專利名稱：p型氧化鋅材料的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于半導體材料生長及器件制備技術(shù)領域，特別涉及探索或?qū)崿F(xiàn)P型ZnO材料的摻雜方法，該方法通過多步驟的熱動力學條件控制以制備高遷移率、高熱穩(wěn)定性的P型氧化鋅材料。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)半導體因其具備寬直接帶隙、大激子束縛能和可濕化學刻蝕等優(yōu)異特性，在面向新能源的光電轉(zhuǎn)換材料和器件領域如紫外發(fā)光二極管(LED)與激光二極管(LD)、紫外探測器領域有著廣闊的應用前景。當前，制約ZnO基光電子器件發(fā)展的主要問題 在于難以獲得同時具有著高載流子濃度、高熱穩(wěn)定性和高遷移率特性的P型ZnO材料。要在ZnO材料中實現(xiàn)高的空穴濃度，不僅需要考慮在ZnO材料中產(chǎn)生低激活能的受主，還需要考慮克服ZnO背景載流子濃度偏高帶來的自補償問題。在如何實現(xiàn)高的受主摻雜及激活率等方面，國際和國內(nèi)的很多研究者們已經(jīng)做了很多有益的探索，總體來說有以下四類研究思路一是試圖用IA族的Li、Na等陽離子對Zn離子進行替換；二是試圖利用VA族的N、P等陰離子對0離子進行替換；三是共摻，即試圖利用共摻的原子來穩(wěn)定受主摻雜離子的形成；四是試圖在生長中引入高活性有著強奪電子能力的基團，如間隙F或SbZn_2VZn。在較為早期的工作中，研究如何進行IA族的Li雜質(zhì)的單摻雜和VA族的N摻雜的工作比較多，然而人們很快發(fā)現(xiàn)用單一元素進行摻雜難以實現(xiàn)高穩(wěn)定的P型。對于N的摻雜，人們發(fā)現(xiàn)由于N原子與Zn原子的鍵能較弱，在現(xiàn)有的生長熱力學和動力學條件下，N原子的摻雜濃度難以提高以及摻雜后的熱穩(wěn)定性也較差。因此近期人們很快的將主要的研究思路轉(zhuǎn)移至如何利用共摻的辦法，引入第四種元素讓其對目標的IA族或VA族有著較強的鍵合能力，從而穩(wěn)定目標摻雜原子。利用第四種元素進行共摻來穩(wěn)定N元素摻雜的工作近年來較受重視2010年日本靜岡大學的研究者又利用MOCVD研究了 MgZnO :N薄膜中隨Mg組分增高，導電類型從n型向p型轉(zhuǎn)變的特性，在此之后日本ROHM和Stanley公司在ZnO單晶襯底上MBE同質(zhì)外延獲得了高效的電致帶邊發(fā)射。另外，利用Sb的摻雜形成SbZn-2VZn受主的工作也有一定的進展。從以上這些主流的研究可以看出，要實現(xiàn)ZnO的p型，實際上并不十分困難，然而要讓所實現(xiàn)的P型同時呈現(xiàn)出半導體器件所需的高熱穩(wěn)定性和高遷移率，則一直沒有在實驗上得到很好的解決。在N摻雜的ZnO材料中，p型材料的穩(wěn)定性和材料制備的可重復性還存在一些問題。在如何實現(xiàn)材料的高遷移率方面，當前的研究更少，從當前的這些研究中可以看至IJ，當前P型ZnO的研究是分別針對如何提高載流子濃度、熱穩(wěn)定性和遷移率這三個主題開展的，尚未有研究者在統(tǒng)籌全局考慮如何找到一種合適的方法同時實現(xiàn)以上三個關(guān)鍵性指標。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，發(fā)明人認為需要在認識ZnO材料中各種受主、施主中心的熱力學穩(wěn)定性和動力學形成機制、所產(chǎn)生的能級位置及其對薄膜質(zhì)量、晶格完整性和遷移率的影響的基礎上，綜合考慮薄膜生長和隨后處理的熱力學環(huán)境和反應動力學過程，才可能提出一條切實可行的方法來制備出高空穴濃度、高熱穩(wěn)定性和高遷移率的ZnO薄膜。