專利名稱：Li摻雜生長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晶體薄膜的生長方法，尤其是Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法。
背景技術(shù)：
制備可控的n型和p型ZnO透明導(dǎo)電晶體薄膜是實現(xiàn)ZnO基光電器件應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，人們對于n型ZnO晶體薄膜的研究已經(jīng)比較充分，通過摻雜Al、Ga、In等施主元素，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)異性能的n型ZnO晶體薄膜的實時摻雜生長。然而，ZnO的p型摻雜卻遇到諸多困難，這主要是由于受主摻雜元素在ZnO中的固溶度很低，受主能級一般很深，而且ZnO本身存在著諸多本征施主缺陷(如間隙鋅Zni和空位氧VO)，對受主會產(chǎn)生高度的自補償效應(yīng)。如何實現(xiàn)具有優(yōu)異性能的p型ZnO薄膜的實時摻雜已成為目前制約ZnO基光電器件發(fā)展的一個瓶頸。
目前國際上所報道p-ZnO的摻雜元素都集中在V族元素，例如N、P、As等，其中又以N摻雜最為普遍。但V族元素?fù)诫s還存在一些問題諸如受主的固溶度低，受主能級較深，p型傳導(dǎo)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性不高。而對于I族受主元素?fù)诫s的可行性則存在爭議。不同的理論計算給出矛盾的結(jié)果，而實驗方面也沒有通過I族元素?fù)诫s實現(xiàn)p-ZnO的報道。因此對于何種元素為p-ZnO最佳受主的問題還未有定論。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述V族元素?fù)诫s所存在的問題，提供Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法。
Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，采用的是磁控濺射法，包括以下步驟將襯底清洗后放入直流反應(yīng)磁控濺射裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽至高于5×10-3Pa，以鋰摩爾百分含量為0.1～1％的鋅鋰合金為靶材，以純氧氣和純Ar作為濺射氣氛，將兩種氣體分別由質(zhì)量流量計控制輸入緩沖室，O2∶Ar＝1∶2～2∶1，在緩沖室充分混合后引入真空反應(yīng)室，在3～5Pa壓強下，襯底溫度為400～600℃，進(jìn)行濺射生長，生長結(jié)束后薄膜在Ar氣氛下退火2～5min，退火溫度為450～550℃。
上述純氧的純度為99.99％以上，Ar的純度為99.99％以上。所說的襯底可以是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃。
本發(fā)明以O(shè)2作為氧源，Ar作為輔助濺射氣氛。濺射過程，濺射原子(含有Zn、Li原子)在Ar的保護下與O2發(fā)生反應(yīng)，在襯底上沉積生成Li摻雜的p型ZnO晶體薄膜。
靶材中Li含量以及O2和Ar的分壓比根據(jù)摻雜濃度調(diào)節(jié)，生長時間由所需膜厚決定。后續(xù)的Ar保護退火能有效地改善薄膜的電學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明的有益效果在于方法簡單，p型摻雜濃度可以通過調(diào)節(jié)靶材中Li的含量和生長氣氛中O2∶Ar的不同分壓比來控制；在ZnO晶體薄膜生長過程中可以實現(xiàn)受主Li的實時摻雜；由于摻雜元素來自靶材，因此可以實現(xiàn)高濃度摻雜；本發(fā)明與V族元素?fù)诫s相比，以金屬Li離子替代摻雜具有更淺的受主能級，制得的p-ZnO薄膜具有良好的電學(xué)性能，重復(fù)性和穩(wěn)定性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法采用的直流反應(yīng)磁控濺射裝置示意圖。圖中1和2分別為O2和Ar的進(jìn)氣管路；3為質(zhì)量流量計；4為緩沖室；5為樣品架；6為加熱器；7為真空計；8為自動壓強控制儀；9為S槍；10為擋板；11為氣體導(dǎo)入管；圖2是實施例制得的p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜；圖3是實施例制得的p型ZnO晶體薄膜的光學(xué)透射譜。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖通過實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
將石英襯底經(jīng)過清洗后放入反應(yīng)室樣品架5上，襯底欲沉積表面朝下放置，可有效防止顆粒狀的雜質(zhì)對襯底的玷污，反應(yīng)室真空度抽至1×10-3Pa，以鋰摩爾百分含量為1％的鋅鋰合金為靶材，將靶材置于S槍9上，以純度99.99％的O2和純度99.99％的Ar作為濺射氣氛，將兩種氣體分別經(jīng)進(jìn)氣管1和2進(jìn)入緩沖室4，在緩沖室充分混合后通過氣體導(dǎo)入管11引入真空反應(yīng)室，真空室內(nèi)的壓強由自動壓強控制儀8控制，壓強為4Pa。O2和Ar分壓比根據(jù)摻雜需要，可通過流量計3調(diào)節(jié)，本例為O2∶Ar＝1∶1，在36W的濺射功率下開始濺射過程，襯底溫度為550℃，生長時間為30min，薄膜厚約為350nm。生長結(jié)束后薄膜在Ar氣氛下退火2min，退火溫度為500℃制得的Li摻雜p型ZnO晶體薄膜具有優(yōu)異的室溫電學(xué)性能，電阻率為2.89Ωcm，空穴濃度達(dá)1.13×1018cm-3，霍爾遷移率為1.91cm2/V.s。并且放置數(shù)個月后電學(xué)性能無明顯變化。
上述薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，見圖2，只有ZnO的(002)及其二倍衍射峰出現(xiàn)，表明本發(fā)明方法制得的Li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處有一陡峭的基本吸收邊，顯示本發(fā)明方法制得的Li摻雜p型ZnO晶體薄膜具有良好的光學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，步驟如下將襯底清洗后放入直流反應(yīng)磁控濺射裝置的反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽至高于5×10-3Pa，以鋰摩爾百分含量為0.1～1％的鋅鋰合金為靶材，以純氧氣和純Ar作為濺射氣氛，將兩種氣體分別由質(zhì)量流量計控制輸入緩沖室，O2∶Ar＝1∶2～2∶1，在緩沖室充分混合后引入真空反應(yīng)室，在3～5Pa壓強下，襯底溫度為400～600℃，進(jìn)行濺射生長，生長結(jié)束后薄膜在Ar氣氛下退火2～5min，退火溫度為450～550℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是氧的純度為99.99％以上，Ar的純度為99.99％以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是所說的襯底是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開的Li摻雜生長p型ZnO晶體薄膜的方法采用的是磁控濺射法，將襯底清洗后放入直流反應(yīng)磁控濺射裝置反應(yīng)室中，反應(yīng)室抽真空，以鋅鋰合金為靶材，以O(shè)
文檔編號H01L21/205GK1772975SQ20051006127
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 曾昱嘉, 呂建國, 朱麗萍, 趙炳輝 申請人:浙江大學(xué)