CN1258804C - 一种实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，是在金属有机化学汽相沉积过程中利用活化裂化高纯氮源气体产生氮原子进行实时掺氮的。步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，将高纯氧源和用高纯载气将高纯有机锌源输入生长室中在衬底上生长氧化锌薄膜，高纯氧源和高纯有机锌源的摩尔流量分别为5～100000μmol/min和0.1～1000μmol/min，同时将用原子发生器活化裂化高纯氮源气体分离出的氮原子输入生长室，控制生长室内部压力在10-2～100Pa，制备掺氮浓度为1.0×1015cm-3～1.0×1019cm-3的p型氧化锌晶体薄膜。采用本发明可以实现实时掺杂，生长出具有晶体质量较好、掺杂浓度较高的p型氧化锌薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及p型氧化锌晶体薄膜的掺杂方法。具体说是关于金属有机化学汽相沉积氧化锌晶体薄膜过程中，实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法。
背景技术
氧化锌作为一种重要的宽禁带半导体材料，其在光电子领域有着很大的应用前景。但要实现氧化锌基器件的应用，生长可控的具有一定载流子浓度的n和p型氧化锌晶体薄膜是必须的。目前，人们对于n型氧化锌晶体薄膜的研究已经比较充分，已经能够实现实时、浓度可控的低阻n型氧化锌晶体薄膜的生长。但要使氧化锌晶体薄膜制备出发光器件，必须制备氧化锌pn结。由于氧化锌存在诸多的本征施主缺陷和掺杂引起的缺陷，它们对受主产生高度自补偿作用，而且，氧化锌受主能级一般较深(N除外)，空穴不易于热激发进入价带，受主掺杂的固溶度也很低，因而难以实现p型转变，成为制约氧化锌实现开发发光器件的瓶颈。目前氧化锌晶体薄膜的p型掺杂研究还处于开始阶段，浓度可控，重复性好的p型氧化锌薄膜还难以实现。
目前文献报道p型氧化锌晶体薄膜的掺杂主要有四种方法：(1)利用高活性的氮作为掺杂剂，(2)镓和氮的共掺杂，(3)掺砷，(4)掺磷。其中采用到的具体的氧化锌薄膜制备方法仅限于分子束外延、激光脉冲沉积、磁控溅射和扩散等方法，而这些方法由于材料的质量、制备成本等原因使得它们的工业利用价值不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种在金属有机化学汽相沉积过程中利用活化裂化高纯氮源气体产生氮原子进行实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法。
本发明的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法是金属有机化学汽相沉积以活化氮原子为掺杂源来实现的，步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，将纯度＞99.999％的高纯氧源和用纯度＞99.999％的高纯载气将纯度＞99.999％的高纯有机锌源输入生长室中在衬底上生长氧化锌薄膜，高纯氧源和高纯有机锌源的摩尔流量分别为5～100000μmol/min和0.1～1000μmol/min，同时将用原子发生器活化裂化纯度＞99.999％的高纯氮源气体分离出的氮原子输入生长室，控制生长室内部压力在10-2～100Pa，制备掺氮浓度为1.0×1015cm-3～1.0×1019cm-3的p型氧化锌晶体薄膜。
本发明中，所用的原子发生器可以是常规的电子回旋共振原子发生器或射频原子发生器，将高纯氮源气体裂化得到氮原子是通过原子源分离掉对掺杂不利的其它带电离子来实现的。高纯氮源气体可以是氮气或NH3或N2O等气体。一般使原子发生器出口与衬底的距离为4到20cm。
上述的高纯有机锌源可以是二乙基锌或二甲基锌；高纯氧源可以是N2O或高纯氧气或水或叔丁醇；高纯载气可以是氮气或氢气或氩气。所说的衬底是硅片或蓝宝石或玻璃或氧化锌。
薄膜生长过程中应控制生长室的压力小于100pa，以免原子发生器无法正常工作，以及产生的氮原子由于同气体分子的碰撞而失活。通过控制锌源和氧源的流量、生长温度和压力以及氮原子的流量可以制备不同掺杂浓度p型氧化锌晶体薄膜。
本发明的优点：
1)掺杂浓度较高和掺入的氮原子的激活率高，由于氮是以原子的形式到达衬底，且单个氮原子具有的较理想的能量，一方面具有足够的能量结合到生长中的氧化锌薄膜并取代氧原子，另一方面又不足以损伤薄膜晶体质量；
2)由于流向衬底的氮是被活化裂化氮源气体获得的氮原子，而其它带电高能离子被分离掉，这样就很大程度上提高了晶体质量，且避免了这些离子结合到晶体中形成施主对氮受主产生补偿作用；
3)可以实现实时掺杂，在氧化锌晶体薄膜生长过程中同时实现掺杂；
4)掺杂浓度可以通过调节薄膜的生长速率和氮原子的流量来控制；
5)可以得到直接应用于光电子器件高质量的p型氧化锌薄膜；
6)有较好的重复性和稳定性。
附图说明
图1是根据本发明方法采用的金属有机化学汽相沉积装置示意图。
图中：1为射频原子发生器；2为生长室；3为有机锌源载气进气管；4为氮源进气管；5为氧源气体进气管；6为衬底；7样品架；8为衬底加热器；9为排气口；10为转动电机。
具体实施方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。
先将硅片衬底经过表面清洗后放入生长室2的样品架7上，然后关闭各个进气口，抽真空度到10-4pa，由衬底加热器8对衬底加热使其温度达到450℃，从有机锌源载气进气管3和氧源气体进气管5分别将含有高纯(99.999％以上)二乙基锌的氮气、高纯(99.999％以上)N2O通入生长室2，使二乙基锌和N2O的摩尔流量分别10μmol/min和2000μmol/min，并控制生长室内的压力在1Pa，同时将高纯(99.999％以上)氮源气体—氮气从进气管4通入射频原子发生器1，氮气流量为2sccm，由射频原子发生器的对氮气的作用产生氮原子，氮原子从射频原子发生器流出并到达衬底，结合到生长中的氧化锌晶体薄膜中的氧原子的晶格位置，得到载流子浓度约为1×1018cm-3的p型氧化锌晶体薄膜。
采用本发明可以生长出具有晶体质量较好、掺杂浓度较高的p型氧化锌薄膜，用于制备氧化锌基光电子器件。
Claims (6)
1.一种实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，将纯度＞99.999％的高纯氧源和用纯度＞99.999％的高纯载气将纯度＞99.999％的高纯有机锌源输入生长室中在衬底上生长氧化锌薄膜，高纯氧源和高纯有机锌源的摩尔流量分别为5～100000μmol/min和0.1～1000μmol/min，同时将用原子发生器活化裂化纯度＞99.999％的高纯氮源气体分离出的氮原子输入生长室，控制生长室内部压力在10-2～100Pa，制备掺氮浓度为1.0×1016cm-3～1.0×1019cm-3的p型氧化锌晶体薄膜，上述的高纯有机锌源是二乙基锌或二甲基锌。
2.根据权利要求1所述的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是所用的原子发生器是电子回旋共振原子发生器或射频原子发生器。
3.根据权利要求1所述的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是所说的高纯氧源可以是N2O或NO或氧气或水或叔丁醇。
4.根据权利要求1所述的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是所说的高纯载气可以是氮气或氢气或氩气。
5.根据权利要求1所述的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是所说的用原子发生器活化裂化的高纯氮源气体是氮气或NH3或N2O气体。
6.根据权利要求1所述的实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法，其特征是所说的衬底是硅片或蓝宝石或玻璃或氧化锌。
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