一種p－Zn的製作方法

2023-10-04 22:25:14 3

專利名稱：一種p－Zn的製作方法
技術領域：
本發明涉及p型摻雜的Zn1-xMgxO晶體薄膜及其製備方法。
背景技術：
當Mg的摩爾含量不超過33at％時，Zn1-xMgxO三元合金薄膜與ZnO薄膜具有相同的晶體結構，相近的晶格常數，但Mg的摻入使ZnO的禁帶展寬，可實現ZnO禁帶寬度的裁剪。為了提高ZnO基光電器件的發光效率，一般採用形如p-Zn1-xMgxO/ZnO/n-Zn1-xMgxO的異質結、量子阱和超晶格結構，不僅要求勢壘層的晶格常數與勢阱匹配，而且需要生長穩定、可控的n型和p型Zn1-xMgxO晶體薄膜。但是目前國際上僅有不摻雜的Zn1-xMgxO晶體薄膜的報導，沒有n型和p型Zn1-xMgxO晶體薄膜的報導。ZnO基薄膜的p型摻雜是世界性的難題，這一摻雜技術沒有解決，將會大大影響ZnO基晶體薄膜在光電器件方面的應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種p型摻雜的Zn1-xMgxO晶體薄膜及其製備方法。
本發明的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜，是以B、Al、Ga、In中的一種或幾種為施主、以N、P、As氣體中的一種或幾種為受主共摻雜的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜，x的摩爾含量為0＜x＜40％，摻雜濃度為1015～1019cm-3本發明的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜的製備方法是脈衝雷射沉積法，製備過程包括以下步驟1)陶瓷靶的燒結稱量純度＞99.99％的高純ZnO、MgO和施主摻雜劑粉末，其中MgO的摩爾含量x為0＜x＜40％，施主摻雜劑的摩爾含量y為0＜y＜3％，將上述粉末用球磨混合均勻，研磨後壓製成型，在800～1200℃溫度下燒結，製得摻施主的Zn1-xMgxO陶瓷靶。
2)薄膜的製備將步驟1)製得的陶瓷靶和用常規方法清洗過的襯底放入脈衝雷射沉積裝置的生長室中，靶材與襯底之間的距離保持為4～6cm，生長室真空至少抽到10-3Pa，襯底加熱，使之升溫到400～700℃，以經過等離子體活化的高純含受主氣體和高純O2的混合氣體為生長氣氛，受主氣體和高純O2的分壓比為1∶1-4，壓強為5～15Pa，開啟雷射，讓雷射照射到靶面上，靶材原子脫離靶，形成激波，其中的施主與活性受主相互作用，沉積在襯底上，獲得p-Zn1-xMgxO晶體薄膜。
3)退火處理對步驟2)沉積得到的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜進行退火處理，退火氣氛是高純N2，退火溫度400～1000℃，退火時間1小時。
上述受主氣體是N、P、As氣體中的一種或幾種，其中N可以是N2、NH3、N2O、NO或NO2氣體。所說的施主摻雜劑是含B、Al、Ga或In中的一種或幾種的氧化物。可採用的襯底有藍寶石、矽、氧化鋅或玻璃。
通過調節含受主氣體和高純O2的分壓比、靶材中施主的含量以及後續退火處理的溫度可以製備不同摻雜濃度的p-Zn1-xMgxO薄膜，生長時間由所需晶體薄膜的厚度決定。
本發明的優點1)採用施主、受主共摻雜可以促進受主的摻入，提高摻雜濃度。
2)摻雜濃度可以通過調節含受主的氣體和高純O2的分壓比以及靶材中施主摻雜劑的摩爾含量來控制。
3)後續退火處理不僅可以改善薄膜的晶體質量，而且可以促進受主的摻雜。
4)本發明的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜的禁帶寬度在3.3～4.0eV範圍可調。
5)薄膜製備方法具有生長溫度低、沉積參數容易控制、沉積的薄膜質量較好等優點。


