[發明專利]一種Na摻雜p型ZnO薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201110342906.8
• 申請日: 2011-11-03
• 公開（公告）號: CN102373425A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 葉志鎮;劉慧斌;黃靖云;何海平;張銀珠;盧洋藩;蔣杰;李洋;潘新花
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明薄膜摻雜技術領域，涉及一種Na摻雜p型ZnO薄膜的制備方法。

背景技術

ZnO是一種寬帶隙（3.37eV）的化合物半導體，具有原料豐富，價格便宜，摻雜容且制備方法多樣，被認為是理想的GaN半導體替代材料。由于本征ZnO中容易形成各種淺施主缺陷，或者非故意摻雜雜質，如H，使得ZnO呈現n型，而其n型摻雜的ZnO也極容易制備。因此為實現商業化的光電應用，制備穩定、低電阻率、高遷移率、高晶體質量的p型ZnO薄膜成首要問題。研究者們嘗試了Ⅵ，如N、P摻雜，之后又是I?的Li、Na、K等摻雜元素。而其中的Na元素被廣泛關注，其原因在于：相對于第Ⅵ元素，I元素具有較低的受主能級；而Na，相對于Li具有更大的原子半徑，在ZnO中更傾向于形成替代位而非間隙位。

目前，各種Na摻雜ZnO薄膜的制備方法已被廣泛報道，例如金屬有機化合物化學氣相沉積、脈沖激光沉積、磁控濺射沉積、熱擴散法、溶膠凝膠法，等等。其中熱擴散方法具有工藝簡單，容易控制，且為傳統的硅基摻雜工藝，而具有廣泛的應用前景；而脈沖激光沉積法具有參數易控制，制備簡單，薄膜質量好等優點，是目前制備ZnO薄膜有效的技術之一。

對于Na離子熱擴散法而言，文獻中多采用鈉鹽的水溶液作為Na源，滴加在ZnO表面干燥，然后在高溫中進行擴散。這種擴散法存在著一些缺陷，一方面，在配置鈉鹽水溶液時容易引入其他金屬雜質，從而影響摻雜劑的純度；另一方面，鈉鹽水溶液一般具有酸性或堿性，而ZnO對酸堿環境均很敏感，較容易被腐蝕，破壞ZnO薄膜的質量。

一般的脈沖激光沉積法制備Na摻雜ZnO薄膜時，采用單一的Na摻雜的ZnO陶瓷靶材，而使用兩種靶材：NaF靶材作為Na摻雜源，ZnO靶材生長ZnO薄膜的方法還沒有人報道。

發明內容

????本發明針對現有技術的不足，提供一種Na摻雜p型ZnO薄膜的制備方法。

在本發明中，結合熱擴散和脈沖激光沉積法，提出采用高純ZnO和高純NaF陶瓷靶材作為濺射靶材，NaF作為Na源，交替濺射生長ZnO層和Na層，利用Na離子向ZnO層的熱擴散進行摻雜，制備p型Na摻雜ZnO薄膜。

本發明方法包括以下步驟：

步驟1）將清洗后的石英玻璃或藍寶石或單晶ZnO作為襯底，放入脈沖激光沉積裝置的生長室中；NaF靶材、ZnO靶材與襯底之間的距離為4.5～5.5cm，生長室背底真空度抽至1×10^-4～1×10^-3?Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為400～700?℃，激光頻率為3～10?Hz，激光能量為250～350?mJ，進行生長；先沉積濺射ZnO靶材，然后再濺射NaF靶材，交替生長獲得Na摻雜ZnO多層薄膜；生長后的薄膜以3～5℃/min冷卻至室溫。

步驟2）將生長得到的Na摻雜ZnO薄膜在400～800℃在管式爐或快速退火爐進行退火處理。

ZnO的p型摻雜是由摻雜原子替代Zn或者O產生空穴而得到的。NaF濺射層提供了Na離子摻雜源，在生長或后續的退火中Na離子擴散替代Zn原子形成摻雜，進而得到p型ZnO薄膜。本發明調節生長過程中的氧氣壓強，調節NaF濺射層中的Na離子與F離子的比例；調節生長溫度，調節Na離子在ZnO中的擴散，從而獲得p型Na摻雜ZnO薄膜。

作為優選步驟1）中壓強為2～45Pa，襯底溫度為550～650℃，靶材距離4.5～5.5cm，激光能量為250～350?mJ，激光頻率為3～10?Hz，ZnO薄膜濺射時間60～180s，NaF濺射時間為5～60s，交替生長20～40次，后續的退火溫度550～850℃。在這個范圍內的制備的Na摻雜ZnO薄膜為p型。