專(zhuān)利名稱(chēng)：一種p型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法。
背景技術(shù)：
因具有大的禁帶寬度和大的激子束縛能，ZnO能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下激子復(fù)合發(fā)光。該方式具有量子效率高和低閾值優(yōu)點(diǎn)，故ZnO被認(rèn)為是下一代光電器件的首選材料。由于本征SiO內(nèi)晶體缺陷以及非故意摻雜，致使本征ZnO呈現(xiàn)為η型導(dǎo)電。目前制約ZnO應(yīng)用于半導(dǎo)體光電器件的主要原因是不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高載流子濃度的P型導(dǎo)電。目前，實(shí)現(xiàn)SiO ρ型導(dǎo)電的方法主要有以下四種方式
第一，ZnO直接摻雜V族元素Ν、Ρ或As，V族元素占據(jù)0的位置N。而呈現(xiàn)出受主。N在 SiO中固溶度非常低，主要是因?yàn)镾iO中N的摻雜會(huì)引起材料的馬德隆值升高；另外，Zn-N 鍵能比較弱，容易斷裂，N。很容易形成(N2)。，而(N2)。在SiO中是施主，可提供兩個(gè)電子；再者，P與As在SiO中是深受主，在非常大的摻雜濃度下也難以形成高空穴濃度。第二，ZnO直接摻雜I族元素Li、Na或K，I族元素占據(jù)Si的位置而呈現(xiàn)出受主。 Li摻雜SiO中后，Li原子會(huì)占據(jù)Si的位置Lizn,形成受主；但是，由于Li原子直徑非常小， Li原子除了替代Si原子位置外，還會(huì)處于間隙位置Lii,間隙原子Li在ZnO中是施主雜質(zhì)， 可以提供一個(gè)電子，根據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)，ZnO直接摻雜Li原子也難以得到高空穴導(dǎo)電的SiO; 而Na、K在SiO中是深受主，同樣也難形成高空穴濃度。第三，施主-受主III - V共摻的方法，如Al-N共摻aiO、Ga-N共摻SiO ；由于ZnO 中摻雜ν會(huì)引起材料的馬德隆值升高，而aio摻雜πι族元素會(huì)降低材料的馬德隆值，這樣利用III族元素注入ZnO中來(lái)提高N摻雜濃度，發(fā)展了III - V族元素共摻的方法。但是，III族元素在ZnO中是施主雜質(zhì)，會(huì)在P型ZnO中形成補(bǔ)償，降低載流子濃度和加劇對(duì)載流子的散射作用。第四，雙受主I - V共摻的方法，如Li-N共摻aiO。該方法綜合第一種方法和第二種方法，但實(shí)質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化。綜上所述，目前實(shí)現(xiàn)ρ型ZnO導(dǎo)電的缺陷在于載流子濃度低、載流子遷移率低； 且，在ZnO中受主雜質(zhì)不穩(wěn)定；另，隨著時(shí)間的推移，ZnO由空穴導(dǎo)電易向電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專(zhuān)利所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且高濃度空穴導(dǎo)電的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料， 包括襯底及生長(zhǎng)于襯底上的外延層，所述襯底與外延層之間從上往下依次設(shè)有金屬鎂層、 氧化鎂層、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層與第二氧化鋅層；所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素B和摻入穩(wěn)定元素A原子形成的ρ型ΑΖη0:Β層。
優(yōu)選地，所述襯底材料為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵。優(yōu)選地，所述金屬鎂層的厚度為0. 5nm lnm。優(yōu)選地，所述氧化鎂層的厚度為2nm 5nm。優(yōu)選地，所述第一氧化鋅層的厚度為Inm 5nm。優(yōu)選地，所述第二氧化鋅層的厚度為20nm 50nm。優(yōu)選地，所述ρ型AZnOB層的厚度為500nm 800nm ；其中，A原子為鎂或鈹原子， 且A原子的含量為0 15% ；B原子為氮、磷或砷。一種ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，包括如下步驟
1)清洗襯底所述襯底在生長(zhǎng)之前經(jīng)過(guò)氫氟酸、丙酮、異丙醇、無(wú)水酒精、去離子水化學(xué)試劑清洗或濃磷酸與濃硫酸的混合液、丙酮、異丙醇、無(wú)水酒精、去離子水化學(xué)試劑清洗; 然后在真空、氧氣、氧等離子體、氮?dú)狻⒌獨(dú)獾入x子體氛圍下退火15 30分鐘，退火溫度為 700 1000°C，使襯底表面原子排布整齊；
2)沉積金屬鎂層所述金屬鎂層的通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在襯底表面；所述金屬鎂層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為 10_2 10_8Torr，襯底溫度為400 600°C ；且所述金屬鎂層的厚度為0. 5 Inm ；
