专利名称：一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非极性P-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法，属于光电子功能器件领域。
背景技术：
NiO作为一种典型的ρ型宽禁带半导体薄膜材料(禁带宽度为3.6 4.0 eV)，在ρ型透明导电薄膜、气体传感器、紫外探测器等领域显示出广阔的应用前景。随着光电技术的发展，近年来半导体光电薄膜材料受到了高度重视，NiO薄膜作为一种代表性的本征ρ型半导体材料，更是受到广大研究者的关注，成为半导体研究领域的热点。在自然条件下，NiO为单一、稳定的立方氯化钠结构，采用常规方法制备的NiO通常呈现(111)取向。近年来，众多研究表明(100 )取向的NiO薄膜具有最低的表面能，其表面最稳定，对很多气体如no2、co、nh3具有特殊的敏感性，是一种较好的气敏材料。因而，制备(100)取向的NiO薄膜具有重要的意义。ZnO是一种典型的η型半导体，具有较大的激子束缚能，由于是六方结构，容易产生自发极化和压电效应，形成内建电场，严重影响ZnO基器件的发光效率。因此，为了提高ZnO基器件的内量子效率，研究ZnO非极性面生长成为了当前的研究热点。同时，ZnO与NiO晶格失配小，禁带宽度相近，可与NiO形成异质结制备半导体光电器件。目前，未有报道采用非极性ZnO与(100)取向的NiO制备的pn结器件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法。本发明的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构，包括衬底和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底上的(100)取向的η型ZnO薄膜和(100)取向的ρ型NiO薄膜构成的异质pn结。非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，包括以下步骤:
I)采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在经清洗的m面蓝宝石衬底上制备(100)取向的η型ZnO薄膜:
所述分子束外延法生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯金属Zn和经射频活化的纯O2为生长源，衬底温度为50(T750°C，Zn源炉温26(T300°C，氧气流量为f 3 sccm ；
所述脉冲激光沉积法生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯ZnO陶瓷靶作为靶材，衬底温度为450 650°C，生长压强为0.02 2 Pa ；
2 )采用脉冲激光沉积法在(100 )取向的η型ZnO薄膜上制备(100 )取向的ρ型NiO薄膜:靶材是纯NiO陶瓷靶或者Li掺杂的NiO陶瓷靶，衬底温度为300 500 V，生长压强为
0.5 10 Pa。
本发明步骤I)中所述的纯金属Zn的纯度彡99.9998%，纯O2的纯度彡99.9999%，纯ZnO陶瓷靶的纯度彡99.999%。步骤2)中所述的纯NiO陶瓷靶的纯度彡99.99%。通常，Li掺杂摩尔浓度为59Tl5%。(100)取向的η型ZnO薄膜和(I 00)取向的ρ型NiO薄膜的厚度由生长时间决定。本发明的有益效果在于:
O本发明的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构简单,无内建电场存在,有利于提高ZnO基光电器件发光效率，可广泛应用于紫外探测器、发光二极管和气敏传感器等领域。2)在(100)取向的ZnO薄膜上直接制备非极性(100)取向的NiO薄膜，制备工艺简单、成本较低。
图1是非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的示意图。图2是非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的x射线衍射(XRD)图。
具体实施例方式以下结合附图详细叙述本发明。参照图1，本发明的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构，包括衬底I和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所说的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底I上的(100)取向的η型ZnO薄膜2和(100)取向的ρ型NiO薄膜3构成的异质pn结。实施例1
I)衬底清洗:将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。2)采用脉冲激光沉积法在m面蓝宝石衬底上生长(100)取向的η型ZnO薄膜:革巴材为纯ZnO陶瓷靶，本底真空为IX 10_3 Pa，衬底温度为550 °C，生长压强为0.2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间30 min。3)采用脉冲激光沉积法在(100)取向的η型ZnO薄膜上沉积(100)取向的ρ型NiO薄膜:靶材采用Li掺杂摩尔浓度为10%的NiO陶瓷靶，本底真空为I X 10_3 Pa，衬底温度为400 °C，生长压强为2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min，制得非极性p_Ni0/η-Ζη0异质结，即图1所示的结构，从XRD图中(图2)可以看出，NiO为(100)取向，ZnO为(100)取向。实施例2
