CN1738001A - 一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,属于半导体发光器件及其制备方法技术领域,涉及一种采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备系统生长p型ZnO薄膜的工艺方法,其特征是,将掺杂源气体NO由掺杂源气路输入到射频等离子发生器,调节射频功率达到起辉,离化后再进入反应室;调节衬底片托盘旋转,生长温度为250~650℃,调节Zn源载气Ar气流量为1~10sccm,氧气流量为10~500sccm,通入反应室,进行ZnO薄膜生长;本发明的效果和益处是提供一种用适合工业化生产的MOCVD设备生长p型ZnO薄膜的工艺方法,克服p型ZnO制取困难的问题,进而可制备出电注入p-n结型ZnO光电器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域,特别是涉及一种采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备系统生长p型ZnO薄膜的工艺方法。
背景技术
GaN系材料的蓝绿光发光管已经商品化,并在固态照明领域有更广泛的应用前景。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数非常接近,有相近光电特性。而ZnO还有某些特性比GaN更优越,如: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、容易刻蚀而使后继工艺加工更方便等等。因此,如果ZnO发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN光电器件。特别是ZnO紫、紫外光电器件更为人们所重视。但是,通常生长的ZnO由于偏离化学计量比而存在氧空位和间隙锌原子,使材料呈n型。这样p型ZnO的制取就成为研制电注入p-n结型ZnO光电器件必须解决的难点。
目前,生长ZnO薄膜的方法很多,有脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解和溶胶凝胶(Sol-gel)等方法。由于MOCVD方法适合工业化生产,所以本发明要解决MOCVD方法生长p型ZnO薄膜工艺问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用适合工业化生产的MOCVD设备生长p型ZnO薄膜的工艺方法,克服p型ZnO制取困难的问题,解决MOCVD方法生长p型ZnO薄膜的工艺问题,进而可制备出电注入p-n结型ZnO光电器件。
本发明的技术方案是:
本发明所述的p型ZnO薄膜生长使用的设备是如02100436.6号专利所述的或申请号为200410011164.0专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备系统。p型ZnO薄膜的生长工艺步骤如下。
(1)将清洗好的衬底送至反应室的衬底片托盘上,关闭反应室,开启机械泵。
(2)当反应室真空度达到10Pa以下时,即可启动反应室的涡轮分子泵。反应室的真空度达到3×10-3Pa时,加热衬底片托盘,升温到700℃将衬底片进行热处理10~30分钟,底片托盘降温到生长温度250~650℃停分子泵,准备生长。
(3)打开射频电源预热10分钟;高纯N2作为控制反应室气压的气体由副气路通入反应室顶部的混气室,再由高密度不锈钢丝网均匀下压,控制N2流量调整反应室的气压为104~10-1Pa;将掺杂源气体NO由掺杂源气路输入到射频等离子发生器,NO流量为10~500sccm,调节射频功率达到起辉,产生离化后再进入反应室。
(4)打开旋转电机,调节衬底片托盘在50~1000转/分中的一个值旋转,调节二乙基锌源温度为0℃~-25℃,调节Zn源载气Ar气流量为1~10sccm,通入反应室,通入氧气,氧气流量为10~500sccm,开始ZnO薄膜生长,根据所需的ZnO薄膜厚度控制生长时间,生长速度为0.1~3μm/h。
(5)生长完后,关闭所有气源,关闭射频等离子发生器和衬底加热丝,降温降到200℃以下后,取出样品。
本发明的效果和益处是提供一种用适合工业化生产的MOCVD设备生长p型ZnO薄膜的工艺方法,克服p型ZnO制取困难的问题,解决MOCVD方法生长p型ZnO薄膜的工艺问题,进而可制备出电注入p-n结型ZnO光电器件。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
(1)衬底清洗处理。衬底用蓝宝石、Si、GaAs、InP或CaF2单晶均可,衬底用一般半导体的清洗工艺处理即可。
(2)衬底的等离子处理(此步工艺适用于装有样品预处理室的申请号为200410011164.0专利所述的MOCVD设备。对于没有样品预处理室的02100436.6号专利所述的MOCVD设备,这步工艺可以省略,可将清洗好的样品衬底直接送至反应室的衬底片托盘上,然后开启反应室的机械泵抽真空)。送清洗好的样品衬底至预处理室,关闭样品预处理室的门。启动机械泵对样品预处理室抽真空,待样品预处理室的真空度达50~10-1Pa时,通过质量流量计控制通入5~50sccm的氩气,开启直流辉光放电等离子体发生器,直流偏压调为300~1000V,对衬底表面进行Ar+清洗5~20分钟,关闭等离子体发生器,停止氩气通入。开启反应室的机械泵抽真空,当反应室的真空度和样品预处理室的真空度基本平衡时,打开连接闸板阀将衬底传送至反应室的衬底片托盘上,关闭闸板阀。
