專利名稱：紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋅薄膜，具體地說是一種具有紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種具有六方結(jié)構(gòu)的自激活寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3.36電子伏，特別是它的激子結(jié)合能高達(dá)60毫電子伏，在目前常用的半導(dǎo)體材料中首屈一指，這一特性使它具備了在室溫下短波長發(fā)光的有利條件。此外，氧化鋅具有很高的導(dǎo)電性，它還和其他氧化物一樣具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性，而且它的來源豐富，價格低廉。這些優(yōu)點使它成為制備光電子器件的優(yōu)良材料，極具開發(fā)和應(yīng)用的價值。
作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，以氧化鋅為基質(zhì)的各種發(fā)光材料已被深入研究和廣泛應(yīng)用。制備氧化鋅薄膜的方法有很多種，如磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、等離子濺射、激光脈沖沉積以及分子束外延等。激光脈沖沉積和分子束外延技術(shù)雖然能制備出高質(zhì)量的氧化鋅薄膜，但是這兩種方法由于設(shè)備價格昂貴而且維護(hù)成本高，從經(jīng)濟(jì)效益考慮很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前最常用最簡便最經(jīng)濟(jì)的方法是磁控濺射。
濺射這一物理現(xiàn)象是130多年前格洛夫發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各種薄膜的制備之中。如用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)薄膜，以及化合物半導(dǎo)體薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高Tc超導(dǎo)薄膜等。所謂“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面(靶)，使固體原子(或分子)從表面射出的現(xiàn)象。射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因為離子在電場下易于加速并獲得所需動能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。
濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，而整個濺射過程建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同。直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。其中磁控濺射方式電離效率最高，因此也就成為了最有效的一種濺射鍍膜方法。
但是與分子束外延技術(shù)相比，通常情況下用磁控濺射制備的氧化鋅薄膜中鋅和氧的原子比會偏離化學(xué)計量比，這是由于大量的鋅間隙或氧空位等缺陷的存在。這不但導(dǎo)致氧化鋅的紫光發(fā)射強度低，而且在其他可見光波段還出現(xiàn)了由缺陷導(dǎo)致的光發(fā)射，見圖1。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，該方法經(jīng)濟(jì)實用，使獲得的氧化鋅薄膜的紫光發(fā)射增強，其他可見區(qū)的發(fā)光受到抑制。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，采用磁控濺射方法制備，其步驟在于用99.99％或純度更高的金屬鋅摻入光譜純的金屬鎘作為陰極的濺射鋅靶，陽極和真空室相連，將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上；將清洗后的基底裝在基底夾具上，活動擋板置于所述的基底夾具與所述的濺射鋅靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10-3Pa以上；通入氬氣和氧氣后，真空度范圍為0.1Pa～0.5Pa；濺射電源功率選擇范圍為100W～500W，開直流電源起輝預(yù)濺射5～10分鐘；旋轉(zhuǎn)所述的基底夾具，移開活動擋板，開始沉積薄膜，直至達(dá)到所需的薄膜厚度。
所制備有氧化鋅薄膜的基底放置在空氣中進(jìn)行退火，退火溫度的選擇范圍為400℃～730℃。
所述的退火的保溫時間為4小時或4小時以上。
所述的濺射鋅靶中金屬鎘的含量為5～10wt％。
所述的氬氣和氧氣的氬氧比為1∶1～1∶10。
所述基底為石英片、晶體片或硅片。
對所制得的氧化鋅薄膜進(jìn)行室溫?zé)晒夤庾V測試結(jié)果如圖1和2所示，結(jié)果表明所述的濺射鋅靶中不摻光譜純的金屬鎘時，其薄膜的紫光發(fā)射強度和其他可見區(qū)的發(fā)光強度差不多，發(fā)光強度低，隨著濺射鋅靶中金屬鎘的含量增加，薄膜的紫光發(fā)射進(jìn)一步增強。同時，其他可見區(qū)的發(fā)光強度受到抑制。用摻鎘5％wt-10％wt的濺射鋅靶鍍制的氧化鋅薄膜的紫光發(fā)射顯著增強。在400℃到730℃范圍內(nèi)退火處理后，薄膜的紫光發(fā)射進(jìn)一步增強。同時，其他可見區(qū)的發(fā)光強度受到抑制。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比的優(yōu)點在于成本低。采用純鎘作摻雜劑，氬氣作為工作氣體、氧氣作為反應(yīng)原料，材料來源豐富，價格低廉，極具開發(fā)和應(yīng)用的價值。


