[發(fā)明專利]一種正六棱柱狀的鎂摻雜氧化鋅薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2015-11-17
• 公開（公告）號: CN105481263B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易捷;王莽;楊穗
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學
• 主分類號: C03C17/23
• 分類號: C03C17/23;C04B41/50
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙)43108
• 代理人: 冷玉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及屬于光電材料、太陽能電池窗口層材料、及傳感器材料的制備方法。具體涉及一種正六棱柱狀的鎂摻雜氧化鋅薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

氧化鋅是一種多功能半導體材料，因其具有良好的光學、壓電、光敏、氣敏、光催化、電導等特性，使其可以廣泛用于太陽能電池、壓電傳感器、氣敏傳感器、發(fā)光二極管、紫外光探測器、半導體激光器等。為了進一步提高它的電、光、磁方面的性能，可以摻入不同的雜質(zhì)元素。在氧化鋅中摻入鎂，可以調(diào)節(jié)禁帶寬度，實現(xiàn)能帶工程。理論上通過調(diào)節(jié)鎂的含量可以實現(xiàn)Zn_1-xMg_xO(ZMO)的禁帶寬度在3.37～7.8ev之間連續(xù)可調(diào)。當ZMO晶體中鎂含量較小時，鎂原子進入ZMO晶格中取代了部分鋅原子，ZMO的晶體結(jié)構(gòu)與ZnO相同，為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，但是隨著鎂的摩爾百分比的增加，晶體結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO的立方結(jié)構(gòu)。研究表明鎂的摻雜摩爾百分比在0～40％范圍變化時，可以使ZMO的禁帶寬度在3.3eV到4eV之間有效連續(xù)調(diào)節(jié)且晶體結(jié)構(gòu)與ZnO相同(T.Makino,Y.Segawa,M.Kawasaki,Applied Physics Letters,1998,78,123)。由于Mg²⁺與Zn²⁺的離子半徑差異不大，分別為和替換摻雜難度小，在一定的x范圍內(nèi)能與氧化鋅的晶格匹配。這種帶隙可調(diào)的ZMO可作為氧化鋅基半導體量子阱、異質(zhì)結(jié)和超晶格結(jié)構(gòu)的勢壘層，從而實現(xiàn)電學和光學性能可裁剪的新型半導體光電器件。可能得到覆蓋藍光到紫外光譜區(qū)域的半導體激光器、探測器等光電器件。在太陽能窗口層方面，相對純氧化鋅，鎂摻雜氧化鋅薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)帶隙寬化，在增強對紫外光吸收的同時，帶隙的增加會導致異質(zhì)結(jié)界面勢壘增高，減小異質(zhì)結(jié)中載流子遂穿幾率，減小反向飽和電流，使開路電壓變大，提高電池異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量，改善短波區(qū)的光譜響應(yīng)。另外，鎂的摻雜能夠使氧化鋅材料的電阻增大，能夠進一步降低光生電子的縱向移動，降低光電流短路的現(xiàn)象，增強光電流的對外輸出能力。Ziqing Duan等人在Cu₂O-Mg_xZn_1-xO異質(zhì)結(jié)太陽能電池研究中，用鎂摻雜氧化鋅代替純氧化鋅做窗口層，發(fā)現(xiàn)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率得到了提高(Z.Duan,A.Du Pasquier,Y.Lu,Y.Xu and E.Garfunkel,Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,96,292.)。此外，通過摻雜鎂可以改變其發(fā)光特性，在短波長納米發(fā)光器件和納米光電子器件領(lǐng)域具有應(yīng)用前景和科研價值。

目前制備鎂摻雜氧化鋅的方法比較多。最早系統(tǒng)研究ZMO合金的是日本的A.Ohtomo研究小組。他們利用脈沖激光沉積法制備了ZMO合金薄膜(A.Ohtomo,M.Kawasaki,T.Koida,et al.,Appl.Phys.Lett.,1998,72(19):2466.)。W.I.Park等人用金屬有機氣相沉積法制備了ZMO薄膜(W.I.Park,G.C.Yi,H.M.Jang,Appl.Phys.Lett.,2001,79:2022.)，T.Takagi等用分子束外延法制備了ZMO薄膜(T.Takagi,T.Tanaka,H.Fujita,et al.,J.Appl.Phys.,2003,42:401.)。Y.W.Heo報道使用MBE技術(shù)制備出ZMO納米棒(Y.W.Heo,M.Kaufman,K.Pruessner,et al.,Solid-State Elecortnics,2003,47:2263.)M.Loernz等用高壓激光脈沖沉積法制備了ZMO納米線陣列(M.Loernz,E.M.Kaidashev,A.Rahm,et al.,Appl.Phys.Lett.,2005,86:143113.)Won I Park等人用金屬有機物氣相外延法制備了ZMO棒(Won I Park,Sung Jin An,Jia Long,et al.,J.Phys.Chem.B.,2004.108:15457-15460.)。浙江大學支明佳等用熱蒸發(fā)法制備了不同形貌的ZMO納米線。這些研究方法大多需要昂貴的儀器設(shè)備和較高的實驗條件。而水熱法具有操作簡單，成本低，制備的產(chǎn)物純度高、分散性好，晶形好且形貌可控等優(yōu)點。