[发明专利]一种硫掺杂生长带隙可调的ZnSO合金薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及带隙可调的ZnSO合金薄膜的生长方法。

背景技术

ZnO是一种宽带隙(3.3 eV)的化合物半导体材料, 具有原料丰富、价格便宜、无毒, 易于实现掺杂，合金化，且其沉积温度相对较低和在等离子体环境中稳定性好等优点。能带工程，又称为能带剪裁，是指认为地通过人为地设计、优化材料组分与结构以达到同质结构无法达到的性能，同时这也是现代光电子器件设计中的至关重要的一步。为实现商业化的 ZnO 发光器件，ZnO材料的带隙调节必须得到满足。一般通过等价阳离子掺杂掺入Mg、Be形成Zn_1-xMg_xO和Zn_1-xBe_xO合金薄膜来增大带隙宽度，以及掺入Cd形成Zn_1-yCd_yO合金薄膜来减小带隙宽度。然而，等价阴离子掺杂也可以改变ZnO薄膜的性能甚至可以调节带隙宽度，至今很少有这方面的报道。脉冲激光沉积法具有沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、能实现实时掺杂且生长的薄膜质量好等优点，具有广阔的应用前景，是目前制备ZnO基薄膜最有效和最有发展前途的制备技术之一。 目前为止，还没有使用脉冲激光沉积法生长带隙可调的ZnSO合金薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种硫掺杂生长带隙可调的ZnSO合金薄膜的方法。

本发明的硫掺杂生长带隙可调的ZnSO合金薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，其步骤如下：

1）称量纯氧化锌和纯硫化锌粉末, 其中硫化锌的摩尔含量为10~40%, 经混料后液压成型，制得靶材；

2）将清洗后的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为4.5～5.5 cm, 生长室背底真空度抽至1×10^-4～1×10^-3 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为300~500 ℃，激光频率为3~10 Hz, 激光能量为250～350 mJ，进行生长，生长后的薄膜以3～10℃/min降温速率冷却至室温。

上述的衬底可以是硅、蓝宝石、玻璃或石英。纯氧化锌和纯硫化锌的纯度均为99.99%。

本发明通过调节靶材中所掺S的摩尔含量、衬底温度，可以制备不同掺杂浓度的带隙可调的ZnSO合金薄膜，生长的时间由所需的薄膜厚度决定。

本发明的优点：

1）可以实现实时掺杂，在ZnO合金薄膜生长过程中同时实现带隙可调；

2）掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中S的摩尔含量来控制；

3）制备的ZnSO合金薄膜带隙可调，具有良好的光学性能，同时重复性和稳定性好。

附图说明

图1是本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图, 图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；

图2是实施例2的ZnSO合金薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；

图3是实施例2的ZnSO合金薄膜的光学透射谱。

具体实施方式

以下结合具体实例进一步说明本发明。

实施例1

1）取纯度为99.99%的氧化锌和纯度为99.99%的硫化锌粉末，S摩尔含量为10%，将ZnO和ZnS的混合粉末进行混料。混料均匀后，将粉末在高温下液压成厚度为3 mm，直径为50 mm的圆片，得到靶材。

2) 以石英为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室背底真空度抽至1×10^-4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为300℃，以掺ZnS的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为4.5 cm，激光频率为3 Hz, 激光能量为250 mJ，生长的时间为30 min。生长后以3 ℃/min的降温速率冷却到室温，得到S掺杂带隙可调的ZnSO合金薄膜。

制得的S掺杂带隙可调的ZnSO合金薄膜的禁带宽度约为3.2 eV，在室温下有优异的光学性能: 可见光平均透射率超过80%。

实施例2

1）取纯度为99.99%的氧化锌和纯度为99.99%的硫化锌粉末，S摩尔含量为30%，将ZnO和ZnS的混合粉末进行混料。混料均匀后，将粉末在高温下液压成厚度为3 mm，直径为50 mm的圆片，得到靶材。