CN100349271C - 在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在衬底硅(001)晶面上，采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜；(2)在氧化铝薄膜上低温生长氧化锌薄膜。用此方法生长的氧化锌薄膜为高结晶质量薄膜，晶体结晶质量高且表面光滑。XRD曲线半峰宽小于0.3度。其表面粗糙度Rms小于1.2nm。RHEED图像为规则点带状。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指低温条件下，在硅衬底上，使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法生长出高晶体质量氧化锌晶体薄膜的方法。
背景技术
II-VI族化合物半导体氧化锌(ZnO)作为第三代半导体材料的代表，因其具有独特的物理、化学和光学性能，正受到人们越来越广泛的关注和研究。ZnO具有宽的带隙、很高的化学温度性和热温度性，在大气中不易被氧化，与III-V族氮化物和II-Ⅵ族硒化物相比，其材料的稳定性是其它材料所无法比拟的。高达60meV的束缚激子能再加上量子限制效应，使得此种材料制成的紫外二极管或紫外激光器的潜在应用价值很大。在室温下观察到用光泵激发的受激发射使人们对ZnO的研究兴趣更浓厚。虽然生长更高质量的ZnO还有待进一步研究，但其作为继III-V族氮化物和II-VI族的硒化物之后又一新的宽禁带半导体激光器材料已经显示出其独特的优越性。目前人们对ZnO的研究还处于开始阶段，ZnO主要还是在衬底蓝宝石(0001)，硅(111)，(100)晶面上进行外延生长。尽管MOCVD技术能够制备高质量、大面积、均匀的外延或多晶薄膜，但是利用MOCVD工艺，在硅衬底上直接生长ZnO是非常困难的，所以沉积一层Al2O3薄膜作为缓冲层(buffer)层对在硅衬底上生长ZnO薄膜有很大好处，这可以从生长结果得知。同时由于实验室中使用的氧极易氧化有机源，此外精确控制氧的流速也不是一件容易的事。因为上述困难加上对ZnO的认识还不够深入，得到的大多还只都是多晶的ZnO外延膜。随着生长条件的优化，ZnO外延薄膜的晶体质量得到逐步提高，但总的来说，目前ZnO的单晶质量离器件制作的要求还有一定距离，还需要得到进一步的提高和完善。
本发明以前的ZnO外延生长方法大多采用磁控溅射等方法生长ZnO或分子束外延(MBE)方法在蓝宝石衬底上直接外延生长ZnO，很少在Si衬底上生长出较好的ZnO外延薄膜。同时因为ZnO与Si衬底的晶格失配较大，而且ZnO易蒸发，在生长过程中对表面的平衡气压要求比较高，存在生长条件的优化和控制问题，影响到薄膜生长的均匀性。由于目前在ZnO生长过程中存在的这些问题，使得Si上生长ZnO的外延膜质量不是很高，还达不到器件制作的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用Al2O3buffer在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的MOCVD方法。其方法是在衬底硅(001)晶面上采用金属有机物化学气向沉积(MOCVD)的方法首先生长一层氧化铝薄膜，然后在氧化铝薄膜上生长氧化锌薄膜。氧化锌薄膜沉积时衬底温度约300℃，压力约20Torr，生长厚度0.1-0.5μm。同时优化生长条件，如温度、压力的控制，通过这些措施可以有效地提高ZnO外延膜的质量，并提高表面的平整度。
发明内容
本发明一种在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底硅(001)晶面上，采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜；
(2)在氧化铝薄膜上低温生长氧化锌薄膜。
其中所述的采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜，其温度为800℃至1200℃。
其中所述的在氧化铝薄膜上低温生长氧化锌薄膜，其温度为250℃至400℃。
其中氧化锌薄膜的生长压力20Torr，生长厚度0.1-0.5μm。
其中氧化锌薄膜表面粗糙度Rms小于1.2nm。
其中氧化锌薄膜X射线衍射分析曲线半峰宽小于0.3度。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的高质量氧化锌外延膜的表面粗糙度Rms测试结果图；
图3是本发明的高质量氧化锌外延膜的X射线θ-2θ测试结果；
图4是本发明的高质量氧化锌外延膜的反射式高能电子衍射仪(RHEED)照片；
图5是本发明的高质量氧化锌外延膜的截面照片。
具体实施方式
本发明关键在于解决ZnO在硅衬底上生长过程中的晶体质量比较差的问题。由于ZnO与Si衬底有较大的失配，在加上ZnO用MOCVD方法生长条件较难控制，使得ZnO单晶的外延生长比较困难。本发明为了解决外延ZnO在硅衬底上生长的问题，提出了采用在硅上先生长一层氧化铝薄膜，再低温生长ZnO薄膜的解决方案。这样使得相对质量较高的单晶外延ZnO薄膜在低温硅衬底上异质外延生长，同时优化MOCVD的生长条件达到提高外延ZnO薄膜晶体质量的目的。
具体实施过程
请参阅图1所示，本发明一种在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)在大失配衬底10硅(001)晶面上，采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜20；其中所述的采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜20，其温度为800℃至1200℃。
(2)在氧化铝薄膜20上低温生长氧化锌薄膜30；其中所述的在氧化铝薄膜20上低温生长氧化锌薄膜30，其温度为250℃至400℃；其中氧化锌薄膜30的生长压力20Torr，生长厚度0.1-0.5μm；其中氧化锌薄膜30表面粗糙度Rms小于1.2nm；其中氧化锌薄膜30XRD曲线半峰宽小于0.3度。
由以上步骤对样品进行测试分析，用此方法生长的氧化锌薄膜30为晶体质量较高的氧化锌薄膜，在X射线θ-2θ衍射图谱中只有ZnO(0002)峰存在，曲线半峰宽小于0.3度(图3)，其表面粗糙度Rms小于1.2nm(图2)。氧化锌薄膜30RHEED照片为规则点带状(图4)。这说明本发明可以大幅度提高ZnO外延膜的表面平整度并在硅衬底上得到高质量的ZnO外延膜(图5)。
本发明利用MOCVD技术在硅(Si)(100)衬底上低温生长出高质量的ZnO外延膜。使大失配衬底上生长ZnO晶体质量得以提高，而且MOCVD技术适合工业化大批量生产，低温技术可以很好的降低生产成本。
Claims (6)
1.一种在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底硅(001)晶面上，采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜；
(2)在氧化铝薄膜上低温生长氧化锌薄膜。
2.根据权利要求1所述的在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中所述的采用金属有机物化学气相沉积法高温生长氧化铝薄膜，其温度为800℃至1200℃。
3.根据权利要求1所述的在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中所述的在氧化铝薄膜上低温生长氧化锌薄膜，其温度为250℃至400℃。
4.根据权利要求1所述的在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌薄膜的生长压力20Torr，生长厚度0.1-0.5μm。
5.根据权利要求1所述的在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌薄膜表面粗糙度Rms小于1.2nm。
6.根据权利要求1所述的在硅衬底上低温生长高结晶质量氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌薄膜X射线衍射分析曲线半峰宽小于0.3度。
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