CN101781749A - Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法 - Google Patents

Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法 Download PDF

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杨晓丽
陈诺夫
尹志岗
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Abstract

本发明提供一种Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：采用射频磁控溅射方法，将纯度为4N以上的ZnO和高纯Cu粉末混合压制成所需靶材；步骤2：在氩气和氧气混合气体环境中将靶材溅射沉积在衬底之上形成薄膜；步骤3：将形成薄膜的衬底进行退火处理，得到Cu掺杂的p型ZnO薄膜材料。本发明可以解决IB族元素难于实现p型ZnO材料制备的难题。

Description

Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法
技术领域
本发明提供一种制备p型氧化锌薄膜的工艺，特别是指利用磁控溅射方法制备p型氧化锌薄膜的工艺。
背景技术
氧化锌(Zinc oxide：ZnO)作为一种多功能材料已得到广泛的应用。作为II-VI族直接宽带隙半导体材料，ZnO目前已经成为半导体薄膜材料研究的热点之一。其在室温下的禁带宽度为3.37eV，对应于紫外光波长，可以实现紫外光发射，进而可以开发出短波长发光二级管；而且，ZnO具有很大的激子束缚能(60meV)，与GaN(28meV)相比高出两倍，并且ZnO以激子复合代替电子-空穴对的复合，在较低的阀值下便可产生受激发射，且激发温度较高(550℃)，在LDs领域显示出很大的开发应用潜力。目前存在的主要问题是不能得到性能稳定并且符合器件要求的p型ZnO材料。一般来说实现ZnO的p型掺杂有两种途径：I族元素占Zn位或V族元素占0位。从离化能的角度考虑，I族元素要优于V族元素。然而对于IA族元素掺杂而言也很难实现ZnO的p型掺杂，这主要是因为IA族元素电子空穴对的离化能较低以及原子的尺寸大失配。与IA族元素相比较，IB族元素原子尺寸失配度相对要小的多，对于制备p型ZnO的掺杂元素，IB族元素优于IA族元素。因此采用Cu作为掺杂剂实现ZnO的p型掺杂具有一定的可行性。
发明内容
本发明的主要目的在于：提供一种利用Cu掺杂技术制备p型ZnO薄膜的方法，解决IB族元素难于实现p型ZnO材料制备的难题。
本发明提供一种Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法，将纯度为4N以上的ZnO和高纯Cu粉末混合压制成所需靶材；
步骤2：在氩气和氧气混合气体环境中将靶材溅射沉积在衬底之上形成薄膜；
步骤3：将形成薄膜的衬底进行退火处理，得到Cu掺杂的p型ZnO薄膜材料。
其中所述靶材中Cu的含量为2mol.％。
其中所述氩气和氧气的比例为100∶1-100∶10，溅射气压范围为0-1.5sccm。
其中所述衬底是单晶Si、蓝宝石或氧化锌。
其中所述衬底的温度范围为400-600℃之间。
其中所述退火过程是在真空管内进行，退火时所用气氛为高纯氮气或高纯氧气，气压为10-3Pa，退火温度为900℃，时间为60分钟。
附图说明
为了进一步说明本发明的工艺步骤以及特点，以下结合实施例及附图对本发明作详细的描述。
图1是本发明的流程图；
图2是磁控溅射法在单晶硅衬底上制备的Cu掺杂的p-型ZnO薄膜的x射线双晶衍射图。从图中可以看到两个衍射峰，分别为ZnO(0002)以及Si(100)衍射峰。没有发现其它杂相的衍射峰，说明在单晶硅衬底上沉积的薄膜为单相结构的ZnO薄膜。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法；样品生长所用的是一台自主设计的JB-650型超高真空多靶磁控溅射仪，采用的电源工作方式为射频；反应室内有四个溅射靶，直径达到85mm，同时衬底可以旋转，保证了薄膜的厚度均匀；溅射生长薄膜所用的靶材分为A、B两靶，A靶由纯度为99.99％的ZnO粉末和高纯的Cu粉末混合均匀压制在一铜制圆托内而成，Cu元素在靶中的摩尔比含量为2％。B靶只由纯度为99.99％的ZnO粉末压制而成。使用两个靶的目的是：可以通过控制各个靶的溅射功率或者靶与衬底之间的距离而得到不同Cu掺杂含量的样品；
