專利名稱：退火生長(zhǎng)Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及p型ZnO晶體薄膜的生長(zhǎng)方法，尤其是退火生長(zhǎng)Na-N共摻p 型ZnO晶體薄膜的方法。
背景技術(shù)：
ZnO是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛 能為60meV，使得ZnO在紫外探測(cè)器、LDs、 LEDs等光電器件上的應(yīng)用前景 十分光明。制備可控的"型和p型ZnO晶體薄膜是實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件應(yīng)用 的關(guān)鍵。目前，人們對(duì)于《型ZnO晶體薄膜的研究已經(jīng)比較充分，通過(guò)摻雜 Al、 Ga、 In等施主元素，已經(jīng)能夠獲得具有優(yōu)異性能的"型ZnO晶體薄膜。 然而，ZnO的型摻雜卻遇到諸多困難，這主要是由于受主摻雜元素在ZnO中 的固溶度很低，受主能級(jí)一般很深，而且ZnO本身存在著諸多本征施主缺陷(如 間隙鋅Zrii和空位氧Vo)，對(duì)受主會(huì)產(chǎn)生高度的自補(bǔ)償效應(yīng)。如何實(shí)現(xiàn)具有優(yōu) 異性能的;7型ZnO薄膜的實(shí)時(shí)摻雜已成為目前制約ZnO基光電器件發(fā)展的一 個(gè)瓶頸。
目前國(guó)際上所報(bào)道p-ZnO的摻雜元素主要集中在單受主摻雜，例如Li、 N、 P、 As、 Sb等，或者將III-V族元素進(jìn)行施主-受主摻雜，例如Al-N、 Ga-N、 In-N、 Li-N共摻等。在Li-N共摻時(shí)，由于Li原子半徑比較小，容易占據(jù)間隙位置而 成為施主。相對(duì)于Li而言，Na原子半徑較大，不易形成Nai、 NaZn-Nai、 NaZn-H 復(fù)合體，但目前還沒(méi)有關(guān)于Na-N共摻的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了進(jìn)一步改進(jìn)雙受主元素共摻的薄膜性能，提供一種退 火生長(zhǎng)Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜的方法。
本發(fā)明的退火生長(zhǎng)Na-N共摻;7型ZnO薄膜的方法，采用的是射頻反應(yīng)磁 控濺射法，步驟如下
將襯底清洗后放入射頻反應(yīng)磁控濺射裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽到 至少2.5xl0—spa，以Na20-ZnO陶瓷靶為靶材，靶材中鈉的摩爾含量為0.5%， 以純N20和純Ar為濺射氣氛，將兩種氣體分別由質(zhì)量流量計(jì)控制輸入真空反 應(yīng)室，N2O和Ar的分壓比為60: 40 80: 20，襯底溫度為450 550°C ，濺射 功率為300W，在lPa 5Pa壓強(qiáng)下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)結(jié)束后，將薄膜在N20氣氛下退 火，其中退火壓強(qiáng)為10Pa，退火時(shí)間為20 60min，退火溫度為400 500°C 。上述的襯底可以是石英或玻璃。
本發(fā)明中，N20作為氮源及氧源，Ar作為輔助濺射氣氛。濺射過(guò)程中，濺 射原子(含有Zn、 Na、 O原子)與N20發(fā)生反應(yīng)，在襯底上沉積生成Na-N共 摻的ZnO晶體薄膜，其中，N20和Ar的分壓比根據(jù)摻雜濃度調(diào)節(jié)，生長(zhǎng)時(shí)間 由所需膜厚決定。生長(zhǎng)結(jié)束后，將薄膜在N20氣氛下退火，能有效地改善薄膜 的電學(xué)性質(zhì)和晶體質(zhì)量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1) 在ZnO晶體薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)受主Na-N的實(shí)時(shí)摻雜；
2) p型摻雜濃度可以通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)氣氛中N20和Ar的分壓比來(lái)控制；
3) 與施主-受主元素共摻相比，Na-N雙受主元素共摻更容易形成受主或受 主復(fù)合體；
4) 后續(xù)的在N20保護(hù)下退火能有效地改善薄膜的電學(xué)性質(zhì)和晶體質(zhì)量。


