[发明专利]硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法有效

申请号：	201410614869.5	申请日：	2014-11-05
公开（公告）号：	CN104409337B	公开（公告）日：	2017-10-27
发明（设计）人：	何丹农;卢静;李争;尹桂林;葛美英	申请（专利权）人：	上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司
主分类号：	H01L21/203	分类号：	H01L21/203;H01L21/02
代理公司：	上海东方易知识产权事务所31121	代理人：	唐莉莎
地址：	200241 ***	国省代码：	上海;31
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摘要：
搜索关键词：	掺杂氧化锌光电薄膜制备方法
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【说明书】：

技术领域

本发明属于p型ZnO半导体光电薄膜材料领域，具体涉及到一种硫和银共掺杂p型ZnO光电薄膜的制备方法与应用。

背景技术

作为宽禁带半导体材料的代表材料，ZnO具有高达3.37eV的禁带宽度和高达60meV的激子束缚能，且ZnO兼具原材料丰富，绿色无毒的特点，使得ZnO在半导体产业特别是紫外光电器件领域受到了广泛关注。但p型ZnO薄膜的难以实现日益成为制约ZnO材料器件化的瓶颈。因为1）ZnO的受主能级很深，而自身存在施主缺陷具有强烈的自补偿作用，使得本征ZnO呈现出弱n型，阻碍了浅受主能级的形成。2）多数受主元素在ZnO中的固溶度很低，极大限制了空穴浓度的提高。但目前仍旧是通过掺杂I族元素如钠、钾、锂或V族元素氮、磷等受主的方式制备p型ZnO。最近，理论研究证实：在富氧条件，银掺杂ZnO易于形成锌替位，证实银掺杂是获得p型ZnO的有效方法。但同时Yan等指出，银掺杂引入的受主能级较深（约0.4eV），这使得室温下很难得到转型所需的空穴浓度。因此如何降低银作为受主的离化能，成为获得低温下p型ZnO的重要问题。Yan等经理论研究表明：通过共掺杂硫可有效降低Ag作为受主的离化能。但密度泛函理论证实： Ag替位Zn后,将与周围的四个O原子键合。如果将周围的O原子用S原子替换掉,则形成了Ag_Zn-nS_O，n为替换掉O原子的数目。随着n增大，Ag_Zn-nS_O缺陷的电离能将降低，因此通过银和硫共掺杂可有效降低单独Ag掺杂受主能级较深的问题，对实现n型ZnO具有重要意义。但对如何实现两种元素的有效掺杂和有效控制其掺杂比例尚无进一步研究。

发明内容

本发明针对p型ZnO难以实现的问题，提供了一种通过磁控溅射和热氧化技术制备银和硫共掺p型ZnO光电薄膜方法与应用，制备的p型ZnO光电性能优异。

一种硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射和热氧化技术制备，包括以下步骤：

（1）将磁控溅射腔抽到真空环境下，并加热经严格清洗的基底，使用纯度大于99.99%的硫化锌靶材和银靶，用双靶共同溅射的方法沉积ZnS：Ag薄膜；

（2）将步骤（1）中获得的ZnS:Ag放置在氧气气氛下热氧化处理。

采用磁控溅射制备环境初始真空度不低于10^-4数量级，通入的氩气流量应控制在50-100sccm，溅射气压在3-5Pa，基底温度为250-350℃。

在富氧环境下进行热氧化处理时，其温度为600-1000℃，热氧化时间为4-10小时。

通过调整ZnS和Ag的溅射功率可以获得不同比例的ZnS:Ag薄膜，其中硫化锌靶材的溅射功率控制在50-100W，银靶靶材的溅射功率在5-20W。

本发明的特点和增益效果如下：

本发明方法采用硫化锌和银靶材共溅射的方式易于调控银和硫的共掺比例，满足不同的需求，可有效降低生产成本消耗；

本发明制备的硫和银共掺杂制备的p型ZnO薄膜的颗粒分布均匀，电学性质优异，电学性如电阻率低至10^-2量级，p型载流子浓度高达10²¹ 数量级，迁移率在1-10之间。

本发明涉及的制备方法工艺简单，参数易控，可重复性高，过程易于控制，可实现大规模的产业化生产。