專利名稱：Mg－Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種制備p型氧化鋅薄膜的工藝，特別是指利用磁控濺射方法制備鎂-銻(Mg-Sb)共摻雜p型氧化鋅(ZnO)薄膜的工藝。
背景技術(shù)：
氧化鋅(Zinc oxide:ZnO)作為一種新型的II-VI族直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)成為半導(dǎo)體薄膜材料研究的熱點(diǎn)之一。其在室溫下的禁帶寬度為3.37eV，對應(yīng)于紫外光波長，可以實(shí)現(xiàn)紫外光發(fā)射，進(jìn)而可以開發(fā)出短波長發(fā)光二級管；而且，ZnO具有很大的激子束縛能(60meV)，是氮化鎵(GaN)(28meV)的兩倍，而且ZnO以激子復(fù)合代替電子-空穴對的復(fù)合，在較低的閥值下便可產(chǎn)生受激發(fā)射，且激發(fā)溫度較高(550℃)，在LDs領(lǐng)域顯示出很大的開發(fā)應(yīng)用潛力。目前存在的主要問題是不能得到性能穩(wěn)定并且復(fù)合器件要求的p型ZnO材料。迄今為止，已經(jīng)有多種的摻雜元素以及生長方法被嘗試用來制備p型ZnO材料。其中，銻(Sb)理論上認(rèn)為可以作為受主雜質(zhì)摻雜來實(shí)現(xiàn)p型ZnO，但是由于ZnO中存在的本征淺施主缺陷有很強(qiáng)的自補(bǔ)償作用，使得Sb很難被用來摻雜制備p型ZnO材料。眾所周知，鎂(Mg)作為ZnO的摻雜劑可以有效地增大ZnO的禁帶寬度，于是ZnO中的本征淺施主能級便會(huì)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶邊，從而增大了其電離能，減弱了ZnO的n型導(dǎo)電特性。如果我們將Mg和Sb作為摻雜劑同時(shí)摻雜入ZnO中，通過Mg來減弱ZnO中淺施主能級的自補(bǔ)償作用，于是便增強(qiáng)了Sb作為受主雜質(zhì)的作用，從而來實(shí)現(xiàn)p型ZnO材料的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用Mg-Sb共摻雜技術(shù)制備p型ZnO薄膜的方法，解決Sb被單獨(dú)作為p型摻雜劑難于實(shí)現(xiàn)p型ZnO材料制備的難題。
本發(fā)明的目的是由以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，所需靶材由高純ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合壓制而成，得到磁控濺射靶材；步驟2將襯底加溫至一恒溫；步驟3利用射頻磁控濺射方法，在氬氣環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上；
步驟4進(jìn)行原位高溫退火處理，得到Mg-Sb共摻雜的p型ZnO薄膜材料。
其中所述的靶材中Mg的含量為1-20mol.％；Sb的含量為1-3mol.％；其余為ZnO。
其中所述磁控濺射方法的濺射氣壓范圍為0-1Pa。
其中所述襯底是單晶Si、寶石、氧化鋅以及玻璃。
其中襯底的溫度范圍為300-600℃之間。
其中所述退火處理是在濺射反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，退火時(shí)所用氣氛為高純氧氣，氣壓為10-3Pa。
其中退火溫度為500-800℃，退火時(shí)間為60分鐘。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的工藝步驟以及特點(diǎn)，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是磁控濺射法在寶石襯底上制備的Mg-Sb共摻雜的p-型ZnO薄膜的x射線雙晶衍射圖。從圖中可以看到三個(gè)衍射峰，分別為ZnO(0002)，ZnO(0004)以及Al2O3(0006)衍射峰。沒有發(fā)現(xiàn)其它雜相的衍射峰，說明在寶石襯底上沉積的薄膜為單相結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜。
圖3是根據(jù)公式(αhv)2＝C(hv-Eg)，其中α是吸收系數(shù)，C是常數(shù)，hv是光子能量，Eg是薄膜樣品的禁帶寬度，得到的(αhv)2-hv曲線。從圖中可以得出Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的禁帶寬度比較單獨(dú)Sb摻雜ZnO薄膜的禁帶寬度有了明顯的增大。
具體實(shí)施方法請參閱圖1所示，本發(fā)明一種Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，所需靶材由高純ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合壓制而成，得到磁控濺射靶材；其中所述的靶材中Mg的含量為1-20mol.％；其中所述磁控濺射方法的濺射氣壓范圍為0-1Pa；Sb的含量為1-3mol.％；其余為ZnO。
步驟2將襯底1加溫至一恒溫；該襯底1是單晶Si、寶石、氧化鋅以及玻璃；該襯底1的溫度范圍為300-600℃之間；步驟3利用射頻磁控濺射方法，在氬氣環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底1之上；
