專利名稱：Na摻雜生長p型ZnO單晶薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及P型ZnO薄膜的生長方法，尤其是Na摻雜生長ρ型ZnO單晶薄膜的方法。
背景技術：
制備性能優(yōu)異的η型和ρ型ZnO單晶薄膜是實現ZnO在光電領域廣泛應用的關鍵。 目前，η型SiO的研究已經比較充分，通過摻雜Al、Ga、h等施主元素，已經獲得具有優(yōu)異性能的η型ZnO單晶薄膜。然而，ZnO的ρ型摻雜卻遇到諸多困難，這主要是由于受主摻雜元素在ZnO中的固溶度低，受主能級一般較深，而且ZnO本身存在著諸多本征施主缺陷(如鋅間隙Zni和氧空位V。)，對受主產生高度的自補償效應。如何獲得具有優(yōu)異性能的ρ型SiO 單晶薄膜已成為目前制約ZnO基光電器件發(fā)展的一個瓶頸。目前國際上報道P-SiO的摻雜元素主要有V族元素N、P、As、Sb和I族元素Li、 Na。其中V族元素摻雜存在的主要問題是受主固溶度低，受主能級較深，ρ型傳導的可重復性和穩(wěn)定性較差。而I族元素相對V族元素，受主能級較淺。關于I族元素摻雜，目前采用的制備方法主要是磁控濺射和脈沖激光沉積。這兩種方法制備的ZnO薄膜，均為多晶膜， 晶體質量相對較差，本底電子濃度較高，嚴重影響了 ZnO薄膜的ρ型轉變和ρ型穩(wěn)定性、重復性?？紤]到金屬有機化學氣相沉積和分子束外延容易獲得高質量ZnO薄膜，但金屬有機化學氣相沉積需采用高純的有機源，目前市場上沒有高純的Na有機源，因此該技術無法生長Na摻雜ZnO薄膜；而分子束外延技術，是制備高純度、高性能外延薄膜的優(yōu)選，但目前還沒有用這種技術進行過Na摻雜ρ型ZnO薄膜生長。本發(fā)明利用等離子體輔助分子束外延技術，采用高純固體NaF粉末作為Na摻雜源，生長Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服目前ρ型ZnO摻雜所存在的問題，提供Na摻雜生長ρ型SiO 單晶薄膜的方法。Na摻雜生長ρ型ZnO單晶薄膜的方法，采用的是等離子體輔助分子束外延方法，包括以下步驟
將清洗處理后的襯底放入分子束外延設備中，襯底溫度加熱至400 600 °C，將純& 經過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調節(jié)生長室壓力為1X10_5 6X10_5 Torr ；以金屬Si源為反應源，固體NaF粉末為Na摻雜源，調節(jié)Si源溫度260 350 V，調節(jié)Na源溫度400 600。C ；在襯底上生長Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜，生長結束后將薄膜在氧氣氛下以小于等于5 0C /min的速率降溫冷卻至室溫。上述氧的純度為99. 9999 %以上，Si的純度為99. 9998 %以上，NaF的純度為 99. 995 %以上。所說的襯底可以是ZnO體單晶或a面藍寶石或c面藍寶石。本發(fā)明以經過射頻活化的純O2為O源，生長過程，Zn原子束流、Na離子束流與O 等離子體發(fā)生反應，在襯底上沉積生成Na摻雜ρ型ZnO薄膜。2/3頁薄膜中Na摻雜濃度由Na源溫度調節(jié)，生長時間由所需膜厚決定。本發(fā)明的有益效果在于
Na摻雜ρ型ZnO薄膜采用等離子體輔助分子束外延方法制備，有效保證了薄膜的晶體質量，P型摻雜濃度易控，制備的P-ZnO薄膜為單晶薄膜，具有優(yōu)異的電學性能、重復性和穩(wěn)定性。


圖1是Na摻雜P型ZnO單晶薄膜的χ射線衍射(XRD)圖譜。圖2是Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜的光致發(fā)光(PL)譜。
具體實施例方式實施例1
將a面藍寶石襯底進行清洗處理后放入分子束外延設備，襯底溫度加熱至600 0C，調節(jié)生長室壓力為1 X 10_5 Torr,以經過射頻活化的純O2(純度99. 9999 %)為0源，活化仏的射頻功率為350 W;金屬Si (純度99. 9998 %)源為反應源，調節(jié)Si源加熱溫度300 °C ；固體NaF粉末(純度99. 995 %)為Na源，調節(jié)Na源加熱溫度450 °C，在a面藍寶石上生長Na 摻雜P型ZnO單晶薄膜，生長時間為4 h，薄膜厚約為350 nm。生長結束后將薄膜在1 X 10_5 Torr的氧壓下以5 °C /min的速率降溫，冷卻至室溫。制得的Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜具有優(yōu)異的室溫電學性能，電阻率為33. 4 Ω cm, 空穴濃度達3. 55X IO"5 cm_3，霍爾遷移率為5. 27 cm2/V. S。并且放置數個月后電學性能無明顯變化。圖1顯示了上述薄膜的XRD圖譜，從圖中看出，除a面藍寶石襯底的衍射峰外，只有SiO的(002)和(004)衍射峰出現，且半高寬很小，表明薄膜具有優(yōu)異的結晶性能。圖2所示是上述薄膜的室溫PL譜。由圖可見，ZnO帶邊峰很強、峰型對稱，且觀測不到缺陷峰，表明薄膜具有很好的光學性能。實施例2
