CN1564314A - 一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其步骤为：对蓝宝石(0001)衬底表面进行预处理和氮化处理，修正和控制蓝宝石(0001)衬底的原子结构，以实现ZnO基薄膜的极性控制生长和消除旋转畴；采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，从而实现失配应变的充分释放，得到单一Zn极性和O极性的原子级光滑的高质量ZnO基薄膜。我们首次提出的制备ZnO基薄膜的三步法，是在公知的两步生长法上引入中间三维岛状层，让由晶格大失配而引起的应变充分释放，从而克服了两步生长法制备ZnO基薄膜时，薄膜应变无法完全消除的缺陷。上述薄膜的RMS粗糙度都在2nm以下，完全满足制作光电子器件的要求。

Description

一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种制备宽禁带半导体氧化锌(ZnO)基单晶薄膜的方法，尤其是在蓝宝石衬底上制备氧化锌基薄膜时消除旋转畴、控制极性以及消除失配应变从而获得高质量单晶薄膜的方法。

背景技术

ZnO具有多种优越性能，在透明导电膜、表面声波器件及压电陶瓷等方面有着广泛的应用。ZnO也是一种直接跃迁型II-VI族半导体，室温禁带宽度为3.37eV。由于其很高的自由激子结合能(60meV)，ZnO已成为继GaN后又一重要的宽禁带半导体材料，在制备低阈值、高效率的短波长光电子器件方面有着极为广阔的应用前景。另外，研究人员发现ZnO基稀磁半导体具有室温铁磁性，是一种理想的自旋电子学材料。如果将ZnO基薄膜的光学、磁学和电学性质结合起来会产生全新的基于自旋的多功能器件，如自旋-场效应晶体管、自旋-光发射二极管以及自旋-共振隧道器件等。发展高品质自旋电子器件将具有巨大的潜力，甚至将可能发明出目前无法预期的新器件。

高质量ZnO基外延膜的制备是实现其器件应用的基本点。而在具有巨大工业应用价值的ZnO(0001)/Al₂O₃(0001)外延体系中制备高质量ZnO基外延膜具有很大的挑战性。与GaN的外延生长几乎一样，上述体系同样需要解决大失配异质结构体系所带来的薄膜应变大、缺陷密度高等问题。总的说来，在蓝宝石上制备高质量的ZnO单晶薄膜有下述三方面的困难：

1、在ZnO的生长温度(500~700℃)，Zn的饱和蒸气压大，粘滞系数极小从而导致其迁移长度短，极易岛状生长，难以获得原子级光滑的外延膜。而对于ZnO材料在发光管、激光器等和紫外探测器中的应用，原子级平滑的表面对于高性能器件的制备非常重要。然而现有技术无法充分释放巨大的失配应变实现ZnO薄膜的二维生长。

2、由于纤锌矿型ZnO基材料的非中心对称性，ZnO具有与传统半导体材料(如ZnSe、ZnTe、ZnS等)不同的性质，其中一个重要的差异就是ZnO基材料的极性。ZnO基材料的外延生长基本上都是沿着其中一条极轴方向(Zn面(0001)极化方向或O面(000-1)极化方向)进行。由于Zn和O原子的电荷不相等，而纤锌矿结构在[0001]方向没有对称面，任何晶体内部结构的改变都会在材料中产生极强的极化电场，从而影响材料的各种性质。因此，极性在ZnO材料的生长及应用中起着极其重要的作用。在ZnO的外延生长中，蓝宝石(0001)面是用得最广泛的衬底。在没有极性的蓝宝石(0001)面上生长ZnO时，锌极性与氧极性都有可能出现，从而在薄膜中形成倒反畴，影响ZnO薄膜的质量。同样的情况也发生在以Si(111)面为衬底的ZnO外延膜中。实现ZnO薄膜的极性控制生长是实现外延生长高质量氧化锌基单晶薄膜的关键。

3、在Al₂O₃(0001)上制备ZnO薄膜的另一困难是薄膜中容易形成旋转畴。在蓝宝石衬底上直接生长或经过氧等离子体预处理后生长ZnO薄膜都将形成30°旋转畴，从而极大地影响薄膜的质量。

