专利名称：一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体光电材料技术领域，涉及一种用磁控溅射(RF magnetron sputtering)设备制备MgZnO合金半导体薄膜的一种方法。
背景技术：
近年来，人们越来越多地关注紫外光的辐射与测量，从而紫外探测技术和 器件的需求日益增长。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的 又一军民两用光电探测技术。在民用方面，它己被应用于医学、生物学、气体 探测与分析、火焰传感及日光浴的紫外光照度监测等领域。目前，己投入商用 的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄 像管和固体紫外探测器等，其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极
管.硅基紫外光电管需要附带滤光片，光电倍增管需要在高电压下工作，而且 体积笨重、效率低、易损坏且成本较高，对于实际应用有一定的局限性。因此， 人们开始关注宽带隙半导体紫外探测器。在过去十年中，为了避免使用昂贵的 滤光器，实现紫外探测器在太阳盲区下(200 nm—300 nm)工作，SiC、金刚石 薄膜、GaN基和ZnO基等宽带隙半导体紫外探测器，己引起研究人员的广泛重视。 ZnO是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料，在室温时带隙为3.37 eV ，束 缚激子能高达60meV ; ZnO与GaN、 SiC等其他的宽带隙材料相比有很高的化学
和热稳定性、更好的抗辐射损伤的能力、较低的生长温度、适合作长寿命器件 等优点，特别是ZnO基三元合金MgZnO，随Mg组分的变化，可以使其带隙在3. 3 eV(ZnO)到7. 8 eV(MgO)连续可调，实现太阳盲区紫外光的探测，因此，对ZnO 基紫外探测器的研究，具有重要的实际意义。但是，由于ZnO (六方)和MgO (立方)存在结构上的巨大差异，在合成的过程中很容易分相，尤其是在 240nm-320 nm波段很难获得高质量的三元合金，从而限制了ZnO基太阳盲紫外
探测器的发展。
发明内容
针对ZnO (六方)和MgO (立方)存在结构上的巨大差异，在合成的过程 中很容易分相，尤其是在240mn-320 nm波段很难获得高质量的三元合金的问 题本发明提供一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，利用磁控溅射(RF magnetron sputtering)设备外延生长方法，获得高质量的MgZnO半导体三元 合金薄膜。
本发明特征在于包括下列步骤
在磁控溅射设备生长室内的铜座上，放上金属锌靶(金属锌耙的直径应
大于铜座尺寸)，在金属锌耙的上面放上Mg0摩尔含量为45。/。 50。/。的MgZn0陶瓷 耙(MgZnO陶瓷耙的直径应小于锌耙)，在距离MgZnO陶瓷耙正上方5cm 10cm 位置放上清洗过的石英衬底；
在机械泵和分子泵作用下将生长室压力控制在2. 0X 10—3Pa 5 X 10 :iPa;
通入的氩气和氧气的混合气通入氩气的流量为10毫升/分钟 70毫升/ 分钟，通入氧气的流量为70毫升/分钟 10毫升/分钟，调节生长室压力至lPa —5 Pa;
打开射频源，调节使其板压为500V 600V，正向功率为100W 180W，自 偏压为600 V 900V，衬底温度由电阻丝加热至室温 500 "C;溅射20分钟 2 小时后关闭射频源，取出生长有MgZnO薄膜的衬底。
有益效果本发明利用磁控溅射(RF magnetron sputtering)'设备外延 生长MgZnO半导体三元合金薄膜，在合成的过程中可通过改变MgZnO陶瓷靶 中MgO的浓度大小、衬底温度或者氩气和氧气流量来获得在240nm-320 nm波 段的高质量三元合金，特别适用于制备ZnO基太阳盲区紫外探测器的薄膜。
具体实施例方式
本发明同时选用金属锌靶和MgZnO陶瓷靶进行生长，可以通过改变两种靶 材的直径比例以及MgZnO陶瓷靶中MgO的浓度大小来获得不同镁含量的MgZnO薄 膜；可以通过改变氩气和氧气两牲气体的比例来方便的调节制备的MgZnO薄膜 的带隙；可以通过改变衬底温度改变MgZnO薄膜的质量和MgZnO薄膜中镁的浓 度。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明
在磁控溅射设备生长室内的铜座上，放上干净的直径为90mm的金属锌靶， 在金属锌靶的上面放上直径为60mm的MgZnO陶瓷靶，在距离MgZnO陶瓷靶正上方 6cm位置放上清洗过的石英衬底。
实施例l，在不同的生长温度下，在石英衬底上生长MgZnO薄膜 釆用的MgZnO陶瓷靶的浓度为5096:首先把清洗好的石英衬底，放在磁控溅 射生长室内的衬底夹上，衬底距离MgZnO陶瓷靶正上方6cm;在机械泵和分子泵 作用下将生长室压力控制在2.0X10"Pa，通入一定比例的氩气和氧气的混合 气，通入氩气的流量为60毫升/分钟，通入氧气的流量为20毫升/分钟，调节生
长室压力至lPa，打开射频源，调节使其板压为500V，正向功率为100W，自偏 压为700V。衬底由电阻丝加热控制，生长温度分别为200'C (样品A)， 300°C (样 品B)， 400°C (样品C)和500。C (样品D)。
