CN102517563B - 一种在硅衬底上生长非极性m面氧化锌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在硅衬底上生长非极性m面ZnO的方法。以硅为衬底，二乙基锌和去离子水分别作为锌源和氧源，氮气作为锌源、氧源的载气；将反应生长室抽真空至10Pa以下，室温～300℃下，先通入二乙基锌，接着用氮气吹扫，再通入水，再吹扫，如此即为一个周期，直至器件要求的厚度。同时，通过加入Al₂O₃缓冲层，可改善非极性m面ZnO的晶体质量，其光致发光谱中带边发光峰的强度得到显著增强，而异质结的漏电流减小了一个数量级。

Description

一种在硅衬底上生长非极性m面氧化锌的方法

技术领域

本发明涉及一种在硅衬底上生长非极性m面氧化锌的方法，属于半导体材料领域。

背景技术

氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族的氧化物半导体材料，属于第三代的宽禁带半导体材料，它拥有禁带宽度大，介电常数小，电子饱和速度高，热导性能好等特点，在高频大功率、抗辐射、以及短波长发光器件与光探测器件方面和其他宽禁带半导体材料一样有着非常广泛的应用。

虽然目前商业上GaN基的材料和器件已经做得非常成功，但ZnO具有比其它宽禁带半导体材料独特或者更加优异的性质，它仍然吸引着越来越多的注意力。其中最重要的就是ZnO的激子束缚能在室温下可以高达60 meV，这一点是其它宽禁带半导体材料不可比的。较高的激子束缚能对于材料在室温下的短波长发光特性非常有利，因此ZnO材料非常适合用来制造紫外光LED和LD发光器件，可以明显的降低制作出来的发光器件所需的阈值电流，还可以提高器件的耐热稳定性和发光的效率。ZnO在高亮度紫外光LED和白光照明等方面的应用具有优势。

由于相对于其他晶面，ZnO（0001）面具有最低的表面自由能，因此大多数方法生长出来的ZnO材料都是沿<0001>方向。我们知道纤锌矿结构的ZnO（0001）面是一个极性面，因此沿着ZnO<0001>方向存在着自发极化电场，这个自发极化场会将ZnO中的电子和空穴分离开，对ZnO发光器件的发光效率起着不利的影响。而这个问题在非极性面的ZnO中可以得到避免，但是由于（0001）面具有最低的表面自由能，为了生长非极性面ZnO往往需要选择昂贵的衬底，比如r面蓝宝石，MgO等。硅作为现在被广泛应用的半导体材料，其价格相对于r面蓝宝石、MgO等衬底便宜很多，因此如何在硅衬底上直接生长非极性面ZnO，将会是一件非常有意义的事情。

 发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在硅衬底上生长非极性m面氧化锌的方法。

本发明采用的制备方法是原子层沉积法，是以硅为衬底，二乙基锌和去离子水分别作为锌源和氧源，氮气作为锌源、氧源的载气；将反应生长室抽真空至10Pa以下，室温～300℃，先通入二乙基锌，接着用氮气吹扫，再通入去离子水，再吹扫，如此即为一个周期，采用原子层沉积方法生长ZnO，直至使用非极性m面ZnO的器件要求的厚度。

为了改善ZnO的晶体质量、光学性质和异质结的电学性质以及电致发光性质，还可在Si衬底和ZnO之间加入Al₂O₃缓冲层， Al₂O₃缓冲层也是用原子层沉积方法实现，具体的整体方案是：

（1）以硅为衬底，三甲基铝和去离子水分别作为铝源和氧源，氮气作为铝源、氧源的载气；将反应生长室抽真空至10Pa以下，室温～350℃，向反应生长室中先通入三甲基铝，接着用氮气吹扫，再通入去离子水，再吹扫，如此即为一个周期，采用原子层沉积方法生长Al₂O₃，直至使用非极性m面ZnO的器件要求的缓冲层厚度；

（2）二乙基锌和去离子水分别作为锌源和氧源，氮气作为锌源、氧源的载气；室温～300℃，向反应生长室中先通入二乙基锌，接着用氮气吹扫；再通入去离子水，再吹扫，如此即为一个周期，采用原子层沉积方法生长ZnO，直至使用非极性m面ZnO的器件要求的厚度。

本发明方法可以直接在硅衬底上生长非极性m面ZnO。同时，通过加入Al₂O₃缓冲层后，可以改善ZnO的晶体质量、光学性质和异质结的电学性质以及电致发光性质。且以这种非极性m面ZnO生长方法，可生长非极性m面ZnO和硅的发光二级管。

在上述过程中用到的原子层沉积生长法，是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子，所以能够在纳米尺度上对沉积工艺进行完全控制。

经测试，用本发明方法可以直接在Si衬底上生长非极性m面ZnO，同时再插入用原子层沉积方法生长的Al₂O₃缓冲层后，ZnO的光致发光谱中带边发光峰的强度显著增强，而异质结的漏电流减小了一个数量级，同时其电致发光性质也得到改善。

