[发明专利]脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料领域，具体涉及一种Al-N共掺杂P型ZnO薄膜的制备。 

背景技术

氧化锌（ZnO）是一种禁带能为3.2eV的半导体材料，由于其独特的光电性能和压电性能，被广泛地应用于各个领域，例如光电导、发光器件、激光器、透明导电薄膜、气体传感器和太阳能电池等。ZnO本质上是N型导电，通过掺入Al或Ga等元素已经制备出了性能较好的N型ZnO薄膜，但由于受主元素在ZnO中较低的固溶度、较深的受主能级、施主缺陷的自补偿等缘故，很难制备出优良的P型ZnO薄膜。 

ZnO薄膜的制备方法有很多种，如金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、溶胶凝胶法（Sot-Gel）和脉冲激光沉积法（PLD）等等。与其它方法相比，脉冲激光沉积法具有简单的结构且操作方便，已经被广泛的应用于制备高质量的薄膜材料。目前，采用PLD法，通过Ga-N和In-N共掺杂可以制备P型ZnO薄膜，但是，Ga和In的成本高，反应施主杂质的极化能In<Ga<Al。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种性能优良的脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜，方法如下：

1）靶材的选择：采用Al-Zn靶，其中Al含量为2.5 wt.%~3.5 wt.%；

2）石英玻璃衬底的清洗；

3）抽真空：将清洗后的石英玻璃片放入沉积室，将沉积室抽真空至3.0×10^-4 Pa ~7.0×10^-4 Pa； 

4）向沉积室里充N₂O气体（纯度为99.99%）：使N₂O气体压强在3~7 Pa；

5）薄膜沉积：采用脉冲激光器在石英玻璃衬底温度为480~520 ℃，沉积48~52 min。

上述的脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜，所述的石英玻璃衬底清洗的方法如下：在超声波震动仪内，先用丙酮清洗三次，每次清洗时间为10min~15min，然后用乙醇清洗10min~15min。 

本发明的有益效果：本发明的脉冲激光沉积法结构简单且操作方便，可以通过调节激光能量、脉冲宽度及激光频率等来控制薄膜的原子层厚度；本发明采用Al-N共掺杂，与Ga-N和In-N共掺杂中的Ga或In相比，Al原料丰富、价格低廉；本发明采用Al-Zn靶，与氧化锌陶瓷靶相比制备工艺简单、成本低廉；本发明制备的Al-N共掺杂P型ZnO薄膜具有高度的002晶面优先取向和良好的结晶质量，表现出优异的光学性能。 

附图说明

图1是本发明使用的脉冲激光沉积装置的示意图。图中编号1为Al-Zn靶，编号2为石英玻璃衬底，编号3为激光束，编号4为羽辉。 

图2是不同的N₂O分压下制备的Al-N共掺杂P型ZnO薄膜的XRD图谱。 

图3是不同的N₂O分压下Al-N共掺杂P型ZnO薄膜的透光率图。 

图4当N₂O分压为5Pa时，Al-N共掺杂ZnO薄膜的XPS图谱。 

具体实施方式

实施例1 脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜及性能情况 

（一）脉冲激光沉积法制备Al-N共掺杂P型ZnO薄膜

采用装置如图1所示，制备方法如下：

1）靶材的选择：采用Al-Zn靶，其中Al含量为3wt.%；

2）石英玻璃衬底的清洗：在超声波震动仪内，先用丙酮清洗三次，每次清洗时间为15min，然后在超声波震动仪内用乙醇清洗15min；

3）抽真空：将清洗后的石英玻璃片放入沉积室，将沉积室抽真空至5.0×10^-4 Pa；

4）向沉积室里充N₂O气体（纯度为99.99%）：使N₂O气体压强在5Pa；

5）薄膜沉积：采用Nd：YAG脉冲激光器在频率为20HZ、波长1064nm、脉冲宽度100ns、激光能量密度为0.208J/cm²，石英玻璃衬底温度为500℃，沉积时间为50min，衬底与靶材的距离为2.5 cm，衬底与靶材保持同速旋转。