上述ZnO薄膜中的旋转畴和倒反畴等微结构的形成是有关联的。在沉积ZnO薄膜之前的衬底的表面原子结构对于薄膜的外延取向以及旋转畴和倒反畴的形成具有决定性的影响。对于目前应用最广泛的蓝宝石衬底，由于块状α-Al₂O₃的晶体结构是刚玉结构，具有斜方六面体对称性，α-Al₂O₃的复杂原子排列显示O原子遵循六角密排型堆积(ABAB……)，Al原子遵循面心立方型堆积(abcabc……)，其中O原子的亚晶格六角结构相对Al原子构成的六角结构沿c轴旋转了30°。α-Al₂O₃的(0001)面有三种可能的终止面：单层Al终止面、双层Al终止面以及O终止面。其中，单层Al终止面是最稳定的终止面，这一点已被低能电子衍射研究和X射线散射研究所证实。在这三种终止面上直接外延生长ZnO薄膜所面临的一个共同问题就是容易出现旋转畴，特别是公认的30°旋转畴，即在ZnO外延层中除了形成外延取向关系为<11 20>ZnO‖<10 10>Al₂O₃的主畴以外，还会形成外延取向关系为<11 20>ZnO‖<11 20>Al₂O₃的30°旋转畴。在主畴中ZnO按照蓝宝石中O原子的亚晶格结构外延，晶格失配是18.4％，而在旋转畴中ZnO按照Al原子构成的六角结构外延，晶格失配为31.8％。这两种外延取向分别导致ZnO薄膜的O极性和Zn极性的形成，从而导致倒反畴的形成，严重影响了ZnO单晶薄膜的质量。纤锌矿结构薄膜的极性对生长过程、材料性质、杂质的掺杂等都有重要的影响，这一点与GaN材料十分相似。因而发展能够消除旋转畴和倒反畴，实现单一极性生长的工艺技术已成为提高ZnO单晶薄膜质量的一个关键问题。

现有ZnO薄膜的外延技术采用已经发展相当成熟的GaN薄膜外延技术(即二步法技术)取得了一定程度的进展。在生长ZnO外延层前引入ZnO低温缓冲层可部分弛豫由于晶格大失配而导致的应变。但由于氧化物与氮化物在许多方面存在着很大的差异，与GaN相比，制备ZnO薄膜存在着Zn的饱和蒸气压大、粘滞系数小从而导致其迁移长度短，极易岛状生长等缺点，难以充分释放失配应变。针对ZnO自身的特点以及蓝宝石衬底表面原子结构特性，开发方便实用且同时能解决上述三方面问题的技术，显得非常迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的氧化锌基单晶薄膜制备方法，该方法通过采用极性控制生长技术、旋转畴消除技术和三步生长法技术，可有效地消除ZnO基单晶薄膜中的旋转畴、倒反畴以及晶格失配应变，从而生长出具有原子级光滑外延膜的高质量氧化锌基单晶薄膜。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

①对蓝宝石(0001)衬底表面进行预处理和氮化处理，修正和控制蓝宝石(0001)衬底的原子结构，以实现ZnO基薄膜的极性控制生长和消除旋转畴；

②采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，从而实现失配应变的充分释放，得到单一Zn极性和O极性的原子级光滑的高质量ZnO基薄膜。

进一步地，所述ZnO基薄膜包括ZnO、MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO。

进一步地，所述对蓝宝石(0001)衬底表面进行的预处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理。

进一步地，所述为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为：在低温下进行充分的氧等离子体处理，衬底温度为100~300℃，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附。

进一步地，所述为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为：在超高真空下对衬底进行高温氧脱附，衬底温度在700~800℃之间，以得到Al终止面的蓝宝石衬底，选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附。

进一步地，所述氮化处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺，具体为衬底在较高温度、在通常射频等离子体条件下进行氮等离子体处理。

进一步地，所述采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，具体为：在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层，在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维岛状层，在600~680℃下生长800~1000nm的外延层。

一种O极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)采用公知的方法对蓝宝石衬底背面进行镀钼，并进行化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统；

2)在100~300℃低温下进行30分钟射频氧等离子体处理，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附；

3)在100~300℃低温下对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到N极性的AlN，氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400~500W，氮气流量2~3.5sccm，处理时间为60~120分钟；

4)在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层，通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围，可得到O极性的ZnO；

5)在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维ZnO岛；

6)在680~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

7)在600~680℃进行外延层的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围；ZnO薄膜生长结束后，在650~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

8)在600~680℃进行ZnO基三元化合物薄膜的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌、第三元束流调整至接近理想配比而稍稍富金属元素的范围；ZnO基薄膜生长结束后，在650~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟。

