一种制备硼掺杂的n型高硬度透明导电氧化锌薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种用硼掺杂制备高硬度的n型透明导电氧化锌薄膜的方法，该方法包括用脉冲激光沉积设备，采用氧化锌和单质硼的复合马赛克靶，将真空室的真空度抽到压强小于10－3Pa，同时将基片加热到温度为350℃－650℃之间；同时通入氧气到7×10－3－1×10－4Pa的氧气压力下，在基片上进行沉积，其中沉积时间20－100分钟，得到单质硼原子掺杂的氧化锌薄膜，其中硼原子在薄膜中的的比例为30％到0.1％。本发明的方法所制备的薄膜厚度在200－800nm之间，薄膜的硬度达到了12.1GPa，杨氏模量为120 GPa，电阻率7×10－4Ω·cm，载流子浓度3×1020/cm3，迁移率为35cm2/V.S。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氧化锌的半导体光电器件和其它用途的探测器、传感器的导电氧化锌薄膜的制备方法，特别是涉及一种硼掺杂制备高硬度的n型透明导电氧化锌薄膜的方法。

背景技术

近几十年，由于氧化锌在兰光及紫外二极管和激光器方面的潜在用途引起了人们的极大兴趣，同时氧化锌由于还具有其它一些独特的特性，比如大的激子结合能和低的光泵阈值，使得氧化锌还具有更广泛的潜在用途。在光电器件的制造过程中，一个极为重要的因素是材料的力学性能。氧化锌是一种相对而言比较软的半导体材料，其单晶晶体的硬度只有大约5GPa，相对于硅的12GPa和GaN的15GPa，氧化锌的硬度比较小，所以它和现在的传统的半导体的制造工艺过程兼容性较差，如文献J.E.Bradby，S.O.Kucheyev，J.S.Williams，andC.Jagadish，M.V.Swain，M.R.Phillips Appl.Phys.Lett.，80，4537(2002)所述。而在许多光、电及传感器器件的制造中，氧化锌薄膜是不可缺少的材料，最近文献Bin Huang，Ming-Hao Zhao，and Tong-Yi Zhang，PhilosophicalMagazine，84，1233-1256(2004)报道了在硅基底沉积的上氧化锌薄膜，其硬度仅为6.1±0.7GPa，显然现在的氧化锌薄膜的硬度还远远不能满足传统的半导体制造工艺的要求。

发明内容

本发明的目的之一为了提高氧化锌薄膜的硬度，使氧化锌的薄膜的硬度达到传统的半导体硅的硬度，利于以氧化锌为基础的半导体光、电及传感器器件应用，提供一种通过改变马赛克靶中单质硼和氧化锌所占面积比例大小和排放方式实现了单质硼原子的掺杂的，制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜的方法，利用脉冲激光沉积设备，采用马赛克靶在基片上沉积而成，包括以下步骤：

1.首先制作马赛克靶，所述的马赛克靶是以单质硼或者氧化硼和氧化锌原料，分别制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将硼和氧化锌扇形的饼拼成圆形的饼，并放到靶内作成复合马赛克靶；

2.将步骤1制作的复合马赛克靶，安装在脉冲激光沉积设备真空室内，用分子泵把真空室抽到5×10^-3Pa以上的真空，同时将基片加热到温度为350℃-650℃。

3.打开准分子脉冲激光器，用能量为150毫焦至350毫焦的准分子脉冲激光聚焦到复合的马赛克靶上，轰击复合的马赛克靶，进行沉积，靶距30-50毫米，同时通入氧气，氧气压力在3×10^-3Pa以下，沉积时间20-100分钟，得到单质硼原子掺杂的氧化锌薄膜，其中硼原子在薄膜中的的比例为30％到0.1％。

其中复合马赛克靶中二分之一到二十分之一面积为硼；其余的二分之一到二十分之十九面积为氧化锌(如图1所示)；所述面积为总面积，总面积包括用更小面积的扇形叠加而成。或复合马赛克靶中四分之一到二十分之一面积为氧化硼；二分之一到二十分之十九面积为氧化锌；复合马赛克靶中四分之一到十二分之一面积为氧化硼；四分之三到十二分之十一面积为氧化锌；或复合马赛克靶中四分之一到十二分之一面积为氧化硼；四分之三到十二分之十一面积为氧化锌。

所述的基片包括：水晶片、硅、氧化镁、蓝宝石、钛酸锶、铝酸镧等基片。

本发明的方法所获得的薄膜，其厚度为100-800nm、硬度9-12.1GPa；在波长370-800nm之间，平均透过率都大于85％，电阻率均小于9×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于9×10¹⁹/cm³，迁移率为：15-35cm²/V.S。

本发明的特点采用复合的马赛克靶，这一点区别于传统的用氧化硼掺杂的方式，可以方便的控制掺入氧化锌薄膜中的硼的含量，硼原子在薄膜中的含量按照原子比计从30％至0.01％的范围。

本发明的优点：

本发明的方法简单，通过改变马赛克靶中氧化锌和硼所占的面积比列大小和排放方式，所采用的排放方式是：在同样被所占据的面积的情况下硼的扇形可以切割成小的扇形，比如四分之一的面积可以用一块四分之一扇形，也可以用两个八分之一的扇形拼接起来，或者是三个十二分之一圆面积的扇形相加，依此类推，然后将这些小的扇形摆放在复合的靶里边，可以方便的控制掺杂的硼原子的含量；由于本方法采用的是单质硼的马赛克靶，掺杂的硼元素为单质硼，这样大大地提高了薄膜的导电性能和硬度。

