CN1440053A - 一种P－ZnO薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的p－ZnO薄膜是以N为受主掺杂源，以Al为施主掺杂源共掺杂的p－ZnO薄膜，掺杂浓度为1.8×1015cm－3－4.5＊1018cm－3。其制备方法是利用磁控溅射法，以ZnxAl1－x为靶材，(1＞x＞0.6)，掺杂浓度可以通过调节输入的含N气体和高纯O2或Ar不同分压比和靶材中Al的含量来控制，掺杂浓度可控性、稳定性好。设备简单，操作方便，Al原料丰富，价格低廉。制作成本低。本发明利用施主－受主共掺生成的N－Al－Np型ZnO薄膜表面平整，晶粒大小均匀，具有择优取向。

Description

一种p-ZnO薄膜及其制备方法
                          技术领域
本发明涉及半导体器件，具体说涉及p-ZnO薄膜及其制备方法。
                          背景技术
由于ZnO存在诸多的本征施主缺陷，如间隙锌Zni和氧空位V0，其能级分别位于导带底0.05eV和0.3eV处，对受主产生高度自补偿作用。因此，很难实现ZnO的p型转变，而且，ZnO的受主能级一般很深(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。可控稳定的p型掺杂一直是ZnO研究中的一个重要课题。目前文献报道p型掺杂主要有四种渠道：1.掺N 2.Ga、N共掺3.掺As 4.掺P。后两种受主能级都比较深，掺杂效果不理想，而且As和P都有毒。第一种中活性N源一般来源于NH3、N2或者N2O，但是由于N原子取代O原子时，提高了Madelung能从而引起了N能级的局域化，N能级较深，掺杂效果不是很理想。第二种施主(Ga)、受主(N)共掺杂技术得到的ZnO表面颗粒均匀度较差，而且要用到价格较高的Ga源，通常采用(MBE)分子束外延工艺，设备昂贵，制作成本高。
                          发明内容
本发明的目的是提供一种p-ZnO薄膜及其制备方法。
本发明的p-ZnO薄膜是以N为受主，以Al为施主共掺杂的p-ZnO薄膜，掺杂浓度为1.8×1015cm-3-4.5×1018cm-3。
本发明的p-ZnO薄膜的制备方法是利用磁控溅射法，先将衬底表面清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到1×10-3Pa，然后加热衬底，衬底温度为400-600℃，以高纯含N气体(99.99％以上)和高纯O2或Ar(99.99％以上)为溅射气体，将二种气体分别由气体流量计控制输入装置的缓冲室，在缓冲室充分混合后引入真空反应室，在3-5Pa压强下，以ZnxAl1-x为靶材，式中1＞x＞0.6，进行溅射生长。
上述的含N气体包括NH3、N2O、NO、NO2。含N气体和高纯O2或Ar的分压比以及靶材中Al的含量根据掺杂浓度调节，生长的时间由所需的厚度决定。
本发明的优点是：
1)设备简单，操作方便，Al原料丰富，价格低廉。制作成本低。
2)掺杂浓度可控性、稳定性好，可以通过调节输入的含N气体和高纯O2或Ar不同分压比和靶材中Al的含量来控制。
3)本发明的p-ZnO薄膜表面平整，晶粒大小均匀，具有择优取向。
                        附图说明
图1是根据本发明方法采用的直流反应磁控溅射装置示意图。图中1和2分别为含N气体和高纯O2或Ar的进气管路；3为流量计；4为缓冲室；5为样品架；6为加热器；7为真空计；8为自动压强控制仪；9为S枪
图2是p-ZnO薄膜表面的AFM(原子力显微)照片。
图3是蓝宝石上沉积的p-ZnO薄膜的XRD(X射线衍射)图。
                        具体实施方式
以下参照图1，通过实例进一步说明本发明p-ZnO薄膜的制备方法。先将衬底经过表面清洗后放入反应室样品架5上，衬底欲沉积表面朝下放置，有效防止颗粒状的杂质对衬底的玷污，反应室真空度抽至1×10-3Pa，利用加热器加热衬底，衬底温度控制在550℃；溅射气体是高纯的NH3(99.99％以上)和高纯的O2(99.99％以上)，两路气体经进气管1和2进入缓冲室4，在缓冲室充分混合后引入到真空室，真空室内的压强由自动压强控制仪8控制，压强为3Pa。NH3与O2分压比根据掺杂需要，可通过流量计3调节，本例为NH3∶O2＝60∶40；以S枪9上的ZnxAl1-x，为靶材进行溅射生长，本例为x＝0.9。在60W的功率下生长25min。
生长过程中发生如下反应：
这里，v和s分别代表气态和固态。在ZnO薄膜中，N-Al-N取代O而使N活化，一个N-Al-N相当于一个空位，使Madelung能降低，从而N能级更浅。而H由于原子半径较小，会存在于与N相邻的间隙位置，这可以很大程度上抑制生长过程中间隙Zn的存在，降低自补偿效应。本发明的p-ZnO薄膜表面平整，晶粒大小均匀(见图2)，并具有高度C轴择优取向(见图3)。

Claims (4)

1.一种p-ZnO薄膜，其特征在于它是以N为受主，以Al为施主共掺杂的p-ZnO薄膜，掺杂浓度为1.8×1015cm-3-4.5×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的p-ZnO薄膜的制备方法，其特征是：先将衬底表面清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到1×10-3Pa，然后加热衬底，衬底温度为400-600℃，以高纯含N气体和高纯O2或Ar为溅射气体，将二种气体分别由气体流量计控制输入装置的缓冲室，在缓冲室充分混合后引入真空反应室，在3-5Pa压强下，以ZnxAl1-x为靶材，式中1＞x＞0.6，进行溅射生长。
3.根据权利要求2所述的p-ZnO薄膜的制备方法，其特征是含N气体包括NH3、N2O、NO、NO2。
4.根据权利要求2所述的p-ZnO薄膜的制备方法，其特征是所说的衬底是蓝宝石、硅。
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