專利名稱：Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及ZnO外延薄膜的生長方法，尤其是Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方 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3.37eV，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。目前，高質(zhì)量 的ZnO基材料都是生長在藍寶石或ScAlMg04襯底上。但藍寶石襯底的絕緣性及高硬度使 器件制作更加復雜，而ScAlMg04價格很高，這都使器件的生產(chǎn)成本上升。相對于藍寶石和 ScAlMg04而言，Si材料，由于其獨特的性質(zhì)，近年來掀起了在Si襯底上如何生長高質(zhì)量ZnO 基材料的熱潮。 Si是第一代半導體材料，也是最成熟的半導體材料，它可以制成大尺寸的單晶，加 工工藝成熟，價格便宜。在Si單晶襯底上生長ZnO薄膜，有利于制作電注入器件，因為Si 具有很好的導電性。同時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ZnO外延薄膜具有廣闊的應用前景。
然而，由于Si和ZnO之間存在較大的晶格失配(15% )和熱失配(56% )，同時Si 表面很容易氧化，形成的二氧化硅一般呈非晶態(tài)，因此很難實現(xiàn)直接在Si襯底上外延生長 ZnO薄膜。為了克服上述困難，科研人員對此進行了大量的研究。發(fā)現(xiàn)在Si襯底上生長一 層緩沖層，可以實現(xiàn)在Si襯底上外延生長ZnO薄膜。但是當外延層的厚度達到500nm以上 時，從外延溫度冷卻到室溫時，ZnO外延薄膜就出現(xiàn)開裂；厚度越厚，微裂越嚴重。因此如何 在Si襯底上獲得幾個微米厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜，是制約硅基ZnO材料與器件發(fā)展 的主要瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述Si襯底上ZnO外延薄膜開裂問題，提供一種在Si襯
底上生長幾個微米厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜的方法。 本發(fā)明的Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方法，包括以下步驟 1)采用反應分子束外延方法在Si襯底上生長X203單晶薄膜緩沖層，X203是Lu203
或3(3203或6(1203，&03單晶薄膜緩沖層厚度為30 100nm，生長條件以X源為反應源，襯底
溫度650 750。C，調(diào)節(jié)生長室氧壓為IX 10—6Torr 3X 10—6Torr ; 2)將帶有X203單晶薄膜緩沖層的Si襯底放入生長室中，首先將襯底加熱至200 280。C，沉積一層5 20nm厚的ZnO緩沖層，然后升溫至500 700°C ，沉積一層厚度小于 500nm的ZnO薄膜，將其以小于等于5°C /min的速率降溫至200 280°C ，再次沉積一層5 20nm厚的ZnO緩沖層，升溫至500 700°C ，再次沉積一層厚度小于500nm的ZnO薄膜；重 復上述生長步驟，生長多個周期，生長結(jié)束后將薄膜以小于等于5°C /min的速率降溫冷卻 至室溫，即可。
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本發(fā)明中，所說的Si襯底是(lll)Si單晶襯底。ZnO薄膜生長采用周期生長，其周 期數(shù)由所需Zn0外延薄膜的厚度決定。
本發(fā)明的有益效果在于 本發(fā)明通過在Si襯底上先外延生長一層單晶薄膜緩沖層，然后在帶有單晶薄膜 緩沖層的Si襯底上周期生長ZnO緩沖層和ZnO薄膜，得到幾個微米厚且無微裂紋的ZnO外 延薄膜，解決了Si襯底上ZnO外延薄膜開裂問題。本發(fā)明方法簡單，易于實現(xiàn)。制得的ZnO 外延薄膜具有優(yōu)良的光學性能和電學性能。


圖l是本發(fā)明在(111)Si單晶襯底上生長3個周期ZnO外延薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，1 為單晶薄膜緩沖層；2為ZnO緩沖層；3為ZnO薄膜。
具體實施方式

實施例1 1)采用反應分子束外延方法，將(111)Si單晶襯底加熱至70(TC，調(diào)節(jié)生長室氧壓 為2X10—6Torr，采用的反應源為Lu源，在(lll)Si單晶襯底上生長Lu203單晶薄膜緩沖層， 控制單晶薄膜緩沖層厚度為30nm ; 2)將步驟l)生長的帶有30nm厚的(lll)Lu203緩沖層的(111) Si單晶襯底經(jīng)過 清洗后固定在樣品臺上，放入生長室中，首先襯底加熱至240°C ，沉積一層15nm厚的ZnO緩 沖層，隨后升溫至600°C ，沉積ZnO薄膜，控制ZnO薄膜厚度為300nm，將其以4°C /min的速 率緩慢降溫至240°C ，再次沉積一層15nm厚的ZnO緩沖層，隨后升溫至600°C ，再次沉積一 層厚度為300nm的ZnO薄膜；重復上述生長步驟，生長5個周期。生長結(jié)束后薄膜以4°C / min的速率緩慢降溫冷卻至室溫，制得1. 5 m厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜。
