专利名称：Ag掺杂生长p型ZnMgO晶体薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及P型ZnMgO晶体薄膜的生长方法，尤其是Ag掺杂生长ρ型ZnMgO晶体薄膜的方法。
背景技术：
ZnO是一种II - VI族宽禁带半导体，有其独特的优势，在室温下的禁带宽度为3. 37 eV,自由激子结合能高达60 meV,远大于GaN的激子结合能25 meV和室温热离化能沈 meV,因此更容易在室温或更高温度下实现激子增益，是一种很有潜力实现高功率半导体激光器件的材料。但是，ZnO走向光电器件应用的关键是实现稳定可靠且低阻的ρ型ZnO薄膜。SiO由于存在诸多本征施主缺陷(如Sii, V0等)和非故意掺杂的H等杂质，通常表现为η型。这些施主缺陷的存在能对掺入的受主杂质产生强烈的自补偿效应，所以难以实现ZnO的ρ型掺杂。理论上，实现ρ型ZnO有以下几 择:1族元素(Li，Na, K，Ag, Cu和Au)替代Zn的位置，或
者V族元素(N、P、As、Sb)替代0的位置，可以实现ZnO的ρ型转变。舰第一性原理电子结构计算得
出，I B族元素的掺1 !程易于在富氧■下实现元素取代Zn位形成受主杂质，而且该缺陷形成
能非常低，而SA间隙的缺陷形成能却非常高，所以IB族元素在ZnO薄膜中更容易取代Zn位而不是形成间隙原子。另外，这种富氧射牛生长会有效抑制对空穴载流子形成补偿的诸多本征施主缺陷 (如氧空位K。和间隙Zni)的形成。理论计觀口分析还表明Ag在ZnO中具有相对较浅的^主能级(0.4 eV),与其他IB族元素(QkAu)相比是一种更加理想的^±掺杂元素，而且这一^±离化能可比拟于被誉为最好掺杂元素N。另一方面，通过在ZnO中掺Mg，可调节禁带宽度，实现能带工程。ZnMgO合金可运用于ZnMgO/ZnO异质结，量子讲和超晶格等结构中。这些结构运用在光电器件，如发光二极管、紫夕卜探测器、太阳能电tfct中，可以大大提高器件的性能和效率。而将P型ZnMgO层弓丨入到ZnMgO/ZnO量子讲异质结结构中，则可进一步优化器件结构，拓宽其工作波长至紫外波段。因此，开展ZnMgO薄膜ρ 型掺杂的研究具有非常重要的意义。脉冲激光沉积法具有沉积雜易控、易麟薄膜与靴成分一致、 能实现实时掺杂且生长的薄膜质量·尤点，但是到目前为止还没有用这种方法进行过Ag掺杂生长 ρ型ZnMgO晶術薄膜的生长。
发明内容
本发明的目的是克服目前ρ型ZnMgO掺杂所存在的不足，提供Ag掺杂生长ρ型 ZnMgO晶体薄膜的方法。本发明的Ag掺杂生长ρ型ZnMgO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，其步骤如下
1)称量纯&10、纯MgO和纯A&0粉末，其中Mg的摩尔百分含量为10%，Ag的摩尔百分含量为0. 6 1%，经球磨混合后压制成型，然后在1200°C烧结8小时以上，制得靶材；2)将清洗后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为5. 5 cm,生长室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为30(T60(TC，以纯仏为生长气氛，控制O2压强3(Γ60 Pa，激光频率为;Γ5 Hz,进行生长，生长后的薄膜在100 1 的
氧气气氛保护下冷却至室温。上述的衬底可以是硅、蓝宝石、玻璃或石英。所说的氧气纯度为99. 99%以上。纯氧化锌、纯氧化镁和纯氧化银粉末的的纯度均为99. 99%。本发明通过调节Ag的摩尔含量、衬底温度和生长气氛压强，可以制备出不同掺杂浓度的P型ZnMgO晶体薄膜，生长的时间由所需的厚度决定。本发明的优点
1)可以实现实时掺杂，在ZnMgO晶体薄膜生长过程中同时实现P型掺杂；
2)掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中Ag的摩尔含量来控制；
3)制备的ρ型薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。
图1是本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图，图中1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；
图2是实施例1的ρ型ZnMgO晶体薄膜的χ射线衍射(XRD)图谱； 图3是实施例1的ρ型ZnMgO晶体薄膜的室温光致发光(PL)谱。
具体实施例方式以下结合具体实例进一步说明本发明。实施例1
1)取纯度均为99. 99%的氧化锌、氧化镁和氧化银粉末，其中Mg的摩尔百分含量为10%， Ag的摩尔百分含量为1%’，将&ι0、MgO和的混合粉末倒入玛瑙球杯中，放在球磨机上进行球磨，球磨的时间为M个小时。球磨的目的有两个首先是为了将aiO、MgO和Ag2O粉末混合均勻，以保证制备出来的靶材的均勻性；其次，是为了将aiO、MgO和Ag2O粉末细化， 以利于随后混合粉末的成型和烧结。球磨结束后，将粉末压制成厚度为3 mm，直径为50 mm的圆片。先在800°C预烧1 小时，然后在1200°C烧结8小时，得到靶材。2)以石英为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为400°C，以上述制得的掺MgO和Ag2O 的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5. 5 cm,以纯化(纯度99. 99%)为生长气氛，控制 O2压强45 Pa，激光频率为5 Hz,激光能量为300 mj下开始沉积生长，生长的时间为60 min.