實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法
2023-12-05 23:27:31 2
專利名稱：實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及p型ZnO的摻雜方法。具體說是關於實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法。
背景技術：
要實現ZnO基器件的應用，製備可控的n和p型ZnO晶體薄膜是必須的。目前，人們對於n型ZnO晶體薄膜的研究已經比較充分，通過摻雜III價元素，已經能夠實現實時、濃度可控的低阻n型ZnO晶體薄膜的生長。但要使ZnO晶體薄膜製備出光電子器件，必須製備ZnO pn結。由於ZnO存在諸多的本徵施主缺陷，如間隙鋅Zni和空位氧VO，其能級分別位於導帶底0.05eV和0.3eV處，對受主產生高度自補償作用，而且，ZnO受主能級一般很深(N除外)，空穴不易於熱激發進入價帶，受主摻雜的固溶度也很低，因而難以實現p型轉變，成為制約ZnO實現產業化的瓶頸。目前ZnO晶體薄膜的p型摻雜研究還處於開始階段，濃度可控，重複性好的p型ZnO薄膜還難以實現。
目前文獻報導p型ZnO晶體薄膜的摻雜主要有四種方法(1)利用高活性的氮作為摻雜劑，(2)鎵和氮的共摻雜，(3)摻砷，(4)摻磷。後兩種由於受主能級較深，固溶度低，所以摻雜效果不理想，並且砷和磷都有毒性。前兩種利用高活性的氮摻雜及鎵和氮共摻雜，由於氮的活性很低，且原子半徑比氧原子大，因此採用化學氣相澱積(CVD)和分子束外延(MBE)生長技術，很難替代氧原子的位置，也無法實現實時可控摻氮。
發明內容
本發明的目的是提供一種實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法。
本發明的實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法是採用磁控濺射法，先將襯底表面清洗後放入直流反應磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽到至少10-3Pa，然後加熱襯底，使襯底溫度為200～600℃，優選400～550℃，以高純氨氣NH3(99.99％以上)和高純氧氣O2(99.99％以上)為濺射氣體，該二種氣體分別由流量計控制輸入裝置的緩衝室，在緩衝室充分混合後引入真空反應室，在1～10Pa壓強下，以高純Zn(99.99％以上)為靶材，進行濺射生長，其中氨氣與氧氣的分壓比根據摻雜濃度調節。根據NH3與O2不同的分壓比可以製備不同摻雜濃度p型ZnO晶體薄膜，生長的時間由所需的厚度決定。
上述襯底可以採用矽或藍寶石或玻璃。
本發明的優點1)可以實現實時摻雜，在ZnO晶體薄膜生長過程中同時實現摻雜；2)摻雜濃度較高，由於NH3在濺射過程中被離化，氮原子被激活，而且NH3的離化能低於N2，所以N的摻雜效率比較高；3)摻雜濃度可以通過調節輸入的NH3∶O2不同分壓比來控制；4)有較好的重複性和穩定性。
附圖是根據本發明方法採用的直流反應磁控濺射裝置示意中1和2分別為氨氣和氧氣的進氣管路；3 為流量計；4 緩衝室；5樣品架；6 加熱器；7 真空計；8 自動壓強控制儀；9 S槍具體實施方式
以下結合具體實例進一步說明本發明。
先將襯底經過表面清洗後放入反應室樣品架5上，襯底朝下放置，有效防止顆粒狀的雜質對襯底的玷汙，反應室真空度抽至10-3Pa；利用加熱器，加熱襯底，襯底溫度控制在500℃；濺射氣體是高純的NH3(99.99％以上)和高純的O2(99.99％以上)，兩路氣體經進氣管1和2進入緩衝室4，在緩衝室充分混合後引入到真空室，真空室內的壓強由自動壓強控制儀8控制，壓強約為5Pa左右。NH3與O2分壓比根據摻雜需要，可通過流量計3任意調節，此例設NH3∶O2＝1∶1；以S槍9上的高純Zn(99.99％)為靶材進行濺射生長。濺射功率在32W下生長一定的時間，半小時可以濺射2微米左右。通過調節輸入的NH3∶O2分壓比，可以獲得摻雜濃度可控的p型ZnO晶體薄膜。
生長過程中發生的化學反應如下
這裡，v和s分別代表氣態和固態。在ZnO薄膜中，N取代O位於晶格位置，而H由於原子半徑較小，會存在於與N相鄰的間隙位置，這可以很大程度上抑制生長過程中間隙Zn的存在，降低自補償效應。
權利要求
1.實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是採用磁控濺射法，先將襯底表面清洗後放入直流反應磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽到至少10-3Pa，然後加熱襯底，使襯底溫度為200～600℃，以高純氨氣和高純氧氣為濺射氣體，該二種氣體分別由流量計控制輸入裝置的緩衝室，在緩衝室充分混合後引入真空反應室，在1～10Pa壓強下，以高純Zn為靶材，進行濺射生長，其中氨氣與氧氣的分壓比根據摻雜濃度調節。
2.根據權利要求1所述的實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是襯底的溫度為400～550℃。
3.根據權利要求1所述的實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是所說的襯底是矽或藍寶石或玻璃。
全文摘要
本發明的實時摻氮生長p型ZnO晶體薄膜的方法是採用磁控濺射法，先將襯底表面清洗後放入直流反應磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽到至少10
文檔編號C23C14/34GK1391259SQ02136110
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月17日 優先權日2002年7月17日
發明者黃靖雲, 葉志鎮 申請人:浙江大學