[發明專利]一種在藍寶石襯底上制備高質量ZnO單晶薄膜的方法

無效

• 申請號: 201010147510.3
• 申請日: 2010-04-13
• 公開（公告）號: CN101834127A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 梅增霞;梁會力;梁爽;劉章龍;李俊強;侯堯楠;劉堯平;崔秀芝;張生利;杜小龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本發明涉及ZnO單晶薄膜制備領域，尤其是一種在藍寶石襯底上制備高質量ZnO單晶薄膜的方法。

背景技術

作為第三代半導體的核心基礎材料，ZnO具有非常優越的光電性能，其室溫禁帶寬度為3.37eV、自由激子結合能為60meV，已成為繼GaN(自由激子結合能為25meV)后又一重要的寬禁帶半導體材料，在制備高性能短波長光電子器件方面有著極為廣闊的應用前景。為實現其器件應用，高質量ZnO基外延膜的制備是重要基礎。雖然ZnO單晶襯底已商業化，但是目前其價格仍然非常昂貴，因此，ZnO單晶薄膜的同質外延生長技術目前還無法實現其工業應用，所以ZnO單晶薄膜的異質外延生長技術具有十分重要的應用價值。與GaN相似，由于藍寶石襯底具有晶體質量好、熱穩定性高以及價格低廉等優點，是目前制備ZnO薄膜最常用的襯底。然而ZnO(0001)/α-Al₂O₃(0001)外延體系的晶格失配很大(18.3％)，制備高質量ZnO外延膜具有很大的挑戰性，需要解決大失配異質外延體系所固有的薄膜應變大、缺陷密度高等問題。總的說來，在藍寶石襯底上制備高質量的ZnO單晶薄膜有下述幾方面困難：

1、由于纖鋅礦相材料結構上特有的非中心對稱性，導致ZnO有很多與傳統閃鋅礦半導體材料(如ZnSe、ZnTe、ZnS等)不同的性質，其中一個重要的差異就是ZnO材料具有很強的極性。ZnO材料的外延生長基本上都是沿著其中一條極軸方向(Zn面(0001)極化方向或O面(000-1)極化方向)進行。由于Zn和O原子面交替排列，且纖鋅礦結構在[0001]方向沒有對稱面，因而在材料中產生極強的極化電場。極化電場的出現將影響材料的各種性質。因此，極性在ZnO材料的生長及應用中起著極其重要的作用。在沒有極性的藍寶石(0001)面上生長極性ZnO外延薄膜時，由于襯底表面的晶格弛豫造成Al、O原子共面，導致鋅極性與氧極性的ZnO都能生長，從而在薄膜中形成倒反疇，大大影響了ZnO薄膜的質量。另外，在α-Al₂O₃(0001)上直接生長或經過氧等離子體預處理后生長ZnO薄膜都將出現相對主疇旋轉30°的旋轉疇，形成大量旋轉疇界，也會嚴重影響薄膜的結晶質量。因此，如何選擇并控制藍寶石與ZnO之間的界面層將是實現高質量ZnO單晶薄膜外延生長的首要關鍵因素。

2、由于ZnO(0001)與α-Al₂O₃(0001)之間存在18.3％的晶格失配，如何充分釋放巨大的晶格失配應變，通過控制界面處的形核與生長，從而制備出高質量ZnO薄膜至今仍然是一個很大的挑戰。

現有ZnO薄膜的外延技術大多采用已經發展相當成熟的GaN薄膜外延技術(即二步法生長技術)，并取得了一定程度的進展。在生長ZnO外延層前引入ZnO低溫緩沖層，可部分弛豫由于晶格大失配而導致的應變。但由于氧化物與氮化物在許多方面存在著很大的差異，與GaN相比，制備ZnO薄膜存在著Zn的飽和蒸氣壓大、粘滯系數小從而導致其遷移長度短、極易島狀生長等缺點，難以充分釋放失配應變。針對ZnO自身的特點以及藍寶石襯底表面原子結構特性，開發方便實用且同時能解決上述幾方面問題的技術，顯得非常迫切。我們已經成功地在藍寶石襯底上通過沉積氧化鋰或氧化鎂修飾層獲得了單一極性高質量ZnO薄膜(用于制備高質量氧化鋅薄膜的藍寶石襯底原位處理方法，申請號200510134214.9，公開號CN1789495(2006))，還利用在不同溫度下對藍寶石襯底表面進行氮化的方法來控制ZnO薄膜的單一極性生長(高溫氮化法可獲得Zn極性ZnO薄膜，而低溫氮化法則獲得O極性ZnO薄膜)，而且結合上面兩種方法發明了一種三緩沖層法(一種三緩沖層制備氧化鋅薄膜的方法，專利號ZL200410086325.2)。最近又開發了一種新的制備技術，可以通過插入氧化鈹緩沖層的方法來修飾藍寶石襯底表面結構，為高質量ZnO單晶薄膜的生長提供良好的外延模板。藍寶石是目前ZnO薄膜制備中應用最廣的襯底，該外延體系具有重大的工業應用前景，為此，在藍寶石襯底上開發出方便實用的表面、界面控制方法從而獲得高質量ZnO薄膜具有重要的應用價值。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種在藍寶石襯底上制備高質量ZnO單晶薄膜的方法，該方法解決了常規的ZnO薄膜制備技術難以有效消除ZnO薄膜中的旋轉疇、倒反疇以及失配應變的困難。

為實現上述目的，本發明一種在藍寶石襯底上制備高質量ZnO單晶薄膜的方法，具體為：