CN104451867B - 一种制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法 - Google Patents

一种制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的高质量ZnMgBeO薄膜的方法，采用的是等离子体辅助分子束外延方法。将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400～700 ℃，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为1×10‑6～1×10‑5 Torr，以纯金属Zn源、Mg源和Be源为反应源，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜。采用本发明方法Be掺杂浓度易控，能有效保证薄膜的质量，制备的ZnMgBeO薄膜具有优异的光学性能和电学性能。Be掺杂有效地抑制了缺陷发光，极大地提高了ZnMgBeO薄膜的发光性能，同时，降低了ZnMgBeO薄膜的本底电子浓度，为制备高发光性能的ZnO基光电器件奠定了基础。

Description

一种制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种ZnO基薄膜的生长方法，尤其是高质量ZnMgBeO薄膜的制备方法。
背景技术
ZnO作为直接带隙宽禁带半导体材料，室温禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV，这些特点使ZnO基材料在紫外光电领域有着巨大的应用潜力。为实现其广泛应用，需要解决两大关键问题：制备性能优异的n型和p型ZnO；生长量子阱结构提高光电器件效率。目前，ZnMgO被认为是ZnO基量子阱合适的势垒材料，主要原因是Mg2+半径 (0.57 Å) 与Zn2+半径 (0.60 Å) 接近，在ZnMgO合金中随着Mg含量的增加，禁带宽度增大的同时不会引起明显的晶格畸变。然而MgO为立方结构，与ZnO的六方结构不一致，这将导致Mg含量增大后出现分相问题。有研究指出ZnBeO合金可避免上述问题，由于BeO与ZnO晶体结构相同。但是Be2+半径 (0.31 Å) 较小，大量Be掺入会引起较大的晶格畸变。综合上述分析，掺入少量Be和适量Mg对ZnO进行能带裁剪，将是一种比较理想的途径。
除此之外，理论研究表明引入Be或Mg可以降低受主杂质的离化能，尤其是引入Be可有效地提高受主有效激活率，从而实现高空穴浓度p型掺杂。另一方面，由于Be-O键具有很高的键能，引入Be使氧空位的形成能更高，可有效抑制氧空位的形成。抑制氧空位一方面可显著减弱由氧空位等缺陷引起的缺陷发光峰，另一方面可有效地降低由氧空位等施主性缺陷引起的本底电子浓度。
因此，亟需发展一种通过调控Be、Mg掺入量来解决ZnMgO或ZnBeO三元合金所面临的问题以及改善p型掺杂的新途径。
发明内容
本发明的目的是克服ZnMgO或ZnBeO三元合金所面临的问题，提供一种同时引入Be和Mg，制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法。
本发明的制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法，包括以下步骤：
将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400～700 ℃，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为1×10-6～1×10-5 Torr，以纯金属Zn、Mg和Be源为反应源，调节Zn源温度为260～350 ℃，调节Mg源温度为340～400℃，调节Be源温度为800～1000 ℃，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长结束后将薄膜在氧气氛下，以小于等于5 ℃/min 的速率降温冷却至室温。
本发明中，所述的O2的纯度为99.9999 %以上，金属Zn的纯度为99.9998 %以上，金属Mg的纯度为99.9999 %以上，金属Be的纯度为99.9999 %以上。所说的衬底可以是ZnO体单晶或c面蓝宝石。
本发明以经过射频活化的纯O2为O源，生长过程，Zn原子束流、Mg原子束流、Be原子束流与O等离子体发生反应，在衬底上沉积生成ZnMgBeO薄膜。
本发明薄膜中Mg的掺入浓度和Be的掺入浓度由Mg源的温度和Be源的温度调节，薄膜厚度由生长时间所决定。薄膜中缺陷发光峰抑制及本底电子浓度降低的效果由Be的掺入浓度调控。
本发明的有益效果在于：
本发明采用等离子体辅助分子束外延方法制备ZnMgBeO薄膜，有效保证了薄膜的质量，Mg、Be掺入浓度易控，制备的ZnMgBeO薄膜具有优异的光学和电学性能。通过调控Be掺入浓度，可有效地抑制ZnMgBeO薄膜的缺陷发光；同时，有效地降低ZnMgBeO薄膜的本底电子浓度。本发明方法简单可控，在抑制ZnMgBeO薄膜缺陷发光的同时，降低薄膜本底电子浓度，为制备高发光性能的ZnO基光电器件奠定了基础。
附图说明
图1是ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室温光致发光谱。
具体实施方式
实施例1
将c面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至600 ℃，调节生长室压力为2×10-6 Torr，以经过射频活化的纯O2（纯度99.9999 %）为O源，活化O2的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源、Mg（纯度99.9999 %）源、Be（纯度99.9999 %）源为反应源，调节Zn源加热温度至280 ℃、Mg源加热温度至350 ℃、Be源加热温度至880℃，在c面蓝宝石上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为3 小时，薄膜厚约为350 nm。
采用相同的工艺，以金属Zn（纯度99.9998 %）源、Mg（纯度99.9999 %）源为反应源，在衬底上生长ZnMgO薄膜。
图1显示了ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室温光致发光谱，从图中看出，ZnMgO薄膜缺陷峰明显，薄膜发光性能较差；ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有优异的光学性能。
同时，制得的ZnMgBeO薄膜具有优异的室温电学性能，本底电子浓度为4×1016 cm-3，相对于ZnMgO薄膜的本底电子浓度（1×1017 cm-3 ）有明显的降低。
实施例2
将c面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至700 ℃，调节生长室压力为3×10-6 Torr，以经过射频活化的纯O2（纯度99.9999%）为O源，活化O2的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源、Mg（纯度99.9999 %）源、Be（纯度99.9999 %）源为反应源，调节Zn源加热温度280 ℃、Mg源加热温度至350 ℃、Be源加热温度至900 ℃，在c面蓝宝石衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为2小时，薄膜厚约为200 nm。
制备的ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有良好的光学性能；本底电子浓度低至2×1016 cm-3。
实施例3
将ZnO单晶衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至500 ℃，调节生长室压力为6×10-6 Torr，以经过射频活化的纯O2（纯度99.9999%）为O源，活化O2的射频功率为350 W；金属Zn（纯度99.9998 %）源、Mg（纯度99.9999 %）源、Be（纯度99.9999 %）源为反应源，调节Zn源加热温度300 ℃、Mg源加热温度至360 ℃、Be源加热温度至910 ℃，在ZnO单晶衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为2 小时，薄膜厚约为300 nm。
制得的ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有良好的光学性能；本底电子浓度低至3×1016 cm-3。

Claims (1)

1.制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法，其步骤如下：
将经清洗处理的c面蓝宝石衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至700℃，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，活化O2的射频功率为350W，调节生长室压力为3×10-6Torr，以纯金属Zn、Mg和Be源为反应源，调节Zn源温度为280℃，调节Mg源温度为350℃，调节Be源温度为900℃，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为2h，薄膜厚度为200nm，生长结束后将薄膜在氧气氛下，以小于等于5℃/min的速率降温冷却至室温；所述的O2的纯度为99.9999％，金属Zn的纯度为99.9998％，金属Mg的纯度为99.9999％，金属Be的纯度为99.9999％。
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