生长后在100 1 氧气保护气氛下原位保温30 min,之后缓慢冷却，得到Ag掺杂ρ型 ZnMgO晶体薄膜。其χ射线衍射(XRD)图谱见图2，室温光致发光谱见图3。制得的Ag掺杂ρ型ZnMgO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能电阻率为 65. 26 Ω -cm,迁移率为0.四4 cmH—1，空穴浓度为3. 25X IO17 cm—3。并且放置数月后薄膜的电学性能没有明显变化。实施例21)取纯度均为99. 99%的氧化锌、氧化镁和氧化银粉末，其中Mg的摩尔百分含量为10%， Ag的摩尔百分含量为1%’，将&ι0、MgO和的混合粉末倒入玛瑙球杯中，放在球磨机上球磨M个小时后，压制成厚度为3 mm，直径为50 mm的圆片。先在800°C预烧1小时，然后在1200°C烧结8小时，得到靶材。2)以石英为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为600°C，以上述制得的掺MgO和Ag2O 的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5. 5 cm,以纯化(纯度99. 99%)为生长气氛，控制 O2压强45 Pa，激光频率为5 Hz,激光能量为300 mj下开始沉积生长，生长的时间为60 min.生长后在100 1 氧气保护气氛下原位保温30 min,之后缓慢冷却，得到Ag掺杂ρ型 ZnMgO晶体薄膜。制得的Ag掺杂ρ型ZnMgO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能电阻率为 4126 Ω - cm,迁移率为0.cmH—1，空穴浓度为5. 80X IO15 cm—3。并且放置数月后薄膜的电学性能没有明显变化。实施例3
1)取纯度均为99. 99%的氧化锌、氧化镁和氧化银粉末，其中Mg的摩尔百分含量为10%， Ag的摩尔百分含量为0. 6%,，将aiO、MgO和Ag2O的混合粉末倒入玛瑙球杯中，放在球磨机上球磨M个小时后，压制成厚度为3 mm，直径为50 mm的圆片。先在800°C预烧1小时，然后在1200°C烧结8小时，得到靶材。2)以蓝宝石为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为400°C，以上述制得的掺MgO和Ag2O 的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5. 5 cm,以纯化(纯度99. 99%)为生长气氛，控制 O2压强30 Pa，激光频率为5 Hz,激光能量为300 mj下开始沉积生长，生长的时间为60 min.生长后在100 1 氧气保护气氛下原位保温30 min,之后缓慢冷却，得到Ag掺杂ρ型 ZnMgO晶体薄膜。制得的Ag掺杂ρ型ZnMgO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能电阻率为 385. 5 Ω -cm,迁移率为0. 271 cmH—1，空穴浓度为5. 98X IO"5 cm—3。并且放置数月后薄膜的电学性能没有明显变化。
权利要求
1.Ag掺杂生长P型ZnMgO晶体薄膜的方法，其特征是采用脉冲激光沉积法，包括如下步骤1)称量纯Zno、纯MgO和纯Ag2O粉末，其中Mg的摩尔百分含量为10%，Ag的摩尔百分含量为0. 6~1%,经球磨混合后压制成型，然后在1200°C烧结8小时以上，制得靶材；2)将清洗后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为5.5 cm,生长室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为300~60pa，以纯仏为生长气氛，控制O2压强30~60 Pa，激光频率为;Γ5 Hz,进行生长，生长后的薄膜在100 Pa的氧气气氛保护下冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的Ag掺杂生长ρ型ZnMgO晶体薄膜的方法，其特征是所说的衬底是硅、蓝宝石、玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述的Ag掺杂生长ρ型ZnMgO晶体薄膜的方法，其特征是纯仏的纯度为99. 99%以上。
4.根据权利要求1所述的Ag掺杂生长ρ型ZnMgO晶体薄膜的方法，其特征是纯加0、 纯MgO和纯Ag2O粉末的纯度均为99. 99%。
全文摘要
本发明公开的Ag掺杂生长p型ZnMgO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法。靶材是由纯ZnO、MgO和Ag2O粉末球磨混合后压制成型并烧结的陶瓷靶,其中Mg的摩尔百分含量为10%,Ag的摩尔百分含量为0.6~1%；然后在脉冲激光沉积装置的生长室中，以纯O2为生长气氛，控制O2压强30~60Pa，激光频率为3~5Hz,生长温度为300~600℃,在衬底上生长p型ZnMgO晶体薄膜。本发明方法可以实现实时掺杂,掺杂浓度通过调节生长温度和靶材中Ag的摩尔百分含量来控制。采用本发明方法制备的p型ZnMgO晶体薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。
文档编号C23C14/08GK102162131SQ201110082020
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者叶志镇, 曹铃, 朱丽萍 申请人:浙江大学