利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法
2023-09-23 05:00:50
專利名稱：利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，特別指低溫條件下，在矽襯底上，使用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的方法生長出高晶體質量氧化鋅晶體薄膜的方法。
背景技術：
II-VI族化合物半導體氧化鋅(ZnO)作為第三代半導體材料的代表，因其具有獨特的物理、化學和光學性能，正受到人們越來越廣泛的關注和研究。ZnO具有寬的帶隙、很高的化學溫度性和熱溫度性，在大氣中不易被氧化，與III-V族氮化物和II-VI族硒化物相比，其材料的穩定性是其它材料所無法比擬的。高達60meV的束縛激子能再加上量子限制效應，使得此種材料製成的紫外二極體或紫外雷射器的潛在應用價值很大。在室溫下觀察到用光泵激發的受激發射使人們對ZnO的研究興趣更濃厚。雖然生長更高質量的ZnO還有待進一步研究，但其作為繼III-V氮化物和II-VI族的硒化物之後又一新的寬禁帶半導體雷射器材料已經顯示出其獨特的優越性。目前人們對ZnO的研究還處於開始階段，ZnO主要還是在襯底藍寶石(0001)，矽(111)，(100)晶面上進行外延生長。儘管MOCVD技術能夠製備高質量、大面積、均勻的外延或多晶薄膜，但是利用MOCVD工藝，在矽襯底上直接生長ZnO是非常困難的，所以沉積一層Al2O3薄膜作為buffer層對在矽襯底上生長ZnO薄膜有很大好處，這可以從生長結果得知。同時由於實驗室中使用的氧極易氧化有機源，此外精確控制氧的流速也不是一件容易的事。因為上述困難加上對ZnO的認識還不夠深入，得到的大多還只都是多晶的ZnO外延膜。隨著生長條件的優化，ZnO外延薄膜的晶體質量得到逐步提高，但總的來說，目前ZnO的單晶質量離器件製作的要求還有一定距離，還需要得到進一步的提高和完善。
本發明以前的ZnO外延生長方法大多採用磁控濺射等方法生長ZnO或MBE方法在藍寶石襯底上直接外延生長ZnO，很少在Si襯底上生長出較好的ZnO外延薄膜。同時因為ZnO易蒸發，在生長過程中對表面的平衡氣壓要求比較高，存在生長條件的優化和控制問題，影響到薄膜生長的均勻性。由於目前在ZnO生長過程中存在的這些問題，使得ZnO的外延膜質量不是很高，還達不到器件製作的要求。本發明具有工藝簡單，成本低等優點，適合工業化生產。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，該方法是在襯底矽(001)晶面上採用金屬有機物化學氣向沉積(MOCVD)的方法首先生長一層氧化鋁薄膜，然後在氧化鋁薄膜上生長氧化鋅薄膜。氧化鋅薄膜沉積時襯底溫度約300℃，壓力約20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。同時優化生長條件，如溫度、壓力的控制，通過這些措施可以有效地提高ZnO外延膜的質量，並提高表面的平整度。
本發明一種利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵包括如下步驟步驟1選取一襯底；步驟2在襯底(001)晶面上採用金屬有機物化學氣相沉積的方法高溫生長氧化鋁薄膜；步驟3在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。
其中襯底為大失配矽襯底。
其中高溫生長氧化鋁薄膜的溫度為900-1200℃。
其中低溫生長氧化鋅薄膜的溫度為300-350℃，生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。
其中氧化鋅薄膜表面粗糙度Rms小於1.2nm。
其中氧化鋅薄膜的XRD曲線半峰寬為0.33°。
其中氧化鋅薄膜的RHEED圖像為規則點帶狀。
為進一步說明本發明的內容，以下結合具體實施方式
對本發明作一詳細的描述，其中圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的高質量氧化鋅外延膜的表面粗糙度Rms測試結果圖；圖3是本發明的高質量氧化鋅外延膜的X射線θ-2θ測試結果圖；
圖4是本發明的高質量氧化鋅外延膜的RHEED照片。
具體實施例方式
本發明關鍵在於解決ZnO在矽襯底上生長過程中的晶體質量比較差的問題。由於ZnO與Si襯底有較大的失配，在加上ZnO用MOCVD方法生長條件較難控制，使得ZnO單晶的外延生長比較困難。本發明為了解決外延ZnO在矽襯底上生長的問題，提出了採用在矽上先生長一層氧化鋁薄膜，再低溫生長ZnO薄膜的解決方案。這樣使得相對質量較高的單晶外延ZnO薄膜在低溫矽襯底上異質外延生長，同時優化MOCVD的生長條件達到提高外延ZnO薄膜晶體質量的目的。
請參閱圖1所示，本發明一種利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，包括如下步驟步驟1選取一襯底10，該襯底10為大失配矽襯底；步驟2在襯底10(001)晶面上採用金屬有機物化學氣相沉積的方法高溫生長氧化鋁薄膜20，所述高溫生長氧化鋁薄膜20的溫度為900-1200℃；步驟3在氧化鋁薄膜20上低溫生長氧化鋅薄膜30，所述低溫生長氧化鋅薄膜30的溫度為300-350℃，生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm；氧化鋅薄膜30表面粗糙度Rms小於1.2nm；氧化鋅薄膜30的XRD曲線半峰寬為0.33°；氧化鋅薄膜30的RHEED圖像為規則點帶狀。
由以上步驟對樣品進行測試分析，用此方法生長的氧化鋅為晶體質量較高的氧化鋅薄膜，在X射線θ-2θ衍射圖譜中只有ZnO(0002)峰存在，曲線半峰寬小於0.3°(圖3)，其表面粗糙度Rms小於1.2nm(圖2)。氧化鋅RHEED照片為規則點帶狀(圖4)。這說明本發明可以大幅度提高ZnO外延膜的表面平整度並在矽襯底上得到高質量的ZnO外延膜。
本發明利用MOCVD技術在Si(100)襯底上低溫生長出高質量的ZnO外延膜。使大失配襯底上生長ZnO晶體質量得以提高，而且MOCVD技術適合工業化大批量生產，低溫技術可以很好的降低生產成本。
權利要求
1.一種利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵包括如下步驟步驟1選取一襯底；步驟2在襯底(001)晶面上採用金屬有機物化學氣相沉積的方法高溫生長氧化鋁薄膜；步驟3在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。
2.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中襯底為大失配矽襯底。
3.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中高溫生長氧化鋁薄膜的溫度為900-1200℃。
4.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中低溫生長氧化鋅薄膜的溫度為300-350℃，生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。
5.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中氧化鋅薄膜表面粗糙度Rms小於1.2nm。
6.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中氧化鋅薄膜的XRD曲線半峰寬為0.33°。
7.根據權利要求1所述的利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵在於，其中氧化鋅薄膜的RHEED圖像為規則點帶狀。
全文摘要
本發明一種利用緩衝層在矽襯底上生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵包括如下步驟步驟1選取一襯底；步驟2在襯底(001)晶面上採用金屬有機物化學氣相沉積的方法高溫生長氧化鋁薄膜；步驟3在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。
文檔編號C23C16/02GK1840733SQ20051006274
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月28日 優先權日2005年3月28日
發明者沈文娟, 曾一平, 王啟元, 王俊 申請人:中國科學院半導體研究所