进一步地，步骤8)中所述ZnO基三元化合物包括MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO，所述第三元包括Mg、Cd、Mn、Co、Ni、Cr及Fe。

一种Zn极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)采用公知的方法对蓝宝石衬底背面进行镀钼，并进行化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统；

2)在700~800℃下进行30分钟高温氧脱附处理，以得到Al终止面的蓝宝石衬底。选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附；

3)在350~450℃下对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到Al极性的AlN，氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400~500W，氮气流量2~3.5sccm，处理时间为30~60分钟；

4)在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围，可得到Zn极性的ZnO；

5)在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维ZnO岛；

6)在680~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

7)在600~650℃进行外延层的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围；ZnO薄膜生长结束后，在680~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

8)在600~680℃进行ZnO基三元化合物薄膜的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌、第三元束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围；ZnO基薄膜生长结束后，在650~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟。

进一步地，步骤8)中所述ZnO基三元化合物包括MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO，所述第三元包括Mg、Cd、Mn、Co、Ni、Cr及Fe。

上述Zn极性ZnO基单晶薄膜的制备方法与O极性ZnO基单晶薄膜制备方法的不同之处主要在于氮化之前的衬底表面的预处理。制备Zn极性ZnO基薄膜时，需要对蓝宝石衬底表面进行充分的热处理，使得衬底表面的O充分脱附，得到Al终止面的蓝宝石衬底。随后通过氮化的方法得到Al极性的AlN。在Al极性的AlN上外延生长ZnO基薄膜可获得Zn极性的ZnO基薄膜。而制备O极性ZnO基薄膜时，需要在较低温度下对蓝宝石衬底表面进行充分的氧等离子体处理，得到O终止的由蓝宝石衬底。然后进行充分的氮等离子体处理，得到N极性的AlN；在N极性的AlN上外延生长ZnO基薄膜可获得O极性的ZnO基薄膜。薄膜极性的形成通常发生在薄膜和衬底的界面处，在成核的初期即已经形成，并在随后以一种“同质外延”的方式延伸。因此，生长初期的成核对于随后薄膜的极性具有决定性的影响，本方法通过不同的衬底表面预处理方法，简便而又非常有效地控制了AlN/Al₂O₃以及ZnO/AlN异质界面原子结构，从而实现了ZnO单晶薄膜的极性控制生长。对于O极性的ZnO单晶薄膜，通过RHEED原位观察到了清晰的3×3表面再构。而在Zn极性的ZnO单晶薄膜上，我们在国际上首次观察到了可重复的4×4 ZnO薄膜的再构表面，打破了锌极性ZnO薄膜难以形成稳定的再构表面的结论。X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)以及聚焦电子束衍射(CBED)的测试结果表明：上述薄膜均为单一极性、单一畴的薄膜，旋转畴与倒反畴得到完全的抑制，晶体质量达到了目前世界上ZnO基薄膜质量的先进水平。

我们首次提出的制备ZnO基薄膜的三步法，采用低、中、高三个温度生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层以及外延层，其目的是在公知的两步生长法上引入中间三维岛状层，让由晶格大失配而引起的应变充分释放，从而克服了两步生长法制备ZnO基薄膜时，薄膜应变无法完全消除的缺陷。通过原子力显微镜(AFM)的测试结果表明：上述薄膜的RMS粗糙度都在2nm以下，完全满足制作光电子器件的要求。

附图说明

图1为蓝宝石(0001)面上制备ZnO基薄膜工艺流程图；

图2为本发明实施例1制备O极性ZnO单晶薄膜时的反射高能电子衍射图案的原位观察结果图；

图3为本发明实施例1所制备的O极性ZnO基单晶薄膜X射线衍射φ扫描图及其与通常方法制备的薄膜的对比图；

图4为本发明实施例1所制备的O极性ZnO基单晶薄膜表面的场发射电子显微镜图；

图5为本发明实施例2制备Zn极性ZnO单晶薄膜时的反射高能电子衍射图案的原位观察结果图；

图6为实施例2制备的Zn极性ZnO薄膜的截面TEM图及CBED图；

图7是实施例3制备的O极性MgZnO薄膜的X射线衍射θ-2θ扫描图，MgZnO相关峰线的位置在2θ＝34.86°，所得薄膜Mg组分为20％。

具体实施方式

下面结合本发明的制备方法和附图对本发明进行详细说明。

实施例1在蓝宝石(0001)上制备高质量O极性ZnO单晶薄膜

如图1所示的本发明的工艺流程图，在蓝宝石衬底上制备高质量O极性ZnO单晶薄膜的具体步骤如下：

1.对市售的蓝宝石(0001)衬底采用公知的方法进行背面镀钼及化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统。在2×10^-10mBar左右的本底真空中，加热到200℃进行30分钟氧射频等离子体处理，以清洁表面，并形成O终止面的蓝宝石衬底。氧等离子体处理时，射频功率为400W，氧气流量为3sccm。选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附。

