[发明专利]p型碲化锌单晶薄膜材料的掺杂方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，涉及一种p型碲化锌单晶薄膜材料的掺杂方法，特别是一种利用双能态氮离子注入法制备p型掺杂碲化锌单晶薄膜材料的方法。

背景技术

碲化锌是一种重要的II-VI族化合物半导体材料，室温下的禁带宽度为2.26eV，属于直接带隙能带结构。碲化锌在制造绿光发光二级管(LED)、太阳能电池、太赫兹探测器、光波导等光电器件中有很好的应用前景。由于碲化锌体单晶材料生长困难、晶片尺寸小、价格昂贵，故常见的碲化锌器件大多数都是在异质外延生长的薄膜上制造的。目前制备碲化锌单晶薄膜的常用技术有分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和液相外延三种外延生长方法，常用的衬底材料有砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)和碲化锌(ZnTe)晶片等。本征碲化锌单晶体或非有意掺杂的碲化锌单晶薄膜一般呈现高阻或弱p型导电状态，在器件制造工艺中常常需要对它做特定载流子浓度的n型或p型掺杂，其中n型掺杂元素有氯(Cl)或铝(Al)，p型掺杂元素最常用的是氮(N)，具体工艺有原位掺杂(MBE、MOCVD)、离子注入和热扩散三种掺杂方法。原位掺杂法易制备出掺杂浓度均匀的高质量碲化锌单晶薄膜，但存在着工艺控制复杂的问题；离子注入法具有掺杂浓度精确可控、工艺简单、可实现选区掺杂的优势，但在薄膜晶体中特别是表面层中将产生一定程度的晶格缺陷，必须做快速热退火处理以修复晶体缺陷和激活掺杂元素的电活性；热扩散法的工艺很简单，但掺杂浓度不易精确控制，也很不均匀，高温工艺时间较长易破坏器件材料异质结构的陡峭界面，仅在个别情况下有运用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种p型碲化锌单晶薄膜材料的掺杂方法，该方法与现有的微电子器件制造工艺相兼容，易于实施。此外，本方法还可适用于本征碲化锌体单晶表面的p型掺杂，以及供其它II-VI族化合物半导体薄膜材料做p型掺杂实验时参考。

本发明提供一种p型碲化锌单晶薄膜材料的掺杂方法，包括如下步骤：

步骤1：取一单晶衬底；

步骤2：在单晶衬底上，外延生长单晶薄膜；

步骤3：在单晶薄膜的表面上沉积一层SiO₂纳米薄膜；

步骤4：利用双能态氮离子注入的方法，从SiO₂纳米薄膜的表面向下注入氮元素，在SiO₂纳米薄膜的下面形成p型掺杂层，形成样品；

步骤5：对样品做快速热退火处理；

步骤6：去除样品表面的SiO₂纳米薄膜，完成制备。

本发明的有益效果是与现有的微电子器件制造工艺相兼容，易于实施，实现了碲化锌e单晶薄膜材料的可控高浓度p型掺杂，并有效减少离子注入对材料表面晶格的损伤，抑制热退火时碲化锌分解形成碲元素挥发的问题。此外，本方法还可适用于本征碲化锌体单晶表面的p型掺杂，以及供其它II-VI族化合物半导体薄膜材料做p型掺杂实验时参考。

附图说明

为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1本发明的工艺流程图；

图2是氮离子注入法制备p型掺杂碲化锌单晶薄膜材料的结构示意图；

图3是碲化锌表面沉积80nm SiO₂薄膜后用SRIM-2010软件模拟双能态氮离子注入的计算结果。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明提供一种p型碲化锌单晶薄膜材料的掺杂方法，包括如下步骤：

步骤1：取一单晶衬底10，所述单晶衬底10的材料为ZnTe、GaSb、GaAs或Si晶片。例如：选用开盒即用的2英寸半绝缘GaAs(001)晶片为衬底材料。

步骤2：在单晶衬底10上，外延生长单晶薄膜11，该单晶薄膜11为非有意掺杂，其厚度大于100nm，所述外延生长单晶薄膜11是采用分子束外延或金属有机物化学气相沉积。例如：采用分子束外延生长设备异质外延生长碲化锌单晶薄膜材料。实验选用6N纯度(≥99.9999％)以上的Zn、Te为分子束源，在优于10-7Pa的背景真空度下，在衬底温度630-680℃下先除去GaAs衬底表面上的自然氧化层，然后在衬底温度320℃下外延生长30nm的碲化锌低温缓冲层，再在360-380℃下生长高质量的碲化锌单晶薄膜层。分子束源的VI／II比控制在4.0-6.4之间，外延生长2小时碲化锌薄膜的厚度约800nm左右。