CN1275336C - 硅衬底上生长ii－vi族材料薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于本发明属于半导体材料领域，涉及在半导体材料Si衬底上生长II-VI族薄膜的方法，是对II-VI族半导体薄膜生长方法的改进，本发明先在Si衬底上蒸镀一层ZnO薄膜，然后在氧气气氛下退火以得到取向较好的ZnO缓冲层，最后用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法在处理过的ZnO/Si上生长II-VI族半导体材料。在Si上蒸镀ZnO，避免清除其表面的氧化层，蒸镀的ZnO层与Si表面的SiOx有较好的浸润性，得到二维层状生长。另外，经过退火处理的ZnO既可缓解由于Si与外延层之间由于晶格常数和热膨胀系数差异导致的晶格应力和热应力，还为得到取向较好的外延层提供了条件，将减少由于热应力导致的缺陷。
Description
技术领域：本发明属于半导体材料领域，涉及在半导体材料硅衬底上生长II-VI族薄膜的方法，具体地说是一种硅衬底上II-VI族材料的生长。
背景技术：以Si材料为基础的微电子技术，电子作为信息和能量的荷载体，在20世纪人类社会的发展中作出了巨大的历史性贡献，物理学家常把20世纪称为“电子时代”。21世纪的社会是一个高度信息化的社会，信息已不仅是人们通讯联络的纽带，更成为了创造社会财富与丰富文明生活和提高社会素质的源泉和通道，社会对信息量的要求也将以太比特/秒(1012bit/s)为起点呈现超摩尔定律的爆炸性增长。此时电子载体的功能受到了“瓶颈”效应的限制，已经到了它的极限。光子由于不具有荷电性，并能以光速传播，又最容易体现波和粒子二象性，因此，利用光子作为信息和能量的载体将超越电子作为载体的功能，它将把信息高科技推向超高速度，超大容量的宽带范畴。但是，光子和电子并不是相互独立的不同系统，它们互相关联，互为依托，例如半导体光子芯片的运作离不开电子回路的支撑和操控。因此如果能将光子功能和电子功能融合一体，将大大推动信息社会的发展。
然而长期以来，光子材料的制备大都以GaAs为衬底，这就造成了以Si为基础的电子技术与以GaAs为基础的光子技术的分离。为了解决这一问题，人们尝试在Si衬底上进行光子材料的制备。II-VI族材料如ZnS，ZnSe，ZnTe等具有大的禁带宽度，直接跃迁带隙以及大的激子束缚能等特点，一直是光电子领域的研究热点。另外，它们的激子效应为实现高灵敏光开关，高速电光调制器以及光子接收器提供了可能性。因此，以Si为衬底制备II-VI族材料一直吸引着人们的注意力。上个世纪80年代以来，T.Yokoyama一直用MBE及ALE技术进行ZnSe及ZnS薄膜材料及其量子阱结构的制备和表征(M.Yokoyama，K.Kashiro，S.Ohta：J.Appl.Phys.60(1986)3508；C.H.Liu，M.Yokoyama，Y.K.Su：Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)5416)。Yokogawa等人曾在Si衬底上生长了ZnSe-ZnS应变超晶格，虽然在337nm附近观测到了来自ZnSe阱层的激子发射谱带，但占主导地位的仍是缺陷引起的深中心的发光(T.Yokogawa，H.Sato，M.Ogura：J.Appl.Phys.64(1988)5201)。究其原因，被认为主要是由于作为衬底材料的Si与II-VI族材料在晶格常数，晶型，极性以及热力学性质上的差异引起的(L.T.Romano，R.D.Bringans，X.Zhou，W.P.Kirk：Phys.Rev.B，52(1995)11201.)。尤其重要的是，虽然Si是单晶材料，但其表面覆盖了一层致密的SiOx，使得在其上生长的材料得不到单一晶向。为了解决这一问题，研究人员在超高真空的及反应室内对Si片进行高温处理或用等离子体进行轰击，过程特别复杂但效果并不明显。
发明内容：为了提高在硅衬底上生长II-VI族材料薄膜的结晶和发光性能，为实现高性能的光电子器件提供可能，本发明的目的是提供一种硅衬底上生长II-VI族材料的方法。
本发明首先在Si衬底上蒸镀一层ZnO薄膜，然后在氧气气氛下退火以得到取向较好的ZnO缓冲层，然后用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法在处理过的ZnO/Si上生长II-VI族半导体材料。用本发明避免了去除Si表面氧化层的复杂昂贵过程，利用硅与ZnO之间及ZnO与ZnS，ZnSe，ZnTe之间的相容性，在Si衬底上先蒸镀一层ZnO薄膜，然后通过退火使薄膜的结晶性能得到改善，从而为在其上面生长高质量的II-VI族半导体打下基础。然后，用MOCVD方法在ZnO/Si上完成II-VI族半导体的生长。
本发明在硅衬底上蒸镀ZnO薄膜采用电子束蒸发方法，退火是在氧气气氛下完成的。
本发明的积极效果：在Si上蒸镀ZnO，避免了用昂贵复杂的手段清除其表面的氧化层，蒸镀的ZnO层与Si表面的SiOx有较好的浸润性，使得薄膜更有可能得到二维层状生长。另外，经过退火处理的ZnO为取向单一的微晶结构，这样产生的微晶晶界以及由于晶型差异出现的悬挂键既可以缓解由于Si与外延层之间由于晶格常数和热膨胀系数差异导致的晶格应力和热应力，同时还为得到取向较好的外延层提供了条件。另外，ZnO的热膨胀系数介于Si和ZnSe，ZnTe之间，这也将减少由于热应力导致的缺陷。
