籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法
2023-05-01 17:01:31 1
專利名稱：籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法
技術領域：
本發明屬於半導體材料技術領域，涉及氧化物半導體薄膜的製備，具體地說是一種籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。
背景技術：
ZnO是直接寬帶隙II-VI族半導體材料，其能帶寬度為3.37eV，室溫激子束縛能高達60meV，理論上可以用其得到高效紫外(UV)發光。ZnO與GaN具有相似的晶格結構及禁帶寬度，但ZnO原料價格便宜、容易獲得，而且比GaN具有更高的熔點，熔點在1975℃。ZnO室溫激子束縛能為60meV。由於室溫激子柬縛能遠高於室溫熱離化能25meV，也遠高於GaN的激子束縛能28meV，使得ZnO在室溫下能以較低的能量產生雷射。ZnO在室溫下的激子受激發射已經被觀測到。由於對UV-雷射器、紫外發光二極體(UV-LED)、UV-探測器件等UV光電器件日益增長的需求，人們把注意力轉移到ZnO的研究上，因此ZnO迅速成為當前國際該領域的新研究熱點。
國內外關於ZnO材料的研究工作發展迅速，其薄膜製備方法主要為金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)及這些方法的衍生技術。採用上述方法都需要價格昂貴的設備和高運轉成本，而且都必須在500℃以上的高溫下完成材料生長。在高溫下進行ZnO晶體薄膜生長容易產生熱缺陷，另外，ZnO晶體薄膜與Al2O3襯底在晶格常數與熱膨脹係數等方面的差異也極易產生熱缺陷，因而很難製備高質量的ZnO薄膜。雖然國內外的科學家們在這方面的研究已取得了較大進步，但離滿足器件質量要求的ZnO薄膜材料還有很大距離。
發明內容
本發明的目的是提供一種重複性好、可靠性高、成本低的低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。
為實現上述目的，本發明利用非晶—籽晶誘導方法生長氧化鋅薄膜。首先，通過化學反應製備出非晶ZnO；然後利用非晶ZnO的亞穩特性，在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最後在低溫下，如200℃，用液相外延自組裝技術生長高質量的ZnO薄膜。
製備非晶ZnO。將等質量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，有利於兩者完全反應。在160℃下反應2～4小時，將產物用去離子水清洗並在100℃烘乾後得到白色的非晶ZnO粉末。
在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶。利用旋塗技術將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋塗在清洗好的襯底上，其中襯底可採用晶體SiO2、Al2O3、GaAs或Si。在180～200℃下反應2～4小時。由於非晶ZnO的亞穩特性，在溫度180℃～200℃時非晶ZnO分子被激活，在襯底的誘導下沿著襯底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
用液相外延自組裝方法生長出ZnO薄膜。將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置於1～5×10-5M/mL的乙酸鋅有機溶液中，在80℃～100℃低溫下，生長15～20小時，就得到高質量的ZnO晶體薄膜。所用的有機溶劑為乙醇或一縮乙二醇或二縮乙二醇或正丁醇或烏洛託品或聚丙烯醯銨。
由於利用非晶—籽晶誘導法和低溫液相外延自組裝技術，因此，用本發明製備的ZnO晶體薄膜具有質量高、重複性好、可靠性高、成本低、易形成產業化等優點，為ZnO紫外光電器件的應用與產業化發展提供了有效的材料製備方法。
具體實施例方式
在室溫下，把等質量的乙酸鋅、碳酸氫鈉充分研磨至使乙酸鋅和碳酸氫鈉可以完全發生化學反應。乙酸鋅和碳酸氫鈉為化學分析純試劑。乙酸鋅和碳酸氫鈉充分研磨後，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，有利於兩者完全反應。在160℃下反應2小時，產物用去離子水清洗並在100℃烘乾，得到白色的非晶ZnO粉末。
利用旋塗技術將1％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋塗在清洗好的襯底上。所使用的乙醇為化學分析純試劑，所用的襯底為晶體Al2O3，襯底的晶格方向是(0001)。在200℃下反應3小時。非晶ZnO反應後，在襯底Al2O3(0001)方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
將Al2O3襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置於1×10-5M/mL的乙酸鋅有機溶液中，在80℃低溫下，生長20小時，製備出ZnO晶體薄膜。所用的有機溶劑是二縮乙二醇。二縮乙二醇為化學分析純試劑。
用X射線衍法測定ZnO晶體薄膜。X射線衍射結果只顯示出ZnO(002)的衍射峰，且其半寬度僅為7』(0.12°)。從室溫光致發光光譜中，得知只有紫外發射。
權利要求
1.籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵是首先，通過化學反應製備出非晶ZnO；然後利用非晶ZnO的亞穩特性，在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最後在低溫下，用液相外延自組裝技術生長高質量的ZnO薄膜。
2.根據權利要求1所述的籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵是將等質量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，在160℃下反應2～4小時，將產物用去離子水清洗並在100℃烘乾後得到白色的非晶ZnO粉末；用旋塗技術將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋塗在清洗好的襯底上，在160～200℃下反應2～4小時，非晶ZnO沿著襯底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶；將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置於1～5×10-5M/mL的乙酸鋅有機溶液中，在80℃～100℃低溫下，生長15～20小時，得到高質量的ZnO晶體薄膜。
3.根據權利要求2所述的籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵是襯底採用晶體SiO2或Al2O3或GaAs或Si。
4.根據權利要求3所述的籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵是所述的乙酸鋅有機溶液的有機溶劑是乙醇或一縮乙二醇或二縮乙二醇或正丁醇或烏洛託品或聚丙烯醯銨。
5.根據權利要求4所述的籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特徵是乙酸鋅和碳酸氫鈉充分研磨後，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，在160℃下反應2小時；用旋塗技術將1％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋塗在清洗好的襯底上，所用的襯底為晶體Al2O3，襯底的晶格方向是(0001)，在200℃下反應3小時；將Al2O3襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置於1×10-5M/mL的乙酸鋅有機溶液中，在80℃低溫下，生長20小時，所用的有機溶劑是二縮乙二醇。
全文摘要
本發明屬於半導體材料技術領域，是籽晶誘導、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。將等質量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，在160℃下反應2～4小時，將產物用去離子水清洗並在100℃烘乾。利用旋塗技術將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋塗在清洗好的襯底上，在180～200℃下反應2～4小時。將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置於1～5×10
文檔編號C30B19/00GK1696356SQ200410010860
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月12日 優先權日2004年5月12日
發明者王志軍, 呂有明, 申德振, 王之建, 李守春, 元金山, 張吉英, 範希武 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所