专利名称：紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及氧化锌薄膜，具体地说是一种具有紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法。
背景技术：
氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3.36电子伏，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了在室温下短波长发光的有利条件。此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。
作为一种宽禁带半导体材料，以氧化锌为基质的各种发光材料已被深入研究和广泛应用。制备氧化锌薄膜的方法有很多种，如磁控溅射、化学气相沉积、等离子溅射、激光脉冲沉积以及分子束外延等。激光脉冲沉积和分子束外延技术虽然能制备出高质量的氧化锌薄膜，但是这两种方法由于设备价格昂贵而且维护成本高，从经济效益考虑很难实现产业化。目前最常用最简便最经济的方法是磁控溅射。
溅射这一物理现象是130多年前格洛夫发现的，现已广泛地应用于各种薄膜的制备之中。如用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜，以及化合物半导体薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高Tc超导薄膜等。所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子。
溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。其中磁控溅射方式电离效率最高，因此也就成为了最有效的一种溅射镀膜方法。
但是与分子束外延技术相比，通常情况下用磁控溅射制备的氧化锌薄膜中锌和氧的原子比会偏离化学计量比，这是由于大量的锌间隙或氧空位等缺陷的存在。这不但导致氧化锌的紫光发射强度低，而且在其他可见光波段还出现了由缺陷导致的光发射，见图1。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，该方法经济实用，使获得的氧化锌薄膜的紫光发射增强，其他可见区的发光受到抑制。
本发明的技术解决方案是一种紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，采用磁控溅射方法制备，其步骤在于用99.99％或纯度更高的金属锌掺入光谱纯的金属镉作为阴极的溅射锌靶，阳极和真空室相连，将溅射锌靶焊接到紫铜底板上；将清洗后的基底装在基底夹具上，活动挡板置于所述的基底夹具与所述的溅射锌靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10-3Pa以上；通入氩气和氧气后，真空度范围为0.1Pa～0.5Pa；溅射电源功率选择范围为100W～500W，开直流电源起辉预溅射5～10分钟；旋转所述的基底夹具，移开活动挡板，开始沉积薄膜，直至达到所需的薄膜厚度。
所制备有氧化锌薄膜的基底放置在空气中进行退火，退火温度的选择范围为400℃～730℃。
所述的退火的保温时间为4小时或4小时以上。
所述的溅射锌靶中金属镉的含量为5～10wt％。
所述的氩气和氧气的氩氧比为1∶1～1∶10。
所述基底为石英片、晶体片或硅片。
对所制得的氧化锌薄膜进行室温荧光光谱测试结果如图1和2所示，结果表明所述的溅射锌靶中不掺光谱纯的金属镉时，其薄膜的紫光发射强度和其他可见区的发光强度差不多，发光强度低，随着溅射锌靶中金属镉的含量增加，薄膜的紫光发射进一步增强。同时，其他可见区的发光强度受到抑制。用掺镉5％wt-10％wt的溅射锌靶镀制的氧化锌薄膜的紫光发射显著增强。在400℃到730℃范围内退火处理后，薄膜的紫光发射进一步增强。同时，其他可见区的发光强度受到抑制。
本发明与在先技术相比的优点在于成本低。采用纯镉作掺杂剂，氩气作为工作气体、氧气作为反应原料，材料来源丰富，价格低廉，极具开发和应用的价值。
图1是不同镉掺杂浓度并经700℃退火后的氧化锌薄膜在248纳米波长激光激发的室温荧光光谱2是镉掺杂浓度为10wt％经不同退火温度后的氧化锌薄膜在248纳米波长激光激发的室温荧光光谱图具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1室温下，采用磁控反应溅射法，制备设备为DMD-450型磁控溅射平面夹具镀膜机，采用99.99％的金属锌掺入5wt％的光谱纯金属镉作为阴极溅射锌靶，阳极和真空室相连；将溅射锌靶焊接到紫铜底板上，以确保靶的水冷散热效果及导电性能；将清洗后的石英片装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10-3Pa以上；通入适量氩气和氧气，氩氧比为1∶1，控制真空度0.1Pa；溅射电源功率为100W，开直流电源起辉预溅射10分钟；旋转基底夹具，移开活动挡板，开始沉积薄膜；沉积完成后将基底放置在空气中进行退火，退火温度为700℃，保温时间4小时。
