p型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法
【專利摘要】一種p型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，包括如下步驟：步驟1：取一單晶襯底；步驟2：在單晶襯底上，外延生長(zhǎng)單晶薄膜；步驟3：在單晶薄膜的表面上沉積一層SiO2納米薄膜；步驟4：利用雙能態(tài)氮離子注入的方法，從SiO2納米薄膜的表面向下注入氮元素，在SiO2納米薄膜的下面形成p型摻雜層，形成樣品；步驟5：對(duì)樣品做快速熱退火處理；步驟6：去除樣品表面的SiO2納米薄膜，完成制備。本發(fā)明與現(xiàn)有的微電子器件制造工藝相兼容，易于實(shí)施。此外，本方法還可適用于本征碲化鋅體單晶表面的p型摻雜，以及供其它II-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜材料做p型摻雜實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。
【專利說(shuō)明】P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，特別是一種利用雙能態(tài)氮離子注入法制備P型摻雜碲化鋅單晶薄膜材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碲化鋅是一種重要的I1-VI族化合物半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為2.26eV,屬于直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)。碲化鋅在制造綠光發(fā)光二級(jí)管(LED)、太陽(yáng)能電池、太赫茲探測(cè)器、光波導(dǎo)等光電器件中有很好的應(yīng)用前景。由于碲化鋅體單晶材料生長(zhǎng)困難、晶片尺寸小、價(jià)格昂貴，故常見的碲化鋅器件大多數(shù)都是在異質(zhì)外延生長(zhǎng)的薄膜上制造的。目前制備碲化鋅單晶薄膜的常用技術(shù)有分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和液相外延三種外延生長(zhǎng)方法，常用的襯底材料有砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)和碲化鋅(ZnTe)晶片等。本征碲化鋅單晶體或非有意摻雜的碲化鋅單晶薄膜一般呈現(xiàn)高阻或弱P型導(dǎo)電狀態(tài)，在器件制造工藝中常常需要對(duì)它做特定載流子濃度的η型或P型摻雜，其中η型摻雜元素有氯(Cl)或鋁(Al)，P型摻雜元素最常用的是氮(N)，具體工藝有原位摻雜(ΜΒΕ、M0CVD)、離子注入和熱擴(kuò)散三種摻雜方法。原位摻雜法易制備出摻雜濃度均勻的高質(zhì)量碲化鋅單晶薄膜，但存在著工藝控制復(fù)雜的問(wèn)題；離子注入法具有摻雜濃度精確可控、工藝簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)選區(qū)摻雜的優(yōu)勢(shì)，但在薄膜晶體中特別是表面層中將產(chǎn)生一定程度的晶格缺陷，必須做快速熱退火處理以修復(fù)晶體缺陷和激活摻雜元素的電活性；熱擴(kuò)散法的工藝很簡(jiǎn)單，但摻雜濃度不易精確控制，也很不均勻，高溫工藝時(shí)間較長(zhǎng)易破壞器件材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的陡峭界面，僅在個(gè)別情況下有運(yùn)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，提供一種P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，該方法與現(xiàn)有的微電子器件制造工藝相兼容，易于實(shí)施。此外，本方法還可適用于本征碲化鋅體單晶表面的P型摻雜，以及供其它I1-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜材料做P型摻雜實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。
[0004]本發(fā)明提供一種P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1:取一單晶襯底；
[0006]步驟2:在單晶襯底上，外延生長(zhǎng)單晶薄膜；
[0007]步驟3:在單晶薄膜的表面上沉積一層SiO2納米薄膜；
[0008]步驟4:利用雙能態(tài)氮離子注入的方法，從SiO2納米薄膜的表面向下注入氮元素，在SiO2納米薄膜的下面形成P型摻雜層，形成樣品；
[0009]步驟5:對(duì)樣品做快速熱退火處理；
[0010]步驟6:去除樣品表面的SiO2納米薄膜,完成制備。
