[發明專利]一種氮摻雜氧化鋅p型稀磁半導體材料的制備方法

無效

• 申請號: 200910049021.1
• 申請日: 2009-04-09
• 公開（公告）號: CN101599363A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 林文松
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: H01F41/18
• 分類號: H01F41/18;H01F10/193;H01F1/40
• 代理公司: 上海東亞專利商標代理有限公司
• 代理人: 段崇雯

技術領域

本發明屬于新型半導體自旋電子器件材料制備領域，具體地 說屬于一種氮摻雜氧化鋅p型稀磁半導體材料的制備方法。

背景技術

作為半導體使用的ZnO為II-VI族氧化物，是離子性很強的、具 有纖鋅礦結構的晶體，其能帶結構為直接帶隙結構，室溫下的禁帶寬 度為3.37eV。由于ZnO具有GaN及其他寬禁帶半導體材料所不能及的 特性，包括高達60meV的室溫離子束縛能、良好的化學穩定性和熱穩 定性及相對溫和的生成條件，故在自旋半導體、壓電、熱電、光電 導、氣敏等多種應用領域具有廣泛的應用前景。

但是，由于ZnO晶體內氧原子極易產生缺位，氧空位在ZnO中起 施主作用，且其形成能小于禁帶寬度，以致其p型摻雜會因為等量氧 空位的自動產生而補償，從而難以得到p型摻雜的半導體材料，這個 障礙是ZnO半導體材實用的瓶頸。

在已經公開的技術材料中，人們采用兩種方法實現氮在ZnO中的p 型摻雜，一種是熱處理Zn₃N₂的方法，這種方法得到的氮摻雜ZnO的晶 體薄膜隨機取向，質量較差，且電阻率較高；另一種方法是ZnO靶材 在N₂O氣氛中反應磁控濺射法等，因反應氣體N₂O具有較高的毒性而降 低了工藝的實用性，且得到的氮摻雜濃度偏低。上述兩種方法均具有 自身無法客服的缺陷。

發明內容

本發明目的在于提供一種氮摻雜氧化鋅p型稀磁半導體材料的制 備方法，這種氮摻雜氧化鋅薄膜具有c軸擇優取向。

本發明的上述目的是通過如下的技術方案予以實現的：

一種氮摻雜氧化鋅p型稀磁半導體材料的制備方法，包括步驟如 下：

1、采用反應磁控濺射方法在襯底上交替沉積ZnO和Zn₃N₂薄層，制 備ZnO/Zn₃N₂多層膜；

在本步驟中，所述的襯底可以是硅、載玻片或石英玻璃。所述反 應磁控濺射可包括如下步驟：

a)將高純Zn靶材和清洗后的基片固定在磁控濺射設備的相應位置 上，調整基片和靶之間的距離，使其保持大約5～6cm距離， 旋轉擋板隔開襯底和靶材，然后降下真空罩，將系統抽真空到 真空度達4×10^-4Pa以上；

b)通入工作氣體，濺射沉積ZnO薄膜層采用Ar和O₂；濺射沉積 Zn₃N₂薄膜層則采用Ar和N₂，Ar和O₂或者Ar和N₂之間分壓比為 (9-5)∶(1-5)；氣體經輸入系統混合均勻后流入濺射系統，氣體 的分壓分別用氣體流量計控制，通氣完畢后調節真空閥門，使 真空室中壓強至1～2Pa；

c)濺射成膜：當襯底溫度到達設定值后，根據需要，調節濺射功 率，當輝光穩定后，旋開擋板，首先濺射一層ZnO，濺射時間 一般為3～10分鐘，濺射完畢，關閉濺射電源和氣源，旋轉擋 板隔開襯底和靶材，再將系統抽真空到真空度達4×10^-4Pa以 上；而后通入Ar和N₂，待真空背底氣壓穩定在1～2Pa后，調 節濺射功率，當輝光穩定后，旋開擋板，在已有的ZnO膜層上 濺射沉積一層Zn₃N₂，濺射時間一般為3～10分鐘；重復上述過 程，依次交替沉積ZnO和Zn₃N₂膜層，并調整各自的濺射沉積時 間，得到不同調幅的ZnO/Zn₃N₂多層膜。

2、將ZnO/Zn₃N₂多層膜在含有氧氣的氣氛下進行退火處理，即進行 熱氧化，完成制備一種N摻雜氧化鋅p型稀磁半導體材料。

本步驟2中，熱氧化是在一個管式電阻爐中實現的，氧化氣氛為 含有氧氣的氣氛，例如空氣或氧氣。電阻爐的升溫速率為10℃/分鐘。 待爐溫升到所需溫度時，再將磁控濺射法制備的ZnO/Zn₃N₂多層膜放 入。熱氧化溫度在300-500℃之間，氧化時間設置在0.5~3小時。