CN1542915A - 一种p－Zn1－xMgxO晶体薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种p－Zn1－xMgxO晶体薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的p－Zn1－xMgxO晶体薄膜，是以B、Al、Ga、In中的一种或几种为施主、以N、P、As气体中的一种或几种为受主共掺杂的p－Zn1－xMgxO晶体薄膜，x的摩尔含量为0＜x＜40％，掺杂浓度为1015～1019cm－3。薄膜的制备采用脉冲激光沉积法，靶材是由高纯ZnO、MgO和施主掺杂剂粉末混合烧结的陶瓷靶，其中MgO的摩尔含量为0＜x＜40％，施主掺杂剂的摩尔含量为0＜y＜3％，生长温度为400～700℃，生长气氛为经等离子体活化的含受主的气体和高纯O2的混合气体，掺杂浓度可通过调节输入的含受主气体和高纯O2的不同分压比、靶材中施主掺杂剂的摩尔含量以及后续退火处理的温度来控制。

Description

一种p-Zn1-xMgxO晶体薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及p型掺杂的Zn1-xMgxO晶体薄膜及其制备方法。
背景技术
当Mg的摩尔含量不超过33at％时，Zn1-xMgxO三元合金薄膜与ZnO薄膜具有相同的晶体结构，相近的晶格常数，但Mg的掺入使ZnO的禁带展宽，可实现ZnO禁带宽度的裁剪。为了提高ZnO基光电器件的发光效率，一般采用形如p-Zn1-xMgxO/ZnO/n-Zn1-xMgxO的异质结、量子阱和超晶格结构，不仅要求势垒层的晶格常数与势阱匹配，而且需要生长稳定、可控的n型和p型Zn1-xMgxO晶体薄膜。但是目前国际上仅有不掺杂的Zn1-xMgxO晶体薄膜的报道，没有n型和p型Zn1-xMgxO晶体薄膜的报道。ZnO基薄膜的p型掺杂是世界性的难题，这一掺杂技术没有解决，将会大大影响ZnO基晶体薄膜在光电器件方面的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种p型掺杂的Zn1-xMgxO晶体薄膜及其制备方法。
本发明的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜，是以B、Al、Ga、In中的一种或几种为施主、以N、P、As气体中的一种或几种为受主共掺杂的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜，x的摩尔含量为0＜x＜40％，掺杂浓度为1015～1019cm-3
本发明的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜的制备方法是脉冲激光沉积法，制备过程包括以下步骤：
1)陶瓷靶的烧结：称量纯度＞99.99％的高纯ZnO、MgO和施主掺杂剂粉末，其中MgO的摩尔含量x为0＜x＜40％，施主掺杂剂的摩尔含量y为0＜y＜3％，将上述粉末用球磨混合均匀，研磨后压制成型，在800～1200℃温度下烧结，制得掺施主的Zn1-xMgxO陶瓷靶。
2)薄膜的制备：将步骤1)制得的陶瓷靶和用常规方法清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离保持为4～6cm，生长室真空至少抽到10-3Pa，衬底加热，使之升温到400～700℃，以经过等离子体活化的高纯含受主气体和高纯O2的混合气体为生长气氛，受主气体和高纯O2的分压比为1∶1-4，压强为5～15Pa，开启激光，让激光照射到靶面上，靶材原子脱离靶，形成激波，其中的施主与活性受主相互作用，沉积在衬底上，获得p-Zn1-xMgxO晶体薄膜。
3)退火处理：对步骤2)沉积得到的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜进行退火处理，退火气氛是高纯N2，退火温度400～1000℃，退火时间1小时。
上述受主气体是N、P、As气体中的一种或几种，其中N可以是N2、NH3、N2O、NO或NO2气体。所说的施主掺杂剂是含B、Al、Ga或In中的一种或几种的氧化物。可采用的衬底有蓝宝石、硅、氧化锌或玻璃。
通过调节含受主气体和高纯O2的分压比、靶材中施主的含量以及后续退火处理的温度可以制备不同掺杂浓度的p-Zn1-xMgxO薄膜，生长时间由所需晶体薄膜的厚度决定。
本发明的优点：
1)采用施主、受主共掺杂可以促进受主的掺入，提高掺杂浓度。
2)掺杂浓度可以通过调节含受主的气体和高纯O2的分压比以及靶材中施主掺杂剂的摩尔含量来控制。
3)后续退火处理不仅可以改善薄膜的晶体质量，而且可以促进受主的掺杂。
4)本发明的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜的禁带宽度在3.3～4.0eV范围可调。
5)薄膜制备方法具有生长温度低、沉积参数容易控制、沉积的薄膜质量较好等优点。
附图说明
图1是脉冲激光沉积的设备示意图。
图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底
具体实施方式
实施例：以Al2O3为施主掺杂剂，N2O为受主掺杂源，以硅片为衬底生长p-Zn1-xMgxO薄膜。具体步骤如下：
1)陶瓷靶的烧结：称量纯度＞99.99％的高纯ZnO、MgO和Al2O3粉末，使得MgO与ZnO摩尔含量比为1∶4，Al2O3的摩尔含量为0.5％。将称量好的ZnO、MgO和Al2O3粉末混合倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨20小时，目的是让原料混合均匀并在一定程度上细化，以利于陶瓷靶材的成型与烧结。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。最后把成型的胚体放入烧结炉中，经低温(200～400℃)排素，使粘结剂挥发，再升温至800～1200℃烧结3小时，得到厚度为3mm，直径为5.5cm的陶瓷圆片，这就是Zn1-x-yMgxAlyO陶瓷靶。
2)薄膜的制备：在沉积薄膜之前，硅片表面先用RCA法清洗。把烧结好的陶瓷靶材装在靶材架上，嵌入脉冲激光沉积系统的靶材托中。再将清洗好的硅片固定在样品架上，放入生长室。调节衬底与靶材的距离为5cm，并用挡板将衬底与靶隔开。生长室抽本底真空到5×10-3Pa，然后衬底加热至薄膜生长温度600℃。通入高纯O2和用等离子体活化的N2O，两路气体流量由流量计控制，分压比N2O∶O2＝1∶1，压强控制在12Pa。开启激光(工作电压27KeV，频率1.5Hz)，预沉积5分钟，以除去靶材表面的沾污，然后旋开挡板，沉积薄膜。生长过程中衬底和靶材低速旋转，以改善薄膜的均匀性。
3)退火处理：对步骤2)制得的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜进行退火处理，退火气氛为纯度＞99.99％的高纯N2，时间1小时，退火温度为500℃。
通过改变靶材中MgO和Al2O3的含量，含N气体和高纯O2的分压比；以及后续退火处理的温度可以制得不同掺杂浓度和组分的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜，掺杂浓度为1015～1019cm-3。