圖1是不同鎘摻雜濃度并經(jīng)700℃退火后的氧化鋅薄膜在248納米波長激光激發(fā)的室溫?zé)晒夤庾V2是鎘摻雜濃度為10wt％經(jīng)不同退火溫度后的氧化鋅薄膜在248納米波長激光激發(fā)的室溫?zé)晒夤庾V圖具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實施例1室溫下，采用磁控反應(yīng)濺射法，制備設(shè)備為DMD-450型磁控濺射平面夾具鍍膜機(jī)，采用99.99％的金屬鋅摻入5wt％的光譜純金屬鎘作為陰極濺射鋅靶，陽極和真空室相連；將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上，以確保靶的水冷散熱效果及導(dǎo)電性能；將清洗后的石英片裝在基底夾具上，活動擋板置于基底夾具與靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10-3Pa以上；通入適量氬氣和氧氣，氬氧比為1∶1，控制真空度0.1Pa；濺射電源功率為100W，開直流電源起輝預(yù)濺射10分鐘；旋轉(zhuǎn)基底夾具，移開活動擋板，開始沉積薄膜；沉積完成后將基底放置在空氣中進(jìn)行退火，退火溫度為700℃，保溫時間4小時。
用純鋅摻鎘5wt％(重量百分比)作為陰極靶，后通過反應(yīng)磁控濺射在石英基底上制備的氧化鋅薄膜，再經(jīng)過700℃的空氣中退火4小時，其熒光光譜請參見圖1和圖2，其紫光發(fā)射明顯增強，其它可見區(qū)發(fā)光抑制。
實施例2室溫下，采用磁控反應(yīng)濺射法，制備設(shè)備為DMD-450型磁控濺射平面夾具鍍膜機(jī)，采用99.99％的金屬鋅摻入7.5wt％(重量百分比)的光譜純金屬鎘作為陰極靶，陽極和真空室相連；將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上，以確保靶的水冷散熱效果及導(dǎo)電性能；將清洗后的硅片裝在基底夾具上，活動擋板置于基底夾具與靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10-3Pa以上；通入適量氬氣和氧氣，氬氧比為1∶5，控制真空度0.3Pa；濺射電源功率為250W，開直流電源起輝預(yù)濺射7.5分鐘；旋轉(zhuǎn)基底夾具，移開活動擋板，開始沉積薄膜；沉積完成后將基底放置在空氣中進(jìn)行退火，退火溫度為550℃，保溫時間6小時。
用純鋅摻鎘7.5wt％(重量百分比)作為陰極靶，后通過反應(yīng)磁控濺射在硅片上制備的氧化鋅薄膜，再經(jīng)過550℃空氣退火6小時，紫光發(fā)射明顯增強，其它可見區(qū)發(fā)光抑制。
實施例3室溫下，采用磁控反應(yīng)濺射法，制備設(shè)備為DMD-450型磁控濺射平面夾具鍍膜機(jī)，采用99.99％的金屬鋅摻入10wt％的光譜純金屬鎘作為陰極靶，陽極和真空室相連；將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上，以確保靶的水冷散熱效果及導(dǎo)電性能；將清洗后的藍(lán)寶石基底裝在基底夾具上，活動擋板置于基底夾具與靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10-3Pa以上；通入適量氬氣和氧氣，氬氧比為1∶10，控制真空度0.5Pa；濺射電源功率為500W，開直流電源起輝預(yù)濺射5分鐘；旋轉(zhuǎn)基底夾具，移開活動擋板，開始沉積薄膜；沉積完成后將基底放置在空氣中進(jìn)行退火，退火溫度為400℃，保溫時間8小時。
用純鋅摻鎘10wt％(重量百分比)作為陰極靶，后通過反應(yīng)磁控濺射在藍(lán)寶石基底上制備的氧化鋅薄膜，再經(jīng)過400℃空氣退火8小時，紫光發(fā)射明顯增強，其它可見區(qū)發(fā)光抑制。
權(quán)利要求
1.一種紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，采用磁控濺射方法制備，其特征在于用99.99％或純度更高的金屬鋅摻入光譜純的金屬鎘作為陰極的濺射鋅靶，陽極和真空室相連，將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上；將清洗后的基底裝在基底夾具上，活動擋板置于所述的基底夾具與所述的濺射鋅靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10-3Pa以上；通入氬氣和氧氣后，真空度范圍為0.1Pa～0.5Pa；濺射電源功率選擇范圍為100W～500W，開直流電源起輝預(yù)濺射5～10分鐘；旋轉(zhuǎn)所述的基底夾具，移開活動擋板，開始沉積薄膜，直至達(dá)到所需的薄膜厚度。
2.按照權(quán)利要求1所述的紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所制備有氧化鋅薄膜的基底放置在空氣中進(jìn)行退火，退火溫度的選擇范圍為400℃～730℃。
3.按照權(quán)利要求1或2所述紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述的退火的保溫時間為4小時或4小時以上。
4.按照權(quán)利要求1所述的紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述的濺射鋅靶中金屬鎘的含量為5～10wt％。
5.按照前述要求1所述的紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述的氬氣和氧氣的氬氧比為1∶1～1∶10。
6.按照前述權(quán)利要求1所述的紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述基底為石英片、晶體片或硅片。
全文摘要
一種紫光發(fā)射增強的氧化鋅薄膜的制備方法，采用磁控濺射方法制備，其步驟包括用99.99％或純度更高的金屬鋅摻入光譜純的金屬鎘作為陰極的濺射鋅靶，陽極和真空室相連，將濺射鋅靶焊接到紫銅底板上；將清洗后的基底裝在基底夾具上，活動擋板置于所述的基底夾具與所述的濺射鋅靶之間；關(guān)好各氣閥后抽真空，直至真空度達(dá)3×10
文檔編號C23C14/58GK1752272SQ20051003102
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者方明, 洪瑞金, 賀洪波, 易葵, 邵建達(dá) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所