专利名称：Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及p型ZnO晶体薄膜的生长方法，尤其是Na掺杂生长p型ZnO晶 体薄膜的方法。
技术背景ZnO做为宽禁带半导体，有着其独特的优势，在室温下的能带宽度为3.37eV， 激子结合能为60 meV，远大于GaN的激子结合能25 meV和室温分子热运动能 26 meV,因此很有潜力实现高功率的半导体激光器件。但是，ZnO走向光电器 件应用的重要一步就是实现稳定的p型ZnO薄膜。ZnO由于各种本征缺陷，如 Zni，Zn。，和非故意掺杂缺陷，如Hi，表现为n型。在ZnO中掺入受主杂质会提 高系统的Madelung能量，同时造成强烈的施主补偿作用。寻找一种合适的p型 ZnO掺杂源是国际上科学家一直努力的方向.国际上报道过的可以做为p型 ZnO掺杂材料有V族元素N， P, As等和I族元素Li。然而在理论计算方面，I 族元素Na做为受主有着比V族元素浅的受主能级和比Li更接近Zn原子半径的 性能。PLD法具有衬底温度较低、沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、 生长的薄膜质量较好等优点，但是还没有用这种方法进行过Na掺杂p型ZnO 薄膜生长。本发明是利用脉冲激光沉积技术，以掺Na元素氧化物的耙为激光耙 材生长p型ZnO晶体薄膜的方法。 发明内容本发明的目的是克服目前p型ZnO掺杂所存在的不足，提供Na掺杂生长p 型ZnO晶体薄膜的方法。本发明的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积 法，其步骤如下1) 将纯氧化锌和碳酸钠粉末经球磨混合后压制成型，在600—80(TC预烧结 2小时以上，再在1000—1500。C烧结2小时以上，制得掺Na20的ZnO耙材， Na的摩尔含量为0.2 — 1.0%;2) 将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽 到至少l(T3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为500—70(TC,以掺Na20的ZnO 为靶材，以纯02为生长气氛，控制02压强15—45pa，激光频率为l一5Hz,进 行生长，生长后在氧气保护气氛下冷却。上述的衬底可以是氧化锌、硅、蓝宝石、玻璃或石英。所说的氧化锌的纯度为99.99%以上。本发明通过调节掺Na的摩尔含量和温度，可以制备不同掺杂浓度的p型 ZnO晶体薄膜，生长的时间由所需的厚度决定。 本发明的优点1) 可以实现实时惨杂，在ZnO晶体薄膜生长过程屮同时实现p型掺杂；2) 掺杂浓度较高，由于脉冲激光沉积技术可以把靶材的成分完全复制到所 生长的薄膜中，因此只要制备的耙材的掺杂剂浓度高就获得很高的掺杂浓度；3) 掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中Na的摩尔含量来控制；4) 制备的p型薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。
图1是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱； 图2是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜得光致发光谱； 图3是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜得光学透射谱。
具体实施方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。 实施例11) 取纯度为99.99%的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为0.5。/。，将ZnO 和Na2C03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 四个小时。球磨的目的有两个首先是为了将ZnO、 Na2C03粉末混合均匀，以 保证制备出来的靶材的均匀性。其次，是为了将ZnO和Na2C03粉末细化，以 利于随后ZnO和Na2C03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4 cm的圆片。然后在80(fC 预烧结2小时，在1250。C下烧结3小时，保证Na2C03的分解。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 长室真空度抽到5xl0—3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为60(TC，以掺Na20的 ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5 cm，以纯02为生长气氛，控制02压 强45pa，激光频率为5Hz,激光工作电压为27 KV，进行生长，生长的时间为 60 min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300 nm的Na掺杂p型ZnO 晶体薄膜。制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为 27.7Qcm， 载流子浓度为4.64xlO"cm2/Vs，迁移率为0.76cnf3。并且放置两个月后电学性能无明显变化。图1显示了薄膜的X射线衍射图(XRD)图，只有ZnO的(0002)和(0004)峰的出现，并且半高宽较小，表明薄膜良好的结晶性能。图2是上述薄膜的光致发光谱，位于3.23eV很强的带边峰和微弱的绿光峰 证明了制备的Na掺杂型薄膜的良好光致发光性能，为进步制备电致发光器件奠 定基础。图3是上述薄膜的光学透射谱。由图可见，在可见光区域的透射率高达90 %，在380nm附近有陡峭的带边吸收边，显示了良好的光学透射性能。 实施例21) 取纯度为99.99%的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为1.0%，将ZnO 和Na2C03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 四个小时。球磨结束后，将粉末压制成厚度为3 mm，直径为4cm的圆片。然 后在600UC预烧结2小时，在1400°C下烧结3小时。2) 以玻璃为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中， 生长室真空度抽到5xl(^Pa，然后加热衬底，使衬底温度为55(TC，以掺Na20 的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5 cm，以纯02为生长气氛，控制02 压强30pa，激光频率为3Hz,激光工作电压为27KV，进行生长，生长的时间为 60 min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300 nm的Na掺杂p型ZnO 晶体薄膜。制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为 63.8Qcm， 载流子浓度为1.72xl017cm2/Vs,迁移率为0.57 cm-3。并且放置两 个月后电学性能无明显变化。实施例31) 取纯度为99.99%的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为0.2 %，将ZnO 和Na2C03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 四个小时。球磨结束后，将粉末压制成厚度为3 mm，直径为4 cm的圆片。然 后在600°C预烧结2小时，在1400°C下烧结3小时。2) 以玻璃为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中， 生长室真空度抽到5xl(^Pa，然后加热衬底，使衬底温度为700。C，以掺Na20 的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5 cm，以纯02为生长气氛，控制02 压强30pa，激光频率为3Hz,激光工作电压为27KV，进行生长，生长的时间为 60 min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300 nm的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜。制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为 49Qcm， 载流子浓度为1.52xl017cm2/Vs，迁移率为0.84 cm—3。并且放置两个月后电学性能无明显变化。
权利要求
1.Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是步骤如下1)将纯氧化锌和碳酸钠粉末经球磨混合后压制成型，在600-800℃预烧结2小时以上，再在1000-1500℃烧结2小时以上，制得掺Na2O的ZnO靶材，Na的摩尔含量为0.2-1.0％；2)将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽到至少10-3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为500-700℃，以掺Na2O的ZnO为靶材，以纯O2为生长气氛，控制O2压强15-45pa，激光频率为1-5Hz，进行生长，生长后在氧气保护气氛下冷却。
2. 根据权利要求1所述的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征 是所说的衬底是氧化锌、硅、蓝宝石、玻璃或石英。
3. 根据权利要求1所述的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征 是氧化锌的纯度为99.99%以上。
全文摘要
本发明公开的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，首先将纯氧化锌和碳酸钠粉末球磨混合后压制成型，烧结，制得掺Na<sub>2</sub>O的ZnO靶材；然后在脉冲激光沉积装置的生长室中，以掺Na<sub>2</sub>O的ZnO为靶材，以纯O<sub>2</sub>为生长气氛，控制O<sub>2</sub>压强15-45pa，激光频率为1-5Hz，在衬底生长p型ZnO晶体薄膜。本发明方法可以实现实时掺杂，掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中Na的摩尔含量来控制。采用本发明方法制备的p型ZnO晶体薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。
文档编号C30B29/10GK101235536SQ20071015658
公开日2008年8月6日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者叶志镇, 曾昱嘉, 林时胜, 赵炳辉, 陈凌翔, 顾修全 申请人:浙江大学