具体实施方式：
本发明的实施例1：硅衬底上ZnTe薄膜的生长
生长设备为低压MOCVD；
衬底选择为Si(111)；
生长源为二甲基锌(DMZn)和二乙基碲(DETe)；
生长温度为420-425℃；
生长压力为220-225mmHg；
反应物流量为：DMZn＝2.8×10-6-2.9×10-6mol/min，DETe＝4.4×10-6-4.5×10-6mol/min；
ZnO缓冲层厚度为0.8-1μm；
ZnTe薄膜厚度为0.80-0.85μm。
这样得到的ZnTe的X射线衍射谱中，ZnTe(111)与ZnTe(222)积分面积之和与ZnTe总衍射峰的强度比为0.995，而直接生长在Si(111)上的ZnTe的强度比为0.777。
本发明的实例2：硅衬底上Zn0.9Cd0.1Te-ZnTe多量子阱的生长
生长设备为低压MOCVD；
衬底选择为Si(100)；
生长源为二甲基锌(DMZn)，二甲基镉(DMCd)，二乙基碲(DETe)。
生长温度为420℃-425℃；
生长压力为220-225mmHg；
反应物流量为：DMZn＝5.7×10-6-5.8×10-6mol/min；DMCd＝1.30×10-6-1.35×10-6mol/min；DETe＝1.13×10-5-1.15×10-5mol/min；
样品结构为：
ZnTe(30nm)/10×(Zn0.9Cd0.1Te/ZnTe)/ZnTe(450nm)/ZnO/Si(100)
得到的多量子阱结构经扫描电子显微镜(SEM)表征，直接生长在Si衬底上的样品表面出现了裂痕，而在ZnO缓冲层上的样品表面则没有；生长在ZnO缓冲层上的样品的发光强度高于直接生长在Si衬底上的样品。并且生长在ZnO缓冲层上的不同阱层厚度的样品呈现了不同的量子限制效应。
本发明的实例3：ZnSe薄膜的生长
生长设备为低压MOCVD；
衬底选择为Si(111)；
生长源为二甲基锌(DMZn)，硒化氢(H2Se)；
生长温度为350℃-355℃；
生长压力为220mmHg-225mmHg；
反应物流量为：DMZn＝5.66×10-6-5.7×10-6mol/min，H2Se＝6.5×10-4-6.6×10-4mol/min；
ZnSe薄膜厚度为0.80-0.85μm。
这样得到的ZnSe的X射线衍射的半高宽为0.27°；ZnSe(111)与ZnSe(222)积分面积之和与ZnSe总衍射峰的强度比为0.93，而直接生长在Si(111)上的ZnSe的半高宽为0.39°，强度比为0.82。
Claims (4)
1、一种硅衬底上生长II-VI族材料薄膜的方法，其特征是先在Si衬底上用电子束蒸发的方法蒸镀一层ZnO薄膜，然后在氧气气氛下退火以得到取向较好的ZnO缓冲层，最后用金属有机物化学气相沉积的方法在退火后的ZnO缓冲层上生长II-VI族半导体材料；生长温度为350℃-425℃；生长压力为220mmHg-225mmHg；ZnO缓冲层厚度为0.8-1.0μm。
2、根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长II-VI族材料薄膜的方法，其特征是在硅衬底上生长ZnTe薄膜，所用的生长设备为低压MOCVD，硅衬底选择为Si(111)，生长源为二甲基锌DMZn和二乙基碲DETe，生长温度为420℃-425℃，反应物流量为：DMZn＝2.8×10-6-2.9×10-6mol/min，DETe＝4.4×10-6-4.5×10-6mol/min，生长的ZnTe薄膜厚度为0.8-0.85μm。
3、根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长II-VI族材料薄膜的方法，其特征是在硅衬底上生长Zn0.9Cd0.1Te-ZnTe多量子阱结构ZnTe(30nm)/10×(Zn0.9Cd0.1Te/ZnTe)/ZnTe(450nm)/ZnO/Si(100)，所用的生长设备为低压MOCVD，衬底选择为Si(100)，生长源为二甲基锌，二甲基镉，二乙基碲，生长温度为420-425℃，反应物流量为：DMZn＝5.7×10-6-5.8×10-6mol/min；DMCd＝1.30×10-6-1.35×10-6mol/min；DETe＝1.13×10-5-1.15×10-5mol/min。
4、根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长II-VI族材料薄膜的方法，其特征是生长ZnSe薄膜，所用的生长设备为低压MOCVD，衬底选择为Si(111)，生长源为二甲基锌，硒化氢，生长温度为350℃-3550℃，反应物流量为：DMZn＝5.66×10-6-5.7×10-6mol/min，H2Se＝6.5×10-4-6.6×10-4mol/min，ZnSe薄膜厚度为0.8-0.85μm。
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