CN1840747A - 利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)取一衬底；(2)在该衬底上的硅(001)晶面上采用磁控溅射的方法低温生长氧化锌缓冲层；(3)在氧化锌缓冲层上，采用MOCVD方法低温生长氧化锌外延薄膜。

Description

利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指低温条件下，在硅衬底上，先利用磁控溅射方法生长氧化锌(ZnO)缓冲层，再使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法生长出单晶氧化锌晶体薄膜的方法。
背景技术
II-VI族化合物半导体氧化锌(ZnO)作为第三代半导体材料的代表，因其具有独特的物理、化学和光学性能，正受到人们越来越广泛的关注和研究。ZnO具有宽的带隙、很高的化学温度性和热温度性，在大气中不易被氧化，与III-V族氮化物和II-VI族硒化物相比，其材料的稳定性是其它材料所无法比拟的。高达60meV的束缚激子能再加上量子限制效应，使得此种材料制成的紫外二极管或紫外激光器的潜在应用价值很大。在室温下观察到用光泵激发的受激发射使人们对ZnO的研究兴趣更浓厚。虽然生长更高质量的ZnO还有待进一步研究，但其作为继III-V氮化物和II-VI族的硒化物之后又一新的宽禁带半导体激光器材料已经显示出其独特的优越性。目前人们对ZnO的研究还处于开始阶段，ZnO主要还是在衬底蓝宝石(0001)，硅(111)，(100)晶面上进行外延生长。我们采用硅衬底生长，虽然难度大，但是根据目前的器件和集成技术，硅基上的生长才更具有现实意义。尽管MOCVD技术能够制备高质量、大面积、均匀的外延或多晶薄膜，但是利用MOCVD工艺，在硅衬底上直接生长ZnO是非常困难的。这是因为ZnO和Si衬底之间存在着较大的晶格失配和热失配。所以预先采用磁控溅射技术沉积一层ZnO薄膜作为缓冲层对在硅衬底上生长ZnO薄膜有很大好处，这可以从生长结果得知。同时由于实验室中使用的有机源极易被氧化，此外精确控制氧源的流速也不是一件容易的事。因为上述困难加上对ZnO的认识还不够深入，在硅衬底上得到的大多还只都是多晶的ZnO外延膜。随着生长条件的优化，ZnO外延薄膜的晶体质量得到逐步提高，但总的来说，目前ZnO的单晶质量离器件制作的要求还有一定距离，还需要得到进一步的提高和完善。
本发明以前的ZnO外延生长方法大多采用磁控溅射等方法生长ZnO或MBE方法在蓝宝石衬底上直接外延生长ZnO，很少在Si衬底上生长出质量较好的ZnO外延单晶薄膜。同时因为ZnO易水解，在生长过程中对表面的平衡气压要求比较高，存在生长条件的优化和控制问题，影响到薄膜生长的均匀性。由于目前在ZnO生长过程中存在的这些问题，使得ZnO的外延膜质量不是很高，还达不到器件制作的要求。我们采用这种使用缓冲层的方法，可在硅衬底上，生长单晶氧化锌薄膜且为以后器件制备和集成技术做好技术准备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，该方法是在衬底硅(001)晶面上采用磁控溅射的方法首先生长一层氧化锌薄膜，然后在氧化锌薄膜上同质外延生长氧化锌薄膜；氧化锌薄膜沉积时衬底温度约300-350℃，压力约20Torr，生长厚度0.5-1.0μm。同时优化生长条件，如温度、压力的控制，通过这些措施可以在硅衬底上得到单晶氧化锌薄膜，并且有效地提高ZnO外延膜的质量，并提高表面的平整度。
本发明一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一衬底；
(2)在该衬底上的硅(001)晶面上采用磁控溅射的方法低温生长氧化锌缓冲层；
(3)在氧化锌缓冲层上，采用MOCVD方法低温生长氧化锌外延薄膜。
其中衬底是大失配硅衬底。
其中氧化锌单晶外延薄膜低温生长的温度为300-350℃，生长压力为20Torr，生长厚度为0.5-1.0μm。
其中氧化锌单晶外延薄膜的表面粗糙度为6-10nm。
其中氧化锌单晶外延薄膜的XRD曲线半峰宽为0.33°。
其中氧化锌单晶外延膜的PL谱仅有一个紫外发光峰且半峰宽为21.03nm。
