硫和銀共摻雜p型氧化鋅光電薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及了一種硫和銀共摻雜p型氧化鋅光電薄膜的制備方法，采用磁控濺射和熱氧化技術制備，將磁控濺射腔抽到真空環(huán)境下，并加熱經嚴格清洗的基底，使用純度大于99.99%的硫化鋅靶材和銀靶，用雙靶共同濺射的方法沉積ZnS：Ag薄膜；將獲得的ZnS:Ag放置在氧氣氣氛下熱氧化處理。本發(fā)明涉及的制備方法，參數(shù)易控，可重復性高，可實現(xiàn)摻雜濃度的控制，適用產業(yè)化生產環(huán)境。
【專利說明】硫和銀共摻雜P型氧化鋅光電薄膜的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于p型ZnO半導體光電薄膜材料領域，具體涉及到一種硫和銀共摻雜p 型ZnO光電薄膜的制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 作為寬禁帶半導體材料的代表材料，ZnO具有高達3. 37eV的禁帶寬度和高達 60meV的激子束縛能，且ZnO兼具原材料豐富，綠色無毒的特點，使得ZnO在半導體產業(yè)特別 是紫外光電器件領域受到了廣泛關注。但P型ZnO薄膜的難以實現(xiàn)日益成為制約ZnO材料 器件化的瓶頸。因為1 )Zn0的受主能級很深，而自身存在施主缺陷具有強烈的自補償作用， 使得本征ZnO呈現(xiàn)出弱n型，阻礙了淺受主能級的形成。2)多數(shù)受主元素在ZnO中的固溶 度很低，極大限制了空穴濃度的提高。但目前仍舊是通過摻雜I族元素如鈉、鉀、鋰或V族 元素氮、磷等受主的方式制備P型ZnO。最近，理論研究證實：在富氧條件，銀摻雜ZnO易于 形成鋅替位，，證實銀摻雜是獲得P型ZnO的有效方法。但同時Yan等指出，銀摻雜引入的 受主能級較深(約〇. 4eV)，這使得室溫下很難得到轉型所需的空穴濃度。因此如何降低銀作 為受主的離化能，成為獲得低溫下P型ZnO的重要問題。Yan等經理論研究表明：通過共摻 雜硫可有效降低Ag作為受主的離化能。但密度泛函理論證實：Ag替位Zn后，將與周圍 的四個〇原子鍵合。如果將周圍的〇原子用S原子替換掉，則形成了 Agh-nSyn為替換掉 0原子的數(shù)目。隨著n增大，Agh-n^缺陷的電離能將降低，因此通過銀和硫共摻雜可有效 降低單獨Ag摻雜受主能級較深的問題，對實現(xiàn)n型ZnO具有重要意義。但對如何實現(xiàn)兩種 元素的有效摻雜和有效控制其摻雜比例尚無進一步研究。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明針對p型ZnO難以實現(xiàn)的問題，提供了一種通過磁控濺射和熱氧化技術制 備銀和硫共摻P型ZnO光電薄膜方法與應用，制備的p型ZnO光電性能優(yōu)異。
[0004] 一種硫和銀共摻雜P型氧化鋅光電薄膜的制備方法，其特征在于，采用磁控濺射 和熱氧化技術制備，包括以下步驟： (1) 將磁控濺射腔抽到真空環(huán)境下，并加熱經嚴格清洗的基底，使用純度大于99. 99% 的硫化鋅靶材和銀靶，用雙靶共同濺射的方法沉積ZnS :Ag薄膜； (2) 將步驟（1)中獲得的ZnS:Ag放置在氧氣氣氛下熱氧化處理。
[0005] 采用磁控濺射制備環(huán)境初始真空度不低于1(T4數(shù)量級，通入的氬氣流量應控制在 50-100sccm，濺射氣壓在3-5Pa，基底溫度為250-350°C。
[0006] 在富氧環(huán)境下進行熱氧化處理時，其溫度為600-1000°C，熱氧化時間為4-10小 時。
[0007] 通過調整ZnS和Ag的濺射功率可以獲得不同比例的ZnS:Ag薄膜，其中硫化鋅靶 材的濺射功率控制在50-100W，銀靶靶材的濺射功率在5-20W。
