CN105225928B - 一种氧化锌单晶薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧化锌单晶薄膜的制备方法，涉及半导体微电子与光电子材料。1)衬底预处理；2)衬底表面处理；3)缓冲层的生长；在377℃温度条件下，同时通入无等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第一层缓冲层的生长；在255℃温度条件下，同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第二层缓冲层的生长；4)氧化锌薄膜的生长；同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行氧化锌薄膜的生长，即完成氧化锌单晶薄膜的制备。在立方相衬底上，通过调节氧化锌生长过程中初始生长时氧气的活性，极大改善了由于晶格不匹配导致结晶质量差的问题，同时抑制了缺陷发光强的缺点，也克服高温生长对设备和生长条件的苛刻要求。

Description

一种氧化锌单晶薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体微电子与光电子材料，特别是涉及的是在立方相衬底上制备六方相的氧化锌单晶薄膜的方法。
背景技术
作为第三代半导体的核心基础材料之一，氧化锌具有压电特性好、化学稳定性高、无毒和禁带宽度比较大等特点。室温下，自由激子禁带宽度为3.37eV，结合能为60meV,具有非常优越的光电性能，已经成为继氮化镓(自由激子结合能为25meV)之后另一重要的宽禁带半导体材料，在低阈值、高效率的短波长光电子器件领域有着极其广阔的应用前景。
制备出高质量的单晶薄膜是实现相关光电子器件的基础。但是，由于氧化锌(0001)面是一个极性面，在没有重构及没有钝化的条件下，该面具有最高的能量，使氧化锌在大多数衬底生长时更倾向于沿(0001)面以三维岛状模式生长，容易在薄膜内部形成大量晶界及累积大量的缺陷和杂质，最终导致制备出的氧化锌薄膜的表面比较粗糙。目前，高质量氧化锌薄膜的制备主要集中在晶格结构类似的六方衬底上，比如氧化锌同质外延，以及在蓝宝石衬底上的制备，也有研究者尝试在立方相的衬底上生长氧化锌薄膜，但是由于晶体结构不同，制备出来的薄膜的单晶性不高，表面不平整，并且在可见光区域仍然可以看到缺陷发光。除此之外，要制备高质量的氧化锌薄膜，生长温度一般在700℃以上。在专利号为CN 103866266 A的中国发明专利“一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法”中，采用氧化铝作为阻挡层抑制氧化锌形核生长，从而制备出表面粗糙度低的氧化锌薄膜，虽然在一定程度上对表面粗糙度有所改善，但是铝金属元素的引入会对其性能造成影响，对氧化锌发光性能也可能造成影响，而氧化锌薄膜的发光性质也是影响其在光电器件中应用的重要因素。
综上，一种在立方相衬底上制备结晶度高、发光性能良好的氧化锌单晶薄膜的方法亟待提出。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供能够在不引入其他元素(除了氧和锌以外的元素)，而且生长温度不高于500℃的条件下，在立方相衬底上生长出结晶度高、发光性能好，缺陷少、发光结晶质量好的氧化锌单晶薄膜，具有很好可重复性的一种氧化锌单晶薄膜的制备方法。
本发明的具体步骤为：
1)衬底预处理；
2)衬底表面处理；
3)缓冲层的生长；在377℃温度条件下，同时通入无等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第一层缓冲层的生长；在255℃温度条件下，同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第二层缓冲层的生长；
4)氧化锌薄膜的生长；同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行氧化锌薄膜的生长，即完成氧化锌单晶薄膜的制备。
在步骤1)中，所述衬底预处理可将表面为(111)面取向的立方相氧化镁单晶衬底清洗之后，固定在样品托上，放入分子束外延系统中的进样室的传送杆上，然后将进样室抽真空。
在步骤2)中，所述衬底表面处理可将预处理后的氧化镁衬底从进样室传入制备室中，在490℃下，对衬底表面进行活性氧等离子处理，以去除表面吸附物，获得平整洁净的表面。
