一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法技术

一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，涉及薄膜材料的制备。包括以下步骤：1)将衬底清洗后用氮气吹干，然后转入分子束外延生长系统，进行氧等离子退火；2)将步骤1)经氧等离子退火后的衬底进行氮等离子处理，随后进行镁原子沉积；3)在步骤2)完成后，通过低温生长氧化锌缓冲层和高温生长氧化锌薄膜，即完成氧化镁衬底生长氧化锌薄膜。采用分子束外延生长设备在MgO衬底上制备高质量氧化锌单晶样品，通过衬底表面预处理工艺，获得高质量的氧化锌单晶薄膜，可以运用于紫外发光、激光二极管等方面，有很大的应用前景，工艺简单，可重复性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜材料的制备，尤其是涉及一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法。
技术介绍
作为第三代宽禁带半导体材料的氧化锌，具有优良的物理特性：透明导电、压电等。氧化锌(ZnO)同时具有更大的激子结合能(60meV)(Ya.I.Alivov,C.Liu,A.Teke,M.A.Reshchikov,S.V.Avrutin,S.-J.Cho,andH.J.Appl.Phys.98,041301(2005))、3.3eV禁带宽度以及直接跃迁型半导体特征，使得氧化锌具有很优越的光电性质，具有更好的导热性能以及高的抗电压击穿能力，同时，其载流子饱和漂移速度更快，使氧化锌在紫外探测以及激光二极管等有着极为广阔的应用前景。因此，这种材料在热电器件、光电器件等具有良好的应用前景(Z.K.Tang,G.K.L.Wong,andP.Yu,M.Kawasaki,A.Ohtomo,H.Koinuma,andY.Segawa,Appl.Phys.Lett.72,3270(1998))。由此，越来越多的研究人员和产业界关注着器件质量级氧化锌外延膜的制备。但商业化的氧化锌单晶衬底由于其昂贵的价格，成为限制氧化锌薄膜同质外延的瓶颈。异质外延高质量的氧化锌薄膜的技术成为更具高的应用价值前景。目前氧化锌薄膜的制备技术有很多，比如溶胶-凝胶法(sol-gel)、金属有机气相外延生长法(MOVPE)、气-液-固(VLS)机制的催化反应生长法、化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射(MagnetronSputtering)等。公开号为CN1789495的专利报道了在蓝宝石上通过金属界面层修饰表面制备氧化锌薄膜，但是立方相的金属界面层不助于氧化锌薄膜应力的释放。公开号为CN1564314A的专利报道了用低、中、高三个温度生长ZnO薄膜，实现适配应力的充分释放。但生长过程中多次氧化锌的生长，增加了重复获得高质量薄膜的困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供可有效提升氧化锌薄膜结晶质量的一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法。本专利技术包括以下步骤：1)将衬底清洗后用氮气吹干，然后转入分子束外延生长系统，进行氧等离子退火；2)将步骤1)经氧等离子退火后的衬底进行氮等离子处理，随后进行镁原子沉积；3)在步骤2)完成后，通过低温生长氧化锌缓冲层和高温生长氧化锌薄膜，即完成氧化镁衬底生长氧化锌薄膜。在步骤1)中，所述衬底可采用氧化镁(111)衬底，所述氧化镁(111)衬底可采用合肥科晶规格为10mm×5mm×0.5mm的氧化镁衬底；所述清洗可依次通过酒精和丙酮超声清洗；所述进行氧等离子退火可在800℃操作台温度下进行1h氧等离子高温退火，射频功率为250W,氧压为5×10^-5mbar；选择高温下氧氛围下退火是在处理衬底表面的同时，防止衬底氧空位缺陷的产生。在步骤2)中，所述氮等离子处理可在700℃操作台温度下进行10min的氮等离子处理，射频功率为300W,氮压为2×10^-5mbar；所述镁原子沉积可在高真空下进行1min的镁原子沉积，镁的温度为350℃，重复处理5周期。本专利技术采用分子束外延的方法进行薄膜的制备。