制备单一立方相结构的Mg_xZn_1-xO半导体合金体材料的方法

专利名称：制备单一立方相结构的Mg_xZn_1-xO半导体合金体材料的方法
技术领域：
本发明涉及制备MgxZni_xO半导体合金体材料的方法，特别是一种制备 具有单一立方相结构的MgxZni—xO半导体合金体材料的方法。
背景技术：
近年来，随着II -VI族三元化合物MgxZni—xO半导体材料在紫外探测器等
方面的应用，使之成为继in-v族氮化物和n-vi族硒化物之后人们广泛研究的 热点。与m-v族氮化物和n-vi族硒化物等其它半导体合金材料相比，Mgx zni.xo半导体合金具有原料丰富、成本低、无污染、热稳定性好等天然优势，
而且从理论上预言，通过各种工艺和组分配比，改变其中Mg(或Zn)含量(O ^x^l)，使之禁带宽度(Eg )在3.3 7.8eV范围内，可使制得的半导体激光 器可以覆盖从蓝光到紫外的广谱区域。
目前己报道用于制备MgxZni.xO薄膜的方法多为脉冲激光沉积(PLD)、 磁控溅射、电子束蒸发(EBE)、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、溶胶-凝胶法等。据现有查新表明，采用上述方法制备出的 MgxZni-xO薄膜中，MgO在ZnO中稳态固溶限￡33 %(mol)，或^61 %(mol)， 也就是说在0.33<X<0.61区间内，上述方法不能制备出单一结构的 MgxZn^O合金材料，而该区间正是光电器件在紫外波段应用的关键区域；另 外.，采用其它方法制备MgxZni_xO半导体合金材料没有文献报到。
大量的实验事实表明，高压作为除了成分，温度以外的第三个热力学维 度，可以改变材料生长的热力学平衡状态。为此，我们利用高压高温技术开 展了MgxZn^O半导体体材料的制备工作，获得高电学和光学质量，性能稳定、可重复生产的MgxZn^O半导体合金体材料。

发明内容
本发明的目的是提出一种制备单一立方相结构的MgxZni—xO半导体合金 体材料的方法，该方法所获得的MgxZn^O(0.32〈X〈0.61)半导体合金体材料 的禁带宽度在3.5~5.5eV范围内，为光电器件制造技术领域提供了特别适用 的优质新材料。
本发明制备单一立方相结构的MgxZni.xO半导体合金体材料的方法，以 粉体MgO和粉体ZnO作原料，包括以下步骤
a. 将粉体MgO和ZnO按摩尔比为MgO = 0.32 0.61、 ZnO = 0.68~0.39 的配比量均匀混合；
b. 将上述MgO和ZnO粉体混合料在压力为4 6GPa、温度为1600 200(TC的条件下热压烧结即制得所述的MgxZni.xO半导体合金体材料。
用该方法所获得的MgxZni.xO半导体合金体材料，具有单一的立方相结 构，其结构式中的X值为0.32〈X〈0.61，该材料的禁带宽度在3.5 5.5eV范 围内。
本发明利用热压烧结法制备的MgxZni—xO半导体合金体材料具有以下特点1. 用热压烧结制备MgxZni.xO合金体材料可以通过精确控制MgO和 ZnO摩尔比来控制体材料的组分；合金材料结晶质量好；制备重复性好；适 于工业化生产。
2. 本方法与现有技术的MgxZn^O薄膜制备方法更是具有本质的区别， 特别是为组分为MgxZni-xO(0.32<X<0.61)，其禁带宽度在3.5 5.5eV范围内
的半导体合金体材料的理论设想提供了适于规模化生产的技术手段。为光电
器件制造技术领域提供了特别适用的优质新材料。进而为紫外探测器器件的 制备及实现奠定了物质基础。
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明作进一步详细阐述。
本发明涉及用热压烧结方法制备MgxZni.xO半导体合金体材料的一种方 法。是以高纯ZnO和MgO粉体为原料，纯度为4 5N ，粒径小于lum，热 压烧结工艺的压力为4 6GPa，温度为1600 2000°C，采用该热压烧结工艺 制得的MgxZni.xO(0.32<X<0.61)半导体合金体材料，具有单一的立方相结 构，禁带宽度在3.5 5.5eV范围内。
其具体做法是将纯度为4 5N (粒径小于lum)的ZnO和MgO粉体， 按摩尔比为MgO = 0.32~0.61、 ZnO = 0.68~0.39的配比量均匀混合；将上述混 合料预压成型后装入叶腊石模块腔体内，在六面顶压机压力室中加压，当压 力达到设定的工作压力后通过电流将模块加热至设定的工作温度，在此设定 的工作压力和温度下保温保压20分钟，卸压冷却脱模后即获得 MgxZn,-xO(0.32〈X〈0.61)半导体合金体材料。
按本方法获得的MgxZn^O(0.32〈X〈0.61)半导体合金体材料，其特征是 具有单一的立方相结构，禁带宽度在3.5 5.5eV范围内。
通过以下实施例分别说明原材料粉体的不同配比、热压烧结工作压力和 温度对制备的MgxZn^O(0.32〈X〈0.61)半导体合金体材料性能的影响。
实施例l
在固定的压力和温度条件下，以不同组分配比的混合料制备MgxZn^O体 材料合金。
