一种制备高发光性能p型ZnO薄膜的方法

摘要

本发明公开的高发光性能p型ZnO薄膜的方法，步骤包括：采用分子束外延设备，将纯O

说明书

技术领域

本发明涉及一种p型ZnO薄膜的生长方法，尤其是高发光性能p型ZnO薄膜的制备方法。

背景技术

ZnO材料作为宽禁带直接带隙半导体材料，激子束缚能高达60 meV，在紫外光电领域有着巨大的应用前景，而制备性能优异的n型和p型ZnO薄膜是实现其广泛应用的关键。目前，可以获得具有优异性能的n型ZnO薄膜。但由于掺杂不对称性，难以获得性能优异的p型ZnO，这严重制约了ZnO基光电器件的发展。

目前国际上已报道了采用不同掺杂源实现ZnO薄膜的p型导电，但所获得的薄膜缺陷较多，带边发光较弱，缺陷发光明显，同时由于空穴迁移率低，导致最终制备的同质p-n结电子空穴复合主要发生在质量相对较差的p区，这极大地限制了器件的发光性能。近年来，增加ZnMgO电子阻挡层成为目前克服这一问题的主要途径。然而，ZnMgO/ZnO异质结能带结构为I型结构，ZnMgO不仅提供了电子跃迁势垒，将载流子复合限制在有源区；同时，也提供了空穴跃迁势垒，阻止了部分空穴向有源区的传输，这也同样限制了器件的发光性能。另外一方面，电子阻挡层并不能从根本上解决p型层发光性能差的问题。因此，亟需发展一种新的途径来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能增强带边发光和抑制缺陷发光的高发光性能p型ZnO薄膜的制备方法。

本发明的制备高发光性能p型ZnO薄膜的方法，包括以下步骤：

1）将清洗处理后的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400～600 ℃，将纯O₂经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为2×10^-6～8×10^-6 Torr，以纯金属Zn源为反应源，调节Zn源温度为260～350 ℃，以固体纯NaF粉末为p型掺杂源，调节Na源温度400～620 ℃，在衬底上生长p型ZnO薄膜； 

2）将获得的p型ZnO薄膜放置在离子溅射系统中，调节溅射电流至10～15 mA，在薄膜表面溅射沉积Pt或Au金属颗粒，溅射时间为20～100 s。

本发明中，所述的纯O₂的纯度为99.9999 %以上，纯金属Zn的纯度为99.9998 %以上，纯NaF粉末的纯度为 99.995 %以上。

本发明中，所述的衬底可以是ZnO体单晶或a面蓝宝石或c面蓝宝石或m面蓝宝石。

本发明通过调节溅射Pt或Au金属颗粒的溅射时间和溅射电流，可以改变p型ZnO薄膜的发光性能。

本发明的有益效果在于：

本发明采用在p型ZnO薄膜表面溅射沉积Pt、Au等金属颗粒，一方面，在金属颗粒与薄膜的界面处产生金属表面等离子激元，利用表面等离子激元与带边发光的共振耦合作用，增强p型ZnO薄膜的带边发射；另一方面，由于Pt、Au等金属费米能级与ZnO的缺陷能级匹配，缺陷能级上的电子能够轻易地转移至金属颗粒，从而有效地抑制了p型ZnO的缺陷发光。本发明方法简单可控，在增强p型ZnO薄膜带边发射的同时，有效地抑制了缺陷发光，极大地提高了p型ZnO的发光性能，为制备高发光性能的ZnO基光电器件奠定了基础。

附图说明

图1是p型ZnO薄膜溅射Pt金属颗粒前后的室温光致发光谱。

具体实施方式

实施例1

1）   将m面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至600 ℃，调节生长室压力为2×10^-6 Torr，以经过射频活化的纯O₂（纯度99.9999 %）为O源，活化O₂的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源为反应源，调节Zn源加热温度至280 ℃；固体NaF粉末（纯度99.995 %）为Na源，调节Na源加热温度600 ℃，在m面蓝宝石上生长Na掺杂p型ZnO薄膜，生长时间为5 h，薄膜厚约为300 nm。

2）   将步骤1）制备的p型ZnO薄膜置于离子溅射系统中，调节溅射电流至12 mA，在薄膜表面溅射沉积Pt金属颗粒，溅射时间为60 s。

步骤1）制得的Na掺杂p型ZnO薄膜具有优异的室温电学性能，电阻率为510.5 Ω·cm, 空穴浓度达2.4×10¹⁶ cm^-3，霍尔迁移率为0.5 cm²/V·s。

图1显示了经步骤2）处理前后薄膜的室温光致发光谱，从图中看出，未溅射Pt颗粒前，薄膜带边峰较弱，缺陷峰明显，薄膜发光性能较差；溅射60 s Pt金属颗粒之后，薄膜的带边峰明显增强，且观测不到缺陷峰，带边发光增强近10倍左右，表明溅射Pt颗粒之后薄膜具有很好的光学性能。

实施例2

1）将m面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至600 ℃，调节生长室压力为3×10^-6 Torr，以经过射频活化的纯O₂（纯度99.9999%）为O源，活化O₂的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源为反应源，调节Zn源加热温度280 ℃；固体NaF粉末（纯度99.995 %）为Na源，调节Na源加热温度610 ℃，在m面蓝宝石衬底上生长Na掺杂p型ZnO薄膜，生长时间为5h，薄膜厚约为300 nm。

2）将步骤1）制备的p型ZnO薄膜置于离子溅射系统中，调节溅射电流至15 mA，在薄膜表面溅射沉积Au金属颗粒，溅射时间为80 s。

步骤1）制得的Na掺杂p型ZnO薄膜具有优异的室温电学性能，电阻率为523.9 Ω·cm, 空穴浓度达2.4×10¹⁶ cm^-3，霍尔迁移率为0.5 cm²/V·s。

经步骤2）处理后薄膜的带边峰明显增强，且观测不到缺陷峰，带边发光增强近8倍。

实施例3

1）将c面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至500 ℃，调节生长室压力为6×10^-6 Torr，以经过射频活化的纯O₂（纯度99.9999%）为O源，活化O₂的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源为反应源，调节Zn源加热温度300 ℃；固体NaF粉末（纯度99.995 %）为Na源，调节Na源加热温度500 ℃，在c面蓝宝石上生长Na掺杂p型ZnO薄膜，生长时间为3 h，薄膜厚约为250 nm。

2）将步骤1）制备的p型ZnO薄膜置于离子溅射系统中，调节溅射电流至10 mA，在薄膜表面溅射沉积Pt金属颗粒，溅射时间为50 s。

步骤1）制得的Na掺杂p型ZnO薄膜具有优异的室温电学性能，电阻率为372.0 Ω·cm, 空穴浓度达4.2×10¹⁶ cm^-3，霍尔迁移率为0.4 cm²/V·s。

经步骤2）处理后薄膜的带边峰明显增强，且观测不到缺陷峰，带边发光增强近15倍。