專利名稱：一種采用摻磷酸鋅的靶材生長p型氧化鋅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜生長以及P型摻雜等領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體薄膜生長、
p型摻雜的最新方法，特別涉及一種利用摻雜磷酸鋅的氧化鋅高溫?zé)Y(jié)的陶瓷靶材，使用激光分子束外延技術(shù)生長p型氧化鋅薄膜的最新技術(shù)。
背景技術(shù)：
氧化鋅材料是一種寬禁帶II-VI族直接帶隙紫外半導(dǎo)體材料。由于它有較寬的禁帶寬度(3.37eV)，因此有很好的耐高溫、抗輻射等性能；另外，它的室溫激子束縛能較高(60meV，大于室溫24meV)，因此被寄希望在室溫下可以實現(xiàn)自由激子碰撞，從而產(chǎn)生紫外激光發(fā)射，這種激光產(chǎn)生模式可以大大降低激光器的閾值，減小能耗。目前，氧化鋅材料室溫下實現(xiàn)激光發(fā)射已經(jīng)有報道。 盡管氧化鋅材料具有非常優(yōu)良的性能，但是由于其材料本身的缺陷較多，又缺乏與之失配較小的襯底材料，造成該材料本底載流子濃度較高，更有自補(bǔ)償效應(yīng)存在(對受主型雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴進(jìn)行補(bǔ)償，使得摻雜失效)，使得氧化鋅材料N型摻雜很容易實現(xiàn)，但是P型材料非常難以實現(xiàn)。已經(jīng)報道成功實現(xiàn)的氧化鋅P型摻雜主要有I族Li摻雜，V族N， P， As， Sb等摻雜，以及I-V族Li-N共摻，III-V族Ga-N、 Al-N共摻等方法。然而，這些摻雜或者載流子濃度太低，或者遷移率太低，而且極不穩(wěn)定，長時間放置容易失效，因而能實現(xiàn)穩(wěn)定、載流子濃度和遷移率較高、電阻率較低的氧化鋅P型薄膜的并不多。 基于以上氧化鋅P型材料摻雜的難點，我們發(fā)明了一種利用摻雜磷酸鋅(原子百分比0.5%)的氧化鋅陶瓷靶材，使用等離子輔助激光分子束外延設(shè)備，在高真空條件下外延生長磷摻雜P型氧化鋅的新工藝，實現(xiàn)了原生薄膜的P型導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變；并且通過常壓氧氣氣氛下快速退火工藝，改善了磷摻雜P型氧化鋅薄膜的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于等離子輔助激光分子束外延系統(tǒng)，利用摻雜磷酸鋅(磷酸鋅原子百分比0.5% )的氧化鋅陶瓷靶材，外延生長P型氧化鋅薄膜的新工藝。為ZnO基光、電功能材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
—種采用摻磷酸鋅的耙材生長P型氧化鋅薄膜的方法 (1)制備磷摻雜ZnO陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照1 : 100-5 : 100的體積比混合均勻并制成坯料，坯料在100(TC-120(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材； (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長240-255nm、重復(fù)頻率3Hz-10Hz、能量為80mJ-200mJ ;等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10-7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶石或6H-SiC;對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真
4空度> 10-5Pa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1-1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處 理溫度為80(TC-900°C，高溫處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率300-450W，氧氣分壓為 103Pa ; (3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟 (1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C 的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層 保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將 MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到300°C -600"生長出200nm的 原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣 壓為10-3Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到
P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為60(TC-90(TC、退火是在常壓、氧氣純度為 99.99%的氧氣氛中進(jìn)行。所述步驟(l)中磷酸鋅粉末純度是99.998%， ZnO粉末純度是99.998%。
所述步驟(l)中將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照1 : 100、 2 : 100、 3 : IOO、
4 : 100或5 : ioo的體積比混合均勻并制成坯料，坯料在ioo(rc、 iio(rc或12ocrc燒結(jié)
溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材。 所述步驟(2)中KrF準(zhǔn)分子激光器的波長240nm、 248nm或255nm，重復(fù)頻率 3Hz、 5Hz、 8Hz或10Hz，能量為80mJ、 90mJ、 100mJ、 110mJ或200mJ;等離子體輔助 激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10—7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶石或6H-SiC;對襯底進(jìn)行 化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度>10—spa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行 高溫處理1小時或1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為80(TC或90(TC，高溫處 理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率300W、 350W、 400W或450W，氧氣分壓為l(T3Pa。
