专利名称：一种镉锌氧合金薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镉锌氧合金薄膜及其制备方法，具体为 一种发光波长 在整个可见光范围内可调的镉锌氧合金薄膜及其制备方法。
背景技术：
氧化锌是一种直接禁带化合物半导体材料，在室温下具有比较大的禁
带宽度(3.37eV)和很大的激子束縛能(60meV),保证了氧化锌即使在 高温下也能实现高效受激辐射，非常有利于制造在室温甚至高温下工作的 高量子效率发光器件。此外，氧化锌还具有外延和晶体生长温度低、湿化 学腐蚀容易、薄膜制备成本低等优点，被认为是非常有前途的光电子材料。 在氧化锌材料体系中，在氧化锌中引入镉形成的镉锌氧合金可以减小氧化 锌的禁带宽度，使其发光波长移至可见光范围，并且，通过调节镉锌氧合 金中镉和锌的相对含量，可以调节镉锌氧合金的发光波长。但是，由于镉 在氧化锌中的固溶度非常低，很难得到镉含量较高的镉锌氧合金薄膜，因 此，镉锌氧薄膜的发光波长调节范围比较窄。近几年来，美国和日本学者 利用比较复杂的方法制备了高镉含量的镉锌氧合金薄膜，将其带间跃迁辐 射发光波长扩展到整个可见波段(J. Ishihara， A. Nakamura, S. Shigemori， T. Aoki, and J. Temmyo, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 091914; J.W. Mares, F.R. Ruhge, A.V. Thompson, RG Kik， A. Osinsky， B. Hertog， A.M. Dabiran, P.P. Chow， and W.V. Schoenfeld, Opt. Mater. 30 (2007) 346-350 )。
但是，他们使用的方法分别是分子束外延法和远程等离子体增强金属 有机物化学气相沉积法，使用设备昂贵，制备工艺复杂，无法用于工业生 产中大批量低成本生产。磁控溅射法所使用设备相对低廉，是半导体工业 中常用薄膜制备设备，然而，迄今为止，还没有关于利用磁控'减射法制备 在整个可见光范围内波长可调的镉锌氧薄膜的报道。
发明内容
3本发明提供一种镉锌氧合金薄膜及其制备方法，利用磁控賊射法于特 定的温度区间内在衬底上制备不同组分的镉锌氧薄膜，得到的不同组分的 镉锌氧薄膜的发光波长在整个可见光范围内可调。
一种镉锌氧合金薄膜的制备方法，包括以下步骤
1)利用球磨后陶瓷压制方法制备镉锌合金靶材或镉锌氧陶瓷靶材；
2 )采用步骤1 )制备的镉锌合金靶材或镉锌氧陶资耙材，利用磁控-减
射法在衬底上制备镉锌氧薄膜。
步骤1)中镉锌合金靶材或镉锌氧陶瓷靶材中镉和锌的原子含量比范
围为0~1;通过调节球磨配料时原料的含量来控制得到的耙材中镉和锌的含量。
步骤2)中利用磁控溅射法沉积薄膜时，衬底温度为500。C 750。C, 溅射时通入氩气或氩氧混合气，腔内压强为2~15Pa,賊射功率为80-150W; 通过控制'践射法生长的时间长短来控制薄膜的厚度。
步骤2)中的衬底可以是硅片、石英片、蓝宝石片等任何可以承受 500 750。C衬底温度的材料。
采用该方法制备得到的镉锌氧合金薄膜为c轴取向性生长的单一六方 相薄膜。
本发明的优点在于使用设备低廉，是半导体工业中常用薄膜制备设 备，制备工艺简单成熟，重复性好，得到的镉锌氧合金薄膜质量优异；通 过调节镉锌氧合金薄膜中镉和锌的相对含量，使得薄膜的发光波长可以在 整个可见光范围内调节。
图1是实施例1得到的镉锌氧合金薄膜的扫描电镜平面照片。
图2是实施例1得到的不同组分的镉锌氧合金薄膜的X射线衍射谱 (其中x值表示薄膜中镉的原子含量，(l-x)表示薄膜中锌的原子含量，例 如x=0.1表示镉和锌的原子含量之比为O.l:(l-O.l),即1:9; x=0.5表示镉 和锌的原子含量之比为0.5:(1誦0.5)，即1:1 )。
图3是实施例1得到的不同组分的镉锌氧合金薄膜的光致发光谱(其 中x值表示薄膜中镉的原子含量)。
图4是实施例2得到的不同组分的镉锌氧合金薄膜的吸收系数与光子能量的关系图(其中X值表示薄膜中镉的原子含量)。
具体实施方式
实施例1
