Si襯底上生長Zn_1-xMg_xO晶體薄膜的方法

2023-10-22 10:08:47 1

專利名稱：Si襯底上生長Zn1-xMgxO晶體薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及Zni.xMgxO晶體薄膜的生長方法，尤其是Si襯底上生長 Zni.xMgxO晶體薄膜的方法。
背景技術：
ZnO是直接帶隙半導體材料，其室溫禁帶寬度為3.376￥，室溫激子束縛能 為60meV，是製備藍光-紫外光發光二極體和雷射器等光電器件的理想材料。為 了研究開發ZnO基光電器件， 一個重要的步驟就是實現ZnO能帶工程，從而實 現光電器件中對電子和光子的雙重束縛效應。ZnO在紫外電子光學中的應用， 關鍵在於異質結構和量子阱的生長，要達到這個目的，在保持晶格常數相近的 同時對材料的帶隙進行調節就顯得極為重要了。 Mg^的離子半徑(0.57 A)與 Zi^+的離子半徑(0.60 A)非常接近，在ZnO薄膜生長過程中加入一定量的Mg， 獲得的Zni_xMgxO合金，具有與ZnO相同的晶體結構，禁帶寬度相對ZnO展寬， 而晶格常數變化不大。因此，ZmJVIgxO合金是開展ZnO能帶工程的首選材料。
在Si單晶襯底上生長Zm.xMgxo晶體薄膜，更有利於製作電注入器件，因
為Si具有很好的導電性。這樣可以充分利用半導體業界成熟的Si平面工藝和光 刻技術，有利於ZnO器件的光電集成，因此在Si襯底上生長Zni.xMgxO晶體薄 膜具有廣闊的應用前景。
然而，由於Si和ZrikMgxO之間存在較大的晶格失配和熱失配，同時Si表 面很容易氧化，因此很難實現直接在Si襯底上外延生長Zni.xMgxO合金薄膜。

發明內容
本發明的目的是提供一種在Si襯底上生長Zni.xMgxO晶體薄膜的方法。 本發明的Si襯底上生長Zni_xMgxO晶體薄膜的方法，包括以下步驟
1) 稱量純度299.99 %的ZnO和MgO粉末，其中Mg的摩爾百分含量x為 0<x《30%，將上述粉末球磨混合均勻、壓製成型，然後在1000 1300'C溫度 下燒結，製得ZmJVIgxO陶瓷靶；
2) 採用反應分子束外延方法在Si襯底上生長Y203單晶薄膜緩衝層，Y203 是Lu203或Sc203或Gd203，緩衝層厚度為30 100 nm，生長條件以Y源為 反應源，襯底溫度650 750。C，調節生長室氧壓為lxl(^Torr 3xl(^Torr;
3) 將步驟l)製得的陶瓷靶和經清洗過的帶有Y203緩衝層的Si襯底放入 脈衝雷射沉積裝置生長室中，靶材與襯底之間的距離保持為4 6cm，生長室真空度至少抽至3.75xl0力Torr,首先襯底加熱至200 280°C，生長室通入純氧氣， 調節氧壓為5xl(^Torr 40xl(^Torr，開啟雷射器，讓雷射束聚焦到靶面燒蝕靶 材，形成餘輝，在襯底上沉積一層5 15nm厚的Zn^MgxO形核層，然後升溫 至500 700°C，保持氧壓，再次開啟雷射器，讓雷射束聚焦到靶面燒蝕耙材， 形成餘輝，在Zn^MgxO形核層上沉積，製得Zni-xMgxO晶體薄膜，將薄膜在氧 氣氛下冷卻至室溫。
上述純氧的純度為99.99 %以上。所說的Si襯底是(lll) Si單晶襯底。 Zni.xMgxO薄膜中Mg含量可以通過調節靶材中Mg的摩爾百分含量來控制。生 長時間由所需晶體薄膜的厚度決定。
本發明的有益效果在於-
1) 方法簡單，通過調節靶材中Mg的摩爾百分含量來控制Zni.xMgxO薄膜 中的Mg含量，從而實現ZnO帶隙在3.3 4.0 eV範圍內的調節；
2) 通過在Si襯底上先外延生長一層Y203單晶薄膜緩衝層，實現了在Si襯 底上外延生長Zni.xMgxO晶體薄膜；
3) 本發明製得的Zr^MgxO晶體薄膜，具有優良的結構性能，光學性能和 電學性能。


圖1是Zno.9MgaiO晶體薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜； 圖2是Zno.9Mg(uO晶體薄膜的光致發光(PL)圖譜。
具體實施例方式
以下結合附圖通過實例對本發明作進一步的說明。具體步驟如下 實施例1
1) 陶瓷靶的製備按比例稱量純度為99.999 %的ZnO和MgO粉末，其中 Mg的摩爾百分含量為10 %。將稱量好的ZnO和MgO粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機上球磨18個小時，目的是將ZnO和MgO粉末混合均勻並在 一定程度上細化。然後將原料分離出來並烘乾，研磨，壓製成型。把成型的胚 體放入燒結爐中，升溫至1300 'C燒結8小時，得到Zno,9Mg(uO陶瓷靶。
