[发明专利]一种电感耦合溅射制备稳定空穴型氧化锌薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电感耦合溅射制备稳定空穴型氧化锌薄膜的方法，属于半导体材料制备领域。

背景技术

氧化锌禁带宽度3.37eV，具有很大的激子束缚能(60meV)，具有与GaN相同的晶体结构及相似的光电性能，且集众多优异的材料性能于一身。近年来ZnO已成为继GaN之后，蓝紫光宽禁带半导体光电材料领域的热点之一，在短波长光电器件(如：紫外发光二极管(UV-LED)、紫外光电探测器、紫外波段固体激光器(UV-LD)等)方面具有诱人的应用前景，市场潜力不可估量。目前，研制ZnO基光电器件的关键问题是制备具有低阻、高迁移率的稳定的p型ZnO薄膜。

由于氧化锌存在诸多的本征施主缺陷和掺杂引起的缺陷，它们对受主产生高度自补偿作用，而且，氧化锌受主能级一般较深，空穴不易热激发进入价带，受主掺杂的固溶度也很低，因而难以实现p型转变。目前，浓度可控、稳定性好的p型氧化锌薄膜还难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电感耦合溅射制备稳定空穴型氧化锌薄膜的方法。

本发明方法是在溅射过程中，以致密氧化锌为靶材，在工作气体氩气中同时通入氮气作为反应气，首先获得氮掺杂氧化锌薄膜，后经快速退火获得稳定p型氧化锌薄膜。

对于氮掺杂氧化锌存在的主要问题是难以掺入所造成的掺杂浓度低，因而载流子浓度低。如果在增加生长界面附近氮离子浓度的同时增加其反应活性，则能实现高浓度氮掺杂。本发明设计采用了电磁场约束电感耦合等离子增强气相沉积系统制备氮掺杂氧化锌薄膜，该系统使得溅射反应处于非平衡掺杂状态，强制氮离子大量而均匀地掺杂入氧化锌结构中。溅射过程中，电感耦合等离子体增强系统使从氧化锌靶材溅射出来的中性粒子带电，随后使之增加能量，增加活性，促进分解或离解，也即使溅射出来的中性粒子大量离子化；使工作气体和反应气体容易离解，使气体离子化；增加溅射粒子、离子和反应气体离子的反应活性。磁场约束系统能够约束等离子体，使得单位空间内粒子和离子密度增大，提高反应几率，使反应更加充分。

通过调节溅射功率主要可以控制成膜质量和成膜速度，调节通入氮气的量和电感耦合功率可以调节氮掺杂入氧化锌中的量，从而最终调节p型氧化锌中空穴浓度。因此，利用该系统制备获得的氮掺杂氧化锌薄膜成膜质量高、结构稳定。由于减少了氧空位的形成和氮离子的溢出，降低了自补偿效应，最终获得稳定的p型氧化锌薄膜。

该制备方法包括如下步骤：

可利用ZL03232693.9电磁场约束电感耦合增强气相沉积薄膜系统作为溅射或采用其他具有单独或共同相同功能的设备进行。

1)以致密的高纯氧化锌作为靶材；

2)清洗衬底，除去表面的油脂和污物；

3)将靶材和衬底分别放入溅射室特定位置，抽真空至低于5×10^-3Pa，加热衬底并使其恒温在400～500℃间某个值，通入工作气体氩气和氮气，使其流量比在5∶1～1∶1范围内；

4)开启溅射射频电源，调节其功率为100～300W间的某个值，开启电感耦合射频源，使其功率处于30～50W间某个值，打开衬底挡板开始镀膜；

5)镀膜完毕，从溅射室取出薄膜进行快速退火，退火温度400～550℃，退火时间为5～10分钟，获得稳定的p型氧化锌薄膜。

附图说明

图1为不同磁场下薄膜的霍尔系数测量情况，其值恒为正值。

图2为薄膜和衬底断面SEM照片。

图3为薄膜表面SEM照片。

具体实施方式

将高纯氧化锌靶材和经后的蓝宝石(0001面)衬底分别放入溅射室，抽真空至3×10^-3Pa，加热衬底并使其恒温在450℃，通入工作气体氩气和氮气，使其流量分别为20sccm和10sccm，开启溅射射频电源，调节其功率为100W，开启电感耦合射频源，功率为30W，打开衬底挡板开始镀膜3小时。镀膜完毕，从溅射室取出薄膜进行快速退火，退火温度500℃，退火时间为10分钟，获得载流子浓度为2.8×10¹⁷cm^-3的p型氧化锌薄膜，不同磁场下测量其霍尔系数恒为正值(图1)，表明测量数据准确可靠。空气中放置1个月、2个月后测量其载流子浓度分别为：2.2×10¹⁷cm^-3、2.5×10¹⁷cm^-3，如表1所示。同时，扫描电镜照片(图2为薄膜和衬底断面，图3为薄膜表面)表明薄膜有着良好的结晶质量。

表1

  Sample  Type  Mobility(cm²/V·S)  Bulk R(ohm·cm)  Bulk N(cm³)  Annealed  P  1.46  14.3  2.98×10¹⁷  After 1 month  P  1.40  14.2  2.2×10¹⁷  After 2 month  p  1.43  14.2  2.5×10¹⁷