[發明專利]一種ZnO基自支撐薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 201710933791.7
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107887452A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 葉建東;張彥芳;任芳芳;朱順明;唐東明;楊燚;顧書林
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0264;H01L31/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明具體涉及一種ZnO基自支撐薄膜的制備方法，屬于半導體光電器件技術領域。

背景技術

伴隨著III族氮化物半導體在光電子和微電子領域的廣泛應用，與GaN具有相似的結構和更為優異的光電性能的ZnO材料，也得到了迅速的發展和廣泛的關注，被認為是發展高性能光電子器件的優選材料。和III族氮化物相似，II族氧化物半導體ZnO為直接帶隙半導體，具有較大的激子結合能，其合金材料帶隙可調范圍覆蓋深紫外和可見光的光譜區域。與Ⅲ-Ⅴ族寬帶隙半導體材料GaN相比，ZnO具有如下優點：ZnO材料制備工藝較簡單，降低了材料成本；ZnO可被酸或堿腐蝕，易于制備微型器件；此外，ZnO對可見光無吸收，可用于制造透明薄膜晶體管。因此，ZnO基材料在高效激子型短波長發光器件、低閾值高功率激光器、紫外探測器件、固態照明、透明顯示和太陽能電池等領域具有廣闊的應用前景。

由于ZnO單晶襯底價格昂貴，一般采用存在晶格失配和熱失配的異質襯底進行外延生長。藍寶石材料具有熱穩定好、機械強度高、化學穩定性好，制造技術相對成熟等優點，且和ZnO具有一定程度的晶格匹配，大多數ZnO基外延層使用藍寶石作為襯底。但是藍寶石的熱導率較低，成為光電子器件散熱的瓶頸，與此同時，藍寶石的電導率很低，幾乎為絕緣體，嚴重影響了器件的電學性能和壽命，ZnO與藍寶石異質襯底之間的分離成為獲得ZnO基單晶薄膜的重大挑戰。

目前ZnO與異質襯底分離常用的方法是機械研磨,另外還可以通過在襯底上做結構,使ZnO在生長結束后從異質襯底上自剝離,但是這些方法一般都比較復雜,而且會增加成本。因此，需要進一步探索和開拓ZnO基外延材料與藍寶石異質襯底之間的分離方法，獲得高質量的ZnO基自支撐薄膜。

發明內容

本發明目的是，提出一種采用激光剝離獲得ZnO基自支撐薄膜的方法，剝離得到的自支撐薄膜可應用于ZnO基材料的同質生長，進行器件結構的制備，或者轉移到高熱導率和高電導率的支撐材料，可避免藍寶石襯底電導率熱導率低的缺陷，制備更好的器件性能。也可將獲得的自支撐薄膜轉移至PET等柔性襯底上，制備柔性電子器件。本發明技術方案：一種ZnO基自支撐薄膜的制備方法，使用激光剝離的方法實現藍寶石襯底的剝離，獲得ZnO基自支撐薄膜，并可通過金屬熔融鍵合技術將自支撐薄膜轉移到Cu、Si襯底或者其它高熱導率和高電導率的支撐材料或PET等柔性襯底上。

ZnO基薄膜是在藍寶石襯底上使用MOCVD方法生長的外延層薄膜，采用先低溫緩沖層然后高溫外延生長相結合的兩步生長法，解決藍寶石襯底與ZnO材料之間的失配問題；低溫緩沖層厚度約為200-400nm，高溫外延層厚度約為2-5μm；然后采用激光剝離的方法將制備的ZnO基外延層與藍寶石襯底的分離：激光剝離外延層時，調節激光光束聚焦于樣品，使用特定波長的激光(如248nm的KrF準分子激光)，從藍寶石一側照射樣品，藍寶石對該入射激光透明，而ZnO對該激光有強烈吸收。

使ZnO基外延層和異質藍寶石襯底分離，入射激光能量密度，對于上述藍寶石襯底上的ZnO外延層，激光能量密度需大于650mJ/cm²，并可通過激光掃描方式獲得大面積自支撐薄膜。

進一步的，通過金屬熔融鍵合技術將自支撐外延層薄膜轉移至新襯底。轉移至的新襯底材料可以是Cu、Si襯底或者其它高熱導率和高電導率的支撐材料或PET等柔性襯底。

進一步的，本發明方法不僅可以剝離藍寶石襯底上的ZnO外延層，也可剝離藍寶石襯底上的ZnO基異質結，如ZnMgO/ZnO異質結等。

自支撐外延層薄膜轉移至新襯底步驟為：

(1)將生長在藍寶石襯底上的ZnO基外延層面向新襯底貼緊固定，平整的新襯底對即將分離的ZnO基薄膜起支撐作用；

(2)調節激光光束聚焦于樣品，使用特定波長并且功率足夠的激光自藍寶石一面入射至樣品，可通過激光掃描方式獲得大面積自支撐薄膜；

(3)ZnO基外延層和藍寶石異質襯底分離，獲得ZnO基自支撐薄膜；

(4)使用金屬熔融鍵合技術將自支撐薄膜轉移到Cu、Si襯底或者其他高熱導率和高電導率的支撐材料或PET等柔性襯底。