專利名稱：一種Li－N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及p型ZnO晶體薄膜的生長(zhǎng)方法，尤其是Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法。
背景技術(shù)：
要實(shí)現(xiàn)ZnO基器件的應(yīng)用，制備可控的n型和p型ZnO透明導(dǎo)電晶體薄膜是必須的。目前，人們對(duì)于n型ZnO晶體薄膜的研究已經(jīng)比較充分，通過(guò)摻雜III價(jià)元素，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、濃度可控的n型ZnO晶體薄膜的生長(zhǎng)，具有優(yōu)異的性能。然而，由于ZnO受主摻雜元素在ZnO中的固溶度很低，受主能級(jí)一般很深，空穴不易于熱激發(fā)進(jìn)入價(jià)帶，而且ZnO本身存在諸多的本征施主缺陷，如間隙鋅Zni和空位氧VO，對(duì)受主產(chǎn)生高度自補(bǔ)償作用，這些因素使ZnO的p型摻雜變得異常困難，成為制約ZnO開發(fā)應(yīng)用的瓶頸。
N是最好的受主摻雜元素，在ZnO中能夠產(chǎn)生淺受主能級(jí)，是最有可能實(shí)現(xiàn)ZnO良好p型傳導(dǎo)的一種技術(shù)。目前已有許多N摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的報(bào)道，但是得到的N摻雜p型薄膜存在一些問(wèn)題，一是p型傳導(dǎo)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性不高，二是p型傳導(dǎo)的可控性不高。
Li也是一種受主摻雜元素，在ZnO中替代Zn的晶格位置能夠產(chǎn)生淺受主能級(jí)，但是Li由于其尺寸較小，易于占據(jù)間隙位置作為施主存在，因而單獨(dú)摻Li由于其自補(bǔ)償效應(yīng)，一般得到的是高阻ZnO晶體薄膜，難以獲得性能良好的p型ZnO晶體薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述p型晶體薄膜中存在的問(wèn)題，利用Li和N各自的特點(diǎn)，提供一種Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法。
本發(fā)明的Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，采用的是脈沖激光沉積法，包括以下步驟將襯底清洗后放入激光脈沖沉積裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽到至少5×10-4Pa，以Li2O的質(zhì)量百分含量為0.05～1.5％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，以純N2O為生長(zhǎng)氣氛，在反應(yīng)室中電離，在氣體壓強(qiáng)為10～20Pa，襯底溫度為400～600℃下，進(jìn)行沉積生長(zhǎng)。
本發(fā)明中，激光脈沖沉積的激光束能量為200～400mJ，激光脈沖頻率為1～7Hz。所說(shuō)的襯底可以是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃；N2O純度為99.99％以上；N2O電離電壓為0.1～1.5kV。
ZnO晶體薄膜生長(zhǎng)的時(shí)間由所需的厚度決定；N2O氣體的壓強(qiáng)以及靶材中Li2O的含量根據(jù)摻雜濃度調(diào)節(jié)。
本發(fā)明以N2O氣體作為氮摻雜源，靶材中的Li2O作為L(zhǎng)i摻雜源。沉積過(guò)程中，含有Zn、Li的剝離原子與N2O發(fā)生反應(yīng)，生成Li-N共摻雜的p型ZnO晶體薄膜。Li和N均為ZnO的受主摻雜元素，Li的離子半徑小于Zn，N的離子半徑大于O，在Li-N共摻ZnO晶體薄膜中，Li占據(jù)Zn的晶格位置，N占據(jù)O的晶格位置，Li和N相互影響，其一，由于N較大的離子半徑，使Li更多地占據(jù)Zn的晶格位置，減少Li在間隙位置的存在，從而使Li更能有效地作為受主而存在；其二，Li和N的相互作用能夠減少N原子互相結(jié)合生成N2的可能性，而N2占據(jù)O的晶格位置會(huì)成為淺施主，弱化N的受主摻雜效果；其三，Li和N的相互作用使Li和N均能夠穩(wěn)定地存在于ZnO中，提高p型ZnO晶體薄膜的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的有益效果在于1)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)摻雜，在ZnO晶體薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)Li、N的共同摻雜；2)p型摻雜濃度可以通過(guò)調(diào)節(jié)靶材中Li2O的含量、生長(zhǎng)氣氛中N2O的壓強(qiáng)和電離電壓、激光束能量和激光脈沖頻率來(lái)控制；3)利用Li和N的相互作用，可以提高Li和N的有效受主摻雜效果，使Li-N共摻雜的ZnO晶體薄膜具有良好的p型傳導(dǎo)特性；4)利用Li和N的相互作用，可以使Li和N作為受主態(tài)在ZnO中穩(wěn)定存在，使Li-N共摻雜的p型ZnO晶體薄膜具有良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法采用的脈沖激光沉積裝置示意圖。