[發(fā)明專利]一種氮摻雜ZnO的受主激活方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810010103.0
• 申請(qǐng)日: 2008-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN101236906A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁紅偉;孫景昌;杜國(guó)同;趙澗澤;邊繼明;胡禮中
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/477
• 分類號(hào): H01L21/477
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及p型ZnO的摻雜技術(shù)，氮摻雜p型ZnO薄膜的方法，屬于半導(dǎo)體材料材料領(lǐng)域，特別涉及一種采用射頻等離子體工藝作為氮摻雜ZnO后期退火激活N受主的方法。

背景技術(shù)

ZnO是繼GaN之后又一新型的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有較GaN材料更高的激子束縛能，可以在室溫甚至于更高溫度下實(shí)現(xiàn)高效的與激子相關(guān)的發(fā)射。但是，為了實(shí)現(xiàn)在光電器件上的應(yīng)用，ZnO的p型摻雜問題一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于ZnO中存在很多本征缺陷，如Zn間隙、O空位等，使得未摻雜的ZnO成為n型半導(dǎo)體材料，而且這些缺陷產(chǎn)生強(qiáng)烈的自補(bǔ)償效應(yīng)，所以很難進(jìn)行高效、穩(wěn)定的p型ZnO摻雜。

而氮被認(rèn)為在ZnO中是一個(gè)淺受主能級(jí)，在ZnO中進(jìn)行氮的摻雜時(shí)，由于氮在ZnO中固溶度比較低，只能在較低的溫度下進(jìn)行摻雜，但是由于低溫生長(zhǎng)ZnO材料中本征施主缺陷較多，使得直接氮摻雜的摻雜的p型ZnO很難獲得較高的質(zhì)量。日本東北大學(xué)采用激光分子束方法，利用襯底溫度調(diào)制技術(shù)獲得了較好質(zhì)量的p型ZnO薄膜，但是這種技術(shù)存在生長(zhǎng)過程復(fù)雜、生長(zhǎng)設(shè)備工業(yè)化移植困難等問題。

MOCVD設(shè)備是目前半導(dǎo)體發(fā)光外延片制備的首選設(shè)備，具有材料生長(zhǎng)質(zhì)量好、產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)勢(shì)。利用MOCVD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氮摻雜的p型ZnO的制備，但普遍存在獲得的p型ZnO薄膜電學(xué)性質(zhì)較差的問題。這主要是因?yàn)橛捎诟邷厣L(zhǎng)ZnO生長(zhǎng)質(zhì)量好，但是氮在ZnO中固溶度較低。而低溫生長(zhǎng)時(shí)氮很容易摻入，但是卻引入了ZnO的固有本征缺陷。為了提高p型質(zhì)量，往往要對(duì)在低溫條件下生長(zhǎng)的氮摻雜ZnO進(jìn)行高溫退火，這樣使得原本進(jìn)入ZnO中的氮又會(huì)從其體內(nèi)逸出，同時(shí)由于ZnO的氧解吸附效應(yīng)也會(huì)降低ZnO的晶體質(zhì)量。因此，這種傳統(tǒng)的退火處理工藝中存在自我矛盾之處。獲得高質(zhì)量的氮摻雜的p型ZnO目前已經(jīng)成為ZnO研究工作的一大熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的克服目前高質(zhì)量氮摻雜p型ZnO難以獲得的缺點(diǎn)，提供一種利用射頻等離子體輔助的退火方法，將氮摻雜的ZnO在氮的氧化物等離子體環(huán)境中進(jìn)行高溫退火，從而獲得高質(zhì)量的p型ZnO摻雜方法。首先高溫下退火可以激活ZnO中更多的氮從而起到產(chǎn)生大量受主的作用。其次由于在氣氛中形成高激活性的氮與氧，即可以補(bǔ)償?shù)腪nO中的氮逸出，同時(shí)也抑制了ZnO中氧的脫附。這樣就實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量氮摻雜p型ZnO的制備，基于這種高質(zhì)量氮摻雜p型ZnO可以制備ZnO的p-n結(jié)發(fā)光二極管器件。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明所述的p型ZnO薄膜生長(zhǎng)使用的設(shè)備是如02100436.6專利所述的或申請(qǐng)?zhí)枮?00410011164.0專利所述的ZnO薄膜專用生長(zhǎng)射頻等離子體低壓MOCVD設(shè)備。氮摻雜的p型ZnO薄膜的高溫退火激活工藝步驟如下。

(1)使低溫生長(zhǎng)的氮摻雜的ZnO薄膜原位置于反應(yīng)室內(nèi)的生長(zhǎng)托盤上。

(2)當(dāng)反應(yīng)室真空度達(dá)到10Pa以下時(shí)，即可啟動(dòng)反應(yīng)室的渦輪分子泵。反應(yīng)室的真空度達(dá)到3×10^-3Pa時(shí)，停分子泵，準(zhǔn)備退火。

(3)通入氮的氧化物氣體，在真空度為10Pa～80Pa時(shí)，開啟射頻等離子體電源，設(shè)定功率為100～450W，開始等離子體啟輝放電。

(4)加熱襯底片托盤，升溫到500～800℃中某一溫度點(diǎn)，將襯底片進(jìn)行熱處理10～60分鐘。

(5)退火完成后，緩慢降溫到400℃以下時(shí)，關(guān)閉射頻電源，關(guān)閉氣體閥門，繼續(xù)緩慢降到室溫后即可取出樣品。

本發(fā)明對(duì)不同濃度N摻雜的ZnO退火，通過調(diào)節(jié)氮的氧化物氣體源量、射頻等離體電源功率、退火溫度及退火時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同摻雜濃度的p型ZnO薄膜的處理。

說明中的氮的氧化物可以是氧化亞氮(N₂O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、三氧化二氮(N₂O₃)、四氧化二氮(N₂O₄)和五氧化二氮(N₂O₅)中的一種或幾種。

說明中的等離子體裝置可以與薄膜生長(zhǎng)設(shè)備相結(jié)合，也可以是單獨(dú)的等離子體退火裝置。等離子體退火裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。