一种氧化锌同质结p-n结材料及其制备方法技术

一种氧化锌同质结ｐ－ｎ结材料，其特征在于包括ｐ－型ＺｎＯ薄膜和ｎ－型ＺｎＯ薄膜，ｐ－型ＺｎＯ薄膜的厚度０．３～１μｍ，其中氮的原子浓度百分比为２～８％，铟的原子浓度百分比为０．５～５％；ｎ－型ＺｎＯ薄膜的厚度为０．３～１μｍ，铟的原子浓度百分比０．５～５％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
所属领域本专利技术涉及用于氧化锌基发光二极管(LEDs)，激光二极管(LDs)和紫外探测器等光电子器件的氧化锌同质结p-n结材料及其制备方法，属于半导体材料

技术介绍
氧化锌是一种新型的II-VI族宽禁带化合物半导体材料。室温下禁带宽度3.37eV，激子结合能高达60meV。能够在室温下实现与激子相关的紫外受激发射，这一性质对于研制高效率二极管及紫外波长激光器件非常有利。因此有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件。将取代氮化镓蓝光(450nm)发光器件。此外，作为一种宽带隙半导体材料，ZnO还在如下几个方面具有比GaN更为优越的性能1.高质量的ZnO薄膜中缺陷极少，可以得到高效率半导体器件；2.有多种衬底适合沉积ZnO薄膜，适用范围广、有利于复合功能的实现；3.对ZnO薄膜可以进行湿化学处理，适合于微型元器件的制作工艺；4.我国锌资源比较丰富、价格低廉，且ZnO薄膜的生长温度一般低于500℃，远低于GaN的生长温度(1050℃)，容易制备。5.氧化锌材料无毒性、无污染，属绿色环保材料。但是由于氧化锌中存在诸多本征施主缺陷(如氧空位Vo和间隙锌Zni)，对受主掺杂产生高度自补偿作用，天然为n型半导体，难以实现p型转变，从而导致无法制得氧化锌同质结p-n结结构，虽可以制备出氧化锌异质结p-n结结构，但由于晶格匹配问题使材料性质不够理想，限制了氧化锌基光电器件的开发应用。因此，氧化锌p-n结的实现是氧化锌基光电器件的关键技术，也一直是氧化锌研究中的主要课题。为制备氧化锌p-n结首先需要解决p型ZnO薄膜的制备问题。制备p型ZnO薄膜主要采用掺杂受主元素的方法来实现。其中氮是使用最多的元素，因为理论分析表明氮在氧化锌中具有最浅的受主能级，容易实现对氧化锌中施主缺陷的补偿和抑制。但因为氮的活性较差，与锌难于成键，很难实现在氧的替位位置存留，并且N与N之间的排斥作用较强，无法较高浓度掺杂。因此，实验的重复性差，电学性能难以精确控制，无法满足实用要求。只有极少报道成功制备了氧化锌同质结p-n结材料，这一研究在国际上尚处于探索阶段。如有报道采用脉冲激光沉积法在p-型GaAs衬底上通过热扩散制备As掺杂p-型ZnO薄膜，再在其上生长Al掺杂n型ZnO薄膜，从而制得了氧化锌同质结p-n结(J.Crystal Growth 219(2000)419)。Toru等人在单晶ZnO衬底上通过激光掺杂技术制备P掺杂p型ZnO薄膜，并实现了ZnO同质结p-n结结构(Appl.Phys.Lett.76(2000)3257)。但激光法设备昂贵，制膜成本高，难以实现大面积沉积。适合于基础理论研究，在实际应用方面尚有许多问题需要解决。并且单晶ZnO衬底或GaAs衬底与半导体工艺相容困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决氧化锌难于实现有效p-n结结构的困难，提供一种工艺简单易行，成本低廉，制备性能优异氧化锌p-n结材料的新方法，以满足制备ZnO基光电子器件的需要。氧化锌同质结p-n结材料的实现必将进一步促进ZnO薄膜在发光二极管(LEDs)，激光二极管(LDs)和紫外探测器等光电子器件领域的开发应用。本专利技术的实现过程包括两部分，即p-型ZnO薄膜的沉积和n-型ZnO薄膜的沉积。下面以先沉积p-型ZnO薄膜，再在其上沉积n-型ZnO薄膜为例说明此过程。也可以先沉积n-型ZnO薄膜，再在其上沉积p-型ZnO薄膜。