一种以NH₃作为N源的In-N共掺制备p型ZnO薄膜的方法

专利名称：一种以NH₃作为N源的In-N共掺制备p型ZnO薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及p型掺杂ZnO薄膜及其制备方法，尤其涉及一种以In金属为施 主掺杂源，以朋3为N源并作为受主掺杂源的In-N共掺制备p型ZnO薄膜的方法。
背景技术：
目前，国际上有很多关于ZnO薄膜p型掺杂的报道，包括Al-N， Li-N等共 掺和Li， N等单掺方法，也采用了不同的生长方法，掺杂结果并不是十分理想， 所以ZnO薄膜的p型掺杂仍是世界性的难题，这一掺杂技术没有解决，影响了 ZnO基晶体薄膜在光电器件方面的应用。在众多的掺杂源当中，NH3是一种比较特殊的气体源，主要原因是因为其中 包含了 H原子。朋3在实际的分解过程中，三个N-H键不是同时断裂，且每个N-H 键的离解能不一样，三者取平均值得到N-H键的平均键能为386 KJ. mol —1 ，比 N-N键能(386 KJ.mol —1 )小很多。发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以朋3作为N源的In-N 共掺制备P型ZnO薄膜的方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种以朋3作为N源的In-N 共掺制备P型ZnO薄膜的方法，包括以下步骤(1) 制备合金靶靶材的原料选用纯度为99.99%的金属Zn和In，按化学式 Zni-xInx， F0.5aty。配料，放入高温熔炉熔炼，制成靶材。(2) 制备p型ZnO薄膜在沉积薄膜之前，衬底先用乙醇超声波清洗30min, 再用氮气吹干放到直流反应磁控溅射装置的衬底架上；把制备好的靶材装 在靶头上，调整衬底架的位置，使衬底与靶面保持6cm的距离，并用挡板将衬底和靶材隔开，生长室抽真空到3X10—3Pa;然后衬底加热至400 600°C，通入NH3， 02和Ar气，Ar、丽3与02的体积比为20 : 17 : 8，压强 控制在lPa;预溅射15min除去靶材表面的坫污，然后旋开挡板，在115W 功率下溅射30min，得到以NH3作为N源的In-N共掺p型ZnO薄膜。进一步地，所述衬底可以为蓝宝石、硅或玻璃。本发明的优点是(1) 设备简单，操作方便。(2) 用直流反应磁控娥射方法，可以大面积均匀生长p型ZnO薄膜。(3) 靶材为金属合金，制作方法简便，耗时少，可轻易制备不同In含量的耙 材，以便调节制备的P型ZnO薄膜的掺杂浓度。(4) 掺杂浓度可控性、稳定性好，可以通过调节反应气体的分压、耙材中的In 含量和温度来控制。(5) 本发明制备过程中，以In金属为施主掺杂源，以NH3为N源并作为受主掺 杂源，制备了性能稳定良好的P型ZnO薄膜。(6) 本发明方法制备的In-N共掺p型ZnO薄膜表面平整，晶粒大小均匀，具 有良好的择优取向。


图1为本发明方法采用的直流反应磁控溅射装置的示意图。
具体实施方式
以下结合图1，通过实例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将 变得更加明显。本发明制备以NH3作为N源的In-N共掺p型ZnO薄膜的方法在直流反应磁 控溅射装置上进行。如图1所示，1和2分别为反应气体和Ar气的进气管路；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为靶头；10为衬底。本发明以玻璃为衬底，以In金属为施主掺杂源，以NH3为N源并作为受主 掺杂源，与02—起作为反应气体生长p型ZnO薄膜。具体步骤如下 1、 制备合金靶靶材的原料选用纯度为99. 99%的金属Zn和In，按化学式ZrvJn,， x=0. 5 at% 配料，放入高温熔炉熔炼，制成靶材。 2、制备p型ZnO薄膜在沉积薄膜之前，衬底先用乙醇超声波清洗30min，再用氮气吹干放到衬底 架上，衬底可以为蓝宝石、硅或玻璃。把制备好的靶材装在靶头上，调整衬底 架的位置，使衬底与靶面保持6cm的距离，并用挡板将衬底和靶材隔开，生长 室抽真空到3X10—卞a。然后衬底加热至400 600°C，通入Mi" 02和Ar气，反 应气体分压比为Ar : NH3 : 02=20 : 17 : 8，压强控制在1Pa。预溅射15min除去 革巴材表面的玷污，然后旋开挡板，在115W功率下溅射30min得到p型ZnO薄膜。 