一种氧化锌掺杂同质PN结
阅读：1021发布：2020-05-31
专利汇可以提供一种氧化锌掺杂同质PN结专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 氧 化锌掺杂同质 PN结 ，由ZnO掺钴 薄膜 作为P型结，ZnO掺铟镓薄膜作为N型结，P型的ZnO掺钴薄膜在附着在衬底基片上，N型ZnO掺铟镓薄膜附在P型的ZnO掺钴薄膜上，P型的ZnO掺钴薄膜的部分被N型ZnO掺铟镓薄膜 覆盖 ；其制备方法通过 脉冲激光沉积 法来制备的，采用如下技术方案实现：先采用固体反应 烧结 法制备Zn0.9Co0.1O和In0.8Ga0.1Zn0.1O陶瓷靶材，再采用脉冲激光沉积法分别制备P型掺钴氧化锌薄膜和N型掺铟镓氧化锌薄膜，形成同质p-n结。本实用新型结晶 质量 好、表面光滑，具有纳米结构。，下面是一种氧化锌掺杂同质PN结专利的具体信息内容。
一种氧化锌掺杂同质PN结
技术领域
背景技术
[0002] ZnO是一种新型的II-VI族直接带隙宽禁带光电半导体材料，人们对其光电性能的极大关注始自1997年ZnO室温光泵浦紫外激光发射和自组装谐振腔现象的报道。事实上，ZnO和GaN不但具有相同的晶体结构、相近的晶格常数和禁带宽度，而且ZnO具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，更易于实现室温或更高温度下的高效率激光发射。另外，ZnO还具有热稳定性高、抗粒子辐射损伤强、外延温度低、成膜性能好、可进行湿法刻蚀、易获得大面积单晶衬底、原料丰富、无毒等优点。因此，ZnO可以作为GaN的替代材料应用于短波长光电器件领域，如发光二极管(LEDs)、激光器(LDs)、紫外探测器等。
[0003] 目前，ZnO p-n结的研究仍然处在初级阶段，只有实现了ZnO的电注入激射，才能实现ZnO真正的实用化。阻碍ZnO p-n结在光电等方面广泛应用的最主要的因素之一是无法进行有效的掺杂以得到p型ZnO薄膜，从而实现半导体及光电器件中基本的p-n结结构。对于p-ZnO薄膜，由于ZnO中存在诸多的本征施主缺陷，如锌间隙Zni和氧空位Vo，其能级分别位于导带底0.05eV和0.3eV处，会对受主产生较强的自补偿作用。此外，ZnO中的受主能级一般很深，空穴不易通过热激发进入价带，受主掺杂的固溶度也很低，因此难以实现p型的转变。对于n-ZnO薄膜，实现n型容易，但同时具有高迁移率和室温制备条件的ZnO掺杂却不易。
发明内容
发明内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种氧化锌掺杂同质p-n结。
[0005] 本实用新型的一种氧化锌掺杂同质PN结，由ZnO掺钴薄膜作为P型结，ZnO掺铟镓薄膜作为N型结，P型的ZnO掺钴薄膜附着在衬底基片上，N型ZnO掺铟镓薄膜附在P型的ZnO掺钴薄膜上，P型的ZnO掺钴薄膜的部分被N型ZnO掺铟镓薄膜覆盖，在中间的交界面形成PN结，形成上下层次的PN结，制备过程中选择掩膜法制备PN结接触电极表面，用In金属作为电极，分别焊在P型的ZnO掺钴薄膜表面和N型ZnO掺铟镓薄膜表面。
[0006] 上述ZnO掺钴薄膜为Zn0.9Co0.1O薄膜，N型ZnO掺铟镓薄膜为In0.8Ga0.1Zn0.1O薄膜。
[0007] 本实用新型的氧化锌掺杂同质p-n结通过脉冲激光沉积法来制备的，采用如下技术方案实现：先采用固体反应烧结法制备Zn0.9Co0.1O和In0.8Ga0.1Zn0.1O陶瓷靶材，再采用脉冲激光沉积法(Pulse Laser deposition，PLD)分别制备P型掺钴氧化锌薄膜和N型掺铟镓氧化锌薄膜，形成同质p-n结。
