專利名稱：Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及p型ZnO晶體薄膜的制備方法，尤其是Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
制備性能優(yōu)異的n型和p型ZnO透明導(dǎo)電晶體薄膜是實(shí)現(xiàn)ZnO在光電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。ZnO的n型摻雜比較容易實(shí)現(xiàn)，而p型ZnO薄膜的制備則相對(duì)比較困難。這一方面是由于ZnO中存在許多本征缺陷，如鋅間隙(Zni)和氧空位(Vo)會(huì)產(chǎn)生高度自補(bǔ)償效應(yīng)；另一方面則是由于受主能級(jí)較深以及受主雜質(zhì)固溶度很低等原因造成。如何實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異性能的p型ZnO薄膜的實(shí)時(shí)摻雜已成為目前制約ZnO基光電器件發(fā)展的一個(gè)瓶頸。
目前國(guó)際上所報(bào)道p-ZnO的摻雜元素都集中在V族元素，例如N、P、As等，其中又以N摻雜最為普遍。但N元素?fù)诫s還存在一些問題諸如受主的固溶度低，受主能級(jí)較深，p型傳導(dǎo)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述N元素?fù)诫s所存在的問題，提供一種Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜的制備方法。
Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜的制備方法，是采用脈沖激光沉積法，包括以下步驟1)稱量純度＞99.99％的ZnO和Sb2O3粉末，其中Sb摩爾百分含量為1.5～4％，將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000～1200℃溫度下燒結(jié)，制得摻Sb的ZnO陶瓷靶；2)將陶瓷靶和經(jīng)清洗的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長(zhǎng)室中，靶材與襯底之間的距離保持為4～5.5cm，生長(zhǎng)室真空度抽至高于4×10-4Pa，襯底加熱升溫到400～600℃，生長(zhǎng)室通入純氧氣，控制壓強(qiáng)為0.1～1Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成余輝，沉積在襯底上，生長(zhǎng)結(jié)束后薄膜在氧氣氛下于500～700℃退火10～30min，冷卻至室溫。
上述純氧的純度為99.99％以上。所說的襯底可以是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃。
為了進(jìn)一步改善Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜的導(dǎo)電性能，可將退火后的Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜在40～100Pa的氧氣保護(hù)下緩慢冷卻至室溫。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)靶材中Sb的摩爾百分含量可以制備不同摻雜濃度的p型ZnO晶體薄膜，生長(zhǎng)時(shí)間由所需晶體薄膜的厚度決定。
本發(fā)明的有益效果在于方法簡(jiǎn)單，p型摻雜濃度可以通過調(diào)節(jié)靶材中Sb的摩爾百分含量來控制；在ZnO晶體薄膜生長(zhǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)受主Sb的實(shí)時(shí)摻雜；由于摻雜元素來自靶材，因此可以實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜；本發(fā)明與N元素?fù)诫s相比，Sb占據(jù)Zn的位置，同時(shí)誘生2個(gè)Zn的空位，形成SbZn-2VZn復(fù)合體，此復(fù)合體的形成能比較低，因而制得的p-ZnO薄膜具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法采用的脈沖激光沉積裝置示意圖，圖中1為激光器；2為生長(zhǎng)室；3為靶材；4為襯底；圖2是本發(fā)明方法制得的p型ZnO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合圖1，通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例11)稱量純度為99.99％的ZnO和Sb2O3粉末，其中Sb的摩爾百分含量為2％。將稱量好的ZnO和Sb2O3粉末倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中，在球磨機(jī)上球磨12個(gè)小時(shí)，目的是讓粉末混合均勻并在一定程度上細(xì)化。然后將原料分離出來烘干，添加粘結(jié)劑研磨，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，經(jīng)低溫(400℃)排素，使粘結(jié)劑揮發(fā)，再升溫至1200℃燒結(jié)2小時(shí)，得到摻Sb的ZnO陶瓷靶。
2)將石英襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺(tái)上，放入生長(zhǎng)室2。將摻Sb的ZnO陶瓷靶裝在靶材架上，然后嵌入脈沖激光沉積裝置的靶托中。調(diào)節(jié)襯底4和靶材3的距離為4cm，將擋板置于襯底和靶材之間。生長(zhǎng)室真空度抽至4×10-4Pa，襯底加熱至550℃。通入純O2，壓強(qiáng)控制在1Pa。開啟激光器1(脈沖激光能量為300mJ，頻率3Hz)，預(yù)沉積10min，除去靶材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜，沉積時(shí)間為45min，薄膜厚約為300nm。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。生長(zhǎng)結(jié)束后薄膜在氧氣氛下原位退火20min，退火溫度為650℃。將上述的ZnO晶體薄膜在70Pa的氧氣保護(hù)下緩慢冷卻至室溫。
