專利名稱：一種氮摻雜ZnO的受主激活方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及P型Zn0的摻雜技術(shù)，氮摻雜p型Zn0薄膜的方法，屬于半導 體材料材料領(lǐng)域，特別涉及一種采用射頻等離子體工藝作為氮摻雜Zn0后期退 火激活N受主的方法。
技術(shù)背景ZnO是繼GaN之后又一新型的寬帶隙半導體材料，具有較GaN材料更高的 激子束縛能，可以在室溫甚至于更高溫度下實現(xiàn)高效的與激子相關(guān)的發(fā)射。 但是，為了實現(xiàn)在光電器件上的應用，ZnO的p型摻雜問題一直是人們研究的 熱點。由于ZnO中存在很多本征缺陷，如Zn間隙、0空位等，使得未摻雜的ZnO 成為n型半導體材料，而且這些缺陷產(chǎn)生強烈的自補償效應，所以很難進行 高效、穩(wěn)定的p型ZnO慘雜。而氮被認為在ZnO中是一個淺受主能級，在ZnO中進行氮的摻雜時，由于 氮在ZnO中固溶度比較低，只能在較低的溫度下進行摻雜，但是由于低溫生長 ZnO材料中本征施主缺陷較多，使得直接氮摻雜的摻雜的p型ZnO很難獲得較 高的質(zhì)量。日本東北大學采用激光分子束方法，利用襯底溫度調(diào)制技術(shù)獲得 了較好質(zhì)量的P型ZnO薄膜，但是這種技術(shù)存在生長過程復雜、生長設(shè)備工業(yè) 化移植困難等問題。MOCVD設(shè)備是目前半導體發(fā)光外延片制備的首選設(shè)備，具有材料生長質(zhì) 量好、產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)勢。利用MOCVD技術(shù)可以實現(xiàn)氮摻雜的p 型ZnO的制備，但普遍存在獲得的p型ZnO薄膜電學性質(zhì)較差的問題。這主要是 因為由于高溫生長ZnO生長質(zhì)量好，但是氮在ZnO中固溶度較低。而低溫生長時氮很容易摻入，但是卻引入了ZnO的固有本征缺陷。為了提高p型質(zhì)量，往 往要對在低溫條件下生長的氮摻雜ZnO進行高溫退火，這樣使得原本進入ZnO 中的氮又會從其體內(nèi)逸出，同時由于ZnO的氧解吸附效應也會降低ZnO的晶體 質(zhì)量。因此，這種傳統(tǒng)的退火處理工藝中存在自我矛盾之處。獲得高質(zhì)量的 氮摻雜的P型ZnO目前已經(jīng)成為ZnO研究工作的一大熱點及難點。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的克服目前高質(zhì)量氮摻雜P型ZnO難以獲得的缺點，提供一種 利用射頻等離子體輔助的退火方法，將氮摻雜的ZnO在氮的氧化物等離子體 環(huán)境中進行高溫退火，從而獲得高質(zhì)量的p型ZnO摻雜方法。首先高溫下退火 可以激活ZnO中更多的氮從而起到產(chǎn)生大量受主的作用。其次由于在氣氛中 形成高激活性的氮與氧，即可以補償?shù)腪nO中的氮逸出，同時也抑制了ZnO 中氧的脫附。這樣就實現(xiàn)了高質(zhì)量氮摻雜p型ZnO的制備，基于這種高質(zhì)量氮 摻雜p型ZnO可以制備ZnO的p-n結(jié)發(fā)光二極管器件。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的P型ZnO薄膜生長使用的設(shè)備是如02100436.6專利所述的 或申請?zhí)枮?00410011164. O專利所述的ZnO薄膜專用生長射頻等離子體低壓 MOCVD設(shè)備。氮摻雜的p型ZnO薄膜的高溫退火激活工藝步驟如下。(1) 使低溫生長的氮摻雜的ZnO薄膜原位置于反應室內(nèi)的生長托 盤上。(2) 當反應室真空度達到10Pa以下時，即可啟動反應室的渦輪分 子泵。反應室的真空度達到3X10"Pa時，停分子泵，準備退 火。(3) 通入氮的氧化物氣體，在真空度為10Pa 80Pa時，開啟射頻等離子體電源，設(shè)定功率為100 450W，開始等離子體啟輝 放電。(4) 加熱襯底片托盤，升溫到5 00 800T中某一溫度點，將襯底 片進行熱處理10 6 O分鐘。(5) 退火完成后，緩慢降溫到40(TC以下時，關(guān)閉射頻電源，關(guān) 閉氣體閥門，繼續(xù)緩慢降到室溫后即可取出樣品。本發(fā)明對不同濃度N摻雜的ZnO退火，通過調(diào)節(jié)氮的氧化物氣體源量、 射頻等離體電源功率、退火溫度及退火時間來實現(xiàn)不同摻雜濃度的P型ZnO 薄膜的處理。說明中的氮的氧化物可以是氧化亞氮(N20)、 一氧化氮(NO)、 二氧化 氮(NO》、三氧化二氮(N203)、四氧化二氮(NA)和五氧化二氮(NA)中的一 種或幾種。說明中的等離子體裝置可以與薄膜生長設(shè)備相結(jié)合，也可以是單獨的等 離子體退火裝置。等離子體退火裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖l。本發(fā)明的效果及益處是提供一種適合工業(yè)化生產(chǎn)的MOCVD設(shè)備生長氮摻 雜p型ZnO薄膜的工藝方法。在利用MOCVD進行氮摻雜的ZnO薄膜的制備后，可 以原位進行氮的激活，克服氮摻雜P型ZnO制備困難的問題，解決MOCVD方法 生長p型ZnO薄膜的工藝問題，進而可制備出電注入p-n結(jié)型ZnO光發(fā)電器件。


