[发明专利]一种双受主共掺杂生长p-(K-N):ZnO薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种I-V族双受主共掺杂生长p型氧化锌薄膜的方法，具体是一种双受主共掺杂生长p-(K-N):ZnO薄膜的方法，属于半导体光电薄膜材料与器件技术领域。

背景技术

短波长光电子材料和器件的研究对于提高光通信带宽和光信息记录密度有着非常重要的作用。氧化锌（ZnO）具有室温短波长光电材料所要求的许多优异特性，特别是高达～60meV的激子束缚能，使其在紫外/近紫外短波长光电领域极具应用潜力。而ZnO的p型掺杂困难是影响其广泛应用的主要瓶颈之一。作为一种II-VI族化合物半导体，ZnO的p型掺杂剂主要集中在VA族或IA族元素。单一掺杂剂在ZnO中的固溶度较低，掺入后受主杂质离化困难，不易呈p型导电。双受主在ZnO晶体中分别替位Zn、O原子，可以形成稳定的受主基团，提高掺杂浓度，降低离化能，从而提高空穴载流子浓度和降低受主能级，使ZnO呈现p型导电。钾（K）元素在第IA族中由于具有较大的原子半径从而可降低生成填隙缺陷的可能性，而氮（N）是第VA族p轨道能级最低、最有希望获得浅受主能级的掺杂元素。两者共掺入ZnO晶体后，可获得稳定的p型材料。

磁控溅射法具有成膜效率高、靶膜成分易保持一致、操作简易方便、可与表面集成工艺相兼容等优点，目前还没有用这种方法进行过K-N共掺的p-ZnO薄膜生长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双受主共掺杂生长p-(K-N):ZnO薄膜的方法。

本发明方法的具体步骤是：

步骤①分别将分析纯氧化钾（纯度为质量百分比≥99.99﹪）粉末和分析纯氧化锌（纯度为质量百分比≥99.99﹪）粉末按照质量比0.1～1.0：100在球磨机中球磨混合8～15小时，再在600～1000℃下预烧2～6小时，研磨成粉体后加入粘结剂聚乙稀醇，形成前驱粉；加入的聚乙稀醇的纯度为质量百分比≥99.99﹪，加入的量为分析纯氧化锌质量的2～5﹪；

步骤②将前驱粉压制成圆片，在1200～1500℃下烧结1～4小时，得到掺K:ZnO圆片，用作磁控溅射的靶材；圆片的直径和厚度根据射频磁控溅射装置对靶材尺寸要求设定；

步骤③将制得的掺K:ZnO靶材以及表面清洁后的单晶蓝宝石衬底分别放入射频磁控溅射装置的真空腔内，靶材与衬底之间的距离为4～6cm，用挡板将衬底完全挡住，对真空腔内进行抽真空，同时将衬底加热至450～650℃；

步骤④当真空腔内的真空度达到10^-3～10^-4Pa时，向真空腔内通入氩气和一氧化氮气的混合气，混合气中一氧化氮气的分压比为10～25%；

步骤⑤调节真空腔内的气压至0.8～1.5Pa时，开启磁控溅射装置中的射频电源，调节其功率为80～150W，起辉后保持溅射气压不变，预溅射10～30 min后，移开衬底挡板，同时打开衬底自转开关使衬底转动，进行K-N共掺的氧化锌薄膜生长；

步骤⑥生长的薄膜达到所需厚度后，关闭射频电源，关闭氩气和一氧化氮气开关；通入氧气，流量为5～10 SCCM（标准立方厘米每分钟），然后进行原位退火，退火时间为20～100min，退火温度为400～650℃。

步骤④中所述的氩气和一氧化氮气纯度大于等于99.999﹪。

步骤⑥中所述的氧气纯度大于等于99.999﹪。

本发明通过调节K₂O在ZnO中的质量百分比和NO气分压比，可以制备不同掺杂浓度的p型ZnO薄膜，生长的厚度由射频电源功率与生长时间决定。

本发明具有的有益效果是：

1.可有效避免填隙缺陷的生成，由于K离子半径较大，其填隙形成能远高于替位形成能，从而更倾向于形成受主替位缺陷。

2.掺杂浓度较高，由于形成K_Zn-N_O的受主－受主基团，有利于提高K、N元素在ZnO中的固溶度，从而提高空穴载流子浓度。

3.可以在ZnO晶体薄膜生长的同时，实现K、N双受主的一步共掺杂。

4.掺杂浓度可控，通过调节靶材中的KOH与ZnO质量比、NO气分压比可控制ZnO薄膜晶体中K、N杂质的含量。

5.制备的p型ZnO薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性较好。

附图说明