专利名称:一种非极性ZnO晶体薄膜的生长方法
技术领域:
本发明涉及一种非极性ZnO薄膜的生长方法。
背景技术:
氧化锌(ZnO)是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料,是新一代高效、 节能白光照明产业的重要基础材料,已成为国际研究的热点。ZnO室温下禁带 宽度为3.37eV,激子束缚能高达60 meV,可以实现室温或高温下高校的激子复 合发光,与电子-空穴对复合发光相比,发光强度更高,激发阈值更低,是一种 完全可以和GaN相媲美而且可能替代GaN的光电功能材料。但到目前为止,己 报道的ZnO基发光二极管(LED)的发光效率都很低,亮度也很弱。要使ZnO 发光器件走向实用化,必须优化LED结构设计。利用多量子阱结构制备的ZnO LED具有更高的发光效率和强度,但是由于ZnO通常是c轴(极性)择优取向, 产生一个自建电场,这会很大程度上削弱了量子阱的约束效应,使器件性能达 不到应有的水平。因此,实现非极性择优生长的ZnO薄膜是一个十分重要的课 题,对于提高ZnOLED器件性能,对于ZnOLED真正走向产业化,意义重大。 目前,非极性ZnO晶体薄膜大多生长在非常昂贵的LiA102衬底上,并且条件也 很苛刻,如果能找到一种制备简单、成本低廉的非极性ZnO晶体薄膜的生长方 法,具有重大的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、成本低廉的生长非极性ZnO晶体薄膜 的方法。
本发明的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法,采用的是脉冲激光沉积技术, 包括以下步骤
1) 称量ZnO、 Mn02、 Na2(X)3粉末,其中Mn的摩尔百分含量为3-8%, Na 的摩尔百分含量为0.2-1%,将上述粉末球磨混合均匀、压制成型,然后在1000 130(TC温度下烧结,制得Mn-Na共掺的陶瓷靶。
2) 将步骤1)制得的靶材和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中, 保持靶材与衬底之间的距离为4 6cm,生长室本底真空度抽至小于l(^Pa,衬 底加热升温到350-400°C,生长室通入02气体,控制压强为45-100Pa,开启激 光器,频率为5Hz,让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材,沉积在衬底上,得到Mn-Na 共掺的非极性ZnO薄膜,将薄膜在50Pa氧气气氛下冷却至室温。
3上述衬底是石英或玻璃。生长的时间由所需的薄膜厚度决定。 本发明的优点
1 )非极性ZnO薄膜可以在价格低廉的石英或玻璃衬底上生长;
2) 采用激光脉冲沉积技术生长,工艺成熟,操作简单,易于实现;
3) 本发明方法生长的薄膜具有a轴择优取向;
4) 本发明方法生长的非极性ZnO薄膜同时具有室温铁磁性,是一种稀磁半 导体材料;
5) 本发明方法生长的非极性ZnO薄膜可以同时应用在LED和磁存储器件中。
图1是根据本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图。图中1为激光器; 2为生长室;3为靶材;4为衬底。
图2是本发明方法生长的非极性ZnO晶体薄膜的X射线衍射图3是本发明的非极性ZnO晶体薄膜的SEM照片;
具体实施例方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。 实施例1
1) 陶瓷靶的制备。称量纯度为99.99 %的ZnO、 Mn02、 ^2(303粉末,其中 Mn的摩尔百分含量为5%, Na的摩尔百分含量为0.2%,将称好的ZnO、 Mn02、 Na2C03粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中,在球磨机上球磨24小时,将ZnO、 Mn02、 Na2C03粉末混合均匀并细化。然后将原料分离出来并烘干,添加粘结剂 研磨,压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中,先在80(TC保温2小时,使粘结 剂挥发,再升温至1250。C烧结2小时,得到掺Mn-Na共掺的Zn(Mn,Na)O陶瓷 靶。
2) 以2英寸石英抛光片作为衬底,将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置 的生长室中,生长室真空度抽至8.0xl(T4 Pa,然后加热衬底,使衬底温度升至 350 。C,输入氧气,氧压调至45Pa,衬底与靶材间距4.5 cm。开启激光器(脉 冲激光能量为340mJ,频率5Hz),预沉积5min,除去靶材表面的坫污,然后旋 开挡板,沉积薄膜。沉积过程中衬底和靶材低速旋转,以改善薄膜的均匀性, 沉积时间为30 min。在此条件下沉积一层约500 nm的Mn-Na共掺ZnO薄膜, 在50Pa氧压下降温,直到冷却至室温。本例制得的非极性ZnO晶体薄膜的X 射线衍射如图2所示,SEM照片如图3所示。
4由图2可见,本发明方法生长的非极性ZnO晶体薄膜具有a轴择优取向, 为典型的非极性生长模式。
由图3可见,非极性ZnO薄膜晶粒平行于衬底表面排列,尺寸均一,形貌 一致,致密而规则。
本发明方法生长的非极性ZnO薄膜经SQUID测试,结果表明薄膜具有室温 铁磁性。 实施例2
靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1,区别在于:Mn的摩尔百分含量为3%, Na的摩尔百分含量为1%,衬底温度为400'C,同样获得a轴择优取向非极性 生长的ZnO晶体薄膜。经SQUID测试薄膜也具有室温铁磁性。 实施例3
靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1,区别在于:Mn的摩尔百分含量为8%, Na的摩尔百分含量为0.5%,生长气压为100Pa,同样获得a轴择优取向非极性 生长的ZnO晶体薄膜。经SQUID测试薄膜也具有室温铁磁性。
权利要求
1. 非极性ZnO晶体薄膜的生长方法,包括以下步骤1)称量ZnO、MnO2、Na2CO3粉末,其中Mn的摩尔百分含量为3-8%,Na的摩尔百分含量为0.2-1%,将上述粉末球磨混合均匀、压制成型,然后在1000~1300℃温度下烧结,制得Mn-Na共掺的陶瓷靶。2)将步骤1)制得的靶材和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中,保持靶材与衬底之间的距离为4~6cm,生长室本底真空度抽至小于10-3Pa,衬底加热升温到350-400℃,生长室通入O2气体,控制压强为45-100Pa,开启激光器,频率为5Hz,让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材,沉积在衬底上,得到Mn-Na共掺的非极性ZnO薄膜,将薄膜在50Pa氧气气氛下冷却至室温。
2. 根据权利要求1所述的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法,其特征在于衬 底为石英或玻璃。
全文摘要
本发明的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法,采用的是脉冲激光沉积,首先称量ZnO、MnO<sub>2</sub>、Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>粉末,经球磨、压制、烧结,制得Mn-Na共掺的陶瓷靶;然后用脉冲激光沉积法在衬底上生长非极性ZnO晶体薄膜。本发明方法工艺成熟,操作简单,成本低廉,易于实现;生长的薄膜具有a轴择优取向;同时具有室温铁磁性,是一种稀磁半导体材料。可用于LED和磁存储器件中。
文档编号C30B23/00GK101481817SQ20081016420
公开日2009年7月15日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者何海平, 叶志镇, 吕建国, 张利强, 张银珠, 朱丽萍 申请人:浙江大学