3)沉積氧化鎂層所述氧化鎂層通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在金屬鎂層上；所述氧化鎂層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為 10_2 IO-8Torr，襯底溫度為400 600°C ；所述氧化鎂層的厚度為2 5nm ；
4)沉積第一氧化鋅層所述第一氧化鋅層通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在氧化鎂層上；所述第一氧化鋅層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 10_8Torr，襯底溫度為400 600°C;所述第一氧化鋅層的厚度為Inm 5nm ；
5)升溫將所述襯底溫度升至700 800°C，升溫速率為20 40°C/min，退火時(shí)間為 1 5分鐘；
6)沉積第二氧化鋅層將襯底降溫后，所述第二氧化鋅層通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在第一氧化鋅層上；所述第二氧化鋅層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 10_8Torr，襯底溫度為500 600°C ；所述第二氧化鋅層的厚度為20nm 50nm ；
7)再升溫將所述襯底溫度再次升至700 800°C，升溫速率為20 40°C/min，退火時(shí)間為1 5分鐘；
8)沉積ρ型AZnO:B層將襯底降溫后，所述ρ型ΑΖηΟ:Β層通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在第二氧化鋅層上；所述 ρ型ΑΖηΟ:Β層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 KT8Torr，襯底溫度為500 650°C ；所述ρ型 AZnO: B層的厚度為500nm 800nm ；
9)退火將所述襯底升溫后作退火處理；所述襯底的升溫速度為20 40°C/min，溫度為 750 900 °C ；
10)降溫將所述襯底降低溫度至室溫，降溫速度為20 40°C/min,即得到ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料。優(yōu)選地，步驟1)中所述濃磷酸與濃硫酸混合液中，濃磷酸與濃硫酸的體積比為
53:1。優(yōu)選地，步驟9)中所述退火的氛圍為氧等離子體和氮等離子體，退火時(shí)間為30 60分鐘。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果
1、本發(fā)明P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于引入A原子形成AZnO合金， 然后摻雜受主元素B來(lái)實(shí)現(xiàn)ZnO穩(wěn)定、高載流子濃度的空穴導(dǎo)電。本發(fā)明中，引入的A原子會(huì)占據(jù)Si原子位置，A原子同受主原子B成鍵以后，由于A-B鍵能相對(duì)于Si-B非常強(qiáng)，A原子能夠有效地抓住受主B原子，避免ZnO直接摻雜受主B原子中Si-B鍵斷裂而帶來(lái)的不穩(wěn)定；同時(shí)，A的引入也提高了受主原子B的摻雜濃度，從而保證了高載流子濃度、穩(wěn)定的空穴導(dǎo)電。2、本發(fā)明ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法采用在外延層與襯底之間加入金屬鎂、氧化鎂作為應(yīng)力緩沖層的方式，從而得到高質(zhì)量的外延薄膜。金屬鎂具有和氧化鋅相同的晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)同氧化鋅非常接近，晶格失配非常小，所以金屬鎂層是生長(zhǎng)高質(zhì)量氧化鋅薄膜的緩沖層之一，但由于金屬鎂的飽和蒸汽壓比較大，高溫下容易二次揮發(fā)，所以我們?cè)O(shè)計(jì)在金屬鎂層上生長(zhǎng)一層氧化鎂，來(lái)抑制金屬鎂層原子的二次揮發(fā)，從而得到高質(zhì)量外延薄膜。3、本發(fā)明ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法采用兩層氧化鋅作為成核層和應(yīng)力釋放層；該兩層氧化鋅生長(zhǎng)溫度是逐漸升高的，第一層氧化鋅是成核層，第二層氧化鋅是應(yīng)力釋放層；從而保證后面生長(zhǎng)高質(zhì)量低缺陷密度的外延層。


圖1為實(shí)施例1的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為實(shí)施例2的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的結(jié)構(gòu)圖3為實(shí)施例3的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1
