CN111334856A - 用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法 - Google Patents

用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法。将清洗处理后氮气吹干的氟晶云母衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至300～800℃，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室真空度为1×10‑6～1×10‑ 5Torr，以纯金属Zn为金属源，在衬底上外延ZnO单晶薄膜。采用本发明方法可以以准范德华外延方式生长高质量的ZnO单晶薄膜，为低成本、大尺寸、柔性、自支撑ZnO基量子阱光电器件奠定基础。

Description

用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO 单晶薄膜的方法
技术领域
本发明属于光电材料器件制备技术领域，涉及一种用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法。
背景技术
ZnO是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，激子束缚能高达60meV，室温下带隙为3.37eV，并且通过和MgO、CdO合金化可以实现带隙可调，进而构建量子阱结构，因此ZnO在紫外光电子器件领域有重要应用前景。
高质量ZnO单晶薄膜的生长是制备ZnO光电器件的前提，外延是获得高质量单晶薄膜的主要方法，目前高质量ZnO单晶薄膜的制备主要通过同质外延和异质外延。然而，同质外延所需的ZnO体单晶衬底制备成本较高，且ZnO衬底的表面质量控制工艺尚不成熟；异质外延对衬底与ZnO外延层晶格失配和热失配有严格要求，仅有的几种衬底(Al2O3、GaN、SiC、ScAlMgO4等)，往往价格昂贵，外延ZnO薄膜中有较大的应力，或者需要复杂的缓冲层技术才能获得晶体质量较好的ZnO单晶薄膜，这使得高质量ZnO薄膜的制备工艺复杂、成本较高。
因此，为实现ZnO基光电器件的广泛应用，上述传统同质外延、异质外延中的问题亟需解决。
发明内容
本发明的目的是解决传统ZnO薄膜同质外延和异质外延所面临的问题，提供一种用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO薄膜的方法。
本发明的用等离子体辅助分子束外延技术以准范德华外延生长高质量ZnO薄膜的方法，包括以下步骤：
将经清洗处理后氮气吹干的氟晶云母衬底放入分子束外延设备的进样室中，待在预处理室除气后，转移到生长室中，向生长室通入O2，调节生长室真空度为1×10-7～1×10- 6Torr，将衬底升温至800℃退火30min,以修复衬底表面晶格获得高度平整的氟晶云母表面，以纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室真空度为1×10-6～1×10- 5Torr，以纯金属Zn源为金属源，调节Zn源温度为245～260℃，在衬底上首先以较低温度300～600℃生长一定厚度ZnO薄膜，使得ZnO在氟晶云母衬底上形核外延，然后提高衬底温度至700～750℃生长所需厚度的ZnO薄膜，生长结束后将薄膜在O2气氛下，以10℃/min的速率降温冷却至室温。
本发明中，所述的预处理室除气后真空度需要达到5×10-9Torr，所述的O2的纯度为99.9999％以上，金属Zn的纯度为99.9998％以上。
本发明首先对氟晶云母衬底进行预处理，再以经过射频活化的O等离子体为O源，生长过程中，Zn原子束流与O等离子体发生反应，通过调控衬底温度使得ZnO在较低温度准范德华外延形核、在较高温度高质量生长，从而实现在高度平整的氟晶云母衬底上以准范德华外延生长机制生长ZnO单晶薄膜，制得的单晶薄膜晶体质量极好。
本发明薄膜厚度由生长时间所决定。
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，在氟晶云母衬底上准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜，解决了ZnO薄膜传统同质外延和异质外延所面临的问题，与现有技术相比，本发明的显著优点有，生长前的预处理方法简易，相比于通过复杂缓冲层技术的传统异质外延，本方法生长工艺简单，ZnO薄膜单次制备周期缩短，此外准范德华外延生长可以突破传统异质外延晶格失配、热失配的限制，获得应力释放的高晶体质量ZnO薄膜。
