p型SnO薄膜及其p-n结二极管的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种p型SnO薄膜的制备方法，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成p型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300℃，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm，相比现有先室温沉积再退火的技术，本制备方法简单易行，适合大规模生产，通过优化衬底温度、溅射功率、气压等工艺参数，大大减少了薄膜内部缺陷，提高了空穴迁移率，大幅提高了p型SnO薄膜的结晶质量和电导率，再以SnO2:Sb陶瓷靶为靶材，通过射频磁控溅射在该p型SnO薄膜上原位沉积形成n型SnO2:Sb薄膜以形成p-n结二极管，可有效提高p-n结二极管的稳定性和光电性能，由此制得的p-n结二极管具有阈值电压高、漏电流低、制备简单、成本低等特点，可用作透明电子器件的基本元件。
【专利说明】P型SnO薄膜及其P-η结二极管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种P型SnO薄膜及其P-η结二极管的制备方法。
【背景技术】
[0002]透明导电氧化物(TCO)上世纪初已经出现，并且作为透明导体早已得到广泛的应用。但是，作为宽禁带半导体的应用却严重受制于缺乏高性能的P型TC0，严重阻碍了透明发光器件、透明晶体管乃至透明集成电路的实现。所以，寻找和研究新的P型TCO材料，提高现有P型TCO材料的性能具有十分重要的意义。
[0003]缺少P型TCO材料的主要原因是金属氧化物的电子结构特性。由于氧的电负性很强，金属氧化物中氧原子的2p能级往往远低于金属原子的价带电子能级，故具有离子化合物的性质，这种离子键结合导致宽带隙，同时能抑制浅受主的形成。通过掺杂引入的空穴局域在氧离子附近，即使在外加电场作用下也很难在晶格中自由移动；换句话说，也就是空穴形成了深受主能级。因此，减弱空穴局域化的程度是设计P型TCO薄膜面临的最关键问题。
[0004]价带化学修饰(CMVB)的设计概念，为解决空穴局域化问题提供了一个良好的新思路。CMVB的基本思想是在金属-氧键间引入共价键来减弱空穴局域化程度。引入的阳离子的最外层电子能级要与02_的2p能级相当并且要具有满壳层电子构型(cTslP cTs2)。Sn2+具有cTs2电子构型，Sn2+与02_能级非常接近。所以SnO应该是非常好的P型TCO候选材料。
[0005]脉冲激光沉积、电子束蒸发、原子层沉积、射频磁控溅射等方法都被用于制备P型SnO薄膜，但是制备出的P型SnO薄膜的电导率都比较低。这些现有方法都是先在室温下制备P型SnO薄膜，然后再通过退火来提高薄膜质量和电导率。例如以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上形成P型SnO薄膜的方法，其中，溅射功率为50W左右，工作气体为Ar气，气压为0.2Pa左右，在室温下的石英衬底上形成P型SnO薄膜之后，再通过退火来提高薄膜质量和电导率。该方法工艺复杂，得到的P型SnO薄膜的结晶质量和电导率仍无法满足电子产品例如p-n结二极管的性能需求，有待进一步提高。
[0006]目前，p-n结二极管主要使用传统的IV族(如S1、Ge) ,II1-V族(如GaN、GaAs)、I1-VI族(ZnS、CdTe, ZnO等)半导体材料。其中，基于宽禁带半导体GaN的发光二极管已经实现了商品化，而基于宽禁带氧化物半导体的二极管目前还存在一些问题，比如P型ZnO的稳定性很差，在较短时间内就退化为绝缘体甚至η型ZnO，因此ZnO基二极管的寿命很短，尚不实用；尽管在石英衬底上依次覆盖一层η型掺杂F的SnO2 (n_Sn02:F)薄膜和一层p型掺杂Ga的SnO2 (p-Sn02:Ga)薄膜的p-η结二极管已经有报道,但是p_Sn02:Ga薄膜的导电性仍然较差，而且由于掺杂引起的结构缺陷也较多，影响了该二极管的光电性能。
[0007] SnO不需要掺杂即是一种优异的P型透明半导体，可避免因掺杂引起的结构缺陷，将其用于制备P-n结二极管可提高p-n结二极管的稳定性和光电性能，因此，目前对于制备高结晶质量、高电导率的P型SnO薄膜具有强烈需求。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种P型SnO薄膜及其p-n结二极管的制备方法，工艺简单易行，适合大规模生产，有利于提高P型SnO薄膜的结晶质量和电导率，以及P-n结二极管的稳定性和光电性能。
[0009]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0010]一种P型SnO薄膜的制备方法，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300°c，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm。
[0011]所述制备方法不涉及对所述P型SnO薄膜进行退火的操作。
[0012]所述SnO陶瓷靶的纯度为99.99wt%。
[0013]一种p-n结二极管的制备方法，包括如下步骤:
[0014](I)以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为