2) 緩衝層的生長採用反應分子束外延方法，襯底加熱至700 'C，調節生 長室氧壓為2xl(T6 Torr，採用的反應源為Lu源，在(lll) Si單晶襯底上生長Lu203 單晶薄膜，控制薄膜厚度約為30nm;
3) Zna9Mg(nO薄膜的製備將Zna9MgaiO陶瓷靶裝在靶材架上，然後嵌入 脈衝雷射沉積裝置的靶託中。將步驟2)生長的帶有30 nm厚的(lll)Lu203緩衝
4層的(lll)Si單晶襯底經過清洗後固定在樣品臺上，放入生長室。調節襯底和靶 材的距離為4.5cm，並用擋板將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至3xl0力Torr， 加熱襯底，在加熱過程中，開啟雷射器(脈衝雷射能量為100mJ,頻率5Hz)， 預濺射10 min，除去靶材表面的玷汙。Zna9MgaiO薄膜生長分兩步首先襯底 加熱至240 °C，生長室通入純02，調節氧壓為5xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zn。.9Mg(uO形核層，然後升溫至600 °C，保持氧壓，沉積Zn^MgojO 薄膜。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉，以改善薄膜的均勻性。沉積時間為60 min，薄膜厚約為500nm。生長結束後薄膜在原生長氣氛下緩慢冷卻至室溫。
上述Zno,9Mg(uO晶體薄膜的室溫電學性能優良電阻率為4.18Qcm，載流 子濃度為8.8x10160^3，霍爾遷移率為17cm2/V.s。並且放置數個月後薄膜的電 學性能沒有發生明顯變化。
上述薄膜的x射線衍射(XRD)圖譜，如圖1所示，除來自襯底(lll)Si和 緩衝層(111)1^203的強衍射峰外(*代表襯底的衍射峰)，存在三個峰，分別對應 於Zna9MgaiO的(0002), (0004)和(0006)衍射面，表明本發明方法製得的 Zna9MgaiO晶體薄膜具有良好的結晶性能；同時XRD沒有探測到第二相如MgO 等相關的衍射峰，表明Zn^MgcuO薄膜為單一的六方纖鋅礦結構。
圖2是上述薄膜的10K光致發光(PL)圖譜。由圖可見，薄膜具有很強的 紫外帶邊發光峰(NBE)，顯示本發明方法製得的Zn。.9MgaiO晶體薄膜具有良好 的光學性能。另外，其紫外帶邊發光峰的峰位3.558 eV相對於純ZnO的峰位發 生了明顯的藍移，說明Mg確實己經進入到ZnO晶格中形成Zna9MgaiO合金晶 體，從而使ZnO的能帶發生展寬，起到調節能帶的作用。
實施例2
1) 陶瓷靶的製備按比例稱量純度為99.999 %的ZnO和MgO粉末，其中 Mg的摩爾百分含量為30 %。將稱量好的ZnO和MgO粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機上球磨20個小時，目的是將ZnO和MgO粉末混合均勻並在 一定程度上細化。然後將原料分離出來並烘乾，研磨，壓製成型。把成型的胚 體放入燒結爐中，升溫至120(TC燒結8小時，得到Zno.7Mgo.30陶瓷靶。
2) 緩衝層的生長採用反應分子束外延方法，襯底加熱至750'C,調節生 長室氧壓為3xl(^Torr，採用的反應源為Sc源，在(lll) Si單晶襯底上生長Sc203 單晶薄膜，控制薄膜厚度約為60nm;
3 ) Zn。.7Mg.30薄膜的製備將Zn。.7Mga30陶瓷靶裝在靶材架上，然後嵌入 脈衝雷射沉積裝置的靶託中。將步驟2)生長的帶有60 nm厚的(lll) 8&03緩衝層的(lll)Si單晶襯底經過清洗後固定在樣品臺上，放入生長室。調節襯底和靶 材的距禽為5cm，並用擋板將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至3xl(T9 Toit， 加熱襯底，在加熱過程中，開啟雷射器(脈衝雷射能量為100mJ,頻率5Hz)， 預濺射10min，除去靶材表面的玷汙。Zna7Mga30薄膜生長分兩步首先襯底 加熱至20(TC，生長室通入純02,調節氧壓為40xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zno.7Mg。.30形核層，然後升溫至680 °C ，保持氧壓，沉積Zno.7Mg0.30 薄膜。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉，以改善薄膜的均勻性。沉積時間為60 min,薄膜厚約為500nm。生長結束後薄膜在原生長氣氛下緩慢冷卻至室溫。
上述Zn。.7Mga30晶體薄膜的室溫電學性能優良電阻率為20.95 Q cm,載 流子濃度為1.5xl016cm-3，霍爾遷移率為19.8cm2/V.s。並且放置數個月後薄膜 的電學性能沒有發生明顯變化。
實施例3