其中氧化锌单晶外延薄膜的RHEED图像为规则点状。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：
图1是本发明的单晶氧化锌外延膜的结构示意图；
图2是本发明的单晶氧化锌外延膜的X射线θ-2θ测试结果；
图3是本发明的单晶氧化锌外延膜的表面测试结果；
图4是本发明的单晶氧化锌外延膜的光致发光谱测试结果；
图5是本发明的单晶氧化锌外延膜的RHEED照片。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明关键在于解决ZnO在硅衬底上生长过程中的晶体质量比较差的问题。由于ZnO与Si衬底有较大的失配，而且ZnO用MOCVD方法生长条件较难控制，使得ZnO单晶的外延生长比较困难。本发明为了解决外延ZnO在硅衬底上生长的问题，提出了一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一衬底30，衬底30是大失配硅衬底；
(2)在该衬底30上的硅(001)晶面上采用磁控溅射的方法低温生长氧化锌缓冲层20；
(3)在氧化锌缓冲层20上，采用MOCVD方法低温生长氧化锌外延薄膜10，该氧化锌外延薄膜10低温生长的温度为300-350℃，生长压力为20Torr，生长厚度为0.5-1.0μm；该氧化锌单晶外延薄膜10的表面粗糙度为6-10nm；该氧化锌单晶外延薄膜10的XRD曲线半峰宽为0.33°；该氧化锌单晶外延膜10的PL谱仅有一个紫外发光峰且半峰宽为21.03nm；该氧化锌单晶外延薄膜10的RHEED图像为规则点状。
由以上步骤得到的样品，在对样品进行测试分析，用此方法生长的氧化锌为晶体质量较高的氧化锌单晶薄膜，其结构示意图如(图1)。在X射线θ-2θ衍射图谱中只有ZnO(0002)峰存在，曲线半峰宽小于0.3°(图2)，其薄膜表面很均匀(图3)。PL谱显示仅有紫外发光峰且半峰宽为21.03nm(图4)。氧化锌RHEED照片为规则点带状(图5)。这说明本发明可以大幅度提高ZnO外延膜的表面平整度并在硅衬底上得到高质量的ZnO单晶外延膜。
这样使得相对质量较高的外延ZnO薄膜在缓冲层上同质外延生长，同时优化MOCVD的生长条件达到提高外延ZnO薄膜晶体质量的目的。本发明利用MOCVD技术在Si(100)衬底上低温生长出高质量的ZnO外延膜。使大失配衬底上生长ZnO晶体质量得以提高，而且MOCVD技术适合工业化大批量生产，低温技术可以很好的降低生产成本。

Claims (7)

1.一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一衬底；
(2)在该衬底上的硅(001)晶面上采用磁控溅射的方法低温生长氧化锌缓冲层；
(3)在氧化锌缓冲层上，采用MOCVD方法低温生长氧化锌外延薄膜。
2、根据权利要求1所述的利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中衬底是大失配硅衬底。
3、根据权利要求1所述的利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌外延薄膜低温生长的温度为300-350℃，生长压力为20Torr，生长厚度为0.5-1.0μm。
4、根据权利要求1所述的利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌单晶外延薄膜的表面粗糙度为6-10nm。
5、根据权利要求1所述的利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌外延薄膜的XRD曲线半峰宽为0.33°。
6、根据权利要求1所述的一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌外延膜的PL谱仅有一个紫外发光峰且半峰宽为21.03nm。
7、根据权利要求1所述的一种利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法，其特征在于，其中氧化锌外延薄膜的RHEED图像为规则点状。
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