專利名稱：Ag摻雜生長p型ZnMgO晶體薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及P型ZnMgO晶體薄膜的生長方法，尤其是Ag摻雜生長ρ型ZnMgO晶體薄膜的方法。
背景技術：
ZnO是一種II - VI族寬禁帶半導體，有其獨特的優(yōu)勢，在室溫下的禁帶寬度為3. 37 eV,自由激子結合能高達60 meV,遠大于GaN的激子結合能25 meV和室溫熱離化能沈 meV,因此更容易在室溫或更高溫度下實現(xiàn)激子增益，是一種很有潛力實現(xiàn)高功率半導體激光器件的材料。但是，ZnO走向光電器件應用的關鍵是實現(xiàn)穩(wěn)定可靠且低阻的ρ型ZnO薄膜。SiO由于存在諸多本征施主缺陷(如Sii, V0等)和非故意摻雜的H等雜質，通常表現(xiàn)為η型。這些施主缺陷的存在能對摻入的受主雜質產(chǎn)生強烈的自補償效應，所以難以實現(xiàn)ZnO的ρ型摻雜。理論上，實現(xiàn)ρ型ZnO有以下幾 擇:1族元素(Li，Na, K，Ag, Cu和Au)替代Zn的位置，或
者V族元素(N、P、As、Sb)替代0的位置，可以實現(xiàn)ZnO的ρ型轉變。艦第一性原理電子結構計算得
出，I B族元素的摻1 !程易于在富氧■下實現(xiàn)元素取代Zn位形成受主雜質，而且該缺陷形成
能非常低，而SA間隙的缺陷形成能卻非常高，所以IB族元素在ZnO薄膜中更容易取代Zn位而不是形成間隙原子。另外，這種富氧射牛生長會有效抑制對空穴載流子形成補償?shù)闹T多本征施主缺陷 (如氧空位K。和間隙Zni)的形成。理論計觀口分析還表明Ag在ZnO中具有相對較淺的^主能級(0.4 eV),與其他IB族元素(QkAu)相比是一種更加理想的^±摻雜元素，而且這一^±離化能可比擬于被譽為最好摻雜元素N。另一方面，通過在ZnO中摻Mg，可調節(jié)禁帶寬度，實現(xiàn)能帶工程。ZnMgO合金可運用于ZnMgO/ZnO異質結，量子講和超晶格等結構中。這些結構運用在光電器件，如發(fā)光二極管、紫夕卜探測器、太陽能電tfct中，可以大大提高器件的性能和效率。而將P型ZnMgO層弓丨入到ZnMgO/ZnO量子講異質結結構中，則可進一步優(yōu)化器件結構，拓寬其工作波長至紫外波段。因此，開展ZnMgO薄膜ρ 型摻雜的研究具有非常重要的意義。脈沖激光沉積法具有沉積雜易控、易麟薄膜與靴成分一致、 能實現(xiàn)實時摻雜且生長的薄膜質量·尤點，但是到目前為止還沒有用這種方法進行過Ag摻雜生長 ρ型ZnMgO晶術薄膜的生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服目前ρ型ZnMgO摻雜所存在的不足，提供Ag摻雜生長ρ型 ZnMgO晶體薄膜的方法。本發(fā)明的Ag摻雜生長ρ型ZnMgO晶體薄膜的方法，采用的是脈沖激光沉積法，其步驟如下
1)稱量純&10、純MgO和純A&0粉末，其中Mg的摩爾百分含量為10%，Ag的摩爾百分含量為0. 6 1%，經(jīng)球磨混合后壓制成型，然后在1200°C燒結8小時以上，制得靶材；2)將清洗后的襯底放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，靶材與襯底之間的距離為5. 5 cm,生長室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為30(T60(TC，以純仏為生長氣氛，控制O2壓強3(Γ60 Pa，激光頻率為;Γ5 Hz,進行生長，生長后的薄膜在100 1 的
氧氣氣氛保護下冷卻至室溫。上述的襯底可以是硅、藍寶石、玻璃或石英。所說的氧氣純度為99. 99%以上。純氧化鋅、純氧化鎂和純氧化銀粉末的的純度均為99. 99%。本發(fā)明通過調節(jié)Ag的摩爾含量、襯底溫度和生長氣氛壓強，可以制備出不同摻雜濃度的P型ZnMgO晶體薄膜，生長的時間由所需的厚度決定。本發(fā)明的優(yōu)點