用纯锌掺镉5wt％(重量百分比)作为阴极靶，后通过反应磁控溅射在石英基底上制备的氧化锌薄膜，再经过700℃的空气中退火4小时，其荧光光谱请参见图1和图2，其紫光发射明显增强，其它可见区发光抑制。
实施例2室温下，采用磁控反应溅射法，制备设备为DMD-450型磁控溅射平面夹具镀膜机，采用99.99％的金属锌掺入7.5wt％(重量百分比)的光谱纯金属镉作为阴极靶，阳极和真空室相连；将溅射锌靶焊接到紫铜底板上，以确保靶的水冷散热效果及导电性能；将清洗后的硅片装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10-3Pa以上；通入适量氩气和氧气，氩氧比为1∶5，控制真空度0.3Pa；溅射电源功率为250W，开直流电源起辉预溅射7.5分钟；旋转基底夹具，移开活动挡板，开始沉积薄膜；沉积完成后将基底放置在空气中进行退火，退火温度为550℃，保温时间6小时。
用纯锌掺镉7.5wt％(重量百分比)作为阴极靶，后通过反应磁控溅射在硅片上制备的氧化锌薄膜，再经过550℃空气退火6小时，紫光发射明显增强，其它可见区发光抑制。
实施例3室温下，采用磁控反应溅射法，制备设备为DMD-450型磁控溅射平面夹具镀膜机，采用99.99％的金属锌掺入10wt％的光谱纯金属镉作为阴极靶，阳极和真空室相连；将溅射锌靶焊接到紫铜底板上，以确保靶的水冷散热效果及导电性能；将清洗后的蓝宝石基底装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10-3Pa以上；通入适量氩气和氧气，氩氧比为1∶10，控制真空度0.5Pa；溅射电源功率为500W，开直流电源起辉预溅射5分钟；旋转基底夹具，移开活动挡板，开始沉积薄膜；沉积完成后将基底放置在空气中进行退火，退火温度为400℃，保温时间8小时。
用纯锌掺镉10wt％(重量百分比)作为阴极靶，后通过反应磁控溅射在蓝宝石基底上制备的氧化锌薄膜，再经过400℃空气退火8小时，紫光发射明显增强，其它可见区发光抑制。
权利要求
1.一种紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，采用磁控溅射方法制备，其特征在于用99.99％或纯度更高的金属锌掺入光谱纯的金属镉作为阴极的溅射锌靶，阳极和真空室相连，将溅射锌靶焊接到紫铜底板上；将清洗后的基底装在基底夹具上，活动挡板置于所述的基底夹具与所述的溅射锌靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10-3Pa以上；通入氩气和氧气后，真空度范围为0.1Pa～0.5Pa；溅射电源功率选择范围为100W～500W，开直流电源起辉预溅射5～10分钟；旋转所述的基底夹具，移开活动挡板，开始沉积薄膜，直至达到所需的薄膜厚度。
2.按照权利要求1所述的紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于所制备有氧化锌薄膜的基底放置在空气中进行退火，退火温度的选择范围为400℃～730℃。
3.按照权利要求1或2所述紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于所述的退火的保温时间为4小时或4小时以上。
4.按照权利要求1所述的紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于所述的溅射锌靶中金属镉的含量为5～10wt％。
5.按照前述要求1所述的紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于所述的氩气和氧气的氩氧比为1∶1～1∶10。
6.按照前述权利要求1所述的紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于所述基底为石英片、晶体片或硅片。
全文摘要
一种紫光发射增强的氧化锌薄膜的制备方法，采用磁控溅射方法制备，其步骤包括用99.99％或纯度更高的金属锌掺入光谱纯的金属镉作为阴极的溅射锌靶，阳极和真空室相连，将溅射锌靶焊接到紫铜底板上；将清洗后的基底装在基底夹具上，活动挡板置于所述的基底夹具与所述的溅射锌靶之间；关好各气阀后抽真空，直至真空度达3×10
文档编号C23C14/58GK1752272SQ20051003102
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者方明, 洪瑞金, 贺洪波, 易葵, 邵建达 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所