[0011]本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有的微電子器件制造工藝相兼容，易于實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了碲化鋒e單晶薄I旲材料的可控聞濃度P型慘雜，并有效減少尚子注入對(duì)材料表面晶格的損傷，抑制熱退火時(shí)碲化鋅分解形成碲元素?fù)]發(fā)的問(wèn)題。此外，本方法還可適用于本征碲化鋅體單晶表面的P型摻雜，以及供其它I1-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜材料做P型摻雜實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和技術(shù)方案，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下，其中:
[0013]圖1本發(fā)明的工藝流程圖；
[0014]圖2是氮離子注入法制備P型摻雜碲化鋅單晶薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是碲化鋅表面沉積80nm SiO2薄膜后用SRM-2010軟件模擬雙能態(tài)氮離子注入的計(jì)算結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0016]請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，包括如下步驟:
[0017]步驟1:取一單晶襯底10，所述單晶襯底10的材料為ZnTe、GaSb、GaAs或Si晶片。例如:選用開盒即用的2英寸半絕緣GaAs(OOl)晶片為襯底材料。
[0018]步驟2:在單晶襯底10上，外延生長(zhǎng)單晶薄膜11，該單晶薄膜11為非有意摻雜，其厚度大于lOOnm，所述外延生長(zhǎng)單晶薄膜11是采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積。例如:采用分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備異質(zhì)外延生長(zhǎng)碲化鋅單晶薄膜材料。實(shí)驗(yàn)選用6N純度(≥99.9999% )以上的Zn、Te為分子束源，在優(yōu)于10_7Pa的背景真空度下，在襯底溫度630-680°C下先除去GaAs襯底表面上的自然氧化層，然后在襯底溫度320°C下外延生長(zhǎng)30nm的碲化鋅低溫緩沖層，再在360-380°C下生長(zhǎng)高質(zhì)量的碲化鋅單晶薄膜層。分子束源的VI / II比控制在4.0-6.4之間，外延生長(zhǎng)2小時(shí)碲化鋅薄膜的厚度約800nm左右。
[0019]步驟3:在單晶薄膜11的表面上沉積一層SiO2納米薄膜13，所述SiO2納米薄膜13的厚度是50-100nm，沉積溫度是室溫或低于200°C;沉積SiO2納米薄膜13的方法為磁控濺射、化學(xué)氣相沉積或脈沖激光沉積。例如:用磁控濺射設(shè)備在碲化鋅單晶薄膜表面上室溫下沉積80nm的SiO2納米薄膜。磁控濺射的輸出功率為400W、背景真空度約10_5Torr、在富氧氣氛下以Ar+離子濺射SiO2靶材、沉積速率0.2nm / s，樣品溫度為室溫狀態(tài)。本發(fā)明中SiO2納米薄膜的采用既有效減少了氮離子注入工藝對(duì)碲化鋅薄膜近表面層晶體質(zhì)量的損傷、抑制了快速熱退火處理對(duì)碲化鋅表面層分解的影響，在去除SiO2納米薄膜之后又提高了碲化鋅薄膜表面層的P型摻雜空穴濃度。
[0020]步驟4:利用雙能態(tài)氮離子注入的方法，從SiO2納米薄膜13的表面向下注入氮元素，在SiO2納米薄膜13的下面形成P型摻雜層12，形成樣品，所述氮離子注入的能量和劑量分別是低能態(tài)時(shí)為20-30keV、1.0X 1014_5.0X IO14CnT2 ;高能態(tài)時(shí)為60_80keV、1.0X1015-5.0X1015cnT2，所述P型摻雜層12的空穴濃度范圍為I X IO18-1 X 102°cnT3。例如:采用國(guó)產(chǎn)LC-4型離子注入機(jī)在室溫下從SiO2納米薄膜13的表面向下分別做低能態(tài)30keV、劑量4X IO14CnT2和高能態(tài)70keV、劑量2X IO15CnT2的氮離子注入P型摻雜實(shí)驗(yàn)。采用雙能態(tài)氮離子注入法克服了以前用單能態(tài)注入時(shí)摻雜元素濃度常呈現(xiàn)高斯分布而不均勻的問(wèn)題，明顯改善了摻雜元素分布的均勻性，并增加了精確調(diào)控?fù)诫s元素深度分布的靈活性，有利于研制高性能的光電器件。[0021]步驟5:對(duì)樣品做快速熱退火處理，所述快速熱退火處理是在常壓5-lOsccm流量的氮?dú)夥罩型嘶?，退火溫度?50-500°C，退火時(shí)間為l_5min。例如:采用國(guó)產(chǎn)RTP-500型快速熱退火爐、在常壓氮?dú)饬髁?-10sccm氣氛保護(hù)下對(duì)P型摻雜樣品做退火溫度350-500°C，退火時(shí)間l_5min的快速熱退火處理，既能修護(hù)氮離子注入產(chǎn)生的部分晶格缺陷，又能激活摻雜氮離子的電活性。
