[发明专利]一种以Zn膜为基材直接制备N掺杂ZnO薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜与器件的应用领域，特别涉及一种N掺杂P型ZnO薄膜的制备方法。

背景技术

ZnO薄膜是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带氧化物半导体材料，其禁带宽为3.37eV，激子束缚能为60meV，晶格常数a＝0.35nm，c＝0.521nm，其具有优良的压电与声光特性，故作为紫外发光器件和激光器件的候选材料而备受人们的关注，但由于ZnO本征缺陷造成的化学计量比失衡，使其天然为n型半导体材料，而制备器件的关键是获得P型ZnO薄膜，同时由于在制备过程中ZnO薄膜的高电子浓度的自补偿效应以及受主浓度的原因，使P型膜的制备相当困难，因此要制备高质量的P型膜，必须重新引入新的受主杂质以提高受主浓度，同时改变其导电类型。

氮掺杂在P型ZnSe上的成功运用以及基于ZnO的理论技术都预示着氮是最理想的受主掺杂元素之一，现有的N掺杂ZnO薄膜制备方法均是以ZnO作为基材，如发明专利一种以氮气为掺杂源制备P型ZnO薄膜的方法，公开号为CN1461044A，此方法制备的P型薄膜结晶质量较差，光学性能不强，薄膜不是以最密排的柱状方式生长，很难满足现代光电学器件生产的要求。

发明内容

针对现有N掺杂ZnO薄膜制备方法存在的不足，本发明的目的在于提高一种方法简单、参数可控性强的N掺杂ZnO薄膜制备方法，制备的N掺杂ZnO薄膜性能稳定，同时为ZnO薄膜的缺陷研究提供一定理论支持。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的，一种以Zn膜为基材直接制备N掺杂ZnO薄膜的方法，包括以下步骤：

（1）选用清洁Si片作为衬底材料，以纯度为99.99%的金属锌作为溅射靶材；

（2）衬底材料放入离子束溅射腔室中，当腔室中真空度达到1.0×10^-4Pa时，通入溅射气体氩气，启动清洗枪，对衬底材料进行清洗；

（3）衬底材料清洗完成后，开启溅射枪，进行离子束镀膜，束流电压为700～800V，加速电压210～230V，束流20～30mA，放电电压为50～70V；

（4）经过离子束沉积得到的Zn膜在气氛炉中进行N₂、O₂混气退火处理直接得到N掺杂ZnO薄膜，霍尔效应检测显示，所制得薄膜为N掺杂P型ZnO薄膜。

为进一步提高本发明的效果，技术方案还具备以下特征：

步骤（4）气氛炉中通入N₂和O₂的体积比为1.5：1。

步骤（4）退火处理的温度为600～700℃，时间为2小时。

有益效果：本发明是利用离子束沉积技术，直接以氩气为溅射气体，不加入其他气体，可控性强，通过改变电流，电压等参数制备高质量Zn膜，然后以Zn膜为基材，在气氛炉中进行N₂、O₂混气退火处理直接得到N掺杂ZnO薄膜，方法简单，可操作性强，重复性好；对样品进行检测，相关数据都显示N掺杂ZnO薄膜晶体质量很好，N掺杂量较多，空穴载流子浓度较高，满足P型膜的要求，经过反复检测，其稳定性较高，能满足各种不同器件的需要，同时为P型膜的制备及ZnO薄膜的缺陷理论研究提供了一定的技术支持。与现有方法制备的P型膜相比，本方法制备的薄膜结晶质量好，光学性能强，由于制备过程中直接进行了退火处理，膜层不易脱落，薄膜的结合力非常好，而且薄膜呈最密排的柱状生长，完全可以满足现代工业中器件的生产需求。

具体实施方式

实施例1：

以纯度为99.99%的金属锌作为溅射靶材，以Si片为衬底材料，首先按照常规方法对Si片清洗，以去除表面油脂和污物，而后把其放入离子束溅射腔室中，当腔室中真空度达到1.0×10^-4Pa时，通入溅射气体氩气，启动清洗枪，对样品进行清洗5分钟，而后开启溅射枪，使其束流电压为750V，加速电压220V，束流25mA，放电电压为60V进行离子束镀膜，30分钟后得到高质量的Zn膜，把经过离子束沉积得到的高质量Zn膜在气氛炉中进行N₂、O₂混气高温退火处理，退火温度600℃，退火时间2小时， N₂、O₂流量分别为15sccm和10sccm，最后得到N掺杂ZnO薄膜。经霍尔效应检测显示薄膜为N掺杂P型ZnO薄膜，电阻率为7.28×10²欧姆.厘米，空穴载流子浓度为1.3×10¹⁶/cm³。

实施例2：