良好的Zn₂TiO₄薄膜，在半导体电子器件和光电器件领域制备性能优良的器件具有重要意义。

发明内容