步驟4進(jìn)行原位高溫退火處理，得到Mg-Sb共摻雜的p型ZnO薄膜材料2；其中所述退火處理是在濺射反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，退火時(shí)所用氣氛為高純氧氣，氣壓為10-3Pa，退火溫度為500-800℃，退火時(shí)間為60分鐘。
實(shí)施例請?jiān)賲㈤唸D1，內(nèi)分泌利用Mg-Sb共摻雜技術(shù)制備p型ZnO薄膜的具體實(shí)施過程為首先，濺射生長薄膜所用的靶材是由高純的ZnO、MgO以及Sb2O3粉末按照一定的摩爾比混合壓制而成，其中Mg的含量為1-20mol.％，Sb的含量為1-3mol.％。以寶石(Al2O3)單晶片作為薄膜生長所用的襯底1材料，襯底1依次經(jīng)過丙酮，無水乙醇，去離子水的超聲波振蕩清洗，除去表面的油脂和污物，經(jīng)氮?dú)獯蹈珊螅瑢⒁r底1放入磁控濺射反應(yīng)室中，反應(yīng)室的本底真空度為3×10-5Pa。然后開始襯底加熱，并使襯底1溫度保持在650℃。通入反應(yīng)氣體氬氣，使反應(yīng)室內(nèi)的氣壓維持在0.5Pa。打開射頻功率源，功率為120W，開始薄膜的濺射生長，生長時(shí)間為120分鐘。薄膜2沉積完成后，接著進(jìn)行原位的高溫退火處理，退火時(shí)所用氣氛為高純氧氣，氣壓維持在1.3×10-3Pa左右，退火溫度為750℃，時(shí)間60分鐘。退火處理結(jié)束后，樣品自然冷卻后取出。
樣品經(jīng)過x射線雙晶衍射分析，結(jié)果顯示于圖2中。從圖中可以看出在寶石襯底1上生長的薄膜2為ZnO晶體結(jié)構(gòu)，Mg和Sb的共摻雜并沒有改變ZnO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。對該樣品在室溫下進(jìn)行霍爾測試分析表明該ZnO薄膜為p型導(dǎo)電類型，電阻率為2.43Ωcm，空穴載流子濃度為6.42×1017cm-3，載流子遷移率為4cm2/Vs。同時(shí)我們對采用相同的Sb摻雜劑量以及運(yùn)用相同生長條件的不摻Mg的ZnO薄膜樣品的霍爾測試分析表明，單獨(dú)摻Sb的ZnO樣品只表現(xiàn)為n型導(dǎo)電類型。運(yùn)用紫外-可見光分光光度計(jì)測試了Mg-Sb共摻雜與單獨(dú)Sb摻雜的ZnO樣品的吸收譜，由公式(αhv)2＝C(hv-Eg)計(jì)算得到薄膜的禁帶寬度，結(jié)果顯示于圖3中，可以看出Mg的摻雜有效的增大了ZnO的禁帶寬度。
權(quán)利要求
1.一種Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，所需靶材由高純ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合壓制而成，得到磁控濺射靶材；步驟2將襯底加溫至一恒溫；步驟3利用射頻磁控濺射方法，在氬氣環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上；步驟4進(jìn)行原位高溫退火處理，得到Mg-Sb共摻雜的p型ZnO薄膜材料。
2.如權(quán)利要求1所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中所述的靶材中Mg的含量為1-20mol.％；Sb的含量為1-3mol.％；其余為ZnO。
3.如權(quán)利要求1所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中所述磁控濺射方法的濺射氣壓范圍為0-1Pa。
4.如權(quán)利要求1所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中所述襯底是單晶Si、寶石、氧化鋅以及玻璃。
5.如權(quán)利要求1所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中襯底的溫度范圍為300-600℃之間。
6.如權(quán)利要求1所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中所述退火處理是在濺射反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，退火時(shí)所用氣氛為高純氧氣，氣壓為10-3Pa。
7.如權(quán)利要求1或5所述的Mg-Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，其中退火溫度為500-800℃，退火時(shí)間為60分鐘。
全文摘要
一種Mg－Sb共摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，所需靶材由高純ZnO、MgO和Sb2O3粉末混合壓制而成，得到磁控濺射靶材；步驟2將襯底加溫至一恒溫；步驟3利用射頻磁控濺射方法，在氬氣環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上；步驟4進(jìn)行原位高溫退火處理，得到Mg－Sb共摻雜的p型ZnO薄膜材料。
文檔編號(hào)C23C14/08GK101022141SQ20061000312
公開日2007年8月22日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者王鵬, 陳諾夫, 尹志崗 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所