[发明专利]一种生长ZnO单晶、微晶薄膜及其p型掺杂的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种闭管化学气相传输法生长ZnO单晶、微晶薄膜及其p型掺杂的方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)II-VI族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能(60meV)，理论上可以在室温下实现紫外光的受激发射。ZnO在器件应用方面具有广阔的应用范围，潜力很大，前景极好。它可以被用来制作透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、气体传感器、发光二极管等。在短波区域，ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器，对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。但是，为了使ZnO在光电子领域有更广阔的应用，首先必须制备出高质量的单晶材料；同时通常生长的ZnO由于偏离化学计量比而存在大量的氧空位和锌间隙原子，使材料呈n型，这样p型ZnO的制备就成为研制p-n结型ZnO光电器件必须解决的难点。

目前，生长ZnO薄膜的方法有很多，有磁控溅射(Magnetron Sputtering)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、溶胶凝胶法(Sog-Gel)、喷雾热解法(Spay Pyrolysis)等。闭管化学气相传输法与分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积等方法相比，具有工艺简单、设备成本低、生长速度快、无毒无污染等优点。闭管化学气相传输法可望在多种衬底上生长不同厚度的ZnO单晶、微晶薄膜，并能够进行有效的p型掺杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是采用闭管化学气相传输法来生长ZnO单晶、微晶薄膜，制备出高质量的p型ZnO，进而制备出电注入p-n结型ZnO光电器件。

本发明的技术方案是：

在一端封闭的石英管内，放置纯度99％以上ZnO粉和清洗过的所需的衬底，所放位置由源区、生长区温度及控温炉的温度梯度决定，然后将石英管接真空系统，真空度低于10^-2Pa后用氢氧焰封闭石英管开口的一端，将完全封闭的石英管升温加热，ZnO源区温度控制在1000-1100℃，根据衬底的不同将衬底温度控制在400-800℃，进行ZnO单晶、微晶薄膜的生长，根据生长晶体的尺寸生长时间可控制在0.5-24小时，在生长源区或其他温区内放置掺杂源可以实现ZnO的p型掺杂。

本发明中所说的衬底是SiO₂、Si、Al₂O₃及可供生长的其他衬底，所说的掺杂源是As、P、Sb等V族元素及其化合物。

本发明的效果和益处是工艺简单、设备成本低、生长速度快、无毒无污染。本发明可望在多种衬底上生长不同厚度的ZnO单晶、微晶薄膜，并能够进行有效的p型掺杂。本发明中掺杂源的掺杂过程和ZnO晶体膜的生长过程一起进行，与先成膜后扩散的方法相比，可以避免掺杂源难于进入晶粒内部的问题。

具体实施方式

以下结合技术方案以SiO₂为衬底详细叙述本发明的具体实施方案。

具体步骤如下：

1、用标准的半导体清洗工艺对SiO₂衬底进行清洗处理。

2、在一端封闭的石英管内，放入足量的高纯ZnO粉(纯度99％以上)和清洗过的SiO₂衬底，两者之间的距离大约25cm。

3、将石英管接真空系统，真空度低于10^-2Pa后用氢氧焰封闭。

4、将完全封闭的石英管放入控温炉内升温加热，ZnO源区温度控制在1000-1100℃，衬底温度控制在500-550℃，生长时间为3小时。

5、生长结束后，自然冷却到室温，打开封闭的石英管，取出样品。