CN103866263A - 一种氮化锌薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化锌薄膜的制备方法，包括如下步骤：（1）将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；（2）向原子层沉积设备反应腔中通入含锌前驱体源，含锌前驱体源中的锌原子吸附于衬底表面；（3）向原子层沉积设备反应腔中通入含氮前驱体源，然后通过等离子体将含氮前驱体源电离，或将经过等离子体电离的含氮前驱体源通入原子层沉积设备反应腔中，电离后含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；（4）重复所述步骤（2）和步骤（3）即可逐层生长氮化锌薄膜。本发明通过等离子体将氮源引入原子层沉积系统，再通过调控腔室温度、真空度、循环周期、等离子体条件等条件，获得带隙可调控的各种优质氮化锌薄膜。

Description

一种氮化锌薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及原子层沉积薄膜技术领域，具体涉及一种氮化锌薄膜的制备方法。
背景技术
氮化锌（Zn3N2）具有反方铁锰矿结构，具有奇异的电学及光学性质，并且氧化锌是间接带隙还是直接带隙半导体，带隙是多少，一直是产业界及学术界具有较大争议的问题，制备方法和生长条件的差异，对其带隙的影响也十分显著。例如现有技术中，利用磁控溅射、化学气相沉积、静电电解法、分子束外延法等方法可以进行氮化锌薄膜的制备。但多数方法制备的氮化锌薄膜稳定性较差，而且同一种方法制备的氧化锌薄膜，获得的材料光学、电学性能差异也较大。现急需获得高结晶质量、简单易行、可重复控制的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化锌薄膜的制备方法，所述制备方法是利用原子层沉积技术制备氮化锌薄膜，可精确调控氮化锌薄膜的带隙，所制备出的薄膜结构均匀完整，性能显著。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氮化锌薄膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
（2）向所述原子层沉积设备反应腔中通入含锌前驱体源，所述含锌前驱体源中的锌原子吸附于所述衬底表面；
（3）向所述原子层沉积设备反应腔中通入含氮前驱体源，然后通过等离子体将所述含氮前驱体源电离，电离后所述含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与所述衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；或，通过等离子体将含氮前驱体源电离，然后将电离的所述含氮前驱体源通入所述原子层沉积设备反应腔中，电离后所述含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与所述衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；
（4）重复所述步骤（2）和步骤（3）即可逐层生长氮化锌薄膜。
上述方案中，所述步骤（1）之前还包括步骤：所述衬底的表面经过处理，所述衬底处理后的表面吸附有羟基。
上述方案中，所述步骤（1）中将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中可通过手动放置、机械手放置或软件控制机械手放置。
上述方案中，所述步骤（2）中的含锌前驱体源为二甲基锌、二乙基锌或醋酸丙酮锌。
上述方案中，所述步骤（3）中的含氮前驱体源为氮气、一氧化氮、二氧化氮、氨气。
上述方案中，所述步骤（3）中所述等离子体电离所述含氮前驱体源的放电功率为10W～100W，放电时间为1s～5s。
上述方案中，所述步骤（2）还包括：所述含锌前驱体源中的锌原子吸附于所述衬底表面后，吹扫所述原子层沉积设备反应腔，使所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，所述本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr。
上述方案中，所述步骤（3）还包括：形成氮锌共价键后，吹扫所述原子层沉积设备反应腔，使所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，所述本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr。
上述方案中，所述步骤（3）还包括：所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空后，调整所述衬底上沉积物表面反应活性。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明是一种简单易行，可获得高结晶质量、可重复的制备方法，通过等离子体将氮源引入原子层沉积系统，再通过调控腔室温度、真空度、循环周期、等离子体条件等条件，精确的调控所制备的氮化锌薄膜的带隙。本发明可根据不同电学、光学应用需求，获得带隙可调控的各种优质氮化锌薄膜。
附图说明
图1为本发明提供的氮化锌薄膜制备方法一实施例的工艺流程图；
图2为本发明提供的氮化锌薄膜制备方法另一实施例的工艺流程图；
图3为利用本发明制备的氮化锌薄膜光电子能谱仪（XPS）测试图表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种氮化锌薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101，对衬底的表面进行标准溶液清洗处理，其中标准溶液包含硫酸、双氧水等氧化溶剂，衬底经过处理后的表面吸附有羟基；
步骤102，将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，可通过手动放置、机械手放置或软件控制机械手放置；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入含锌前驱体源，含锌前驱体源与衬底表面的羟基发生反应，含锌前驱体源中的锌原子吸附于衬底表面；含锌前驱体源为二甲基锌、二乙基锌或醋酸丙酮锌等；
步骤104，吹扫原子层沉积设备反应腔，使原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr；
