CN101022141A - Mg－Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Mg－Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用射频磁控溅射方法，所需靶材由高纯ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合压制而成，得到磁控溅射靶材；步骤2：将衬底加温至一恒温；步骤3：利用射频磁控溅射方法，在氩气环境中将靶材溅射沉积在衬底之上；步骤4：进行原位高温退火处理，得到Mg－Sb共掺杂的p型ZnO薄膜材料。
Description
技术领域
本发明提供一种制备p型氧化锌薄膜的工艺，特别是指利用磁控溅射方法制备镁-锑(Mg-Sb)共掺杂p型氧化锌(ZnO)薄膜的工艺。
背景技术
氧化锌(Zinc oxide:ZnO)作为一种新型的II-VI族直接宽带隙半导体材料，目前已经成为半导体薄膜材料研究的热点之一。其在室温下的禁带宽度为3.37eV，对应于紫外光波长，可以实现紫外光发射，进而可以开发出短波长发光二级管；而且，ZnO具有很大的激子束缚能(60meV)，是氮化镓(GaN)(28meV)的两倍，而且ZnO以激子复合代替电子-空穴对的复合，在较低的阀值下便可产生受激发射，且激发温度较高(550℃)，在LDs领域显示出很大的开发应用潜力。目前存在的主要问题是不能得到性能稳定并且复合器件要求的p型ZnO材料。迄今为止，已经有多种的掺杂元素以及生长方法被尝试用来制备p型ZnO材料。其中，锑(Sb)理论上认为可以作为受主杂质掺杂来实现p型ZnO，但是由于ZnO中存在的本征浅施主缺陷有很强的自补偿作用，使得Sb很难被用来掺杂制备p型ZnO材料。众所周知，镁(Mg)作为ZnO的掺杂剂可以有效地增大ZnO的禁带宽度，于是ZnO中的本征浅施主能级便会远离导带边，从而增大了其电离能，减弱了ZnO的n型导电特性。如果我们将Mg和Sb作为掺杂剂同时掺杂入ZnO中，通过Mg来减弱ZnO中浅施主能级的自补偿作用，于是便增强了Sb作为受主杂质的作用，从而来实现p型ZnO材料的制备。
发明内容
本发明的主要目的在于：提供一种利用Mg-Sb共掺杂技术制备p型ZnO薄膜的方法，解决Sb被单独作为p型掺杂剂难于实现p型ZnO材料制备的难题。
本发明的目的是由以下的技术方案实现的：
本发明一种Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法，所需靶材由高纯ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合压制而成，得到磁控溅射靶材；
步骤2：将衬底加温至一恒温；
步骤3：利用射频磁控溅射方法，在氩气环境中将靶材溅射沉积在衬底之上；
步骤4：进行原位高温退火处理，得到Mg-Sb共掺杂的p型ZnO薄膜材料。
其中所述的靶材中Mg的含量为1-20mol.％；
Sb的含量为1-3mol.％；
其余为ZnO。
其中所述磁控溅射方法的溅射气压范围为0-1Pa。
其中所述衬底是单晶Si、宝石、氧化锌以及玻璃。
其中衬底的温度范围为300-600℃之间。
其中所述退火处理是在溅射反应室内进行，退火时所用气氛为高纯氧气，气压为10-3Pa。
其中退火温度为500-800℃，退火时间为60分钟。
附图说明
为了进一步说明本发明的工艺步骤以及特点，以下结合实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是磁控溅射法在宝石衬底上制备的Mg-Sb共掺杂的p-型ZnO薄膜的x射线双晶衍射图。从图中可以看到三个衍射峰，分别为ZnO(0002)，ZnO(0004)以及Al2O3(0006)衍射峰。没有发现其它杂相的衍射峰，说明在宝石衬底上沉积的薄膜为单相结构的ZnO薄膜。
图3是根据公式(αhv)2＝C(hv-Eg)，其中α是吸收系数，C是常数，hv是光子能量，Eg是薄膜样品的禁带宽度，得到的(αhv)2-hv曲线。从图中可以得出Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的禁带宽度比较单独Sb掺杂ZnO薄膜的禁带宽度有了明显的增大。
具体实施方法
