CN109103305B - 硫化锌/氮化镓异质结及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硫化锌/氮化镓异质结及其制备方法。一种硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，包括步骤：在气压小于4×10‑6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，得到硫化锌/氮化镓异质结，其中，蒸发源的温度为840℃～865℃，氮化镓单晶衬底的温度为450℃～465℃。上述硫化锌/氮化镓异质结的制备方法制得的硫化锌/氮化镓异质结的结晶度较好，适于产业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及异质结构制备领域，特别是涉及一种硫化锌/氮化镓异质结及其制备方法和应用。
背景技术
氮化镓为一种直接带隙宽禁带半导体材料(禁带宽度为3.39eV)，氮化镓、碳化硅等材料被称为第三代半导体材料。由于氮化镓有高的热导率，高熔点，较高的电离度并且硬度大。同时其发光效率高，在紫外、紫、蓝、绿发光器件方面有很大的应用前景。硫化锌也是宽带隙的半导体材料，室温下禁带宽度为3.7eV，是最早发现的合成半导体之一，其在电子、光电子产业中有十分显著的应用。
近年来的科学研究表明，异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等，因此，硫化锌/氮化镓异质结在工业技术领域有重要的应用价值。1997年，E.C.Piquette等第一次生长出硫化锌/氮化镓异质结，但结晶度较差，无法应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种制备结晶度较好的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法。
此外，还提供一种硫化锌/氮化镓异质结及其应用。
一种硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，包括以下步骤：
在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，得到硫化锌/氮化镓异质结，其中，所述蒸发源的温度为840℃～865℃，所述氮化镓单晶衬底的温度为450℃～465℃。
上述通过在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，并控制蒸发源的温度和氮化镓单晶衬底的温度，保证氮化镓单晶衬底表面的硫化锌薄膜的均匀性和连续性，而使制得的硫化锌/氮化镓异质结的结晶度较好，适于产业化应用。
在其中一个实施例中，在所述采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤之前，还包括对所述氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤。
在其中一个实施例中，所述对所述氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤包括：在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将所述氮化镓单晶衬底在550℃～700℃下保温10min～60min。
在其中一个实施例中，所述采用分子束外延法在所述氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤中，采用反射式高能电子衍射对所述硫化锌单晶层进行原位实时监控。
在其中一个实施例中，所述对所述硫化锌单晶层进行反射式高能电子衍射的原位实时监控的步骤中，使用的电子束电压为10kV～25kV。
上述任一种硫化锌/氮化镓异质结的制备方法制备得到的硫化锌/氮化镓异质结。
上述硫化锌/氮化镓异质结在制备半导体发光器件中的应用。
附图说明
图1为实施例1的除氧后的氮化镓单晶衬底的[1 1 0]方向的反射式高能电子衍射图；
图2为实施例1的除氧后的氮化镓单晶衬底的[-1-2 0]方向的反射式高能电子衍射图；
图3为实施例1的硫化锌/氮化镓异质结的[1 1 0]方向的反射式高能电子衍射图；
图4为实施例1的硫化锌/氮化镓异质结的[-1-2 0]方向的反射式高能电子衍射图；
图5为实施例1的硫化锌/氮化镓异质结的X射线衍射谱图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
其中，本文中的“/”表示层叠。
一实施方式的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，包括以下步骤：
在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，得到硫化锌/氮化镓异质结。
其中，氮化镓单晶衬底可以是任意厚度和大小。在本实施例中，氮化镓单晶衬底由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(苏州纳米所)提供。可以理解，氮化镓单晶衬底也可以从其他机构获得。
其中，蒸发源的温度为840℃～865℃，氮化镓单晶衬底的温度为450℃～465℃。采用分子束外延方法在氮化镓单晶衬底上进行原子层面的层层累积，能够使得硫化锌的生长晶体为单晶，同时控制蒸发源的温度、衬底的温度等参数，还能够保证氮化镓单晶衬底表面的硫化锌薄膜的均匀性和连续性，以使硫化锌/氮化镓异质结具有较好的结晶度。
具体地，采用的分子束外延设备为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的分子束外延仪，可产生10-9Torr的超真空。其中，采用克努森容器(Knudsen cell)对蒸发源进行加热。
其中，采用分子束外延法在经除氧处理后的所述氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤中，采用反射式高能电子衍射对所述硫化锌单晶层进行原位实时监控，以通过控制生长时间来精确控制硫化锌的生长层数和厚度。
反射高能电子衍射是在分子束外延中常用的原位监控技术，是一种研究晶体外延生长、精确测定表面结晶状态以及表面氧化、还原过程等的有效分析手段。反射高能电子衍射是高能电子衍射的一种工作模式。它将能量为10keV～50keV的单能电子掠射(1°～3°)到晶体表面，在向前散射方向收集电子束，或将衍射束显示于荧光屏。
进一步地，反射式高能电子衍射使用的电子束电压为10kV～25kV。其中，电子束以小角度入射硫化锌单晶层的表面，如果硫化锌单晶层表面有晶格结构，则会在荧光屏上显示衍射条纹，以监控硫化锌单晶层的晶格结构，进而监控硫化锌的生长层数。
