一種制備氮鋁共摻雜p型氧化鋅薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域,具體地,涉及一種制備氮鋁共摻雜P型氧化鋅薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于信息技術(shù)、光電子技術(shù)、航空航天等領(lǐng)域?qū)Χ滩ㄩL(zhǎng)發(fā)光器件的強(qiáng)烈需求,氧化鋅,氮化鎵,碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的研宄熱點(diǎn)。與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料相比,氧化鋅具有眾多優(yōu)點(diǎn):激子束縛能高達(dá)60 meV,有利于獲得高效穩(wěn)定的室溫激子輻射;可以在較低溫度下制備,減少材料制備時(shí)引入的雜質(zhì)與缺陷,并可以大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝;具有更高的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性;具有更強(qiáng)的耐輻射能力,能滿足航空航天技術(shù)的要求;其原材料豐富且無(wú)毒,有利于降低成本和保護(hù)環(huán)境。因此對(duì)氧化鋅材料的深入研宄極有希望解決半導(dǎo)體照明、紫外半導(dǎo)體激光器等多種技術(shù)的瓶頸問(wèn)題。目前氧化鋅研宄中亟待解決的是P型摻雜問(wèn)題,穩(wěn)定且性能可控的P型材料是制備結(jié)型器件的基礎(chǔ),也是氧化鋅材料實(shí)用化的關(guān)鍵。本征氧化鋅材料為η型導(dǎo)電,存在很多本征施主缺陷如氧空位、間隙鋅和氫雜質(zhì),會(huì)對(duì)受主摻雜產(chǎn)生高度自補(bǔ)償作用,很難實(shí)現(xiàn)P型摻雜,極大地限制了氧化鋅基光電器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,電阻率高達(dá)112 Ω Cm。自1997年Minegishi等人首次成功制備P型氧化鋅薄膜以來(lái),已有許多研宄者實(shí)現(xiàn)了氧化鋅的P型摻雜,然而所獲得的P型氧化鋅的載流子迀移率很低,電阻率較高,不能滿足高質(zhì)量光電器件的應(yīng)用要求。一些研宄者在對(duì)氧化鋅的P型摻雜研宄的基礎(chǔ)上,嘗試制備氧化鋅基同質(zhì)Pn結(jié)器件,但是都處于初始研宄階段。選擇合適的摻雜材料和適當(dāng)?shù)闹苽涔に?,?shí)現(xiàn)低電阻P型氧化鋅的摻雜,制備穩(wěn)定且性能可靠的P型材料和結(jié)型器件已成為當(dāng)前氧化鋅材料應(yīng)用中最重要、最迫切的任務(wù),此方面的相關(guān)研宄對(duì)于促進(jìn)信息技術(shù)、光電子技術(shù)、航空航天技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。
[0003]自從Yan等人預(yù)測(cè)氮元素是ρ型氧化鋅的理想摻雜材料后,很多研宄小組開(kāi)展了氮摻雜制備P型氧化鋅的研宄工作。他們分別利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積,脈沖激光沉積,激光分子束外延,直流反應(yīng)磁控濺射等工藝,采用含氮?dú)怏w作為摻雜源來(lái)制備P型氧化鋅:Ν薄膜。然而,這些工藝無(wú)法提供足夠的活性氮作為受主來(lái)補(bǔ)償本征施主缺陷,制備出來(lái)的P型氧化鋅薄膜載流子迀移率較低,電阻率較高,性能還達(dá)不到光電器件的要求。為了解決氮在氧化鋅中固溶度低的問(wèn)題,C.Wang和Kaminska等人以派射法制備的氮化鋅薄膜作為前驅(qū)體,通過(guò)熱氧化氮化鋅薄膜制備出P型氧化鋅薄膜。