[發明專利]p型SnO薄膜及其p-n結二極管的制備方法

無效

• 申請號: 201410406410.6
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104178730A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 楊鐵瑩;趙俊;李曉龍;高興宇;薛超凡;吳衍青;邰仁忠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/35;H01L21/329
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明涉及一種p型SnO薄膜及其p-n結二極管的制備方法。

背景技術

透明導電氧化物(TCO)上世紀初已經出現，并且作為透明導體早已得到廣泛的應用。但是，作為寬禁帶半導體的應用卻嚴重受制于缺乏高性能的p型TCO，嚴重阻礙了透明發光器件、透明晶體管乃至透明集成電路的實現。所以，尋找和研究新的p型TCO材料，提高現有p型TCO材料的性能具有十分重要的意義。

缺少p型TCO材料的主要原因是金屬氧化物的電子結構特性。由于氧的電負性很強，金屬氧化物中氧原子的2p能級往往遠低于金屬原子的價帶電子能級，故具有離子化合物的性質，這種離子鍵結合導致寬帶隙，同時能抑制淺受主的形成。通過摻雜引入的空穴局域在氧離子附近，即使在外加電場作用下也很難在晶格中自由移動；換句話說，也就是空穴形成了深受主能級。因此，減弱空穴局域化的程度是設計p型TCO薄膜面臨的最關鍵問題。

價帶化學修飾(CMVB)的設計概念，為解決空穴局域化問題提供了一個良好的新思路。CMVB的基本思想是在金屬-氧鍵間引入共價鍵來減弱空穴局域化程度。引入的陽離子的最外層電子能級要與O^2-的2p能級相當并且要具有滿殼層電子構型(d¹⁰s⁰和d¹⁰s²)。Sn²⁺具有d¹⁰s²電子構型，Sn²⁺與O^2-能級非常接近。所以SnO應該是非常好的p型TCO候選材料。

脈沖激光沉積、電子束蒸發、原子層沉積、射頻磁控濺射等方法都被用于制備p型SnO薄膜，但是制備出的p型SnO薄膜的電導率都比較低。這些現有方法都是先在室溫下制備p型SnO薄膜，然后再通過退火來提高薄膜質量和電導率。例如以SnO陶瓷靶為靶材，采用射頻磁控濺射在石英襯底上形成p型SnO薄膜的方法，其中，濺射功率為50W左右，工作氣體為Ar氣，氣壓為0.2Pa左右，在室溫下的石英襯底上形成p型SnO薄膜之后，再通過退火來提高薄膜質量和電導率。該方法工藝復雜，得到的p型SnO薄膜的結晶質量和電導率仍無法滿足電子產品例如p-n結二極管的性能需求，有待進一步提高。

目前，p-n結二極管主要使用傳統的IV族(如Si、Ge)、III-V族(如GaN、GaAs)、II-VI族(ZnS、CdTe、ZnO等)半導體材料。其中，基于寬禁帶半導體GaN的發光二極管已經實現了商品化，而基于寬禁帶氧化物半導體的二極管目前還存在一些問題，比如p型ZnO的穩定性很差，在較短時間內就退化為絕緣體甚至n型ZnO，因此ZnO基二極管的壽命很短，尚不實用；盡管在石英襯底上依次覆蓋一層n型摻雜F的SnO₂(n-SnO₂:F)薄膜和一層p型摻雜Ga的SnO₂(p-SnO₂:Ga)薄膜的p-n結二極管已經有報道，但是p-SnO₂:Ga薄膜的導電性仍然較差，而且由于摻雜引起的結構缺陷也較多，影響了該二極管的光電性能。

SnO不需要摻雜即是一種優異的p型透明半導體，可避免因摻雜引起的結構缺陷，將其用于制備p-n結二極管可提高p-n結二極管的穩定性和光電性能，因此，目前對于制備高結晶質量、高電導率的p型SnO薄膜具有強烈需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種p型SnO薄膜及其p-n結二極管的制備方法，工藝簡單易行，適合大規模生產，有利于提高p型SnO薄膜的結晶質量和電導率，以及p-n結二極管的穩定性和光電性能。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種p型SnO薄膜的制備方法，以SnO陶瓷靶為靶材，采用射頻磁控濺射在石英襯底上原位沉積形成p型SnO薄膜，其中，襯底溫度為150-300℃，濺射功率為50-150W，工作氣體為Ar氣，氣壓為0.5-2.0Pa，氣體流量為50-100sccm。

所述制備方法不涉及對所述p型SnO薄膜進行退火的操作。

所述SnO陶瓷靶的純度為99.99wt％。

一種p-n結二極管的制備方法，包括如下步驟：

(1)以SnO陶瓷靶為靶材，采用射頻磁控濺射在石英襯底上原位沉積形成p型SnO薄膜，其中，襯底溫度為150-300℃，濺射功率為50-150W，工作氣體為Ar氣，氣壓為0.5-2.0Pa，氣體流量為50-100sccm；