CN111334856B - 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 PDFInfo
- Publication number
- CN111334856B CN111334856B CN202010099954.8A CN202010099954A CN111334856B CN 111334856 B CN111334856 B CN 111334856B CN 202010099954 A CN202010099954 A CN 202010099954A CN 111334856 B CN111334856 B CN 111334856B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- zno
- film
- epitaxy
- single crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 39
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000010445 mica Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 4
- 230000008439 repair process Effects 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen(.) Chemical compound [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 35
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 description 7
- 238000001657 homoepitaxy Methods 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
- C30B29/64—Flat crystals, e.g. plates, strips or discs
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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
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 (3)
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30 min,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；所述除气后预处理室真空度要求达到5×10-9Torr以下。
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。
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，所述的较低温度生长ZnO薄膜，厚度为10 nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010099954.8A CN111334856B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010099954.8A CN111334856B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111334856A CN111334856A (zh) | 2020-06-26 |
| CN111334856B true CN111334856B (zh) | 2021-08-06 |
Family
ID=71180366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010099954.8A Active CN111334856B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111334856B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113394306B (zh) * | 2021-05-18 | 2022-09-27 | 浙江大学 | 一种基于石墨烯的可重复使用ZnO单晶衬底及制备ZnO薄膜的方法 |
| CN113707451A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-26 | 中国科学院半导体研究所 | 基于范德瓦尔斯外延制备柔性铁磁性金属薄膜的方法 |
| CN114717657B (zh) * | 2022-03-18 | 2023-08-22 | 南京大学 | 基于等离子体辅助激光分子束外延生长氧化镍单晶薄膜的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101834127A (zh) * | 2010-04-13 | 2010-09-15 | 中国科学院物理研究所 | 一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法 |
| CN102534767A (zh) * | 2011-12-29 | 2012-07-04 | 浙江大学 | Na掺杂生长p型ZnO单晶薄膜的方法 |
| CN108517555A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-09-11 | 西安电子科技大学 | 基于范德华外延获得大面积高质量柔性自支撑单晶氧化物薄膜的方法 |
-
2020
- 2020-02-18 CN CN202010099954.8A patent/CN111334856B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101834127A (zh) * | 2010-04-13 | 2010-09-15 | 中国科学院物理研究所 | 一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法 |
| CN102534767A (zh) * | 2011-12-29 | 2012-07-04 | 浙江大学 | Na掺杂生长p型ZnO单晶薄膜的方法 |
| CN108517555A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-09-11 | 西安电子科技大学 | 基于范德华外延获得大面积高质量柔性自支撑单晶氧化物薄膜的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "van der Waals epitaxy of Al-doped ZnO film on mica as a flexible transparent heater with ultrafast thermal response";Ke, SM等;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20180118;第112卷(第3期);第031905-5页左栏第一和第二段 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111334856A (zh) | 2020-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111334856B (zh) | 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 | |
| CN105655238B (zh) | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法 | |
| CN113235047B (zh) | 一种AlN薄膜的制备方法 | |
| CN108428618B (zh) | 基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法 | |
| CN116053120B (zh) | 氮化物外延结构及其制备方法和应用 | |
| CN111188090A (zh) | 一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法 | |
| CN110911270A (zh) | 一种高质量氧化镓薄膜及其同质外延生长方法 | |
| CN108878266B (zh) | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
| CN118136758B (zh) | 一种蓝宝石基氧化锌透明电极薄膜材料的应力调控结构 | |
| CN108511322B (zh) | 一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法 | |
| CN112687525B (zh) | 一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法 | |
| CN112053942A (zh) | 一种在石墨烯上生长GaN薄膜的方法 | |
| CN110791805A (zh) | 一种衬底、外延片及其生长方法 | |
| CN114717657B (zh) | 基于等离子体辅助激光分子束外延生长氧化镍单晶薄膜的方法 | |
| CN108330536B (zh) | PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法 | |
| CN116288722A (zh) | 一种金刚石衬底GaN外延方法 | |
| CN105977135A (zh) | 基于二硫化锡和磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法 | |
| TWI703243B (zh) | 單晶三族氮化物的形成方法 | |
| CN111415858A (zh) | AlN或AlGaN薄膜材料的制备方法及应用 | |
| CN111048403A (zh) | 一种氮化铝膜及其制备方法和应用 | |
| CN113948391B (zh) | 一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法 | |
| CN116988148A (zh) | 二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法 | |
| CN113471060B (zh) | 一种减少硅衬底上AlN薄膜微孔洞的制备方法 | |
| CN116525568A (zh) | β-氧化镓/c-砷化硼异质结构及制备方法 | |
| CN113571404B (zh) | 一种β-Ga2O3薄膜的生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |