O导电性的方法及其在光电子器件中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体氧化物薄膜电性调控的方法，特别是涉及一种提高MgxZr vxO导 电性的方法及其在光电子器件中的应用。
【背景技术】
[0002] 纤锌矿相宽禁带氧化物半导体MgxZrvxO (可简写为MgZnO)是由纤锌矿相ZnO和 岩盐相MgO合金而成，其带隙理论上能够从3. 37eV连续调节至7. 8eV，可覆盖大部分近紫外 和中紫外区域，电学性能则可从半导体调谐至绝缘体，因此通过调节Mg组分X，可得到工作 在不同紫外波段、导电特性迥异的Mg xZrvxO合金薄膜。这一特点使得MgZnO作为电光转换 或光电转换的有源材料而在ZnO基激光二极管和深紫外探测器等光电子器件领域拥有更 大的优势，因而成为国际上广泛研究的焦点。MgZnO合金薄膜是一种较好的近紫外发光材 料，其高温区的光电性能特性尤其突出，而MgZnO深紫外探测器无论是在军事上还是在民 用方面都具有重大的应用价值，如火灾监测、臭氧监测及高温尾焰探测等。此外，高Mg组分 MgZnO合金薄膜中存在着更强的极化电场，因此对量子阱中的电子有着更强的限制作用，从 而可以大幅度提高光电子器件性能。
[0003] 但是随着Mg组分的不断增加，MgxZrvxO的带隙及电阻均在不断增加，这意味着在 深紫外区间，尤其是有着重要应用价值的日盲紫外波段（220~280nm)，合金薄膜的导电性 将变得很差。这是由于它的带隙比较宽（>4.43eV)，体电子浓度很低（〈10 15cnT3)，电子迁移 长度较短，因此显示出巨电阻的特征（>1〇9Ω)，这对以Mg xZrvxO作为有源层的光电子器件 应用来说非常不利。例如对于紫外探测器，无论其采用的是具有金属Ai-Mg xZrvxO形式的光 导型或者肖特基型器件结构，还是采用具有Ii-MgxZrv xCVp-MgxZrvxO形式的二极管结构，若 其中有源层Ii-Mg xZrvxO电阻太高的话，会导致紫外探测器的光电流信号很弱。
[0004] 为了增强光电流信号、获得较高的信噪比，对薄膜进行掺杂而实现电性调控是行 之有效的方法之一。Ga是最常见的获得η-ΖηΟ的掺杂方案，但是在Mg xZrvxO (尤其是高Mg 组分MgxZrvxO)中，由于Mg和0的成键更强，导致Ga的替位掺杂效率较低，妨碍了 MgxZrvxO 合金薄膜电性调控目标的实现。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种改善MgxZr vxO 薄膜的电学性质的方法。本发明的另一个目的是提供一种氟掺杂的MgxZrvxO作为有源层在 光电子器件中的应用。本发明的另一个目的是要提供一种光电子器件。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种光电子器件，包括有源层以及设置在有源 层上的金属电极层，其中，所述有源层包括氟掺杂的Mg xZrvxO层。
[0007] 在一种实施方式中，所述有源层可以仅由所述氟掺杂的MgxZrvxO层构成。
[0008] 在一种实施方式中，还可以包括衬底，所述氟掺杂的MgxZrvxO层直接形成在所述 衬底上。在一种实施方式中，所述衬底可以由氧化物材料形成；可选地，所述氧化物材料包 括ZnO、蓝宝石以及钛酸锶；或所述衬底由非氧化物材料形成；可选地，所述非氧化物材料 包括Si和GaAs。
[0009] 本发明还提供了一种光电子器件，包括p型MgxZrvxO层以及设置在p型MgxZrv xO 层上的氣惨杂的MgxZrihO层。
[0010] 在一种实施方式中，所述光电子器件可以为光探测器件或光发射器件；可选地，所 述光探测器件为紫外探测器；可选地，所述光发射器件为发光二极管。
[0011] 在一种实施方式中，所述氟掺杂的MgxZrvxO层的厚度可以在200纳米-1微米之 间。
[0012] 本发明还提供了氟掺杂的MgxZrvxO层作为有源层在光电子器件中的应用。
[0013] 进一步地，本发明提供了一种提高MgxZrvxO薄膜导电性的方法，包括：
[0014] 对MgxZrvxO薄膜进行氟掺杂获得氟掺杂的Mg xZrvxO薄膜；或 [0015] 直接制备氟掺杂的MgxZrvxO薄膜。
[0016] 在一种实施方式中，进行氟掺杂的掺杂源可以为氟及含氟的化合物；可选地，所述 掺杂源可以为氟化锌或氟化镁。
[0017] 与其他电性调控方法相比，本发明方法有以下三个优点：
[0018] 1、本发明选择氟元素掺杂改善MgxZrvxO薄膜的电学性质。由于氟是η型掺杂元 素，且在卤素原子中与氧原子的半径大小最为接近（氧原子半径为0.66Α,氟原子半径为 0.644>,以其替氧位、形成施主后不会引起严重的晶格畸变，保证了薄膜的结晶质量。
[0019] 2、本发明通过氟掺杂实现包括深紫外在内的MgxZrvxO的电性调控。本发明利 用氟原子的有效掺杂提供多余的载流子，从而获得电学性能大幅度改善的η型导电性的 MgxZrvxO 薄膜。
[0020] 3、本发明采用氟掺杂的MgxZrvxO层作为有源层应用于光电子器件如紫外探测器 或发光二极管中，相比于现有的此类光电子器件，本发明结构简单，且具有较强的光电流信 号或者较高的发光强度。
[0021] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0022] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些 附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0023] 图1示出了根据本发明一个实施例的提高MgxZrvxO薄膜导电性的流程图；
[0024] 图2示出了根据本发明另一个实施例的提高MgxZrvxO薄膜导电性的流程图；
[0025] 图3a和图3b分别示出了不掺杂的Mga5Zna5O薄膜和实施例1制备的氟掺杂 Mga5Zna5O薄膜的反射式高能电子衍射原位观测图案；
[0026] 图4示出了实施例1制备的氟掺杂Mga5Zna5O薄膜的X射线衍射Θ -2 Θ扫描曲 线.
[0027] 图5示出了实施例1制备的氟掺杂Mga5Zna5O薄膜的全反射谱。
【具体实施方式】
[0028] 发明人发现，氟（F)掺杂能够有效改善MgxZrvxO薄膜的电学性能，从而使得氟掺杂 MgxZrvxO薄膜能够作为有源层在光电子器件中应用。发明人认为这是由于氟作为氧化性最 强的非金属元素，替氧位后，极易失去电子，增加电子浓度，从而改善了 MgxZrvxO的电学性 能。并且氟原子是卤素原子中与氧原子半径大小最为接近的，以氟替氧位、形成施主后不会 引起严重的晶格畸变，从而保证了薄膜的结晶质量。
[0029] 本发明提高MgxZrvxO薄膜导电性的方法，包括：对Mg xZrvxO薄膜进行氟掺杂获得 氣惨杂的MgxZrihO薄I吴；或直接制备氣惨杂的Mg xZrihO薄月旲。
[0030] 其中，进行氟掺杂的掺杂源可以为氟及含氟的化合物。例如氟化锌或氟化镁。氟 掺杂的Mg xZrvxO薄膜可以直接在衬底上制备。衬底可以选为由氧化物材料形成，如ZnO,蓝 宝石以及钛酸锶等。衬底也可以选为由非氧化物材料形成，如Si和GaAs等。
[0031] 图1示出了根据本发明一个实施例的提高MgxZrvxO薄膜导电性的流程图。如图1 所示，对Mg xZrvxO薄膜进行电性调控的方法包括：
[0032] 1)选取衬底并清洗，然后将其导入生长系统；
[0033] 2)在衬底上，直接沉积氟掺杂的MgxZrvxO合金薄膜。
[0034] 图2示出了根据本发明另一个实施例的提高MgxZrvxO薄膜导电性的流程图。如图 2所示，本对Mg xZrvxO薄膜进行电性调控的方法包括：
[0035] 1)选取衬底并清洗，然后将其导入生长系统；
[0036] 2 )在衬底上沉积MgxZrvxO合金薄膜；
[0037] 3 )对沉积的MgxZrvxO合金薄进行氟掺杂。
[0038] 本领域技术人员可以理解，这里的生长系统是指生长氟掺杂的MgxZrvxO合金薄膜 或Mg xZrvxO合金薄膜的设备或仪器。