I)衬底清洗:将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。2)采用分子束外延法在m面蓝宝石衬底上生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯金属Zn (纯度为99.9998%)为Zn源，Zn源温度为300 V，经射频活化的纯O2 (纯度为99.9999%)为O源，射频功率为300 W，调节生长压强为3 X 10_5 Torr，氧气流量为3 sccm,将衬底温度升到700 °C，生长(100)取向的ZnO薄膜，生长时间3个小时。3 )采用脉冲激光沉积法在(100 )取向的η型ZnO薄膜上沉积(100 )取向的ρ型NiO薄膜:靶材采用Li掺杂摩尔浓度为5%的NiO陶瓷靶，本底真空为IX 10_3 Pa，衬底温度为400 V，生长压强为2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min,制得非极性p-NiO/n-ZnO异质结。实施例3
I)衬底清洗:将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。2)采用分子束外延法在m面蓝宝石衬底上生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯金属Zn (纯度为99.9998%)为Zn源，Zn源温度为280 V，经射频活化的纯O2 (纯度为99.9999%)为O源，射频功率为300 W，调节生长压强为2 X 10_5 Torr，氧气流量为2 sccm,将衬底温度升到600 °C，生长(100)取向的ZnO薄膜，生长时间3个小时。3)采用脉冲激光沉积法在(100)取向的η型ZnO薄膜上沉积(100)取向的P型NiO薄膜:靶材采用纯NiO (纯度为99.99%)陶瓷靶，本底真空为IX 10_3 Pa，衬底温度为500°C，生长压强为5 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min，制得非极性p-NiO/n-ZnO异质结。
权利要求
1.一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构，其特征是包括衬底(I)和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底(I)上的(100)取向的η型ZnO薄膜(2)和(100)取向的ρ型NiO薄膜(3)构成的异质pn结。
2.制备权利要求1所述的非极性P-NiO/n-ZnO异质结构的方法，其特征在于包括以下步骤: I)采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在经清洗的m面蓝宝石衬底上制备(100)取向的η型ZnO薄膜: 所述分子束外延法生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯金属Zn和经射频活化的纯O2为生长源，衬底温度为50(T750°C，Zn源炉温26(T300°C，氧气流量为f 3 sccm ； 所述脉冲激光沉积法生长(100)取向的η型ZnO薄膜:以纯ZnO陶瓷靶作为靶材，衬底温度为450 650°C，生长压强为0.02 2 Pa ； 2 )采用脉冲激光沉积法 在(100 )取向的η型ZnO薄膜上制备(100 )取向的ρ型NiO薄膜:靶材是纯NiO陶瓷靶或者Li掺杂的NiO陶瓷靶，衬底温度为300 500 V，生长压强为0.5 10 Pa。
3.根据权利要求2所述的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，其特征在于:步骤I)中所述的纯金属Zn的纯度彡99.9998%，纯O2的纯度彡99.9999%，纯ZnO陶瓷靶的纯度彡99.999% ;步骤2)中所述的纯NiO陶瓷靶的纯度彡99.99%。
4.根据权利要求2所述的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，其特征在于Li掺杂摩尔浓度为59Tl5%。
全文摘要
本发明公开的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构包括衬底和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底上的(100)取向的n型ZnO薄膜和(100)取向的p型NiO薄膜构成的异质pn结。其制备方法如下首先采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在m面蓝宝石衬底上制备(100)取向的n型ZnO薄膜；然后采用脉冲激光沉积法在ZnO薄膜上制备(100)取向的p-NiO薄膜。本发明的非极性取向p-NiO/n-ZnO异质结构无内建电场存在，有利于提高ZnO基光电器件的发光效率，可广泛应用于紫外探测器、发光二极管和气敏传感器等领域。
文档编号H01L31/18GK103137774SQ20131003816
公开日2013年6月5日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者张宏海, 吕斌, 潘新花, 叶志镇, 吕建国, 黄靖云 申请人:浙江大学