0.5-2.0Pa，气体流量为 50-100sccm ；
[0015](2)以SnO2: Sb陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在所述P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2 = Sb薄膜，其中，衬底温度为150-300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm ；
[0016](3)所述η型SnO2: Sb薄膜与位于其下方的P型SnO薄膜形成所述ρ_η结二极管。
[0017]所述制备方法不涉及对所述P型SnO薄膜和所述η型SnO2: Sb薄膜进行退火的操作。
[0018]所述SnO陶瓷靶的纯度为99.99wt%。
[0019]一种根据上述方法制备的p-n结二极管，包括石英衬底；形成在所述石英衬底上的P型SnO薄膜；以及形成在所述P型SnO薄膜上的η型SnO2: Sb薄膜。
[0020]所述P型SnO薄膜的厚度为200_300nm。
[0021]所述η型SnO2: Sb薄膜的厚度为200_300nm。
[0022]所述η型SnO2: Sb薄膜的面积小于所述P型SnO薄膜的面积。
[0023]本发明的P型SnO薄膜的制备方法，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射方式在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，相比现有先室温沉积再退火的技术，本制备方法简单易行，适合大规模生产，通过优化衬底温度、溅射功率、气压等工艺参数，大大减少了薄膜内部缺陷，提高了空穴迁移率，因而大幅提高了 P型SnO薄膜的结晶质量和电导率，再以SnO2: Sb陶瓷祀为祀材,通过射频磁控派射在该P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜以形成所述P-n结二极管，可有效提高p-n结二极管的稳定性和光电性能，由此制得的P-n结二极管具有阈值电压高、漏电流低、制备简单、成本低等特点，可用作透明电子器件的基本元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的p-n结二极管的结构示意图；
[0025]图2为本发明的p-n结二极管的电流-电压(1-V)特征曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图详细说明本发明的特点。
[0027]本发明的p-n结二极管的制备方法，包括如下步骤:
[0028](I)以SnO陶瓷靶(纯度优选为99.99wt% )为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300°c，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm，通过控制溅射时间将p型SnO薄膜的厚度保持在200-300nm ；
[0029](2)以SnO2 = Sb陶瓷靶(Sb的掺杂浓度优选为4_6at.% )为靶材，采用射频磁控溅射在所述P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜，其中，衬底温度为150_300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa,气体流量为50-100sccm，通过控制溅射时间将η型SnO2 = Sb薄膜的厚度保持在200-300nm ；
[0030](3)所述η型SnO2: Sb薄膜与位于其下方的P型SnO薄膜形成所述ρ_η结二极管。
[0031]实施例1
[0032]首先以SnO陶瓷靶(纯度为99.99wt% )为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底I (例如100取向的石英晶体)上原位沉积形成P型SnO薄膜2，其中，衬底温度为200°C，溅射功率为100W，工作气体为Ar气，气压为1.0Pa，气体流量为80sCCm，通过控制溅射时间将P型SnO薄膜的厚度保持在250nm ;然后以SnO2 = Sb陶瓷靶(Sb的掺杂浓度为5at.% )为革巴材，采用射频磁控派射在所述P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜3,其中，衬底温度为200°C，溅射功率为100W，工作气体为Ar气，气压为1.0Pa，气体流量为80sCCm，通过控制派射时间将η型SnO2: Sb薄膜的厚度保持在250nm ;所述η型SnO2: Sb薄膜3与位于其下方的P型SnO薄膜2形成所述p-n结二极管，其结构示意图如图1所示，其中，η型SnO2: Sb薄膜3的面积小于P型SnO薄膜2的面积电流-电压(1-V)特征曲线如图2所示，具有典型的整流特性，漏电流很小，正向阈值电压约为2.88V。
[0033]实施例2