圖l為等離子體退火裝置示意圖。圖中l(wèi)真空腔體；2氣體管線；3射頻 線圈；4真空泵接口； 5石英管；6樣品托盤；7加熱盤；8樣品。圖2為退火后氮摻雜ZnO的X射線衍線圖樣(XRD)。
具體實施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。 實施例l(1) 將已經(jīng)制備好的氮摻雜ZnO薄膜，氮的濃度為lxlO'^m—3放置在 樣品托盤上。(2) 當反應室真空度達到10Pa以下時，即可啟動反應室的渦輪分 子泵。反應室的真空度達到3X10—3Pa時，停分子泵，準備退 火。(3) 通入N0 2，在真空度為10Pa 80Pa時，開啟射頻等離子體電 源，設(shè)定功率為100 450W，開始等離子體啟輝放電。(4) 加熱襯底片托盤，升溫到5 00 8 00。C中某一溫度點，將襯 底片進行熱處理10 6 O分鐘。(5) 退火完成后，緩慢降溫到4 00。C以下時，關(guān)閉射頻電源，關(guān) 閉氣體閥門，繼續(xù)緩慢降到室溫后即可取出樣品。制備出的p型ZnO薄膜的電阻率在O. 1 Q. cm 1000Q. cm之間，載流子濃 度在1015 1018(^—3之間。上述方法制備出的ZnO薄膜的p型ZnO的X射線衍射圖樣(XRD)，表明本發(fā) 明方法制得的氮摻雜的P型ZnO薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。實施例2這種工藝方法和實例l的步驟大體相同，所不同之處是采用的氮的氧化 物為NO。實施例3這種工藝方法與實施例l的步驟相同，所不同之處是采用的氮的氧化物 為NA
權(quán)利要求
1.一種氮摻雜的ZnO的受主激活方法，其特征是步驟如下利用射頻等離體設(shè)備來對N摻雜ZnO薄膜進行處理來激活N受主雜質(zhì)從而獲得高質(zhì)量p型ZnO薄膜的方法；將N摻雜的ZnO在氮的氧化物的等離子體氣氛中進行高溫退火處理，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的p型氮摻雜的ZnO的制備；本發(fā)明對不同氮摻雜濃度的ZnO退火，通過調(diào)節(jié)氮的氧化物氣體源量、射頻等離體電源功率、退火溫度及退火時間來實現(xiàn)不同摻雜濃度的p型ZnO薄膜的制備；(1)保持低溫生長的氮摻雜的ZnO薄膜原位放置于襯底片托盤上；(2)當反應室真空度達到10Pa以下時，即可啟動反應室的渦輪分子泵；反應室的真空度達到3×10-3pa時，停分子泵，準備退火；(3)通入氮的氧化物氣體，在真空度為10Pa～80Pa時，開啟射頻等離子體電源，設(shè)定功率為100～450W，開始等離子體啟輝放電；(4)加熱襯底片托盤，升溫到500～800℃中某一溫度點，將襯底片進行熱處理10～60分鐘；(5)退火完成后，緩慢降溫到400℃以下時，關(guān)閉射頻電源，關(guān)閉氣體閥門，繼續(xù)緩慢降到室溫后即可取出樣品。
2 .根據(jù)權(quán)利要求1所述一種氮摻雜的ZnO的受主激活方法，其特征是所說 的氮的氧化物是氧化亞氮(N20)、 一氧化氮(NO)、 二氧化氮(N02)、三氧化二氮(N203)、四氧化二氮(N204)和五氧化二氮(N205)的一種或幾種混合物。
3 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮摻雜的ZnO的受主激活方法，其特征是采 用射頻等離子體發(fā)生器將氮的氧化物離化后,對氮摻雜的ZnO在高溫下處理。
全文摘要
一種氮摻雜的ZnO的受主激活方法，屬于半導體材料領(lǐng)域，特別涉及一種采用射頻等離子體金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)作為氮摻雜ZnO后期退火技術(shù)。本發(fā)明的目的克服氮摻雜p型ZnO難以獲得的缺點，提供一種利用射頻等離子體退火技術(shù)，將氮摻雜的ZnO在氮的氧化物等離子體進行高溫退火，從而獲得高效穩(wěn)定的p型ZnO摻雜方法。由于在氣氛中形成高激活性的氮與氧，可以防止氮摻雜的ZnO中的氮逸出，同時也防止了ZnO中氧的脫附，又同時進行了氮摻雜ZnO中氮受主的激活，從而實現(xiàn)了p型ZnO的制備，進而可以制備出ZnO的pn結(jié)發(fā)光二極管器件。
文檔編號H01L21/477GK101236906SQ20081001010
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月13日
發(fā)明者孫景昌, 杜國同, 梁紅偉, 胡禮中, 趙澗澤, 邊繼明 申請人:大連理工大學