CN104641422A - 透明化合物半导体及其p型掺杂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及P型掺杂透明化合物半导体及用于其的P型掺杂方法，其目的是提供基于(Ba,Sr)SnO3或SnO2经由P型掺杂后具有透明性和导电性的透明化合物半导体。本发明提供具有掺杂有M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na或Rb中的一种)的(Ba,Sr)SnO3或SnO2的P型透明化合物半导体，以及用于其的P型掺杂方法。取代(Ba,Sr)SnO3或SnO2中包含的(Ba,Sr)和Sn的M具有0＜x≤0.7的组成。(Ba,Sr)SnO3是指Ba1-ySrySnO3(0≤y≤1.0)。
Description
发明领域
本发明涉及透明化合物半导体及其制备方法，更确切地说，涉及具有透明性和导电性的P型掺杂透明化合物半导体及其P型掺杂的方法。
发明背景
目前，信息和通信技术的一个趋势是将电子器件功能和显示器件功能融合。为了融合电子器件功能和显示器件功能，电子器件应当是透明的。
因此，积极进行了对以下的研究：执行电子器件功能的同时满足透明性的透明半导体，透明导体，及其制备方法。例如，氧化铟锡(ITO)作为透明导体开发并应用，以及开发了ZnO等。然而，稳定性降低并且因此用于透明半导体的可能性也十分地有限。
发明概述
技术问题
本发明涉及提供具有透明性与导电性的P型掺杂透明化合物半导体及其制备方法。
技术方案
本发明一方面提供了P型掺杂透明化合物半导体，其具有掺杂M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na以及Rb中的一种)的(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一，并且(Ba,Sr)SnO3是指Ba1-ySrySnO3(0≤y≤1.0)。
P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)Sn1-xMxO3(0<x≤0.7)，M是Ru、Ga、Cu和Zn中的一种，并且(Ba,Sr)Sn1-xMxO3是指Ba1-ySrySn1-xMxO3(0≤y≤1.0)。
P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)1-xMxSnO3(0<x≤0.7)，M是K、Na和Rb中的一种，并且(Ba,Sr)1-xMxSnO3是指(Ba1-ySry)1-xMxSnO3(0≤y≤1.0)。
P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成Sn1-xMxO2(0<x≤0.7)，并且M可以是Ru。
本发明的另一方面提供P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)Sn1-xRuxO3(0<x≤0.7)。
在P型掺杂透明化合物半导体中，可以通过用Ru掺杂(Ba,Sr)SnO3来形成(Ba,Sr)Sn1-xRuxO3。
本发明的又一方面提供P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)1-xKxSnO3(0<x≤0.7)。
在P型掺杂透明化合物半导体中，可以通过用K掺杂(Ba,Sr)SnO3来形成(Ba,Sr)1-xKxSnO3。
本发明的另一方面提供P型掺杂透明化合物半导体的制备方法，通过用M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na和Rb中的一种)取代(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一中包含的(Ba,Sr)和Sn之一来进行P型掺杂。
有益效果
根据本发明实施方案的透明化合物半导体，用M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na和Rb中的一种)对未经掺杂的(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一进行掺杂，因而可以获得具有透明性和导电性的P型透明化合物半导体。
附图简述
图1和图2为使用根据本发明第一示例性实施方案的透明化合物半导体制备的样品在高温下的电流电压特性曲线图。