2.在衬底温度为200℃时，对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到N极性的AlN。氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为480W，氮气流量3sccm，处理时间为60分钟。

3.在350℃下生长厚度为15nm的ZnO缓冲层。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围，可得到O极性的ZnO。

4.在550℃下生长厚度为80nm左右的三维ZnO岛层。

5.在720°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

6.在650℃进行ZnO外延层的生长。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围。ZnO薄膜生长结束后，在720℃温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

在上述制备薄膜过程中，我们利用反射高能电子衍射仪对样品进行原位观察，其结果如图2所示，其中(a)为蓝宝石衬底表面，(b)为氮化后蓝宝石衬底表面，(c)为具有3×3再构的ZnO外延层表面。结果显示通过上述第2步的氮化工艺后，蓝宝石表面形成了AlN单晶薄膜。另外，在ZnO外延层表面显示了清晰的3×3再构，表明该薄膜为单一O极性ZnO薄膜。我们对该薄膜进行了射线衍射-扫描的测试，具体为O极性ZnO薄膜的X射线ZnO(10-12)面φ扫描图，并与通常方法制备的ZnO薄膜比较，其结果如图3所示，其中(a)在蓝宝石衬底上直接生长，(b)氧等离子体处理后生长，(c)按本方法生长，(d)蓝宝石衬底(11-23)面φ扫描图。图3表明通过蓝宝石衬底氮化的工艺，可以完全消除导致薄膜质量变差的旋转畴。而且，通过三步生长法，薄膜的应变得到充分释放，2维生长模式得以实现。图4所示为该样品表面的场发射电子显微镜图，图中显示该薄膜具有非常平整的表面，满足器件制作的要求。

实施例2在蓝宝石(0001)上制备高质量Zn极性ZnO单晶薄膜

如图1所示的本发明的工艺流程图，在蓝宝石衬底上制备高质量Zn极性ZnO单晶薄膜的具体步骤如下：

1.对市售的蓝宝石(0001)衬底采用公知的方法进行背面镀钼及化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统。在2×10^-10mBar左右的本底真空中，加热到800℃进行30分钟热清洁处理，并形成Al终止面的蓝宝石衬底。选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附，从而获得均匀Al终止的表面。

2.在衬底温度为400℃时，对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到Al极性的AlN。氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400W，氮气流量3sccm，处理时间为30分钟。

3.在400℃下生长厚度为15nm的ZnO缓冲层。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围，可得到Zn极性的ZnO。

4.在550℃下生长厚度为80nm左右的三维ZnO岛。

5.在720°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

6.在650℃进行ZnO外延层的生长。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围；ZnO薄膜生长结束后，在720℃温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

在上述制备薄膜过程中，我们利用反射高能电子衍射仪对样品进行原位观察，如图5所示，图中(a)蓝宝石衬底表面，(b)氮化后表面，(c)具有4×4再构的ZnO外延层表面。结果显示通过上述第2步的氮化工艺后，蓝宝石表面形成了AlN单晶薄膜。另外在ZnO外延层表面首次观察到清晰的4×4再构。其聚焦电子束衍射(CBED)图如图6所示，图中表明ZnO薄膜为Zn极性，位错密度在接近上表面处大幅减少，低于8×10⁸cm²。

实施例3，在蓝宝石(0001)上制备高质量^O极性Mg_0.2Zn_0.8O单晶薄膜

如图1所示的本发明的工艺流程图，在蓝宝石衬底上制备高质量O极性Mg_0.2Zn_0.8O单晶薄膜的具体步骤如下：

1.对市售的蓝宝石(0001)衬底采用公知的方法进行背面镀钼及化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统。在2×10^-10mBar左右的本底真空中，加热到200℃进行30分钟氧射频等离子体处理，以清洁表面，并形成O终止面的蓝宝石衬底。氧等离子体处理时，射频功率为400W，氧气流量为3sccm。选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附。

2.在衬底温度为200℃时，对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到N极性的AlN。氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为480W，氮气流量3sccm，处理时间为60分钟。

