CN102212792A - 以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂p型氧化锌薄膜的方法 - Google Patents

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彭寿
王芸
彭程
沈洪雪
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Abstract

本发明涉及一种以氮气为直接掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法，即磁控溅射法。在磁控溅射过程中，以金属锌为靶材，以氩气为溅射气体，氧气和氮气为反应气体，在磁控溅射腔室真空度达到10-4Pa时，通入一定比例的氩气，氧气和氮气；在进行磁控溅射镀膜的过程中，使其工作气压、溅射功率、基片偏压、镀膜时间都保持一定值的情况下，进行磁控溅射镀膜，而后无需进行后续的热处理，直接一步法获得氮掺杂P型氧化锌薄膜。它解决了现有技术制备氧化锌薄膜的氮源掺杂问题以及镀膜后需要进行热处理的复杂性，减少了热处理相关参数的控制。本发明方法简单，以氮气为直接掺杂源，气体及工作参数可靠性强，薄膜质量较好，电阻率可在一定范围内进行很好的控制。而且可一步法制备P型氧化锌薄膜。

Description

以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种以氮气为直接掺杂源一步法制备P型氧化锌薄膜的方法，属于半导体薄膜与器件技术领域。
背景技术
氧化锌薄膜是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，具有优良的压电、气敏性能以及高的化学稳定性，因而在平面显示器、太阳能电池、LDs、LEDs以及其它光电子元器件中得到了广泛的应用。氧化锌由于其缺陷使其天然为n型掺杂。但制备器件的关键是获得高空穴浓度和一定范围内电阻率的P型氧化锌，同时由于氧化锌薄膜中高电子浓度的自补偿效应以及受主浓度较低，使P型膜的制备相当困难，要制备高质量的P型氧化锌，必须引入新的受主杂质以抑制自补偿效应，同时提高受主浓度。成功氮掺杂在P型ZnSe上以及基于氧化锌的理论技术都预示着氮是最理想的受主掺杂元素之一，而氮气掺杂源的无毒、易纯化等优势是砷和磷等其它掺杂源所不能比拟的。如专利03129300.X提供了一种以氮气为掺杂源制备P型氧化锌薄膜的方法，但其要分为两步法制备，一是制备氮锌氧薄膜；二是在大气或者氧气中进行热处理。这就增加了制备薄膜的复杂性，可控参数较多。因此寻找一种以氮气为掺杂源一步法制备P型氧化锌薄膜的方法，可大大减少了后续热处理过程中相关温度参数的控制。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是在于提供一种以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法，所制备的薄膜性能稳定，工艺步骤和所用设备较为简单。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法，具体制备步骤如下：
（1）选用玻璃为衬底材料；
（2）清洗衬底材料，以丙酮，酒精，去离子水分别对衬底材料进行超声波清洗，除去表面的油脂和污物，并用热风吹干；
（3）把经过清洗的衬底材料放入溅射腔室，在真空度抽至10-4Pa时，通入溅射气体氩气，使其起辉，进行十分钟的预溅射，除去靶材表面的杂质、污物，然后通入反应气体氧气和氮气，使氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟(即sccm)通入量比例为（14~16）：（5~7）：（8~10），工作气压保持在0.2~1.0Pa、功率为80~200W、溅射时间30~60min、偏压-80~-200V，进行磁控溅射镀膜，镀膜后直接获得氮掺杂P型氧化锌薄膜。
所述步骤（3）中氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟(即sccm)通入量比例的优选值为：15：6：9。
本发明是利用磁控溅射方法，以金属锌为溅射靶材，在溅射腔室通入适宜比例的氩气，氧气和氮气，同时通过工作参数的调整一步法制备P型氧化锌薄膜，在反应进行的过程中，一部分氮气与金属锌反应生成了Zn3N2，一部分氮原子取代氧化锌中的氧原子直接生成了氮掺杂P型氧化锌薄膜。无需后续的热处理，减少了热处理过程中相关温度参数的控制，可进一步得到性能较稳定的P型氧化锌薄膜。
本发明是直接以氮气为掺杂源，其一是氮气性能较稳定，不易与氧气等其它气体发生反应；其二是氮气无毒、易纯化等优势是其它P型掺杂源所不能比拟的。
对制备的样品进行检测，霍尔效应和荧光光谱图都显示薄膜为P型导电膜，电阻率可在一定范围内变化。空穴载流子浓度较高，而且其XRD和扫描电镜图显示薄膜质量和生长状况都非常好。