图3和图4为使用根据本发明第一示例性实施方案的透明化合物半导体制备的样品在室温下的电流电压特性曲线图。
图5和图6为使用根据本发明第二示例性实施方案的透明化合物半导体制备的样品在室温下的电流电压特性曲线图。
发明详述
下文将集中在为了理解本发明的实施方案所必需的配置来进行描述。因此，忽略了有可能使本发明要点变得模糊的其他配置的描述。
下文所述并在说明书和权利要求书里使用的术语与用词，并不仅仅解释为通常使用的含义或者字典中的含义，也应当解释为与本发明的技术领域相一致的含义或概念，基于发明人为了通过最优方式描述本发明而适当地定义术语概念的原则。因此，由于在说明书中描述的实施方案和附图中示出的配置只是示例性实施方案并且不代表本发明的全部技术范围，应理解为本发明覆盖了在提交本申请时的多种等同物、改良以及替代。
下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方案。
根据本发明的实施方案的透明化合物半导体为基于未掺杂的(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一的P型透明化合物半导体，并且(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一与M掺杂(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na和Rb中的一种)。即，在本发明的实施方案中的透明化合物半导体中，未掺杂的(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一中包含的(Ba,Sr)和Sn之一被M取代并且M具有0<x≤0.7的组成。在此情况下，(Ba,Sr)是指Ba1-ySry(0≤y≤1.0)。SnO2为无定形或者结晶的。
例如，本发明的实施方案中的透明化合物半导体可以具有组成(Ba,Sr)Sn1-xMxO3(0<x≤0.7)。在此情况下，M可以是Ru、Ga、Cu和Zn中的一种。(Ba,Sr)Sn1-xMxO3是指(Ba1-ySry)Sn1-xMxO3。
本发明的实施方案中的透明化合物半导体可以具有组成(Ba,Sr)Sn1-xMxO3(0<x≤0.7)。在此情况下，M可以是K、Na和Rb中的一种。(Ba,Sr)1-xMxSnO3是指(Ba1-ySry)1-xMxSnO3。
本发明的实施方案中的透明化合物半导体可以具有组成Sn1-xMxO2(0<x≤0.7)。在此情况下，M可以是Ru。在本发明中，由于P型透明化合物半导体可以从(Ba,Sr)Sn1-xMxO3形成并且RuO2与SnO2晶体结构相同，本发明的实施方案中的P型透明化合物半导体也可以从Sn1-xMxO2(0<x≤0.7)形成。
在本发明中，M具有0<x≤0.7的组成比，使得本发明的实施方案中的透明化合物半导体具有P型半导性。即，例如，由于在x为零的情况下(Ba,Sr)SnO3具有绝缘体性质，因此x应当大于零。例如，由于在M通过掺杂而大于0.7的情况下(Ba,Sr)Sn1-xMxO3被金属化，M应该具有0.7或更小的组成比。因此，M具有0<x≤0.7的组成比，使得本发明的实施方案中的透明化合物半导体具有P型半导性。
通过PN结二极管，可以确认本发明的实施方案中的基于(Ba,Sr)SnO3的透明化合物半导体具有图1-4所示的P型半导性。此处，图1和图2显示了使用基于本发明的第一示例性实施方案的透明化合物半导体制造的样品的高温电流电压特性曲线图。图3和图4显示了使用基于本发明的第一示例性实施方案的透明化合物半导体制造的样品的室温电流电压特性曲线。图1和图3是线性标尺电流电压特性曲线图，而图2和图4是对数标尺电流电压特性曲线图。
Ba1-xKxSnO3(0<x≤0.7)用作本发明的第一示例性实施方案中的透明化合物半导体，Ba1-yLaySnO3(0<y<0.1)用作N型透明化合物半导体。
通过在氧化锶锡(STO)衬底上依序堆垛Ba1-yLaySnO3(0<y<0.1)和Ba1-xKxSnO3(0<x≤0.7)来形成样品。即，通过将Ba1-yLaySnO3沉积在STO衬底上形成N型第一透明化合物半导体层。接下来，通过将Ba1-xKxSnO3沉积在第一透明化合物半导体层上来形成第二透明化合物半导体层。通过使用镂空掩膜形成第二透明化合物半导体层。
在样品中，形成的第一和第二透明化合物半导体层具有相同的厚度。
在这种情况下，用作样品的N型透明化合物半导体Ba1-yLaySnO3满足(Ba+La):Sn＝1:1的组成比。
