CN101403094A - 柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在柔性衬底上生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法。先将ZnO，MgO和Ga₂O₃粉末球磨混合均匀、压制成型，在1000～1300℃温度下烧结，制得ZnMgO掺Ga陶瓷靶；然后将陶瓷靶和清洗过的柔性衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，经脉冲激光沉积得n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜。本发明方法简单，可在室温下生长电学性能优良n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜。制得的薄膜透明导电、质量轻、可折叠、不易破碎。这种薄膜可广泛应用于制造柔性发光器件、塑料液晶显示器和柔性衬底非晶硅太阳能电池，还可作为透明隔热保温材料用于塑料大棚、汽车玻璃和民用建筑玻璃贴膜。

Description

柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法

技术领域

本发明涉及n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜生长方法，尤其是柔性衬底上生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法。

背景技术

ZnO薄膜是继铟锡氧化物(ITO)薄膜之后，新开发出来的一种新型的宽禁带、在可见光范围内具有高透射率和低电阻率的n型半导体透明导电薄膜。氧化锌还有材料来源非常丰富、价格低廉、无毒、制备方法多样、易实现掺杂和低温生长等优点。ZnO薄膜的低阻特性使其成为一种重要的电极材料，如用作太阳能电池的电极、液晶元件电极等。而高透光率和大的禁带宽度使其可用作太阳能电池的窗口材料、低损耗光波导器材料等。它的发光性质及电子辐射稳定性使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二级管激光器等电发光器件领域有潜在的应用前景。

在所有掺杂元素中，由于Ga和Zn原子半径最为接近，而且Ga-O键和Zn-O键的键长也很接近，因此Ga原子置换Zn原子对ZnO的晶格畸变也较小，这有利于Ga的掺入。其次在薄膜的生长过程中，Al反应活性较高，易氧化，Ga相对于Al不易氧化，这是Ga作为掺杂元素的另外一个优点。所以Ga被认为是最有前途的掺杂元素。另外由于ZnO中掺入Mg可以有效的调节ZnO的禁带宽度，使其在二维电子气、调制掺杂方面、多层异质结、量子井结构方面有着重要的用途。

在柔性衬底上制备的透明导电膜具有许多独特的优点，如质量轻、可折叠、不易破碎、易于大面积生产、便于运输等。这种薄膜可广泛应用于制造柔性发光器件、塑料液晶显示器和柔性衬底非晶硅太阳能电池，还可作为透明隔热保温材料用于塑料大棚、汽车玻璃和民用建筑玻璃贴膜。

如果能够在柔性衬底上制备可控的n型ZnO基半导体薄膜将有望开辟ZnO基半导体器件应用的新领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法。

本发明的柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，包括以下步骤：

1)称量ZnO，MgO，Ga₂O₃粉末，ZnO、MgO和Ga₂O₃的质量比为87∶10∶3，将粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得ZnMgO掺Ga陶瓷靶；

2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的柔性衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，靶材与衬底之间的距离保持为4～6cm，生长室真空度至少抽至10^-3Pa，生长室通入O₂气体，控制压强为0.005～0.1Pa，保持室温，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，形成余辉，沉积在衬底上，制得n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜。

上述的柔性衬底可以是聚苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺或聚碳酸酯。

本发明中，所说的ZnO，MgO和Ga₂O₃的纯度≥99.99％。薄膜的厚度可以通过改变沉积时间来调节。

本发明的有益效果在于：

1)方法简单，可在室温下生长电学性能优良n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜；其载流子浓度为10²⁰～10²¹cm^-3。

2)制得的薄膜透明导电、质量轻、可折叠、不易破碎。这种薄膜可广泛应用于制造柔性发光器件、塑料液晶显示器和柔性衬底非晶硅太阳能电池，还可作为透明隔热保温材料用于塑料大棚、汽车玻璃和民用建筑玻璃贴膜。

附图说明

图1是根据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是制得的n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的透射谱。

具体实施方式

以下结合图1，通过实例对本发明作进一步的说明。

实施例1

柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，步骤如下：

1)陶瓷靶的制备称量纯度为99.99％的ZnO，MgO和Ga₂O₃粉末，ZnO、MgO和Ga₂O₃的质量比为87∶10∶3。将称量好的粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨15个小时，目的是将ZnO，MgO，Ga₂O₃粉末混合均匀并在一定程度上细化。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中，经800℃排素，使粘结剂挥发，再升温至1200℃烧结2小时，得到ZnMgO掺Ga陶瓷靶。

2)薄膜的制备  将陶瓷靶装在靶材架上，然后嵌入脉冲激光沉积装置的靶托中。将PET衬底经过清洗后固定在样品台上，放入生长室2。调节衬底4和靶材3的距离为4.5cm，并用挡板将衬底和靶隔开。生长室真空度抽至2×10^-3Pa，衬底保持室温，通入O₂气体，压强控制在0.03Pa。开启激光器1(脉冲激光能量为180mJ，频率3Hz)，预沉积2min，除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，沉积薄膜。沉积过程中衬底和靶材低速旋转，以改善薄膜的均匀性。沉积时间为60min，薄膜厚约为220nm。

制得的生长在柔性衬底上的ZnMgO掺Ga半导体薄膜显示n型导电：载流子浓度为1.10×10²¹cm^-3，霍尔迁移率为7.71cm²/V.s，电阻率为7.346*10^-4Ω·cm。图2的透射谱显示，制得的ZnMgO掺Ga薄膜在可见光区平均透射率超过80％。

实施例2

方法同实施例1，区别在于：ZnMgO掺Ga陶瓷靶的烧结温度为1000℃，柔性衬底是聚酰亚胺。靶材与衬底之间的距离保持为6cm，压强控制在0.1Pa，沉积时间为40min，制得的薄膜厚约为140nm。

本例生长在柔性衬底上的ZnMgO掺Ga半导体薄膜透明导电，载流子浓度为4.64×10²⁰cm^-3，霍尔迁移率为4.32cm²/V.s，电阻率为3.111*10^-3Ω·cm。

实施例3

方法同实施例1，区别在于：ZnMgO掺Ga陶瓷靶的烧结温度为1300℃，柔性衬底是聚碳酸酯。靶材与衬底之间的距离保持为4cm，压强控制在0.005Pa，沉积时间为20min，制得的薄膜厚约为70nm。

生长在柔性衬底上的ZnMgO掺Ga半导体薄膜透明导电，载流子浓度为1.62×10²⁰cm^-3，霍尔迁移率为1.27cm²/V.s，电阻率为3.033*10^-2Ω·cm。

Claims (3)

1.柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，包括以下步骤：

1)称量ZnO，MgO，Ga₂O₃粉末，ZnO、MgO和Ga₂O₃的质量比为87∶10∶3，将粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得ZnMgO掺Ga陶瓷靶；

2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的柔性衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，靶材与衬底之间的距离保持为4～6cm，生长室真空度至少抽至10^-3Pa，生长室通入O₂气体，控制压强为0.005～0.1Pa，保持室温，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，形成余辉，沉积在衬底上，制得n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜。

2.根据权利要求1所述的柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，其特征在于所说的柔性衬底为聚苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚碳酸酯。

3.根据权利要求1所述的柔性衬底生长n型ZnMgO掺Ga半导体薄膜的方法，其特征在于ZnO，MgO和Ga₂O₃的纯度≥99.99％。

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