所述步驟(3)中使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C的氧極性襯底表面上生長出50nm 的MgaiZn。.90低溫緩沖層，將MgaiZn。.90低溫緩沖層保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱 到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將MgaiZn。.90高溫緩沖層在80(TC真空 退火30分鐘后再降溫到300°C -eO(TC生長出200nm的原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離 子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為10-3Pa。 所述步驟(4)中對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到P型氧化鋅 薄膜，退火時間為300秒、溫度為60(TC、 700°C、 80(TC或90(TC、退火是在常壓、氧氣 純度為99.99%的氧氣氛中進(jìn)行。 該工藝的優(yōu)點是(l)靶材為高純磷酸鋅摻雜氧化鋅靶材，燒結(jié)溫度為 IOO(TC-1200°C ; (2)生長設(shè)備為等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)，本底真空度為 10-7Pa; (3)靶材切換在真空中進(jìn)行，避免污染；(4)預(yù)先在離化氧氣氛下，高溫處理襯底 表面，以獲得氧極性面，并且生長了Mg。,Zn。.9O雙緩沖層(低溫40(TC和高溫60(rC)，減 小了晶格失配，提高了磷摻雜P型氧化鋅薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；(5)磷摻雜P型氧化鋅薄膜在 離化氧氣氛中生長，有效降低了氧化鋅薄膜中施主型點缺陷濃度，有利于磷原子相關(guān)的 受主產(chǎn)生；(6)對原生磷摻雜氧化鋅薄膜進(jìn)行氧氣氛下快速退火處理，有效激活磷原子， 使其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槭苤?，實現(xiàn)較好的P型導(dǎo)電性能。


圖1是本發(fā)明的磷酸鋅摻雜氧化鋅陶瓷靶材掃描電子顯微鏡圖。 圖2是本發(fā)明的磷酸鋅摻雜氧化鋅陶瓷靶材x射線衍射2Theta掃描曲線。 圖3為本發(fā)明的磷摻雜氧化鋅x射線衍射圖。 圖4為本發(fā)明的磷摻雜氧化鋅霍爾遷移率測試曲線圖。 圖5為本發(fā)明的磷摻雜氧化鋅載流子濃度測試曲線圖。 圖6為本發(fā)明的磷摻雜氧化鋅薄膜80(TC氧氣快速退火處理后IOK低溫光致發(fā)光光譜曲線。 圖7本發(fā)明所用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實施例1 : 一種采用摻磷酸鋅的耙材生長P型氧化鋅薄膜的方法
(1)制備磷摻雜Zn0陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照1 : 100的體積比混合均勻并制成坯料，坯料在100(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材；磷酸鋅粉末純度是99.998 % ， ZnO粉末純度是99.998 % ; (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長240nm，重復(fù)頻率3Hz，能量為80mJ ;等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10—7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶石；對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度>10—spa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為80(TC，高溫處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率300W，氧氣分壓為10-3Pa; (3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟(1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到30(TC生長出200nm的原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為103Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到
P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為60(TC-90(TC、退火是在常壓、氧氣純度為99.99%的氧氣氛中進(jìn)行。
實施例2 : —種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法 (1)制備磷摻雜ZnO陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照5 : 100的體積比
混合均勻并制成坯料，坯料在100(TC、 110(TC或120(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO
陶瓷靶材；磷酸鋅粉末純度是99.998%， ZnO粉末純度是99.998% ; (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延
系統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長248nm，重復(fù)頻率lOHz，能量
