CN103137774A - 一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构包括衬底和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底上的（100）取向的n型ZnO薄膜和（100）取向的p型NiO薄膜构成的异质pn结。其制备方法如下：首先采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在m面蓝宝石衬底上制备（100）取向的n型ZnO薄膜；然后采用脉冲激光沉积法在ZnO薄膜上制备（100）取向的p-NiO薄膜。本发明的非极性取向p-NiO/n-ZnO异质结构无内建电场存在，有利于提高ZnO基光电器件的发光效率，可广泛应用于紫外探测器、发光二极管和气敏传感器等领域。

Description

一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法，属于光电子功能器件领域。

背景技术

NiO作为一种典型的p型宽禁带半导体薄膜材料（禁带宽度为3.6~4.0 eV），在 p型透明导电薄膜、气体传感器、紫外探测器等领域显示出广阔的应用前景。随着光电技术的发展，近年来半导体光电薄膜材料受到了高度重视，NiO薄膜作为一种代表性的本征p型半导体材料，更是受到广大研究者的关注，成为半导体研究领域的热点。

在自然条件下，NiO为单一、稳定的立方氯化钠结构，采用常规方法制备的NiO通常呈现（111）取向。近年来，众多研究表明（100）取向的NiO薄膜具有最低的表面能，其表面最稳定，对很多气体如NO₂、CO、NH₃具有特殊的敏感性，是一种较好的气敏材料。因而，制备（100）取向的NiO薄膜具有重要的意义。

ZnO是一种典型的n型半导体，具有较大的激子束缚能，由于是六方结构，容易产生自发极化和压电效应，形成内建电场，严重影响ZnO基器件的发光效率。因此，为了提高ZnO基器件的内量子效率，研究ZnO非极性面生长成为了当前的研究热点。同时，ZnO与NiO晶格失配小，禁带宽度相近，可与NiO形成异质结制备半导体光电器件。目前，未有报道采用非极性ZnO与（100）取向的NiO制备的pn结器件。

 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构及其制备方法。

本发明的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构，包括衬底和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底上的（100）取向的n型ZnO薄膜和（100）取向的p型NiO薄膜构成的异质pn结。

非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，包括以下步骤：

1）采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在经清洗的m面蓝宝石衬底上制备（100）取向的n型ZnO薄膜：

所述分子束外延法生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯金属Zn和经射频活化的纯O₂为生长源，衬底温度为500~750℃，Zn源炉温260~300℃，氧气流量为1~3 sccm；

所述脉冲激光沉积法生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯ZnO陶瓷靶作为靶材，衬底温度为450～650℃，生长压强为0.02~2 Pa；

2）采用脉冲激光沉积法在（100）取向的n型ZnO薄膜上制备（100）取向的p型NiO薄膜：靶材是纯NiO陶瓷靶或者Li掺杂的NiO陶瓷靶，衬底温度为300~500 ℃，生长压强为0.5~10 Pa。

本发明步骤1）中所述的纯金属Zn的纯度≥99.9998%，纯O₂的纯度≥99.9999%，纯ZnO陶瓷靶的纯度≥99.999%。步骤2）中所述的纯NiO陶瓷靶的纯度≥99.99%。通常，Li掺杂摩尔浓度为5%~15%。

（100）取向的n型ZnO薄膜和（100）取向的p型NiO薄膜的厚度由生长时间决定。

本发明的有益效果在于：

1）本发明的非极性取向的p-NiO/n-ZnO异质结构简单，无内建电场存在，有利于提高ZnO基光电器件发光效率，可广泛应用于紫外探测器、发光二极管和气敏传感器等领域。

2）在（100）取向的ZnO薄膜上直接制备非极性（100）取向的NiO薄膜，制备工艺简单、成本较低。

附图说明

图1是非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的示意图。

图2是非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的x射线衍射（XRD）图。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明。

参照图1，本发明的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构，包括衬底1和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所说的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底1上的（100）取向的n型ZnO薄膜2和（100）取向的p型NiO薄膜3构成的异质pn结。

