CN114574961A - 一种氧化锌的薄膜生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化锌的薄膜生长方法，包括以下步骤：选用蓝宝石衬底作为生长ZnO薄膜材料的衬底；将清洗过的衬底放在MOCVD设备的反应室衬底底座上；将反应室抽真空至3*10‑3Pa以下，以排净反应室中的空气；充入氮气和氢气的混合气体对衬底进行高温预处理3‑8min，高温预处理的温度为1000℃‑1200℃；将衬底降温到适合ZnO薄膜生长的温度；打开反应室衬底底座旋转开关，使得衬底匀速旋转；在MOCVD设备中利用载气从衬底侧面通入锌源和氧源，锌源和氧源在高速选择中转和加热均匀的衬底上会合并反应，在衬底上生长成ZnO薄膜；关闭锌源和氧源载气，待反应室压强升至常压，温度降至常温后从MOCVD设备中取出ZnO薄膜样品。

Description

一种氧化锌的薄膜生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种氧化锌的薄膜生长方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)材料是继氮化镓(GaN)之后世界热点研究的又一种重要宽带隙半导体材料，其带隙和晶格常数与GaN非常接近，晶型相同，有相近光电特性。而ZnO还具有更高的熔点和激子束缚能，激子增益更高，外延生长温度低、成本低，容易刻蚀而使后继加工工艺更方便等优于GaN的多种特性，显示出比GaN具有更大的发展潜力。
ZnO薄膜材料的生长有多种方法，有蒸发、磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光淀积(PLD)、金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。溅射是最常用的方法，但只能生长出质量较差的多晶薄膜，不能满足许多器件的制备需要。MOCVD方法可以生长大面积均匀、质量较高的ZnO薄膜，适合工业化生产。因此制备适合于生长ZnO薄膜材料的MOCVD设备及探索新的工艺方法是目前科技界和产业界亟待解决的课题。
用MOCVD法生长ZnO薄膜通常是以Zn的烷基化合物二乙基锌[Zn(C2H5)2]或二甲基锌[Zn(CH3)2]为Zn源，以高纯氧为O源，在蓝宝石(Si、GaAs或ZnO等其它衬底)衬底上生长的。对于MOCVD生长ZnO薄膜，由于常用的Zn源(二甲基锌、二乙基锌)与氧源有强烈的预反应，生成的微小颗粒容易进入薄膜而降低薄膜的质量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种氧化锌的薄膜生长方法，以解决上述技术问题，能够获得高质量的ZnO薄膜材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氧化锌的薄膜生长方法，包括以下步骤：
S1、选用蓝宝石衬底作为生长ZnO薄膜材料的衬底；
S2、将清洗过的衬底放在MOCVD设备的反应室衬底底座上；
S3、将反应室抽真空至3*10-3Pa以下，以排净反应室中的空气；
S4、充入氮气和氢气的混合气体对衬底进行高温预处理3-8min，高温预处理的温度为1000℃-1200℃；
S5、将衬底降温到适合ZnO薄膜生长的温度；
S6、打开反应室衬底底座旋转开关，使得衬底匀速旋转；
S7、在MOCVD设备中利用载气从衬底侧面通入锌源和氧源，锌源和氧源在高速选择中转和加热均匀的衬底上会合并反应，在衬底上生长成ZnO薄膜；
S8、关闭锌源和氧源载气，待反应室压强升至常压，温度降至常温后从MOCVD设备中取出ZnO薄膜样品。
作为一种优选的技术方案，在步骤S7中，选用甲醇作为氧源，Zn(C2H5)2或者Zn(CH3)2作为锌源，以Ar作为载气。
作为一种优选的技术方案，在步骤S7中，适合ZnO薄膜生长的温度为300℃-550℃，时间为20-40min。
作为一种优选的技术方案，在步骤S2中，该衬底的清洗步骤如下所示，
S2.1、用丙酮超声5-10min，用去离子水(DIW)冲洗数次；
S2.2、在H2SO4：HNO3＝1：1的腐蚀液中煮沸5-10min，用大量去离子水将衬底冲洗干净；
S2.3、将衬底泡在200℃的H2SO4：H3PO4＝3：1的腐蚀液中腐蚀20min，用去离子水冲洗数次；
S2.4、用红外灯将衬底烘干。
作为一种优选的技术方案，在步骤S5中，适合ZnO薄膜生长的温度在400-700℃之间。
作为一种优选的技术方案，在步骤S6中，底座的转速为1000转/分以内。
作为一种优选的技术方案，在步骤S8中，在关闭锌源载气后，且通氧源载气时，加热衬底，进行退火。
作为一种优选的技术方案，退火温度为650-750℃，退火时间为5-20min。
本发明的有益效果在于：上述氧化锌的薄膜生长方法，采用Zn的烷基化合物Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2作为ZnO薄膜的锌源，甲醇作为ZnO薄膜生长的氧源，利用蓝宝石做衬底，采用MOCVD工艺制备氧化锌薄膜，由于甲醇的化学活性降低很多，使预反应大为减少，可以使薄膜的质量有效提高。通过蓝宝石衬底的高温预处理，低温冲层的生长及退火，生长过程中优化控制氢的加入抑制碳玷污，提高O/Zn比实现ZnO材料性能优化等，获得高质量的ZnO薄膜材料。
