[发明专利]一种高迁移率铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种高迁移率铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法。该方法包括采用MOCVD法，以四乙基锡和乙醇铌为金属有机源，以氧气为氧化气体，氮气作为载气，在真空条件下在氟化镁衬底上生长铌掺杂氧化锡单晶薄膜。该氧化锡薄膜是具有单晶结构的外延材料，薄膜内无孪晶和畴结构，铌掺杂氧化锡薄膜的载流子迁移率高达83.8cm²V^‑1s^‑1，在可见光区的平均透过率达83％。用于制备透明半导体器件或紫外光电子器件。

技术领域

本发明涉及一种高迁移率铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法，属于半导体光电子材料技术领域。

背景技术

氧化锡(SnO₂)是一种具有直接带隙的宽禁带半导体材料。与氮化镓(GaN，Eg～3.4eV)和氧化锌(ZnO，Eg～3.37eV，激子束缚能为～60meV)相比较，氧化锡材料不仅具有更宽的带隙和更高的激子束缚能(室温下分别是～3.7eV和～130meV)，而且具有制备温度低、物理化学性能稳定等优点。迄今为止，对氧化锡的研究主要集中在透明导电和气敏性质及纳米材料性质等方面。目前氧化锡薄膜材料主要应用于薄膜太阳能电池和发光器件的透明电极以及气敏传感器等。

SnO₂薄膜常见的制备方法有:磁控溅射法、喷雾热解法、脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积法(CVD)、溶胶凝胶法(solgel)等。其中，常压化学气相淀积(APCVD)和磁控溅射等传统方法制备的氧化锡薄膜一般为多晶结构，薄膜的缺陷较多，结晶质量差，影响薄膜的电学和光学性质，限制了其在光电材料器件领域的应用。本征的氧化锡为n型半导体材料，并且存在自补偿作用，因此常规方法制备的氧化锡多晶薄膜，即使通过掺杂也难以获得性能优良并且稳定的P型氧化锡薄膜材料。Suzuki等人采用脉冲激光沉积法(PLD)生长了Nb掺杂SnO₂薄膜(参见Applied Physics Express 5(2012)011103)，所得薄膜为多晶结构，霍尔迁移率最高为26cm²V^-1s^-1，迁移率比较低，无法满足市场的需要。

另一方面，氧化锡单晶薄膜的外延生长首先要考虑的是衬底材料，氧化锡单晶薄膜需要与氧化锡晶格相匹配的衬底材料，目前使用最普遍的玻璃衬底、蓝宝石衬底和硅衬底材料不能满足氧化锡晶格匹配要求，这些衬底材料普遍存在晶格失配和热应力失配等问题，这会在外延层中产生大量缺陷，很难得到大面积的氧化锡单晶薄膜。

高质量的氧化锡外延薄膜材料是制备透明和紫外光电子器件的重要材料。现有技术条件下制备的SnO₂薄膜材料难以达到器件应用的标准，主要原因是传统的制备技术难以得到具有高迁移率、低缺陷密度的单晶SnO₂掺杂薄膜材料，严重影响了材料的电学性质。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高迁移率铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法。

术语解释：

MOCVD：有机金属化学气相淀积。

Nb掺杂比：Nb原子占Nb和Sn原子之和的百分比，Nb/(Nb+Sn)，原子比的简写为：％atm。

本发明的技术方案如下：

一种铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法，采用有机金属化学气相淀积(MOCVD)法，以四乙基锡(Sn(C₂H₅)₄)为有机金属Sn源，乙醇铌(Nb(C₂H₅O)₅)为有机金属Nb源，用氧气作为氧化气体，用氮气作为载气，在氟化镁衬底上外延生长铌掺杂氧化锡单晶薄膜，其中，Nb掺杂比为1.6～9％atm。

根据本发明优选的，所述铌掺杂氧化锡单晶薄膜的制备方法，其工艺条件如下：