[0008] 本發(fā)明的特點和增益效果如下： 本發(fā)明方法采用硫化鋅和銀靶材共濺射的方式易于調控銀和硫的共摻比例，滿足不同 的需求，可有效降低生產成本消耗； 本發(fā)明制備的硫和銀共摻雜制備的P型ZnO薄膜的顆粒分布均勻，電學性質優(yōu)異，電學 性如電阻率低至1(T2量級，P型載流子濃度高達1〇21數(shù)量級，遷移率在1-10之間。
[0009] 本發(fā)明涉及的制備方法工藝簡單，參數(shù)易控，可重復性高，過程易于控制，可實現(xiàn) 大規(guī)模的產業(yè)化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1未經熱氧化處理的ZnS :Ag薄膜的AFM圖，可以看出ZnS :Ag顆粒均勻有序，有 利于形成共摻雜的ZnO。
[0011] 圖2為經熱氧化處理后獲得的硫和銀共摻雜ZnO的AFM圖，可以看出經高溫熱氧 化后，共摻雜ZnO薄膜由均勻的晶粒組成，與氧化前相比，晶粒明顯增大。
[0012] 圖3為熱氧化后得到的硫和銀共摻雜的ZnO薄膜的X射線衍射譜。
【具體實施方式】
[0013] 本發(fā)明中所述的方法需采用磁控濺射系統(tǒng)和熱氧化處理儀器，以下將結合實施例 對技術方案進行作詳細說明。所有實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了 詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0014] 實施例1 : (1)將表面嚴格清洗后的硅作為基底，放入樣品1位置，加熱基底至300°C，將磁控濺射 腔的真空度抽至1(T4 Pa數(shù)量級后，控制氬氣流量計參數(shù)為8〇SCCm，（氣壓穩(wěn)定4. 1-4. 3Pa)， 設置硫化鋅靶材的射頻功率為80W，銀靶材的直流濺射功率為10W，濺射得到Ag摻雜比例為 3. 9% 的 ZnS :Ag 薄膜。
[0015] (2)將獲得的ZnS :Ag薄膜在氧氣氣氛下，進行熱氧化處理，溫度為800°C，時間為 6小時。得到厚度約為985nm的硫和鋅共摻雜的p型ZnO薄膜。
[0016] 獲得的硫和鋅共摻雜的p型ZnO薄膜的室溫電學性能如表1所示，電阻率為 0. 0389 Q cm,遷移率為 7. 85cm2/V ? s，載流子濃度為 2. 69 X 1019。
【權利要求】
1. 一種硫和銀共摻雜P型氧化鋅光電薄膜的制備方法，其特征在于，采用磁控濺射和 熱氧化技術制備，包括以下步驟： (1) 將磁控濺射腔抽到真空環(huán)境下，并加熱經嚴格清洗的基底，使用純度大于99. 99% 的硫化鋅靶材和銀靶，用雙靶共同濺射的方法沉積ZnS :Ag薄膜； (2) 將步驟（1)中獲得的ZnS:Ag放置在氧氣氣氛下熱氧化處理。
2. 根據(jù)權利要求1所述硫和銀共摻雜p型氧化鋅光電薄膜的制備方法，其特征在 于，采用磁控濺射制備環(huán)境初始真空度不低于1〇_4數(shù)量級，通入的氬氣流量應控制在 50-100sccm，濺射氣壓在3-5Pa，基底溫度為250-350°C。
3. 根據(jù)權利要求1所述硫和銀共摻雜p型氧化鋅光電薄膜的制備方法，其特征在于，在 富氧環(huán)境下進行熱氧化處理時，其溫度為600-1000°C，熱氧化時間為4-10小時。
4. 根據(jù)權利要求1所述硫和銀共摻雜p型氧化鋅光電薄膜的制備方法，其特征在于，通 過調整ZnS和Ag的濺射功率可以獲得不同比例的ZnS:Ag薄膜，其中硫化鋅靶材的濺射功 率控制在50-100W，銀靶靶材的濺射功率在5-20W。
【文檔編號】H01L21/203GK104409337SQ201410614869
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】何丹農, 盧靜, 李爭, 尹桂林, 葛美英 申請人:上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司