6為200mJ;等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10-7Pa，襯底選用c面藍(lán) 寶石或6H-SiC;對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度> 10-5Pa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為 900°C，高溫處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率450W，氧氣分壓為10-3Pa;
(3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟 (1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C 的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層 保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將 MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到60(TC生長出200nm的原生 磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為 103Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到 P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為90(TC、退火是在常壓、氧氣純度為99.99% 的氧氣氛中進(jìn)行。
實施例3 : —種采用摻磷酸鋅的耙材生長P型氧化鋅薄膜的方法
(1)制備磷摻雜ZnO陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照4 : 100的體積比 混合均勻并制成坯料，坯料在110(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材；磷酸鋅 粉末純度是99.998 % ， ZnO粉末純度是99.998 % ; (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系 統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長255nm，重復(fù)頻率5Hz，能量為 100mJ、；等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10-7Pa，襯底選用c面藍(lán) 寶石或6H-SiC;對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度> 10-5Pa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為 80(TC或90(TC，高溫處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率400W，氧氣分壓為10—3Pa ;
(3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟 (1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C 的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層 保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將 MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到45(TC生長出200nm的原生 磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為 103Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到 P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為45(TC、退火是在常壓、氧氣純度為99.99% 的氧氣氛中進(jìn)行。
實施例4 : 一種采用摻磷酸鋅的耙材生長P型氧化鋅薄膜的方法
(1)制備磷摻雜Zn0陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照2 : 100的體積比 混合均勻并制成坯料，坯料在110(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材；磷酸鋅 粉末純度是99.998 % ， ZnO粉末純度是99.998 % ; (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)
7采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長255nm，重復(fù)頻率5Hz，能量為90mJ ; 等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10—7Pa，襯底選用6H-SiC ;對襯底進(jìn) 行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度>10—spa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn) 行高溫處理1小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為90(TC，高溫處理氣氛為離化氧 氣氛，射頻功率400W，氧氣分壓為10-3Pa; (3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟 (1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C 的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層 保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將 MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到50(TC生長出200nm的原生 磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為 103Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到 P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為50(TC、退火是在常壓、氧氣純度為99.99% 的氧氣氛中進(jìn)行。
