硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及了一种硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，采用磁控溅射和热氧化技术制备，将磁控溅射腔抽到真空环境下，并加热经严格清洗的基底，使用纯度大于99.99%的硫化锌靶材和银靶，用双靶共同溅射的方法沉积ZnS：Ag薄膜；将获得的ZnS:Ag放置在氧气气氛下热氧化处理。本发明专利技术涉及的制备方法，参数易控，可重复性高，可实现掺杂浓度的控制，适用产业化生产环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于p型ZnO半导体光电薄膜材料领域，具体涉及到一种硫和银共掺杂p型ZnO光电薄膜的制备方法与应用。
技术介绍
作为宽禁带半导体材料的代表材料，ZnO具有高达3.37eV的禁带宽度和高达60meV的激子束缚能，且ZnO兼具原材料丰富，绿色无毒的特点，使得ZnO在半导体产业特别是紫外光电器件领域受到了广泛关注。但p型ZnO薄膜的难以实现日益成为制约ZnO材料器件化的瓶颈。因为1）ZnO的受主能级很深，而自身存在施主缺陷具有强烈的自补偿作用，使得本征ZnO呈现出弱n型，阻碍了浅受主能级的形成。2）多数受主元素在ZnO中的固溶度很低，极大限制了空穴浓度的提高。但目前仍旧是通过掺杂I族元素如钠、钾、锂或V族元素氮、磷等受主的方式制备p型ZnO。最近，理论研究证实：在富氧条件，银掺杂ZnO易于形成锌替位，，证实银掺杂是获得p型ZnO的有效方法。但同时Yan等指出，银掺杂引入的受主能级较深（约0.4eV），这使得室温下很难得到转型所需的空穴浓度。因此如何降低银作为受主的离化能，成为获得低温下p型ZnO的重要问题。Yan等经理论研究表明：通过共掺杂硫可有效降低Ag作为受主的离化能。但密度泛函理论证实： Ag替位Zn后,将与周围的四个O原子键合。如果将周围的O原子用S原子替换掉,则形成了AgZn-nSO，n为替换掉O原子的数目。随着n增大，AgZn-nSO缺陷的电离能将降低，因此通过银和硫共掺杂可有效降低单独Ag掺杂受主能级较深的问题，对实现n型ZnO具有重要意义。但对如何实现两种元素的有效掺杂和有效控制其掺杂比例尚无进一步研究。>
技术实现思路
本专利技术针对p型ZnO难以实现的问题，提供了一种通过磁控溅射和热氧化技术制备银和硫共掺p型ZnO光电薄膜方法与应用，制备的p型ZnO光电性能优异。一种硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射和热氧化技术制备，包括以下步骤：（1）将磁控溅射腔抽到真空环境下，并加热经严格清洗的基底，使用纯度大于99.99%的硫化锌靶材和银靶，用双靶共同溅射的方法沉积ZnS：Ag薄膜；（2）将步骤（1）中获得的ZnS:Ag放置在氧气气氛下热氧化处理。采用磁控溅射制备环境初始真空度不低于10-4数量级，通入的氩气流量应控制在50-100sccm，溅射气压在3-5Pa，基底温度为250-350℃。在富氧环境下进行热氧化处理时，其温度为600-1000℃，热氧化时间为4-10小时。通过调整ZnS和Ag的溅射功率可以获得不同比例的ZnS:Ag薄膜，其中硫化锌靶材的溅射功率控制在50-100W，银靶靶材的溅射功率在5-20W。本专利技术的特点和增益效果如下：本专利技术方法采用硫化锌和银靶材共溅射的方式易于调控银和硫的共掺比例，满足不同的需求，可有效降低生产成本消耗；本专利技术制备的硫和银共掺杂制备的p型ZnO薄膜的颗粒分布均匀，电学性质优异，电学性如电阻率低至10-2量级，p型载流子浓度高达1021 数量级，迁移率在1-10之间。本专利技术涉及的制备方法工艺简单，参数易控，可重复性高，过程易于控制，可实现大规模的产业化生产。 附图说明图1未经热氧化处理的ZnS：Ag薄膜的AFM图，可以看出ZnS：Ag颗粒均匀有序，有利于形成共掺杂的ZnO。图2为经热氧化处理后获得的硫和银共掺杂ZnO的AFM图，可以看出经高温热氧化后，共掺杂ZnO薄膜由均匀的晶粒组成，与氧化前相比，晶粒明显增大。图3为热氧化后得到的硫和银共掺杂的ZnO薄膜的X射线衍射谱。具体实施方式本专利技术中所述的方法需采用磁控溅射系统和热氧化处理仪器，以下将结合实施例对技术方案进行作详细说明。