[0022]步驟6:去除樣品表面的SiO2納米薄膜13，完成制備。例如:用1:10稀釋的氫氟酸水溶液漂洗上述樣品l_2min，完全去除樣品表面上的SiO2納米薄膜13后即制備出了高質(zhì)量的、具有設(shè)定摻雜濃度的P型摻雜碲化鋅單晶薄膜材料。
[0023]P型摻雜碲化鋅樣品的空穴濃度可用經(jīng)典的范德堡Hall測(cè)試方法來(lái)測(cè)量。將樣品切割成8X8mm的正方形，在每個(gè)邊上的中心點(diǎn)處做In電極后測(cè)試Hall效應(yīng)，即可計(jì)算出樣品的載流子濃度和遷移率，并判定載流子的類型是電子或空穴。
[0024]參閱圖3所示，為了在碲化鋅單晶薄膜材料中獲得盡可能均勻的摻雜濃度分布和達(dá)到工藝設(shè)定的摻雜濃度，離子注入實(shí)驗(yàn)之前一般都需要用經(jīng)典的SRM-2010軟件模擬離子注入的計(jì)算結(jié)果。圖3是碲化鋅表面沉積80nm SiO2薄膜后用SRM-2010軟件模擬雙能態(tài)氮離子注入的計(jì)算結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)代表了從樣品表面算起的深度分布，單位是納米(nm)，縱坐標(biāo)表示注入氮元素的濃度，單位是cm—3。其中下邊曲線對(duì)應(yīng)于氮離子注入能量30keV、劑量4X IO14CnT2時(shí)的氮元素濃度分布，中間曲線對(duì)應(yīng)于氮離子注入能量70keV、劑量2X IO15Cm-2時(shí)的氮元素濃度分布；上邊曲線是它們疊加后總的氮元素濃度分布結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)控?fù)诫s氮元素的深度分布和解決摻雜均勻性的問(wèn)題。
[0025]在本發(fā)明中外延生長(zhǎng)非有意摻雜的碲化鋅單晶薄膜樣品和離子注入后未經(jīng)退火處理的樣品都呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，空穴濃度僅有l(wèi)OlOcnT3量級(jí)。退火處理后樣品的空穴濃度可達(dá)到lX1018-lX102°cm_3，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。根據(jù)氮離子注入的能量和劑量、以及快速熱退火的溫度和時(shí)間就可以精確調(diào)控P型摻雜碲化鋅單晶薄膜層的厚度和空穴濃度，在碲化鋅基光電器件研發(fā)中有廣闊的應(yīng)用前景。
[0026]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，包括如下步驟: 步驟1:取一單晶襯底； 步驟2:在單晶襯底上，外延生長(zhǎng)單晶薄膜； 步驟3:在單晶薄膜的表面上沉積一層SiO2納米薄膜； 步驟4:利用雙能態(tài)氮離子注入的方法，從SiO2納米薄膜的表面向下注入氮元素，在SiO2納米薄膜的下面形成P型摻雜層，形成樣品； 步驟5:對(duì)樣品做快速熱退火處理； 步驟6:去除樣品表面的SiO2納米薄膜，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中單晶襯底的材料為 ZnTe、GaSb、GaAs 或 Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中該單晶薄膜為非有意摻雜，其厚度大于lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中外延生長(zhǎng)單晶薄膜是采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中SiO2納米薄膜的厚度是50-100nm，沉積溫度是室溫或低于200°C ;沉積SiO2納米薄膜的方法為磁控濺射、化學(xué)氣相沉積或脈沖激光沉積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中氮離子注入的能量和劑量分別是低能態(tài)時(shí)為20-30keV、1.0X 1014-5.0XlO14Cnr2 ;高能態(tài)時(shí)為60_80keV、1.0Χ1015-5.0X1015cm_2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中快速熱退火處理是在常壓5-10sccm流量的氮?dú)夥罩型嘶?，退火溫度?50-500°C，退火時(shí)間為l_5min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P型碲化鋅單晶薄膜材料的摻雜方法，其中P型摻雜層的空穴濃度范圍為I X IO18-1 X 102°cnT3。
【文檔編號(hào)】H01L21/265GK103474333SQ201310419775
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】劉超, 張理嫩, 楊秋旻, 崔利杰, 曾一平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所