对石英衬底上制备出的在不同温度下生长的MgZnO薄膜进行测j式，X射线衍 射测量结果表明随着生长温度的升高，样品中镁的含量逐渐升高，并且50(TC 出现分相。温度自200。C升到40(TC，具有单一结构，并且在240nm-320 nm波段 有一陡峭的吸收边。
实施例2，在最佳的生长温度下，通过调节氩气和氧气的混合气的比例来
调节样品中的镁的含量
采用的MgZnO陶瓷靶的浓度为50y。首先把清洗好的石英衬底，放在磁控溅 射生长室内的衬底夹上，衬底距离MgZnO陶瓷靶正上方6cm;在机械泵和分子泵 作用下将生长室压力控制在2. 0X l(TPa，通入不同比例的氩气和氧气的混合 气，(氩气的流量为50毫升/分钟、氧气的流量为30毫升/分钟或者氩气的流量 为60毫升/分钟、氧气的流量为20毫升/分钟或者氩气的流量为70毫升/分钟、 通入氧气的流量为10毫升/分钟)，调节生长室压力至lPa，打开射频源，调节 使其板压为500V，正向功率为100W，自偏压为700V，衬底温度由电阻丝加热控 制在40(TC。
对氩气和氧气比例不同的条件下生长的MgZnO薄膜进行测试，结果表明随
着氧气含量的增加，镁的含量逐渐减少，晶体的质量逐渐提高(即在240-320 nm
波段有一陡峭的吸收边)。
实施例3，用不同镁浓度的陶瓷靶来生长MgZnO薄膜MgZnO陶瓷耙的浓度分别为4596和50。/。首先把清洗好的石英衬底，放在磁 控溅射生长室内的衬底夹上，衬底距离MgZnO陶瓷靶正上方6cm;在机械泵和分 子泵作用下将生长室压力控制在5.0X10—'Pa，通入一定比例的氩气和氧气的混 合气，氩气的流量为70毫升/分钟，通入氧气的流量为10毫升/分钟，调节生长 室压力至lPa，打开射频源，调节使其板压为500V，正向功率为100W，自偏压 为700V，称底温度由电阻丝加热控制在400。C。
对MgZnO陶瓷耙的浓度分别为45。/o和5(F。条件下生长的MgZnO薄膜进行，测试 结果表明通过选取不同镁含量的陶瓷靶生长出不同带隙的MgZnO薄膜。随着陶 瓷靶中镁含量的提高，所得到的样品的吸收边发生明显的蓝移。
权利要求
1、一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于包括下列步骤在磁控溅射设备生长室内的铜座上，放上金属锌靶，在金属锌靶的上面放上MgO摩尔含量为45％～50％的MgZnO陶瓷靶，在距离MgZnO陶瓷靶正上方5cm～10cm位置放上清洗过的石英衬底；在机械泵和分子泵作用下将生长室压力控制在2.0×10-3Pa～5×10-3Pa；通入的氩气和氧气的混合气通入氩气的流量为10毫升/分钟～70毫升/分钟，通入氧气的流量为70毫升/分钟～10毫升/分钟，调节生长室压力至1Pa-5Pa；打开射频源，调节使其板压为500V～600V，正向功率为100W～180W，自偏压为600V～900V，衬底温度由电阻丝加热至室温～500℃；溅射20分钟～2小时后关闭射频源，取出生长有MgZnO薄膜的衬底。
2、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于通入氩气和氧气的混合气前，生长室压力为2. OX 10"Pa或者5. OX l(TPa。
3、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于通入氩气的流量为50毫升/分钟、氧气的流量为30毫升/分钟。
4、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于通入氩气的流量为60毫升/分钟、氧气的流量为20毫升/分钟。
5、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于通入氩气的流量为70毫升/分钟、通入氧气的流量为10毫升/分钟。
6、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于通入氩气和氧气的混合气后，生长室压力为lPa。
7、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于板压为500V，正向功率为100W，自偏压为700V。
8、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于衬底生长温度分别为200。C、 300°C、 40(TC或者50(TC。
9、 根据权利要求l所述的一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，其特征在 于MgZnO陶瓷靶的浓度为45。/。或者5CE。
全文摘要
本发明属于半导体光电材料技术领域，涉及一种高镁浓度MgZnO薄膜的制备方法，利用磁控溅射(RF magnetron sputtering)设备外延生长方法，获得高质量的MgZnO半导体三元合金薄膜；在合成的过程中可通过改变MgZnO陶瓷靶中MgO的浓度大小、衬底温度或者氩气和氧气流量来获得在240-320nm波段的高质量三元合金，特别适用于制备ZnO基太阳盲区紫外探测器的薄膜。
文档编号C23C14/35GK101168837SQ20061013088
公开日2008年4月30日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者刘可为, 吕有明, 斌 姚, 张吉英, 张振中, 李炳辉, 申德振, 蒋大勇, 赵东旭 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所