[发明专利]一种制备ZnO/ZnMgO异质结二维电子气外延结构的RS-LMBE生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜生长及异质结高电子迁移率晶体管制备等领域，涉及一种半导体异质结制备的新方法，特别涉及利用等离子辅助L-MBE设备制备具有高浓度二维电子气的ZnO/ZnMgO异质结的新技术。

背景技术

ZnO作为一种II-VI族宽禁带半导体，具有比GaAs、GaN更高的电子饱和漂移速度、更强的抗辐照能力等优势，特别是在其形成ZnO/ZnMgO异质结时具有晶格失配和热失配小、缺陷少以及大带阶等特点，使得基于ZnO/ZnMgO异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)成为光电领域的一个研究热点，是继GaN/AlGaN之后又一有应用前景的异质结结构。近年来MOCVD、MBE、PLD、RSMBE等薄膜制备方法在ZnO薄膜制备中的发展推动了对ZnO/ZnMgO异质结的研究步伐。

基于以上ZnO材料的优越特性及ZnO薄膜制备方法的多样性，我们发明了一种采用高纯度ZnO和ZnMgO陶瓷靶材，利用等离子辅助L-MBE设备，在高真空条件下在蓝宝石(0001)衬底上外延生长ZnO/ZnMgO异质结的新方法。通过对该方法生长得到的ZnO/ZnMgO异质结进行C-V测试，表明在其界面上已经形成载流子浓度量级为10¹²/cm²的二维电子气，这个结果为二维电子气在高电子迁移率晶体管(HEMT)中的应用奠定了基础。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备ZnO/ZnMgO异质结二维电子气外延结构的RS-LMBE生长方法，包括如下步骤：

(1)设置等离子体辅助激光分子束外延系统：等离子体辅助激光分子束外延系统采用脉冲KrF准分子激光器；等离子体辅助激光分子束外延系统的本底真空度为10^-7Pa，衬底选用蓝宝石单晶衬底；

(2)衬底氧极性面的获得：将清洗吹干后的衬底置于等离子辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8～12℃的升温速率将衬底从室温加热到600～800℃，接着在射频离化氧气氛中热处理10～30分钟，射频原子源射频功率为100～300W，以清除衬底表面吸附的杂质；紧接着将衬底温度降至400～600℃，将射频原子源的射频功率调至200～300W，在射频离化氧气氛中处理10～20分钟，以获得氧极性面；

(3)制备ZnO/ZnMgO异质结二维电子气外延结构，步骤依次为：①将前面得到的氧极性面衬底在200～300℃下，射频离化氧气氛中，生长10～15nm的ZnO低温缓冲层；②将氧极性面衬底升温至600～700℃，在射频离化氧气氛中，退火10～30分钟；③将衬底降温至400～600℃，在射频离化氧气氛中，生长ZnO薄膜400～600nm；④将衬底升温至600～700℃，在射频离化氧气氛中，退火10～30分钟；⑤将衬底降温至300～500℃，在射频离化氧气氛中，利用Mg_xZn_1-xO靶材料生长MgZnO薄膜30～60nm；⑥将衬底升温至600～700℃，在射频离化氧气氛中，退火10～30分钟。其中，步骤①③⑤中射频离化氧气氛分压为2.0×10^-4～4.0×10^-4Pa，步骤②④⑥中射频离化氧气氛分压为1.0×10^-3～3.0×10^-3Pa，以上六步骤中所使用的射频原子源射频功率均为100W～300W，所述KrF准分子激光器参数为：波长248nm，重复频率3～10Hz，单脉冲能量80～200mJ。

所述步骤(3)ZnO、Mg_xZn_1-xO陶瓷靶材的纯度为99.998％，其中0.1≤x≤0.2。

所述步骤(2)当衬底是(0001)面蓝宝石时，将清洗吹干后的衬底置于等离子辅助L MBE设备中，然后先以每分钟8～12℃的升温速率将衬底从室温加热到600～800℃，接着在射频离化氧气氛中热处理10～30分钟，射频原子源射频功率为100～300W，以清除衬底表面吸附的杂质；紧接着将衬底温度降至400～600℃，将射频原子源的射频功率调至200～300W，在射频离化氧气氛中处理10～20分钟，以获得氧极性面衬底。所述射频离化氧气氛的分压为1.0×10^-3～3.0×10^-3Pa。