此处，Ba1-yLaySnO3具有0<x<0.1的组成比，使得Ba1-yLaySnO3具有半导性。由于在y＝0(即La＝0)的情况下BaSnO3成为绝缘体，La的组成比应当大于零。而且，由于在掺杂La后组成比大于0.1的情况下Ba0.9La0.1SnO3成为金属，La应当具有小于0.1的组成比。因此，为了获得半导性，Ba1-yLaySnO3具有0<y<0.1的组成比。
形成的Ba1-yLaySnO3具有从0.4nm到400nm范围内的厚度是优选的，由此获得较好的透明性、稳定性，以及10cm2/V-s或更大的载流子迁移率。形成具有上述厚度的Ba1-yLaySnO3的理由如下。首先，由于0.4nm的厚度与单层原子层的厚度一致，不会形成具有小于0.4nm的厚度的Ba1-yLaySnO3。并且，当Ba1-yLaySnO3厚度大于400nm时，透明性会降低。
可以单晶形式或外延薄膜形式制造Ba1-yLaySnO3。
可以如下使用Ba1-yLaySnO3形成N型透明化合物半导体。
首先，可以通过用La掺杂BaSnO3形成Ba1-yLaySnO3。BaSnO3是绝缘材料，具有0.41nm的晶格常数，大于3eV的带隙，并且是透明的。
在这种情况下，将BaSnO3用作Ba1-yLaySnO3的基材的原因如下。首先，根据基础科学，当带隙接近4eV的绝缘体与1020/cm3或更小的金属材料掺杂时，很难预期存在大载流子迁徙率的材料。然而，在本发明的实施方案中，已确认通过A位点掺杂可以在具有ABO3结构的钙钛矿型金属氧化物结构如BaSnO3中实现高载流子迁徙率。即，钙钛矿型金属氧化物具有比其他结构的金属氧化物更高的结晶温度，然而，它具有提供在两个阳离子位置掺杂材料的可能性的优点。确切地说，在本发明的实施方案中，将具有3eV的高带隙的钙钛矿型金属氧化物BaSnO3用作Ba1-yLaySnO3的基材。
BaSnO3具有大于3eV的带隙并且这意味着透明度很高。而且，使用BaSnO3的具有高带隙的Ba1-yLaySnO3在透明度方面与带隙约1.2eV的硅和带隙约1.5eV的GaAs相比具有优势。
可选地，可以通过使Ba化合物与La化合物和Sn化合物反应来形成Ba1-yLaySnO3。在这种情况下，BaCO3或BaO可用作Ba化合物。La2O可用作La化合物。并且SnO2可用作Sn化合物。例如，将Ba化合物、La化合物和Sn化合物依据Ba1-yLaySnO3(0<y<0.1)的组成比混合，然后通过在范围从500℃到1500℃的温度下使Ba化合物、La化合物和Sn化合物反应来制备Ba1-yLaySnO3。在这种情况下，由于Ba1-yLaySnO3的晶体结构并不会在500℃或更低温度下形成，并且由于在大于1500℃的温度下Ba1-yLaySnO3的晶体结构被破坏或者作为透明化合物半导体的性质被降低，因此，反应在范围从500℃到1500℃的温度下进行。
当通过使Ba化合物与La化合物和Sn化合物反应来形成Ba1-yLaySnO3时，可提供基体衬底并且可以在基体衬底上使用物理或化学方法形成Ba1-yLaySnO3。与晶格常数0.41nm的BaSnO3类似的材料如具有ABO3结构的钙钛矿型金属氧化物结构可被用作基体衬底。例如，晶格常数在0.37nm到0.45nm范围内的SrTiO3、LaAlO3、SrZrO3、BaNbO3等可被用作基体衬底，但并不限于此。
通过使Ba化合物与La化合物和Sn化合物反应形成的Ba1-yLaySnO3具有10cm2/V-s或更高的载流体迁徙率。确切地说，Ba1-yLaySnO3在室温下具有10cm2/V-s或更高的载流体迁徙率。
已通过电流电压特性确认通过上述描述制备的样品是否具有PN结二极管的性质。
首先，在高温下检测样品的电流电压特性，因此可以确认样品显示出如图1和图2所示的二极管的特性。
此外，在室温下检测样品的电流电压特性，因此可以确认样品显示出如图3和图4所示的二极管的特性。
由于N型第一透明化合物半导体层和根据本发明的实施方案使用Ba1-xKxSnO3(0<x≤0.7)制备的样品显示出二极管的性质，可以确认根据本发明的实施方案的Ba1-yLaySnO3(0<x≤0.7)具有P型半导性。
那么，可以通过PN结二极管确认根据本发明实施方案的基于SrSnO3的透明化合物半导体具有如图5和图6所示的P型半导性。此处，图5和图6显示了使用根据本发明第二示例性实施方案的透明化合物半导体制备的样品在室温下表现的电流电压特性曲线图。图5是线性标尺电流电压特性曲线图而图6是对数标尺电流电压特性曲线图。
