CN114121596A - 一种改变生长薄膜取向的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改变生长薄膜取向的方法,涉及真空蒸发沉积薄膜工艺。在室温下利用酒精、丙酮和去离子水对衬底进行清洗,在超声波清洗器中清洗以除去衬底表面的杂质,将清洗后的样品置入快速进样室;利用机械泵和涡轮分子泵获得10‑ 8mbar真空度的生长腔后,将衬底从快速进样室传送进生长设备的生长腔,在O气氛下对样品进行退火处理;同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长完成后,将样品取出。可解决昂贵的六边形衬底、复杂的工艺条件以及极性和非极性的选择等相关问题,并实现纯净、可控、精确生长。可在温度、气压等各项工艺参数不变的情况下,在相同材料上沉积出结晶取向不同的生长薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及真空蒸发沉积薄膜工艺,尤其是涉及一种改变生长薄膜取向的方法。
背景技术
在信息技术高度发达的二十一世纪,半导体作为一种介于导体和绝缘体之间的材料,受到了广泛关注。而宽禁带半导体材料相较于普通的半导体材料波长更短,可以很好地应用在短波长发光器件中,在通信、电子、光伏和照明等领域有巨大潜力,受到了研究人员的极大关注。半导体方面的研究已经有了很长的历史,各种不同性质的半导体材料相继走进了研究人员的视线中。同第一代半导体材料(Si,Ge)和第二代半导体材料(GaAs,InP)相比,第三代宽禁带半导体材料有效弥补了上两代半导体中的诸多缺点,代表材料有氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化铟(InN)和氧化锌(ZnO)等,这些第三代半导体材料有着诸如带隙宽、击穿电压和电子迁移率大等优点。
ZnO作为第三代宽禁带半导体材料,是II-VI族化合物半导体中的一员,作为优秀的直接带隙半导体材料,有许多独特的优点。常温下的禁带宽度约为3.37eV;60meV的激子束缚能使室温下稳定存在的激子复合成为了可能,这意味着高效的激子受激发射可以在室温或更高的温度下进行;1975℃的高熔点以及高的化学稳定性;无毒无害对环境友好等优势都是ZnO成为热门的半导体材料的原因。在ZnO中掺Mg制备出的MgZnO不仅继承了ZnO的优点,其电子迁移率和禁带宽度都有了显著提高,特别是可以通过调节Mg含量,来控制MgZnO的的带隙大小,提高光谱响应度。然而从晶体学角度看,六方纤锌矿结构的ZnO最为稳定,其生长是通过Zn和O交替面叠加而实现的,从而形成晶体取向为(001)的极性ZnO薄膜,这种极性薄膜会产生一个内部电场,将有源层中的电子和空穴分离开来,这种现象会对ZnO的光电器件产生不利影响。
MgZnO同样继承了ZnO的晶格结构,研究表明,晶体取向总是在表面产生特定的原子结构,极性和非极性表面的的化学性质和电子轨道状态不同,会对MgZnO材料的物理和光电性质产生影响。因此,研究MgZnO的不同结晶取向是很有价值的,对于扩大MgZnO的商业潜力很有帮助。当前,极性和非极性的生长薄膜主要是在晶格失配较小的衬底上形成,包括AlN缓冲层上生长的c轴ZnO,r面蓝宝石上生长的a轴ZnO,LiGaO2(110)上生长的m面ZnO。除了衬底的选择,还有研究报道了ZnO薄膜的结晶取向受生长温度控制,温度对控制材料表面形貌起重要作用,此外,还有利用Zn前驱体来改变晶体生长取向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述昂贵的六边形衬底、复杂的工艺条件以及极性和非极性的选择等问题,提供一种改变生长薄膜取向的方法。
本发明包括以下步骤:
1)在室温下利用酒精、丙酮和去离子水对衬底进行清洗,在超声波清洗器中清洗以除去衬底表面的杂质,交替清洗3遍,每遍5min,将清洗后的样品置入快速进样室;
2)利用机械泵和涡轮分子泵获得10-8mbar真空度的生长腔后,将衬底从快速进样室传送进生长设备的生长腔,在O气氛下对样品进行退火处理;
3)经退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长完成后,将样品取出。
在步骤1)中,所述衬底选取不同晶向的MgO,可采用MgO(111)、MgO(110)和MgO(100)。
在步骤2)中,所述生长设备可采用分子束外延生长设备、气相外延生长设备(MOCVE)、物理气相沉积(PVD)、脉冲激光沉积系统(PLD)等中的一种;优选分子束外延(MBE),其生长腔工作时真空度可达到10-9mbar;所述退火处理的条件可为:退火温度维持在800℃,O Plasma功率为250W,O压维持在5×10-5mbar,退火时间1h。