所有实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1：(1)将表面严格清洗后的硅作为基底，放入样品1位置，加热基底至300℃，将磁控溅射腔的真空度抽至10-4 Pa数量级后，控制氩气流量计参数为80sccm，(气压稳定4.1-4.3Pa)，设置硫化锌靶材的射频功率为80W，银靶材的直流溅射功率为10W，溅射得到Ag掺杂比例为3.9%的ZnS：Ag薄膜。(2)将获得的ZnS：Ag薄膜在氧气气氛下，进行热氧化处理，温度为800℃，时间为6小时。得到厚度约为985nm的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜。获得的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜的室温电学性能如表1所示，电阻率为0.0389Ωcm,迁移率为7.85cm2/V·s，载流子浓度为2.69×1019。电阻率（Ωcm）迁移率（cm2/V·s）载流子浓度导电类型0.03897.852.69×1019P  实施例2：(1)将经过严格清洗的石英作为基底，放入样品2位置，基底温度设置为250℃；将磁控溅射腔的真空度抽至10-4 Pa数量级后，控制氩气流量计参数为50sccm，(气压稳定3.-3.3Pa)，设置硫化锌靶材的射频功率为50W，银靶材的直流溅射功率为5W，溅射得到Ag掺杂比例为2.9%的ZnS：Ag薄膜。(2)将获得的ZnS：Ag薄膜在氧气气氛下，进行热氧化处理，温度为1000℃，时间为8小时。得到厚度约为818nm的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜。获得的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜的室温电学性能如表1所示，电阻率为0.054Ωcm,迁移率为20.78cm2/V·s，载流子浓度为5.46×1018。实施例3：(1)将表面经过严格清洗的硅作为基底，放入样品2位置，基底温度设为350℃；将磁控溅射腔的真空度抽至10-4 Pa数量级后，控制氩气流量计参数为100sccm，(气压稳定4.8.-5.0Pa)，设置硫化锌靶材的射频功率为100W，银靶材的直流溅射功率为20W，溅射得到Ag掺杂比例为7.2%的ZnS：Ag薄膜。(2)将获得的ZnS：Ag薄膜在氧气气氛下，进行热氧化处理，温度为600℃，时间为8小时。得到厚度约为1132nm的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜。获得的硫和锌共掺杂的p型ZnO薄膜的室温电学性能如表1所示，电阻率为0.054Ωcm,迁移率为0.082cm2/V·s，载流子浓度为3.24×1021。]  本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射和热氧化技术制备，包括以下步骤：（1）将磁控溅射腔抽到真空环境下，并加热经严格清洗的基底，使用纯度大于99.99%的硫化锌靶材和银靶，用双靶共同溅射的方法沉积ZnS：Ag薄膜；（2）将步骤（1）中获得的ZnS:Ag放置在氧气气氛下热氧化处理。

【技术特征摘要】
1.一种硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射和热氧化技术制备，包括以下步骤：
（1）将磁控溅射腔抽到真空环境下，并加热经严格清洗的基底，使用纯度大于99.99%的硫化锌靶材和银靶，用双靶共同溅射的方法沉积ZnS：Ag薄膜；
（2）将步骤（1）中获得的ZnS:Ag放置在氧气气氛下热氧化处理。
2.根据权利要求1所述硫和银共掺杂p型氧化锌光电薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射制备环境初始真空度不低于10-4数量级，通入的氩气流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：何丹农，卢静，李争，尹桂林，葛美英，
申请(专利权)人：上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31