[發明專利]一種以Zn膜為基材直接制備N摻雜ZnO薄膜的方法

無效

• 申請號: 201210469096.7
• 申請日: 2012-11-20
• 公開（公告）號: CN102925856A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 彭壽;王蕓;沈洪雪;彭程
• 申請（專利權）人: 蚌埠玻璃工業設計研究院;中國建材國際工程集團有限公司
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/34;C23C14/14;C23C14/58;H01L21/203;H01L33/00
• 代理公司: 安徽省蚌埠博源專利商標事務所 34113
• 代理人: 倪波

技術領域

本發明屬于半導體薄膜與器件的應用領域，特別涉及一種N摻雜P型ZnO薄膜的制備方法。

背景技術

ZnO薄膜是一種具有六角纖鋅礦結構的寬禁帶氧化物半導體材料，其禁帶寬為3.37eV，激子束縛能為60meV，晶格常數a＝0.35nm，c＝0.521nm，其具有優良的壓電與聲光特性，故作為紫外發光器件和激光器件的候選材料而備受人們的關注，但由于ZnO本征缺陷造成的化學計量比失衡，使其天然為n型半導體材料，而制備器件的關鍵是獲得P型ZnO薄膜，同時由于在制備過程中ZnO薄膜的高電子濃度的自補償效應以及受主濃度的原因，使P型膜的制備相當困難，因此要制備高質量的P型膜，必須重新引入新的受主雜質以提高受主濃度，同時改變其導電類型。

氮摻雜在P型ZnSe上的成功運用以及基于ZnO的理論技術都預示著氮是最理想的受主摻雜元素之一，現有的N摻雜ZnO薄膜制備方法均是以ZnO作為基材，如發明專利一種以氮氣為摻雜源制備P型ZnO薄膜的方法，公開號為CN1461044A，此方法制備的P型薄膜結晶質量較差，光學性能不強，薄膜不是以最密排的柱狀方式生長，很難滿足現代光電學器件生產的要求。

發明內容

針對現有N摻雜ZnO薄膜制備方法存在的不足，本發明的目的在于提高一種方法簡單、參數可控性強的N摻雜ZnO薄膜制備方法，制備的N摻雜ZnO薄膜性能穩定，同時為ZnO薄膜的缺陷研究提供一定理論支持。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的，一種以Zn膜為基材直接制備N摻雜ZnO薄膜的方法，包括以下步驟：

（1）選用清潔Si片作為襯底材料，以純度為99.99%的金屬鋅作為濺射靶材；

（2）襯底材料放入離子束濺射腔室中，當腔室中真空度達到1.0×10^-4Pa時，通入濺射氣體氬氣，啟動清洗槍，對襯底材料進行清洗；

（3）襯底材料清洗完成后，開啟濺射槍，進行離子束鍍膜，束流電壓為700～800V，加速電壓210～230V，束流20～30mA，放電電壓為50～70V；

（4）經過離子束沉積得到的Zn膜在氣氛爐中進行N₂、O₂混氣退火處理直接得到N摻雜ZnO薄膜，霍爾效應檢測顯示，所制得薄膜為N摻雜P型ZnO薄膜。

為進一步提高本發明的效果，技術方案還具備以下特征：

步驟（4）氣氛爐中通入N₂和O₂的體積比為1.5：1。

步驟（4）退火處理的溫度為600～700℃，時間為2小時。

有益效果：本發明是利用離子束沉積技術，直接以氬氣為濺射氣體，不加入其他氣體，可控性強，通過改變電流，電壓等參數制備高質量Zn膜，然后以Zn膜為基材，在氣氛爐中進行N₂、O₂混氣退火處理直接得到N摻雜ZnO薄膜，方法簡單，可操作性強，重復性好；對樣品進行檢測，相關數據都顯示N摻雜ZnO薄膜晶體質量很好，N摻雜量較多，空穴載流子濃度較高，滿足P型膜的要求，經過反復檢測，其穩定性較高，能滿足各種不同器件的需要，同時為P型膜的制備及ZnO薄膜的缺陷理論研究提供了一定的技術支持。與現有方法制備的P型膜相比，本方法制備的薄膜結晶質量好，光學性能強，由于制備過程中直接進行了退火處理，膜層不易脫落，薄膜的結合力非常好，而且薄膜呈最密排的柱狀生長，完全可以滿足現代工業中器件的生產需求。

具體實施方式

實施例1：

以純度為99.99%的金屬鋅作為濺射靶材，以Si片為襯底材料，首先按照常規方法對Si片清洗，以去除表面油脂和污物，而后把其放入離子束濺射腔室中，當腔室中真空度達到1.0×10^-4Pa時，通入濺射氣體氬氣，啟動清洗槍，對樣品進行清洗5分鐘，而后開啟濺射槍，使其束流電壓為750V，加速電壓220V，束流25mA，放電電壓為60V進行離子束鍍膜，30分鐘后得到高質量的Zn膜，把經過離子束沉積得到的高質量Zn膜在氣氛爐中進行N₂、O₂混氣高溫退火處理，退火溫度600℃，退火時間2小時，?N₂、O₂流量分別為15sccm和10sccm，最后得到N摻雜ZnO薄膜。經霍爾效應檢測顯示薄膜為N摻雜P型ZnO薄膜，電阻率為7.28×10²歐姆.厘米，空穴載流子濃度為1.3×10¹⁶/cm³。

實施例2：