[发明专利]Ag掺杂生长p型ZnMgO晶体薄膜的方法

说明书

技术领域

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

背景技术

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体，有其独特的优势，在室温下的禁带宽度为3.37 eV, 自由激子结合能高达60 meV, 远大于GaN的激子结合能25 meV和室温热离化能26 meV, 因此更容易在室温或更高温度下实现激子增益, 是一种很有潜力实现高功率半导体激光器件的材料。但是，ZnO走向光电器件应用的关键是实现稳定可靠且低阻的p型ZnO薄膜。ZnO由于存在诸多本征施主缺陷(如Zn_i, V_o等)和非故意掺杂的H等杂质, 通常表现为n型。这些施主缺陷的存在能对掺入的受主杂质产生强烈的自补偿效应，所以难以实现ZnO的p型掺杂。

理论上，实现p型ZnO有以下几个选择：                                               族元素(Li，Na，K，Ag，Cu和Au)替代Zn的位置，或者V族元素(N、P、As、Sb)替代O的位置，可以实现ZnO的p型转变。通过第一性原理电子结构计算得出, B族元素的掺杂过程易于在富氧条件下实现元素取代Zn位形成受主杂质, 而且该缺陷形成能非常低, 而进入间隙的缺陷形成能却非常高, 所以IB族元素在ZnO薄膜中更容易取代Zn位而不是形成间隙原子。另外, 这种富氧条件生长会有效抑制对空穴载流子形成补偿的诸多本征施主缺陷(如氧空位V_O和间隙Zn_i)的形成。理论计算和分析还表明Ag在ZnO 中具有相对较浅的受主能级(0.4 eV), 与其他IB族元素(Cu、Au)相比是一种更加理想的受主掺杂元素，而且这一受主离化能可比拟于被誉为最好掺杂元素N。另一方面，通过在ZnO中掺Mg，可调节禁带宽度，实现能带工程。ZnMgO合金可运用于ZnMgO/ZnO异质结，量子阱和超晶格等结构中。这些结构运用在光电器件，如发光二极管、紫外探测器、太阳能电池之中，可以大大提高器件的性能和效率。而将p型ZnMgO层引入到ZnMgO/ZnO量子阱异质结结构中，则可进一步优化器件结构，拓宽其工作波长至紫外波段。因此，开展ZnMgO薄膜p型掺杂的研究具有非常重要的意义。脉冲激光沉积法具有沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、能实现实时掺杂且生长的薄膜质量好等优点，但是到目前为止还没有用这种方法进行过Ag掺杂生长p型ZnMgO晶体薄膜的生长。

发明内容

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

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

1）称量纯ZnO、纯MgO和纯Ag₂O粉末, 其中Mg的摩尔百分含量为10%，Ag的摩尔百分含量为0.6~1%, 经球磨混合后压制成型，然后在1200℃烧结8小时以上，制得靶材；

2）将清洗后的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为5.5 cm, 生长室背底真空度抽至10^-4 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为300~600℃，以纯O₂为生长气氛，控制O₂压强30~60 Pa，激光频率为3~5 Hz, 进行生长，生长后的薄膜在100 Pa的氧气气氛保护下冷却至室温。

上述的衬底可以是硅、蓝宝石、玻璃或石英。所说的氧气纯度为99.99％以上。纯氧化锌、纯氧化镁和纯氧化银粉末的的纯度均为99.99%。

本发明通过调节Ag的摩尔含量、衬底温度和生长气氛压强，可以制备出不同掺杂浓度的p型ZnMgO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ZnMgO晶体薄膜生长过程中同时实现p型掺杂；

2）掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中Ag的摩尔含量来控制；

3）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是本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图, 图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；

图2是实施例1的p型ZnMgO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；

图3是实施例1的p型ZnMgO晶体薄膜的室温光致发光(PL)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