专利名称：一种MgZnO薄膜的制备方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及一种MgZnO薄膜的制备方法及其应用。
背景技术：
目前MgaiO(MZO)薄膜作为一种新兴的光电材料，由于原料易得，价格低廉，无毒环保，而且可见透过率高，成膜简单，性能稳定，具有广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。通过调节Mg/Zn比可使其禁带宽度从3.2 7.8eV连续可调，从而可以制得覆盖从蓝光到紫外广谱区域的发光器件。采用磁控溅射方法制备MZO薄膜，具有沉积速率高、衬底温度相对较低、薄膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点，因而成为当今工业化生产中研究最多、工艺最成熟和应用最广的一项方法。但是，用磁控溅射法要实现薄膜中Mg含量的调节，一般是通过改变靶材的成份来实现的。这种方法，往往需要制备多个靶材，这样就造成了靶材的浪费， 成本的提高；而且当Mg成份达到一定高浓度的时候，薄膜容易出现MgO和ZnO的分相，造成薄膜结晶质量的下降。
发明内容
本发明实施例提供一种MgZnO薄膜及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中靶材成本高和MgZnO薄膜结晶质量下降的问题。本发明实施例是这样实现的，第一方面提供一种MgZnO薄膜的制备方法，其包括如下步骤步骤一、靶材的制备，将MgO和ZnO粉体混合，烧结作为靶材，所述MgO与ZnO的摩尔量比为0. 15 1. 2 ；步骤二、薄膜的沉积，将所述MgZnO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置衬底温度为500°C 800°C，惰性气体流量为15sccm 2kccm，压强为0. 6Pa 1. 6Pa，溅射功率60W 160W，沉积时间为60min MOmin。本发明实施例的另一目的在于提供上述MgZnO薄膜的制备方法获得的MgZnO薄膜，薄膜中Mg与Si的比为0. 42 2. 3。本发明实施例的另一目的在于提供采用上述MgZnO薄膜的制备方法获得的MgSiO 薄膜在半导体光电器件中的应用。本发明实施例采用单一的靶材，便制备得到不同Mg含量的MgSiO薄膜。方法简单， 节省材料，同时也可以达到精确控制薄膜禁带宽度的目的；此外，该方法得到的MgZnO薄膜中Mg的含量可以超出Mg在ZnO单相中存在的极限，可广泛应用于半导体光电器件等产品中。
3
图1是本发明实施例的MgZnO薄膜的制备方法的流程图；图2是本发明实施例的MgZnO薄膜的厚度随溅射沉积时间变化关系图；图3是本发明实施例的MgZnO薄膜的XRD图；图4是本发明实施例的MgZnO薄膜中Mg元素含量随溅射沉积时间的变化关系图；图5是本发明实施例的在不同溅射沉积时间下得到MgZnO薄膜的透光谱图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，示出本发明实施例的一种MgZnO薄膜的制备方法，其包括如下步骤步骤一、靶材的制备，将MgO和ZnO粉体混合，烧结作为靶材，所述MgO与ZnO的摩尔量比为0. 15 1. 2 ；步骤二、薄膜的沉积，将所述MgZnO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置衬底温度为500°C 800°C，惰性气体流量为15sccm 2kccm，压强为0. 6Pa 1. 6Pa，溅射功率60W 160W，沉积时间为60min MOmin。步骤一中，将MgO和ZnO混合均勻，例如在1000°C 1200°C温度下烧结，得到 MgZnO陶瓷。MgO的含量与MgZnO薄膜的性能有很大关系，Mg的含量越高，薄膜的透光谱吸收边所处的波长位置越往短波方向移动，禁带宽度越大。通过改变薄膜中Mg的含量，可控的改变带隙宽度，对实现能带工程是十分有利的。此外，Mg元素的加入使得MgZnO具有比 ZnO薄膜更少的氧空位缺陷，更好的结晶质量。进一步，把握Mg的含量是非常关键的，因为 Mg浓度过高，薄膜会出现MgO和ZnO分相。优选地，MgO和ZnO的摩尔量比为0. 17 0. M， 在本发明一个优选实施例中，MgZnO陶瓷制备选用MgO和ZnO粉体的摩尔量比为0. 25 ；步骤二中，衬底可以为石英衬底、蓝宝石衬底等常用衬底。使用前用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤，并用高纯氮气吹干。优选地，衬底的温度加热到600°C 750°C，更优选地，衬底加热到温度为650°C 700°C，此温度有利于提高MgZnO薄膜的物理性能。靶材与衬底的距离优选为80mm。衬底高温加热可以得到更好结晶的MgZnO薄膜，同时也可以避免后续退火等处理步骤。而且，退火处理还会造成MgZnO的分相。工艺参数的设置优选为惰性气体流量为15sccm 25sccm，压强为0. 8Pa 1. 2Pa，溅射功率80W 120W，沉积时间为80min 180min。当工艺参数已经固定时，溅射生长的时间与MgZnO薄膜的厚度有关，溅射沉积时间越长，得到的MgZnO薄膜越厚。图1是在固定工艺参数下，不同沉积时间得到的MgZnO薄膜厚度的变化曲线，随着沉积时间的着增加，薄膜厚度也增加，图中时间与膜厚的对应分别为 240min 320nm, 180min 160nm, 120min 120nm，60min 58nm。同时，Mg元素含量也与沉积时间有关，改变沉积时间能够获得Mg/Si比为0. 42 2. 3的MgSiO 薄膜，其厚度范围在60nm 300nm。以及采用所述的MgZnO薄膜的制备方法在制备半导体光电领域中的应用，主要是在紫外探测器、量子阱和发光器件的应用。在这些半导体光电领域中，MgZnO薄膜作为宽隙半导体材料，大大提高了器件的质量。本发明实施例提供的MgZnO薄膜的制备方法，所用的靶材是单一 Mg成份的靶材，制备出不同Mg含量的薄膜；薄膜中Mg含量高出靶材中原有的Mg成份，其最高含量的能够超出Mg可以ZnO单相存在的极限；通过本方法制备的MgZnO薄膜禁带宽度大于3. 76eV,相对于纯SiO的3. 2eV有了较大幅度的调节效果。