[发明专利]p型SnO薄膜及其p-n结二极管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种p型SnO薄膜及其p-n结二极管的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)上世纪初已经出现，并且作为透明导体早已得到广泛的应用。但是，作为宽禁带半导体的应用却严重受制于缺乏高性能的p型TCO，严重阻碍了透明发光器件、透明晶体管乃至透明集成电路的实现。所以，寻找和研究新的p型TCO材料，提高现有p型TCO材料的性能具有十分重要的意义。

缺少p型TCO材料的主要原因是金属氧化物的电子结构特性。由于氧的电负性很强，金属氧化物中氧原子的2p能级往往远低于金属原子的价带电子能级，故具有离子化合物的性质，这种离子键结合导致宽带隙，同时能抑制浅受主的形成。通过掺杂引入的空穴局域在氧离子附近，即使在外加电场作用下也很难在晶格中自由移动；换句话说，也就是空穴形成了深受主能级。因此，减弱空穴局域化的程度是设计p型TCO薄膜面临的最关键问题。

价带化学修饰(CMVB)的设计概念，为解决空穴局域化问题提供了一个良好的新思路。CMVB的基本思想是在金属-氧键间引入共价键来减弱空穴局域化程度。引入的阳离子的最外层电子能级要与O^2-的2p能级相当并且要具有满壳层电子构型(d¹⁰s⁰和d¹⁰s²)。Sn²⁺具有d¹⁰s²电子构型，Sn²⁺与O^2-能级非常接近。所以SnO应该是非常好的p型TCO候选材料。

脉冲激光沉积、电子束蒸发、原子层沉积、射频磁控溅射等方法都被用于制备p型SnO薄膜，但是制备出的p型SnO薄膜的电导率都比较低。这些现有方法都是先在室温下制备p型SnO薄膜，然后再通过退火来提高薄膜质量和电导率。例如以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上形成p型SnO薄膜的方法，其中，溅射功率为50W左右，工作气体为Ar气，气压为0.2Pa左右，在室温下的石英衬底上形成p型SnO薄膜之后，再通过退火来提高薄膜质量和电导率。该方法工艺复杂，得到的p型SnO薄膜的结晶质量和电导率仍无法满足电子产品例如p-n结二极管的性能需求，有待进一步提高。

目前，p-n结二极管主要使用传统的IV族(如Si、Ge)、III-V族(如GaN、GaAs)、II-VI族(ZnS、CdTe、ZnO等)半导体材料。其中，基于宽禁带半导体GaN的发光二极管已经实现了商品化，而基于宽禁带氧化物半导体的二极管目前还存在一些问题，比如p型ZnO的稳定性很差，在较短时间内就退化为绝缘体甚至n型ZnO，因此ZnO基二极管的寿命很短，尚不实用；尽管在石英衬底上依次覆盖一层n型掺杂F的SnO₂(n-SnO₂:F)薄膜和一层p型掺杂Ga的SnO₂(p-SnO₂:Ga)薄膜的p-n结二极管已经有报道，但是p-SnO₂:Ga薄膜的导电性仍然较差，而且由于掺杂引起的结构缺陷也较多，影响了该二极管的光电性能。

SnO不需要掺杂即是一种优异的p型透明半导体，可避免因掺杂引起的结构缺陷，将其用于制备p-n结二极管可提高p-n结二极管的稳定性和光电性能，因此，目前对于制备高结晶质量、高电导率的p型SnO薄膜具有强烈需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种p型SnO薄膜及其p-n结二极管的制备方法，工艺简单易行，适合大规模生产，有利于提高p型SnO薄膜的结晶质量和电导率，以及p-n结二极管的稳定性和光电性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种p型SnO薄膜的制备方法，以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成p型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300℃，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm。

所述制备方法不涉及对所述p型SnO薄膜进行退火的操作。

所述SnO陶瓷靶的纯度为99.99wt％。

一种p-n结二极管的制备方法，包括如下步骤：

(1)以SnO陶瓷靶为靶材，采用射频磁控溅射在石英衬底上原位沉积形成p型SnO薄膜，其中，衬底温度为150-300℃，溅射功率为50-150W，工作气体为Ar气，气压为0.5-2.0Pa，气体流量为50-100sccm；