本发明的制备的薄膜是透明的导电薄膜，在波长370-800nm之间，平均透过率都大于85％，电阻率均小于9×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于9×10¹⁹/cm³，迁移率为：14-35cm²/V.S，这样更有利于以氧化锌的为基础的半导体光、电及传感器器件的制造。其硬度提高到了12.1GPa，使氧化锌的薄膜的硬度达到了传统的半导体硅的硬度。

附图说明

图1是以四分之一圆面积的硼和四分之三的氧化锌的组成的马赛克靶的示意图。

图2是两个八分之一圆面积的硼和四分之三的氧化锌的组成的马赛克靶的示意图。

具体实施方式

实施例1

制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜，该薄膜中硼原子的含量为百分之一。

1.按图1制作本实施例的复合马赛克靶，该复合的马赛克靶是用四分之一面积的高纯的硼靶(纯度为99.999％)填入在四分之三面积的高纯氧化锌靶(纯度为99.999％)上组成一个复合的马赛克靶；

2.将步骤1制好的复合马赛克靶，装入脉冲激光沉积设备的真空室中，用分子泵把真空室抽到5×10^-4Pa的真空，基片加热到温度为450℃；

3.打开准分子脉冲激光器，用激光的重复频率为4Hz，激光能量为150毫焦的准分子脉冲激光聚焦到复合的马赛克靶上，轰击复合的马赛克靶，同时通入氧气，氧气压力在10^-3Pa以下，进行沉积，其沉积时间为60分钟，靶距50毫米，得到单质硼原子掺杂的氧化锌薄膜，其中薄膜厚度是400nm，硬度为10GPa，在波长370-780nm之间，薄膜的平均透过率都大于86％，电阻率均7.2×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于1.5×10²⁰/cm³，迁移率为：30cm²/V.S，氧化锌的薄膜中硼原子的含量为百分之一。

实施例2

制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜，该薄膜中硼原子的含量为百分之五。

1.按图1制作本实施例的复合马赛克靶，该复合的马赛克靶是用四分之一面积的高纯的硼靶(99.999％)填入在四分之三面积的高纯氧化锌靶(99.999％)上组成一个复合的马赛克靶

2.将步骤1制好的复合马赛克靶，装入脉冲激光沉积设备的真空室中，用分子泵把真空室抽到5×10^-4Pa的真空，基片加热到550℃。

3.打开准分子脉冲激光器，用激光的重复频率为4Hz，激光能量为350毫焦的准分子脉冲激光聚焦到复合的马赛克靶上，轰击复合的马赛克靶，靶距50毫米，同时通入氧气，氧气压力在2×10^-3Pa以下，进行沉积，其沉积时间为60分钟；薄膜厚度是400nm，硬度为12.1GPa，在波长370-780nm之间，薄膜的平均透过率都大于85％，电阻率均5×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于3×10²⁰/cm3，迁移率为：35cm²/V.S，

实施例3.

制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜，该薄膜中硼原子的含量为百分之零点五。

1.按图1制作本实施例的复合马赛克靶，该复合的马赛克靶是用八分之一面积的高纯的硼靶(99.999％)填入在八分之七面积的高纯氧化锌靶(99.999％)上组成一个复合的马赛克靶

2.将步骤1制好的复合马赛克靶，装入脉冲激光沉积设备的真空室中，用分子泵把真空室抽到5×10^-4Pa的真空，基片加热到温度为450℃；

3.打开准分子脉冲激光器，用激光的重复频率为4Hz，激光能量为180毫焦的准分子脉冲激光聚焦到复合的马赛克靶上，轰击复合的马赛克靶，同时通入氧气，氧气压力在10^-3Pa以下，进行沉积，其沉积时间为60分钟；靶距50毫米，薄膜厚度是300nm，硬度为11.5GPa，在波长350-800nm之间，薄膜的平均透过率都大于85％，电阻率均小于6×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于2×10²⁰/cm³，迁移率为：32cm²/V.S，

实施例4.

制备高硬度的硼掺杂n型透明导电氧化锌薄膜，该薄膜中硼原子的含量为百分之零点一的氧化锌薄膜

1.按图1制作本实施例的复合马赛克靶，该复合的马赛克靶是用二十分之一面积的高纯的硼靶(99.999％)填入二十分之十九面积的高纯氧化锌靶(99.999％)上组成一个复合的马赛克靶

2.将步骤1制好的复合马赛克靶，装入脉冲激光沉积设备的真空室中，用分子泵把真空室抽到5×10^-4Pa的真空，基片加热到温度为500℃；

3.打开准分子脉冲激光器，用激光的重复频率为4Hz，激光能量为200毫焦的准分子脉冲激光聚焦到复合的马赛克靶上，轰击复合的马赛克靶，同时通入氧气，氧气压力在10^-3Pa以下，进行沉积，其沉积时间为60分钟；靶距50毫米，薄膜厚度是300nm，硬度为12.0GPa，在波长350-800nm之间，薄膜的平均透过率都大于85％，电阻率8×10^-4Ω·cm，载流子浓度大于9×10¹⁹/cm³，迁移率为：30cm²/V.S。

实施例5

按图2制作一复合马赛克靶，该复合马赛克靶由两个八分之一圆面积的硼扇形饼，和一块占总面积四分之三的氧化锌扇形饼拼接而成的复合马赛克靶。将制备好的复合马赛克靶，装入脉冲激光沉积设备的真空室中，按实施例1的步骤进行沉积，制成本发明的硼掺杂的n型高硬度透明导电氧化锌薄膜。