如圖1所示，一種P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，包括襯底1及生長(zhǎng)于襯底上的外延層，所述襯底與外延層之間從下往上依次設(shè)有金屬鎂層2、氧化鎂層3、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層4與第二氧化鋅層5 ；所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素N和摻入Be原子形成的P型BeSiO:N層6。該ρ型ZnO導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)XRD測(cè)試為單晶狀態(tài)，其搖擺曲線掃描半高寬FWHM為0.09°。其中，襯底1材料為藍(lán)寶石。金屬鎂層2的厚度為0.5 nm。氧化鎂層的厚度為2 nm。第一氧化鋅層4的厚度為1. 5 nm。第二氧化鋅層5的厚度為30 nm。 ρ型BeSiO = N層的厚度為800 nm。其中，Be原子的含量為1. 0% ；氮原子含量為0. 08%。在制備過(guò)程中，經(jīng)XPS測(cè)試顯示外延生長(zhǎng)的氧化鋅鈹合金摻雜氮原子薄膜中，Be 的含量為1. 0%，N原子含量為0. 08%。經(jīng)過(guò)變溫Hall測(cè)試顯示，該薄膜為空穴導(dǎo)電，載流子濃度為:5X1017 cnT3，遷移率為3. 2 cm2/Vs0該ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，包括如下步驟
1)清洗襯底所述襯底在生長(zhǎng)之前依次經(jīng)過(guò)丙酮、異丙醇、去離子水化學(xué)試劑清洗，然后在真空、氧等離子體氛圍下退火15分鐘，退火溫度為750°C，最終襯底表面原子排布整齊；
2)沉積金屬鎂層所述金屬鎂層2通過(guò)等離子體輔助分子束外延在襯底表面；所述金屬鎂層2生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8.7Χ10_6Τοπ·，襯底1的溫度為400 °C;且所述金屬鎂層的厚度為0. 5 nm ；
3)沉積氧化鎂層所述氧化鎂層3通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在金屬鎂層上； 所述氧化鎂層3生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8. 7X ΙΟ"6 Torr，襯底1的溫度為400 °C;所述氧化鎂層3的厚度為2 nm ；
4)沉積第一氧化鋅層所述第一氧化鋅層4通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在氧化鎂層3上；所述第一氧化鋅層4真空度為8. 7 X ΙΟ"6 Torr，襯底1溫度為400 °C ；第一氧化鋅層4的厚度為1. 5 nm ；
5)升溫將所述襯底1溫度升至750°C，升溫速率為40 0C /min，退火時(shí)間為1分鐘；
6)沉積第二氧化鋅層將襯底1降溫后，所述第二氧化鋅層5通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第一氧化鋅層4上；所述第二氧化鋅層5生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為1. 2X ΙΟ"5 Torr, 襯底溫度為500 0C ；所述第二氧化鋅層5的厚度為30 nm ；
7)再升溫將所述襯底1溫度再次升至750°C，升溫速率為40 °C/min，退火時(shí)間為1 分鐘；
8)沉積ρ型BeSiO:N層將襯底1降溫后，所述ρ型BeSiO= N層6通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第二氧化鋅層5上；所述ρ型BeSiO = N層6生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為3. 5X 10_5 iTorr,襯底溫度為550 °C ；所述ρ型BeSiO = N層6的厚度為800 nm ；
9)退火將所述襯底1升溫后作退火處理；所述襯底1的升溫速度為400C /min，溫度為750°C ；所述退火的氛圍為氧等離子體和氮等離子體，時(shí)間為30分鐘；
10)降溫將所述襯底1降低溫度至室溫，降溫速度為400C /min,即得到ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料。綜上所述，ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料通過(guò)等離子體輔助分子束外延方法生長(zhǎng)獲得。其中，采用純度99. 99999%的金屬鋅通過(guò)K_cell加熱蒸發(fā)得到鋅源；采用氧氣經(jīng)射頻等離子體離化成活性氧得到氧源；采用純度為99. 99999%的金屬鎂通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鎂源；采用純度為99. 99%的金屬鈹通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鈹源；采用NO經(jīng)射頻等離子體離化成活性氮得到氮源；襯底為單面拋光的c面藍(lán)寶石。實(shí)施例2
如圖2所示，一種ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，包括襯底1及生長(zhǎng)于襯底上的外延層，所述襯底與外延層之間從下往上依次設(shè)有金屬鎂層2、氧化鎂層3、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層4與第二氧化鋅層5 ；所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素N和摻入Be原子形成的P型BeSiO:N層6。該ρ型ZnO導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)XRD測(cè)試為單晶狀態(tài)，其搖擺曲線掃描半高寬FWHM為0.08°。其中，襯底1材料為藍(lán)寶石。金屬鎂層2的厚度為0.7 nm。氧化鎂層的厚度為2 nm。第一氧化鋅層4的厚度為2 nm。第二氧化鋅層5的厚度為33 nm。