實施例2 1)采用反應分子束外延方法，將(111)Si單晶襯底加熱至75(TC，調(diào)節(jié)生長室氧壓 為3X 10—6Torr，采用的反應源為Sc源，在(111) Si單晶襯底上生長Sc203單晶薄膜緩沖層， 控制單晶薄膜緩沖層厚度為60nm ; 2)將步驟l)生長的帶有60nm厚的(111) Sc203緩沖層的(111) Si單晶襯底經(jīng)過 清洗后固定在樣品臺上，放入生長室中，首先襯底加熱至20(TC，沉積一層10nm厚的ZnO緩 沖層，隨后升溫至550°C ，沉積ZnO薄膜，控制ZnO薄膜厚度為400nm，將其以5°C /min的速 率緩慢降溫至200°C ，再次沉積一層lOnm厚的ZnO緩沖層，隨后升溫至550°C ，再次沉積一 層厚度為400nm的ZnO薄膜；重復上述生長步驟，生長3個周期。生長結(jié)束后薄膜以5°C / min的速率緩慢降溫冷卻至室溫，制得1. 2 m厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜。
實施例3 1)采用反應分子束外延方法，將(111)Si單晶襯底加熱至70(TC，調(diào)節(jié)生長室氧壓 為1X10—6Torr，采用的反應源為Gd源，在(111) Si單晶襯底上生長Gd203單晶薄膜緩沖層， 控制單晶薄膜緩沖層厚度為lOOnm ; 2)將步驟1)生長的帶有l(wèi)OOnm厚的(lll)Gd203緩沖層的(lll)Si單晶襯底經(jīng)過 清洗后固定在樣品臺上，放入生長室中，首先襯底加熱至28(TC，沉積一層20nm厚的ZnO緩沖層，隨后升溫至650°C ，沉積ZnO薄膜，控制ZnO薄膜厚度為300nm，將其以3°C /min的速 率緩慢降溫至280°C ，再次沉積一層20nm厚的ZnO緩沖層，隨后升溫至650°C ，再次沉積一 層厚度為300nm的ZnO薄膜；重復上述生長步驟，生長8個周期。生長結(jié)束后薄膜以3°C / min的速率緩慢降溫冷卻至室溫，制得2. 4 m厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜。
權(quán)利要求
Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方法，其特征是包括以下步驟1)采用反應分子束外延方法在Si襯底上生長X2O3單晶薄膜緩沖層，X2O3是Lu2O3或Sc2O3或Gd2O3，X2O3單晶薄膜緩沖層厚度為30～100nm，生長條件以X源為反應源，襯底溫度650～750℃，調(diào)節(jié)生長室氧壓為1×10-6Torr～3×10-6Torr；2)將帶有X2O3單晶薄膜緩沖層的Si襯底放入生長室中，首先將襯底加熱至200～280℃，沉積一層5～20nm厚的ZnO緩沖層，然后升溫至500～700℃，沉積一層厚度小于500nm的ZnO薄膜，將其以小于等于5℃/min的速率降溫至200～280℃，再次沉積一層5～20nm厚的ZnO緩沖層，升溫至500～700℃，再次沉積一層厚度小于500nm的ZnO薄膜；重復上述生長步驟，生長多個周期，生長結(jié)束后將薄膜以小于等于5℃/min的速率降溫冷卻至室溫，即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方法，其特征是所說的Si襯 底是(111) Si單晶襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開的Si襯底上生長ZnO外延薄膜的方法，首先采用反應分子束外延方法在Si襯底上生長Lu2O3或Sc2O3或Gd2O3單晶薄膜緩沖層；然后在帶有單晶薄膜緩沖層的Si襯底上采用周期生長ZnO薄膜，先在200～280℃下，沉積一層5～20nm厚的ZnO緩沖層，然后升溫至500～700℃，沉積一層厚度小于500nm的ZnO薄膜，將其以小于等于5℃/min的速率降溫至200～280℃，再次沉積一層5～20nm厚的ZnO緩沖層，升溫至500～700℃，再次沉積一層厚度小于500nm的ZnO薄膜，重復上述生長步驟，生長多個周期，得到幾個微米厚且無微裂紋的ZnO外延薄膜，本發(fā)明方法簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號C30B25/02GK101748480SQ200910153719
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 潘新花 申請人:浙江大學