[发明专利]一种氮掺杂氧化锌p型稀磁半导体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型半导体自旋电子器件材料制备领域，具体地 说属于一种氮掺杂氧化锌p型稀磁半导体材料的制备方法。

背景技术

作为半导体使用的ZnO为II-VI族氧化物，是离子性很强的、具 有纤锌矿结构的晶体，其能带结构为直接带隙结构，室温下的禁带宽 度为3.37eV。由于ZnO具有GaN及其他宽禁带半导体材料所不能及的 特性，包括高达60meV的室温离子束缚能、良好的化学稳定性和热稳 定性及相对温和的生成条件，故在自旋半导体、压电、热电、光电 导、气敏等多种应用领域具有广泛的应用前景。

但是，由于ZnO晶体内氧原子极易产生缺位，氧空位在ZnO中起 施主作用，且其形成能小于禁带宽度，以致其p型掺杂会因为等量氧 空位的自动产生而补偿，从而难以得到p型掺杂的半导体材料，这个 障碍是ZnO半导体材实用的瓶颈。

在已经公开的技术材料中，人们采用两种方法实现氮在ZnO中的p 型掺杂，一种是热处理Zn₃N₂的方法，这种方法得到的氮掺杂ZnO的晶 体薄膜随机取向，质量较差，且电阻率较高；另一种方法是ZnO靶材 在N₂O气氛中反应磁控溅射法等，因反应气体N₂O具有较高的毒性而降 低了工艺的实用性，且得到的氮掺杂浓度偏低。上述两种方法均具有 自身无法客服的缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种氮掺杂氧化锌p型稀磁半导体材料的制 备方法，这种氮掺杂氧化锌薄膜具有c轴择优取向。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种氮掺杂氧化锌p型稀磁半导体材料的制备方法，包括步骤如 下：

1、采用反应磁控溅射方法在衬底上交替沉积ZnO和Zn₃N₂薄层，制 备ZnO/Zn₃N₂多层膜；

在本步骤中，所述的衬底可以是硅、载玻片或石英玻璃。所述反 应磁控溅射可包括如下步骤：

a)将高纯Zn靶材和清洗后的基片固定在磁控溅射设备的相应位置 上，调整基片和靶之间的距离，使其保持大约5～6cm距离， 旋转挡板隔开衬底和靶材，然后降下真空罩，将系统抽真空到 真空度达4×10^-4Pa以上；

b)通入工作气体，溅射沉积ZnO薄膜层采用Ar和O₂；溅射沉积 Zn₃N₂薄膜层则采用Ar和N₂，Ar和O₂或者Ar和N₂之间分压比为 (9-5)∶(1-5)；气体经输入系统混合均匀后流入溅射系统，气体 的分压分别用气体流量计控制，通气完毕后调节真空阀门，使 真空室中压强至1～2Pa；

c)溅射成膜：当衬底温度到达设定值后，根据需要，调节溅射功 率，当辉光稳定后，旋开挡板，首先溅射一层ZnO，溅射时间 一般为3～10分钟，溅射完毕，关闭溅射电源和气源，旋转挡 板隔开衬底和靶材，再将系统抽真空到真空度达4×10^-4Pa以 上；而后通入Ar和N₂，待真空背底气压稳定在1～2Pa后，调 节溅射功率，当辉光稳定后，旋开挡板，在已有的ZnO膜层上 溅射沉积一层Zn₃N₂，溅射时间一般为3～10分钟；重复上述过 程，依次交替沉积ZnO和Zn₃N₂膜层，并调整各自的溅射沉积时 间，得到不同调幅的ZnO/Zn₃N₂多层膜。

2、将ZnO/Zn₃N₂多层膜在含有氧气的气氛下进行退火处理，即进行 热氧化，完成制备一种N掺杂氧化锌p型稀磁半导体材料。

本步骤2中，热氧化是在一个管式电阻炉中实现的，氧化气氛为 含有氧气的气氛，例如空气或氧气。电阻炉的升温速率为10℃/分钟。 待炉温升到所需温度时，再将磁控溅射法制备的ZnO/Zn₃N₂多层膜放 入。热氧化温度在300-500℃之间，氧化时间设置在0.5~3小时。