CN1293606C - 两步法生长N－Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的生长p型ZnO晶体薄膜的方法，采用的是磁控溅射法：反应室真空度抽到至少4×10-3Pa，以铝的质量百分含量为0.1～0.3%的锌铝合金为靶材，以纯度99.99%以上的N2O和纯度99.99%以上的O2作为溅射气氛，两种气体分别由气体流量计控制经缓冲室充分混合后输入真空反应室，在3～5Pa压强下，第一步，先将衬底加热到温度为590～610℃，在衬底上沉积一层N-Al共掺的p型ZnO缓冲层薄膜，然后第二步，将衬底温度调至480～520℃，再在缓冲层上生长N-Al共掺的p型ZnO晶体薄膜。本发明可实现N、Al实时共掺杂，制得的晶体薄膜具有较好的掺杂均匀性、可重复性和稳定性，良好的光学性能和p型传导特性。
Description
技术领域
本发明涉及p型ZnO晶体薄膜的生长方法。
背景技术
要实现ZnO基器件在光电领域等诸多方面的应用，制备可控的n型和p型ZnO透明导电晶体薄膜是其关键。目前，人们对于n型ZnO晶体薄膜的研究已经比较充分，通过掺杂Al、Ga、In、F等施主元素，已经能够实现具有优异性能的n型ZnO晶体薄膜的实时掺杂生长。然而，ZnO的p型掺杂却困难得多，这主要是由于受主掺杂元素在ZnO中的固溶度很低，受主能级一般很深，而且ZnO本身存在着诸多本征施主缺陷(如间隙锌Zni和空位氧VO)，对受主会产生高度的自补偿效应。如何实现具有优异性能的p型ZnO薄膜的实时掺杂成为目前急需解决的一个问题。
N是最好的受主掺杂元素，在ZnO中能够产生浅受主能级，而且将受主N和活性施主(如Al、Ga、In)共同掺入ZnO薄膜中可以提高N在ZnO中的溶解度，得到更浅的N受主能级，因而是最有可能实现ZnO良好p型传导的一种技术。目前已有N-Ga、N-In、N-Al共掺实现p型ZnO的报道，但是得到的共掺p型薄膜存在一些问题，一是结晶质量和掺杂的均匀性不够理想，二是载流子的迁移率比较低，三是p型传导的可重复性和稳定性不高。
发明内容
本发明的目的是为克服上述共掺晶体薄膜中存在的问题，提供一种两步法生长N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的方法。
本发明的两步法生长N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的方法，采用的是磁控溅射法：将衬底清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到至少4×10-3Pa，以铝的质量百分含量为0.1～0.3％的锌铝合金为靶材，以纯度99.99％以上的一氧化二氮(N2O)和纯度99.99％以上的O2作为溅射气氛，将两种气体分别由气体流量计控制输入装置的缓冲室，在缓冲室充分混合后引入真空反应室，在3～5Pa压强下，第一步，先将衬底加热到温度为590～610℃，进行溅射生长，在衬底上沉积一层N-Al共掺的p型ZnO缓冲层薄膜，沉积时间为4～6分钟；然后第二步，将衬底温度调至480～520℃，再在缓冲层上生长N-Al共掺的p型ZnO晶体薄膜，生长时间为20～30分钟。
本发明中，O2作为氧源，N2O气体作为氮掺杂源，同时也可作为氧源。溅射过程，含有Zn、Al的溅射原子与N2O发生反应，生成N-Al共掺的ZnO。
N2O气体和O2的分压比以及靶材中Al的含量根据掺杂浓度调节，生长的时间由所需的厚度决定。所说的衬底可以是硅或蓝宝石或石英或玻璃。
本发明的优点是：
1)可以实现实时掺杂，在ZnO晶体薄膜生长过程中同时实现N、Al的共同掺杂；
2)p型掺杂浓度可以通过调节靶材中Al的含量和生长气氛中N2O∶O2的不同分压比来控制；
3)缓冲层的存在很好的改善了晶体薄膜的结晶质量，使其具有高度的c轴取向；
4)缓冲层的存在有效提高了晶体薄膜中载流子的迁移率，使其具有良好的p型传导特性；
5)缓冲层的存在，使晶体薄膜具有较好的掺杂均匀性、可重复性和稳定性。
附图说明
图1是根据本发明方法采用的直流反应磁控溅射装置示意图。图中1和2分别为N2O气体和O2的进气管路；3为流量计；4为缓冲室；5为样品架；6为加热器；7为真空计；8为自动压强控制仪；9为S枪；10为挡板；11为气体导入管；
图2是实施例制得的p型ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；
图3是实施例制得的p型ZnO晶体薄膜的光学透射谱。
具体实施方式
以下结合图1，通过实施例对本发明作进一步的说明。
先将衬底经过清洗后放入反应室样品架5上，衬底欲沉积表面朝下放置，有效防止颗粒状的杂质对衬底的玷污，反应室真空度抽至4×10-3Pa，以铝的质量百分含量为0.15％的锌铝合金为靶材，将靶材置于S枪9上，以纯度99.99％以上的N2O和纯度99.99％以上的O2作为溅射气氛，将两种气体分别经进气管1和2进入缓冲室4，在缓冲室充分混合后通过气体导入管11引入真空反应室，真空室内的压强由自动压强控制仪8控制，压强为4Pa。N2O和O2分压比根据掺杂需要，可通过流量计3调节，本例为N2O∶O2＝80∶20，在54W的溅射功率下开始溅射过程，第一步，先将衬底温度控制在600℃，在衬底上沉积一层N-Al共掺的p型ZnO缓冲层薄膜，沉积时间为5min；第二步，将衬底温度控制在500℃，再在缓冲层上生长N-Al共掺的p型ZnO晶体薄膜，生长时间为25min。
表1所示是上述N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的室温电学性能，载流子浓度为2.47×1017cm-3，电阻率13.5Ωcm，载流子迁移率1.86cm2/V.s，显示具有良好的p型传导特性。
表1
| 电阻率(Ωcm) | 载流子迁移率(cm2/V.s) | 载流子浓度(cm-3) | 导电类型 |
| 13.5 | 1.86 | +2.47e+17 | p |
上述薄膜的x射线衍射(XRD)图谱，见图2，只有ZnO的(002)衍射峰出现，该峰的半高宽FWHM为0.317°，显示本发明方法制得的N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜具有良好的结晶性能；
图3所示是上述薄膜的光学透射谱。由图可见，在可见光区域的透射率高达90％左右，在390nm处有一很陡的基本吸收边，显示本发明方法制得的N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜具有良好的光学性能。
Claims (2)
1.两步法生长N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是：将衬底清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到至少4×10-3Pa，以铝的质量百分含量为0.1～0.3％的锌铝合金为靶材，以纯度99.99％以上的N2O和纯度99.99％以上的O2作为溅射气氛，将两种气体分别由气体流量计控制输入装置的缓冲室，在缓冲室充分混合后引入真空反应室，在3～5Pa压强下，第一步，先将衬底加热到温度为590～610℃，进行溅射生长，在衬底上沉积一层N-Al共掺的p型ZnO缓冲层薄膜，沉积时间为4～6分钟；然后第二步，将衬底温度调至480～520℃，再在缓冲层上生长N-Al共掺的p型ZnO晶体薄膜，生长时间为20～30分钟。
2.根据权利要求1所述的两步法生长N-Al共掺杂p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是所说的衬底是硅或蓝宝石或石英或玻璃。
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