CN102181921B - 采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法，包括：在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜；对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温；去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜；以及在c-面蓝宝石衬底上进行第二次生长一层氧化锌膜；其中，在降温过程中进行原位退火处理得到的是锌极性，进行直接快速降温得到的是氧极性。本发明的优点是不需要插入缓冲层，不需要对衬底进行特别的预处理，操作简便，重复性好。

Description

采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法
技术领域
本发明涉及极性材料的极性控制生长，具体涉及一种采用金属源化学气相沉积(MVPE)技术制备极性可控氧化锌的方法。
背景技术
氧化锌是一种极性半导体，其极性面分别是(0001)和(000-1)，前者也称锌面或+c面，后者也称氧面或-c面。极性半导体的外延层如果沿着不同的极性方向生长，得到的材料性质，特别是表面性质往往有很大的不同。
目前氧化锌异质外延的极性控制主要是在MBE上通过衬底预处理或缓冲层实现的，而很少有关于化学气相沉积法生长极性可控氧化锌的报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种采用MVPE技术制备极性可控氧化锌的方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法，包括：
在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜；
对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温；
去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜；以及
在c-面蓝宝石衬底上进行第二次生长一层氧化锌膜；
其中，在降温过程中进行原位退火处理得到的是锌极性，进行直接快速降温得到的是氧极性。
上述方案中，所述在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜，包括：生长时，衬底温度为795℃，锌舟温度为720℃，H2O鼓泡瓶温度50℃；生长开始时，Zn比H2O先通入30秒；气体流量为：Zn和H2O载气分别为0.4和3L/min，总流量9.4L/min；在该条件下，生长速率约为120-140μm/h。
上述方案中，所述对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温时采用原位退火处理，包括：在第一次生长氧化锌膜3分钟后进行原位退火，在810-815℃退火10分钟，冷却后取出。
上述方案中，所述对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温时采用直接快速降温，包括：在第一次生长氧化锌膜后，采用速率为7℃/min进行直接快速降温，冷却后取出。
上述方案中，所述去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜，是采用酸或碱腐蚀掉蓝宝石衬底上的氧化锌膜。
上述方案中，所述去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜，是采用H2进行原位刻蚀掉氧化锌膜。
(三)有益效果
本发明提供的采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法，不需要插入缓冲层，不需要对衬底进行特别的预处理，操作简便，重复性好。
附图说明
图1是本发明提供的采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法流程图。
图2是依照本发明实施例A样品的表面形貌图。
图3是依照本发明实施例B样品的表面形貌图。
图4是依照本发明实施例A样品经过HCl腐蚀后的扫描电镜图。
图5是依照本发明实施例B样品经过HCl腐蚀后的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明提供的采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法流程图，该方法采用二次生长法来有效控制c面蓝宝石上生长氧化锌的极性，具体包括以下步骤：在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜；对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温；去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜；以及在c-面蓝宝石衬底上进行第二次生长一层氧化锌膜。其中，在降温过程中进行原位退火处理得到的是锌极性，进行直接快速降温得到的是氧极性。
