一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，尤其是一種在鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層上使用脈沖激光沉積(PLD)方法生長氧化鋅薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋅(ZnO)是一種寬帶隙(室溫下約3.37eV)的I1-VI族化合物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性。尤其在近二十年的迅速發(fā)展中，在透明導(dǎo)電薄膜、表面聲波器件、氣體傳感器和光電器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。和寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN相比，ZnO具有很多優(yōu)點。ZnO薄膜(工業(yè)上也稱ZnO外延片)的生長溫度一般低于700°C，低于GaN (生長溫度約1050°C) ;ZnO薄膜在室溫下光致發(fā)光和受激輻射有很高的能量轉(zhuǎn)換效率和較低的閾值功率；與ZnS、ZnSe, GaN等化合物半導(dǎo)體材料相比，ZnO更適合于在室溫或更高溫度下實現(xiàn)高效率的激光發(fā)射，在高速光通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但是目前生長ZnO薄膜材料尚不能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，制備工藝復(fù)雜，特別是器件級的氧化鋅薄膜質(zhì)量仍然有待提高。
[0003]鎳是一種常見的金屬材料，具有一定的催化性能，而且鍍鎳工藝成熟。T.Y.Kim等人在 Synthetic Metals, 2004, 144: 61-66 上發(fā)表了論文“Characterizat1n of ZnOneedle-shaped nanostructures grown on N1 catalyst-coated Si substrates，，公開了氧化鎳作為催化劑通過化學(xué)氣相沉積方法在Si襯底上生長ZnO的方法，ff.D.Yu等人在 Journal of Crystal Growth, 2004, 270: 92-97 上發(fā)表了論文 “Synthesis andstructural characteristics of high quality tetrapod—like ZnO nanocrystals onZnO and N1 nanocrystal substrates”公開了氧化镲作為催化劑通過碳熱還原的方法在Si襯底上生長ZnO，獲得了質(zhì)量較高的針狀和四棱柱狀ZnO納米針和納米棒。但是制作方法復(fù)雜，未能形成可靠的氧化鋅薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是提出一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法；該方法可有效地控制ZnO薄膜材料的生長，方法簡單易行，提高了 ZnO薄膜材料的生產(chǎn)效率，工藝簡單，制作成本低。所制備的氧化鋅薄膜表面平整，PL (photo-luminescence)測試圖譜波峰清晰，達(dá)到光電器件的基本要求。
[0005]本發(fā)明的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，采用的技術(shù)方案是:先在藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，再在鎳-鋅復(fù)合緩沖層上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜。
[0006]所述的藍(lán)寶石襯底為2英寸c面雙拋光襯底。
[0007]所述的藍(lán)寶石襯底為2英寸0006面雙拋光襯底。
[0008]上述方案中，使用真空蒸鍍法在所述的藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，電子束蒸發(fā)鍍膜速率為0.lnm/S，先鍍鎳緩沖層再鍍鋅緩沖層，每層厚度為10nm，鎳-鋅復(fù)合緩沖層總厚度為20nmo
[0009]所述的脈沖激光沉積方法，其生長室背景真空度為6.3xlO_4Pa，光源為波長為248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，能量密度約為2.5J/cm2，頻率保持為5Hz ;靶材為純度99.99%、直徑50mm的ZnO陶瓷燒結(jié)靶，并以5轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)，靶材距所述的藍(lán)寶石襯底5cm ;在激光燒蝕靶材過程中，向生長室中通高純氧氣，氧氣純度為99.999%，氣體流量為15.3sccm0
[0010]所述的氧化鋅薄膜的生長沉積時間共45分鐘，前面15分鐘生長溫度為600°C，然后在400°C下生長30分鐘，生長總厚度為400nm。
