專利名稱：一種ZnO基異質(zhì)結(jié)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ZnO基異質(zhì)結(jié)及其制備方法。
背景技術(shù)：
ZnO是直接帶隙半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度為3.37eV，室溫激子束縛能為60meV，是制備藍(lán)光-紫外光發(fā)光二極管和激光器等光電器件的理想材料。目前，對于n型ZnO晶體薄膜的研究已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)異性能的n型ZnO晶體薄膜的實時摻雜生長。然而，p型ZnO薄膜的制備卻遇到諸多困難。因此，尋找p型ZnO的替代材料，與n型ZnO構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，以期獲得可以用作綠光、藍(lán)紫光等ZnO基發(fā)光二極管。與許多寬帶隙半導(dǎo)體材料(如GaN、 ZnO等)相反，本征SnO呈p型電導(dǎo)，直接帶隙為2.7-3.4 eV。因此，利用p型SnO和n型ZnO構(gòu)造n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)，是目前制備ZnO基發(fā)光器件的一種不錯的選擇。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種ZnO基異質(zhì)結(jié)及其制備方法。
本發(fā)明的ZnO基異質(zhì)結(jié)為n-ZnO/p-SnO。在襯底上自下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層和p-SnO薄膜層，其中，n-ZnO薄膜層為Zni.xAlxO或Zni.xGaxO，0<x<0.05。
上述的襯底可以是硅、藍(lán)寶石、氧化鋯或氧化鋅。本發(fā)明的ZnO基異質(zhì)結(jié)的制備方法，其步驟如下
1) 稱量純度^99.99 %的ZnO和A1203或Ga203粉末，其中Al或Ga的摩爾百分含量x為0 < x < 5 %，將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000 1300 'C溫度下燒結(jié)，制得Zni_xAlxO或Zni.xGaxO陶瓷靶；
稱量純度299.99。/。的SnO粉末，將粉末研磨、壓制成型，然后在800 1000t:溫度、真空條件下燒結(jié)，制得SnO陶瓷靶；
2) 將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，調(diào)整靶材與襯底之間的距離為4 6 cm，生長室真空度至少抽至10—6 Pa。異質(zhì)結(jié)生長分兩步首先襯底加熱至300 600。C，生長室通入純氧氣，調(diào)節(jié)氧壓為0.1 lPa，開啟激光器，讓激光束聚焦到Zn^AlxO或Zm.xGaxO陶瓷靶靶面燒蝕靶材，形成余輝，在襯底上沉積一層n-ZnO薄膜層；然后保持襯底溫度，改變氧氣流量，調(diào)節(jié)氧壓為10—4 10—2Pa，再次開啟激光器，讓激光束聚焦到
3SnO陶瓷靶靶面燒蝕靶材，形成余輝，在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層，
在真空氣氛下冷卻至室溫。
上述純氧的純度為99.99 %以上。所說的襯底可以是硅、藍(lán)寶石、氧化鋯 (YSZ)或氧化鋅。
本發(fā)明異質(zhì)結(jié)中各層薄膜的厚度由生長時間決定。 本發(fā)明的有益效果在于
1) 本發(fā)明首次制備出了n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)可以用作綠光、藍(lán) 紫光等發(fā)光二極管。
2) 本發(fā)明方法簡單，成本低，生長條件易控；
3 )本發(fā)明制得的n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)，其n-ZnO薄膜層和p-SnO薄膜層均 具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能、光學(xué)性能和電學(xué)性能。
圖1是本發(fā)明ZnO基異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
參照圖1，本發(fā)明的ZnO基異質(zhì)結(jié)為n-ZnO/p-SnO。在襯底1上自下而上依 次沉積有n-ZnO薄膜層2和p-SnO薄膜層3，其中，n-ZnO薄膜層為Zm.x AlxO 或Zn!-xGaxO， 0<x<0.05。
實施例1:
1) 陶瓷靶的制備按比例稱量純度為99.999 %的ZnO和A1203粉末，其中 Al的摩爾百分含量為3 %。將稱量好的ZnO和Al203粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機(jī)上球磨18個小時，目的是將ZnO和Al203粉末混合均勻并在 一定程度上細(xì)化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至1300 。C燒結(jié)8小時，得到ZnQ.97Al,0陶瓷耙；稱量 純度為99.99 M的SnO粉末，將稱量好的SnO粉末進(jìn)行研磨，壓制成型。把成 型的胚體放入燒結(jié)爐中，抽真空，升溫至800 'C燒結(jié)10小時，得到SnO陶瓷靶；
