锡酸锌单晶薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
锡酸锌单晶薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体薄膜材料
，具体涉及锡酸锌单晶薄膜及其制备方法
。

技术介绍

[0002]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
。
[0003]锡酸锌
(Zn2SnO4)
具有优良的光电性质，并且安全无毒
、
不含稀缺元素，是一种优异的功能材料，与其他常用的透明导电氧化物
(TCO)
如
ITO(In
‑
Sn
‑
O)
和
CTO(Cd
‑
Sn
‑
O)
相比，
Zn2SnO4更便宜且更环保，值得注意的是，
Zn2SnO4在氢环境中的热稳定性比
SnO2更高，在酸碱溶液中稳定性比
ZnO
更好，在半导体光电器件领域具有广阔的应用前景，逐渐引起了研究人员的浓厚兴趣
。
[0004]Zn2SnO4具有反尖晶石结构，属于立方晶系，其晶格常数为空间群为<br/>Fd3m。Zn2SnO4是一种新型的宽禁带直接带隙半导体材料，其禁带宽度在
3.6eV
以上
。
高质量的单晶外延氧化物薄膜材料因其结构完善
、
缺陷少
、
迁移率高以及光学性能优良等优点，在高性能透明光电器件的制造中显示出其特有的优越性
。
因此，制备出高结晶质量的
Zn2SnO4单晶薄膜，研究其在半导体器件方面的应用将有利于拓展
Zn2SnO4材料的应用领域
。
然而目前报道的
Zn2SnO4的制备方法多为传统的溶液
、
溶胶
‑
凝胶和溅射等传统方法，制备出的
Zn2SnO4材料多为纳米或多晶薄膜材料，结晶质量较差
、
缺陷过多，限制了其在透明半导体光电器件领域的应用
。
[0005]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
Zn2SnO4粉末经压制成型
、
再经高温烧制得到陶瓷靶材，用有脉冲激光沉积淀积设备在真空条件下在氧化镁
(MgO)(100)
晶面衬底上生长锡酸锌薄膜，将该薄膜在空气中热处理得到锡酸锌单晶薄膜
。
但是该方法制得的锡酸锌单晶薄膜平均相对透过率仅达到
80
％，且脉冲激光沉积设备昂贵，维护费用高，仪器结构复杂
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锡酸锌单晶薄膜，本专利技术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
Zn2SnO4(111)
，薄膜晶格结构完整，内部无孪晶结构，为单晶外延薄膜，薄膜生长的外延关系
Zn2SnO4(111)//
α
‑
Al2O3(0006)
和结晶质量高，光电性能优良，附着性能好；
[0007]本专利技术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
。
[0008]本专利技术所采取的技术方案如下：
[0009]所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，步骤如下：
[0010]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
。
[0011]所述的衬底为蓝宝石
(
α
‑
Al2O3)
单晶的
(0006)
晶面，即
C
面
。
[0012]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
。
[0013]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
。
[0014]所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：
[0015](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；
[0016](2)
抽真空调节溅射室压强：调节溅射室压强低于
10
‑4Pa
；
[0017](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；
[0018](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；
[0019](5)
溅射结束，取出锡酸锌薄膜样品，关闭仪器
。
[0020]所述的磁控溅射的工艺条件为：
[0021][0022][0023]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。
[0024]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；
[0025]所述的退火温度为
600
‑
1100℃
，退火时间为1‑
3h
，退火气氛为空气
。
[0026]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
％
。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0028](1)
采用本专利技术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
Zn2SnO4(111)//
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种锡酸锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于，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
。2.
根据权利要求1所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石
(
α
‑
Al2O3)
单晶的
(0006)
晶面，即
C
面
。3.
根据权利要求1所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的磁控溅射是在磁控溅射设备中进行，具体步骤为：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室的靶托上，调节靶间距与衬底转速，抽真空调节溅射室压强，向溅射室通入氩气，调节氩气流量
、
溅射压强和溅射功率，起辉溅射，生长制备锡酸锌薄膜
。4.
根据权利要求3所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的磁控溅射的工艺条件为：
5.
根据权利要求3所述的锡酸锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的起辉溅射包括预溅射和正式溅射；预溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钊，曹玉莲，贾志刚，石铸，刘建国，
申请(专利权)人：山东中科际联光电集成技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：