專利名稱：Cu摻雜p型ZnO薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種制備p型氧化鋅薄膜的工藝，特別是指利用磁控濺射方法制備p
型氧化鋅薄膜的工藝。
背景技術(shù)：
氧化鋅(Zinc oxide :ZnO)作為一種多功能材料已得到廣泛的應用。作為II-VI族直接寬帶隙半導體材料，ZnO目前已經(jīng)成為半導體薄膜材料研究的熱點之一。其在室溫下的禁帶寬度為3. 37eV，對應于紫外光波長，可以實現(xiàn)紫外光發(fā)射，進而可以開發(fā)出短波長發(fā)光二級管；而且，ZnO具有很大的激子束縛能(60meV)，與GaN(28meV)相比高出兩倍，并且ZnO以激子復合代替電子_空穴對的復合，在較低的閥值下便可產(chǎn)生受激發(fā)射，且激發(fā)溫度較高(55(TC)，在LDs領(lǐng)域顯示出很大的開發(fā)應用潛力。目前存在的主要問題是不能得到性能穩(wěn)定并且符合器件要求的P型ZnO材料。 一般來說實現(xiàn)ZnO的p型摻雜有兩種途徑I族元素占Zn位或V族元素占O位。從離化能的角度考慮，I族元素要優(yōu)于V族元素。然而對于IA族元素摻雜而言也很難實現(xiàn)ZnO的p型摻雜，這主要是因為IA族元素電子空穴對的離化能較低以及原子的尺寸大失配。與IA族元素相比較，IB族元素原子尺寸失配度相對要小的多，對于制備P型ZnO的摻雜元素，IB族元素優(yōu)于IA族元素。因此采用Cu作為摻雜劑實現(xiàn)ZnO的p型摻雜具有一定的可行性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用Cu摻雜技術(shù)制備p型ZnO薄膜的方法，解決IB族元素難于實現(xiàn)p型ZnO材料制備的難題。 本發(fā)明提供一種Cu摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，包括如下步驟 步驟1 :采用射頻磁控濺射方法，將純度為4N以上的ZnO和高純Cu粉末混合壓制
成所需靶材； 步驟2 :在氬氣和氧氣混合氣體環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上形成薄膜；
步驟3 :將形成薄膜的襯底進行退火處理，得到Cu摻雜的p型ZnO薄膜材料。
其中所述耙材中Cu的含量為2mol. % 。 其中所述氬氣和氧氣的比例為100 : 1-100 : IO，濺射氣壓范圍為O-l. 5sccm。
其中所述襯底是單晶Si、藍寶石或氧化鋅。
其中所述襯底的溫度范圍為400-60(TC之間。 其中所述退火過程是在真空管內(nèi)進行，退火時所用氣氛為高純氮氣或高純氧氣，氣壓為10—卞a，退火溫度為900°C，時間為60分鐘。


為了進一步說明本發(fā)明的工藝步驟以及特點，以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作詳細的描述。
圖l是本發(fā)明的流程圖； 圖2是磁控濺射法在單晶硅襯底上制備的Cu摻雜的p-型Zn0薄膜的x射線雙晶衍射圖。從圖中可以看到兩個衍射峰，分別為Zn0(0002)以及Si(lOO)衍射峰。沒有發(fā)現(xiàn)其它雜相的衍射峰，說明在單晶硅襯底上沉積的薄膜為單相結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種Cu摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，包括如下步驟 步驟1 :采用射頻磁控濺射方法；樣品生長所用的是一臺自主設(shè)計的JB_650型超高真空多靶磁控濺射儀，采用的電源工作方式為射頻；反應室內(nèi)有四個濺射靶，直徑達到85mm，同時襯底可以旋轉(zhuǎn)，保證了薄膜的厚度均勻；濺射生長薄膜所用的靶材分為A、 B兩靶，A靶由純度為99. 99%的ZnO粉末和高純的Cu粉末混合均勻壓制在一銅制圓托內(nèi)而成，Cu元素在靶中的摩爾比含量為2X。 B靶只由純度為99. 99X的ZnO粉末壓制而成。使用兩個靶的目的是可以通過控制各個靶的濺射功率或者靶與襯底之間的距離而得到不同Cu摻雜含量的樣品； 步驟2 :在氬氣和氧氣混合氣體環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上形成薄膜；所