2) ZnO基異質(zhì)結(jié)的制備將步驟1)制得的Zn。.97Ala。30陶瓷靶和SnO陶 瓷靶分別裝在靶材架上，嵌入脈沖激光沉積裝置的靶托中。將硅襯底經(jīng)過清洗 后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為4.5 cm，并用擋板 將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至lxl0—6 Pa，加熱襯底。在加熱過程中，開 啟激光器(脈沖激光能量為100mJ，頻率5Hz)，預(yù)濺射ZnQ.97Ala()30陶瓷靶和 SnO陶瓷靶各15min，除去靶材表面的玷污。n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)生長分兩步首先襯底加熱至450 °C，生長室通入純02，調(diào)節(jié)氧壓為O.l Pa，旋開擋板，沉 積n-ZnO薄膜層，薄膜層厚500nm;然后保持襯底溫度450°C ，改變氧氣流量， 調(diào)節(jié)氧壓為10—4Pa，切換靶材，在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層，薄膜層 厚300 nm。沉積過程中襯底和靶材均低速旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。生長結(jié) 束后，n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)在真空氣氛下緩慢冷卻至室溫。本例制得的ZnO基 異質(zhì)結(jié)為n-Zn0.97Al,O/p-SnO。 實施例2:
1 )陶瓷靶的制備按比例稱量純度為99.999 %的ZnO和Ga203粉末，其中 Ga的摩爾百分含量為4 %。將稱量好的ZnO和0&203粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機(jī)上球磨20個小時，目的是將ZnO和Ga203粉末混合均勻并在 一定程度上細(xì)化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至110(TC燒結(jié)12小時，得到Znc^Gao^O陶瓷靶；稱量 純度為99.99 。/。的SnO粉末，將稱量好的SnO粉末進(jìn)行研磨，壓制成型。把成 型的胚體放入燒結(jié)爐中，抽真空，升溫至1000 'C燒結(jié)8小時，得到SnO陶瓷靶；
2) ZnO基異質(zhì)結(jié)的制備將步驟1)制得的Zna96Gao.Q40陶瓷靶和SnO陶 瓷靶分別裝在靶材架上，嵌入脈沖激光沉積裝置的靶托中。將藍(lán)寶石襯底經(jīng)過 清洗后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為4.5 cm，并用 擋板將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至lxl(^Pa，加熱襯底。在加熱過程中， 開啟激光器(脈沖激光能量為100mJ，頻率5Hz)，預(yù)濺射Zna96Gao.。40陶瓷靶 和SnO陶瓷靶各15 min，除去靶材表面的玷污。n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)生長分兩 步首先襯底加熱至55(TC，生長室通入純02，調(diào)節(jié)氧壓為lPa，旋開擋板， 沉積n-ZnO薄膜層，薄膜層厚300nm;然后保持襯底溫度55(TC ，改變氧氣流 量，調(diào)節(jié)氧壓為10—2Pa，切換靶材，在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層，薄 膜層厚200 nm。沉積過程中襯底和靶材均低速旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。生 長結(jié)束后，n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)在真空氣氛下緩慢冷卻至室溫。本例制得的ZnO 基異質(zhì)結(jié)為n-Zn。.96Ga。.Q40/p-SnO。
實施例3:
l)陶瓷靶的制備按比例稱量純度為99.999 。/。的ZnO和Ga203粉末，其中 Ga的摩爾百分含量為2 %。將稱量好的ZnO和Ga203粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機(jī)上球磨15個小時，目的是將ZnO和Ga203粉末混合均勻并在 一定程度上細(xì)化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至1200 "C燒結(jié)10小時，得到Zno.98Ga,0陶瓷靶；稱量
