[发明专利]一种无错配非极性ZnO薄膜的制备方法

说明书

本发明一种无错配非极性ZnO薄膜的制备方法，公开了一种生长无错配非极性ZnO薄膜的制备方法，以普通玻璃为衬底，采用旋涂技术，制备涂覆均匀的ZnO凝胶层，退火后使表面晶化，形成ZnO籽晶层，而后采用低温化学浴沉积法制备具有a面及m面择优生长的非极性ZnO薄膜。本发明方法所涉及制备工艺简单，投入成本低，重复性好，适于大面积生长。采用该方法制备的非极性ZnO薄膜无错配应力，且具有高结晶质量，低表面粗糙度及高透光率的显著优势，是制备高性能光电器件的理想材料。

技术领域

本发明涉及薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种无错配非极性ZnO薄膜的液相合成制备方法。

背景技术

以ZnO为代表的第三代宽禁带半导体材料，由于具有室温禁带宽度3.37eV以及激子束缚能60meV的物理特性，可实现室温激子复合发光，使其有望取代GaN成为具有更高光电效率的新型功能材料。

ZnO常温常压下呈六方纤锌矿晶体结构，且通常沿晶胞c轴方向，即极性方向生长。由于极性方向的非中心对称结构使沿该方向生长的ZnO具有自发极化及压电极化效应，由此产生的内建电场会诱导量子限域效应，进而较大程度影响ZnO光电器件的发光效率及使用寿命。因此，合成一种非极性ZnO材料可从根本上避免由极化效应带来的不利影响。

在国内外公开的大多数非极性ZnO薄膜的制备方法中主要是依靠物理及化学气相沉积技术实现，现有技术有：利用脉冲激光沉积技术制备非极性ZnO薄膜的方法；还有利用磁控溅射技术在硅衬底上制备非极性ZnO薄膜的方法。但上述方法设备昂贵，操作复杂，且通常伴随高温高压以及高真空的实验环境，为大规模商业化生产带来一定阻碍。

关于非极性ZnO薄膜的生长主要依赖薄膜与特定衬底之间的外延关系实现。例如，通常利用Al₂O₃、LaAlO₃、LiTaO₃以及LiGaO₂等衬底与ZnO非极性m面及a面之间的晶格匹配关系实现非极性ZnO薄膜的生长。由薄膜与衬底之间晶格错配及热膨胀系数差异引起的应力缺陷成为实现高结晶质量非极性ZnO薄膜的首要难题。

由于受到上述制备方法及生长模式限制，现阶段关于非极性ZnO薄膜的制备普遍面临结晶性及织构特性较差，从而引起薄膜较大的表面粗糙度，限制其成为具有光发射率高、使用寿命长的理想光电器件。

发明内容

发明目的：针对现阶段关于非极性ZnO薄膜的制备普遍面临由异质外延生长引起的结晶性及织构特性较差的问题，导致薄膜具有较大的表面粗糙度，从而使薄膜在实际应用中面临光发射率低、使用寿命短等技术缺陷，本发明提供一种无错配非极性ZnO薄膜的制备方法。

技术方案：

一种无错配非极性ZnO薄膜的制备方法，在常压下采用两步低温液相沉积制备法：

（1）第一步，ZnO籽晶层的制备；采用旋涂法制备ZnO籽晶层，旋涂液以二水乙酸锌为溶质，乙醇胺为络合剂，无水乙醇为溶剂；步骤如下：

a.旋涂液的配制：称取二水乙酸锌并溶于无水乙醇中，在室温下充分搅拌，搅拌过程中缓慢加入乙醇胺，搅拌时间2～3小时，而后静置24～48小时作为旋涂液备用；

b.凝胶层的制备：旋涂之前，先将玻璃衬底在120～150℃预热10～20分钟，将步骤a中旋涂液匀速滴加于旋转的玻璃衬底表面，而后将玻璃衬底转移至加热台120～150℃加热20～30分钟，待玻璃衬底表面溶剂挥发后，在玻璃衬底上得到涂覆均匀的凝胶层；

c.籽晶层的生长：将步骤b中涂覆有凝胶层的玻璃衬底以5℃/分的速率从室温升温至450℃，保温120分钟，待随炉冷却至室温后在玻璃衬底表面得到ZnO籽晶层；