實施例5 : —種采用摻磷酸鋅的耙材生長P型氧化鋅薄膜的方法
(1)制備磷摻雜ZnO陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照4 : 100的體積比 混合均勻并制成坯料，坯料在120(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材；磷酸鋅 粉末純度是99.998 % ， ZnO粉末純度是99.998 % ; (2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系 統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長248nm，重復(fù)頻率5Hz，能量為 110mJ;等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10-7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶 石；對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度> 10-spa的真空 環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為800°C，高溫 處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率450W，氧氣分壓為10-3Pa; (3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟 (1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C 的氧極性襯底表面上生長出50nm的MgaiZna90低溫緩沖層，將MgaiZna90低溫緩沖層 保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到60(TC生長出50nm的MgaiZn。.90高溫緩沖層，將 MgaiZna90高溫緩沖層在80(TC真空退火30分鐘后再降溫到40(TC生長出200nm的原生 磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為 103Pa ; (4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到 P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為40(TC、退火是在常壓、氧氣純度為99.99% 的氧氣氛中進(jìn)行。 如圖1所示，在高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片中，可以看到磷酸鋅與氧化 鋅均勻混和。在靶材的x射線衍射2-Theta掃描圖樣中(圖2)，可以看到，靶材只有氧化 鋅和磷酸鋅的衍射相，沒有其他雜質(zhì)，而且磷元素在100(TC-120(rC燒結(jié)后，仍然保持磷 酸鋅的化合態(tài)，證明我們的靶材燒結(jié)工藝具有很好的穩(wěn)定性。
如圖3所示，采用KrF準(zhǔn)分子激光器，重復(fù)頻率3Hz-10Hz，單脈沖能量為 80mJ-200mJ，系統(tǒng)本底真空度為10-7Pa，襯底材料選用c面藍(lán)寶石或6H-SiC(0001); 對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕(濃硫酸濃磷酸=3 : i)，溫度io(TC，時間為io分鐘，
以消除襯底機(jī)械加工所產(chǎn)出的殘余應(yīng)力和表面雜質(zhì)；超聲清洗(分析純丙酮和乙醇各10 分鐘)后，用高純氮氣吹干備用； 在真空環(huán)境中(真空度為10-5Pa)，對襯底進(jìn)行高溫處理l小時-1.5小時，溫度為 800°C-900°C，氣氛為離化氧氣氛，射頻功率300-450W，氧氣壓為l(T3Pa，以便獲得氧極 性表面； 分別在400。C和600°C生長MgaiZn。.90緩沖層各50nm，并分別在600。C和800°C 真空退火30分鐘，以減小晶格失配，降低本底載流子濃度和施主型缺陷濃度；
生長磷摻雜P型氧化鋅200nm，溫度分別為300°C-600°C，氣氛為離化氧氣 氛，射頻功率300W-450W，氧氣壓為10-3Pa，激光重復(fù)頻率3Hz-10Hz，單脈沖能量 80mJ-200mJ ; 為了得到導(dǎo)電性能更加優(yōu)良的P型氧化鋅薄膜，對原生磷摻雜氧化鋅薄膜進(jìn) 行快速退火處理，以激活磷原子，條件是常壓，氧氣氛(純度> 99.99%)，退火時間為 300-600秒，溫度為600°C -900°C 。 原生磷摻雜氧化鋅薄膜的結(jié)晶性能如圖4所示，可以看出各溫度生長的磷摻雜 氧化鋅均為(0002)擇優(yōu)取向，半高寬為0.13-0.2° ，表現(xiàn)出較好的單晶性能和較高的結(jié)晶 質(zhì)量。 磷摻雜氧化鋅薄膜快速退火前后電學(xué)性能如圖4和圖5所示。從載流子濃度可 以看出，50(TC原生薄膜和經(jīng)過80(TC氧氣氛快速退火的磷摻雜氧化鋅薄膜成功實現(xiàn)了 P 型導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步驗證了本發(fā)明的可行性和可靠性。 磷摻雜氧化鋅薄膜快速退火處理后發(fā)光性能得到明顯提高，圖7為原生薄膜經(jīng) 過80(TC氧氣氛下快速退火后的IOK低溫光致發(fā)光光譜。從圖中可以看出，經(jīng)過快速退 火處理后，磷摻雜氧化鋅呈現(xiàn)明顯的受主發(fā)光特性，尤其30(TC和50(TC生長的樣品，出 現(xiàn)與磷摻雜有關(guān)的受主束縛激子發(fā)光峰(A0《，證明氧氣氛下快速退火激活磷原子，有利 于得到更加穩(wěn)定的p型氧化鋅薄膜。 本發(fā)明采用的等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)及KrF準(zhǔn)分子激光器都是先 有技術(shù)中的設(shè)備，本發(fā)明的創(chuàng)造性體現(xiàn)在利用了現(xiàn)有設(shè)備制備磷摻雜氧化鋅薄膜的方法 上，這種方法是現(xiàn)有技術(shù)中從來沒有過的。