步骤3)中,所述生长过程中,可利用反射式高能电子衍射装置(RHEED)实时观测薄膜的生长状态。生长过程的条件可为:Mg源(Mg,99.999%)和Zn源(Zn,99.999%)温度均维持在330℃,衬底温度维持在275℃,O Plasma功率为180W,O压维持在1×10-5mbar。
与现有技术相比,本发明具有如下突出优点:
不同于改变衬底材料或加入新掺杂剂的方法,本发明通过改变衬底的结晶取向来控制外延生长薄膜的结晶取向。本发明选取了晶格常数与MgZnO相近的MgO衬底,可以解决昂贵的六边形衬底、复杂的工艺条件以及极性和非极性的选择等相关问题。本发明衬底除了选择MgO衬底以外,还可采用蓝宝石、硅片、玻璃等;可供生长的材料也不局限于MgZnO,可扩展到ZnO、SiC、GaN、金刚石以及其他宽禁带半导体材料。在分子束外延设备中进行生长,利用反射式高能电子衍射装置对薄膜生长状态实时监测,实现纯净、可控、精确生长。可以在温度、气压等各项工艺参数不变的情况下,在相同材料上沉积出结晶取向不同的生长薄膜,可以在光电器件领域得到应用。
附图说明
图1 MgO(111)上生长MgZnO的XRD谱图(2theta扫描)。
图2 MgO(111)上生长MgZnO的结构示意图。
图3 MgO(110)上生长MgZnO的XRD谱图(phi扫描)。
图4 MgO(110)上生长MgZnO的结构示意图。
图5 MgO(100)上生长MgZnO的XRD谱图(2theta扫描)。
图6 MgO(100)上生长MgZnO的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明在室温下利用酒精、丙酮和去离子水对衬底进行清洗,在超声波清洗器中清洗以除去衬底表面的杂质,交替清洗3遍,每遍5min,将清洗后的样品置入快速进样室;利用机械泵和涡轮分子泵获得10-8mbar真空度的生长腔后,将衬底从快速进样室传送进生长设备的生长腔,在O气氛下对样品进行退火处理;经退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长完成后,将样品取出。本发明衬底除了选择MgO衬底以外,还可采用蓝宝石、硅片、玻璃等;可供生长的材料也不局限于MgZnO,可扩展到ZnO、SiC、GaN、金刚石以及其他宽禁带半导体材料。以下实施例仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
实施例1
将MgO(111)衬底进行清洗处理后置入分子束外延设备,在O气氛下对样品进行1h的退火处理,退火过程中,退火温度维持在800℃,O Plasma功率为250W,O压维持在5×10- 5mbar。退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长过程中Mg源(Mg,99.999%)和Zn源(Zn,99.999%)温度均维持在330℃,衬底温度维持在275℃,O Plasma功率为180W,O压维持在1×10-5mbar,制得样品。
图1显示了样品的XRD谱图(2theta扫描),扫描谱中34.4°的衍射峰是ZnO(0001)面特征峰,薄膜沿c轴生长,样品具备六方纤锌矿结构,为极性面。
图2显示了样品的结构示意图。由上半部分的MgZnO和下半部分的MgO(111)衬底组成。
实施例2
将MgO(110)衬底进行清洗处理后置入分子束外延设备,在O气氛下对样品进行1h的退火处理,退火过程中,退火温度维持在800℃,O Plasma功率为250W,O压维持在5×10- 5mbar。退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长过程中Mg源(Mg,99.999%)和Zn源(Zn,99.999%)温度均维持在330℃,衬底温度维持在275℃,O Plasma功率为180W,O压维持在1×10-5mbar,制得样品。
图3显示了样品的XRD谱图(phi扫描),薄膜的生长方向偏离c轴约34°,为倾斜生长。
图4显示了样品的结构示意图。由上半部分的MgZnO和下半部分的MgO(110)衬底组成。
实施例3
将MgO(100)衬底进行清洗处理后置入分子束外延设备,在O气氛下对样品进行1h的退火处理,退火过程中,退火温度维持在800℃,O Plasma功率为250W,O压维持在5×10- 5mbar。退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长过程中Mg源(Mg,99.999%)和Zn源(Zn,99.999%)温度均维持在330℃,衬底温度维持在275℃,O Plasma功率为180W,O压维持在1×10-5mbar,制得样品。
