[發明專利]一種p型導電氧化鋅薄膜材料及制備方法

有效

• 申請號: 201110354868.8
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN102386246A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 湯子康;陳明明;蘇龍興;張權林;祝淵;吳天準;桂許春;項榮
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/0296
• 分類號: H01L31/0296;H01L31/20;H01L21/36
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，特別涉及一種p型導電氧化鋅薄膜材料及制備方法。

背景技術

因具有大的禁帶寬度和大的激子束縛能，ZnO能夠實現室溫下激子復合發光。該方式具有量子效率高和低閾值優點，故ZnO被認為是下一代光電器件的首選材料。由于本征ZnO內晶體缺陷以及非故意摻雜，致使本征ZnO呈現為n型導電。目前制約ZnO應用于半導體光電器件的主要原因是不能實現穩定、高載流子濃度的p型導電。

目前，實現ZnO?p型導電的方法主要有以下四種方式：

第一，ZnO直接摻雜Ⅴ族元素N、P或As，Ⅴ族元素占據O的位置N_O而呈現出受主。N在ZnO中固溶度非常低，主要是因為ZnO中N的摻雜會引起材料的馬德隆值升高；另外，Zn-N鍵能比較弱，容易斷裂，N_O很容易形成(N₂)_O，而(N₂)_O在ZnO中是施主，可提供兩個電子；再者，P與As在ZnO中是深受主，在非常大的摻雜濃度下也難以形成高空穴濃度。

第二，ZnO直接摻雜Ⅰ族元素Li、Na或K，Ⅰ族元素占據Zn的位置而呈現出受主。Li摻雜ZnO中后，Li原子會占據Zn的位置Li_Zn，形成受主；但是，由于Li原子直徑非常小，Li原子除了替代Zn原子位置外，還會處于間隙位置Li_i，間隙原子Li在ZnO中是施主雜質，可以提供一個電子，根據已報道文獻，ZnO直接摻雜Li原子也難以得到高空穴導電的ZnO；而Na、K在ZnO中是深受主，同樣也難形成高空穴濃度。

第三，施主-受主Ⅲ-Ⅴ共摻的方法，如Al-N共摻ZnO、Ga-N共摻ZnO；由于ZnO中摻雜N會引起材料的馬德隆值升高，而ZnO摻雜Ⅲ族元素會降低材料的馬德隆值，這樣利用Ⅲ族元素注入ZnO中來提高N摻雜濃度，發展了Ⅲ-Ⅴ族元素共摻的方法。但是，Ⅲ族元素在ZnO中是施主雜質，會在p型ZnO中形成補償，降低載流子濃度和加劇對載流子的散射作用。

第四，雙受主Ⅰ-Ⅴ共摻的方法，如Li-N共摻ZnO。該方法綜合第一種方法和第二種方法，但實質沒有發生變化。

綜上所述，目前實現p型ZnO導電的缺陷在于：載流子濃度低、載流子遷移率低；且，在ZnO中受主雜質不穩定；另，隨著時間的推移，ZnO由空穴導電易向電子導電轉變。

發明內容

本發明專利所要解決的技術問題是提供一種實現穩定且高濃度空穴導電的p型導電氧化鋅薄膜材料及制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種p型導電氧化鋅薄膜材料，包括襯底及生長于襯底上的外延層，所述襯底與外延層之間從上往下依次設有金屬鎂層、氧化鎂層、生長溫度逐漸升高的第一氧化鋅層與第二氧化鋅層；所述外延層為在氧化鋅合金中摻入受主元素B和摻入穩定元素A原子形成的p型AZnO:B層。

優選地，所述襯底材料為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵。

優選地，所述金屬鎂層的厚度為0.5nm～1nm。

優選地，所述氧化鎂層的厚度為2nm～5nm。

優選地，所述第一氧化鋅層的厚度為1nm～5nm。

優選地，所述第二氧化鋅層的厚度為20nm～50nm。

優選地，所述p型AZnO:B層的厚度為500nm～800nm；其中，A原子為鎂或鈹原子，且A原子的含量為0～15%；B原子為氮、磷或砷。

一種p型導電氧化鋅薄膜材料的制備方法，包括如下步驟：

1）清洗襯底：所述襯底在生長之前經過氫氟酸、丙酮、異丙醇、無水酒精、去離子水化學試劑清洗或濃磷酸與濃硫酸的混合液、丙酮、異丙醇、無水酒精、去離子水化學試劑清洗；然后在真空、氧氣、氧等離子體、氮氣、氮氣等離子體氛圍下退火15～30分鐘，退火溫度為700～1000℃，使襯底表面原子排布整齊；

2）沉積金屬鎂層：所述金屬鎂層的通過等離子體輔助分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或射頻磁控濺射沉積在襯底表面；所述金屬鎂層生長腔內的真空度為10^-2～10^-8Torr，襯底溫度為400～600℃；且所述金屬鎂層的厚度為0.5～1nm；