实施例
首先清洗c-面蓝宝石衬底，具体包括：将c-面蓝宝石衬底依次分别浸入纯的HNO3、RCA一号液(体积比为5∶1∶1的H2O∶H2O2∶氨水)和RCA二号液(体积比为6∶1∶1的H2O∶H2O2∶HCl)三者中进行煮沸，然后用去离子水清洗，甩干，装入生长室。
然后在c-面蓝宝石衬底表面第一次生长氧化锌膜。生长时，衬底温度为795℃，锌舟温度为720℃，H2O鼓泡瓶温度50℃。生长开始时，Zn比H2O先通入30秒。气体流量为：Zn和H2O载气分别为0.4和3L/min，总流量9.4L/min。在该条件下，生长速率约为120-140μm/h(微米每小时)。
在第一次生长氧化锌膜3min后，进行原位退火(810-815℃退火10min)，降温冷却后取出，呈现多晶形貌图(见图2a)。该样品称为A样品。对A样品用前面提到的衬底清洗方法再清洗一遍，这个过程中氧化锌将被HNO3溶解去除。然后将该衬底装入反应室进行二次生长。生长条件如前所述，时间为5min，厚度约为10-12μm(微米)。二次生长后的A样品的形貌图见图2b，表面相当平整和光滑，分布着六角形台面，六角形生长螺旋和小坑。
如图2所示，图2a是在蓝宝石衬底上一次生长的氧化锌；图2b是在一次生长后，先进行原位退火(退火温度810-815℃，退火10min)，再降温冷却后将氧化锌清洗掉再进行二次生长的氧化锌。
或者，在第一次生长氧化锌膜后，直接快速降温(速率约为7℃/min)，冷却后取出，也得到不规则排列的多晶形貌图(见图3a)。该样品称为B样品。对B样品用前面提到的衬底清洗方法再清洗一遍，这个过程中氧化锌将被HNO3溶解去除。然后将该衬底装入反应室进行二次生长。生长条件如前所述，时间为5min，厚度约为10-12μm(微米)。二次生长后的B样品的形貌图见图3b，表面不是很平整，而是被六角形金字塔状的小丘覆盖，并且有尖顶和平顶两种形态。
如图3所示，图3a是在蓝宝石衬底上一次生长的氧化锌，图3b是在一次生长后，直接快速降温(速率约为7℃/min)，再降温冷却后将氧化锌清洗掉再进行二次生长的氧化锌。
下面通过体积比为1∶100的HCl∶H2O在室温下腐蚀样品来进行极性的确认。
图4和图5分别是样品A和样品B用HCl腐蚀后的形貌。从图4可见，样品A的经过酸的腐蚀，形貌改变不大，原来的台阶依然可见，只是出现了许多倒金字塔形腐蚀坑，为明显的锌极性(Zn-polar)表面形貌。图5中可见，样品B的表面变得粗糙，表面上布满很小的六角锥形颗粒，和经过HCl腐蚀的MBE生长的氧极性(O-poiar)样品很相似。
图4是依照本发明实施例A样品经过HCl腐蚀后的扫描电镜图。其中，图4a是腐蚀时间60s，标尺为10μm(微米)；图4b是腐蚀2min，标尺为10μm(微米)。图5a是腐蚀时间60s，标尺为20μm(微米)；图5b是腐蚀时间2min，标尺为20μm(微米)；图5c是图5b的放大图，标尺为5μm(微米)。
如图2和图4所示，图2a是在蓝宝石衬底上一次生长的氧化锌；图2b是在一次生长后，先进行原位退火(退火温度810-815℃，退火10min)，再降温冷却后将氧化锌清洗掉再进行二次生长的氧化锌。图4为图2所示二次生长的氧化锌用HCl腐蚀后的表面形貌，表现为锌极性(Zn-polar)。
如图3和图5所示，图3a是在蓝宝石衬底上一次生长的氧化锌，图3b是在一次生长后，直接快速降温(速率约为7℃/min)，再降温冷却后将氧化锌清洗掉再进行二次生长的氧化锌。图5为图3中所示二次生长后的氧化锌用HCl腐蚀后的表面形貌，表现为氧极性(O-polar)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用金属源化学气相沉积技术制备极性可控氧化锌的方法，其特征在于，包括：
在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜；
对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温；
去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜；以及
在c-面蓝宝石衬底上进行第二次生长一层氧化锌膜；
其中，在降温过程中进行原位退火处理得到的是锌极性，进行直接快速降温得到的是氧极性；
所述在c-面蓝宝石衬底上生长一层氧化锌膜及在c-面蓝宝石衬底上进行第二次生长一层氧化锌膜，在生长时，衬底温度为795℃，锌舟温度为720℃，H2O鼓泡瓶温度50℃；生长开始时，Zn比H2O先通入30秒；气体流量为：Zn和H2O载气分别为0.4和3L/min，总流量9.4L/min；在该条件下，生长速率约为120-140μm/h；
所述对生长有氧化锌膜的蓝宝石衬底进行降温，采用原位退火处理，在第一次生长氧化锌膜3分钟后进行原位退火，在810-815℃退火10分钟，冷却后取出；或者采用直接快速降温，在第一次生长氧化锌膜后，采用速率为7℃/min进行直接快速降温，冷却后取出；
所述去掉蓝宝石衬底上生长的氧化锌膜的步骤中，氧化锌膜被HNO3溶解去除。
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