一種Li－N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法
2023-07-04 23:28:41 1
專利名稱：一種Li－N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及p型ZnO晶體薄膜的生長方法，尤其是Li-N共摻雜生長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型和p型ZnO透明導電晶體薄膜是必須的。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n型ZnO晶體薄膜的生長，具有優異的性能。然而，由於ZnO受主摻雜元素在ZnO中的固溶度很低，受主能級一般很深，空穴不易於熱激發進入價帶，而且ZnO本身存在諸多的本徵施主缺陷，如間隙鋅Zni和空位氧VO，對受主產生高度自補償作用，這些因素使ZnO的p型摻雜變得異常困難，成為制約ZnO開發應用的瓶頸。
N是最好的受主摻雜元素，在ZnO中能夠產生淺受主能級，是最有可能實現ZnO良好p型傳導的一種技術。目前已有許多N摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的報導，但是得到的N摻雜p型薄膜存在一些問題，一是p型傳導的可重複性和穩定性不高，二是p型傳導的可控性不高。
Li也是一種受主摻雜元素，在ZnO中替代Zn的晶格位置能夠產生淺受主能級，但是Li由於其尺寸較小，易於佔據間隙位置作為施主存在，因而單獨摻Li由於其自補償效應，一般得到的是高阻ZnO晶體薄膜，難以獲得性能良好的p型ZnO晶體薄膜。
發明內容
本發明的目的是為克服上述p型晶體薄膜中存在的問題，利用Li和N各自的特點，提供一種Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法。
本發明的Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，採用的是脈衝雷射沉積法，包括以下步驟將襯底清洗後放入雷射脈衝沉積裝置的反應室中，反應室真空度抽到至少5×10-4Pa，以Li2O的質量百分含量為0.05～1.5％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，以純N2O為生長氣氛，在反應室中電離，在氣體壓強為10～20Pa，襯底溫度為400～600℃下，進行沉積生長。
本發明中，雷射脈衝沉積的雷射束能量為200～400mJ，雷射脈衝頻率為1～7Hz。所說的襯底可以是矽或藍寶石或石英或玻璃；N2O純度為99.99％以上；N2O電離電壓為0.1～1.5kV。
ZnO晶體薄膜生長的時間由所需的厚度決定；N2O氣體的壓強以及靶材中Li2O的含量根據摻雜濃度調節。
本發明以N2O氣體作為氮摻雜源，靶材中的Li2O作為Li摻雜源。沉積過程中，含有Zn、Li的剝離原子與N2O發生反應，生成Li-N共摻雜的p型ZnO晶體薄膜。Li和N均為ZnO的受主摻雜元素，Li的離子半徑小於Zn，N的離子半徑大於O，在Li-N共摻ZnO晶體薄膜中，Li佔據Zn的晶格位置，N佔據O的晶格位置，Li和N相互影響，其一，由於N較大的離子半徑，使Li更多地佔據Zn的晶格位置，減少Li在間隙位置的存在，從而使Li更能有效地作為受主而存在；其二，Li和N的相互作用能夠減少N原子互相結合生成N2的可能性，而N2佔據O的晶格位置會成為淺施主，弱化N的受主摻雜效果；其三，Li和N的相互作用使Li和N均能夠穩定地存在於ZnO中，提高p型ZnO晶體薄膜的穩定性。
本發明的有益效果在於1)可以實現實時摻雜，在ZnO晶體薄膜生長過程中同時實現Li、N的共同摻雜；2)p型摻雜濃度可以通過調節靶材中Li2O的含量、生長氣氛中N2O的壓強和電離電壓、雷射束能量和雷射脈衝頻率來控制；3)利用Li和N的相互作用，可以提高Li和N的有效受主摻雜效果，使Li-N共摻雜的ZnO晶體薄膜具有良好的p型傳導特性；4)利用Li和N的相互作用，可以使Li和N作為受主態在ZnO中穩定存在，使Li-N共摻雜的p型ZnO晶體薄膜具有良好的可重複性和穩定性。
圖1是根據本發明方法採用的脈衝雷射沉積裝置示意圖。圖中1為KrF準分子雷射器；2為N2O氣體的進氣閥門；3為質量流量計；4為自動壓強控制儀；5為N2O的電離系統；6為靶材轉動系統；7為觀察窗；8為機械泵和分子泵；9為襯底轉動系統；10為聚焦鏡(F＝600mm)；11為反射鏡(R＝95％)；12為靶材架；13為生長過程中的羽輝；14為樣品架；15為加熱器，16為熱電偶；圖2是實施例製得的p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜；圖3是實施例製得的p型ZnO晶體薄膜的光學透射譜。
圖4是實施例製得的p型ZnO晶體薄膜的室溫光致發光(PL)譜。
具體實施例方式
以下結合附圖通過實例對本發明作進一步的說明。
將石英襯底經過清洗後放入反應室樣品架14上，反應室真空度抽至3×10-4Pa，以Li2O質量百分含量為0.1％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，將靶材置於靶材架12上，以純度99.99％的N2O作為生長氣氛，經進氣閥門2進入真空反應室，真空室內的壓強由自動壓強控制儀4控制，壓強為15Pa，N2O的電離電壓為0.3kV。襯底由加熱器15加熱，本例的襯底溫度為450℃。在300mJ的雷射束能量和3Hz的雷射脈衝頻率下開始沉積生長，生長時間30min，在襯底上生成Li-N共摻的p型ZnO晶體薄膜。
製得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜的室溫電學性能，如表1所示，載流子濃度為1.22×1018cm-3，電阻率3.39Ωcm，載流子遷移率1.28cm2/V·s，顯示具有良好的p型傳導特性。
表1
上述實例製得的薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，見圖2，只有ZnO的(002)衍射峰出現，該峰的半高寬FWHM為0.21°，顯示本發明方法製得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有良好的結晶性能；圖3所示是上述薄膜的光學透射譜。由圖可見，在可見光區域的透射率高達90％左右，在390nm處有一很陡的基本吸收邊，顯示本發明方法製得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有良好的光學性能。
圖4所示是上述薄膜的室溫PL譜。由圖可見，在383nm處有一很強的紫外輻射峰，該峰是與受主相關的激子引起的近邊輻射，在PL譜中佔據主導地位，顯示本發明方法製得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有優異的薄膜質量和光學特性。
權利要求
1.Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是將襯底清洗後放入雷射脈衝沉積裝置的反應室中，反應室真空度抽到至少5×10-4Pa，以Li2O的質量百分含量為0.05～1.5％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，以純N2O為生長氣氛，在反應室中電離，在氣體壓強為10～20Pa，襯底溫度為400～600℃下，進行沉積生長。
2.根據權利要求1所述的Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是雷射脈衝沉積的雷射束能量為200～400mJ，雷射脈衝頻率為1～7Hz。
3.根據權利要求1所述的Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是N2O電離電壓為0.1～1.5kV。
4.根據權利要求1所述的Li-N共摻雜生長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石英或玻璃。
5.根據權利要求1所述的Li-N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特徵是所說的N2O純度為99.99％以上。
全文摘要
本發明公開的Li－N共摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法採用的是脈衝雷射沉積法，以高純N
文檔編號H01L21/02GK1772974SQ20051006127
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者呂建國, 葉志鎮, 張銀珠, 曾昱嘉, 朱麗萍, 趙炳輝 申請人:浙江大學