述氬氣和氧氣的比例為ioo : i-ioo : io ;所述襯底是單晶si、藍寶石或氧化鋅，以單晶硅
片作為薄膜生長所用的襯底材料，襯底被切分為約2. 0X2. 0cm2的方塊，依次經(jīng)過丙酮，無水乙醇，去離子水的超聲波振蕩清洗，除去表面的油脂和污物，經(jīng)氮氣吹干后，將襯底放入磁控濺射反應室中，反應室的本底真空度為5X10—5Pa。準備生長；將放入生長室內(nèi)的樣品，加熱到80(TC并保溫20分鐘，進一步清除表面的氧化層；降至所需的襯底溫度，預濺射20分鐘，使靶表面的污染層濺射掉。開始薄膜的濺射生長；所述襯底的溫度范圍為400-600°C之間；通入反應氣體氬氣與氧氣的混合氣體(Ar : 02 = 100 : 0. l)，使反應室內(nèi)的氣壓維持在0.5Pa。旋轉(zhuǎn)襯底，打開射頻功率源，功率為120W，開始薄膜的濺射生長，生長時間為120分鐘；薄膜沉積完成后原位自然冷卻到室溫。 步驟3 :將形成薄膜的襯底進行退火處理，目的是激活摻入ZnO中的Cu，并提高樣品的晶體質(zhì)量，得到Cu摻雜的p型ZnO薄膜材料，所述退火過程是在真空管內(nèi)進行；真空管依次經(jīng)過丙酮，無水乙醇，去離子水的清洗，除去內(nèi)部的污物，最后在加熱爐內(nèi)烘干。將所需退火的樣品送入真空管內(nèi)，抽至真空狀態(tài)；退火時所用氣氛為高純氮氣或高純氧氣，真空管內(nèi)氣壓維持在1. 3X10—卞a，退火溫度為90(TC，時間為60分鐘；退火處理結(jié)束后，樣品自然冷卻至室溫后取出。 樣品經(jīng)過x射線雙晶衍射分析，結(jié)果顯示于圖2中。從圖中可以看出在單晶硅襯底上生長的薄膜為ZnO晶體結(jié)構(gòu)，Cu摻雜并沒有改變ZnO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。對該樣品在室溫下進行霍爾測試分析表明該ZnO薄膜為p型導電類型，電阻率為1. 5 Q cm，空穴載流子濃度為8. 41X 1017cm—3，載流子遷移率為4cm7Vs。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種Cu摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，將純度為4N以上的ZnO和高純Cu粉末混合壓制成所需靶材；步驟2在氬氣和氧氣混合氣體環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上形成薄膜；步驟3將形成薄膜的襯底進行退火處理，得到Cu摻雜的p型ZnO薄膜材料。
2. 如權(quán)利要求l所述的p型ZnO薄膜的制備方法，其中所述靶材中Cu的含量為2mol. %。
3. 如權(quán)利要求l所述的p型ZnO薄膜的制備方法，其中所述氬氣和氧氣的比例為100 : 1-100 : IO，濺射氣壓范圍為O-l. 5sccm。
4. 如權(quán)利要求1所述的p型ZnO薄膜的制備方法，其中所述襯底是單晶Si、藍寶石或氧化鋅。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的p型ZnO薄膜的制備方法，其中所述襯底的溫度范圍為400-600。C之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的p型ZnO薄膜的制備方法，其中所述退火過程是在真空管內(nèi)進行，退火時所用氣氛為高純氮氣或高純氧氣，氣壓為10—3Pa，退火溫度為900°C ，時間為60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Cu摻雜p型ZnO薄膜的制備方法，包括如下步驟步驟1采用射頻磁控濺射方法，將純度為4N以上的ZnO和高純Cu粉末混合壓制成所需靶材；步驟2在氬氣和氧氣混合氣體環(huán)境中將靶材濺射沉積在襯底之上形成薄膜；步驟3將形成薄膜的襯底進行退火處理，得到Cu摻雜的p型ZnO薄膜材料。本發(fā)明可以解決IB族元素難于實現(xiàn)p型ZnO材料制備的難題。
文檔編號C23C14/08GK101781749SQ20101010676
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者尹志崗, 楊曉麗, 陳諾夫 申請人:中國科學院半導體研究所