请参阅图1所示，本发明一种Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法，所需靶材由高纯ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合压制而成，得到磁控溅射靶材；其中所述的靶材中Mg的含量为1-20mol.％；其中所述磁控溅射方法的溅射气压范围为0-1Pa；
Sb的含量为1-3mol.％；
其余为ZnO。
步骤2：将衬底1加温至一恒温；该衬底1是单晶Si、宝石、氧化锌以及玻璃；该衬底1的温度范围为300-600℃之间；
步骤3：利用射频磁控溅射方法，在氩气环境中将靶材溅射沉积在衬底1之上；
步骤4：进行原位高温退火处理，得到Mg-Sb共掺杂的p型ZnO薄膜材料2；其中所述退火处理是在溅射反应室内进行，退火时所用气氛为高纯氧气，气压为10-3Pa，退火温度为500-800℃，退火时间为60分钟。
实施例
请再参阅图1，内分泌利用Mg-Sb共掺杂技术制备p型ZnO薄膜的具体实施过程为：首先，溅射生长薄膜所用的靶材是由高纯的ZnO、MgO以及Sb2O3粉末按照一定的摩尔比混合压制而成，其中Mg的含量为1-20mol.％，Sb的含量为1-3mol.％。以宝石(Al2O3)单晶片作为薄膜生长所用的衬底1材料，衬底1依次经过丙酮，无水乙醇，去离子水的超声波振荡清洗，除去表面的油脂和污物，经氮气吹干后，将衬底1放入磁控溅射反应室中，反应室的本底真空度为3×10-5Pa。然后开始衬底加热，并使衬底1温度保持在650℃。通入反应气体氩气，使反应室内的气压维持在0.5Pa。打开射频功率源，功率为120W，开始薄膜的溅射生长，生长时间为120分钟。薄膜2沉积完成后，接着进行原位的高温退火处理，退火时所用气氛为高纯氧气，气压维持在1.3×10-3Pa左右，退火温度为750℃，时间60分钟。退火处理结束后，样品自然冷却后取出。
样品经过x射线双晶衍射分析，结果显示于图2中。从图中可以看出在宝石衬底1上生长的薄膜2为ZnO晶体结构，Mg和Sb的共掺杂并没有改变ZnO的六方纤锌矿结构。对该样品在室温下进行霍尔测试分析表明该ZnO薄膜为p型导电类型，电阻率为2.43Ωcm，空穴载流子浓度为6.42×1017cm-3，载流子迁移率为4cm2/Vs。同时我们对采用相同的Sb掺杂剂量以及运用相同生长条件的不掺Mg的ZnO薄膜样品的霍尔测试分析表明，单独掺Sb的ZnO样品只表现为n型导电类型。运用紫外-可见光分光光度计测试了Mg-Sb共掺杂与单独Sb掺杂的ZnO样品的吸收谱，由公式(αhv)2＝C(hv-Eg)计算得到薄膜的禁带宽度，结果显示于图3中，可以看出Mg的掺杂有效的增大了ZnO的禁带宽度。
Claims (7)
1、一种Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法，所需靶材由高纯ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合压制而成，得到磁控溅射靶材；
步骤2：将衬底加温至一恒温；
步骤3：利用射频磁控溅射方法，在氩气环境中将靶材溅射沉积在衬底之上；
步骤4：进行原位高温退火处理，得到Mg-Sb共掺杂的p型ZnO薄膜材料。
2、如权利要求1所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中所述的靶材中Mg的含量为1-20mol.％；
Sb的含量为1-3mol.％；
其余为ZnO。
3、如权利要求1所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中所述磁控溅射方法的溅射气压范围为0-1Pa。
4、如权利要求1所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中所述衬底是单晶Si、宝石、氧化锌以及玻璃。
5、如权利要求1所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中衬底的温度范围为300-600℃之间。
6、如权利要求1所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中所述退火处理是在溅射反应室内进行，退火时所用气氛为高纯氧气，气压为10-3Pa。
7、如权利要求1或5所述的Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，其中退火温度为500-800℃，退火时间为60分钟。
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