本发明的优点是原理简单，直接以氮气为掺杂源，气体及工作参数可靠性强，薄膜质量较好，电阻率可在一定范围内进行很好的控制；而且可一步法直接制备氮掺杂P型氧化锌薄膜。解决了现有技术制备氧化锌薄膜的氮源掺杂问题以及镀膜后需要进行热处理的复杂性，减少了热处理相关参数的控制。
图1为实施例1制备产品的荧光光谱图；
图2为实施例1制备产品的XRD图谱；
图3为实施例1制备产品的扫描电镜截面图；
图4为实施例2制备产品的荧光光谱图；
图5为实施例2制备产品的XRD图谱；
图6为实施例2制备产品的扫描电镜截面图；
图7为实施例3制备产品的荧光光谱图；
图8为实施例3制备产品的XRD图谱；
图9为实施例3制备产品的扫描电镜截面图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
实施例1：以纯度为99.99%的氧化锌作为溅射靶材，以玻璃为衬底材料，首先按照常规方法分别用丙酮、酒精、去离子水对衬底材料进行超声波清洗，以去除表面油脂和污物，而后用热风吹干，然后把其放入磁控溅射腔室中，当溅射腔室中真空度达到1.0*10-4Pa时，通入溅射气体氩气，使其起辉，再通入反应气体氧气和氮气，使氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟(即sccm)通入量比例为15：6：9，同时在基片上加偏压-120V，使工作气压保持在0.6Pa，功率为120W，溅射40min以后，直接获得氮掺杂氧化锌薄膜。霍尔效应和荧光光谱都显示薄膜为P型氧化锌，其电阻率为9.30*102Ω.cm，空穴载流子浓度为1.5*1017/cm3。参见图1、图2、图3，从荧光光谱图中看出掺杂后的氧化锌薄膜具有典型的P型结构。从XRD图谱中看出，薄膜的结晶质量非常好。其扫描电镜截面图显示薄膜为典型的柱状生长。
实施例2：以纯度为99.99%的氧化锌作为溅射靶材，以玻璃为衬底材料，首先按照常规方法分别用丙酮、酒精、去离子水对衬底材料进行超声波清洗，以去除表面油脂和污物，而后用热风吹干，然后把其放入磁控溅射腔室中，当溅射腔室中真空度达到1.0*10-4Pa时，通入溅射气体氩气，使其起辉，再通入反应气体氧气和氮气，使氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟(即sccm)通入量比例为14：7：8，同时在基片上加偏压-80V，使工作气压保持在0.2Pa，功率为200W，溅射30min以后，直接获得氮掺杂P型氧化锌薄膜。霍尔效应和荧光光谱都显示薄膜为P型氧化锌，其电阻率为7.16*102Ω.cm，空穴载流子浓度为0.52*1017/cm3。参见图4、图5、图6，其导电类型为P型导电，结晶质量较好，而且薄膜呈典型的柱状生长。
实施例3：以纯度为99.99%的氧化锌作为溅射靶材，以玻璃为衬底材料，首先按照常规方法分别用丙酮、酒精、去离子水对衬底材料进行超声波清洗，以去除表面油脂和污物，而后用热风吹干，然后把其放入磁控溅射腔室中，当溅射腔室中真空度达到1.0*10-4Pa时，通入溅射气体氩气，使其起辉，再通入反应气体氧气和氮气，使氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟(即sccm)通入量比例为16：5：10，同时在基片上加偏压-200V，使工作气压保持在1.0Pa，功率为80W，溅射60min以后，直接获得氮掺杂氧化锌薄膜。霍尔效应和荧光光谱都显示薄膜为P型氧化锌，其电阻率为6.75*102Ω.cm，空穴载流子浓度为3.63*1017/cm3。参见图7、图8、图9，其结果符合P型膜的相关结构特征。
上述三个实施例仅是本发明的较佳实施方式，详细说明了本发明的技术构思和实施要点，并非是对本发明的保护范围进行限制，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法，其特征是，具体制备步骤如下：
（1）选用玻璃为衬底材料；
（2）清洗衬底材料，以丙酮，酒精，去离子水分别对衬底材料进行超声波清洗，除去表面的油脂和污物，并用热风吹干；
（3）把经过清洗的衬底材料放入溅射腔室，在真空度抽至10-4Pa时，通入溅射气体氩气，使其起辉，进行十分钟的预溅射，除去靶材表面的杂质、污物，然后通入反应气体氧气和氮气，使氩气、氧气和氮气的标准毫升/分钟通入量比例为（14~16）：（5~7）：（8~10），工作气压保持在0.2~1.0Pa、功率为80~200W、溅射时间30~60min、偏压-80~-200V，进行磁控溅射镀膜，镀膜后直接获得氮掺杂P型氧化锌薄膜。
2.根据权利要求1所述的以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂P型氧化锌薄膜的方法，其特征是，所述步骤（3）中氩气、氧气和氮气三者通入量比例的优选值为：15：6：9。
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