[发明专利]一种原子层沉积p型半导体氧化锌薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子层沉积p型半导体氧化锌薄膜的方法，属于半导体器件材料制备技术领域。

背景技术

氧化锌(ZnO)薄膜具有良好的光电性质，它在电子材料，传感器和催化方面具有广泛的应用。氧化锌薄膜材料的性能不仅与其化学成分相关，材料的构型也是影响其性能的重要因素。而材料的制备方法与工艺对纳米材料的构型影响很大。通过对纳米材料制备过程的控制来提高纳米材料的性能和质量，是纳米材料研究者的一个主要目标。

目前，氧化锌薄膜的制备技术较多，但能稳定合成p型氧化锌薄膜的方法与一般的氧化锌薄膜合成方法有很大区别。目前p型氧化锌薄膜主要通过掺杂不同元素实现。如用Ag-Al共掺杂p型ZnO薄膜的制备方法，和以锂氮双受主共掺杂方式制备p型氧化锌基薄膜的方法等。掺杂方法合成的p型氧化锌薄膜具有掺杂元素分布不均匀以及薄膜各部分性能不一致等问题，另外通过水热法、蒸镀法以及磁控溅射方法合成薄膜在厚度上无法精确控制，大尺寸衬底的均匀性上无法保证，由于薄膜厚度的不均匀，薄膜的性质会呈现不同的差别。

发明内容

针对现有技术之上述问题，本发明提供了一种原子层沉积p型半导体氧化锌薄膜的方法，仅对制备过程中的工艺进行控制，而无需掺杂就能够在较大尺寸的衬底表面制备p型氧化锌薄膜。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种原子层沉积p型半导体氧化锌薄膜的方法，包括如下步骤：

等离子体增强原子层沉积设备中通入含锌源气体和含氧源气体，在所述等离子体增强原子层沉积设备反应腔中的衬底表面生长氧化锌薄膜；所述的含锌源气体和含氧源气体是以脉冲方式交替通入等离子体增强原子层淀积设备的反应腔中，二者之间用惰性气体进行吹扫所述原子层沉积设备反应腔；上述含锌源气体、惰性气体以及含氧源气体的通入，经过若干次循环，逐层生长氧化锌薄膜；其中，在所述原子层沉积设备反应腔中预先通入含氧源气体并进行等离子增强起辉来对衬底表面预先处理，以对衬底表面进行羟基修饰，从而填补了衬底表面的缺陷。

作为进一步的优选，所述含锌源气体为高挥发性、高纯度的有机锌化合物，包括纯度为99.99％的二乙基锌或二甲基锌气体，所述含氧源气体包括去离子水蒸汽或氧气。

作为进一步的优选，所述惰性气体为纯度为99.99％的氩气。

作为进一步的优选，反应过程中每个所述循环包含以下具体步骤：通入含锌源气体0.01-0.05s，惰性气体吹扫10-30s，通入含氧源气体10-30s以及惰性气体吹扫10-30s。

作为进一步的优选，反应过程中每个循环依次包含以下具体步骤：通入含锌源气体0.03s-惰性气体吹扫20s–通入含氧源气体25s-惰性气体吹扫20s。

作为进一步的优选，反应过程中所述循环共450-1500个周期，以完成对氧化锌薄膜的生长，所述氧化锌薄膜的厚度为50-200nm。

作为进一步的优选，所述氧化锌薄膜的厚度为50-70nm。

作为进一步的优选，所述衬底采用4寸硅片或石英片。

作为进一步的优选，所述等离子体增强原子层淀积设备的射频功率可以在10～300W之间自由调节，射频距离载台10-20cm。

作为进一步的优选，所述等离子体增强原子层淀积设备的射频功率为120W。

作为进一步的优选，所述原子层沉积设备反应腔中用于承载衬底的基盘的温度为120-180℃，反应腔真空度为0.15torr。

本发明的有益效果是：经过XRD测试结果显示，通过本申请方法生长的氧化锌薄膜具有良好的晶格排布。经过Hall测试，通过本申请方法制备的ZnO薄膜电性能呈现p型半导体薄膜的性质，其电阻率为0.035Ω·cm，此时载流子浓度为1.13×10¹⁹cm^-3，Hall迁移率为15.6cm²/Vs。本发明的制备方法具有如下优点：

1、所述衬底表面通过预先通入含氧源气体并进行等离子增强起辉预处理后，产生的羟基自由基能够布满衬底表面,去除了表面不易结合的杂质，在第一层原子层沉积时具有良好的结合能力。

2、其次，本发明载有含氧源如H₂O的惰性气体Ar进入等离子增强线圈范围内后，在射频电源匹配气体活化能级后，含氧源如H₂O分子可以被活化，更易于与含锌源反应，具有较高的反应活性，在150℃的条件下依然可以很好的与ZnO反应，产生排列更规则的ZnO薄膜。