3.在350℃下生长厚度为15nm的ZnO缓冲层。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围，可得到O极性的ZnO。

4.在550℃下生长厚度为80nm左右的三维ZnO岛。

5.在720温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

6.在650℃进行ZnO外延层的生长。通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围；ZnO薄膜生长结束后，在720℃温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为30分钟。

7.在650℃进行MgZnO三元化合物薄膜的生长。通过公知的手段将生长时氧、锌、镁束流调整至接近理想配比而稍稍富金属元素的范围；其中镁与锌的束流比略小于1/4。MgZnO薄膜生长结束后，在720°温度下，氧气氛下进行退火30分钟。

上述第7步中镁与锌的束流比略小于1/4的原因是在生长温度下，镁的吸附系数比锌大，因此寿命长；另外，镁与氧的结合比锌与氧的结合强，因此，为获得Mg_0.2Zn_0.8O的合金，镁的束流要略小。

从该样品生长过程的RHEED原位观察可知，上述第6步结束时为氧极性ZnO薄膜，因此所得MgZnO薄膜也为氧极性。从X射线衍射-θ-2θ扫描图(图7)可知，该样品除了衬底、纤锌矿ZnO及MgZnO的相关衍射峰外，没有其他衍射峰，结合RHEED图可知该样品为MgZnO单晶薄膜，MgZnO的峰线的位置在2θ＝34.86°，可获得该薄膜Mg组分为20％。

Claims (11)

1.一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其步骤如下：

①对蓝宝石(0001)衬底表面进行预处理和氮化处理，修正和控制蓝宝石(0001)衬底的原子结构，以实现ZnO基薄膜的极性控制生长和消除旋转畴；

②采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，从而实现失配应变的充分释放，得到单一Zn极性和O极性的原子级光滑的高质量ZnO基薄膜。

2.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述ZnO基薄膜包括ZnO、MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO。

3.如权利要求2所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述对蓝宝石(0001)衬底表面进行的预处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理。

4.如权利要求3所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为：在低温下进行充分的氧等离子体处理，衬底温度为100~300℃，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附。

5.如权利要求3所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为：在超高真空下对衬底进行高温氧脱附，衬底温度在700~800℃之间，以得到Al终止面的蓝宝石衬底，选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附。

6.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述氮化处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺，具体为衬底在较高温度、在通常射频等离子体条件下进行氮等离子体处理。

7.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，具体为：在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层，在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维岛状层，在600~680℃下生长800~1000nm的外延层。

8.一种O极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)公知的方法对蓝宝石衬底背面进行镀钼，并进行化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统；

2)在100~300℃低温下进行30分钟射频氧等离子体处理，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附；

3)在100~300℃低温下对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到N极性的AlN，氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400~500W，氮气流量2~3.5sccm，处理时间为60~120分钟；

4)在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层，通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围，可得到O极性的ZnO；

5)在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维ZnO岛；

6)在680~750温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

7)在600~680℃进行外延层的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富锌的范围；ZnO薄膜生长结束后，在650~750温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

8)在600~680℃进行ZnO基三元化合物薄膜的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌、第三元束流调整至接近理想配比而稍稍富金属元素的范围；ZnO基薄膜生长结束后，在650~750温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟。

9.如权利要求8所述的O极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤8)中所述ZnO基三元化合物包括MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO，所述第三元包括Mg、Cd、Mn、Co、Ni、Cr及Fe。

10.一种Zn极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)采用公知的方法对蓝宝石衬底背面进行镀钼，并进行化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统；

2)在700~800℃下进行30分钟高温氧脱附处理，以得到Al终止面的蓝宝石衬底。选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附；

3)在350~450℃下对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到Al极性的AlN，氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400~500W，氮气流量2~3.5sccm，处理时间为30~60分钟；

4)在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围，可得到Zn极性的ZnO；

5)在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维ZnO岛；

6)在680~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

7)在600~650℃进行外延层的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围；ZnO薄膜生长结束后，在680~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟；

8)在600~680℃进行ZnO基三元化合物薄膜的生长；通过公知的手段将生长时氧、锌、第三元束流调整至接近理想配比而稍稍富氧的范围；ZnO基薄膜生长结束后，在650~750°温度下，氧气氛下进行退火；退火时间为10~30分钟。

11.如权利要求10所述的Zn极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤8)中所述ZnO基三元化合物包括MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO，所述第三元包括Mg、Cd、Mn、Co、Ni、Cr及Fe。

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