图5显示了样品的XRD谱图(2theta扫描)。扫描谱中31.8°的衍射峰是MgZnO(10-10)面特征峰,表明外延膜沿m面生长。
图6显示了样品的结构示意图。由上半部分的MgZnO和下半部分的MgO(100)衬底组成。
本发明在工艺条件相同的情况下,例如实验过程中维持气压、沉积时间和生长温度等条件不变,仅通过改变衬底材料的晶向,便成功制备出沿c轴、倾斜和m面生长的MgZnO,可广泛应用于氧化镁锌的光电器件领域中。
Claims (9)
1.一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于包括以下步骤:
1)在室温下利用酒精、丙酮和去离子水对衬底进行清洗,在超声波清洗器中清洗以除去衬底表面的杂质,将清洗后的样品置入快速进样室;
2)利用机械泵和涡轮分子泵获得10-8mbar真空度的生长腔后,将衬底从快速进样室传送进生长设备的生长腔,在O气氛下对样品进行退火处理;
3)经退火处理后,同时通入等离子体激活的Zn金属源和Mg金属源进行2h的MgZnO薄膜的生长,生长完成后,将样品取出。
2.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于在步骤1)中,所述清洗利用酒精、丙酮和去离子水对衬底进行清洗与在超声波清洗器中清洗交替进行,清洗3遍,每遍5min。
3.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于在步骤1)中,所述衬底选取不同晶向的MgO。
4.如权利要求3所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于所述不同晶向的MgO可采用MgO(111)、MgO(110)和MgO(100)。
5.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于在步骤2)中,所述生长设备采用分子束外延生长设备、气相外延生长设备、物理气相沉积、脉冲激光沉积系统中的一种。
6.如权利要求5所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于在步骤2)中,所述生长设备采用分子束外延生长设备,其生长腔工作时真空度可达到10-9mbar。
7.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于在步骤2)中,所述退火处理的条件为:退火温度维持在800℃,O Plasma功率为250W,O压维持在5×10-5mbar,退火时间1h。
8.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于步骤3)中,所述生长过程中,采用反射式高能电子衍射装置实时观测薄膜的生长状态。
9.如权利要求1所述一种改变生长薄膜取向的方法,其特征在于步骤3)中,生长过程的条件为:Mg源(Mg,99.999%)和Zn源(Zn,99.999%)温度均维持在330℃,衬底温度维持在275℃,O Plasma功率为180W,O压维持在1×10-5mbar。
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CN202010873491.6A CN114121596A (zh) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 一种改变生长薄膜取向的方法 |
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WO2007107048A1 (fr) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | The Institute Of Physics, Chinese Academy Of Scienses | PROCÉDÉ DE FABRICATION DE FILM MONOCRISTALLIN ZnO DE GRANDE QUALITÉ SUR SUBSTRAT DE SILICIUM (111) |
CN101838845A (zh) * | 2010-05-17 | 2010-09-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 立方相氧锌镁单晶薄膜的生长制备方法 |
CN105951045A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-09-21 | 深圳大学 | 一种立方结构MgZnO薄膜及其制备方法、紫外探测器及其制备方法 |
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