[发明专利]Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及p型ZnO晶体薄膜的生长方法，尤其是Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法。

背景技术

ZnO做为宽禁带半导体，有着其独特的优势，在室温下的能带宽度为3.37eV，激子结合能为60meV，远大于GaN的激子结合能25meV和室温分子热运动能26meV，因此很有潜力实现高功率的半导体激光器件。但是，ZnO走向光电器件应用的重要一步就是实现稳定的p型ZnO薄膜。ZnO由于各种本征缺陷，如Zn_i，Zn_o，和非故意掺杂缺陷，如H_i，表现为n型。在ZnO中掺入受主杂质会提高系统的Madelung能量，同时造成强烈的施主补偿作用。寻找一种合适的p型ZnO掺杂源是国际上科学家一直努力的方向.国际上报道过的可以做为p型ZnO掺杂材料有V族元素：N，P，As等和I族元素Li。然而在理论计算方面，I族元素Na做为受主有着比V族元素浅的受主能级和比Li更接近Zn原子半径的性能。PLD法具有衬底温度较低、沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、生长的薄膜质量较好等优点，但是还没有用这种方法进行过Na掺杂p型ZnO薄膜生长。本发明是利用脉冲激光沉积技术，以掺Na元素氧化物的靶为激光靶材生长p型ZnO晶体薄膜的方法。

发明内容

本发明的目的是克服目前p型ZnO掺杂所存在的不足，提供Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法。

本发明的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，其步骤如下：

1)将纯氧化锌和碳酸钠粉末经球磨混合后压制成型，在600-800℃预烧结2小时以上，再在1000-1500℃烧结2小时以上，制得掺Na₂O的ZnO靶材，Na的摩尔含量为0.2-1.0％；

2)将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽到至少10^-3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为500-700℃，以掺Na₂O的ZnO为靶材，以纯O₂为生长气氛，控制O₂压强15-45pa，激光频率为1-5Hz，进行生长，生长后在氧气保护气氛下冷却。

上述的衬底可以是氧化锌、硅、蓝宝石、玻璃或石英。所说的氧化锌的纯度为99.99％以上。

本发明通过调节掺Na的摩尔含量和温度，可以制备不同掺杂浓度的p型ZnO晶体薄膜，生长的时间由所需的厚度决定。

本发明的优点：

1)可以实现实时掺杂，在ZnO晶体薄膜生长过程中同时实现p型掺杂；

2)掺杂浓度较高，由于脉冲激光沉积技术可以把靶材的成分完全复制到所生长的薄膜中，因此只要制备的靶材的掺杂剂浓度高就获得很高的掺杂浓度；

3)掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中Na的摩尔含量来控制；

4)制备的p型薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。

附图说明

图1是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；

图2是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜得光致发光谱；

图3是Na掺杂的p型ZnO晶体薄膜得光学透射谱。

具体实施方式

以下结合具体实例进一步说明本发明。

实施例1

1)取纯度为99.99％的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为0.5％，将ZnO和Na₂CO₃的混合粉末倒入玛瑙球杯中，放在球磨机上进行球磨，球磨的时间为四个小时。球磨的目的有两个：首先是为了将ZnO、Na₂CO₃粉末混合均匀，以保证制备出来的靶材的均匀性。其次，是为了将ZnO和Na₂CO₃粉末细化，以利于随后ZnO和Na₂CO₃混合粉末的成型和烧结。

球磨结束后，将粉末压制成厚度为3mm，直径为4cm的圆片。然后在800℃预烧结2小时，在1250℃下烧结3小时，保证Na₂CO₃的分解。