CN1265434C - 一种制备p型ZnO晶体薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的制备p型氧化锌晶体薄膜的方法，步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-2Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，控制生长室内部压力在10-2-10000Pa范围里，用高纯载气将高纯有机锌源输入生长室中，同时将高纯N2O和高纯NO气体输入生长室，有机锌源、N2O和NO的摩尔流量分别为0.1～1×103μmol/min、1～1×105μmol/min和1～1×105μmol/min，锌源、氧源和氮源在衬底反应生长，得到掺杂浓度为2.0×1015cm-3-5.0×1019cm-3，电阻率为0.1-1×104Ω·cm的p型氧化锌薄膜。本发明制备方法具有重复性和稳定性好，制得的p型氧化锌薄膜晶体质量高，均匀性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及p型氧化锌晶体薄膜的制备方法。具体说是关于金属有机化学汽相沉积氧化锌晶体薄膜过程中，实时掺氮生长p型氧化锌晶体薄膜的方法。
背景技术
氧化锌一种重要的宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.3ev，适合于制造蓝紫光固体发光器和探测器。但要实现氧化锌基发光器件的应用，生长可控的具有一定载流子浓度的n型和p型氧化锌晶体薄膜是必须的。目前，人们对于n型氧化锌晶体薄膜的研究已经比较充分，已经能够实现实时、浓度可控的低阻n型氧化锌晶体薄膜的生长。但要制备出氧化锌基发光器件，必须制备氧化锌pn结。由于氧化锌存在诸多的本征施主缺陷和掺杂引起的缺陷，它们会对受主产生高度自补偿作用；而且，氧化锌受主能级一般较深(N除外)，空穴不易于热激发进入价带，受主掺杂的固溶度也很低，因而难以实现p型转变，是成为制约氧化锌实现开发发光器件的瓶颈。目前氧化锌晶体薄膜的p型掺杂研究还处于开始阶段，浓度可控，重复性好的p型氧化锌薄膜还难以实现。
目前文献报道p型氧化锌晶体薄膜的掺杂主要有四种方法：(1)利用高活性的氮作为掺杂剂掺氮，(2)镓和氮的共掺杂，(3)掺砷，(4)掺磷。其中采用到的具体的氧化锌薄膜制备方法仅限于分子束外延、激光脉冲沉积、磁控溅射和扩散等方法，而这些方法由于材料的质量、制备成本等原因使得它们的工业利用价值不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种在金属有机化学汽相沉积过程中利用活性较高的NO作为氮源气体进行实时掺氮，同时加入N2O来抑制本征缺陷的产生，生长电阻可控的p型氧化锌晶体薄膜的方法。
本发明的制备p型氧化锌晶体薄膜的方法，步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-2Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，控制生长室内部压力在10-2-10000Pa范围里，用纯度＞99.999％的高纯载气将纯度＞99.999％的高纯有机锌源输入生长室中，同时将纯度＞99.9％的高纯N2O和纯度＞99％的高纯NO气体输入生长室，有机锌源、N2O和NO的摩尔流量分别为0.1～1×103μmol/min、1～1×105μmol/min和1～1×105μmol/min，锌源、氧源和氮源在衬底反应生长，得到掺杂浓度为2.0×1015cm-3-5.0×1019cm-3，电阻率为0.1-1×104Ω·cm的p型氧化锌薄膜。
上述的有机锌源可以是二乙基锌或二甲基锌；载气可以是氮气或氢气或氩气；所说的衬底是硅片或蓝宝石或玻璃或氧化锌或氮化镓或碳化硅。
本发明生长p型氧化锌晶体薄膜过程中同时使用了高纯N2O和NO两种气体，ZnO薄膜生长所需的氧源由N2O和NO中的氧原子共同提供，而薄膜的p型掺杂所需的氮源由NO中的氮原子为提供。N2O和NO两种气体可以混合后再通入生长室，也可以分别通入生长室，在生长室再混合。N2O和NO还可以用N2、H2或Ar加以稀释后使用。
其掺氮原理在于氮氧键结合能较低而活泼的NO气体可以为反应提供氮源并提供氧源，同时N2O气体的存在为反应提供了足够的氧，从而抑制了氧空位和锌间隙的形成，而氧空位和锌间隙都是施主、提供电子，因此减少这两种本征缺陷就降低了它们对空穴的补偿，提高了空穴的有效浓度。另外空穴的浓度可以通过调节NO和N2O的配比和流量大小控制薄膜中氮的掺杂量，从而调节薄膜的电阻率的大小。
本发明制备方法具有重复性和稳定性好，制得的p型氧化锌薄膜晶体质量高，均匀性好等优点。
附图说明
图1是根据本发明方法采用的金属有机化学汽相沉积装置示意图。
图中：1为生长室；2为有机锌源载气进气管；3为NO和N2O进气管；4为衬底加热器；5为转动电机；6为排气口；7为样品架；8为衬底。
具体实施方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。
先将蓝宝石衬底经过表面清洗后放入反应室样品架7上，然后关闭各个进气口，抽真空度到10-2pa，由衬底加热器4对衬底加热使其温度达到450℃，从进气管路2、3分别将含有高纯二乙基锌(纯度＞99.999％)的氮气、高纯N2O(纯度＞99.9％)和NO(纯度＞99％)通入生长室1，使二乙基锌、NO和N2O的摩尔流量分别10μmol/min、2000μmol/min和1000μmol/min，并维持生长室内的压力使其被控制在100Pa，反应物在衬底表面反应，得到掺杂浓度为1.2×1018cm-3，电阻率约为10Ω·cm，晶体质量较好的p型氧化锌薄膜。
Claims (4)
1.一种制备p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是步骤如下：先将衬底表面清洗后放入金属有机化学汽相沉积生长室中，生长室真空度抽到至少10-2Pa，然后加热衬底，使衬底温度为350～950℃，控制生长室内部压力在10-2-10000Pa范围里，用纯度＞99.999％的高纯载气将纯度＞99.999％的高纯有机锌源输入生长室中，同时将纯度＞99.9％的高纯N2O和纯度＞99％的高纯NO气体输入生长室，有机锌源、N2O和NO的摩尔流量分别为0.1～1×103μmol/min、1～1×105μmol/min和1～1×105μmol/min，锌源、氧源和氮源在衬底反应生长，得到掺杂浓度为2.0×1015cm-3-5.0×1019cm-3，电阻率为0.1-1×104Ω·cm的p型氧化锌薄膜，上述的有机锌源为二乙基锌或二甲基锌。
2.根据权利要求1所述的制备p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是所说的载气是氮气或氢气或氩气。
3.根据权利要求1所述的制备p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是N2O和NO可以用N2、H2或Ar加以稀释后使用。
4.根据权利要求1所述的制备p型ZnO晶体薄膜的方法，其特征是所用的衬底是硅片或蓝宝石或玻璃或ZnO或氮化镓或碳化硅。
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