專利名稱：Si襯底上生長Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O晶體薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
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，是制備藍光-紫外光發(fā)光二極管和激光器等光電器件的理想材料。為 了研究開發(fā)ZnO基光電器件， 一個重要的步驟就是實現(xiàn)ZnO能帶工程，從而實 現(xiàn)光電器件中對電子和光子的雙重束縛效應(yīng)。ZnO在紫外電子光學中的應(yīng)用， 關(guān)鍵在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱的生長，要達到這個目的，在保持晶格常數(shù)相近的 同時對材料的帶隙進行調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，禁帶寬度相對ZnO展寬， 而晶格常數(shù)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，更有利于制作電注入器件，因
為Si具有很好的導電性。這樣可以充分利用半導體業(yè)界成熟的Si平面工藝和光 刻技術(shù)，有利于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(yīng)用前景。
然而，由于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(xiàn)直接在Si襯底上外延生長Zni.xMgxO合金薄膜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(fā)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、壓制成型，然后在1000 1300'C溫度 下燒結(jié)，制得ZmJVIgxO陶瓷靶；
2) 采用反應(yīng)分子束外延方法在Si襯底上生長Y203單晶薄膜緩沖層，Y203 是Lu203或Sc203或Gd203，緩沖層厚度為30 100 nm，生長條件以Y源為 反應(yīng)源，襯底溫度650 750。C，調(diào)節(jié)生長室氧壓為lxl(^Torr 3xl(^Torr;
3) 將步驟l)制得的陶瓷靶和經(jīng)清洗過的帶有Y203緩沖層的Si襯底放入 脈沖激光沉積裝置生長室中，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(diào)節(jié)氧壓為5xl(^Torr 40xl(^Torr，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶 材，形成余輝，在襯底上沉積一層5 15nm厚的Zn^MgxO形核層，然后升溫 至500 700°C，保持氧壓，再次開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕耙材， 形成余輝，在Zn^MgxO形核層上沉積，制得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(diào)節(jié)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(fā)明的有益效果在于-
1) 方法簡單，通過調(diào)節(jié)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(xiàn)ZnO帶隙在3.3 4.0 eV范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)；
2) 通過在Si襯底上先外延生長一層Y203單晶薄膜緩沖層，實現(xiàn)了在Si襯 底上外延生長Zni.xMgxO晶體薄膜；
3) 本發(fā)明制得的Zr^MgxO晶體薄膜，具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)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(fā)光(PL)圖譜。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖通過實例對本發(fā)明作進一步的說明。具體步驟如下 實施例1
1) 陶瓷靶的制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粉末混合均勻并在 一定程度上細化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至1300 'C燒結(jié)8小時，得到Zno,9Mg(uO陶瓷靶。
2) 緩沖層的生長采用反應(yīng)分子束外延方法，襯底加熱至700 'C，調(diào)節(jié)生 長室氧壓為2xl(T6 Torr，采用的反應(yīng)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薄膜的制備將Zna9MgaiO陶瓷靶裝在靶材架上，然后嵌入 脈沖激光沉積裝置的靶托中。將步驟2)生長的帶有30 nm厚的(lll)Lu203緩沖
4層的(lll)Si單晶襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶 材的距離為4.5cm，并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，開啟激光器(脈沖激光能量為100mJ,頻率5Hz)， 預(yù)濺射10 min，除去靶材表面的玷污。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(diào)節(jié)氧壓為5xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zn。.9Mg(uO形核層，然后升溫至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(zhuǎn)，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(jié)束后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(yōu)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。并且放置數(shù)個月后薄膜的電 學性能沒有發(fā)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 緩沖層(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(yīng) 于Zna9MgaiO的(0002), (0004)和(0006)衍射面，表明本發(fā)明方法制得的 Zna9MgaiO晶體薄膜具有良好的結(jié)晶性能；同時XRD沒有探測到第二相如MgO 等相關(guān)的衍射峰，表明Zn^MgcuO薄膜為單一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
圖2是上述薄膜的10K光致發(fā)光(PL)圖譜。由圖可見，薄膜具有很強的 紫外帶邊發(fā)光峰(NBE)，顯示本發(fā)明方法制得的Zn。.9MgaiO晶體薄膜具有良好 的光學性能。另外，其紫外帶邊發(fā)光峰的峰位3.558 eV相對于純ZnO的峰位發(fā) 生了明顯的藍移，說明Mg確實己經(jīng)進入到ZnO晶格中形成Zna9MgaiO合金晶 體，從而使ZnO的能帶發(fā)生展寬，起到調(diào)節(jié)能帶的作用。
實施例2
