CN101494269A - 一种用缓冲层制备氧化锌薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体薄膜材料，特别涉及宽禁带半导体材料。包括衬底、缓冲层和外延层，其缓冲层是在Si基片上利用脉冲激光沉积方法沉积形成的GaN膜层，后经退火形成GaN结晶膜层，厚度为50nm。制备方法，包括Si基片的清洗、制备GaN缓冲层及制备ZnO薄膜。制备GaN缓冲层是在Si基片上，利用脉冲激光沉积方法，在1.3Pa氮气氛围、800℃衬底温度下生长15分钟，后在退火炉中、氨气氛围中退火20分钟形成GaN膜层。本发明的氧化锌薄膜，利用氮化镓作为硅衬底与氧化锌薄膜之间的缓冲层，减少了由晶格失配和热膨胀系数失配带来的品格缺陷，提高了在Si衬底上制备ZnO薄膜的结晶质量，增大了ZnO薄膜发光强度。
Description
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜材料，特别涉及宽禁带半导体材料。
技术背景：
氧化锌(ZnO)是一种重要的宽带隙(室温下3.3eV)II-VI族化合物半导体材料，它的激子束缚能高达60meV，远大于GaN的25meV，易于实现常温下的自激发射。在光电技术领域有巨大的应用前景。用脉冲激光方法(PLD)方法制备ZnO薄膜的优点是：生长条件易于控制，生长温度底，成膜质量高，是近几年发展起来的先进技术。目前用PLD方法已在Si、石英、蓝宝石、砷化镓等衬底上生长了晶体薄膜，Si衬底成本低廉，被广泛的应用，易于实现产业化。但由于ZnO与Si晶格常数相差较大，其晶格失配及热失配较大，因而，在Si衬底上较难制备高质量的薄膜。CaN材料被用来作为ZnO外延层与衬底间的缓冲层，这是因为它具有下面几个基本性质：(1)GaN与ZnO具有相同的纤锌矿型晶体结构，与ZnO的晶格失配小于2％。(2)GaN的n型掺杂浓度较高，具有良好的电学特性。(3)GaN热胀系数介于Si与ZnO之间，可有效缓冲Si与ZnO之间热失配带来的影响。中国科技大学的傅竹西等报道了用SiC作为Si与ZnO之间的过渡层薄膜的制备方法(发明专利，申请号：200410065875.6，公开号：CN1797709A)。目前还未见用GaN作为Si与ZnO缓冲层的报道。
发明内容：
本发明的目的在于，解决Si与ZnO晶格失配问题，选择合适的材料作为缓冲层，用于制备高发光效率的ZnO薄膜。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的具有缓冲层的氧化锌薄膜，包括衬底、缓冲层和外延层，其特征在于，所述的缓冲层是在Si基片上利用脉冲激光方法沉积，后经退火形成的GaN膜层，该层厚度为50nm。
本发明的具有缓冲层的氧化锌薄膜的制备方法，包括Si基片的清洗、制备GaN缓冲层及制备ZnO薄膜。其特征在于，所制备GaN缓冲层是在Si基片上，利用脉冲激光沉积方法，在1.3Pa氮气氛围、800℃衬底温度下生长15分钟，后在退火炉中、氨气氛围中退火20分钟形成GaN结晶膜层。
其具体制备过程为：
(1)清洗Si基片，放入PLD系统真空室内；
(2)制备GaN缓冲层。将真空室抽真空后，通入氮气，压力1.3Pa。在800℃衬底温度下，用脉冲激光沉积方法形成GaN缓冲层，生长时间为15分钟。再置于退火炉中退火，退火氛围为氨气，退火温度1000℃，退火时间为20分钟，最终得到结晶膜层。
(3)制备ZnO薄膜。将Si基GaN膜层重新放入真空室中，抽真空后通入氧气，在压力1.3Pa、基底温度400℃下，用脉冲激光沉积方法得到ZnO薄膜。
本发明的氧化锌薄膜，利用氮化镓作为硅衬底与氧化锌薄膜之间的缓冲层，减少了由晶格失配和热膨胀系数失配引起的晶格缺陷，提高了在硅衬底上制备氧化锌薄膜的结晶质量，增大了发光强度。
附图说明：
图1是没有GaN缓冲层的ZnO薄膜在室温下的光致发光谱。
图2是通过下述实施例所得有GaN缓冲层的ZnO薄膜的光致发光谱。
图1的光致发光谱表明，发光强度曲线的峰高为17000。
图2的光致发光谱表明，发光强度曲线的峰高为25000，明显高于图1中的17000，表明采用下述的具体实施方式后，发光强度增大了50％。
具体实施方式：
本发明的一个实施例如下。
(1)将Si基片进行清洗，固定于基底座上，放入PLD系统真空室。具体步骤为：将Si基片放入超声清洗器中，用去离子水进行超声清洗20分钟。取出基片，放入无水酒精中，浸泡10分钟。取出基片，用去离子水冲洗，再用氮气吹干。最后将基片放入真空室。
(2)先通过机械泵抽真空至10Pa，然后通过分子泵抽本底真空至5×10-5Pa。通入氮气并维持氮压1.3Pa，加热衬底至800℃。开启激光器，聚焦于GaN靶上，激光器能量稳定在300mj。靶与衬底反向旋转。沉积时间为15分钟。沉积结束，待薄膜自然冷却后，充入氮气，取出基片。将基片放入退火炉中，对制备的GaN膜层进行退火，使其晶化。退火温度为1000℃，通入高纯度氨气，流量为800CC/分钟，退火时间为20分钟。自然降温至室温后取出样品，得到结晶良好的GaN膜层，厚度约为50nm。
(3)在GaN缓冲层上生长ZnO薄膜。将Si基GaN缓冲层重新送入PLD系统沉积室，抽至本底真空5×10-5Pa。通入氧气并维持氧压至1.3Pa，加热衬底至400℃，开启激光器使其聚焦于ZnO靶上，激光器能量稳定在200mj。靶与衬底反向旋转。沉积时间为60分钟。薄膜自然冷却至室温后充入氮气，取出样品。ZnO薄膜厚度约为600nm。
Claims (2)
1.一种具有缓冲层的氧化锌薄膜，包括衬底、缓冲层和外延层，其特征在于，所述的过渡层是在Si基片上利用脉冲激光沉积方法沉积形成的GaN膜层，再经退火形成GaN结晶，该层厚度为50nm。
2.一种具有缓冲层的氧化锌薄膜的制备方法，包括Si基片的清洗、制备GaN缓冲层及制备ZnO薄膜。其特征在于，所制备GaN缓冲层是在Si基片上，利用脉冲激光沉积方法，在1.3Pa氮气氛围、800℃衬底温度下生长15分钟，后在退火炉中、氨气氛围中退火20分钟形成GaN结晶膜层。
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