1) 陶瓷靶的製備按比例稱量純度為99.999 %的ZnO和MgO粉末，其中 Mg的摩爾百分含量為20 %。將稱量好的ZnO和MgO粉末倒入裝有瑪瑙球的球 磨罐中，在球磨機上球磨20個小時，目的是將ZnO和MgO粉末混合均勻並在 一定程度上細化。然後將原料分離出來並烘乾，研磨，壓製成型。把成型的胚 體放入燒結爐中，升溫至1250 'C燒結8小時，得到Zno.8Mga20陶瓷靶。
2) 緩衝層的生長採用反應分子束外延方法，襯底加熱至70(TC，調節生 長室氧壓為lxl(T6Torr,採用的反應源為Gd源，在(lll) Si單晶襯底上生長Gd203 單晶薄膜，控制薄膜厚度約為lOOnm;
3 ) Zno.8Mgo.2O薄膜的製備將Zna8Mga20陶瓷靶裝在靶材架上，然後嵌入 脈衝雷射沉積裝置的靶託中。將步驟2)生長的帶有100nm厚的(lll)Gd2O3緩衝 層的(lll)Si單晶襯底經過清洗後固定在樣品臺上，放入生長室。調節襯底和靶 材的距離為5cm，並用擋板將襯底和靶隔開。生長室真空度抽至3xl(T9 Torr， 加熱襯底，在加熱過程中，開啟雷射器(脈衝雷射能量為100mJ,頻率5Hz)， 預濺射10min，除去靶材表面的玷汙。ZnQ.8Mga20薄膜生長分兩步首先襯底 加熱至28(TC，生長室通入純02，調節氧壓為20xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zn。.8Mg。.2O形核層，然後升溫至550 'C，保持氧壓，沉積Zno.8Mgo.20 薄膜。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉，以改善薄膜的均勻性。沉積時間為60 min，薄膜厚約為500nm。生長結束後薄膜在原生長氣氛下緩慢冷卻至室溫。
上述Zn。.8Mg。.20晶體薄膜的室溫電學性能優良電阻率為28.82 Q cm，載 流子濃度為1.68xl016cm-3，霍爾遷移率為12.9cm2/V.s。並且放置數個月後薄膜 的電學性能沒有發生明顯變化。
權利要求
1.Si襯底上生長Zn1-xMgxO晶體薄膜的方法，其特徵是包括以下步驟1)稱量純度≥99.99％的ZnO和MgO粉末，其中Mg的摩爾百分含量x為0＜x≤30％，將上述粉末球磨混合均勻、壓製成型，然後在1000～1300℃溫度下燒結，製得Zn1-xMgxO陶瓷靶；2)採用反應分子束外延方法在Si襯底上生長Y2O3單晶薄膜緩衝層，Y2O3是Lu2O3或Sc2O3或Gd2O3，緩衝層厚度為30～100nm，生長條件以Y源為反應源，襯底溫度650～750℃，調節生長室氧壓為1×10-6Torr～3×10-6Torr；3)將步驟1)製得的陶瓷靶和經清洗過的帶有Y2O3緩衝層的Si襯底放入脈衝雷射沉積裝置生長室中，靶材與襯底之間的距離保持為4～6cm，生長室真空度至少抽至3.75×10-9Torr，首先襯底加熱至200～280℃，生長室通入純氧氣，調節氧壓為5×10-3Torr～40×10-3Torr，開啟雷射器，讓雷射束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成餘輝，在襯底上沉積一層5～15nm厚的Zn1-xMgxO形核層，然後升溫至500～700℃，保持氧壓，再次開啟雷射器，讓雷射束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成餘輝，在Zn1-xMgxO形核層上沉積，製得Zn1-xMgxO晶體薄膜，將薄膜在氧氣氛下冷卻至室溫。
2. 根據權利要求1所述的Si襯底上生長Zni.xMgxO晶體薄膜的方法，其特 徵是所說的Si襯底是(lll) Si單晶襯底。
全文摘要
本發明公開的Si襯底上生長Zn1-xMgxO晶體薄膜的方法，先在Si襯底上外延生長一層Lu2O3、Sc2O3或Gd2O3單晶薄膜緩衝層，然後採用脈衝雷射沉積法，以Zn1-xMgxO陶瓷靶為靶材，0＜x≤30％，在帶有緩衝層的Si襯底上沉積Zn1-xMgxO薄膜，Zn1-xMgxO薄膜的沉積分兩步首先在200～280℃下，沉積一層5～15nm厚的Zn1-xMgxO形核層，然後升溫至500～700℃，沉積Zn1-xMgxO薄膜。本發明方法通過在Si襯底上先外延生長一層單晶薄膜緩衝層，實現了在Si襯底上外延生長Zn1-xMgxO晶體薄膜，本發明方法簡單，製得的Zn1-xMgxO晶體薄膜具有優良的結構性能，光學性能和電學性能。
文檔編號C30B29/16GK101538734SQ20091009679
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月19日 優先權日2009年3月19日
發明者葉志鎮, 潘新花, 潘曉晴 申請人:浙江大學