一種制備高發(fā)光性能p型ZnO薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的高發(fā)光性能p型ZnO薄膜的方法，步驟包括：采用分子束外延設(shè)備，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，以純金屬Zn源為反應(yīng)源，以固體純NaF粉末為p型摻雜源，在襯底上生長p型ZnO薄膜；將獲得的p型ZnO薄膜放置在離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至10～15mA，在薄膜表面濺射沉積Pt或Au金屬顆粒，濺射時間為20～100s。本發(fā)明方法簡單可控，在增強p型ZnO薄膜帶邊發(fā)射的同時，有效地抑制了缺陷發(fā)光，極大地提高了p型ZnO的發(fā)光性能，為制備高發(fā)光性能的ZnO基光電器件奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】一種制備高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種P型ZnO薄膜的生長方法，尤其是高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]ZnO材料作為寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，激子束縛能高達(dá)60 meV，在紫外光電領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，而制備性能優(yōu)異的η型和P型ZnO薄膜是實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，可以獲得具有優(yōu)異性能的η型ZnO薄膜。但由于摻雜不對稱性，難以獲得性能優(yōu)異的P型ΖηΟ，這嚴(yán)重制約了 ZnO基光電器件的發(fā)展。
[0003]目前國際上已報道了采用不同摻雜源實現(xiàn)ZnO薄膜的P型導(dǎo)電，但所獲得的薄膜缺陷較多，帶邊發(fā)光較弱，缺陷發(fā)光明顯，同時由于空穴遷移率低，導(dǎo)致最終制備的同質(zhì)ρ-η結(jié)電子空穴復(fù)合主要發(fā)生在質(zhì)量相對較差的P區(qū)，這極大地限制了器件的發(fā)光性能。近年來，增加ZnMgO電子阻擋層成為目前克服這一問題的主要途徑。然而，ZnMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)為I型結(jié)構(gòu)，ZnMgO不僅提供了電子躍遷勢壘，將載流子復(fù)合限制在有源區(qū)；同時，也提供了空穴躍遷勢壘，阻止了部分空穴向有源區(qū)的傳輸，這也同樣限制了器件的發(fā)光性能。另外一方面，電子阻擋層并不能從根本上解決P型層發(fā)光性能差的問題。因此，亟需發(fā)展一種新的途徑來解決這一問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能增強帶邊發(fā)光和抑制缺陷發(fā)光的高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的制備方法。
[0005]本發(fā)明的制備高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的方法，包括以下步驟:
1)將清洗處理后的襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至400?600V，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室壓力為2X 10_6?8X 10_6 Torr,以純金屬Zn源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源溫度為260?350 V，以固體純NaF粉末為p型摻雜源，調(diào)節(jié)Na源溫度400?620 V，在襯底上生長P型ZnO薄膜；
2)將獲得的P型ZnO薄膜放置在離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至10?15mA，在薄膜表面濺射沉積Pt或Au金屬顆粒，濺射時間為20?100 S。
[0006]本發(fā)明中，所述的純O2的純度為99.9999 %以上，純金屬Zn的純度為99.9998 %以上，純NaF粉末的純度為99.995 %以上。
[0007]本發(fā)明中，所述的襯底可以是ZnO體單晶或a面藍(lán)寶石或c面藍(lán)寶石或m面藍(lán)寶
O
[0008]本發(fā)明通過調(diào)節(jié)派射Pt或Au金屬顆粒的派射時間和派射電流,可以改變P型ZnO薄膜的發(fā)光性能。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明采用在P型ZnO薄膜表面派射沉積Pt、Au等金屬顆粒,一方面，在金屬顆粒與薄膜的界面處產(chǎn)生金屬表面等離子激元，利用表面等離子激元與帶邊發(fā)光的共振耦合作用，增強P型ZnO薄膜的帶邊發(fā)射；另一方面，由于Pt、Au等金屬費米能級與ZnO的缺陷能級匹配，缺陷能級上的電子能夠輕易地轉(zhuǎn)移至金屬顆粒，從而有效地抑制了 P型ZnO的缺陷發(fā)光。本發(fā)明方法簡單可控，在增強P型ZnO薄膜帶邊發(fā)射的同時，有效地抑制了缺陷發(fā)光，極大地提高了 P型ZnO的發(fā)光性能，為制備高發(fā)光性能的ZnO基光電器件奠定了基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是P型ZnO薄膜濺射Pt金屬顆粒前后的室溫光致發(fā)光譜。

【具體實施方式】
[0011]實施例1
