[发明专利]利用溶胶－凝胶(Sol－Gel)法制备p型ZnO薄膜

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种获得p型氧化锌(ZnO)薄膜的生长方法，主要是采用溶胶-凝胶法并

结合共掺杂方法(如Ga和N共掺杂)制备p型ZnO薄膜。

二、背景技术

ZnO是II-VI族复合半导体材料的一个非常重要的代表性材料，具有许多优异的性能，是发展可见-紫外波段光发射、光探测、压电和功率电子器件的优选材料。与ZnSe利GaN相比，除了高的直接带隙(3.37eV)以外，它还具有以下几个优点：(1)具有很大的激子束缚能(60mev)，是GaN的两倍，即使在室温下，激子仍在其光学性质中占据主导地位，因而具有室温下的高的紫外光发射和较低能量的光学泵浦；(2)具有本征衬底材料；(3)可以进行湿化学法处理；(4)具有更好的抗辐射损伤的能力。另外，ZnO的带边发射在紫外区，将是非常适于做为白光LED的开始材料。因此，ZnO在蓝光和紫外光光学器件甚至白光LED方面具有非常重要的应用，因而引起研究者的重视。

目前ZnO的实际应用装置大部分都是基于多晶或非晶的ZnO材料。但是对于ZnO在光电子方面的应用，必须是高质量的单晶ZnO材料。因此，生长n型或p型电导的高质量ZnO薄膜是必要的。不幸地是，ZnO具有单一的极性，n型材料很容易原位生长得到，而p型材料却很难获得，因而难以得到p-n结的同质接触。对于p-ZnO的研究工作已经获得了部分进展，如采用N或Ga-N搀杂等。但是采用NH₃分解来进行N搀杂，具有可重复性差、高阻抗(100Ω·cm)利低载流子浓度(约1×10¹⁶cm^-3)等缺点，限制了它的进一步地应用。理论计算表明，ZnO中施主(Ga)和受主(N)的搀杂剂共搀杂可以获得p-ZnO，阻抗降低到2Ω·cm，而载流子浓度达到4×10¹⁹cm^-3。这可能是由于Ga的引入形成了N-Ga-N键，从而稳定了ZnO中搀杂的N。

在ZnO薄膜的制备，目前主要有以下几种方法：激光分子束外延(MBE)，金属有机物气相沉积(MOCVD)，微波磁控溅射(RF magnetron sputtering)和脉冲激光溅射(PLD)以及喷雾高温热解(spray pyrolysis)和溶胶-凝胶(Sol-Gel)法等。溶胶凝胶法制备ZnO，与传统的激光MBE，MOCVD，微波磁控溅射和脉冲激光溅射等方法相比，具有方法简单，无须真空设备，可望在各种各样的衬底上制备大面积ZnO薄膜和复杂组成ZnO基薄膜。

三、发明内容

本发明目的是：采用溶胶-凝胶法并结合共掺杂方法(如Ga和N共掺杂)制备p型ZnO薄膜。

本发明的技术解决方案是：

先制备Ga或N共掺杂的ZnO胶体溶液。在预先清洗好的Si片或其他衬底(石英玻璃、蓝宝石等)上滴加上述胶体溶液，以旋转衬底的方式使胶体溶液均匀涂覆。然后将薄膜在室温～100℃下放置一段时间再经过热处理。重复以上步骤若干次，获得不同厚度的ZnO薄膜。尔后在500～900℃，氨气气氛下热处理1～5小时。

最终，获得了高质量c轴取向的ZnO薄膜，并成功实现了ZnO的P型掺杂。迁移率约为10^-2cm²/V·s量级，载流子密度在10¹⁶～10¹⁸/cm³。

本发明的机理和技术特点是：

溶胶-凝胶法制备薄膜材料具有技术简单，低耗费，易于获得大面积的薄膜等优点。由于溶胶由溶液得到，胶粒内和胶粒间化学成分完全一样，可以制得多组分均匀混合物(均匀程度可达到分子级水平)，并能够制得一些用传统方法难以得到或根本得不到的产物。在本发明中，溶胶凝胶法使Ga离子均匀分布在ZnO晶粒中。氨气气氛下退火，在ZnO：Ga中形成N-Ga-N键，将N稳定在ZnO晶格中而形成p掺杂。

四、具体实施方式

具体步骤如下：

1、制备ZnO胶体溶液。将一定量分析纯醋酸锌和硝酸镓溶解在无水乙醇中，均匀

   搅拌，并滴加适量乳酸至溶液将要出现沉淀前为止。继续搅拌2小时。最终得

   到ZnO胶体溶液。其中，Ga/Zn原子浓度比为0.05％～10％。

2、在预先清洗好的Si片或其他衬底(石英玻璃、蓝宝石等)上滴加一滴0.02ml

   的上述胶体溶液，以2000～3000转/秒的速率均匀涂覆在Si片上。

3、将薄膜在室温～100℃下放置10分钟至30分钟，然后在240～300℃热处理5-10

   分钟。