采取如下工艺步骤1)将镉和锌颗粒按照0:1、 1:9、 2:8、 3:7、 4:6、 5:5的原子含量比进行球磨并压制成不同组分的镉锌合金靶；2 )清洗抛光 硅片，放入直流反应;兹控濺射装置的反应室中，反应室真空度抽至5xl(T3 Pa,以不同组分的镉锌合金为靶材，在硅片上利用反应直流'践射的方法沉 积厚度约为300nm的镉锌氧合金薄膜，在溅射时，衬底温度为500。C、濺 射功率80w、通以氩气和氧气(流量分别是30和15sccm)、工作压强为 10Pa。
图l给出了制备得到的镉锌氧合金薄膜的标准形貌，从图中可以看到 薄膜为六方相多晶薄膜。图2给出了不同组分的镉锌氧合金薄膜的X射线 衍射图，从图中可以看出薄膜中只存在单一六方相，薄膜沿c轴方向取向 性生长，随着薄膜中镉含量的增多，衍射角向小角度方向移动，表明镉的 引入使得薄膜的c轴晶格常数变小。图3给出了不同组分的镉锌氧合金薄 膜的光致发光镨，从图中可以看到，不同组分的镉锌氧合金薄膜都可以得 到比较强的带间发光峰，随着镉含量的增多，其发出的光子能量从3.3eV 减小至2.0eV,带间发给峰从380nm不断蓝移至620nm,即，在整个可见 光范围内可调节。
实施例2
采取如下工艺步骤1 )将镉和锌颗粒按照0:1、 1:9、 2:8、 3:7、 4:6、 5:5的原子含量比进行球磨并压制成不同组分的镉锌合金靶；2)清洗双面 抛光石英片，放入直流反应磁控'减射装置的反应室中，反应室真空度抽至 3xl(T3Pa,以不同组分的镉锌合金为靶材，在石英片上利用直流反应磁控 溅射法生长厚度约为200nm的镉锌氧合金薄膜，在'减射时，村底温度为 600。C、溅射功率100w、通以氩气和氧气(流量均为20sccm)、工作压强 为15Pa。
测量了制备得到的镉锌氧合金薄膜的吸收谱，进行计算变换后得到 ("M^与光子能量(MO的关系曲线(图4，其中a为吸收系数)，从图4中可以看出，随着薄膜中镉含量的增多，薄膜的禁带宽度从3.37eV不断缩小 至1.92eV。
实施例3
采取如下工艺步骤1)将氧化镉和氧化锌按照0:1、 1:9、 2:8、 3:7、 4:6、 5:5的原子含量比进行球磨并压制成不同组分的镉锌氧陶资靶；2) 清洗双面抛光蓝宝石片，放入射频磁控'践射装置的反应室中，反应室真空 度抽至lxlOJpa，以不同组分的镉锌氧陶瓷为靶材，在蓝宝石片上利用'践 射生长厚度约为500nm的镉锌氧合金薄膜，在溅射时，衬底温度为750°C、 溅射功率120w、通以氩气(流量为20sccm)、工作压强为2Pa。
权利要求
1、一种镉锌氧合金薄膜的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射法在衬底上制备镉锌氧薄膜，具体包括以下步骤1)利用球磨后陶瓷压制方法制备镉锌合金靶材或镉锌氧陶瓷靶材；2)采用步骤1)制备的镉锌合金靶材或镉锌氧陶瓷靶材，利用磁控溅射法在衬底上制备镉锌氧薄膜。
2、 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的镉锌合金靶材或镉锌氧陶乾靶材中镉和锌的原子含量比为0~1。
3、 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中利用磁控賊射法沉积薄膜时，衬底温度为500。C 750。C，溅射时通入氩气或氩氧混合气，腔内压强为2 15Pa，溅射功率为80 150W。
4、 如权利要求1-3任一制备方法制备的镉锌氧合金薄膜，其特征在于，所述的镉锌氧合金薄膜为c轴取向性生长的单一六方相薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种镉锌氧合金薄膜，利用磁控溅射法于特定的温度区间内在衬底上制备不同组分的镉锌氧薄膜，得到的不同组分的镉锌氧薄膜的发光波长在整个可见光范围内可调，为c轴取向性生长的单一六方相薄膜。本发明还公开了这种镉锌氧合金薄膜的制备方法。本发明使用设备低廉，是半导体工业中常用薄膜制备设备，制备工艺简单成熟，重复性好，得到的镉锌氧合金薄膜质量优异；通过调节镉锌氧合金薄膜中镉和锌的相对含量，使得薄膜的发光波长可以在整个可见光范围内调节。
文档编号C23C14/35GK101665917SQ200910153430
公开日2010年3月10日 申请日期2009年10月12日 优先权日2009年10月12日
发明者张瑞捷, 杨德仁, 陈培良, 马向阳 申请人:浙江大学