[0011]由于鎳的晶格常數(shù)(a=3.52 A)介于ZnO(a=3.25 A)和藍(lán)寶石(a=4.758 A)之間，能夠緩解外延層ZnO和藍(lán)寶石襯底之間的晶格失配，從而獲得較高質(zhì)量的ZnO薄膜。而鋅與氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)相似，熔點很低(420°C )，在鍍鋅層上生長ZnO更加穩(wěn)定，缺陷更少。本發(fā)明就是基于上述理論基礎(chǔ)，首次提出了在藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，再在鎳-鋅復(fù)合緩沖層上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜的方法。
[0012]本發(fā)明方法可有效地控制ZnO薄膜材料的生長，方法簡單易行，提高了 ZnO薄膜材料的生產(chǎn)效率，工藝簡單，制作成本低。本發(fā)明方法所制備的氧化鋅薄膜通過原子力顯微鏡(AFM)觀察期表面形貌圖，可見膜表面平整，未發(fā)現(xiàn)三角坑等晶體缺陷，達(dá)到光電器件的基本要求。本發(fā)明的ZnO薄膜的X射線2 θ/ω測試結(jié)果顯示藍(lán)寶石襯底(0006)面的衍射峰和ZnO薄膜(0002)面的衍射峰，由于鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層較薄，在高溫下已經(jīng)分解，在掃描圖中未見到其特征峰，也沒有發(fā)現(xiàn)(0001)面、(10-11)面等其他雜相，證明其具有了較好的晶體特性。本發(fā)明的ZnO薄膜的室溫PL (photo- luminescence)測試圖譜波峰清晰，對比度高，雜波很低，顯示了較好的結(jié)果。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的藍(lán)寶石襯底上復(fù)合緩沖層及ZnO薄膜的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例所制備的ZnO薄膜的AFM掃描圖像；
圖3是本發(fā)明實施例所制備的ZnO薄膜的X射線2 θ/ω測試曲線圖；
圖4是本發(fā)明實施例所制備的ZnO薄膜的室溫PL測試圖譜；
圖5是直接在藍(lán)寶石襯底上生長的ZnO薄膜的AFM掃描圖像；
圖6是本發(fā)明所制備的ZnO薄膜與直接在藍(lán)寶石襯底上生長的ZnO薄膜X射線2 θ / ω測試曲線對比圖。
[0014]圖中，1-藍(lán)寶石襯底，2-鎳緩沖層，3-鋅緩沖層，4-氧化鋅薄膜，5-ΖηΟ薄膜的X射線2θ/ω測試曲線(有緩沖層)；6_2110薄膜的乂射線2 0/?測試曲線(無緩沖層)。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]參照圖1，本發(fā)明的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法包括以下步驟:使用真空蒸鍍法在2英寸c (0006)面藍(lán)寶石襯底I上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，電子束蒸發(fā)鍍膜速率為0.lnm/s，先鍍鎳緩沖層2再鍍鋅緩沖層3，每層厚度為10nm，鎳-鋅復(fù)合緩沖層總厚度為20nm。再在鎳-鋅復(fù)合緩沖層上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜4。
[0017]本實施例所述的脈沖激光沉積方法，其生長室背景真空度為6.3xlO_4Pa，光源為波長為248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，能量密度約為2.5J/cm2，頻率保持為5Hz ;靶材為純度99.99%、直徑50mm的ZnO陶瓷燒結(jié)靶，并以5轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)，靶材距所述的藍(lán)寶石襯底5cm ;在激光燒蝕靶材過程中，向生長室中通高純氧氣，氧氣純度為99.999%，氣體流量為15.3sccm0
[0018]所述的氧化鋅薄膜的生長沉積時間共45分鐘，前面15分鐘生長溫度為600°C，然后在400°C下生長30分鐘，生長總厚度為400nm。
[0019]本實施例所制備的氧化鋅薄膜4屬于(0002)方向極性ZnO薄膜，將其進(jìn)行測試分析，分析結(jié)果參見圖2，從圖2中的原子力顯微鏡顯微鏡(AFM)表面形貌圖可見，氧化鋅薄膜表面平整，未發(fā)現(xiàn)三角坑等晶體缺陷，達(dá)到光電器件的基本要求。
[0020]將本實施例所制備的氧化鋅薄膜4進(jìn)行X射線2 θ / ω測試，測試結(jié)果參見圖3，結(jié)果顯示藍(lán)寶石襯底(0006)面的衍射峰和ZnO薄膜(0002)面的衍射峰，由于鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層較薄，在高溫下已經(jīng)分解，在掃描圖中未見到其特征峰，也沒有發(fā)現(xiàn)(0001)面、(10-11)等其他雜相，證明具有較好的晶體特性。
[0021]將本實施例所制備的氧化鋅薄膜4進(jìn)行室溫PL (photo-luminescence)測試，測試圖譜參見圖4，可見薄膜的PL波峰清晰，對比度高，雜波很低，顯示了較好的結(jié)果。
[0022]對比試驗情況:
去掉鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層步驟，直接在2英寸c (0006)面藍(lán)寶石襯底I上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜4，其余采用與上述實施例相同的方法制備氧化鋅薄膜4 (ZnO外延片)，并將所得到的氧化鋅薄膜分別進(jìn)行AFM掃描圖像及X射線2 Θ / ω測試，測試結(jié)果分別如圖5，圖6中所示；從圖5中可以看出，藍(lán)寶石襯底上直接生長的ZnO薄膜，AFM掃描圖像為典型的三維生長模式，表面比較粗糙，顆粒分散；甚至有三角坑等晶體缺陷，不能達(dá)到光電器件的基本要求。而加入鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層后(圖2中所示)，ZnO薄膜表面粗糙度相對更小，表面平整，晶粒尺寸相對均勻，晶粒排列更致密，晶體表面質(zhì)量較高，未發(fā)現(xiàn)三角坑等晶體缺陷，達(dá)到光電器件的基本要求。從圖6中可以看出，無鎳-鋅復(fù)合緩沖層在藍(lán)寶石襯底上直接生長的ZnO薄膜(參見圖6中的曲線6)，ZnO的衍射峰強度很弱，晶體質(zhì)量較差，XRD搖擺曲線半高寬(FWHM)為1.210° ;加入鎳-鋅復(fù)合緩沖層后所生長的ZnO薄膜衍射峰增強(參見圖6中的曲線5)，說明鎳-鋅復(fù)合緩沖層具有明顯改善ZnO晶體質(zhì)量的效果，XRD搖擺曲線半高寬(FWHM)為0.547°。
[0023]上述這些結(jié)果表明，本發(fā)明利用鎳-鋅復(fù)合緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法可以在c (0006)面藍(lán)寶石上生長質(zhì)量較好的氧化鋅薄膜。
[0024]上述實施例僅是針對本發(fā)明的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變換，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
【主權(quán)項】
1.一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:先在藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，再在鎳-鋅復(fù)合緩沖層上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:所述的藍(lán)寶石襯底為2英寸c面雙拋光襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:所述的藍(lán)寶石襯底為2英寸0006面雙拋光襯底。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:使用真空蒸鍍法在所述的藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，電子束蒸發(fā)鍍膜速率為0.lnm/s，先鍍鎳緩沖層再鍍鋅緩沖層，每層厚度為1nmJl _鋅緩沖層總厚度為20nm。5.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:所述的脈沖激光沉積方法，其生長室背景真空度為6.3x1 O^4Pa,光源為波長為248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，能量密度約為2.5J/cm2，頻率保持為5Hz ;靶材為純度99.99%、直徑50mm的ZnO陶瓷燒結(jié)靶，并以5轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)，靶材距所述的藍(lán)寶石襯底5cm ;在激光燒蝕靶材過程中，向生長室中通高純氧氣，氧氣純度為99.999%，氣體流量為15.3sccm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于:所述的氧化鋅薄膜的生長沉積時間共45分鐘，前面15分鐘生長溫度為600°C，然后在400°C下生長30分鐘，生長總厚度為400nm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用緩沖層技術(shù)生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于：先在藍(lán)寶石襯底上鍍鎳-鋅復(fù)合緩沖層，再在鎳-鋅復(fù)合緩沖層上通過脈沖激光沉積方法生長氧化鋅薄膜；該方法可有效地控制ZnO薄膜材料的生長，方法簡單易行，提高了ZnO薄膜材料的生產(chǎn)效率，工藝簡單，制作成本低。所制備的氧化鋅薄膜表面平整，PL（photo-luminescence）測試圖譜波峰清晰，達(dá)到光電器件的基本要求。
【IPC分類】C23C14/08, C23C14/18, C23C14/28, C23C14/30
【公開號】CN104928629
【申請?zhí)枴緾N201510255457
【發(fā)明人】熊輝, 葉蒼竹, 師巖峰, 官守軍, 呂奎
【申請人】黃石晨信光電有限責(zé)任公司
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月19日