7P型BeSiO = N層的厚度為800 nm。其中，Be原子的含量為0. 95% ；氮原子含量為0. 07%。在制備過(guò)程中，經(jīng)XPS測(cè)試顯示外延生長(zhǎng)的氧化鋅鈹合金摻雜氮原子薄膜中，Be 的含量為0. 95%，N原子含量為0. 07%。經(jīng)過(guò)變溫Hall測(cè)試顯示，該薄膜為空穴導(dǎo)電，載流子濃度為:3X1017 cnT3，遷移率為4. 5 cm2/Vs0該ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，包括如下步驟
1)清洗襯底所述襯底在生長(zhǎng)之前依次經(jīng)過(guò)丙酮、異丙醇、去離子水化學(xué)試劑清洗，然后在真空、氧等離子體氛圍下退火15分鐘，退火溫度為750 °C，最終襯底表面原子排布整齊；
2)沉積金屬鎂層所述金屬鎂層2通過(guò)等離子體輔助分子束外延在襯底表面；所述金屬鎂層2生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8.3Χ10_6Τοπ·，襯底1的溫度為400 °C;且所述金屬鎂層的厚度為0. 7 nm ；
3)沉積氧化鎂層所述氧化鎂層3通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在金屬鎂層上； 所述氧化鎂層3生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8. 3X ΙΟ"6 Torr，襯底1的溫度為400 °C;所述氧化鎂層3的厚度為2 nm ；
4)沉積第一氧化鋅層所述第一氧化鋅層4通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在氧化鎂層3上；所述第一氧化鋅層4真空度為8. 3 X ΙΟ"6 Torr，襯底1溫度為400 °C ；第一氧化鋅層4的厚度為2 nm ；
5)升溫將所述襯底1溫度升至750°C，升溫速率為40 V /min，退火時(shí)間為1分鐘；
6)沉積第二氧化鋅層將襯底1降溫后，所述第二氧化鋅層5通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第一氧化鋅層4上；所述第二氧化鋅層5生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為1. 5X ΙΟ"5 Torr, 襯底溫度為530 0C ；所述第二氧化鋅層5的厚度為33 nm ；
7)再升溫將所述襯底1溫度再次升至750°C，升溫速率為40 °C/min，退火時(shí)間為1 分鐘；
8)沉積ρ型BeSiO:N層將襯底1降溫后，所述ρ型BeSiO= N層6通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第二氧化鋅層5上；所述ρ型BeSiO = N層6生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為3. 8X 10_5 iTorr,襯底溫度為600 °C ；所述ρ型BeSiO = N層6的厚度為820 nm ；
9)退火將所述襯底1升溫后作退火處理；所述襯底1的升溫速度為40°C/min，溫度為750°C ；所述退火的氛圍為氧等離子體和氮等離子體，時(shí)間為30分鐘；
10)降溫將所述襯底1降低溫度至室溫，降溫速度為40°C/min,即得到ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料。綜上所述，ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料通過(guò)等離子體輔助分子束外延方法生長(zhǎng)獲得。其中，采用純度99. 99999%的金屬鋅通過(guò)K_cell加熱蒸發(fā)得到鋅源；采用氧氣經(jīng)射頻等離子體離化成活性氧得到氧源；采用純度為99. 99999%的金屬鎂通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鎂源；采用純度為99. 99%的金屬鈹通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鈹源；采用NO經(jīng)射頻等離子體離化成活性氮得到氮源；襯底為單面拋光的c面藍(lán)寶石。實(shí)施例3
如圖3所示，一種ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，包括襯底1及生長(zhǎng)于襯底上的外延層，所述襯底與外延層之間從下往上依次設(shè)有金屬鎂層2、氧化鎂層3、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層4與第二氧化鋅層5 ；所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素N和摻入Be原子形成的P型BeSiO:N層6。該ρ型ZnO導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)XRD測(cè)試為單晶狀態(tài)，其搖擺曲線掃描半高寬FWHM為0.085°。其中，襯底1材料為藍(lán)寶石。金屬鎂層2的厚度為1 nm。氧化鎂層的厚度為3 nm。第一氧化鋅層4的厚度為2 nm。第二氧化鋅層5的厚度為27 nm。ρ 型BeSiO = N層的厚度為800 nm。其中，Be原子的含量為1. 5% ；氮原子含量為0. 08%。在制備過(guò)程中，經(jīng)XPS測(cè)試顯示外延生長(zhǎng)的氧化鋅鈹合金摻雜氮原子薄膜中，Be 的含量為1. 5%，N原子含量為0. 08%。經(jīng)過(guò)變溫Hall測(cè)試顯示，該薄膜為空穴導(dǎo)電，載流子濃度為2. 78 X IO17 cnT3，遷移率為1. 5 cm2/Vs。該ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，包括如下步驟
