[发明专利]一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及ZnO单晶薄膜制备领域，尤其是一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法。

背景技术

作为第三代半导体的核心基础材料，ZnO具有非常优越的光电性能，其室温禁带宽度为3.37eV、自由激子结合能为60meV，已成为继GaN(自由激子结合能为25meV)后又一重要的宽禁带半导体材料，在制备高性能短波长光电子器件方面有着极为广阔的应用前景。为实现其器件应用，高质量ZnO基外延膜的制备是重要基础。虽然ZnO单晶衬底已商业化，但是目前其价格仍然非常昂贵，因此，ZnO单晶薄膜的同质外延生长技术目前还无法实现其工业应用，所以ZnO单晶薄膜的异质外延生长技术具有十分重要的应用价值。与GaN相似，由于蓝宝石衬底具有晶体质量好、热稳定性高以及价格低廉等优点，是目前制备ZnO薄膜最常用的衬底。然而ZnO(0001)/α-Al₂O₃(0001)外延体系的晶格失配很大(18.3％)，制备高质量ZnO外延膜具有很大的挑战性，需要解决大失配异质外延体系所固有的薄膜应变大、缺陷密度高等问题。总的说来，在蓝宝石衬底上制备高质量的ZnO单晶薄膜有下述几方面困难：

1、由于纤锌矿相材料结构上特有的非中心对称性，导致ZnO有很多与传统闪锌矿半导体材料(如ZnSe、ZnTe、ZnS等)不同的性质，其中一个重要的差异就是ZnO材料具有很强的极性。ZnO材料的外延生长基本上都是沿着其中一条极轴方向(Zn面(0001)极化方向或O面(000-1)极化方向)进行。由于Zn和O原子面交替排列，且纤锌矿结构在[0001]方向没有对称面，因而在材料中产生极强的极化电场。极化电场的出现将影响材料的各种性质。因此，极性在ZnO材料的生长及应用中起着极其重要的作用。在没有极性的蓝宝石(0001)面上生长极性ZnO外延薄膜时，由于衬底表面的晶格弛豫造成Al、O原子共面，导致锌极性与氧极性的ZnO都能生长，从而在薄膜中形成倒反畴，大大影响了ZnO薄膜的质量。另外，在α-Al₂O₃(0001)上直接生长或经过氧等离子体预处理后生长ZnO薄膜都将出现相对主畴旋转30°的旋转畴，形成大量旋转畴界，也会严重影响薄膜的结晶质量。因此，如何选择并控制蓝宝石与ZnO之间的界面层将是实现高质量ZnO单晶薄膜外延生长的首要关键因素。

2、由于ZnO(0001)与α-Al₂O₃(0001)之间存在18.3％的晶格失配，如何充分释放巨大的晶格失配应变，通过控制界面处的形核与生长，从而制备出高质量ZnO薄膜至今仍然是一个很大的挑战。

现有ZnO薄膜的外延技术大多采用已经发展相当成熟的GaN薄膜外延技术(即二步法生长技术)，并取得了一定程度的进展。在生长ZnO外延层前引入ZnO低温缓冲层，可部分弛豫由于晶格大失配而导致的应变。但由于氧化物与氮化物在许多方面存在着很大的差异，与GaN相比，制备ZnO薄膜存在着Zn的饱和蒸气压大、粘滞系数小从而导致其迁移长度短、极易岛状生长等缺点，难以充分释放失配应变。针对ZnO自身的特点以及蓝宝石衬底表面原子结构特性，开发方便实用且同时能解决上述几方面问题的技术，显得非常迫切。我们已经成功地在蓝宝石衬底上通过沉积氧化锂或氧化镁修饰层获得了单一极性高质量ZnO薄膜(用于制备高质量氧化锌薄膜的蓝宝石衬底原位处理方法，申请号200510134214.9，公开号CN1789495(2006))，还利用在不同温度下对蓝宝石衬底表面进行氮化的方法来控制ZnO薄膜的单一极性生长(高温氮化法可获得Zn极性ZnO薄膜，而低温氮化法则获得O极性ZnO薄膜)，而且结合上面两种方法发明了一种三缓冲层法(一种三缓冲层制备氧化锌薄膜的方法，专利号ZL200410086325.2)。最近又开发了一种新的制备技术，可以通过插入氧化铍缓冲层的方法来修饰蓝宝石衬底表面结构，为高质量ZnO单晶薄膜的生长提供良好的外延模板。蓝宝石是目前ZnO薄膜制备中应用最广的衬底，该外延体系具有重大的工业应用前景，为此，在蓝宝石衬底上开发出方便实用的表面、界面控制方法从而获得高质量ZnO薄膜具有重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法，该方法解决了常规的ZnO薄膜制备技术难以有效消除ZnO薄膜中的旋转畴、倒反畴以及失配应变的困难。

为实现上述目的，本发明一种在蓝宝石衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜的方法，具体为：