[发明专利]一种提高氧化锌单晶电阻率的退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过增加氧气分压的退火方法来提高氧化锌单晶电阻率。

背景技术

ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体材料，其禁带宽度为3.37eV，室温激子束缚能为60meV，具有优异的压电、电学、声学、光学性能，同时有较好的机械能和化学稳定性、热稳定性，在太阳能电池、紫外探测器、发光二极管(LED)、压电、声表面波等方面有着潜在的应用。

晶格完美的氧化锌的自由载流子浓度仅为4m^-3，体现为高电阻率特性，但由于固有的ZnO本征缺陷，如H填隙(H_I)，Zn占据O位(Zn_O)、填隙锌(Zn_I)或氧空位(V_O)，这些本征缺陷是施主型缺陷，因此水热法和气相法生长的ZnO单晶，无一例外都显现出n型导电性，载流子浓度高达10¹⁵-10¹⁷cm^-3，电阻率低达10^-1-10Ω·cm，然而，如果ZnO单晶应用于光电器件的单晶衬底或直接应用于压电材料上，则要求单晶的电阻率要高于10²Ω·cm，因此，必须发展出一种提高ZnO单晶电阻率的技术手段。

如上述，如果能降低如氧空位，Zn填隙，H填隙等施主型本征缺陷的浓度，同时又引入受主型缺陷，如Zn空位和O填隙，理论上可以降低载流子浓度，进而提高电阻率。高温的高压氧气氛有助于氧空位，Zn填隙，H填隙等施主型缺陷的消除，同时富氧气氛亦有助于Zn空位等受主型缺陷的形成，因此，高压氧气氛下的退火处理理论上可以降低ZnO单晶的载流子浓度，从而提高电阻率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增加氧气分压，提高低电阻率的氧化锌单晶电阻率的退火方法。

本发明的技术方案是采取在密封的石英管中，加入供氧物(可受热分解产生氧气的化合物或者它们的混合物)和ZnO单晶，加热使供氧化合物分解产生氧气，从而产生压强大于一个大气压的氧气气氛，达到提高氧化锌单晶电阻率的目的。

本发明包括以下步骤：

1)利用低电阻率的氧化锌单晶，将其和供氧化合物一起密封在抽真空的石英管内；

2)将封好的石英管放置在加热炉中进行高温保温退火，最后自然降温，获取高电阻率的氧化锌单晶；

所述的氧化锌单晶为水热法或者气相法生长的含有H杂质或氧空位或锌填隙缺陷的氧化锌单晶。

所述的供氧化合物为KMnO₄、氯酸钾或过氧化物，或者前述化合物的混合物。

所述的高温退火保温温度范围为300℃～1300℃，保温时间为1-72小时。

本发明的机理和技术特点是在通过提高氧分压的方法来消除施主型缺陷，同时增加受主型缺陷浓度的方法来提高ZnO单晶电阻率量。

本发明所采用的通过增加氧气分压对氧化锌单晶进行退火的方法，加热后，石英管中可以产生3-4个大气压的氧气氛，从而有效地抑制氧空位施主型缺陷和填隙H杂质，同时又能创造锌空位等受主型缺陷，起到降低载流子和提高电阻率的目的。

附图说明：

附图为退火设备简图，其中：1为ZnO单晶，2为供氧化合物，3为石英坩埚，4为石英管，5为马弗炉。

具体实施方式

下面通过具体实施例的阐述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

具体方案包括以下步骤：

1.采用水热法或者气相法生长氧化锌单晶。

2.将抛光切割好的氧化锌单晶放入石英坩埚中。石英坩埚内径9mm，外径13mm。

3.在另一个石英坩埚中放置0.25g的KMnO4粉末。

4.依次将两个石英坩埚放入石英管。石英管内径14mm，外径20mm。

5.对石英管进行抽低真空至4-5Pa，用湿的纸巾保住石英管底部，边抽真空边对石英管上部用氢氧焰进行封管。

6.将封好的石英管放置到加热炉中。设置退火程序：首先，从常温经过18个小时升到1100℃，在1100℃维持12个小时，再从1100℃经过1个小时降低1000℃，然后在1000℃维持12个小时，最后自然降温；

7.将石英管割开，取出氧化锌单晶。

退火前后ZnO单晶的电学性能对比如表1所示。

表1退火前后ZnO单晶的电学性能对比

实施例2