根据本发明的第二示例性实施方案，将SrSn1-xRuxO3(0<x≤0.7)用作透明化合物半导体并且将SrSn1-ySbyO3(0<y≤0.1)用作N型透明化合物半导体。
在这种情况下，通过在KTaO3(KTO)衬底上堆垛SrSn1-ySbyO3(0<y≤0.1)和SrSn1-xRuxO3(0<x≤0.7)来形成样品。即，通过沉积SrSn1-ySbyO3在KTO衬底上形成第一N型化合物半导体层。然后，通过在第一化合物半导体层上沉积SrSn1-xRuxO3来形成第二化合物半导体层。在这种情况下，SrRuO3沉积在第二化合物半导体层上。在这种情况下，通过镂空掩膜分别形成第二化合物半导体层和SrRuO3。
已通过电流电压特性确认通过上述描述制备的样品是否具有PN结二极管的性质。
首先，在室温下检测样品的电流电压特性，因此可以确认样品显示出如图5和图6所示的二极管的特性。
由于N型第一透明化合物半导体层和根据本发明实施方案使用SrSn1-xRuxO3(0<x≤0.7)制备的样品显示出二极管的性质，可以确认根据本发明实施方案的SrSn1-xRuxO3(0<x≤0.7)具有P型半导性。
另外，也可以通过PN结确认具有组成BaSn1-xMxO3(0<x≤0.7)的透明化合物半导体以及根据本发明实施方案的透明化合物半导体具有P型半导性。例如，如上所述，由于其中根据本发明第二实施方案的SrSnO3与Ru掺杂的化合物半导体显示出P型半导性，可以间接地确认，其中BaSnO3与Ru掺杂的透明化合物半导体也显示出P型半导性。
进一步地，可以如下文所述确认具有组成Sn1-xRuxO2(0<x≤0.7)的透明化合物半导体以及根据本发明实施方案的透明化合物半导体的P型半导性。即，由于可以由BaSn1-xMxO3和SrSn1-xRuxO3形成P型透明化合物半导体，可以间接地确认根据本发明实施方案的Sn1-xMxO2(0<x≤0.7)也显示出P型半导性。
本说明书中公开的实施方案与附图仅为有助于理解本发明的实例并且本发明并不仅限于此。对于本技术领域的专业人员来说显而易见的是，基于本发明的技术领域，也可以进行除本文公开的实施方案之外的各种改良。
Claims (9)
1.P型掺杂透明化合物半导体，其包含掺杂有M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na以及Rb中的一种)的(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一，
其中(Ba,Sr)SnO3是指Ba1-ySrySnO3(0≤y≤1.0)。
2.如权利要求1所述的P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)Sn1-xMxO3(0<x≤0.7)，
其中M是Ru、Ga、Cu和Zn中的一种，并且(Ba,Sr)Sn1-xMxO3是指Ba1-ySrySn1-xMxO3(0≤y≤1.0)。
3.如权利要求1所述的P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)1-xMxSnO3(0<x≤0.7)，
其中M是K、Na和Rb中的一种，并且(Ba,Sr)1-xMxSnO3是指(Ba1-ySry)1-xMxSnO3(0≤y≤1.0)。
4.如权利要求1所述的P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成Sn1-xMxO2(0<x≤0.7)，
其中M是Ru。
5.P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)Sn1-xRuxO3(0<x≤0.7)，
其中(Ba,Sr)是指Ba1-ySry(0≤y≤1.0)。
6.如权利要求5所述的P型掺杂透明化合物半导体，其中通过用Ru掺杂(Ba,Sr)SnO3来形成(Ba,Sr)Sn1-xRuxO3。
7.P型掺杂透明化合物半导体，其具有组成(Ba,Sr)1-xKxSnO3(0<x≤0.7)，
其中(Ba,Sr)是指Ba1-ySry(0≤y≤1.0)。
8.如权利要求7所述的P型掺杂透明化合物半导体，其中通过用K掺杂(Ba,Sr)SnO3来形成(Ba,Sr)1-xKxSnO3。
9.P型掺杂透明化合物半导体的制备方法，通过用M(M是Ru、Ga、Cu、Zn、K、Na和Rb中的一种)取代(Ba,Sr)SnO3和SnO2之一中包含的(Ba,Sr)和Sn之一来进行P型掺杂。
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