[0008] 具体步骤如下：
[0009] 1)制备Zn0.9Co0.1O陶瓷靶材：
[0010] 将纯度≥99.99％的ZnO和纯度≥99.99％的Co2O3按Zn∶Co原子摩尔比为9∶1混合并研磨2～10小时后，于850～1200℃保温6～12小时，冷却至室温，再次研磨2～10小时后，压制成固体靶材，将固体靶材于850～1200℃保温6～12小时，得到Zn0.9Co0.1O陶瓷靶材；
[0011] 2)生长P型掺钴氧化锌薄膜：
[0012] 以步骤1)中制备的Zn0.9Co0.1O陶瓷为靶材，以蓝宝石、单晶Si或石英玻璃为衬-4 -5底，采用脉冲沉积法制备P型掺钴氧化锌薄膜，将真空室抽真空至2.5×10 ～2.5×10 Pa后，不通任何气氛，调节激光功率至200～600mw，将靶材和衬底竖直放置在羽辉溅射方向上，调节靶基距至4-5cm，同时旋转靶材和衬底，并根据羽辉大小调整光斑大小和位置使羽辉前端完整覆盖衬底，以保证所镀薄膜表面均匀，将衬底加热至700～800℃，打开挡板，沉积20～60分钟。
[0013] 3)制备In0.8Ga0.1Zn0.1O陶瓷靶材：
[0014] 将纯度≥99.99％的In2O3、纯度≥99.99％的Ga2O3和纯度≥99.99％的ZnO粉末，按8∶1∶1的In∶Ga∶Zn原子摩尔比例称量粉末，在研钵中进行混匀与研磨，在常压空气气氛下进行高温烧结6～14h，烧结温度为1000～1400℃；将预烧结后的粉末经研磨处理后，进行压制成型，得到料胚，成型压力为8～10MPa，保持压力时间2～4min，再次高温烧结6～14h，烧结温度为1000～1400℃，制得In0.8Ga0.1Zn0.1O靶材；
[0015] 4)生长n型掺铟镓氧化锌薄膜：
[0016] 将In0.8Ga0.1Zn0.1O靶材表面清洗后装入真空腔内，对真空室抽真空，当真空度达-3 -1到10 Pa以上时，同时向真空室通入氧气，使氧分压保持在3×10 ～15Pa压强下。以紫外脉冲激光为光源进行沉积，同时利用掩膜将已镀上P型薄膜的一半遮挡，只有一半薄膜暴露在等离子羽辉下，对靶材和基片进行自转，靶基距30～50mm；同时调整紫外脉冲激光器输出功率在200～600mw，使得核状羽辉末端恰好接触到基片，在室温衬底温度下生长In0.8Ga0.1Zn0.1O薄膜，沉积时间为10～120min。
[0017] 本实用新型具有的有益效果：
[0018] 本实用新型采用脉冲激光沉积法将不同离子均匀掺杂进ZnO，在不破坏氧化锌结构的前提下，制备出纳米结构、结晶质量好、表面光滑的同质氧化锌半导体p-n结，为下一步制备具有ZnO基发光二极管、晶体管、光电探测器和太阳能电池应用创造了良好的前提条件。附图说明
[0019] 图1是实施例1制备的氧化锌同质PN结结构剖面示意图。
[0020] 图2是实施例2制备的氧化锌同质PN结整流特性曲线测试图。
[0021] 以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
[0022] 一种氧化锌掺杂同质PN结，具体见图1，由ZnO掺钴薄膜作为P型结，ZnO掺铟镓薄膜作为N型结，P型的ZnO掺钴薄膜附着在衬底基片上，N型ZnO掺铟镓薄膜附在P型的ZnO掺钴薄膜上，P型的ZnO掺钴薄膜的部分被N型ZnO掺铟镓薄膜覆盖，在中间的交界面形成PN结，形成上下层次的PN结，制备过程中选择掩膜法制备PN结接触电极表面，用In金属作为电极，分别焊在P型的ZnO掺钴薄膜表面和N型ZnO掺铟镓薄膜表面。