本發(fā)明提出一種利用多步不同熱力學條件生長和處理的方法來實現(xiàn)高空穴濃度、高熱穩(wěn)定性和完整晶格(較高遷移率)ZnO基材料的生長。該方法包括以下步驟( I)強氧化性氣氛下制備含高濃度鋅空位的高質(zhì)量單晶或薄膜；(2)通過還原氣氛退火將鋅空位通過擴散填充以一價原子，同時達到生成和穩(wěn)定淺能級受主、完備晶格以提聞遷移率的兩個目的；(3)通過再次弱氧化性氣氛退火，實現(xiàn)富余間隙一價原子的脫除，以消除材料中的不穩(wěn)定淺施主。綜上所述，發(fā)明人提出的用多步不同熱力學條件生長和處理的方法是基于發(fā)明人在前期對穩(wěn)定受主形成條件研究和綜合分析的基礎上所提出的，是一種新的制備P型ZnO的概念，該發(fā)明將提供高空穴濃度和高穩(wěn)定性的P型ZnO材料。
具體實施例方式為使得本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰，以下對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。通過磁控濺射設備，采用石英玻璃襯底，襯底溫度為600°C，采用鋅靶和氧氣，鋅靶的濺射功率為40W，氧氣和氬氣的流量設為15SCCm，生長室壓力設為IPa，生長時間為lh，獲得ZnO薄膜。將獲得的ZnO薄膜置入高溫高壓氧氣氛退火爐進行晶化重整，退火溫度為12000C，氧氣壓力為20標準大氣壓，退火時間為4h，獲得具有大量鋅空位的高阻ZnO薄膜材料。將具有大量鋅空位的ZnO薄膜和金屬鋰封入石英玻璃管內(nèi)，在800°C下進行還原氣氛退火12h，獲得具有鋰替代鋅位和鋰間隙的n型ZnO薄膜。將同時具有鋰替代鋅位和鋰間隙的n型ZnO薄膜置入真空退火爐內(nèi)，退火溫度為500，退火時間為12h，去除位于間隙位的鋰原子，獲得穩(wěn)定的p型ZnO薄膜。
權(quán)利要求
1.P型氧化鋅材料的制備方法，包括如下步驟 (1)在氧化性氣氛獲得含高濃度鋅空位的前體氧化鋅材料； (2)在還原性氣氛下利用一價元素填充前體材料中的鋅空位； (3)在弱氧化性氣氛去除晶格中富余的間隙型摻雜原子。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的p型氧化鋅材料的方法，其特征在于所述的一價元素選自氫、鋰、鈉、鉀、銅或銀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的p型氧化鋅材料的方法，其特征在于所述的氧化鋅材料為氧化鋅單晶或氧化鋅薄膜或納米結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的p型氧化鋅材料的方法，其特征在于所述的P型氧化鋅材料包括ZnBeO、ZnMgO, ZnCaO或ZnCdO三元合金。
全文摘要
本發(fā)明提供p型氧化鋅材料的制備方法。該方法包括如下步驟強氧化性氣氛下制備含高濃度鋅空位的高質(zhì)量單晶或薄膜；通過還原氣氛退火將鋅空位通過擴散填充以一價原子，同時達到生成和穩(wěn)定淺能級受主、完備晶格以提高遷移率的兩個目的；通過再次弱氧化氣氛退火，實現(xiàn)富余間隙一價原子的脫除，以消除材料中的不穩(wěn)定淺施主。該方法能夠獲得高空穴濃度和高穩(wěn)定性的p型氧化鋅材料。
文檔編號H01L21/477GK102719893SQ201210201820
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者丁凱, 張繼業(yè), 林文文, 湛智兵, 鄭清洪, 陳達貴, 黃豐, 黃嘉魁, 黃瑾 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所