[发明专利]一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及氧化锌制备的技术领域，具体涉及一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法。

背景技术

氧化锌薄膜是一种重要的光电器件材料，它是继GaN之后光电子领域的重要研究方向。它是宽禁带的直接带隙材料，六角纤锌矿结构，具有高达60meV的激子结合能。本征ZnO由于存在缺陷，使得ZnO呈n型，p型薄膜难以制备。氮掺杂在理论上的计算使得p型ZnO的制备成为可能。目前已有通过脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延等方法制备该薄膜。而N₂，NO，NH₃等气体作为氮源也一直在研究中。但是目前所使用的方法，过程都比较复杂，而且效果不是很理想，掺入到分子间隙中的N原子要多于取代O的N原子，因此需要采用另外一种方法，把掺杂的N原子用生长的方式注入到分子结构中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法，使用该方法可以简单的将氮元素掺杂在氧化锌薄膜中，且制备出的薄膜结构完整，性能显著。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；

步骤（2），向所述原子层沉积设备反应腔中通入含锌源气体，所述含锌源气体中的锌原子吸附在所述硅衬底上；

步骤（3），以氮气为载气向原子层沉积设备反应腔中输送氢气，同时进行等离子体放电，所述氮气电离后部分氮原子与部分所述锌原子形成共价键，氮原子未成键的电子和电离的氢原子成键；

步骤（4），向原子层沉积设备反应腔中通入含氧源，未与所述氮原子反应的锌原子与所述含氧源中的氧原子形成锌氧键；

步骤（5），重复步骤（2）、（3）、（4）即可逐层生长含氮原子的氧化锌薄膜。

上述方案中，所述步骤（1）之前还包括：所述硅衬底的表面经过标准液和氢氟酸处理，在所述硅衬底的表面形成硅氢键。

上述方案中，所述步骤（2）中的含锌源气体为氯化锌。

上述方案中，所述步骤（3）中氮气的流量为1sccm-1000sccm，进气时间为0.1s-1s，反应时间为1s-10s，清洗时间为5s-60s，基盘温度为100℃-500℃。

上述方案中，所述步骤（3）中氮气的流量为15sccm，进气时间为1s，反应时间为5s，清洗时间为20s，基盘温度为300℃。

上述方案中，所述步骤（3）中氢气的流量为1sccm-6sccm。等离子体放电功率为1W-100W，放电时间为1s-10s。

上述方案中，所述步骤（3）中等离子体放电功率为40W，放电时间为3s。

上述方案中，所述步骤（4）中的含氧源为水。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明利用ALD设备对氧化锌薄膜进行氮掺杂，该方法简单易行，利用原子层沉积单层循环生长的特点，在氧化锌薄膜生长的过程中实现均匀的在整个薄膜结构中掺杂氮原子，使得掺杂后的薄膜结构完整，性能显著。

附图说明

图1为本发明实施例中硅衬底表面经过处理的形成Si-H键的示意图；

图2为本发明实施例中向原子层沉积反应腔通入氯化锌的示意图；

图3为本发明实施例中氯化锌和硅衬底表面发生反应，锌原子吸附在硅衬底表面的示意图；

图4为本发明实施例中向原子层沉积反应腔通入氮气和氢气的示意图；

图5为本发明实施例中氮气和氢气在原子层沉积反应腔中电离的示意图；

图6为本发明实施例中氮气电离后的氮原子部分沉积与硅衬底表面的锌原子形成共价键的示意图；

图7为本发明实施例中向原子层沉积反应腔通入水，硅衬底里表面未与氮原子反应的锌原子与氧原子形成锌-氧键的示意图；

图8为本发明实施例中一个反应周期结束后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

本发明实施例提供一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤101，通过标准液和氢氟酸处理硅衬底表面，在硅衬底表面形成硅氢键，如图1所示，其中，标准液是指：1号液，浓硫酸:双氧水=4:1；2号液，氨水:纯净水:双氧水=1:5:1；3号液，盐酸:双氧水:纯净水=1:1:6；将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；