步骤105，通过等离子体将含氮前驱体源电离，电离含氮前驱体源的放电功率为10W～100W，放电时间为1s～5s；
步骤106，将电离的含氮前驱体源通入原子层沉积设备反应腔中，电离后含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；含氮前驱体源为氮气、一氧化氮、二氧化氮、氨气等；
步骤107，吹扫原子层沉积设备反应腔，使原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr；
步骤108，在反应腔中通入经过等离子处理的水或者氧等具有氧化活性的源，调整衬底上沉积物表面反应活性至通入含锌前驱体源之前，表面吸附有羟基；
步骤109，重复上述步骤103至步骤108，即可逐层生长氮化锌薄膜。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供又一种氮化锌薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101，对衬底的表面进行标准溶液清洗处理，其中标准溶液包含硫酸、双氧水等氧化溶剂，衬底经过处理后的表面吸附有羟基；
步骤102，将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，可通过手动放置、机械手放置或软件控制机械手放置；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入含锌前驱体源，含锌前驱体源与衬底表面的羟基发生反应，含锌前驱体源中的锌原子吸附于衬底表面；含锌前驱体源为二甲基锌、二乙基锌或醋酸丙酮锌等；
步骤104，吹扫原子层沉积设备反应腔，使原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr；
步骤105，向原子层沉积设备反应腔中通入含氮前驱体源，含氮前驱体源为氮气、一氧化氮、二氧化氮、氨气等；
步骤106，通过等离子体将含氮前驱体源电离，电离含氮前驱体源的放电功率为10W～100W，放电时间为1s～5s；电离后含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；
步骤107，吹扫原子层沉积设备反应腔，使原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr；
步骤108，在反应腔中通入经过等离子处理的水或者氧等具有氧化活性的源，调整衬底上沉积物表面反应活性至通入含锌前驱体源之前，表面吸附有羟基；
步骤109，重复上述步骤103至步骤108，即可逐层生长氮化锌薄膜。
如图3所示，图3是使用本发明实施例制备的氮化锌薄膜的光电子能谱仪（XPS）测试图表。从图3中可以看出，使用本发明实施例制备的氮化锌薄膜具有很强的锌能谱峰和氮能谱峰。
本发明是一种简单易行，可获得高结晶质量、可重复的制备方法。本发明通过等离子体将氮源引入原子层沉积系统，再通过调控腔室温度、真空度、循环周期、等离子体条件等条件，精确的调控所制备的氮化锌薄膜的带隙。本发明可根据不同电学、光学应用需求，获得带隙可调控的各种优质氮化锌薄膜。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
（2）向所述原子层沉积设备反应腔中通入含锌前驱体源，所述含锌前驱体源中的锌原子吸附于所述衬底表面；
（3）向所述原子层沉积设备反应腔中通入含氮前驱体源，然后通过等离子体将所述含氮前驱体源电离，电离后所述含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与所述衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；或，通过等离子体将含氮前驱体源电离，然后将电离的所述含氮前驱体源通入所述原子层沉积设备反应腔中，电离后所述含氮前驱体源中的氮原子部分沉积，与所述衬底表面的锌原子形成氮锌共价键；
（4）重复所述步骤（2）和步骤（3）即可逐层生长氮化锌薄膜。
2.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）之前还包括步骤：所述衬底的表面经过处理，所述衬底处理后的表面吸附有羟基。
3.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中将衬底放置于原子层沉积设备反应腔中可通过手动放置、机械手放置或软件控制机械手放置。
4.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的含锌前驱体源为二甲基锌、二乙基锌或醋酸丙酮锌。
5.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的含氮前驱体源为氮气、一氧化氮、二氧化氮、氨气。
6.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述等离子体电离所述含氮前驱体源的放电功率为10W～100W，放电时间为1s～5s。
7.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）还包括：所述含锌前驱体源中的锌原子吸附于所述衬底表面后，吹扫所述原子层沉积设备反应腔，使所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，所述本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr。
8.如权利要求1所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）还包括：形成氮锌共价键后，吹扫所述原子层沉积设备反应腔，使所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空，所述本底真空的范围是0.0001Torr～0.1Torr。
9.如权利要求8所述的氮化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）还包括：所述原子层沉积设备反应腔恢复本底真空后，调整所述衬底上沉积物表面反应活性。
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