步骤2：在氩气和氧气混合气体环境中将靶材溅射沉积在衬底之上形成薄膜；所述氩气和氧气的比例为100∶1-100∶10；所述衬底是单晶Si、蓝宝石或氧化锌，以单晶硅片作为薄膜生长所用的衬底材料，衬底被切分为约2.0×2.0cm2的方块，依次经过丙酮，无水乙醇，去离子水的超声波振荡清洗，除去表面的油脂和污物，经氮气吹干后，将衬底放入磁控溅射反应室中，反应室的本底真空度为5×10-5Pa。准备生长；将放入生长室内的样品，加热到800℃并保温20分钟，进一步清除表面的氧化层；降至所需的衬底温度，预溅射20分钟，使靶表面的污染层溅射掉。开始薄膜的溅射生长；所述衬底的温度范围为400-600℃之间；通入反应气体氩气与氧气的混合气体(Ar∶O2＝100∶0.1)，使反应室内的气压维持在0.5Pa。旋转衬底，打开射频功率源，功率为120W，开始薄膜的溅射生长，生长时间为120分钟；薄膜沉积完成后原位自然冷却到室温。
步骤3：将形成薄膜的衬底进行退火处理，目的是激活掺入ZnO中的Cu，并提高样品的晶体质量，得到Cu掺杂的p型ZnO薄膜材料，所述退火过程是在真空管内进行；真空管依次经过丙酮，无水乙醇，去离子水的清洗，除去内部的污物，最后在加热炉内烘干。将所需退火的样品送入真空管内，抽至真空状态；退火时所用气氛为高纯氮气或高纯氧气，真空管内气压维持在1.3×10-3Pa，退火温度为900℃，时间为60分钟；退火处理结束后，样品自然冷却至室温后取出。
样品经过x射线双晶衍射分析，结果显示于图2中。从图中可以看出在单晶硅衬底上生长的薄膜为ZnO晶体结构，Cu掺杂并没有改变ZnO的六方纤锌矿结构。对该样品在室温下进行霍尔测试分析表明该ZnO薄膜为p型导电类型，电阻率为1.5Ωcm，空穴载流子浓度为8.41×1017cm-3，载流子迁移率为4cm2/Vs。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种Cu掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用射频磁控溅射方法，将纯度为4N以上的ZnO和高纯Cu粉末混合压制成所需靶材；
步骤2：在氩气和氧气混合气体环境中将靶材溅射沉积在衬底之上形成薄膜；
步骤3：将形成薄膜的衬底进行退火处理，得到Cu掺杂的p型ZnO薄膜材料。
2.如权利要求1所述的p型ZnO薄膜的制备方法，其中所述靶材中Cu的含量为2mol.％。
3.如权利要求1所述的p型ZnO薄膜的制备方法，其中所述氩气和氧气的比例为100∶1-100∶10，溅射气压范围为0-1.5sccm。
4.如权利要求1所述的p型ZnO薄膜的制备方法，其中所述衬底是单晶Si、蓝宝石或氧化锌。
5.如权利要求1或4所述的p型ZnO薄膜的制备方法，其中所述衬底的温度范围为400-600℃之间。
6.如权利要求1所述的p型ZnO薄膜的制备方法，其中所述退火过程是在真空管内进行，退火时所用气氛为高纯氮气或高纯氧气，气压为10-3Pa，退火温度为900℃，时间为60分钟。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104593733A (zh) * 2015-02-13 2015-05-06 哈尔滨工业大学 铜掺杂氧化锌纳米棒的脉冲激光沉积制备方法
CN108754443A (zh) * 2018-06-04 2018-11-06 中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司 一种提高N掺杂ZnO薄膜荧光特性的方法

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