(3)当反应室真空度达到10Pa以下时,即可启动反应室的涡轮分子泵。反应室的真空度达到3×10-3Pa时,加热衬底片托盘,升温到700℃将衬底片进行热处理10~30分钟,底片托盘降温到生长温度250~650℃停分子泵,准备生长。
(4)打开射频电源预热10分钟;高纯N2作为控制反应室气压的气体由副气路通入反应室顶部的混气室,再由高密度不锈钢丝网均匀下压,控制N2流量调整反应室的气压为104~10-1Pa;将掺杂源气体NO由掺杂源气路输入到射频等离子发生器,NO流量为10~500sccm,调节射频功率为100~1000W,达到起辉,产生离化后再进入反应室。
(5)打开旋转电机,调节衬底片托盘在50~1000转/分中的一个值旋转,调节二乙基锌源温度为0℃~-25℃,调节Zn源载气Ar气流量为1~10sccm,通入反应室,通入氧气,氧气流量为10~500sccm,开始ZnO薄膜生长,根据所需的ZnO薄膜厚度控制生长时间,生长速度为0.1~3μm/h。
(6)生长完后,关闭所有气源,关闭射频等离子发生器和衬底加热丝,降温降到200℃以下后,取出样品。
实施例2
这种工艺方法和实施例1的步骤大体相同,所不同之处是生长过程中进行分步退火,具体作法是,在生长温度250~650℃生长一段时间(1~20分钟)后,将锌源关闭,原位加热衬底片至700~800℃进行热退火处理,处理时间为1~20分钟,衬底片温度降至生长温度后再继续生长,重复这样的操作直至ZnO薄膜达到所要求的厚度。
实施例3
这种工艺方法和实施例1的步骤相同,所不同之处是掺杂源气体采用N2O气体;也可以采用实施例2中的分步退火工艺。
实施例4
这种工艺方法和实施例1的步骤相同,所不同之处是掺杂源气体采用NO和N2O混合气体,混合的比例可以任意调整,即N2O可以在0~100%范围变化;也可以采用实施例2中的分步退火工艺。
实施例5
这种工艺方法和实施例1的步骤相同,所不同之处是掺杂源气体采用NO、N2O或NO和N2O混合气体与O2进行混合通入,混合的比例为掺杂源气体在0.1~100%范围变化;也可以采用实施例2中的分步退火工艺。
Claims (4)
1.一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,其特征是,衬底用蓝宝石、Si、GaAs、InP或GaF2单晶;将清洗好的衬底送至反应室的衬底片托盘上,关闭反应室,开启机械泵;当反应室真空度达到10Pa以下时,启动反应室的涡轮分子泵;反应室的真空度达到3×10-3pa时,加热衬底片托盘,升温到700℃将衬底片进行热处理10~30分钟,底片托盘降温到生长温度250~650℃停分子泵,准备生长;打开射频电源预热10分钟;高纯N2作为控制反应室气压的气体由副气路通入反应室顶部的混气室,再由高密度不锈钢丝网均匀下压,控制N2流量调整反应室的气压为104~10-1Pa;将掺杂源气体NO由掺杂源气路输入到射频等离子发生器,NO流量为10~500sccm,调节射频功率达到起辉,产生离化后再进入反应室;打开旋转电机,调节衬底片托盘在50~1000转/分中的一个值旋转,调节二乙基锌源温度为0℃~-25℃,调节Zn源载气Ar气流量为1~10sccm,通入反应室,通入氧气,氧气流量为10~500sccm,开始ZnO薄膜生长,根据所需的ZnO薄膜厚度控制生长时间,生长速度为0.1~3μm/h;生长完后,关闭所有气源,关闭射频等离子发生器和衬底加热丝,降温降到200℃以下后,取出样品。
2.根据权利要求1所述的一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,其特征是生长过程中进行分步退火,具体作法是,在生长温度250~650℃生长1~20分钟后,将锌源关闭,原位加热衬底片至700~800℃进行热退火处理,处理时间为1~20分钟,衬底片温度降至生长温度后再继续生长,重复这样的操作直至ZnO薄膜达到所要求的厚度。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,其特征是掺杂源气体采用N2O气体;所述的一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,其特征是掺杂源气体采用NO和N2O混合气体,混合的比例可以任意调整,即N2O可以在0~100%范围变化。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的一种p型ZnO薄膜的金属有机物化学气相沉积制备方法,其特征是掺杂源气体采用N2O、NO或N2O和NO混合气体与O2进行混合通入,混合的比例为掺杂源气体在0.1~100%范围变化。
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