1)清洗襯底所述襯底在生長(zhǎng)之前依次經(jīng)過(guò)丙酮、異丙醇、去離子水化學(xué)試劑清洗，然后在真空、氧等離子體氛圍下退火15分鐘，退火溫度為750 °C，最終襯底表面原子排布整齊；
2)沉積金屬鎂層所述金屬鎂層2通過(guò)等離子體輔助分子束外延在襯底表面；所述金屬鎂層2生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8.7Χ10_6Τοπ·，襯底1的溫度為400 °C;且所述金屬鎂層的厚度為1 nm ；
3)沉積氧化鎂層所述氧化鎂層3通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在金屬鎂層上； 所述氧化鎂層3生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為8. 7X ΙΟ"6 Torr，襯底1的溫度為400 °C;所述氧化鎂層3的厚度為3 nm ；
4)沉積第一氧化鋅層所述第一氧化鋅層4通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在氧化鎂層3上；所述第一氧化鋅層4真空度為8. 7 X ΙΟ"6 Torr，襯底1溫度為400 °C ；第一氧化鋅層4的厚度為2 nm ；
5)升溫將所述襯底1溫度升至750°C，升溫速率為40 V /min，退火時(shí)間為1分鐘；
6)沉積第二氧化鋅層將襯底1降溫后，所述第二氧化鋅層5通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第一氧化鋅層4上；所述第二氧化鋅層5生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為1. 7X ΙΟ"5 Torr, 襯底溫度為陽(yáng)0 0C ；所述第二氧化鋅層5的厚度為27 nm ；
7)再升溫將所述襯底1溫度再次升至750°C，升溫速率為40 °C/min，退火時(shí)間為1 分鐘；
8)沉積ρ型BeSiO:N層將襯底1降溫后，所述ρ型BeSiO= N層6通過(guò)等離子體輔助分子束外延沉積在第二氧化鋅層5上；所述ρ型BeSiO:N層6生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為3. 85Χ 10_5 Torr，襯底溫度為630 V ；所述ρ型BeSiO = N層6的厚度為720 nm ；
9)退火將所述襯底1升溫后作退火處理；所述襯底1的升溫速度為40。C/min，溫度為750°C ；所述退火的氛圍為氧等離子體和氮等離子體，時(shí)間為30分鐘；
10)降溫將所述襯底1降低溫度至室溫，降溫速度為400C /min,即得到ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料。綜上所述，ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料通過(guò)等離子體輔助分子束外延方法生長(zhǎng)獲得。其中，采用純度99. 99999%的金屬鋅通過(guò)K_cell加熱蒸發(fā)得到鋅源；采用氧氣經(jīng)射頻等離子體離化成活性氧得到氧源；采用純度為99. 99999%的金屬鎂通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鎂源；采用純度為99. 99%的金屬鈹通過(guò)K-cell加熱蒸發(fā)得到鈹源；采用NO經(jīng)射頻等離子體離化成活性氮得到氮源；襯底為單面拋光的c面藍(lán)寶石。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.. 一種P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于包括襯底(1)及生長(zhǎng)于襯底(ι)上的外延層，自所述襯底至外延層之間依次設(shè)有金屬鎂薄層(2)、氧化鎂薄層(3)、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層(4)與第二氧化鋅層(5);所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素 B和摻入A原子形成的ρ型AZnO B層(6 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述襯底(1)的材料為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述金屬鎂薄層(2) 的厚度為0. 5nm lnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述氧化鎂薄層(3) 的厚度為2nm 5nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述第一氧化鋅層(4)的厚度為Inm 5nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述第二氧化鋅層(5)的厚度為20nm 50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其特征在于所述ρ型AZnO:B層(6)的厚度為500nm 800nm；其中，A原子為鎂或鈹原子，且A原子的含量為0. 01% 15% ； B原子為氮、磷或砷。