  附图说明 

图1是未插入和插入Al₂O₃缓冲层的非极性m面氧化锌X射线衍射图。

图2是未插入和插入Al₂O₃缓冲层的m面氧化锌光致发光图片。

图3是未插入和插入Al₂O₃缓冲层的异质结的电学测试图片。

图4是本发明方法制备的非极性m面氧化锌和硅的实际电致发光图片。

图5为在室温下生长的Al₂O₃的X射线光电子谱图。

图6为在室温下生长的非极性m面氧化锌X射线衍射图。

具体实施方式  

    实施例１：

1.   衬底清洗：选择两英寸的硅作为衬底，采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3 分钟，最后用氮气枪吹干；

2.   将反应生长室抽至真空10Pa以下，二乙基锌（质量比纯度在99.9%以上）和去离子水分别作为ZnO的锌源和氧源。在反应生长室3０0℃的温度下，用高纯氮气（体积比纯度在99.9%以上）作为前驱体的载气和反应生长室的吹扫气体，在300℃的温度下继续生长出600nm厚的非极性m面ZnO。

实施例２：

1.   衬底清洗：选择两英寸的硅作为衬底，采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3 分钟，最后用氮气枪吹干；

2.   将反应生长室抽至真空10Pa以下，在反应生长室350℃的温度下，用高纯氮气（体积比纯度在99.9%以上）作为前驱体的载气和反应生长室的吹扫气体，用三甲基铝（质量比纯度在99.9%以上）和去离子水分别作为Al₂O₃的铝源和氧源，生长100个周期10nm厚的Al₂O₃缓冲层；

3.   二乙基锌（质量比纯度在99.9%以上）和去离子水分别作为ZnO的锌源和氧源。在300℃的温度下继续生长出600nm厚的非极性m面ZnO。

图1为实施例１制备的未插入Al₂O₃缓冲层和实施例２制备的插入Al₂O₃缓冲层的生长在硅衬底上的氧化锌X射线衍射图，从图中可以看到用本发明的方法制备的ZnO为<10-10>取向，即m面ZnO。

图2是为实施例１制备的未插入Al₂O₃缓冲层和实施例２制备的插入Al₂O₃缓冲层的生长在硅衬底上的氧化锌光致发光图片，图片显示用本发明的制备方法通过加入Al₂O₃缓冲层可以使非极性m面ZnO的光致发光强度得到显著增强。

图3是为实施例１制备的未插入Al₂O₃缓冲层和实施例２制备的插入Al₂O₃缓冲层的异质结的电学测试图片，可以看到通过加入Al₂O₃缓冲层可以使异质结的漏电得到很大的改善。

图4是为实例2制备的非极性m面氧化锌和硅的实际电致发光图片。

实施例３：

1.   衬底清洗：选择两英寸的硅作为衬底，采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3 分钟，最后用氮气枪吹干；

2.   将反应生长室抽至真空10Pa以下，反应生长室的温度在室温下，用高纯氮气（体积比纯度在99.9%以上）作为前驱体的载气和反应生长室的吹扫气体，用三甲基铝（质量比纯度在99.9%以上）和去离子水分别作为Al₂O₃的铝源和氧源，生长100个周期10nm厚的Al₂O₃缓冲层。

图5为在室温下生长的Al₂O₃的X射线光电子谱图，可以看到用本发明方法可以在室温下生长出Al₂O₃。

实施例４：

1.   衬底清洗：选择两英寸的硅作为衬底，采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3 分钟，最后用氮气枪吹干；

2.   将反应生长室抽至真空10Pa以下，反应生长室温度在室温下，用高纯氮气（体积比纯度在99.9%以上）作为前驱体的载气和反应生长室的吹扫气体，用二乙基锌（质量比纯度在99.9%以上）和去离子水分别作为ZnO的锌源和氧源，生长非极性m面ZnO。

图6为在室温下生长的非极性m面氧化锌X射线衍射图。

Claims (2)

1.一种在硅衬底上生长非极性m面ZnO的方法，其特征在于：

以硅为衬底，二乙基锌和去离子水分别作为锌源和氧源，氮气作为锌源、氧源的载气；将反应生长室抽真空至10Pa以下，室温～300℃，先通入二乙基锌，接着用氮气吹扫，再通入去离子水，再吹扫，如此即为一个周期，采用原子层沉积方法生长ZnO，直至使用非极性m面ZnO的器件要求的厚度。

2.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长非极性m面ZnO的方法，其特征在于，在Si衬底和ZnO之间加入Al₂O₃缓冲层，具体为：

以硅为衬底，三甲基铝和去离子水分别作为铝源和氧源，氮气作为铝源、氧源的载气；将反应生长室抽真空至10Pa以下，室温～350℃，向反应生长室中先通入三甲基铝，接着用氮气吹扫，再通入去离子水，再吹扫，如此即为一个周期，采用原子层沉积方法生长Al₂O₃，直至使用非极性m面ZnO的器件要求的缓冲层厚度。

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