CN1453840A - 一种p型氧化锌薄膜的制备方法 - Google Patents

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孙征
宗福建
王卿璞
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Abstract

本发明涉及一种P型氧化锌薄膜的制备方法，属于半导体光电材料与器件技术领域。本发明的主内容选用蓝宝石或硅作为衬底材料，用掺入5wt％的P2O5和0.2wt％的Ga2O3的ZnO烧结陶瓷靶作为源材料，在合适的溅射气体分压、溅射功率和较高的衬底温度下用射频磁控溅射技术制备出磷镓共掺杂的ZnO薄膜，然后在真空中经800℃高温光照退火40分钟，制备出P型ZnO薄膜。它解决了现有技术存在的产品性能不稳定，电阻率较高、生产成本高等问题。本发明具有生产工艺简单、成本低、产品性能稳定等优点，薄膜电阻率为10－1Ωcm，空穴浓度为1018cm－3。

Description

一种P型氧化锌薄膜的制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种P型氧化锌(ZnO)薄膜的制备方法，属于半导体光电材料与器件技术领域
(二)背景技术
ZnO材料无论是在晶格结构，晶格常数还是在禁带宽度上都和GaN相似，它的Zn-O键强度比GaN，ZnSe都大，这对抑制晶体内缺陷扩展至关重要。此外，由于ZnO有强的激子束缚能(60meV)，可在室温实现强的紫外自发和受激发射，ZnO更适合于制造紫光和紫外波段光电器件。因此ZnO是继GaN之后的又一重要光电子材料，是第三代半导体材料的重要代表，也是目前国际上研究的热点。目前关于ZnO的自发辐射和受激辐射的研究已取等巨大成功。但所报道的ZnO发光都是在光致激发和阴极射线激发下产生的，因此不能用来制成高效率的发光二极管和激光器。其根本原因是缺乏低电阻率的P型ZnO材料。通常认为ZnO是单极n型半导体材料，P型掺杂只能增加材料的缺陷态，而不能改变材料的导电类型。ZnO的P型掺杂已成为制造发光器件的关键。氧化物等N型单极半导体的P型掺杂也成为半导体学科一个世界性的难题。
ZnO是重要的宽禁带半导体光电材料，它的强的自发和受激辐射特性使它在短波长光电器件上有重要的应用价值。对氧化锌的P型掺杂使制造光电器件的基础和关键。关于ZnO的P型掺杂的研究近几年已有所进展。目前主要的掺杂方法有本体缺陷施主掺杂、V族元素掺杂和III族V族元素共掺杂。本体缺陷施主掺杂的P型ZnO电阻率为3Ωcm，但性能不稳定。V族元素掺杂的也获得成功，优以Xin-Li Guo等人的工作最为优秀，他们用脉冲激光反应沉积方法制备出的P型ZnO薄膜载流子浓度为(3～6)×1018cm-3，电阻率较高为(2～5Ωcm)。在共掺杂方面以M.Joseph的工作最为有效，他们用激光烧蚀(PLD)法采用N和Ga共掺杂的方法在玻璃衬底上制备的P型ZnO薄膜电阻率可低至0.5Ωcm，但所用设备比较昂贵。目前国内也有不少人进行了ZnO的P型掺杂研究，没有人给出具体测试结果。
(三)发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备P型ZnO薄膜的新工艺，此工艺所用设备和工艺步骤都较简单，成本较低，且产品性能稳定。
本发明是由如下技术方案实现的：
本发明主要内容是选用蓝宝石或硅作为衬底材料，用掺入5wt％的P2O5和0.2wt％的Ga2O3的ZnO烧结陶瓷靶作为源材料，用射频磁控溅射技术制备出磷镓共掺杂的ZnO薄膜，然后在真空中经800℃高温光照退火40分钟，制备出电阻率为10-1Ωcm后，空穴浓度为1018cm-3的P型ZnO薄膜。
本发明的具体工艺步骤如下：
(1)取一份纯度为99.99％的氧化锌，0.05份纯度为99.999％的五氧化二磷，0.002份纯度为99.99％的三氧化二镓混合均均后研磨，然后用压强60MP的油压机压制成坯，凉干后放入高温炉中烧结，烧制温度控制在550℃～750℃，衡温1.5～3.5小时，自然冷却到室温，制成溅射靶，然后
(2)选蓝宝石或硅为衬底材料，而后
(3)用射频磁控溅射法制备磷镓共掺杂的薄膜，溅射气体中氩分压控制在1Pa，氧分压控制在1×10-2～5×10-3Pa，溅射功率为150～300W，衬底温度控制在200℃～350℃；
(4)把制备好的磷镓共掺杂的薄膜经真空高温光照退火，退火是在基础压强为10-4Pa的真空中进行，将样品放入绝热陶瓷片上，将三根36V低压溴鎢灯管悬挂于陶瓷片上方，用溴鎢灯直接照射样品加热使样品温度升至700℃～900℃。退火温度由外接的自耦变压器调节灯管亮度控制，退火时间为30～50分钟。
把制备好的样品用霍耳效应方法测试，以确定薄膜的导电类型和其电学参数。
本发明所用设备和工艺都较简单，成本较低，制备出的产品电阻率可达10-1Ωcm空穴载流子浓度高于1018/cm3，性能稳定。此种P型ZnO薄可广泛用于制造紫外波段发光二级管和激光器上，这种激光器在光信息存储方面有广泛的应用价值。
(四)具体实施方式
实施例：
取纯度为99.99％ZnO粉末200g，纯度为99.999％的P2O5粉末10g，纯度为99.99％的Ga2O3粉末0.4g混合研磨制成烧结靶，烧制温度控制在600℃，选蓝宝石为衬底材料，用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出磷镓共掺杂的ZnO薄膜；薄膜的制备条件是溅射气体氩气和氧气的分压分别为1Pa和5×10-3Pa，溅射功率为200W，衬底温度为350℃；然后在基础压强为10-4Pa的真空中退火，热源为三根36V低压溴鎢灯管，退火温度为800℃，退火时间为40分钟。在上述工艺下制备出的磷镓共掺杂的ZnO薄膜电阻率为0.37Ωcm，空穴浓度为1.6×1018cm-3。

Claims (1)

1、一种P型氧化锌薄膜的制备方法，其特征是具体制备步骤如下：
(1)取一份纯度为99.99％的氧化锌，0.05份纯度为99.999％的五氧化二磷，0.002份纯度为99.99％的三氧化二镓混合均均后研磨，然后压制成坯，放入高温炉中烧结，烧制温度控制在550℃～750℃，恒温1.5～3.5小时，然后自然冷却到室温，即制成溅射用耙；
(2)选蓝宝石或硅为衬底材料；
(3)用射频磁控溅射法制备磷镓共掺杂的薄膜，溅射气体中氩分压控制在1Pa，氧分压控制在1×10-2～5×10-3Pa，溅射功率为150～300W，衬底温度控制在200℃～350℃；
(4)把制备好的磷镓共掺杂薄膜在基础压强为10-4Pa的真空中，用36V低压溴钨灯管直接照射样品加热，使其温度上升至700℃～900℃退火，退火时间为30～50分钟。
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