8.—種如權(quán)利要求1-7所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)清洗襯底所述襯底(1)在生長(zhǎng)之前依次經(jīng)過(guò)氫氟酸、丙酮、異丙醇、無(wú)水酒精、去離子水化學(xué)試劑清洗或依次經(jīng)過(guò)濃磷酸與濃硫酸的混合液、丙酮、異丙醇、無(wú)水酒精、去離子水化學(xué)試劑清洗；然后在真空、氧氣、氧等離子體、氮?dú)?、氮?dú)獾入x子體氛圍下退火15 30 分鐘，退火溫度為700 1000°C，使襯底表面原子排布整齊；2)沉積金屬鎂層所述金屬鎂層(2)通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在襯底(1)表面；所述金屬鎂層(2)生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 KT8Torr，襯底(1)溫度為400 600°C ；且所述金屬鎂層的厚度為0. 5 Inm ；3)沉積氧化鎂層所述氧化鎂層(3)通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在金屬鎂層上；所述氧化鎂層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 KT8Torr，襯底溫度為400 600°C ；所述氧化鎂層的厚度為2 5nm ；4)沉積第一氧化鋅層所述第一氧化鋅層(4)通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在氧化鎂層上；所述第一氧化鋅層生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 10_8Τοπ·，襯底溫度為400 600°C ；所述第一氧化鋅層的厚度為 Inm 5nm ；5)升溫將所述襯底(1)溫度升至700 800°C，升溫速率為20 40°C/min，退火時(shí)間為1 5分鐘；6)沉積第二氧化鋅層將襯底(1)降溫后，所述第二氧化鋅層(5 )通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在第一氧化鋅層(4 ) 上；所述第二氧化鋅層(5)生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 ΙΟΛοπ·，襯底(1)溫度為500 6000C ；所述第二氧化鋅層(5)的厚度為20nm 50nm ；7)再升溫將所述襯底(1)溫度再次升至700 800°C，升溫速率為20 40°C/min, 退火時(shí)間為1 5分鐘；8)沉積ρ型AZnO:B層將襯底(1)降溫后，所述ρ型AZnO:B層(6)通過(guò)等離子體輔助分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在第二氧化鋅層(5)上；所述ρ型ΑΖηΟ:Β層(6)生長(zhǎng)腔內(nèi)的真空度為10_2 KT8Torr,襯底(1)溫度為 500 650°C ；所述ρ型Α&ιΟ:Β層(6)的厚度為500nm 800nm ；9)退火將所述襯底(1)升溫后作退火處理；所述襯底(1)的升溫速度為20 40°C/ min，溫度為 750 900°C ；10)降溫將所述襯底(1)降低溫度至室溫，降溫速度為20 40°C/min,即得到ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ρ型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，其特征在于步驟1) 中所述濃磷酸與濃硫酸混合液中，濃磷酸與濃硫酸的體積比為3:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的P型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料的制備方法，其特征在于步驟9) 中所述退火的氛圍為氧等離子體和氮等離子體，退火時(shí)間為30 60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種p型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料，其包括襯底及生長(zhǎng)于襯底上的外延層，自襯底至外延層之間依次設(shè)有金屬鎂層、氧化鎂層、生長(zhǎng)溫度逐漸升高的第一氧化鋅層與第二氧化鋅層；外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素B和摻入A原子形成的p型AZnO:B層。本發(fā)明p型導(dǎo)電氧化鋅薄膜材料及制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于引入A原子形成AZnO合金，然后摻雜受主元素B來(lái)實(shí)現(xiàn)ZnO穩(wěn)定、高載流子濃度的空穴導(dǎo)電。本發(fā)明中，引入的A原子會(huì)占據(jù)Zn原子位置，A原子同受主原子B成鍵以后，由于A-B鍵能相對(duì)于Zn-B非常強(qiáng)，A原子能夠有效地抓住受主B原子，避免ZnO直接摻雜受主B原子中Zn-B鍵斷裂而帶來(lái)的不穩(wěn)定；同時(shí)，A的引入也提高了受主原子B的摻雜濃度，從而保證了高濃度、穩(wěn)定的空穴導(dǎo)電。
文檔編號(hào)H01L21/36GK102386246SQ201110354868
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者吳天準(zhǔn), 張權(quán)林, 桂許春, 湯子康, 祝淵, 蘇龍興, 陳明明, 項(xiàng)榮 申請(qǐng)人:中山大學(xué)