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述实施例一选用MgO ZnO = 2 8 (摩尔比)粉体，经过均勻混合后，1000 °C烧结成 Φ60Χ2πιπι的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为80mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6. 0 X IO-4Pa,衬底温度升到650°C，通入20sCCm的氩气，压强调节为1. OPa，沉积时间为240min，所得的膜厚为320nm。实施例二 选用MgO ZnO = 2 8 (摩尔比)粉体，经过均勻混合后，1000 °C烧结成 Φ60Χ2πιπι的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为80mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6. 0 X IO-4Pa,衬底温度升到650°C，通入20sCCm的氩气，压强调节为l.OPa，沉积时间为180min，所得的膜厚为160nm。实施例三选用MgO ZnO = 2 8 (摩尔比)粉体，经过均勻混合后，1000 °C烧结成 Φ60Χ2πιπι的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为80mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6. O X IO-4Pa,衬底温度升到650°C，通入20sCCm的氩气，压强调节为l.OPa，沉积时间为120min，所得的膜厚为120nm。实施例四选用MgO ZnO = 2 8 (摩尔比)粉体，经过均勻混合后，1000 °C烧结成 Φ60Χ2πιπι的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内。用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为80mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6. O X IO-4Pa,衬底温度升到650°C，通入20sCCm的氩气，压强调节为1. OPa,沉积时间为60min，所得的膜厚为58nm。所得的MZO薄膜样品中Mg含量已经超出Mg在SiO中的可熔度，出现了 MgO的分相。图2是实施例三和实施例四得到的MgZnO薄膜样品的XRD图，其中实施例四得到的MgZnO薄膜中Mg的含量已经超出了 Mg在SiO中的可溶度极限，出现了 MgO分相。图4 是MgZnO薄膜中Mg含量随沉积时间的变化曲线，通过降低膜厚可以使得薄膜中的Mg的含量增加。实施例三中，沉积时间为120min制备所得的MZO薄膜，Mg含量已经高达58at%， 大大偏离了靶材原有的Mg成份(20at% )，其吸收带边已经到达^5nm，对应的禁带宽度为 4. 08eV，相对于纯ZnO带宽的3. 2eV已经有了大幅度的增加。图4是不同沉积时间下MgSiO 薄膜样品的透光率，由图中吸收边所处的波长位置可以计算出薄膜的禁带宽度。沉积时间越短，厚度越小，吸收边所处的波长越短，薄膜的禁带宽度越大。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤步骤一、靶材的制备，将MgO和ZnO粉体混合，烧结作为靶材，所述MgO与ZnO的摩尔量比为0. 15 1. 2 ；步骤二、薄膜的沉积，将所述MgZnO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置衬底温度为500°C 800°C，惰性气体流量为Msccm 2kccm，压强为0. 6Pa 1. 6Pa,溅射功率 60W 160W，沉积时间为60min 240min。
2.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述MgO和ZnO的摩尔量比为0. 17 0. 54。
3.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底温度为600°C 750 °C。
4.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底温度为650°C 700 "C。
5.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述压强为0.SPa 1. 2Pa0
6.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射功率为80W 120W。
7.如权利要求1所述的MgZnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射沉积生长时间为 80min 160mino
8.如权利要求1 7任一所述的MgZnO薄膜的制备方法获得的MgZnO薄膜，其特征在于，所述MgZnO薄膜中Mg与Si的比为0. 42 2. 3。
9.如权利要求8所述的MgSiO的薄膜，其特征在于，所述MgZnO薄膜的厚度为60nm 300nmo
10.如权利要求8所述的MgZnO薄膜在半导体光电器件中的应用。
全文摘要
本发明涉及半导体材料制备领域，提供一种MgZnO薄膜的制备方法。该方法通过将MgO和ZnO粉体混合，烧结成MgZnO陶瓷作为靶材，其中，MgO和ZnO的摩尔量比为0.15～1.2；然后将上述MgZnO陶瓷靶材装入具有一衬底的磁控溅射腔体，抽真空，将衬底温度升到500℃～800℃；最后通入氩气，设置工艺参数为流量为15sccm～25sccm，调节工作压强为0.6Pa～1.6Pa，溅射功率60W～160W，在衬底上溅射沉积生长MgZnO薄膜。本发明采用单一的靶材，便制备得到不同Mg含量的MgZnO薄膜。方法简单，节省材料，同时也可以达到精确控制薄膜禁带宽度的目的。
文档编号C23C14/35GK102453865SQ20101051818
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者周明杰, 王平, 陈吉星, 黄辉 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司