將ZnO體單晶襯底進行清洗處理后放入分子束外延設備，襯底溫度加熱至550 °C，調節(jié)生長室壓力為3X 10_5 Torr,以經過射頻活化的純仏(純度99. 9999%)為0源，活化仏的射頻功率為300 W;金屬Si (純度99. 9998 %)源為反應源，調節(jié)Si源加熱溫度觀5 °C ；固體NaF粉末(純度99. 995 %)為Na源，調節(jié)Na源加熱溫度400 V，在ZnO體單晶上生長Na 摻雜P型ZnO單晶薄膜，生長時間為6 h，薄膜厚約為450 nm。生長結束后將薄膜在3 X 10_5 Torr的氧壓下以3 °C /min的速率降溫，冷卻至室溫。制得的Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜具有優(yōu)異的室溫電學性能，電阻率為52. 8 Qcm, 空穴濃度達1. ^x IO16側_3，霍爾遷移率為7.6 cm2/V.s。并且放置數個月后電學性能無明
顯變化。實施例3
將c面藍寶石襯底進行清洗處理后放入分子束外延設備，襯底溫度加熱至400 °C，調節(jié)生長室壓力為6X 10_5 Torr,以經過射頻活化的純仏(純度99. 9999%)為0源，活化仏的射頻功率為350 W;金屬Si (純度99. 9998 %)源為反應源，調節(jié)Si源加熱溫度四0 °C ；固
4體NaF粉末(純度99. 995 %)為Na源，調節(jié)Na源加熱溫度500 °C，在c面藍寶石上生長Na 摻雜P型ZnO單晶薄膜，生長時間為2 h，薄膜厚約為160 nm。生長結束后將薄膜在6 X 10_5 Torr的氧壓下以5 °C /min的速率降溫，冷卻至室溫。 制得的Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜具有優(yōu)異的室溫電學性能，電阻率為45. 4 Ω cm, 空穴濃度達1. ^x IO17 cm_3，霍爾遷移率為1.07 cm2/v.s。并且放置數個月后電學性能無明顯變化。
權利要求
1.Na摻雜生長P型ZnO單晶薄膜的方法，其步驟如下將清洗處理后的襯底放入分子束外延設備中，襯底溫度加熱至400 600 °C，將純& 經過射頻活化形成的氧等離子體作為0源，調節(jié)生長室壓力為1X10_5 6X10_5 Torr ；以金屬Si源為反應源，固體NaF粉末為Na摻雜源，調節(jié)Si源溫度260 350 V，調節(jié)Na源溫度400 600。C ；在襯底上生長Na摻雜ρ型ZnO單晶薄膜，生長結束后將薄膜在氧氣氛下以小于等于5 0C /min的速率降溫冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的Na摻雜生長ρ型ZnO單晶薄膜的方法，其特征是氧的純度為99. 9999 %以上，Zn的純度為99. 9998 %以上，NaF的純度為99. 995 %以上。
3.根據權利要求1所述的Na摻雜生長ρ型ZnO單晶薄膜的方法，其特征是所說的襯底是ZnO體單晶或a面藍寶石或c面藍寶石。
全文摘要
本發(fā)明公開的Na摻雜生長p型ZnO單晶薄膜的方法，采用的是等離子體輔助分子束外延方法。將清洗處理后的襯底放入分子束外延設備中，襯底溫度加熱至400～600℃，將純O2經過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調節(jié)生長室壓力為1×10-5～6×10-5Torr，以金屬Zn源為反應源，固體NaF粉末為Na摻雜源，在襯底上生長p型ZnO單晶薄膜。采用本發(fā)明方法Na摻雜濃度易控，能有效保證薄膜的晶體質量，制備的p-ZnO薄膜為單晶薄膜，具有優(yōu)異的電學性能、重復性和穩(wěn)定性。
文檔編號C30B25/02GK102534767SQ201110449769
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者丁萍, 葉志鎮(zhèn), 潘新花, 黃靖云 申請人:浙江大學