[0023] 上述ZnO掺钴薄膜为Zn0.9Co0.10薄膜，N型ZnO掺铟镓薄膜为In0.8Ga0.1Zn0.10薄膜。
[0024] 实施例1
[0025] 1)制备Zn0.9Co0.1O陶瓷靶材：
[0026] 将14.2621g纯度为99.99％的ZnO和1.5297g纯度为99.99％的Co2O3(摩尔比为0.9∶0.05)放入玛瑙研磨仪研磨3小时后，置于刚玉烧结容器中在5小时内升温至1200℃并保温6小时，冷却至室温，再次在玛瑙研磨仪中研磨4小时后，经液压压靶机(12MPa下压制3分钟)压制成直径为30mm的固体圆形靶材，将固体圆形靶材放入管式炉中于1200℃保温11小时，得到纯度为99.99％的Zn0.9Co0.1O陶瓷靶材；
[0027] 2)制备P型掺钴氧化锌薄膜：
[0028] 以步骤1)中制备的Zn0.9Co0.1O陶瓷为靶材，以A12O3单晶为衬底，采用脉冲沉积法-4制备P型掺钴氧化锌薄膜，将真空室抽真空至2.5×10 Pa，不通任何气氛，采用调Q Nd:YAG脉冲激光器，激光波长355nm，重复频率10Hz，脉宽10ns，通过等离子羽辉大小和形状，调节透镜、靶位、靶基距至5cm，激光功率至420mw，进而调整光路，光斑位置和光斑大小，使羽等离子辉前端完整覆盖衬底，关闭分子泵，等到真空度稳定至0.9Pa，将衬底加热至800℃，并让激光对靶面轰击3分钟，打开挡板，沉积30分钟。
[0029] 3)制备In0.8Ga0.1Zn0.1O陶瓷靶材
[0030] 将11.372g纯度为99.99％的In2O3、1.9194g纯度为99.999％的Ga2O3和4.1672g纯度为99.99％的ZnO粉末(摩尔比为8∶1∶1)，采用分析天平称量粉末，并把粉末放入到玛瑙研钵中进行混匀与研磨。经细化的粉末置于管式炉中烧结6h，烧结温度为1000℃。将预烧结的粉末再次粉碎和研磨，采用干压法成型技术，粉末经液压压片机进行压制，获得直径30mm、厚度5mm的圆饼型料坯。成型压力为10MPa，保持压力时间2mi n。然后料坯再次置于管式炉中烧结6h，烧结温度为1400℃，制得InGaZnO靶材。
[0031] 4)制备N型铟镓锌氧薄膜
[0032] In0.8Ga0.1Zn0.1O薄膜的生长采用脉冲激光沉积法进行。使用Nd:YAG脉冲激光器的三次谐波(波长为355nm)，基片为蓝宝石，利用掩膜将已在基片上制备的P型掺钴氧化锌薄膜遮挡一半，靶基距50mm。首先，打开真空系统的机械泵，对真空室抽真空。当真空度达到0～5Pa时，打开分子泵，继续进行抽真空操作。然后，当本底真空度达到2.5×10-4Pa时，关闭分子泵，打开机械泵，并同时向真空室通入氧气，使氧分压保持在5.0Pa。沉积时，聚焦前激光平均功率为400mW，同时靶材和基片进行自转，基片温度为室温(RT)，沉积时间为30min。
[0033] 实施例2
[0034] 1)同实施例1中的步骤1)；
[0035] 2)除将沉积时间延长至40分钟和调节光斑大小和位置使得P型薄膜的厚度增大，其他操作均同实施例1中的步骤2)；
[0036] 3)同实施例1中的步骤3)；
[0037] 4)同实施例1中的步骤4)。
[0038]
[0039] 表1实施例1-2制备的p-n结薄膜的霍尔效应检测结果。
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