锡酸锌单晶薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及锡酸锌单晶薄膜及其制备方法。

背景技术

近些年来，透明电子学和透明氧化物光电子学受到人们的广泛关注并得到了迅速发展，成为当前国际上热门的前沿研究领域。宽禁带氧化物半导体材料是制造透明电子器件和透明光电子器件的重要材料，在发光二极管、激光器、紫外探测器、透明薄膜晶体管、太阳能电池、平面显示和透明电磁屏蔽等方面有着极其广泛的应用前景，是当前国际上热门的前沿研究领域。

锡酸锌(Zn

Zn

专利CN110172733A，公开了一种高质量锡酸锌单晶薄膜及其制备方法，采用脉冲激光沉积工艺，以Zn

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锡酸锌单晶薄膜，本发明所制备出的锡酸锌单晶薄膜的可见光范围的平均相对透过率超过88％，锡酸锌单晶薄膜晶体生长面为Zn

本发明的另一个目的在于提供一种锡酸锌单晶薄膜的制备方法，该方法采用磁控溅射技术制备锡酸锌单晶薄膜，材料选择性广泛，具有高沉积速率，可以快速制备薄膜，并且可以实现较高的原子沉积能量，从而得到更均匀、更致密的薄膜，工艺简便，重复性好，便于产业化。

本发明所采取的技术方案如下：

所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，步骤如下：

选取C面蓝宝石作为衬底，通过磁控溅射轰击锡酸锌靶材在C面蓝宝石衬底上生长锡酸锌薄膜，将所生长的锡酸锌薄膜进行退火，得到锡酸锌单晶薄膜。

所述的衬底为蓝宝石(α-Al

所述的锡酸锌靶材用氧化锌和二氧化锡粉末混合，经热压成型，再经真空热压炉烧结得到。

所述的热压压力为40-70MPa，热压时间为4-6min，烧结温度为1100-1300℃，烧结时间为2-4h，保温保压5-8个小时。

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距与衬底转速；

(2)抽真空调节溅射室压强：调节溅射室压强低于10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶，调节旋钮至所需流量；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节压强和功率，机柜需提前预热5min，起辉溅射；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

所述的磁控溅射的工艺条件为：

所述的起辉溅射包括预溅射和正式溅射；预溅射时间为10-15min，正式溅射时间为10-35min。

所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法为：将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内进行退火，得到锡酸锌单晶薄膜；

所述的退火温度为600-1100℃，退火时间为1-3h，退火气氛为空气。

所述的锡酸锌单晶薄膜的可见光范围的平均相对透过率≥88％。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)采用本发明所述的制备方法制得的锡酸锌单晶薄膜具有单晶结构，晶格结构完整，缺陷少，内部无孪晶结构，为单晶外延薄膜，薄膜生长的外延关系Zn

(2)本发明所述的制备方法工艺条件易于精确控制，操作简单，薄膜的均匀性和重复性好，工艺控制易实现自动化，便于产业化；

(3)本发明采用的磁控溅射技术，溅射出来的粒子能量较大，可高达几十电子伏特，能够确保沉积的原子具有足够的动能，因而薄膜与衬底结合力较佳，薄膜致密性较高；溅射沉积速率高，可以快速制备薄膜；材料选择性广泛，溅射范围广，可以沉积高熔点金属、合金及化合物材料；能够实现大面积靶材的溅射沉积，对大尺寸基板的薄膜均匀性控制好。

附图说明

图1是锡酸锌薄膜在不同温度下退火得到的样品的X射线衍射图谱，图中自下而上，退火温度分别为25℃(室温)、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃；

图2是锡酸锌薄膜在不同温度下退火得到的样品的紫外-可见光透过谱，图中1-7号谱线对应的退火温度分别为25℃(室温)、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃；

图3是锡酸锌薄膜在不同温度下退火得到的样品的光学带隙与退火温度的关系图；

图4是锡酸锌薄膜在900℃下退火得到的样品的Φ扫描图谱；

图5是锡酸锌薄膜在900℃下退火得到的样品的低分辨透射电镜图(×36000倍)；

图6是锡酸锌薄膜在900℃下退火得到的样品的高分辨透射电镜图(×1050000倍)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但其并不限制本发明的实施。

实施例1

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为40mm，衬底转速为15r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为1×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量15sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强0.5Pa，溅射功率80w，起辉溅射，先预溅射10min，正式溅射时，溅射时间为10min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为700℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品为立方单晶结构，光学带隙为4.03eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为92.5％。

实施例2

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为45mm，衬底转速为20r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为5×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量15sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强1.5Pa，溅射功率110w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为20min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为800℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品为立方单晶结构，光学带隙为4.08eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为88.79％。

实施例3

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为50mm，衬底转速为20r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为8×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量20sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强1Pa，溅射功率130w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为15min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为900℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品为立方单晶结构，厚度为426nm，光学带隙为4.12eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为86.77％。

实施例4

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为60mm，衬底转速为25r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为9×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量30sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强2Pa，溅射功率120w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为35min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为1000℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品为立方单晶结构，光学带隙为4.14eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为89.27％。

对比例1

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为50mm，衬底转速为20r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为8×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量20sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强1Pa，溅射功率130w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为15min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为25℃(室温)，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品的光学带隙为3.55eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为85.42％。

对比例2

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为50mm，衬底转速为20r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为8×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量20sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强1Pa，溅射功率130w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为15min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为600℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品为非晶结构，光学带隙为3.71eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为93.5％。

对比例3

选用抛光的α-Al

所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：

(1)将C面蓝宝石衬底放在磁控溅射设备溅射室的样品架上，将锡酸锌靶材放置于磁控溅射设备溅射的靶托上，调节靶间距为50mm，衬底转速为20r/min；

(2)抽真空调节溅射室压强：将磁控溅射设备抽至高真空状态，调节溅射室压强为8×10

(3)向溅射室通入氩气，调节氩气流量：打开氩气瓶阀门，设定氩气流量20sccm，向真空反应室通入高纯氩气，保持到实验结束；

(4)调节溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜：调节溅射压强1Pa，溅射功率130w，起辉溅射，先预溅射15min，正式溅射时，溅射时间为15min；

(5)溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器。

将磁控溅射制得的锡酸锌薄膜放在马弗炉内，调节退火温度为1100℃，退火时间为1h，退火气氛为空气气氛，得到样品。

所制得的样品的光学带隙为4.17eV，样品的可见光范围的平均相对透过率为85.67％。

测试方法：

别测试实施例1-4及对比例1-3制得的样品的X射线衍射图谱、紫外-可见光透过谱，计算光学带隙，并测试实施例3制得的样品的Φ扫描图谱、低分辨透射电镜图和高分辨透射电镜图，结果如附图所示。

由图1可以看出，当退火温度小于600℃时，除了衬底峰没有检测到任何的样品峰，为非晶结构；随着退火温度的升高，在700-1000℃之间样品呈现出立方Zn