(一)p-型ZnO薄膜的沉积先驱体溶液为水溶液，主要的溶质选择为优选地，锌源为醋酸锌(Zn(CH3COO)2)或硝酸锌(Zn(NO3)2或氯化锌(ZnCl2)。优选地，Zn2+溶液的浓度为0.1～1M。掺杂元素优选N，In，其中优选地，N源为醋酸铵(CH3COONH4)、氨水(NH4OH)、硝酸铵(NH4NO3)。优选地，NH4+浓度为1～5M；优选地，In源为硝酸铟(In(NO3)3)、氯化铟(InCl3)、醋酸铟(In(CH3COO)3)，优选地，In3+浓度为0.1～1M；优选地，先驱体溶液配比为Zn∶N∶In＝1∶(1-3)∶(0.03-0.25)。先驱体溶液经超声波雾化器雾化，雾化后的气体经气液分离管进入成膜室，在加热的衬底表面沉积成p-ZnO薄膜。氧化锌薄膜地沉积速率取决于衬底类型、衬底温度、气体流量、喷嘴与衬底距离等，其中优选地，衬底为单晶硅片、玻璃片、蓝宝石片。优选地，衬底温度控制在400-600℃。优选地，雾化溶液消耗速率为0.2～2ml/min。优选地，喷嘴和衬底距离为5～15cm。此工艺下，氧化锌薄膜的沉积速率为10～40nm/min，氮的原子浓度百分比为2～8％，铟的原子浓度百分比为0.5～5％。p-型ZnO薄膜的厚度0.3～1μm。参见中国专利“一种氮和铟共掺杂制备p-型氧化锌薄膜的方法”(申请号03151096.5)。(二)n-型ZnO薄膜的沉积先驱体溶液为水溶液，主要的溶质选择为优选地，锌源为醋酸锌(Zn(CH3COO)2)或硝酸锌(Zn(NO3)2或氯化锌(ZnCl2)。优选地，Zn2+溶液的浓度为0.1～1M。掺杂元素优选In，其中优选地，In源为硝酸铟(In(NO3)3)、氯化铟(InCl3)、醋酸铟(In(CH3COO)3)，优选地，In3+浓度为0.1～1M；优选地，先驱体溶液配比为Zn∶In＝1∶(0.03-0.25)。先驱体溶液经超声波雾化器雾化，雾化后的气体经气液分离管进入成膜室，在加热p-ZnO薄膜表面沉积成n-型ZnO薄膜，即构成ZnO同质结p-n结构。氧化锌薄膜地沉积速率取决于衬底温度、气体流量、喷嘴与衬底距离等，其中优选地，衬底温度控制在400-600℃。优选地，雾化溶液消耗速率为0.2～2ml/min。优选地，喷嘴和衬底距离为5～15cm。此工艺下，氧化锌薄膜的沉积速率为10～40nm/min，铟的原子浓度百分比0.5～5％。n-型ZnO薄膜的厚度为0.3～1μm。所得ZnO同质结p-n结的厚度为0.6～2μm。附图说明图1为喷雾热解法制备p型氧化锌薄膜的装置示意图。该装置包括超声波雾化器1、雾化杯2、气液分离管3、成膜室4、衬底5、衬底加热器6。图2实施例1ZnO同质结p-n结的断面结构示意3实施例1ZnO同质结p-n结的I-V特性曲线图4实施例2ZnO同质结p-n结的I-V特性曲线图5实施例3ZnO同质结p-n结的断面结构示意6实施例3ZnO同质结p-n结的I-V特性曲线具体实施方式下面通过实施例以进一步阐明本专利技术具体的实施过程以及实质性特点和显著的进步，但本专利技术决非仅局限于实施例。实施例1衬底采用单晶硅片Si(100)。p-型ZnO薄膜的先驱体溶液配比0.5M Zn(CH3COO)28mL，5M COONH42mL，1M In(NO3)30.5mL。溶剂均采用去离子水。将配制好的先驱体溶液倒入超声波雾化杯中。将单晶硅片Si(100)用氢氟酸浸蚀3分钟后，立刻放到炉盘上加热至420℃。待衬底达到设定温度后，启动超声波雾化器，以过滤空气作为载气，先驱体溶液消耗速率为0.2ml/min，雾化后的气体经气液分离管进入玻璃成膜室，保持喷嘴到衬底距离为6厘米。为使薄膜更均匀要不断调整喷嘴方位。约5分钟停止喷雾，用硅片盖住一部分薄膜以作为p-n结测试的底电极，继续喷雾约10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：边继明，李效民，高相东，于伟东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：