[发明专利]超宽禁带Zrx

说明书

本发明属于半导体光电材料与器件技术领域，具体涉及一种带隙可调的超宽禁带Zr_xSn_1‑xO₂合金半导体外延薄膜材料及其制备方法和其在深紫外光探测方面的应用。该方法包括以下步骤：1)制备陶瓷靶材，所述陶瓷靶材由陶瓷坯片烧结而成，所述陶瓷坯片包括ZrO₂和SnO₂；2)采用脉冲激光沉积法将步骤1)得到的陶瓷靶材物质沉积在c面蓝宝石衬底上制备生长外延薄膜，得到超宽禁带Zr_xSn_1‑xO₂合金半导体外延薄膜材料，其中x为0.01～0.99。本发明以SnO₂作为探测器的基质材料，并且通过对纯的SnO₂进行掺杂以调节其带隙的大小，使其带隙能够达到深紫外波长段光探测的要求。

技术领域

本发明属于半导体光电材料与器件技术领域，具体涉及一种带隙可调的超宽禁带Zr_xSn_1-xO₂合金半导体外延薄膜材料及其制备方法和其在深紫外光探测方面的应用。

背景技术

紫外探测在许多领域都有着极其重要的应用，如火焰探测、导弹羽烟追踪、天际紫外探测等等。当然目前紫外探测领域也面临着许多问题急需解决，其中最急迫的也是最引人关注的就是深紫外波段光的探测问题。由于深紫外光波长都小于280nm，所以要求探测器材料的带隙Eg不小于4.43eV；只有当探测器材料的带隙不小于4.43eV时探测器才会对这一波长范围内的紫外线有最灵敏的响应，从而实现对深紫外光的最佳探测效果。所以要想实现对深紫外光波的精确灵敏探测，必须要求探测器材料具有大的禁带宽度，由此我们想到了第三代半导体材料，第三代半导体材料最典型的特点就是具有较大的禁带宽度，所以它们又被称为宽禁带半导体。SnO₂作为第三代半导体材料的典型代表之一，具有很大的本征带隙，其带隙达到了3.6eV，但是仍然不能满足深紫外波段光的探测要求，所以要对纯SnO₂进行掺杂以调节其带隙的大小。本项发明中，我们设计在SnO₂中引入等价阳离子，通过对Sn⁴⁺的部分取代形成带隙不小于4.43eV的三元合金体系。为实现此目标，溶质离子应该是正四价金属阳离子，且离子半径与Sn⁴⁺半径相差不大，并且此种金属氧化物的带隙要大于4.43eV，晶格类型要与SnO₂的晶格类型相近，从这些因素的综合考量出发，我们最终选择了用Zr⁴⁺部分取代Sn⁴⁺(r(Zr⁴⁺)＝0.8 埃，r(Sn⁴⁺)＝0.71埃，两者离子半径相差不大；ZrO₂的带隙为5.5-7.8eV，远大于4.43eV)形成Zr_xSn_1-xO₂合金体系，并最终通过实验证明对纯的SnO₂掺锆能够实现对合金带隙调大的目的。

紫外光探测器之所以能够探测紫外线的强度，是依据爱因斯坦光电效应。当光子能量大于等于探测器材料的带隙Eg时，就会被材料价带中的电子吸收从而跃迁到导带，由原来的局域化电子成为非局域化电子，从而可以在整个晶体材料中移动，形成可探测的光电流。所以当某种特定波长的光照射某种具有特定带隙的物质时就会光致激发，使得载流子浓度增加、导电性能增强，并且光照越强导电性能增强就越明显，产生的光生电流就越大，我们可以利用物质的这一光电特性进行光辐射的探测。但是要想实现对某一波长范围光波的精确灵敏探测，探测器材料的带隙不能太小，如果带隙太小的话就会有较大波长范围内的光被吸收，从而不能精确灵敏地探测某一特定波长段的光波强度。这就要求探测器材料的带隙不能远小于所要探测光波段的最小光子能量，对于深紫外波段的探测器来说，即要求其带隙不小于4.43eV。针对该要求，本发明对本征SnO₂进行Zr掺杂以增大合金禁带宽度Eg，从而实现对深紫外波长段光波强度的精确灵敏探测。

发明内容