将纯度为4 5N (粒径小于lum)的ZnO和MgO粉体，分别按以下三组不同
配料比进行混合
A组为MgO: 0.61mol%、 ZnO: 0.39 mol%; B组为MgO: 0.55 mol% 、 ZnO: 0.45 mol%; c组为MgO: 0.32 mol% 、 ZnO: 0.68 mol% ;热压工作压力6GPa,温度为200(TC ，热压时间为20分钟。 在上述的压力和温度条件下，制备出不同原子比的MgxZn^O半导体合金 体材料(0.32〈X〈0.61)。X射线衍射测量结果表明所有样品都具有单一立方相 结构的MgxZnkO合金体材料，其特征峰为(111)， (002)， (220) (311)和 (222)，其中主要衍射峰(002)的峰值半高宽均较窄，因此说明其结晶质量 相对较高。此外，原料初始原子配比与EDX检测Mg、 Zn、 O结果以及X射线 衍射测量计算结果基本吻合。紫外吸收结果表明，禁带宽度分别为a组样品 3.74eV， b组样品4.34eV， c组样品5.42eV。 实施例2
在固定的压力和配料比条件下，以不同的热压温度制备MgxZnLxO体材料
a会
将纯度为4 5N (粒径小于lum)的ZnO和MgO粉体按摩尔比0.55:0.45均匀 混合,压力为5.5GPa,温度分别为1500。C、 1600°C、 1800°C、 2000°C，热压时间 为20分钟。不同的热压温度下制备出的Mgo.45Zno.550体材料合金，通过X-射线
衍射测量结果表明，150(TC以下时，Mgo.45Zll().550合金体材料样品产生了分相；
1600。C至2000。C时，Mgo.4sZno.550合金体材料样品为单一立方相，紫外吸收结 果表明，禁带宽度为4.34eV左右，且随着合成温度的增加，制备的Mgo.45Zno.550 体材料合金样品衍射峰的半高宽明显变窄，说明通过改变热压温度可以提高 MgxZn^O半导体合金体材料质量。 实施例3
在固定的温度和配料比条件下，以不同的压力制备MgxZnLxO体材料合金。
将纯度为4 5N (粒径小于lum)的ZnO和MgO粉体，按摩尔比0.46:0.54 均匀混合，热压温度为200(TC,压力分别为3.8、 4.0、 5.2、 5.4、 6 GPa，热压 时间为20分钟。在不同的压力条件制备出的Mgo.54Zno.460体材料合金，通过X-射线衍射测量结果表明，压力在3.8GPa时，Mgo.54Zno.460合金体材料样品 分相，同时紫外吸收表明也呈现出分相结果；在4.0、 5.2、 5.4、 6 GPa时， Mga54ZnQ.460合金体材料样品为单一立方相，紫外吸收结果表明，禁带宽度 为5.38eV左右，且随着合成压力的升高，制备的Mg。.54Zri().460合金体材料样 品XRD衍射峰的半高宽明显变窄，说明通过改变生长压力可以提高合金质
权利要求
1. 一种制备单一立方相结构的MgxZn1-xO半导体合金体材料的方法，以粉体MgO和粉体ZnO作原料，其特征在于包括以下步骤a.将粉体MgO和ZnO按摩尔比为MgO＝0.32～0.61、ZnO＝0.68～0.39的配比量均匀混合；b.将上述MgO和ZnO粉体混合料在压力为4～6GPa、温度为1600～2000℃的条件下热压烧结即制得所述的MgxZn1-xO半导体合金体材料。
2. 根据权利要求1所述的制备单一立方相结构的MgxZni.xO半导体合金 体材料的方法，其特征在于，所述的粉体MgO和ZnO的纯度为4~5N、粒径 小于lum;将所述的MgO和ZnO粉体混合料预压成型后装入叶腊石模块腔 体内，在六面顶压机压力室中加压、加热至设定的压力和温度后保温保压20 分钟。
3. 根据权利要求2所述的方法制备的MgxZn"0半导体合金体材料，其 特征在于该材料具有单一的立方相结构，其结构式中的X值为0.32<X< 0.61，该材料的禁带宽度在3.5 5.5eV范围内。
全文摘要
本发明涉及制备Mg_xZn_1-xO半导体合金体材料的方法，特别是一种制备单一立方相结构的Mg_xZn_1-xO半导体合金体材料的方法。将按摩尔比为MgO0.32～0.61，ZnO0.68～0.39的MgO和ZnO粉体混合料在压力为4～6GPa、温度为1600～2000℃的条件下热压烧结制得Mg_xZn_1-xO半导体合金体材料，该材料具有单一的立方相结构，禁带宽度在3.5～5.5eV范围内。本方法提供了适于规模化生产Mg_xZn_1-xO(0.32＜X＜0.61)半导体合金体材料的的技术手段。为光电器件制造技术领域提供了特别适用的优质新材料，进而为紫外探测器器件的制备及实现奠定了物质基础。
文档编号C22C29/00GK101285147SQ200810050790
公开日2008年10月15日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者斌 姚, 张吉英, 张振中, 李炳辉, 申德振, 秦杰明, 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