CN101235536A - Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的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，首先将纯氧化锌和碳酸钠粉末球磨混合后压制成型，烧结，制得掺Na2O的ZnO靶材；然后在脉冲激光沉积装置的生长室中，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，在衬底生长p型ZnO晶体薄膜。本发明方法可以实现实时掺杂，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。采用本发明方法制备的p型ZnO晶体薄膜具有良好的电学性能，重复性和稳定性。
Description
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Zni，Zno，和非故意掺杂缺陷，如Hi，表现为n型。在ZnO中掺入受主杂质会提高***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。
2)以石英为衬底，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5×10-3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为600℃，以掺Na2O的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5cm，以纯O2为生长气氛，控制O2压强45pa，激光频率为5Hz，激光工作电压为27 KV，进行生长，生长的时间为60min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300nm的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜。
制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为27.7Ωcm，载流子浓度为4.64×1017cm2/Vs，迁移率为0.76cm-3。并且放置两个月后电学性能无明显变化。
图1显示了薄膜的X射线衍射图(XRD)图，只有ZnO的(0002)和(0004)峰的出现，并且半高宽较小，表明薄膜良好的结晶性能。
图2是上述薄膜的光致发光谱，位于3.23eV很强的带边峰和微弱的绿光峰证明了制备的Na掺杂型薄膜的良好光致发光性能，为进步制备电致发光器件奠定基础。
图3是上述薄膜的光学透射谱。由图可见，在可见光区域的透射率高达90％，在380nm附近有陡峭的带边吸收边，显示了良好的光学透射性能。
实施例2
1)取纯度为99.99％的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为1.0％，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。球磨结束后，将粉末压制成厚度为3mm，直径为4cm的圆片。然后在600℃预烧结2小时，在1400℃下烧结3小时。
2)以玻璃为衬底，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5×10-3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为550℃，以掺Na2O的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5cm，以纯O2为生长气氛，控制O2压强30pa，激光频率为3Hz，激光工作电压为27KV，进行生长，生长的时间为60min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300nm的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜。
制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为63.8Ωcm，载流子浓度为1.72×1017cm2/Vs，迁移率为0.57cm-3。并且放置两个月后电学性能无明显变化。
实施例3
1)取纯度为99.99％的氧化锌和碳酸钠粉末，Na摩尔含量为0.2％，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。球磨结束后，将粉末压制成厚度为3mm，直径为4cm的圆片。然后在600℃预烧结2小时，在1400℃下烧结3小时。
2)以玻璃为衬底，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5×10-3Pa，然后加热衬底，使衬底温度为700℃，以掺Na2O的ZnO为靶材，调整衬底和靶材的距离为5cm，以纯O2为生长气氛，控制O2压强30pa，激光频率为3Hz，激光工作电压为27 KV，进行生长，生长的时间为60min。生长后在氧气保护气氛下冷却，得到厚度为300nm的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜。
制得的Na掺杂p型ZnO晶体薄膜在室温下有优异的电学性能，电阻率为49Ωcm，载流子浓度为1.52×1017cm2/Vs，迁移率为0.84cm-3。并且放置两个月后电学性能无明显变化。
Claims (3)
1.Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是步骤如下：
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。
2.根据权利要求1所述的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是所说的衬底是氧化锌、硅、蓝宝石、玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述的Na掺杂生长p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是氧化锌的纯度为99.99％以上。
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