可实现近带边紫外发光的p型二氧化锡薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可实现近带边紫外发光的P型311〇2薄膜的制备方法，该方法以金 属锡（Sn)、金属锑（Sb)、氮气（N2)、氧气（02)、氩气（Ar)硫粉（S)为原料，属于光电子薄膜 材料领域。
【背景技术】
[0002] Sn02是一种直接宽带隙氧化物半导体，其基本带隙和光学带隙分别为3. 3eV和 3. 6eV，由于它具有较高的可见光透过率和较强的电子导电能力，被应用于透明导电薄膜、 太阳电池、光催化等领域。虽然Sn02S直接带隙材料，但由于其晶体结构对称性的限制，电 子在导带底和价带顶之间的跃迀是禁戒的，即Sn02不可能产生与基本带隙相对应的近带边 紫外发光，这就大大限制了 Sn02材料在紫外发光领域的应用。此外，SnO^体中极易形成 诸如氧空位等施主型缺陷，Sn02通常表现为强η型电导，由于补偿效应，p型电导的SnO 2较 难获得，严重制约了 Sn02材料在紫外光电领域的应用。因此，开发出可实现近带边紫外发 光的P型Sn02薄膜的制备方法具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于利用施主-受主共掺杂方法，打破Sn02中电子在导带底和价 带顶跃迀的禁戒规则，并克服受主在Sn02中固溶度低的缺点，再通过后期在硫气氛下热处 理，来降低受主离化能，以获得高空穴浓度的P型Sn02薄膜。本发明将采用Sb、N共掺杂并 结合后期硫气氛热处理技术，来制备可实现近带边紫外发光的P型Sn02薄膜。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：以金属锡和金属锑为靶材，以氩气、氧气和氮气的混 合气体为溅射气体，以蓝宝石晶体为衬底，在衬底温度为300°c的条件下，共溅射金属锡和 金属锑靶材60min，制备出Sb、N共掺杂Sn02薄膜。将制备的SnO 2薄膜在硫气氛下热处理， 获得热处理后的Sb、N共掺杂Sn02薄膜。室温光致发光谱测量表明，该薄膜具有近带边紫 外发光占优的光谱特性。室温霍尔效应测试表明，该薄膜的导电类型为P型，载流子浓度在 1018cm 3到 10 19cm 3之间。
[0005] 按本发明制备p型Sn02薄膜的优点是：
[0006] (1)采用Sb施主和N受主元素共掺杂，提高了 N受主在Sn02中固溶度，并实现了 近带边紫外发光。
[0007] (2)经过在硫气氛中的热处理，提高了 p型511〇2薄膜的空穴载流子浓度，并增强了 紫外发光。
【附图说明】
[0008] (1)图1是工艺流程图
[0009] (2)图2是制备的Sb、N共掺杂的Sn02薄膜的X光衍射图
[0010] (3)图3是制备的Sb、N共掺杂的311〇2薄膜的室温光致发光谱
【具体实施方式】
[0011] 实施例
[0012] 将直径和厚度分别为60mm和3mm的金属锡和金属铺安装到磁控派射设备的两 个靶位上，将c面蓝宝石放入生长室的加热炉上（样品架），用真空栗将系统气压抽至 1 X 10 4Pa，加热蓝宝石衬底至300°C，通入体积比为1:2:1的氩气、氧气和氮气的混合气体， 气体流量为40SCCM，调节生长室内的气压为IPa，将锡靶和锑靶的溅射功率分别调至70W和 25W，移开两个靶位挡板，共溅射60min，获得未经热处理的Sb、N共掺杂的Sn02薄膜。将此 薄膜置于退火炉中，并在薄膜周围均匀放入30mg硫粉，用真空栗将退火炉气压抽至0.1 Pa 以下，通入氩气，气体流量为40SCCM，以5°C /s的速率升温至600°C后，保持15min，然后自 然冷却到室温，获得热处理后的Sb、N共掺杂Sn02薄膜。图2为热处理前后的Sb、N共掺杂 的Sn02薄膜的X光衍射图，其衍射图谱表明制备的薄膜为（200)择优取向，未发现与杂质 相关的第二相，说明获得Sb、N共掺杂的Sn02为单一相结构。图3为热处理前后的Sb、N共 掺杂的311〇2薄膜的室温光致发光谱，与未掺杂的311〇2薄膜相比，热处理前后的Sb、N共掺杂 的311〇2薄膜均出现了紫外发光，尤其是热处理后，在380nm处的紫外发光明显增强，增强约 4倍。表1为热处理前后的Sb、N共掺杂的Sn02薄膜的室温电学性质，热处理前后的Sb、N 共掺杂的311〇2薄膜均为p型电导，且热处理后的空穴载流子浓度达到10 lscm 3的量级。作 为对比，一个未掺杂Sb、N的纯3]1〇2薄膜的相应表征结果也分别显不在图2、3以及表1中。
[0013] 表1制备的Sb、N共掺杂的Sn02薄膜的室温电学性质
【主权项】
1. 可实现近带边紫外发光的P型二氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于以金属锡 (Sn)、金属铺（Sb)为祀材，氩气（Ar)、氧气（02)和氮气（N2)的混合气体作为派射气体，米 用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上同时溅射金属靶材，制备Sb、N共掺杂的Sn02薄膜，将获 得的薄膜在硫气氛下热处理后，获得Sb、N共掺杂的p型Sn02薄膜。2. 按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于硫气氛下热处理Sb、N共掺杂的SnO2 薄膜时，升温速率控制在5°C/s到10°C/s，升温至600°C后，保持15min。3. 按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于获得的p型SnO2薄膜的空穴载流子浓 度在10lscm3到1019cm3之间，电阻率在6Ωcm到16Ωcm之间。4. 按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于获得的p型SnO2薄膜室温光致发光谱 的紫外发光峰在380nm到390nm之间，发光峰的半高宽度在13nm到28nm之间。
【专利摘要】本发明涉及可实现近带边紫外发光的p型二氧化锡薄膜的制备方法。其特征是以金属锡(Sn)、金属锑(Sb)、氮气(N2)、氧气(O2)、硫粉(S)为原料，利用磁控溅射技术与硫气氛热处理技术,制备出具有高空穴浓度和近带边紫外发光的p型SnO2薄膜，其空穴载流子的浓度范围为1018cm-3到1019cm-3，室温紫外发光波长范围为380nm到390nm。本方法采用施主受主元素共掺杂技术和硫气氛热处理技术，提高受主在SnO2中的固溶度，并打破电子在SnO2导带底和价带顶跃迁的禁戒规则，实现近带边紫外发光，可用于制备宽带隙氧化物光电器件中的p型导电层。
【IPC分类】C23C14/08, C23C14/34, C23C14/58
【公开号】CN105420677
【申请号】CN201510880868
【发明人】李永峰, 贾金环, 姚斌, 丁战辉
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月3日