1) 陶瓷靶的制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粉末混合均勻并在 一定程度上細化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至120(TC燒結(jié)8小時，得到Zno.7Mgo.30陶瓷靶。
2) 緩沖層的生長采用反應(yīng)分子束外延方法，襯底加熱至750'C,調(diào)節(jié)生 長室氧壓為3xl(^Torr，采用的反應(yīng)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薄膜的制備將Zn。.7Mga30陶瓷靶裝在靶材架上，然后嵌入 脈沖激光沉積裝置的靶托中。將步驟2)生長的帶有60 nm厚的(lll) 8&03緩沖層的(lll)Si單晶襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶 材的距禽為5cm，并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，開啟激光器(脈沖激光能量為100mJ,頻率5Hz)， 預(yù)濺射10min，除去靶材表面的玷污。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(diào)節(jié)氧壓為40xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zno.7Mg。.30形核層，然后升溫至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(zhuǎn)，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(jié)束后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(yōu)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。并且放置數(shù)個月后薄膜 的電學性能沒有發(fā)生明顯變化。
實施例3
1) 陶瓷靶的制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粉末混合均勻并在 一定程度上細化。然后將原料分離出來并烘干，研磨，壓制成型。把成型的胚 體放入燒結(jié)爐中，升溫至1250 'C燒結(jié)8小時，得到Zno.8Mga20陶瓷靶。
2) 緩沖層的生長采用反應(yīng)分子束外延方法，襯底加熱至70(TC，調(diào)節(jié)生 長室氧壓為lxl(T6Torr,采用的反應(yīng)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薄膜的制備將Zna8Mga20陶瓷靶裝在靶材架上，然后嵌入 脈沖激光沉積裝置的靶托中。將步驟2)生長的帶有100nm厚的(lll)Gd2O3緩沖 層的(lll)Si單晶襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺上，放入生長室。調(diào)節(jié)襯底和靶 材的距離為5cm，并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，開啟激光器(脈沖激光能量為100mJ,頻率5Hz)， 預(yù)濺射10min，除去靶材表面的玷污。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(diào)節(jié)氧壓為20xl(^Torr，旋開擋板，沉積一 層10nm厚的Zn。.8Mg。.2O形核層，然后升溫至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(zhuǎn)，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(jié)束后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(yōu)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。并且放置數(shù)個月后薄膜 的電學性能沒有發(fā)生明顯變化。
權(quán)利要求
1.Si襯底上生長Zn1-xMgxO晶體薄膜的方法，其特征是包括以下步驟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、壓制成型，然后在1000～1300℃溫度下燒結(jié)，制得Zn1-xMgxO陶瓷靶；2)采用反應(yīng)分子束外延方法在Si襯底上生長Y2O3單晶薄膜緩沖層，Y2O3是Lu2O3或Sc2O3或Gd2O3，緩沖層厚度為30～100nm，生長條件以Y源為反應(yīng)源，襯底溫度650～750℃，調(diào)節(jié)生長室氧壓為1×10-6Torr～3×10-6Torr；3)將步驟1)制得的陶瓷靶和經(jīng)清洗過的帶有Y2O3緩沖層的Si襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，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(diào)節(jié)氧壓為5×10-3Torr～40×10-3Torr，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成余輝，在襯底上沉積一層5～15nm厚的Zn1-xMgxO形核層，然后升溫至500～700℃，保持氧壓，再次開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，形成余輝，在Zn1-xMgxO形核層上沉積，制得Zn1-xMgxO晶體薄膜，將薄膜在氧氣氛下冷卻至室溫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si襯底上生長Zni.xMgxO晶體薄膜的方法，其特 征是所說的Si襯底是(lll) Si單晶襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開的Si襯底上生長Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O晶體薄膜的方法，先在Si襯底上外延生長一層Lu<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Sc<sub>2</sub>O<sub>3</sub>或Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>單晶薄膜緩沖層，然后采用脈沖激光沉積法，以Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O陶瓷靶為靶材，0＜x≤30％，在帶有緩沖層的Si襯底上沉積Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜，Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜的沉積分兩步首先在200～280℃下，沉積一層5～15nm厚的Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O形核層，然后升溫至500～700℃，沉積Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜。本發(fā)明方法通過在Si襯底上先外延生長一層單晶薄膜緩沖層，實現(xiàn)了在Si襯底上外延生長Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O晶體薄膜，本發(fā)明方法簡單，制得的Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O晶體薄膜具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 潘新花, 潘曉晴 申請人:浙江大學