附图说明
图1是ZnO单晶薄膜的X射线衍射(102)面φ扫描图。
图2是ZnO单晶薄膜的X射线衍射(002)面摇摆曲线图。
具体实施方式
实施例1
将经清洗处理后氮气吹干的氟晶云母衬底放入分子束外延设备的进样室中，待在预处理室300℃除气6小时后(预处理室真空度5×10-9Torr以下)，转移到生长室中，向生长室通入O2，调节生长室真空度为1×10-7Torr，将衬底升温至800℃退火30min,以修复衬底表面晶格获得高度平整的氟晶云母表面，以纯O2(纯度99.9999％)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300W，调节生长室真空度为1×10-5Torr，以纯金属Zn源(纯度99.9998％)为金属源，调节Zn源温度为255℃，将衬底温度加热至500℃，在衬底上先生长厚度约为10nm的ZnO薄膜，使得ZnO在氟晶云母衬底上形核外延，然后，提高衬底温度至750℃生长ZnO薄膜，生长时间为3小时，生长结束后将薄膜在O2气氛下，以10℃/min的速率降温冷却至室温。
图1显示了所制备的ZnO薄膜的X射线衍射(102)面φ扫描图，从图中可以看出，ZnO薄膜的(102)衍射峰呈现很好的6次对称性，并且中间没有出现任何杂峰，说明所生长的ZnO薄膜为单晶薄膜。
图2显示了所制备的ZnO薄膜的X射线衍射(002)面摇摆曲线图，摇摆曲线的半高宽是表征单晶质量的重要指标，所制备的ZnO薄膜(002)面摇摆曲线半高宽为98.6arcsec，说明所制备的ZnO单晶薄膜晶体质量很好。
实施例2
将经清洗氮气吹干处理的氟晶云母衬底放入分子束外延设备的进样室中，待在预处理室300℃除气6小时后(预处理室真空度5×10-9Torr以下)，转移到生长室中，向生长室通入O2，调节生长室真空度为1×10-7Torr，将衬底升温至800℃退火30min,以修复衬底表面晶格获得高度平整的氟晶云母表面，以纯O2(纯度99.9999％)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300W，调节生长室真空度为1×10-5Torr，以纯金属Zn源(纯度99.9998％)为金属源，调节Zn源温度为260℃，将衬底温度加热至550℃，在衬底上首先以550℃生长厚度约为10nm的ZnO薄膜，使得ZnO在氟晶云母衬底上形核外延，然后，提高衬底温度至700℃生长ZnO薄膜，生长时间为3小时，生长结束后将薄膜在O2气氛下，以10℃/min的速率降温冷却至室温。
所制备的ZnO单晶薄膜晶体质量很好。

Claims (4)

1.用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法，其特征在于，步骤如下：
将经清洗后氮气吹干的氟晶云母衬底放入分子束外延设备的进样室中，待在预处理室除气数小时后，转移到生长室中，向生长室通入O2，调节生长室真空度为1×10-7～1×10- 6Torr，将衬底升温至800℃退火30min,以修复衬底表面晶格获得高度平整的氟晶云母表面，以纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室真空度为1×10-6～1×10- 5Torr，以纯金属Zn源为金属源，调节Zn源温度为245～260℃，在衬底上首先以较低温度300～600℃生长一定厚度ZnO薄膜，使得ZnO在氟晶云母衬底上形核外延，随后提高衬底温度至700～750℃生长所需厚度的ZnO薄膜，生长结束后将薄膜在O2气氛下，以10℃/min的速率降温冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法，其特征是，除气后预处理室真空度要求达到5×10-9Torr以下。
3.根据权利要求1所述的用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO薄膜的方法，其特征是，所述的O2的纯度为99.9999％以上，金属Zn的纯度为99.9998％以上。
4.根据权利要求1所述的用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO薄膜的方法，其特征是，所述的较低温度生长ZnO薄膜，厚度为10nm。
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