[发明专利]一种Na掺杂p型ZnO薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明薄膜掺杂技术领域，涉及一种Na掺杂p型ZnO薄膜的制备方法。

背景技术

ZnO是一种宽带隙（3.37eV）的化合物半导体，具有原料丰富，价格便宜，掺杂容且制备方法多样，被认为是理想的GaN半导体替代材料。由于本征ZnO中容易形成各种浅施主缺陷，或者非故意掺杂杂质，如H，使得ZnO呈现n型，而其n型掺杂的ZnO也极容易制备。因此为实现商业化的光电应用，制备稳定、低电阻率、高迁移率、高晶体质量的p型ZnO薄膜成首要问题。研究者们尝试了Ⅵ，如N、P掺杂，之后又是I 的Li、Na、K等掺杂元素。而其中的Na元素被广泛关注，其原因在于：相对于第Ⅵ元素，I元素具有较低的受主能级；而Na，相对于Li具有更大的原子半径，在ZnO中更倾向于形成替代位而非间隙位。

目前，各种Na掺杂ZnO薄膜的制备方法已被广泛报道，例如金属有机化合物化学气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射沉积、热扩散法、溶胶凝胶法，等等。其中热扩散方法具有工艺简单，容易控制，且为传统的硅基掺杂工艺，而具有广泛的应用前景；而脉冲激光沉积法具有参数易控制，制备简单，薄膜质量好等优点，是目前制备ZnO薄膜有效的技术之一。

对于Na离子热扩散法而言，文献中多采用钠盐的水溶液作为Na源，滴加在ZnO表面干燥，然后在高温中进行扩散。这种扩散法存在着一些缺陷，一方面，在配置钠盐水溶液时容易引入其他金属杂质，从而影响掺杂剂的纯度；另一方面，钠盐水溶液一般具有酸性或碱性，而ZnO对酸碱环境均很敏感，较容易被腐蚀，破坏ZnO薄膜的质量。

一般的脉冲激光沉积法制备Na掺杂ZnO薄膜时，采用单一的Na掺杂的ZnO陶瓷靶材，而使用两种靶材：NaF靶材作为Na掺杂源，ZnO靶材生长ZnO薄膜的方法还没有人报道。

发明内容

    本发明针对现有技术的不足，提供一种Na掺杂p型ZnO薄膜的制备方法。

在本发明中，结合热扩散和脉冲激光沉积法，提出采用高纯ZnO和高纯NaF陶瓷靶材作为溅射靶材，NaF作为Na源，交替溅射生长ZnO层和Na层，利用Na离子向ZnO层的热扩散进行掺杂，制备p型Na掺杂ZnO薄膜。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1）将清洗后的石英玻璃或蓝宝石或单晶ZnO作为衬底，放入脉冲激光沉积装置的生长室中；NaF靶材、ZnO靶材与衬底之间的距离为4.5～5.5cm，生长室背底真空度抽至1×10^-4～1×10^-3 Pa，然后加热衬底，使衬底温度为400～700 ℃，激光频率为3～10 Hz，激光能量为250～350 mJ，进行生长；先沉积溅射ZnO靶材，然后再溅射NaF靶材，交替生长获得Na掺杂ZnO多层薄膜；生长后的薄膜以3～5℃/min冷却至室温。

步骤2）将生长得到的Na掺杂ZnO薄膜在400～800℃在管式炉或快速退火炉进行退火处理。

ZnO的p型掺杂是由掺杂原子替代Zn或者O产生空穴而得到的。NaF溅射层提供了Na离子掺杂源，在生长或后续的退火中Na离子扩散替代Zn原子形成掺杂，进而得到p型ZnO薄膜。本发明调节生长过程中的氧气压强，调节NaF溅射层中的Na离子与F离子的比例；调节生长温度，调节Na离子在ZnO中的扩散，从而获得p型Na掺杂ZnO薄膜。

作为优选步骤1）中压强为2～45Pa，衬底温度为550～650℃，靶材距离4.5～5.5cm，激光能量为250～350 mJ，激光频率为3～10 Hz，ZnO薄膜溅射时间60～180s，NaF溅射时间为5～60s，交替生长20～40次，后续的退火温度550～850℃。在这个范围内的制备的Na掺杂ZnO薄膜为p型。