圖中1為KrF準(zhǔn)分子激光器；2為N2O氣體的進(jìn)氣閥門；3為質(zhì)量流量計(jì)；4為自動(dòng)壓強(qiáng)控制儀；5為N2O的電離系統(tǒng)；6為靶材轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；7為觀察窗；8為機(jī)械泵和分子泵；9為襯底轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；10為聚焦鏡(F＝600mm)；11為反射鏡(R＝95％)；12為靶材架；13為生長(zhǎng)過(guò)程中的羽輝；14為樣品架；15為加熱器，16為熱電偶；圖2是實(shí)施例制得的p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜；圖3是實(shí)施例制得的p型ZnO晶體薄膜的光學(xué)透射譜。
圖4是實(shí)施例制得的p型ZnO晶體薄膜的室溫光致發(fā)光(PL)譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
將石英襯底經(jīng)過(guò)清洗后放入反應(yīng)室樣品架14上，反應(yīng)室真空度抽至3×10-4Pa，以Li2O質(zhì)量百分含量為0.1％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，將靶材置于靶材架12上，以純度99.99％的N2O作為生長(zhǎng)氣氛，經(jīng)進(jìn)氣閥門2進(jìn)入真空反應(yīng)室，真空室內(nèi)的壓強(qiáng)由自動(dòng)壓強(qiáng)控制儀4控制，壓強(qiáng)為15Pa，N2O的電離電壓為0.3kV。襯底由加熱器15加熱，本例的襯底溫度為450℃。在300mJ的激光束能量和3Hz的激光脈沖頻率下開始沉積生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間30min，在襯底上生成Li-N共摻的p型ZnO晶體薄膜。
制得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜的室溫電學(xué)性能，如表1所示，載流子濃度為1.22×1018cm-3，電阻率3.39Ωcm，載流子遷移率1.28cm2/V·s，顯示具有良好的p型傳導(dǎo)特性。
表1

上述實(shí)例制得的薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，見圖2，只有ZnO的(002)衍射峰出現(xiàn)，該峰的半高寬FWHM為0.21°，顯示本發(fā)明方法制得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有良好的結(jié)晶性能；圖3所示是上述薄膜的光學(xué)透射譜。由圖可見，在可見光區(qū)域的透射率高達(dá)90％左右，在390nm處有一很陡的基本吸收邊，顯示本發(fā)明方法制得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有良好的光學(xué)性能。
圖4所示是上述薄膜的室溫PL譜。由圖可見，在383nm處有一很強(qiáng)的紫外輻射峰，該峰是與受主相關(guān)的激子引起的近邊輻射，在PL譜中占據(jù)主導(dǎo)地位，顯示本發(fā)明方法制得的Li-N共摻雜p型ZnO晶體薄膜具有優(yōu)異的薄膜質(zhì)量和光學(xué)特性。
權(quán)利要求
1.Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是將襯底清洗后放入激光脈沖沉積裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽到至少5×10-4Pa，以Li2O的質(zhì)量百分含量為0.05～1.5％的ZnO-Li2O陶瓷片為靶材，以純N2O為生長(zhǎng)氣氛，在反應(yīng)室中電離，在氣體壓強(qiáng)為10～20Pa，襯底溫度為400～600℃下，進(jìn)行沉積生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是激光脈沖沉積的激光束能量為200～400mJ，激光脈沖頻率為1～7Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是N2O電離電壓為0.1～1.5kV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是所說(shuō)的襯底是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li-N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是所說(shuō)的N2O純度為99.99％以上。
全文摘要
本發(fā)明公開的Li－N共摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法采用的是脈沖激光沉積法，以高純N
文檔編號(hào)H01L21/02GK1772974SQ20051006127
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者呂建國(guó), 葉志鎮(zhèn), 張銀珠, 曾昱嘉, 朱麗萍, 趙炳輝 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)