一種p型或n型氧化鋅薄膜及其製備方法

2023-05-10 20:18:46

專利名稱：一種p型或n型氧化鋅薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明屬於功能材料技術領域，涉及一種低電阻率，高載流子濃度的氧化鋅薄膜材料及其製備方法。
背景技術：
隨著寬禁帶半導體技術的蓬勃發展，氧化鋅功能薄膜越來越受到人們的關注。這主要是因為其在光學、電學方面都具有自身獨特的性質。而由於氧化鋅自身的自補償效應，常態氧化鋅薄膜呈n型，因此，一直以來，吸引眾多科學工作者利用各種方法製備p-型氧化鋅薄膜。

發明內容
本發明目的是提出一種無摻雜p型/n型氧化鋅薄膜及其製備方法。要求改種薄膜具有高載流子濃度，低電阻率，厚度均勻可控，以滿足工業應用於研究的需要。
本發明提出的非摻雜p型/n型氧化鋅薄膜，由下述方法獲得將一定大小的基底放入一水平放置的石英管中，加熱至設定溫度(350-550℃)，再將裝有鋅源的陶瓷舟推入此石英管中，加熱使其蒸發，並通入載運氣體，將蒸氣輸運至基底，沉積，在基底上得到氧化鋅薄膜。其中，基底為矽片，鋅源為醋酸鋅，載運氣體為空氣。該薄膜為氧化鋅透明多晶薄膜，具有六方纖鋅礦/紅鋅礦結構，厚度為100～1500nm，電阻率低達到10-2Ωcm，p型薄膜載流子濃度可高達1018cm-3，n型薄膜載流子濃度可高達1019cm-3，該薄膜是一種高載流子濃度，低電阻率厚度較均勻的薄膜。我們做了7個不同溫度下的試驗，下表是所得到的氧化鋅薄膜的電學性質。
表1 不同溫度下氧化鋅薄膜的電學性質

下面進一步介紹製備步驟1、加熱基底至設定溫度將矽基底放入水平放置的石英管中加熱至設定溫度(350℃～550℃)，並達到熱平衡，加熱是通過纏繞在石英管外側的電阻絲實現，通過電壓調節控制溫度高低。
2、鋅源的蒸發和輸運將研磨好的醋酸鋅粉末裝入陶瓷舟中，推入石英管，保持溫度高於醋酸鋅的蒸發溫度，使之很快便為蒸汽。
3、蒸汽的輸運和沉積醋酸鋅蒸汽通過載運氣體(空氣)，被輸運到基底處，並在基底上沉積成膜。一般控制一過程為2～8min。
4、後處理將所得到的氧化鋅薄膜立刻從石英管中取出，在空氣中自然冷卻。即可得到不同導電類型的氧化鋅薄膜，導電類型取決於基底的溫度(＞480℃，得到n型氧化鋅薄膜；＜480℃，得到p型氧化鋅薄膜)。
上述方法中，作為鋅源的醋酸鋅粉末離基底距離控制在3-10cm之間。製得薄膜厚度為100-1500nm，大小為(0.5～2)×(0.5～2)cm2。
具體實施例方式
實施例1，採用醋酸鋅為鋅源，對於p型氧化鋅薄膜的製備，其合成步驟如下取一片1.8×1.8cm矽片，首先用丙酮清潔其表面，之後將其放入10％氫氟酸中，浸泡3分鐘，取出，豎直放置於陶瓷舟上；將陶瓷舟推入水平放置的石英管中。並通過調節纏繞在石英管周圍電阻絲的電壓，加熱，溫度由緊貼在石英管上的熱電偶讀出。加熱至450℃，並保持5分鐘；推入裝有500mg醋酸鋅粉末的陶瓷舟，其與基底距離為8cm，並通入空氣，作為載運氣體，8分鐘後，停止加載運氣體，並且立刻取出矽片，在空氣中自然冷卻，其上附著了一層厚度約為1200nm的氧化鋅薄膜，其為p型半導體薄膜，經檢測，載流子濃度為2.37×1018cm-3，電阻率為4.5×10-2Ωcm。
實施例2，採用醋酸鋅為鋅源，對於n型氧化鋅薄膜的製備，其合成步驟如下取一片2×2cm矽片，首先用丙酮清潔其表面，之後將其放入10％氫氟酸中，浸泡3分鐘，取出，豎直放置於陶瓷舟上；將陶瓷舟推入水平放置的石英管中。並通過調節纏繞在石英管周圍電阻絲的電壓，加熱，溫度由緊貼在石英管上的熱電偶讀出。加熱至510℃，並保持5分鐘；推入裝有500mg醋酸鋅粉末的陶瓷舟，其與基底距離為4cm，並通入空氣，作為載運氣體，4分鐘後，停止加載運氣體，並且立刻取出矽片，在空氣中自然冷卻，其上附著了一層厚度約為1000nm的氧化鋅薄膜，其為n型半導體薄膜，經檢測，載流子濃度為6.0×1018cm-3，電阻率為9.4×10-2Ωcm。
權利要求
1.一種p型或n型寬禁帶氧化鋅薄膜，其特徵在於為透明多晶，具有六方纖鋅礦或紅鋅礦結構，厚度為100～1500nm，電阻率低達10-2Ωcm，p型薄膜載流子濃度高達1018cm-3，n型薄膜載流子濃度高達1019cm-3，並有下述製備方法獲得將基底放入一水平放置的石英管中，加熱至設定溫度350-550℃，再將裝有鋅源的陶瓷舟推入此石英管中，使之蒸發，並通入載運氣體，將蒸氣疏運至基底，經過沉積過程，在基底上得到氧化鋅薄膜；其中，基底為矽片，鋅源為醋酸鋅，載運氣體為空氣。
2.根據權利要求1所述的氧化鋅薄膜，其特徵在於大小為(0.5～2)×(0.5～2)cm2。
3.一種如權利要求1所述的氧化鋅薄膜的製備方法，其特是首先將作為基底的矽片放入水平放置的石英管中，加熱至設定溫度350-550℃，再將裝有作為鋅源的醋酸鋅粉末的陶瓷舟推入該石英管中，加熱使其蒸發，並通入載運氣體，將輸運至基底上沉積，得到氧化鋅薄膜。
4.根據權利要求3所述的氧化鋅薄膜的製備方法，其特徵在於沉積時間控制在2min～8min之間。
5.根據權利要求3所述的氧化鋅薄膜的製備方法，其特徵在於作為鋅源的醋酸鋅粉末距離基底的距離保持在3cm～10cm之間。
6.根據權利要求3所述的氧化鋅薄膜的製備方法，其特徵在於控制基底溫度＞480℃，得到n型氧化鋅薄膜，控制基底溫度＜480℃，得到p型氧化鋅薄膜。
全文摘要
本發明屬功能材料技術領域，具體為一種p型/n型氧化鋅薄膜及其製備方法。該薄膜的製備過程是採用矽(100)作為基底，將其在一水平放置的石英管中加熱到設定溫度，在將盛有醋酸鋅的陶瓷舟推入石英管加熱，使其揮發分解，利用空氣作為載運氣體，將醋酸鋅蒸汽輸運至矽基底，使其分解沉積成膜。此方法製備的ZnO薄膜具有高載流子濃度，低電阻率特性，且可以通過溫度控制，選擇製備p型或n型薄膜。
文檔編號H01L31/0264GK1812134SQ200510111068
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月1日 優先權日2005年12月1日
發明者王雲濤, 張昕, 吳曉京 申請人:復旦大學