盡管此方法可以提供足夠的活性氮摻雜源,但是在氮化鋅薄膜制備和氧化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)碳和氫的污染,樣品的電阻率較高,結(jié)晶質(zhì)量也不夠理想。Τ.Yamamoto對(duì)氧化鋅電子能帶結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算表明:η型摻雜源可以降低晶體的馬德隆能,而P型摻雜卻會(huì)使之升高?;钚允┲髋c活性受主實(shí)施共摻雜,能以施主與受主間的引力取代原有受主間的斥力,增加受主原子的摻雜濃度,得到更多的受主雜質(zhì)。理論計(jì)算表明,施主雜質(zhì)的極化能依次為:銦〈鎵〈鋁,所以,鋁更適合用于共摻雜技術(shù)生長(zhǎng)低阻的P型氧化鋅,故II1-V族元素共摻雜已成為目前獲得ρ型摻雜的主要途徑。氮、鋁共摻明顯降低了 P型氧化鋅薄膜電阻率,但是,在現(xiàn)有技術(shù)中,制備的前驅(qū)體薄膜結(jié)晶性較差,容易出現(xiàn)片狀團(tuán)簇體,降低薄膜中的空穴載流子濃度和迀移率,致使薄膜的電阻率較高,不利于P型氧化鋅薄膜的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種制備氮鋁共摻雜P型氧化鋅薄膜的方法,對(duì)薄膜前驅(qū)體的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化,在前驅(qū)體制備過(guò)程中通過(guò)控制襯底溫度、輸入功率、真空度和反應(yīng)時(shí)間,能夠得到質(zhì)量更優(yōu)的薄膜前驅(qū)體,使氧化后薄膜的性能得到較大的提升,電阻率顯著降低。
[0005]一種制備氮鋁共摻雜P型氧化鋅薄膜的方法,包括如下步驟:
51.制備前驅(qū)體:以高純鋅作為靶材,在靶面上放置高純鋁片,所述靶材上方放置有襯底,且襯底與靶材間的距離可調(diào),抽真空,然后通入高純氮?dú)?,在襯底溫度100~300°C,射頻源輸入功率80~200W,真空度0.5-1.5Pa的條件下進(jìn)行射頻磁控反應(yīng)濺射,反應(yīng)30~60min后將制備得到含鋁氮化鋅薄膜作為前驅(qū)體;
52.制備P型氧化鋅薄膜:前驅(qū)體制備完成后,抽真空,通入高純氧氣對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行原位低壓氧化,制備得到氮鋁共摻雜P型氧化鋅薄膜。
[0006]本發(fā)明通過(guò)控制前驅(qū)體制備過(guò)程中襯底溫度、輸入功率、真空度和反應(yīng)時(shí)間,對(duì)薄膜前驅(qū)體的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化,得到質(zhì)量更優(yōu)的薄膜前驅(qū)體,使氧化后薄膜的性能得到較大的提升,薄膜的空穴迀移率得到提高,電阻率由空穴載流子濃度和空穴迀移率共同決定,最終制備得到的P型氧化鋅薄膜的電阻率顯著下降。
[0007]優(yōu)選地,在SI所述靶面上放置不同面積的高純鋁片,使鋁含量占靶材和靶面總樣品量的2~3%。
[0008]優(yōu)選地,所述襯底與靶材之間的距離為5~7cm。
[0009]優(yōu)選地,所述S2步驟中的氧化溫度為450~550°C,氧化壓強(qiáng)為102~103Pa,氧化時(shí)間為2~3h。更優(yōu)選的,所述S2原位低壓氧化時(shí)間為2.5h。
[0010]優(yōu)選地,SI所述輸入功率為100~180 W。
[0011]優(yōu)選地,SI所述真空度為0.5-1.2Pa。
[0012]優(yōu)選地,SI所述反應(yīng)時(shí)間為40~60 min。
[0013]優(yōu)選地,SI所述襯底溫度100~200°C,SI所述抽真空的真空度為10_4Pa。
[0014]優(yōu)選地,所述襯底為玻璃片、單晶硅片、石英玻璃或單晶氧化鋅。
[0015]優(yōu)選地,上述方法包括如下步驟:
51.制備前驅(qū)體:以高純鋅作為靶材,在靶面上放置不同面積的高純鋁片,使鋁含量占靶材和靶面總樣品量的2~3%,所述靶材上方放置有襯底,且襯底與靶材之間的距離為6cm,抽真空10_4Pa,然后通入高純氮?dú)?,在襯底溫度100~200°C,射頻源輸入功率120~160W,真空度0.5-1.0Pa的條件下進(jìn)行射頻磁控反應(yīng)濺射,反應(yīng)40~60min后將制備得到含鋁氮化鋅薄膜作為前驅(qū)體;
52.制備P型氧化鋅薄膜:前驅(qū)體制備完成后,抽真空10_4Pa,通入高純氧氣,氧化溫度450~550°C,氧化壓強(qiáng)102~103Pa的條件下在對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行原位低壓氧化2.5h,制備得到氮鋁共摻雜P型氧化鋅薄膜。
[0016]優(yōu)選地,所述襯底依次經(jīng)丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水浸泡、超聲波清洗后,壓縮空氣吹干待用。
[0017]優(yōu)選地,所述SI步驟中濺射反應(yīng)前,用擋板遮住襯底,通高純氬氣對(duì)靶材上的污染物清洗30min,氬氣的流量為20cm3/min,氣壓為1.2Pa。
[0018]優(yōu)選地,所述氮?dú)獾耐ㄈ肓繛?0cm3/min。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明對(duì)制備薄膜前驅(qū)體的工藝參數(shù),如濺射功率、工作壓強(qiáng)、濺射時(shí)間等進(jìn)行了優(yōu)化,使薄膜前驅(qū)體結(jié)晶性提升,即晶粒尺寸更大,晶界數(shù)量降低,前驅(qū)體的性能得到較大提升,提升了空穴載流子的迀移率,使薄膜的電阻率下降。
[0020]本發(fā)明綜合優(yōu)化了前驅(qū)體制備參數(shù)(濺射功率、工作壓強(qiáng)、濺射時(shí)間)及后續(xù)原位低壓氧化反應(yīng)參數(shù)(氧化壓強(qiáng)、氧化溫度以及氧化時(shí)間),在優(yōu)化了前驅(qū)體性能的前提下,提高了薄膜中活性氮的含量,從而增加空穴載流子的濃度和迀移率,降低氧化鋅薄膜電阻率,制備得到的氮化鋅薄膜電阻率低至10.84WXcm,載流子濃度達(dá)到+4.65X 1018cnT3,光學(xué)帶隙在3.27eV,薄膜結(jié)晶狀態(tài)和光學(xué)性質(zhì)良好。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為實(shí)施例1石英玻璃襯底上制備的鋁氮共摻雜P型氧化鋅薄膜表面形貌圖。
[0022]圖2為實(shí)施例2單晶硅襯底上制備的鋁氮共摻雜P型氧化鋅薄膜表面形貌圖。
[0023]圖3為實(shí)施例3單晶氧化鋅上制備的鋁氮共摻雜P型氧化鋅薄膜表面形貌圖。
[0024]圖4為對(duì)比例I制備的鋁氮共摻雜P型氧化鋅薄膜表面形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,但實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明做任何形式的限定。除非特別說(shuō)明,本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。
[0026]實(shí)施例1
本實(shí)施例在石英玻璃襯底上制備鋁氮共摻雜P型氧化鋅薄膜。
[0027]S1.制備前驅(qū)體:襯底選用石英玻璃,依次經(jīng)丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水浸泡、超聲波清洗,用壓縮空氣吹干待用;以純度為99.999%的高純鋅作為靶材,在靶面上放置不同面積的高純鋁片,控制樣品中鋁的含量為2%,所述靶材上方放置有襯底,襯底與靶材之間的距離為5cm,反應(yīng)室本底真空抽至10_4 Pa,襯底溫度設(shè)為100°C,射頻源頻率為12.56MHz,輸入功率為160W,工作氣體為氮?dú)?99.999%)和氬氣(99.999%);反應(yīng)濺射前,先旋轉(zhuǎn)擋板遮住襯底,利用氬等離子清洗靶材上的污染物,氬氣的流量為20cm3/min,氣壓為1.2Pa,30mi