制得的Sb摻雜p型ZnO晶體薄膜的室溫電學(xué)性能優(yōu)良電阻率為2.21Ωcm，空穴濃度達(dá)2.30×1018cm-3，霍爾遷移率為1.23cm2/V.s。并且放置數(shù)月后薄膜的電學(xué)性能沒有明顯變化。
上述薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，如圖2所示，只有ZnO的(0002)衍射峰出現(xiàn)，表明本發(fā)明方法制得的Sb摻雜的p型ZnO晶體薄膜具有良好的結(jié)晶性能。
實(shí)施例21)稱量純度為99.99％的ZnO和Sb2O3粉末，其中Sb的摩爾百分含量為1.5％。將稱量好的ZnO和Sb2O3粉末倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中，球磨混合均勻，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，經(jīng)400℃排素，使粘結(jié)劑揮發(fā)，再升溫至1000℃燒結(jié)2小時(shí)，得到摻Sb的ZnO陶瓷靶。
2)將硅襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺(tái)上，放入生長(zhǎng)室。將摻Sb的ZnO陶瓷靶置于脈沖激光沉積裝置的靶托中。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為5.5cm，將擋板置于襯底和靶材之間。生長(zhǎng)室真空度抽至4×10-4Pa，襯底加熱至600℃。通入純O2，壓強(qiáng)控制在0.1Pa。開啟激光器(脈沖激光能量為300mJ，頻率3Hz)，預(yù)沉積10min，除去靶材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜，沉積時(shí)間為30min，薄膜厚約為200nm。生長(zhǎng)結(jié)束后薄膜在氧氣氛下于700℃原位退火10min，冷卻至室溫。
制得的Sb摻雜p型ZnO晶體薄膜的室溫電學(xué)性能電阻率為57.7Ωcm，空穴濃度為6.88×1016cm-3，霍爾遷移率為1.57cm2/V.s。并且放置數(shù)月后薄膜的電學(xué)性能沒有明顯變化。
實(shí)施例31)稱量純度為99.99％的ZnO和Sb2O3粉末，其中Sb的摩爾百分含量為4％。將稱量好的ZnO和Sb2O3粉末倒入球磨罐中，球磨混合均勻，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，經(jīng)400℃排素，使粘結(jié)劑揮發(fā)，再升溫至1100℃燒結(jié)2小時(shí)，得到摻Sb的ZnO陶瓷靶。
2)將玻璃襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺(tái)上，放入生長(zhǎng)室。將摻Sb的ZnO陶瓷靶置于脈沖激光沉積裝置的靶托中。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為4.5cm，將擋板置于襯底和靶材之間。生長(zhǎng)室真空度抽至4×10-4Pa，襯底加熱至400℃。通入純O2，壓強(qiáng)控制在0.7Pa。開啟激光器(脈沖激光能量為300mJ，頻率3Hz)，預(yù)沉積10min，除去靶材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜，沉積時(shí)間為45min，薄膜厚約為300nm。生長(zhǎng)結(jié)束后薄膜在氧氣氛下于500℃原位退火30min，冷卻至室溫。
制得的Sb摻雜p型ZnO晶體薄膜的室溫電學(xué)性能電阻率為1930Ωcm，空穴濃度為2.53×1015cm-3，霍爾遷移率為1.28cm2/V.s。并且放置數(shù)月后薄膜的電學(xué)性能沒有明顯變化。
權(quán)利要求
1.Sb摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的制備方法，其特征是步驟如下1)稱量純度＞99.99％的ZnO和Sb2O3粉末，其中Sb摩爾百分含量為1.5～4％，將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000～1200℃溫度下燒結(jié)，制得摻Sb的ZnO陶瓷靶；2)將陶瓷靶和經(jīng)清洗的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長(zhǎng)室中，靶材與襯底之間的距離保持為4～5.5cm，生長(zhǎng)室真空度抽至高于4×10-4Pa，襯底加熱升溫到400～600℃，生長(zhǎng)室通入純氧氣，控制壓強(qiáng)為0.1～1Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成余輝，沉積在襯底上，生長(zhǎng)結(jié)束后薄膜在氧氣氛下于500～700℃退火10～30min，冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sb摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是所說的襯底是硅或藍(lán)寶石或石英或玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sb摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是純氧的純度為99.99％以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Sb摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的方法，其特征是退火后冷卻至室溫是在40～100Pa的氧氣保護(hù)下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開的Sb摻雜生長(zhǎng)p型ZnO晶體薄膜的制備方法，步驟如下稱量ZnO和Sb
文檔編號(hào)C30B23/00GK101037795SQ20071006696
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 潘新花 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)