专利名称：退火生长Na-N共掺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，尤其是退火生长Na-N共掺p 型ZnO晶体薄膜的方法。
背景技术：
ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚 能为60meV，使得ZnO在紫外探测器、LDs、 LEDs等光电器件上的应用前景 十分光明。制备可控的"型和p型ZnO晶体薄膜是实现ZnO基光电器件应用 的关键。目前，人们对于《型ZnO晶体薄膜的研究已经比较充分，通过掺杂 Al、 Ga、 In等施主元素，已经能够获得具有优异性能的"型ZnO晶体薄膜。 然而，ZnO的型掺杂却遇到诸多困难，这主要是由于受主掺杂元素在ZnO中 的固溶度很低，受主能级一般很深，而且ZnO本身存在着诸多本征施主缺陷(如 间隙锌Zrii和空位氧Vo)，对受主会产生高度的自补偿效应。如何实现具有优 异性能的;7型ZnO薄膜的实时掺杂已成为目前制约ZnO基光电器件发展的一 个瓶颈。
目前国际上所报道p-ZnO的掺杂元素主要集中在单受主掺杂，例如Li、 N、 P、 As、 Sb等，或者将III-V族元素进行施主-受主掺杂，例如Al-N、 Ga-N、 In-N、 Li-N共掺等。在Li-N共掺时，由于Li原子半径比较小，容易占据间隙位置而 成为施主。相对于Li而言，Na原子半径较大，不易形成Nai、 NaZn-Nai、 NaZn-H 复合体，但目前还没有关于Na-N共掺的报道。
发明内容
本发明的目的是为了进一步改进双受主元素共掺的薄膜性能，提供一种退 火生长Na-N共掺p型ZnO晶体薄膜的方法。
本发明的退火生长Na-N共掺;7型ZnO薄膜的方法，采用的是射频反应磁 控溅射法，步骤如下
将衬底清洗后放入射频反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到 至少2.5xl0—spa，以Na20-ZnO陶瓷靶为靶材，靶材中钠的摩尔含量为0.5%， 以纯N20和纯Ar为溅射气氛，将两种气体分别由质量流量计控制输入真空反 应室，N2O和Ar的分压比为60: 40 80: 20，衬底温度为450 550°C ，溅射 功率为300W，在lPa 5Pa压强下生长，生长结束后，将薄膜在N20气氛下退 火，其中退火压强为10Pa，退火时间为20 60min，退火温度为400 500°C 。上述的衬底可以是石英或玻璃。
本发明中，N20作为氮源及氧源，Ar作为辅助溅射气氛。溅射过程中，溅 射原子(含有Zn、 Na、 O原子)与N20发生反应，在衬底上沉积生成Na-N共 掺的ZnO晶体薄膜，其中，N20和Ar的分压比根据掺杂浓度调节，生长时间 由所需膜厚决定。生长结束后，将薄膜在N20气氛下退火，能有效地改善薄膜 的电学性质和晶体质量。
本发明的优点是
1) 在ZnO晶体薄膜生长过程中可以实现受主Na-N的实时掺杂；
2) p型掺杂浓度可以通过调节生长气氛中N20和Ar的分压比来控制；
3) 与施主-受主元素共掺相比，Na-N双受主元素共掺更容易形成受主或受 主复合体；
4) 后续的在N20保护下退火能有效地改善薄膜的电学性质和晶体质量。
图l是p型ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；图中(a)为未退 火，(b)为退火后。
具体实施例方式
以下通过实例对本发明作进一步的说明。
实例1:先将衬底(玻璃)经过清洗后放入真空反应室的样品托盘上，衬 底欲溅射表面朝下放置，有效防止颗粒状的杂质对衬底的玷污，反应室真空度 抽至2.5x10—3Pa，以Na20-ZnO陶瓷耙为耙材，靶材中钠的摩尔含量为0.5%， 将靶材置于靶头上，以纯&0 (纯度99.99%)和纯Ar (纯度99.99%)作为溅 射气氛，将两种气体分别经质量流量计进入真空反应室，N20和Ar的分压比 为N20 : Ar=70 : 30,溅射功率为300W，衬底温度为500°C，在3Pa压强下生 长，生长时间为30min。生长结束后，将薄膜在N20气氛下退火，其中退火压 强为10Pa，退火时间为30min，退火温度为450°C ，制得的薄膜厚度约为250nm。
本例制得的Na-N共掺p型ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱，见 图1，退火前后仅有ZnO (002)衍射峰，而没有出现与Na、 N相关相的衍射 峰，说明薄膜具有良好的c轴择优取向性，退火后(002)峰的峰强增大，26 值增大，半高宽变小。表明本发明方法制得的Na-N共掺/ 型ZnO晶体薄膜具 有良好的结晶性能。
该Na-N共掺p型ZnO晶体薄膜具有良好的室温电学性能，电阻率为 139.2Qcm，空穴浓度为2.5x101、1^3，霍尔迁移率为0.2cmVv.s，并且放置两个星期后电学性能无明显变化。 实例2:
步骤同实例1，区别在于衬底为石英，1Pa压强下生长，退火温度为500°C。 本例制得的Na-N共掺；？型ZnO晶体薄膜电阻率为1990Qcm,空穴浓度为 7.62xl015cnf3，霍尔迁移率为0.4cm2/V.s，并且放置两个星期后电学性能无明显 变化。
实例3:
步骤同实例1，区别在于N20和Ar的分压比为N20 : Ar=60 : 40， IPa压 强下生长。本例制得的Na-N共掺p型ZnO晶体薄膜电阻率为222.5Qcm,空穴 浓度为
权利要求
1.退火生长Na-N共掺p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是将衬底清洗后放入射频反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到至少2.5×10-3Pa，以Na2O-ZnO陶瓷靶为靶材，靶材中钠的摩尔含量为0.5％，以纯N2O和纯Ar为溅射气氛，将两种气体分别由质量流量计控制输入真空反应室，N2O和Ar的分压比为60∶40～80∶20，衬底温度为450～550℃，溅射功率为300W，在1Pa～5Pa压强下生长，生长结束后，将薄膜在N2O气氛下退火，其中退火压强为10Pa，退火时间为20～60min，退火温度为400～500℃。
2. 根据权利要求1所述的退火生长Na-N共掺P型ZnO晶体薄膜的方法， 其特征是所说的衬底是石英或玻璃。
全文摘要
本发明公开的退火生长Na-N共掺p型ZnO薄膜的方法，先以Na<sub>2</sub>O-ZnO陶瓷靶为靶材，靶材中钠的摩尔含量为0.5％，以纯N<sub>2</sub>O和纯Ar为溅射气氛，采用射频反应磁控溅射法，在1Pa～5Pa压强下生长，生长结束后，将薄膜在N<sub>2</sub>O气氛下退火。本发明可以实现受主Na-N的实时掺杂，与施主-受主元素共掺相比，Na-N双受主元素共掺更容易形成受主或受主复合体，后续的在N<sub>2</sub>O保护下退火能有效地改善薄膜的电学性质和晶体质量。
文档编号C30B33/00GK101671842SQ200910153698
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者叶志镇, 吕建国, 兰 林, 赵炳辉, 丽 龚 申请人:浙江大学