需要说明的是，在采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤之前，还包括对氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤。进一步地，对氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤包括：在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将氮化镓单晶衬底在550℃～700℃下保温15min～60min，以达到清洁氮化镓单晶衬底表面的效果。
上述硫化锌/氮化镓异质结的制备方法具有如下优点：
1)上述通过在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，并控制蒸发源的温度和氮化镓单晶衬底的温度，保证氮化镓单晶衬底表面的硫化锌薄膜的均匀性和连续性，而使制得的硫化锌/氮化镓异质结的结晶度较好，适于产业化应用。
2)上述采用分子束外延方法在氮化镓单晶层上生长硫化锌单晶层的步骤是在反射式高能电子衍射的原位实时监控下进行的，通过监控硫化锌单晶层的晶格结构，得到硫化锌在氮化镓单晶衬底上的生长层数，进而通过控制硫化锌的生长时间来精确控制硫化锌单晶层的生长层数。
一实施方式的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法制备得到的硫化锌/氮化镓异质结。该硫化锌/氮化镓异质结具有结晶度好，适于产业化应用的优点。
一实施方式的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法制备得到的硫化锌/氮化镓异质结用于制备半导体发光器件。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施例硫化锌/氮化镓异质结的制备步骤如下：
(1)在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将氮化镓单晶衬底在600℃下保温15min。然后，采用反射式高能电子衍射分别沿[1 1 0]和[-1-2 0]方向对除氧后的氮化镓单晶衬底进行检测，结果见图1和图2。
(2)将除氧后的氮化镓单晶衬底和硫化锌分别放入分子束外延仪中，在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，控制蒸发源的温度为850℃，氮化镓单晶衬底的温度为465℃，得到硫化锌/氮化镓异质结。然后，采用反射式高能电子衍射分别沿[1 1 0]和[-1-2 0]方向对硫化锌/氮化镓异质结进行检测，结果见图3和图4。
从图1至图4可以看出，相比图1和图2中的除氧后的氮化镓单晶衬底，图3和图4中的硫化锌/氮化镓异质结的较长且细锐，表明本实施例中的硫化锌/氮化镓异质结的晶格较好，质量较高。
对比例1
本对比例的硫化锌/氮化镓异质结的制备步骤如下：
(1)在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将氮化镓单晶衬底在640℃下保温15min。
(2)将除氧后的氮化镓单晶衬底和硫化锌分别放入分子束外延仪中，在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，控制蒸发源的温度为840℃，氮化镓单晶衬底的温度为500℃，得到硫化锌/氮化镓异质结。
对比例2
本对比例的硫化锌/氮化镓异质结的制备步骤如下：
(1)在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将氮化镓单晶衬底在500℃下保温15min。
(2)将除氧后的氮化镓单晶衬底和硫化锌分别放入分子束外延仪中，在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，氮化镓单晶衬底的温度为150-400℃，得到硫化锌/氮化镓异质结。
采用X射线衍射法分别对实施例1及对比例1～2得到的硫化锌/氮化镓异质结进行检测，然后通过高斯拟合计算ZnS峰位的半高宽，结果见表1，实施例1的硫化锌/氮化镓异质结的X射线衍射谱图如图5所示。
表1
| 检测对象 | ZnS峰位的半高宽 |
| 实施例1得到的硫化锌/氮化镓异质结 | 0.52545° |
| 对比例1得到的硫化锌/氮化镓异质结 | 1.623° |
| 对比例2得到的硫化锌/氮化镓异质结 | 2.6° |
从表1可以看出，与对比例1～2相比，实施例1得到的硫化锌/氮化镓异质结的ZnS(111)峰位的半高宽均低于对比例1～2得到的硫化锌/氮化镓异质结，表明实施例1得到的硫化锌/氮化镓异质结上的ZnS单晶的结晶度较好，质量优异。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在气压小于4×10-6Pa的真空条件下，以硫化锌为蒸发源，采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层，得到硫化锌/氮化镓异质结，其中，所述蒸发源的温度为840℃～865℃，所述氮化镓单晶衬底的温度为450℃～465℃。
2.根据权利要求1所述的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，其特征在于，在所述采用分子束外延法在氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤之前，还包括对所述氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤。
3.根据权利要求2所述的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，其特征在于，所述对所述氮化镓单晶衬底进行除氧的步骤包括：在气压小于2×10-7Pa的真空条件下，将所述氮化镓单晶衬底在550℃～700℃下保温10min～60min。
4.根据权利要求1所述的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，其特征在于，所述采用分子束外延法在所述氮化镓单晶衬底上生长硫化锌单晶层的步骤中，采用反射式高能电子衍射对所述硫化锌单晶层进行原位实时监控。
5.根据权利要求4所述的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法，其特征在于，所述对所述硫化锌单晶层进行反射式高能电子衍射的原位实时监控的步骤中，使用的电子束电压为10kV～25kV。
6.权利要求1～5任意一项所述的硫化锌/氮化镓异质结的制备方法制备得到的硫化锌/氮化镓异质结。
7.权利要求6所述的硫化锌/氮化镓异质结在制备半导体发光器件中的应用。
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| GR01 | Patent grant | ||
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