[0034]首先以SnO陶瓷靶(纯度为99.99wt% )为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底I (例如石英玻璃)上原位沉积形成P型SnO薄膜2，其中，衬底温度为150°C，溅射功率为50W,工作气体为Ar气，气压为0.5Pa，气体流量为50sccm，通过控制溅射时间将P型SnO薄膜的厚度保持在200nm ;然后以SnO2 = Sb陶瓷靶(Sb的掺杂浓度为4at.% )为靶材，采用射频磁控溅射在所述P 型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜3，其中，衬底温度为1500C，溅射功率为50W，工作气体为Ar气，气压为1.0Pa,气体流量为50sccm，通过控制溅射时间将η型SnO2:Sb薄膜的厚度保持在200nm ;所述η型SnO2:Sb薄膜3与位于其下方的ρ型SnO薄膜2形成所述p-n结二极管。
[0035]实施例3
[0036]首先以SnO陶瓷靶(纯度为99.99wt% )为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底I (例如石英玻璃)上原位沉积形成P型SnO薄膜2，其中，衬底温度为300°C，溅射功率为150W，工作气体为Ar气，气压为2.0Pa，气体流量为lOOsccm，通过控制溅射时间将ρ型SnO薄膜的厚度保持在300nm ;然后以SnO2 = Sb陶瓷靶(Sb的掺杂浓度为6at.% )为靶材，采用射频磁控溅射在所述P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜3，其中，衬底温度为300°C，溅射功率为150W，工作气体为Ar气，气压为2.0Pa，气体流量为lOOsccm，通过控制溅射时间将η型SnO2: Sb薄膜的厚度保持在300nm ;所述η型SnO2: Sb薄膜3与位于其下方的P型SnO薄膜2形成所述p-n结二极管。
[0037]本发明的ρ型SnO薄膜的制备方法，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射方式在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，相比现有先室温沉积再退火的技术，本制备方法简单易行，适合大规模生产，通过优化衬底温度、溅射功率、气压等工艺参数，大大减少了薄膜内部缺陷，提高了空穴迁移率，因而大幅提高了 P型SnO薄膜的结晶质量和电导率，再以SnO2: Sb陶瓷祀为祀材,通过射频磁控派射在该P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜以形成所述P-n结二极管，可有效提高p-n结二极管的稳定性和光电性能，由此制得的P-n结二极管具有阈值电压高、漏电流低、制备简单、成本低等特点，可用作透明电子器件的基本元件。
[0038]前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种P型SnO薄膜的制备方法，其特征在于，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm。
2.如权利要求1所述的P型SnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法不涉及对所述P型SnO薄膜进行退火的操作。
3.如权利要求1所述的P型SnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述SnO陶瓷靶的纯度为 99.99wt%0
4.一种p-n结二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成P型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为 50-100sccm ； (2)以SnO2:Sb陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在所述P型SnO薄膜上原位沉积形成η型SnO2: Sb薄膜，其中，衬底温度为150-300°C，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm ； (3)所述η型SnO2:Sb薄膜与位于其下方的ρ型SnO薄膜形成所述ρ_η结二极管。
5.如权利要求4所述的p-n结二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法不涉及对所述P型SnO薄膜和所述η型SnO2: Sb薄膜进行退火的操作。
6.如权利要求4所述的ρ型SnO薄膜的制备方法，其特征在于，所述SnO陶瓷靶的纯度为 99.99wt%0
7.一种根据权利要求4的方法制备的p-n结二极管，其特征在于，包括 石英衬底； 形成在所述石英衬底上的P型SnO薄膜；以及 形成在所述P型SnO薄膜上的η型SnO2: Sb薄膜。
8.如权利要求7所述的p-n结二极管，其特征在于，所述ρ型SnO薄膜的厚度为200_300nmo
9.如权利要求7所述的p-n结二极管，其特征在于，所述η型SnO2:Sb薄膜的厚度为200_300nmo
10.如权利要求7所述的P-n结二极管，其特征在于，所述η型SnO2:Sb薄膜的面积小于所述P型SnO薄膜的面积。
【文档编号】C23C14/35GK104178730SQ201410406410
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】杨铁莹, 赵俊, 李晓龙, 高兴宇, 薛超凡, 吴衍青, 邰仁忠 申请人:中国科学院上海应用物理研究所