圖1是脈衝雷射沉積的設備示意圖。
圖中1為雷射器；2為生長室；3為靶材；4為襯底具體實施方式
實施例以Al2O3為施主摻雜劑，N2O為受主摻雜源，以矽片為襯底生長p-Zn1-xMgxO薄膜。具體步驟如下1)陶瓷靶的燒結稱量純度＞99.99％的高純ZnO、MgO和Al2O3粉末，使得MgO與ZnO摩爾含量比為1∶4，Al2O3的摩爾含量為0.5％。將稱量好的ZnO、MgO和Al2O3粉末混合倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中，在球磨機上球磨20小時，目的是讓原料混合均勻並在一定程度上細化，以利於陶瓷靶材的成型與燒結。然後將原料分離出來並烘乾，添加粘結劑研磨，壓製成型。最後把成型的胚體放入燒結爐中，經低溫(200～400℃)排素，使粘結劑揮發，再升溫至800～1200℃燒結3小時，得到厚度為3mm，直徑為5.5cm的陶瓷圓片，這就是Zn1-x-yMgxAlyO陶瓷靶。
2)薄膜的製備在沉積薄膜之前，矽片表面先用RCA法清洗。把燒結好的陶瓷靶材裝在靶材架上，嵌入脈衝雷射沉積系統的靶材託中。再將清洗好的矽片固定在樣品架上，放入生長室。調節襯底與靶材的距離為5cm，並用擋板將襯底與靶隔開。生長室抽本底真空到5×10-3Pa，然後襯底加熱至薄膜生長溫度600℃。通入高純O2和用等離子體活化的N2O，兩路氣體流量由流量計控制，分壓比N2O∶O2＝1∶1，壓強控制在12Pa。開啟雷射(工作電壓27KeV，頻率1.5Hz)，預沉積5分鐘，以除去靶材表面的沾汙，然後旋開擋板，沉積薄膜。生長過程中襯底和靶材低速旋轉，以改善薄膜的均勻性。
3)退火處理對步驟2)製得的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜進行退火處理，退火氣氛為純度＞99.99％的高純N2，時間1小時，退火溫度為500℃。
通過改變靶材中MgO和Al2O3的含量，含N氣體和高純O2的分壓比；以及後續退火處理的溫度可以製得不同摻雜濃度和組分的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜，摻雜濃度為1015～1019cm-3。
權利要求
1.一種p-Zn1-xMgxO晶體薄膜，其特徵在於它是以B、Al、Ga、In中的一種或幾種為施主、以N、P、As氣體中的一種或幾種為受主共摻雜的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜，x的摩爾含量為0＜x＜40％，摻雜濃度為1015～1019cm-3。
2.根據權利要求1所述的p-Zn1-xMgxO薄膜的製備方法，其特徵是採用脈衝雷射沉積法，包括以下步驟1)陶瓷靶的燒結稱量純度＞99.99％的高純ZnO、MgO和施主摻雜劑粉末，其中MgO的摩爾含量x為0＜x＜40％，施主摻雜劑的摩爾含量y為0＜y＜3％，將上述粉末用球磨混合均勻，研磨後壓製成型，在800～1200℃溫度下燒結，製得摻施主的Zn1-xMgxO陶瓷靶。2)薄膜的製備將步驟1)製得的陶瓷靶和用常規方法清洗過的襯底放入脈衝雷射沉積裝置的生長室中，靶材與襯底之間的距離保持為4～6cm，生長室真空至少抽到10-3Pa，襯底加熱，使之升溫到400～700℃，以經過等離子體活化的高純含受主氣體和高純O2的混合氣體為生長氣氛，受主氣體和高純O2的分壓比為1∶1-4，壓強為5～15Pa，開啟雷射，讓雷射照射到靶面上，靶材原子脫離靶，形成激波，其中的施主與活性受主相互作用，沉積在襯底上，獲得p-Zn1-xMgxO晶體薄膜。3)退火處理對步驟2)沉積得到的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜進行退火處理，退火氣氛是高純N2，退火溫度400～1000℃，退火時間1小時。
3.根據權利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜的製備方法，其特徵是所說的受主氣體是N、P、As氣體中的一種或幾種，其中N是N2、NH3、N2O、NO或NO2氣體。
4.根據權利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜的製備方法，其特徵是所說的施主摻雜劑是含B、Al、Ga或In中的一種或幾種氧化物。
5.根據權利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶體薄膜的製備方法，其特徵是所說的襯底為藍寶石、矽、氧化鋅或玻璃。
全文摘要
本發明的p－Zn
文檔編號H01L21/24GK1542915SQ20031010846
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月4日 優先權日2003年11月4日
發明者葉志鎮, 張銀珠, 黃靖雲 申請人:浙江大學