圖l是p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜；圖中(a)為未退 火，(b)為退火后。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)例1:先將襯底(玻璃)經(jīng)過(guò)清洗后放入真空反應(yīng)室的樣品托盤(pán)上，襯 底欲濺射表面朝下放置，有效防止顆粒狀的雜質(zhì)對(duì)襯底的玷污，反應(yīng)室真空度 抽至2.5x10—3Pa，以Na20-ZnO陶瓷耙為耙材，靶材中鈉的摩爾含量為0.5%， 將靶材置于靶頭上，以純&0 (純度99.99%)和純Ar (純度99.99%)作為濺 射氣氛，將兩種氣體分別經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入真空反應(yīng)室，N20和Ar的分壓比 為N20 : Ar=70 : 30,濺射功率為300W，襯底溫度為500°C，在3Pa壓強(qiáng)下生 長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為30min。生長(zhǎng)結(jié)束后，將薄膜在N20氣氛下退火，其中退火壓 強(qiáng)為10Pa，退火時(shí)間為30min，退火溫度為450°C ，制得的薄膜厚度約為250nm。
本例制得的Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，見(jiàn) 圖1，退火前后僅有ZnO (002)衍射峰，而沒(méi)有出現(xiàn)與Na、 N相關(guān)相的衍射 峰，說(shuō)明薄膜具有良好的c軸擇優(yōu)取向性，退火后(002)峰的峰強(qiáng)增大，26 值增大，半高寬變小。表明本發(fā)明方法制得的Na-N共摻/ 型ZnO晶體薄膜具 有良好的結(jié)晶性能。
該Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜具有良好的室溫電學(xué)性能，電阻率為 139.2Qcm，空穴濃度為2.5x101、1^3，霍爾遷移率為0.2cmVv.s，并且放置兩個(gè)星期后電學(xué)性能無(wú)明顯變化。 實(shí)例2:
步驟同實(shí)例1，區(qū)別在于襯底為石英，1Pa壓強(qiáng)下生長(zhǎng)，退火溫度為500°C。 本例制得的Na-N共摻；？型ZnO晶體薄膜電阻率為1990Qcm,空穴濃度為 7.62xl015cnf3，霍爾遷移率為0.4cm2/V.s，并且放置兩個(gè)星期后電學(xué)性能無(wú)明顯 變化。
實(shí)例3:
步驟同實(shí)例1，區(qū)別在于N20和Ar的分壓比為N20 : Ar=60 : 40， IPa壓 強(qiáng)下生長(zhǎng)。本例制得的Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜電阻率為222.5Qcm,空穴 濃度為
權(quán)利要求
1.退火生長(zhǎng)Na-N共摻p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是將襯底清洗后放入射頻反應(yīng)磁控濺射裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽到至少2.5×10-3Pa，以Na2O-ZnO陶瓷靶為靶材，靶材中鈉的摩爾含量為0.5％，以純N2O和純Ar為濺射氣氛，將兩種氣體分別由質(zhì)量流量計(jì)控制輸入真空反應(yīng)室，N2O和Ar的分壓比為60∶40～80∶20，襯底溫度為450～550℃，濺射功率為300W，在1Pa～5Pa壓強(qiáng)下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)結(jié)束后，將薄膜在N2O氣氛下退火，其中退火壓強(qiáng)為10Pa，退火時(shí)間為20～60min，退火溫度為400～500℃。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的退火生長(zhǎng)Na-N共摻P型ZnO晶體薄膜的方法， 其特征是所說(shuō)的襯底是石英或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的退火生長(zhǎng)Na-N共摻p型ZnO薄膜的方法，先以Na₂O-ZnO陶瓷靶為靶材，靶材中鈉的摩爾含量為0.5％，以純N₂O和純Ar為濺射氣氛，采用射頻反應(yīng)磁控濺射法，在1Pa～5Pa壓強(qiáng)下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)結(jié)束后，將薄膜在N₂O氣氛下退火。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)受主Na-N的實(shí)時(shí)摻雜，與施主-受主元素共摻相比，Na-N雙受主元素共摻更容易形成受主或受主復(fù)合體，后續(xù)的在N₂O保護(hù)下退火能有效地改善薄膜的電學(xué)性質(zhì)和晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)C30B33/00GK101671842SQ200910153698
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 呂建國(guó), 蘭 林, 趙炳輝, 麗 龔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)