在步骤4)中，所述同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行氧化锌薄膜的生长的温度可为490℃，所述生长的时间可为60min。
本发明的优点是在立方相衬底上，通过调节氧化锌生长过程中初始生长时氧气的活性，极大改善了由于晶格不匹配导致结晶质量差的问题，同时抑制了缺陷发光强的缺点，也克服高温生长对设备和生长条件的苛刻要求。本发明提供了一种低温生长条件下在立方相衬底上生长高质量氧化锌单晶薄膜的方法。
附图说明
图1为低温生长后氧化锌单晶薄膜的室温下的光致发光谱。
图2为低温生长后氧化锌单晶薄膜的X射线衍射图。
具体实施方式
在氧化镁(111)衬底上外延高性能氧化锌单晶薄膜的方法：
在立方相氧化镁(111)面衬底上通过调节金属源温度和降低氧气活性的方法先沉积一层低活性氧的氧化锌缓冲层，然后沉积常规低温缓冲层，再进行氧化锌薄膜的生长，从而在立方相衬底上制备出结晶度和发光性都良好的氧化锌单晶薄膜。
下面对在立方相衬底上低温生长氧化锌单晶薄膜的过程进行详细的说明：
1)采用完好的(111)面大小为10mm×5mm×0.5mm的氧化镁单晶片，用丙酮、酒精和去离子水标准各清洗三次，用以去除样品表面的有机物和无机物，放入氮气保护的快速进样室中，用机械泵和涡轮分子泵共同组成的抽真空装置抽气1h获得10-8Torr的真空后将样品传送到生长室中。
2)样品放到生长腔体后，采用分子束外延方法，辐射加热的方式在氧气的气氛下给氧化镁(111)衬底加温到490℃。进行1h的表面热处理去除表面缺陷和吸附物。其中，通入的氧气压为5×10-5Torr，氧激活等离子体功率为250W。
3)将衬底处理好后，关闭氧射频等离子体激活，在低活性氧中沉积氧化锌缓冲层。其中，沉积过程中保持衬底温度为377℃，氧气压为5×10-5Torr，锌源温度为340℃，沉积时间为30min；
4)在完成步骤3)后，打开氧射频等离子体激活，功率为200W，进行活性氧中氧化锌缓冲层的沉积。其中，沉积过程保持衬底温度为255℃，氧气压为5×10-5Torr，锌源温度为340℃，生长时间为5min；
5)两个缓冲层生长完成后，进行氧化锌薄膜的生长，此时，保持氧射频等离子体激活功率仍为200W,生长过程中衬底温度保持为490℃，氧气压为5×10-5Torr，锌源温度为340℃，生长时间为1h。
6)生长完成后，将5)中的样品传出，在室温下进行X射线衍射和光致发光表征，发现氧化锌单晶薄膜结晶度良好，具有良好的紫外发光性能。
如图1所示，室温光致发光谱中的氧化锌的紫外发光峰非常强，并且没有看到其他波长的缺陷发光，证明生长出来的氧化锌单晶薄膜的发光性质良好。
如图2所示为X射线衍射谱，从图2中可见，除了衬底之外，氧化锌薄膜只有一个(002)的很强的衍射峰，证明得到的氧化锌是生长取向单一，结晶度很好的单晶薄膜。

Claims (3)

1.一种氧化锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)衬底预处理；所述衬底预处理是将表面为(111)面取向的立方相氧化镁单晶衬底清洗之后，固定在样品托上，放入分子束外延系统中的进样室的传送杆上，然后将进样室抽真空；
2)衬底表面处理；
3)缓冲层的生长；在377℃温度条件下，同时通入无等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第一层缓冲层的生长；在255℃温度条件下，同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行第二层缓冲层的生长；
4)氧化锌薄膜的生长；同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行氧化锌薄膜的生长，即完成氧化锌单晶薄膜的制备。
2.如权利要求1所述一种氧化锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述衬底表面处理是将预处理后的衬底从进样室传入制备室中，在490℃下，对衬底表面进行活性氧等离子处理，以去除表面吸附物，获得平整洁净的表面。
3.如权利要求1所述一种氧化锌单晶薄膜的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述同时通入等离子体激活的氧气和Zn金属源进行氧化锌薄膜的生长的温度为490℃，所述生长的时间为60min。
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