Claims (5)

1.一种p-Zn1-xMgxO晶体薄膜，其特征在于它是以B、Al、Ga、In中的一种或几种为施主、以N、P、As气体中的一种或几种为受主共掺杂的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜，x的摩尔含量为0＜x＜40％，掺杂浓度为1015～1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的p-Zn1-xMgxO薄膜的制备方法，其特征是采用脉冲激光沉积法，包括以下步骤：
1)陶瓷靶的烧结：称量纯度＞99.99％的高纯ZnO、MgO和施主掺杂剂粉末，其中MgO的摩尔含量x为0＜x＜40％，施主掺杂剂的摩尔含量y为0＜y＜3％，将上述粉末用球磨混合均匀，研磨后压制成型，在800～1200℃温度下烧结，制得掺施主的Zn1-xMgxO陶瓷靶。
2)薄膜的制备：将步骤1)制得的陶瓷靶和用常规方法清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离保持为4～6cm，生长室真空至少抽到10-3Pa，衬底加热，使之升温到400～700℃，以经过等离子体活化的高纯含受主气体和高纯O2的混合气体为生长气氛，受主气体和高纯O2的分压比为1∶1-4，压强为5～15Pa，开启激光，让激光照射到靶面上，靶材原子脱离靶，形成激波，其中的施主与活性受主相互作用，沉积在衬底上，获得p-Zn1-xMgxO晶体薄膜。
3)退火处理：对步骤2)沉积得到的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜进行退火处理，退火气氛是高纯N2，退火温度400～1000℃，退火时间1小时。
3.根据权利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜的制备方法，其特征是所说的受主气体是N、P、As气体中的一种或几种，其中N是N2、NH3、N2O、NO或NO2气体。
4.根据权利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜的制备方法，其特征是所说的施主掺杂剂是含B、Al、Ga或In中的一种或几种氧化物。
5.根据权利要求2所述的p-Zn1-xMgxO晶体薄膜的制备方法，其特征是所说的衬底为蓝宝石、硅、氧化锌或玻璃。
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