[发明专利]一种p型导电氧化锌薄膜材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种p型导电氧化锌薄膜材料及制备方法。

背景技术

因具有大的禁带宽度和大的激子束缚能，ZnO能够实现室温下激子复合发光。该方式具有量子效率高和低阈值优点，故ZnO被认为是下一代光电器件的首选材料。由于本征ZnO内晶体缺陷以及非故意掺杂，致使本征ZnO呈现为n型导电。目前制约ZnO应用于半导体光电器件的主要原因是不能实现稳定、高载流子浓度的p型导电。

目前，实现ZnO p型导电的方法主要有以下四种方式：

第一，ZnO直接掺杂Ⅴ族元素N、P或As，Ⅴ族元素占据O的位置N_O而呈现出受主。N在ZnO中固溶度非常低，主要是因为ZnO中N的掺杂会引起材料的马德隆值升高；另外，Zn-N键能比较弱，容易断裂，N_O很容易形成(N₂)_O，而(N₂)_O在ZnO中是施主，可提供两个电子；再者，P与As在ZnO中是深受主，在非常大的掺杂浓度下也难以形成高空穴浓度。

第二，ZnO直接掺杂Ⅰ族元素Li、Na或K，Ⅰ族元素占据Zn的位置而呈现出受主。Li掺杂ZnO中后，Li原子会占据Zn的位置Li_Zn，形成受主；但是，由于Li原子直径非常小，Li原子除了替代Zn原子位置外，还会处于间隙位置Li_i，间隙原子Li在ZnO中是施主杂质，可以提供一个电子，根据已报道文献，ZnO直接掺杂Li原子也难以得到高空穴导电的ZnO；而Na、K在ZnO中是深受主，同样也难形成高空穴浓度。

第三，施主-受主Ⅲ-Ⅴ共掺的方法，如Al-N共掺ZnO、Ga-N共掺ZnO；由于ZnO中掺杂N会引起材料的马德隆值升高，而ZnO掺杂Ⅲ族元素会降低材料的马德隆值，这样利用Ⅲ族元素注入ZnO中来提高N掺杂浓度，发展了Ⅲ-Ⅴ族元素共掺的方法。但是，Ⅲ族元素在ZnO中是施主杂质，会在p型ZnO中形成补偿，降低载流子浓度和加剧对载流子的散射作用。

第四，双受主Ⅰ-Ⅴ共掺的方法，如Li-N共掺ZnO。该方法综合第一种方法和第二种方法，但实质没有发生变化。

综上所述，目前实现p型ZnO导电的缺陷在于：载流子浓度低、载流子迁移率低；且，在ZnO中受主杂质不稳定；另，随着时间的推移，ZnO由空穴导电易向电子导电转变。

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种实现稳定且高浓度空穴导电的p型导电氧化锌薄膜材料及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种p型导电氧化锌薄膜材料，包括衬底及生长于衬底上的外延层，所述衬底与外延层之间从上往下依次设有金属镁层、氧化镁层、生长温度逐渐升高的第一氧化锌层与第二氧化锌层；所述外延层为在氧化锌合金中掺入受主元素B和掺入稳定元素A原子形成的p型AZnO:B层。

优选地，所述衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

优选地，所述金属镁层的厚度为0.5nm～1nm。

优选地，所述氧化镁层的厚度为2nm～5nm。

优选地，所述第一氧化锌层的厚度为1nm～5nm。

优选地，所述第二氧化锌层的厚度为20nm～50nm。

优选地，所述p型AZnO:B层的厚度为500nm～800nm；其中，A原子为镁或铍原子，且A原子的含量为0～15%；B原子为氮、磷或砷。

一种p型导电氧化锌薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）清洗衬底：所述衬底在生长之前经过氢氟酸、丙酮、异丙醇、无水酒精、去离子水化学试剂清洗或浓磷酸与浓硫酸的混合液、丙酮、异丙醇、无水酒精、去离子水化学试剂清洗；然后在真空、氧气、氧等离子体、氮气、氮气等离子体氛围下退火15～30分钟，退火温度为700～1000℃，使衬底表面原子排布整齐；

2）沉积金属镁层：所述金属镁层的通过等离子体辅助分子束外延、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或射频磁控溅射沉积在衬底表面；所述金属镁层生长腔内的真空度为10^-2～10^-8Torr，衬底温度为400～600℃；且所述金属镁层的厚度为0.5～1nm；