1)可以實現(xiàn)實時摻雜，在ZnMgO晶體薄膜生長過程中同時實現(xiàn)P型摻雜；
2)摻雜濃度可以通過調節(jié)生長溫度和靶材中Ag的摩爾含量來控制；
3)制備的ρ型薄膜具有良好的電學性能，重復性和穩(wěn)定性。


圖1是本發(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為生長室；3為靶材；4為襯底；
圖2是實施例1的ρ型ZnMgO晶體薄膜的χ射線衍射(XRD)圖譜； 圖3是實施例1的ρ型ZnMgO晶體薄膜的室溫光致發(fā)光(PL)譜。
具體實施例方式以下結合具體實例進一步說明本發(fā)明。實施例1
1)取純度均為99. 99%的氧化鋅、氧化鎂和氧化銀粉末，其中Mg的摩爾百分含量為10%， Ag的摩爾百分含量為1%’，將&ι0、MgO和的混合粉末倒入瑪瑙球杯中，放在球磨機上進行球磨，球磨的時間為M個小時。球磨的目的有兩個首先是為了將aiO、MgO和Ag2O粉末混合均勻，以保證制備出來的靶材的均勻性；其次，是為了將aiO、MgO和Ag2O粉末細化， 以利于隨后混合粉末的成型和燒結。球磨結束后，將粉末壓制成厚度為3 mm，直徑為50 mm的圓片。先在800°C預燒1 小時，然后在1200°C燒結8小時，得到靶材。2)以石英為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，生長室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為400°C，以上述制得的摻MgO和Ag2O 的ZnO為靶材，調整襯底和靶材的距離為5. 5 cm,以純化(純度99. 99%)為生長氣氛，控制 O2壓強45 Pa，激光頻率為5 Hz,激光能量為300 mj下開始沉積生長，生長的時間為60 min.生長后在100 1 氧氣保護氣氛下原位保溫30 min,之后緩慢冷卻，得到Ag摻雜ρ型 ZnMgO晶體薄膜。其χ射線衍射(XRD)圖譜見圖2，室溫光致發(fā)光譜見圖3。制得的Ag摻雜ρ型ZnMgO晶體薄膜在室溫下有優(yōu)異的電學性能電阻率為 65. 26 Ω -cm,遷移率為0.四4 cmH—1，空穴濃度為3. 25X IO17 cm—3。并且放置數(shù)月后薄膜的電學性能沒有明顯變化。實施例21)取純度均為99. 99%的氧化鋅、氧化鎂和氧化銀粉末，其中Mg的摩爾百分含量為10%， Ag的摩爾百分含量為1%’，將&ι0、MgO和的混合粉末倒入瑪瑙球杯中，放在球磨機上球磨M個小時后，壓制成厚度為3 mm，直徑為50 mm的圓片。先在800°C預燒1小時，然后在1200°C燒結8小時，得到靶材。2)以石英為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，生長室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為600°C，以上述制得的摻MgO和Ag2O 的ZnO為靶材，調整襯底和靶材的距離為5. 5 cm,以純化(純度99. 99%)為生長氣氛，控制 O2壓強45 Pa，激光頻率為5 Hz,激光能量為300 mj下開始沉積生長，生長的時間為60 min.生長后在100 1 氧氣保護氣氛下原位保溫30 min,之后緩慢冷卻，得到Ag摻雜ρ型 ZnMgO晶體薄膜。制得的Ag摻雜ρ型ZnMgO晶體薄膜在室溫下有優(yōu)異的電學性能電阻率為 4126 Ω - cm,遷移率為0.cmH—1，空穴濃度為5. 80X IO15 cm—3。并且放置數(shù)月后薄膜的電學性能沒有明顯變化。實施例3