在氧化镁(111)面上生长氧化锌薄膜的界面工程中，最关键的是衬底表面的处理方法以及缓冲层的对应力的释放。本专利技术采用分子束外延生长设备(MBE)在MgO衬底上制备高质量氧化锌单晶样品，通过衬底表面预处理工艺，获得高质量的氧化锌单晶薄膜，可以运用于紫外发光、激光二极管等方面，有很大的应用前景，此方法工艺简单，可重复性好，具有一定的经济价值。本专利技术利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备，对氧化镁衬底进行原位处理，从而为生长高质量的氧化性薄膜的外延提供一种界面预处理方法。即在高温下进对衬底进行氧等离子体处理，然后通过5周期的氮、镁交替沉积来处理衬底表面。该工艺手法可有效提升氧化锌的薄膜的结晶质量。附图说明图1为实施例1所制得的氧化锌单晶薄膜反射高能电子衍射(RHEED)图片。图2为实施例1所制得的氧化锌单晶薄膜的原子力显微镜(AFM)图片。图3为实施例所制得的氧化锌单晶薄膜的X射线衍射(XRD)图片。图中可以看出纳米结构沿着c轴取向生长。图4为实施例1所制得的氧化锌单晶薄膜的透射谱图片。具体实施方式实施例1(1)选择氧化镁(111)衬底制备ZnO单晶薄膜，衬底是合肥科晶规格为10mm×5mm×0.5mm的晶向指数(111)的氧化镁衬底。首先把衬底依次通过酒精和丙酮超声清洗五次，并用氮气吹干，以达到去除表面污染物的作用。然后传入分子束外延生长系统。(2)在800℃操作台温度下进行1h氧等离子高温退火，射频功率为250W,氧压为5×10^-5mbar.选择高温下氧氛围下退火是在处理衬底表面的同时，防止衬底氧空位缺陷的产生。(3)在700℃操作台温度下进行10min的氮等离子处理，射频功率为300W,氮压为2×10^-5mbar.随后在高真空下进行1min的镁原子沉积，镁的温度为350℃。重复处理五周期。(4)在500℃操作台温度下，生长10min的低温氧化锌缓冲层，其中氧压为1×10^-5mbar,射频功率为250W,锌源温度为330℃。(5)在800℃操作台温度下，生长1h的高温氧化锌单晶薄膜，其中氧压为2×10^-5mbar，射频功率250W，锌源温度为340℃。在样品生长的过程中，利用反射高能电子衍射仪对薄膜进行表征，图1表示的是生长的薄膜，近连续锐利的条纹状光斑表明了生长的氧化锌薄膜具有非常好的表面平整度及原子周期性排列。图2为原子力显微镜对薄膜进行表面形貌进行的表征。分析可知，5μm范围内的粗糙度(RMS)为1.3nm。图3为X-Ray衍射仪对样品的表征图谱，表明了氧化锌薄膜c轴的优先取向生长。图4为室温下薄膜的透射谱光学表征，显示出在377.4nm波段有较强的紫外吸收，表明该样品有很好的光学性能，能够适用于器件的制作。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将衬底清洗后用氮气吹干，然后转入分子束外延生长系统，进行氧等离子退火；2)将步骤1)经氧等离子退火后的衬底进行氮等离子处理，随后进行镁原子沉积；3)在步骤2)完成后，通过低温生长氧化锌缓冲层和高温生长氧化锌薄膜，即完成氧化镁衬底生长氧化锌薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将衬底清洗后用氮气吹干，然后转入分子束外延生长系统，进行氧等离子退火；
2)将步骤1)经氧等离子退火后的衬底进行氮等离子处理，随后进行镁原子沉积；
3)在步骤2)完成后，通过低温生长氧化锌缓冲层和高温生长氧化锌薄膜，即完成氧化
镁衬底生长氧化锌薄膜。
2.如权利要求1所述一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，其特征在于在步骤1)中，
所述衬底采用氧化镁(111)衬底。
3.如权利要求2所述一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，其特征在于所述氧化镁
(111)衬底采用合肥科晶规格为10mm×5mm×0.5mm的氧化镁衬底。
4.如权利要求1所述一种氧化镁衬底生长氧化锌薄膜的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王惠琼，李东华，周华，康俊勇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35