[发明专利]δ掺杂制备P型氧化锌薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子领域，特别涉及一种利用δ掺杂制备P型氧化锌薄膜的方法。

背景技术

ZnO是一种新型的II-VI族化合物直接带隙半导体材料，禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。由于其在发光二极管和可见一紫外激光器等器件上的巨大潜力，从而受到了广泛的关注。

高质量的本征ZnO薄膜和稳定的P型掺杂的实现是实现ZnO基器件应用需要解决的难点。造成P型掺杂困难的主要因素有：本征施主缺陷补偿、固溶度低、离化能大、局域健结构不稳定等。虽然最近本征ZnO薄膜的质量取得了长足的进步，但是稳定的P型掺杂依然进展缓慢。

一般来说，氧化锌的P型掺杂有两种实现的方式：I族元素替代锌原子位置和V族元素替代氧原子位置。但是I族元素掺杂并未观察到P型转变，这可能是因为I族元素诱发了更多的本征缺陷或者形成了非替代杂质以及络合体所致。采用氧替位掺杂是研究较多的实现P型氧化锌的手段。

氮元素掺杂是最被看好的P型掺杂元素之一，人们发现替氧位的氮原子能形成浅受主从而实现P型掺杂。尽管由于固溶度低，获得高掺杂浓度的P型材料比较困难，但是只要通过非平衡生长条件使掺入量足够大，就可以实现P型转变。最近日本东北大学的Kawasaki小组利用温度调制法制备了N掺杂的P型ZnO薄膜，但是室温空穴浓度只有2×1016，虽然制成了发光二极管，但是还离实用有一定距离。如何有效的提高氮元素的掺杂浓度称为了提高P型ZnO薄膜质量的一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种δ掺杂制备P型氧化锌薄膜的方法，利用δ掺杂解决氮的掺杂浓度低不易并入的缺陷，可实现高掺杂浓度，高空穴浓度，高稳定性的P型氧化锌薄膜。

本发明提供一种δ掺杂制备P型氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将清洗好的衬底放入反应室中，将反应室抽至真空，升高温度进行烘烤，以获得清洁衬底；

步骤2：向反应室中充入氮气，将反应室压强升至生长压强，将衬底温度控制到生长温度；

步骤3：向反应室中通入锌源，氧源和氮源，在衬底上外延ZnO:N薄膜；

步骤4：停止通入氧源，并继续通入锌源和氮源，在ZnO:N薄膜上外延氮化锌薄层；

步骤5：再开启氧源，并继续通入锌源和氮源，在氮化锌薄层上继续外延ZnO:N薄膜；

步骤6：重复步骤4、步骤5，直至生长的薄膜达到需要的厚度为止；

步骤7：在氨气氛或者氮气氛下进行退火，完成P型氧化锌薄膜的制备。

其中所述的生长温度为200-500℃，衬底烘烤的时间不小于10分钟。

其中所述生长压强为20-200托。

其中所述生长温度为200-500℃。

其中所述衬底为蓝宝石或硅、III-V族材料、陶瓷、玻璃、氧化锌。

其中所述锌源为二乙基锌或者二甲基锌。

其中所述氧源为氧气或者离化的二氧化碳。

其中所述氮源为氨气或联氨、离化的氮气、离化的一氧化氮。

其中所述在步骤3和步骤5中生长ZnO:N薄膜的厚度为20nm-100nm。

其中在步骤4中生长氮化锌薄层厚度为1nm-20nm。

其中所述在步骤6中重复步骤5、步骤5时可以改变步骤4、步骤5中ZnO:N层和氮化锌层的厚度，生长达到需要的厚度时，最终氮化锌的层数比ZnO:N层数少1层。

其中所述步骤7中的退火，退火温度在500℃-900℃，退火时间不少于30分钟。

本发明与一般的P型氧化锌薄膜的制备方法相比，利用δ掺杂解决了氮的掺杂浓度低不易并入的缺陷，因而可以制备出高掺杂浓度的P型氧化锌薄膜。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

附图1为用本方法生长的P型ZnO薄膜未退火时的薄膜结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实例进一步说明本专利。

请结合参阅图1所示，本发明提供了一种δ掺杂制备P型氧化锌薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1：将清洗好的衬底放入反应室中，将反应室抽至真空，将衬底温度升高进行烘烤，烘烤温度为200-600℃，衬底烘烤的时间为不少于10分钟，以获得清洁衬底。生长P型氧化锌薄膜的衬底可以是蓝宝石或者硅、III-V族材料、陶瓷、玻璃、氧化锌。不同的衬底所需的烘烤温度不同，以可以得到清洁的衬底为止。