实施例1以玻璃为衬底，以In金属为施主掺杂源，以NH3为N源并作为受主掺杂源， 与02—起作为反应气体生长p型ZnO薄膜。具体步骤如下1) 合金靶的制备靶材的原料选用纯度为99. 99%的金属Zn和In,按化学式Zni-xInx， x=0. 5 at% 配料，放入高温熔炉熔炼，制成靶材。2) p型ZnO薄膜的制备在沉积薄膜之前，玻璃先用乙醇超声波清洗30min，再用氮气吹干放到衬底 架上。把制备好的靶材装在靶头上，调整衬底架的位置，使衬底与靶面保持6cm 的距离，并用挡板将衬底和靶材隔开，生长室抽真空到3X10,a。然后衬底加 热至500。C，通入NH" 02和Ar气，反应气体分压比为Ar : NH3 : 02=20 : 17 : 8， 压强控制在1Pa。预溅射15min除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，在115W 功率下溅射30min得到p型ZnO薄膜。上述以N仏作为N源的In-N共掺p型ZnO薄膜的室温光电性能良好电阻 率为27. 22 Q cm，载流子浓度为1. 14X 1017cnf3，霍尔迁移率为1. 271 cm2/V. s， 可见光区域透射率大于90%，放置一段时间后薄膜的光电学性能没有明显变化。 实施例2制备方法同实施例1，区别在于生长温度为600°C。本例制得的以朋3作为N 源的In-N共掺p型ZnO薄膜的室温电阻率为36.31 Q cm，载流子浓度为 9.51xl0'7 cnf3，霍尔迁移率为0.181 cm7V.s，可见光区域透射率大于91%，放 置一段时间后薄膜的光电学性能没有明显变化。 实施例3制备方法同实施例1，区别在于生长温度为420°C。本例制得的以NH3作为N源的In-N共掺p型Zn0薄膜的室温电阻率为56.19 Q cm，载流子浓度为 4.77xl017 cm—3，霍尔迁移率为0. 233 cm2/V. s，可见光区域透射率大于87°/。，放 置一段时间后薄膜的光电学性能没有明显变化。上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发 明的保护范围。
权利要求
1. 一种以NH3作为N源的In-N共掺制备p型ZnO薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)制备合金靶靶材的原料选用纯度为99.99％的金属Zn和In，按化学式Zn1-xInx，x＝0.5at％配料，放入高温熔炉熔炼，制成靶材。(2)制备p型ZnO薄膜在沉积薄膜之前，衬底先用乙醇超声波清洗30min，再用氮气吹干放到直流反应磁控溅射装置的衬底架上；把制备好的靶材装在靶头上，调整衬底架的位置，使衬底与靶面保持6cm的距离，并用挡板将衬底和靶材隔开，生长室抽真空到3×10-3Pa；然后衬底加热至400～600℃，通入NH3，O2和Ar气，Ar、NH3与O2的体积比为20∶17∶8，压强控制在1Pa；预溅射15min除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，在115W功率下溅射30min，得到以NH3作为N源的In-N共掺p型ZnO薄膜。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底可以为蓝宝石、硅 或玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种以NH₃作为N源的In-N共掺制备p型ZnO薄膜的方法，该方法利用直流反应磁控溅射技术，以In金属为施主掺杂源，以NH₃为N源并作为受主掺杂源制成的。以ZnIn二元合金为靶材，将清洗过的衬底放入直流反应磁控溅射装置的生长室中，生长室抽真空，溅射压强控制在1Pa，生长温度为400～600℃，在NH₃和O₂的气氛下生长；本发明方法以ZnIn二元合金为靶材，制作方法简便，耗时少，可轻易制备不同含量的靶材；掺杂浓度可以通过调节输入的反应气体的分压比、靶材中的In含量和温度来控制，掺杂浓度可控性、稳定性好；制得的ZnO薄膜表面平整，晶粒大小均匀且具有较好的择优取向，所得薄膜具有良好的光电性能。
文档编号C23C14/18GK101267010SQ20081006079
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者刘伟昌, 叶志镇, 简二梅, 赵炳辉 申请人:浙江大学