5純度為99.99 Q/。的SnO粉末，將稱量好的SnO粉末進(jìn)行研磨，壓制成型。把成 型的胚體放入燒結(jié)爐中，抽真空，升溫至80(TC燒結(jié)8小時，得到SnO陶瓷耙;
2) ZnO基異質(zhì)結(jié)的制備將步驟1)制得的Zna98Gao.()20陶瓷靶和SnO陶 瓷靶分別裝在靶材架上，嵌入脈沖激光沉積裝置的靶托中。將氧化鋯襯底經(jīng)過 清洗后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為4.5 em，并用 擋板將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至lxl(^Pa，加熱襯底。在加熱過程中， 開啟激光器(脈沖激光能量為100mJ，頻率5Hz)，預(yù)濺射Zn。.98Gao.。20陶瓷靶 和SnO陶瓷靶各15 min，除去靶材表面的玷污。n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)生長分兩 步首先襯底加熱至35(TC，生長室通入純02，調(diào)節(jié)氧壓為0.5Pa，旋開擋板， 沉積n-ZnO薄膜層，薄膜層厚800nm;然后保持襯底溫度350 °C ，改變氧氣流 量，調(diào)節(jié)氧壓為10—3Pa，切換靶材，在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層，薄 膜層厚500 nm。沉積過程中襯底和靶材均低速旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。生 長結(jié)束后，n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)在真空氣氛下緩慢冷卻至室溫。本例制得的ZnO 基異質(zhì)結(jié)為n-Zn。.98Gaa()20/p-SnO。
權(quán)利要求
1.一種ZnO基異質(zhì)結(jié)，其特征在于，在襯底(1)上自下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層(2)和p-SnO薄膜層(3)，其中，n-ZnO薄膜層為Zn1-xAlxO或Zn1-xGaxO，0＜x＜0.05。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的ZnO基異質(zhì)結(jié)，其特征是所說的襯底是硅、藍(lán)寶 石、氧化鋯或氧化鋅。
3. 權(quán)利要求1所述的ZnO基異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征是步驟如下1) 稱量純度299.99 %的ZnO和A1203或Ga203粉末，其中Al或Ga的摩爾 百分含量x為0<x< 5%，將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000 1300 "C溫度下燒結(jié)，制得Zni_xAlxO或Zni.xGaxO陶瓷靶；稱量純度299.99 %的SnO粉末，將粉末研磨、壓制成型，然后在800 1000 。C溫度、真空條件下燒結(jié)，制得SnO陶瓷靶；2) 將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室 中，調(diào)整靶材與襯底之間的距離為4 6 cm，生長室真空度至少抽至10—6 Pa。 異質(zhì)結(jié)生長分兩步首先襯底加熱至300 600'C，生長室通入純氧氣，調(diào)節(jié)氧 壓為0.1 1 Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到Zni.xAlxO或Zni.xGaxO陶瓷靶靶 面燒蝕靶材，形成余輝，在襯底上沉積一層n-ZnO薄膜層；然后保持襯底溫度， 改變氧氣流量，調(diào)節(jié)氧壓為10—4 10—2 Pa，再次開啟激光器，讓激光束聚焦到 SnO陶瓷靶靶面燒蝕靶材，形成余輝，在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層， 在真空氣氛下冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開的ZnO基異質(zhì)結(jié)為n-ZnO/p-SnO，在襯底上自下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層和p-SnO薄膜層，其中，n-ZnO薄膜層為Zn<sub>1-x</sub>Al<sub>x</sub>O或Zn<sub>1-x</sub>Ga<sub>x</sub>O，0＜x＜0.05。其制備采用的是脈沖激光沉積法，首先制作Al或Ga摻雜的ZnO陶瓷靶以及純SnO陶瓷靶；然后以Al或Ga摻雜的ZnO陶瓷靶為靶材在襯底上沉積n-ZnO薄膜層，再以SnO陶瓷靶為靶材在n-ZnO薄膜層上沉積p-SnO薄膜層。本發(fā)明方法簡單，成本低，生長條件易控；制得的n-ZnO/p-SnO異質(zhì)結(jié)可以用作綠光、藍(lán)紫光等發(fā)光二極管。
文檔編號H01L29/02GK101651148SQ20091015250
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 潘新花 申請人:浙江大學(xué)