[发明专利]一种增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是一种增强氧化锌(ZnO)薄膜蓝光发射的方法。

技术背景

氧化锌(ZnO)是一种重要的II-VI族宽禁带、直接带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，被认为是继ZnSe、GaN之后的又一种新型光电材料，是短波长发光二极管和半导体激光器的最佳候选材料，在信息储存和显示，光通信，半导体白光照明，医学以及生物等高科技领域具有广泛的用途，是当前半导体材料科学与器件研究的热点。目前人们已能运用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和磁控溅射等方法制备出质量较好的ZnO薄膜，其光致发光和电致发光谱也都有报道。但ZnO本身缺陷以及半导体材料共有的高折射率等特点，使得即将走向市场的ZnO基蓝光发光二极管和其它已经商用化的发光二极管一样，面临发光效率不高的问题，完全取代当前照明荧光灯遇到困难，也必将阻碍ZnO基发光二极管和激光器实用化的发展，因此提高ZnO的蓝光发光效率是ZnO基发光器件完全实用化、高效化中的重要一步。

利用金属表面等离激元与发光材料发射光之间的共振耦合，可使发光材料带间辐射复合速率加快；同时借助具有一定粗糙度的金属薄膜表面将等离激元耦合成光，可以达到增强光发射的目的。近年来，人们已经开始尝试利用这种方法来增强半导体材料和器件发光效率，如Okamoto等在InGaN量子阱上引入粗糙的Ag薄膜后，表面等离激元增强发光导致室温下光致发光强度提高了14倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强ZnO薄膜蓝光发射的方法，以解决当前制备ZnO薄膜缺陷过多，导致蓝光发射效率不高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其通过制备ZnO/Ag复合结构薄膜，利用Ag表面等离激元与ZnO带间发射间的共振耦合，使ZnO带间辐射复合速率加快；同时借助具有一定粗糙度的Ag薄膜表面将等离激元耦合成光，以达到增强ZnO薄膜带间的蓝光发射，同时有效地抑制ZnO薄膜中缺陷导致的绿光发射。

所述的增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其所述制备ZnO/Ag复合结构薄膜，是使用三靶射频磁控溅射系统制备ZnO/Ag复合结构薄膜，其包括如下步骤：

1)以Si(001)单晶片为衬底；

2)用99.99％的高纯Ag靶作为金属Ag薄膜沉积的溅射靶；

3)用99.99％的高纯ZnO陶瓷靶作为ZnO薄膜沉积的溅射靶；

4)采用ZnO/Ag双层结构，第一层沉积Ag，第二层沉积ZnO。

所述的增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其所述生长ZnO/Ag复合结构薄膜的装置三靶射频磁控溅射系统，其背景真空度为1×10^-5Pa，各磁控溅射靶能够独立的控制材料制备过程中的各个参数。

所述的增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其所述4)步中，沉积生长时的衬底-靶的间距d为50-80mm。

所述的增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其所述4)步中，第一层沉积Ag时，衬底温度为室温；工作气体为99.99％的高纯氩，工作气体压强p_Ag＝1.0-2.0Pa；溅射功率W_Ag＝20-80W，沉积Ag所用的时间t_Ag＝5-40min。

所述的增强氧化锌薄膜蓝光发射的方法，其所述4)步中，第二层沉积ZnO时，衬底温度T_ZnO＝400℃；工作气体为99.99％的高纯氩，工作气体压强p_ZnO＝1.0-2.0Pa；溅射功率W_ZnO＝40-90W，沉积ZnO所用的时间t_ZnO＝30-80min。

本发明方法利用这种Ag表面等离激元增强机制，可以将ZnO薄膜的带间的蓝光发射强度提高约50倍。该方法具有成本低、操作简单、适用广泛、实用性强等特点，不仅能增强ZnO蓝光发射，而且也能广泛应用于其它半导体发光材料以及其它类型的发光体。

附图说明

图1为依照本发明实施例在Si(001)衬底上沉积10min的Ag薄膜的原子力显微镜(AFM)图片；

图2为依照本发明实施例在Si(001)衬底上沉积10min的Ag薄膜的反射光谱；

图3为依照本发明实施例制备的ZnO/Ag复合结构薄膜的X射线衍射(XRD)谱；

图4为依照本发明实施例制备的ZnO/Ag复合结构薄膜和ZnO参考薄膜室温光致发光(PL)谱的比较示意图。