I)將m面藍(lán)寶石襯底進行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至600 V，調(diào)節(jié)生長室壓力為2X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2 (純度99.9999 %)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度至280°C ;固體NaF粉末(純度99.995 %)為Na源，調(diào)節(jié)Na源加熱溫度600 °C，在m面藍(lán)寶石上生長Na摻雜P型ZnO薄膜，生長時間為5 h，薄膜厚約為300 nm。
[0012]2) 將步驟I)制備的P型ZnO薄膜置于離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至12 mA,在薄膜表面濺射沉積Pt金屬顆粒，濺射時間為60 S。
[0013]步驟I)制得的Na摻雜P型ZnO薄膜具有優(yōu)異的室溫電學(xué)性能，電阻率為510.5Ω.cm,空穴濃度達(dá)2.4X 116 cm_3，霍爾遷移率為0.5 cm2/V.S。
[0014]圖1顯示了經(jīng)步驟2)處理前后薄膜的室溫光致發(fā)光譜，從圖中看出，未濺射Pt顆粒前，薄膜帶邊峰較弱，缺陷峰明顯，薄膜發(fā)光性能較差；濺射60 s Pt金屬顆粒之后，薄膜的帶邊峰明顯增強，且觀測不到缺陷峰，帶邊發(fā)光增強近10倍左右，表明濺射Pt顆粒之后薄膜具有很好的光學(xué)性能。
[0015]實施例2
I)將m面藍(lán)寶石襯底進行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至600 V，調(diào)節(jié)生長室壓力為3X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2 (純度99.9999%)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度280 V ；固體NaF粉末(純度99.995 %)為Na源，調(diào)節(jié)Na源加熱溫度610 °C，在m面藍(lán)寶石襯底上生長Na摻雜P型ZnO薄膜，生長時間為5h，薄膜厚約為300 nm。
[0016]2)將步驟I)制備的P型ZnO薄膜置于離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至15 mA,在薄膜表面濺射沉積Au金屬顆粒，濺射時間為80 S。
[0017]步驟I)制得的Na摻雜P型ZnO薄膜具有優(yōu)異的室溫電學(xué)性能，電阻率為523.9Ω.cm,空穴濃度達(dá)2.4X 116 cm_3，霍爾遷移率為0.5 cm2/V.S。
[0018]經(jīng)步驟2)處理后薄膜的帶邊峰明顯增強，且觀測不到缺陷峰，帶邊發(fā)光增強近8倍。
[0019]實施例3
I)將c面藍(lán)寶石襯底進行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至500 V，調(diào)節(jié)生長室壓力為6X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2 (純度99.9999%)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度300 V ；固體NaF粉末(純度99.995 %)為Na源，調(diào)節(jié)Na源加熱溫度500 °C，在c面藍(lán)寶石上生長Na摻雜P型ZnO薄膜，生長時間為3 h，薄膜厚約為250 nm。
[0020]2)將步驟I)制備的P型ZnO薄膜置于離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至10 mA,在薄膜表面濺射沉積Pt金屬顆粒，濺射時間為50 S。
[0021]步驟I)制得的Na摻雜P型ZnO薄膜具有優(yōu)異的室溫電學(xué)性能，電阻率為372.0Ω.cm,空穴濃度達(dá)4.2X 116 cm_3，霍爾遷移率為0.4 cm2/V.S。
[0022]經(jīng)步驟2)處理后薄膜的帶邊峰明顯增強，且觀測不到缺陷峰，帶邊發(fā)光增強近15倍。
【權(quán)利要求】
1.制備高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的方法,其步驟如下: 1)將清洗處理后的襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至400?600V，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室壓力為2X 10_6?8X 10_6 Torr,以純金屬Zn源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源溫度為260?350 V，以固體純NaF粉末為p型摻雜源，調(diào)節(jié)Na源溫度400?620 V，在襯底上生長P型ZnO薄膜； 2)將獲得的P型ZnO薄膜放置在離子濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)濺射電流至10?15mA，在薄膜表面濺射沉積Pt或Au金屬顆粒，濺射時間為20?100 S。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的方法，其特征是所說的襯底是ZnO體單晶或a面藍(lán)寶石或c面藍(lán)寶石或m面藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高發(fā)光性能P型ZnO薄膜的方法，其特征是所述的純O2的純度為99.9999 %以上，金屬Zn的純度為99.9998 %以上，NaF的純度為99.995 %以上。
【文檔編號】H01L33/26GK104332540SQ201410618510
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】葉志鎮(zhèn), 陳珊珊, 潘新花, 黃靖云, 何海平, 呂斌 申請人:浙江大學(xué)