1)取純度均為99. 99%的氧化鋅、氧化鎂和氧化銀粉末，其中Mg的摩爾百分含量為10%， Ag的摩爾百分含量為0. 6%,，將aiO、MgO和Ag2O的混合粉末倒入瑪瑙球杯中，放在球磨機上球磨M個小時后，壓制成厚度為3 mm，直徑為50 mm的圓片。先在800°C預燒1小時，然后在1200°C燒結8小時，得到靶材。2)以藍寶石為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，生長室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為400°C，以上述制得的摻MgO和Ag2O 的ZnO為靶材，調整襯底和靶材的距離為5. 5 cm,以純化(純度99. 99%)為生長氣氛，控制 O2壓強30 Pa，激光頻率為5 Hz,激光能量為300 mj下開始沉積生長，生長的時間為60 min.生長后在100 1 氧氣保護氣氛下原位保溫30 min,之后緩慢冷卻，得到Ag摻雜ρ型 ZnMgO晶體薄膜。制得的Ag摻雜ρ型ZnMgO晶體薄膜在室溫下有優(yōu)異的電學性能電阻率為 385. 5 Ω -cm,遷移率為0. 271 cmH—1，空穴濃度為5. 98X IO"5 cm—3。并且放置數(shù)月后薄膜的電學性能沒有明顯變化。
權利要求
1.Ag摻雜生長P型ZnMgO晶體薄膜的方法，其特征是采用脈沖激光沉積法，包括如下步驟1)稱量純Zno、純MgO和純Ag2O粉末，其中Mg的摩爾百分含量為10%，Ag的摩爾百分含量為0. 6~1%,經(jīng)球磨混合后壓制成型，然后在1200°C燒結8小時以上，制得靶材；2)將清洗后的襯底放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，靶材與襯底之間的距離為5.5 cm,生長室背底真空度抽至10_4 Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度為300~60pa，以純仏為生長氣氛，控制O2壓強30~60 Pa，激光頻率為;Γ5 Hz,進行生長，生長后的薄膜在100 Pa的氧氣氣氛保護下冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的Ag摻雜生長ρ型ZnMgO晶體薄膜的方法，其特征是所說的襯底是硅、藍寶石、玻璃或石英。
3.根據(jù)權利要求1所述的Ag摻雜生長ρ型ZnMgO晶體薄膜的方法，其特征是純仏的純度為99. 99%以上。
4.根據(jù)權利要求1所述的Ag摻雜生長ρ型ZnMgO晶體薄膜的方法，其特征是純加0、 純MgO和純Ag2O粉末的純度均為99. 99%。
全文摘要
本發(fā)明公開的Ag摻雜生長p型ZnMgO晶體薄膜的方法，采用的是脈沖激光沉積法。靶材是由純ZnO、MgO和Ag2O粉末球磨混合后壓制成型并燒結的陶瓷靶,其中Mg的摩爾百分含量為10%,Ag的摩爾百分含量為0.6~1%；然后在脈沖激光沉積裝置的生長室中，以純O2為生長氣氛，控制O2壓強30~60Pa，激光頻率為3~5Hz,生長溫度為300~600℃,在襯底上生長p型ZnMgO晶體薄膜。本發(fā)明方法可以實現(xiàn)實時摻雜,摻雜濃度通過調節(jié)生長溫度和靶材中Ag的摩爾百分含量來控制。采用本發(fā)明方法制備的p型ZnMgO晶體薄膜具有良好的電學性能，重復性和穩(wěn)定性。
文檔編號C23C14/08GK102162131SQ201110082020
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2011年4月1日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 曹鈴, 朱麗萍 申請人:浙江大學