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn) 定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā) 明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在于(1)制備磷摻雜ZnO陶瓷靶材將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照1∶100-5∶100的體積比混合均勻并制成坯料，坯料在1000℃-1200℃燒結(jié)溫度下燒結(jié)形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材；(2)設(shè)置等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的波長240-255nm、重復(fù)頻率3Hz-10Hz、能量為80mJ-200mJ；等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的本底真空度為10-7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶石或6H-SiC；對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度＞10-5Pa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1-1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為800℃-900℃，高溫處理氣氛為離化氧氣氛，射頻功率300-450W，氧氣分壓為10-3Pa；(3)利用等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)制備原生P型氧化鋅薄膜將步驟(1)得到的磷摻雜ZnO陶瓷靶材置于氧極性襯底表面上，使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400℃的氧極性襯底表面上生長出50nm的Mg0.1Zn0.9O低溫緩沖層，將Mg0.1Zn0.9O低溫緩沖層在600℃退火30分鐘后再在600℃生長出50nm的Mg0.1Zn0.9O高溫緩沖層，將Mg0.1Zn0.9O高溫緩沖層在800℃真空退火30分鐘后再降溫到300℃-600℃生長出200nm的原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為10-3Pa；(4)制備P型氧化鋅薄膜對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為600℃-900℃、退火是在常壓、氧氣純度為99.99％的氧氣氛中進(jìn)行。
2. 如權(quán)利要求1一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(1)中磷酸鋅粉末純度是99.998%， ZnO粉末純度是99.998%。
3. 如權(quán)利要求1一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在于所述步驟(i)中將磷酸鋅粉末和ZnO粉末按照i : ioo、 2 : 100、 3 : 100、 4 : ioo或5 : IOO的體積比混合均勻并制成坯料，坯料在100(TC、 110(TC或120(TC燒結(jié)溫度下燒結(jié) 形成磷摻雜ZnO陶瓷靶材。
4. 如權(quán)利要求1一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在于 所述步驟(2)中KrF準(zhǔn)分子激光器的波長240nm、 248nm或255nm，重復(fù)頻率3Hz、 5Hz、 8Hz或10Hz，能量為80mJ、 90mJ、 100mJ、 110mJ或200mJ;等離子體輔助激光分子束 外延系統(tǒng)的本底真空度為10—7Pa，襯底選用c面藍(lán)寶石或6H-SiC ;對襯底進(jìn)行化學(xué)腐蝕和 超聲清洗后，并用高純氮氣吹干，在真空度> 10-5Pa的真空環(huán)境中對襯底進(jìn)行高溫處理1 小時或1.5小時獲得氧極性襯底表面，高溫處理溫度為80(TC或90(rC，高溫處理氣氛為 離化氧氣氛，射頻功率300W、 350W、 400W或450W，氧氣分壓為10—3Pa。
5. 如權(quán)利要求1一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在 于所述步驟(3)中使磷摻雜ZnO陶瓷靶材在400°C的氧極性襯底表面上生長出50nm的 MgaiZn。.90低溫緩沖層，將MgaiZn。.90低溫緩沖層保溫在60(TC退火30分鐘后再加熱到 60(TC生長出50nm的Mg。.4Zn。.90高溫緩沖層，將MgaiZn。.90高溫緩沖層在80(TC真空退 火30分鐘后再降溫到300°C -eO(TC生長出200nm的原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜，等離子 體輔助激光分子束外延系統(tǒng)的射頻功率300W、氧氣壓為10-3Pa。
6.如權(quán)利要求1一種采用摻磷酸鋅的靶材生長P型氧化鋅薄膜的方法，其特征在于所述步驟(4)中對原生磷摻雜P型氧化鋅薄膜進(jìn)行快速退火處理得到P型氧化鋅薄膜，退火時間為300秒、溫度為60(TC、 700°C、 80(TC或90(TC、退火是在常壓、氧氣純度為[99.99%的氧氣氛中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用磷酸鋅摻雜氧化鋅(磷酸鋅原子百分比0.5％)的高溫?zé)Y(jié)(1000℃-1200℃)的陶瓷靶材，使用等離子輔助激光分子束外延設(shè)備，高真空條件下(本底真空度為10-7Pa，生長氧氣氛分壓為10-3Pa，射頻功率300W-450W)，采用兩步法外延生長磷摻雜P型氧化鋅的新工藝首先，生長Mg0.1Zn0.9O雙緩沖層(低溫400℃和高溫600℃)；然后再在緩沖層上外延生長磷摻雜氧化鋅薄膜，成功實現(xiàn)了原生薄膜的P型導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變；并且通過常壓氧氣氣氛下快速退火工藝，改善了磷摻雜P型氧化鋅薄膜的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。
文檔編號C30B29/10GK101691670SQ200910024218
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月10日
發(fā)明者侯洵, 張景文, 彭昀鵬, 王東, 賀永寧 申請人:西安交通大學(xué)