[發(fā)明專利]用等離子體輔助分子束外延以準(zhǔn)范德華外延生長高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202010099954.8 | 申請日： | 2020-02-18 |
| 公開（公告）號： | CN111334856B | 公開（公告）日： | 2021-08-06 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 葉志鎮(zhèn);王寧;潘新花;何海平;黃靖云 | 申請（專利權(quán)）人： | 浙江大學(xué) |
| 主分類號： | C30B25/18 | 分類號： | C30B25/18;C30B29/16;C30B29/64 |
| 代理公司： | 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200 | 代理人： | 萬尾甜;韓介梅 |
| 地址： | 310058 浙江*** | 國省代碼： | 浙江;33 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 等離子體 輔助 分子 外延 準(zhǔn)范德華 生長 質(zhì)量 zno 薄膜 方法 | ||
本發(fā)明公開了一種用等離子體輔助分子束外延以準(zhǔn)范德華外延生長高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的方法。將清洗處理后氮氣吹干的氟晶云母襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至300～800℃，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室真空度為1×10?6～1×10?5Torr，以純金屬Zn為金屬源，在襯底上外延ZnO單晶薄膜。采用本發(fā)明方法可以以準(zhǔn)范德華外延方式生長高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜，為低成本、大尺寸、柔性、自支撐ZnO基量子阱光電器件奠定基礎(chǔ)。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光電材料器件制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用等離子體輔助分子束外延以準(zhǔn)范德華外延生長高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的方法。
背景技術(shù)
ZnO是一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，激子束縛能高達60meV，室溫下帶隙為3.37eV，并且通過和MgO、CdO合金化可以實現(xiàn)帶隙可調(diào)，進而構(gòu)建量子阱結(jié)構(gòu)，因此ZnO在紫外光電子器件領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。
高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的生長是制備ZnO光電器件的前提，外延是獲得高質(zhì)量單晶薄膜的主要方法，目前高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的制備主要通過同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。然而，同質(zhì)外延所需的ZnO體單晶襯底制備成本較高，且ZnO襯底的表面質(zhì)量控制工藝尚不成熟；異質(zhì)外延對襯底與ZnO外延層晶格失配和熱失配有嚴(yán)格要求，僅有的幾種襯底(Al2O3、GaN、SiC、ScAlMgO4等)，往往價格昂貴，外延ZnO薄膜中有較大的應(yīng)力，或者需要復(fù)雜的緩沖層技術(shù)才能獲得晶體質(zhì)量較好的ZnO單晶薄膜，這使得高質(zhì)量ZnO薄膜的制備工藝復(fù)雜、成本較高。
因此，為實現(xiàn)ZnO基光電器件的廣泛應(yīng)用，上述傳統(tǒng)同質(zhì)外延、異質(zhì)外延中的問題亟需解決。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)ZnO薄膜同質(zhì)外延和異質(zhì)外延所面臨的問題，提供一種用等離子體輔助分子束外延以準(zhǔn)范德華外延生長高質(zhì)量ZnO薄膜的方法。
本發(fā)明的用等離子體輔助分子束外延技術(shù)以準(zhǔn)范德華外延生長高質(zhì)量ZnO薄膜的方法，包括以下步驟：
將經(jīng)清洗處理后氮氣吹干的氟晶云母襯底放入分子束外延設(shè)備的進樣室中，待在預(yù)處理室除氣后，轉(zhuǎn)移到生長室中，向生長室通入O2，調(diào)節(jié)生長室真空度為1×10-7～1×10-6Torr，將襯底升溫至800℃退火30min,以修復(fù)襯底表面晶格獲得高度平整的氟晶云母表面，以純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室真空度為1×10-6～1×10-5Torr，以純金屬Zn源為金屬源，調(diào)節(jié)Zn源溫度為245～260℃，在襯底上首先以較低溫度300～600℃生長一定厚度ZnO薄膜，使得ZnO在氟晶云母襯底上形核外延，然后提高襯底溫度至700～750℃生長所需厚度的ZnO薄膜，生長結(jié)束后將薄膜在O2氣氛下，以10℃/min的速率降溫冷卻至室溫。
本發(fā)明中，所述的預(yù)處理室除氣后真空度需要達到5×10-9Torr，所述的O2的純度為99.9999％以上，金屬Zn的純度為99.9998％以上。
本發(fā)明首先對氟晶云母襯底進行預(yù)處理，再以經(jīng)過射頻活化的O等離子體為O源，生長過程中，Zn原子束流與O等離子體發(fā)生反應(yīng)，通過調(diào)控襯底溫度使得ZnO在較低溫度準(zhǔn)范德華外延形核、在較高溫度高質(zhì)量生長，從而實現(xiàn)在高度平整的氟晶云母襯底上以準(zhǔn)范德華外延生長機制生長ZnO單晶薄膜，制得的單晶薄膜晶體質(zhì)量極好。
本發(fā)明薄膜厚度由生長時間所決定。
本發(fā)明的有益效果在于：
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