附图说明
图1为本发明涉及的氧化锌的薄膜生长方法的生产步骤示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种氧化锌的薄膜生长方法，包括以下步骤：
步骤1、选用蓝宝石衬底作为生长ZnO薄膜材料的衬底。
步骤2、将清洗过的衬底放在MOCVD设备的反应室衬底底座上，上述清洗步骤如下所示：用丙酮超声5-10min，用去离子水(DIW)冲洗数次；在H2SO4：HNO3＝1：1的腐蚀液中煮沸5-10min，用大量去离子水将衬底冲洗干净；将衬底泡在200℃的H2SO4：H3PO4＝3：1的腐蚀液中腐蚀20min，用去离子水冲洗数次；用红外灯将衬底烘干，能够彻底清洗衬底上的杂质，避免杂质影响ZnO薄膜生长的质量。
步骤3、将反应室抽真空至3*10-3Pa以下，以排净反应室中的空气，避免空气中的杂质影响反应。
步骤4、充入氮气和氢气的混合气体对衬底进行高温预处理3-8min，高温预处理的温度为1000℃-1200℃。
步骤5、将衬底降温到适合ZnO薄膜生长的温度，适合ZnO薄膜生长的温度在400-700℃之间。
步骤6、打开反应室衬底底座旋转开关，使得衬底匀速旋转，底座的转速为1000转/分以内，一般为600转/分。
步骤7、在MOCVD设备中利用载气从衬底侧面通入锌源和氧源，锌源和氧源在高速选择中转和加热均匀的衬底上会合并反应，在衬底上生长成ZnO薄膜，选用甲醇作为氧源，Zn(C2H5)2或者Zn(CH3)2作为锌源，以Ar作为载气，锌源载气流量20-50sccm，氧源载气流量0.5-2slm，ZnO薄膜生长的温度为300℃-550℃，时间为20-40min，在本实施例中，反应温度为500℃，时间为30min。
步骤8、关闭锌源载气，且通氧源载气时，加热衬底至650-750℃，进行退火，退火时间为5-20min，在本实施例中，退火温度为700℃，退火时间为15min，能够提高ZnO薄膜质量，退火完成后，关闭氧源载气，待反应室压强升至常压，温度降至常温后从MOCVD设备中取出ZnO薄膜样品。
以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选用蓝宝石衬底作为生长ZnO薄膜材料的衬底；
S2、将清洗过的衬底放在MOCVD设备的反应室衬底底座上；
S3、将反应室抽真空至3*10-3Pa以下，以排净反应室中的空气；
S4、充入氮气和氢气的混合气体对衬底进行高温预处理3-8min，高温预处理的温度为1000℃-1200℃；
S5、将衬底降温到适合ZnO薄膜生长的温度；
S6、打开反应室衬底底座旋转开关，使得衬底匀速旋转；
S7、在MOCVD设备中利用载气从衬底侧面通入锌源和氧源，锌源和氧源在高速选择中转和加热均匀的衬底上会合并反应，在衬底上生长成ZnO薄膜；
S8、关闭锌源和氧源载气，待反应室压强升至常压，温度降至常温后从MOCVD设备中取出ZnO薄膜样品。
2.根据权利要求1所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S7中，选用甲醇作为氧源，Zn(C2H5)2或者Zn(CH3)2作为锌源，以Ar作为载气。
3.根据权利要求1或2所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S7中，适合ZnO薄膜生长的温度为300℃-550℃，时间为20-40min。
4.根据权利要求3所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S2中，该衬底的清洗步骤如下所示，
S2.1、用丙酮超声5-10min，用去离子水(DIW)冲洗数次；
S2.2、在H2SO4：HNO3＝1：1的腐蚀液中煮沸5-10min，用大量去离子水将衬底冲洗干净；
S2.3、将衬底泡在200℃的H2SO4：H3PO4＝3：1的腐蚀液中腐蚀20min，用去离子水冲洗数次；
S2.4、用红外灯将衬底烘干。
5.根据权利要求4所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S5中，适合ZnO薄膜生长的温度在400-700℃之间。
6.根据权利要求5所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S6中，底座的转速为1000转/分以内。
7.根据权利要求6所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，在步骤S8中，在关闭锌源载气后，且通氧源载气时，加热衬底，进行退火。
8.根据权利要求7所述的氧化锌的薄膜生长方法，其特征在于，退火温度为650-750℃，退火时间为5-20min。
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