实施例1

1）衬底清洗：将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。

2）采用脉冲激光沉积法在m面蓝宝石衬底上生长（100）取向的n型ZnO薄膜：靶材为纯ZnO陶瓷靶，本底真空为1×10^-3 Pa，衬底温度为550 ℃，生长压强为0.2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间30 min。

3）采用脉冲激光沉积法在（100）取向的n型ZnO薄膜上沉积（100）取向的p型NiO薄膜：靶材采用Li掺杂摩尔浓度为10%的NiO陶瓷靶，本底真空为1×10^-3 Pa，衬底温度为400 ℃，生长压强为2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min，制得非极性p-NiO/n-ZnO异质结，即图1所示的结构，从XRD图中（图2）可以看出，NiO为（100）取向，ZnO为（100）取向。

实施例2

1）衬底清洗：将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。

2）采用分子束外延法在m面蓝宝石衬底上生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯金属Zn（纯度为99.9998%）为Zn源，Zn源温度为300 ℃，经射频活化的纯O₂（纯度为99.9999%）为O源，射频功率为300 W，调节生长压强为3×10^-5 Torr，氧气流量为3 sccm，将衬底温度升到700 ℃，生长（100）取向的ZnO薄膜，生长时间3个小时。

3）采用脉冲激光沉积法在（100）取向的n型ZnO薄膜上沉积（100）取向的p型NiO薄膜：靶材采用Li掺杂摩尔浓度为5%的NiO陶瓷靶，本底真空为1×10^-3 Pa，衬底温度为400 ℃，生长压强为2 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min，制得非极性p-NiO/n-ZnO异质结。

实施例3

1）衬底清洗：将m面蓝宝石衬底，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，最后用氮气吹干。

2）采用分子束外延法在m面蓝宝石衬底上生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯金属Zn（纯度为99.9998%）为Zn源，Zn源温度为280 ℃，经射频活化的纯O₂（纯度为99.9999%）为O源，射频功率为300 W，调节生长压强为2×10^-5 Torr，氧气流量为2 sccm，将衬底温度升到600 ℃，生长（100）取向的ZnO薄膜，生长时间3个小时。

3）采用脉冲激光沉积法在（100）取向的n型ZnO薄膜上沉积（100）取向的p型NiO薄膜：靶材采用纯NiO（纯度为99.99%）陶瓷靶，本底真空为1×10^-3 Pa，衬底温度为500 ℃，生长压强为5 Pa，激光器功率为300 W，生长时间60 min，制得非极性p-NiO/n-ZnO异质结。

Claims (4)

1. 一种非极性p-NiO/n-ZnO异质结构，其特征是包括衬底（1）和生长在衬底上的非极性取向的pn结，所述的衬底为m面蓝宝石，pn结是自下而上依次生长在衬底（1）上的（100）取向的n型ZnO薄膜（2）和（100）取向的p型NiO薄膜（3）构成的异质pn结。

2. 制备权利要求1所述的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）采用分子束外延法或者脉冲激光沉积法在经清洗的m面蓝宝石衬底上制备（100）取向的n型ZnO薄膜：

所述分子束外延法生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯金属Zn和经射频活化的纯O₂为生长源，衬底温度为500~750℃，Zn源炉温260~300℃，氧气流量为1~3 sccm；

所述脉冲激光沉积法生长（100）取向的n型ZnO薄膜：以纯ZnO陶瓷靶作为靶材，衬底温度为450～650℃，生长压强为0.02~2 Pa；

2）采用脉冲激光沉积法在（100）取向的n型ZnO薄膜上制备（100）取向的p型NiO薄膜：靶材是纯NiO陶瓷靶或者Li掺杂的NiO陶瓷靶，衬底温度为300~500 ℃，生长压强为0.5~10 Pa。

3. 根据权利要求2所述的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的纯金属Zn的纯度≥99.9998%，纯O₂的纯度≥99.9999%，纯ZnO陶瓷靶的纯度≥99.999%；步骤2）中所述的纯NiO陶瓷靶的纯度≥99.99%。

4. 根据权利要求2所述的非极性p-NiO/n-ZnO异质结构的制备方法，其特征在于Li掺杂摩尔浓度为5%~15%。

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