【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备宽禁带半导体氧化锌(ZnO)基单晶薄膜的方法，尤其是在蓝宝石衬底上制备氧化锌基薄膜时消除旋转畴、控制极性以及消除失配应变从而获得高质量单晶薄膜的方法。
技术介绍
ZnO具有多种优越性能，在透明导电膜、表面声波器件及压电陶瓷等方面有着广泛的应用。ZnO也是一种直接跃迁型II-VI族半导体，室温禁带宽度为3.37eV。由于其很高的自由激子结合能(60meV)，ZnO已成为继GaN后又一重要的宽禁带半导体材料，在制备低阈值、高效率的短波长光电子器件方面有着极为广阔的应用前景。另外，研究人员发现ZnO基稀磁半导体具有室温铁磁性，是一种理想的自旋电子学材料。如果将ZnO基薄膜的光学、磁学和电学性质结合起来会产生全新的基于自旋的多功能器件，如自旋-场效应晶体管、自旋-光发射二极管以及自旋-共振隧道器件等。发展高品质自旋电子器件将具有巨大的潜力，甚至将可能专利技术出目前无法预期的新器件。高质量ZnO基外延膜的制备是实现其器件应用的基本点。而在具有巨大工业应用价值的ZnO(0001)/Al2O3(0001)外延体系中制备高质量ZnO基外延膜具有很大的挑战...
【技术保护点】
一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其步骤如下：①对蓝宝石（０００１）衬底表面进行预处理和氮化处理，修正和控制蓝宝石（０００１）衬底的原子结构，以实现ＺｎＯ基薄膜的极性控制生长和消除旋转畴；②采用在低、中、高三个温度分别生 长ＺｎＯ基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，从而实现失配应变的充分释放，得到单一Ｚｎ极性和Ｏ极性的原子级光滑的高质量ＺｎＯ基薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其步骤如下①对蓝宝石(0001)衬底表面进行预处理和氮化处理，修正和控制蓝宝石(0001)衬底的原子结构，以实现ZnO基薄膜的极性控制生长和消除旋转畴；②采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，从而实现失配应变的充分释放，得到单一Zn极性和O极性的原子级光滑的高质量ZnO基薄膜。2.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述ZnO基薄膜包括ZnO、MgZnO、CdZnO、MnZnO、CoZnO、NiZnO、CrZnO以及FeZnO。3.如权利要求2所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述对蓝宝石(0001)衬底表面进行的预处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理。4.如权利要求3所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述为获得O极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为在低温下进行充分的氧等离子体处理，衬底温度为100~300℃，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附。5.如权利要求3所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底预处理工艺，具体为在超高真空下对衬底进行高温氧脱附，衬底温度在700~800℃之间，以得到Al终止面的蓝宝石衬底，选择高温的目的是加速表面氧原子的脱附。6.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述氮化处理包括为获得O极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺和为获得Zn极性ZnO基薄膜的衬底氮化处理工艺，具体为衬底在较高温度、在通常射频等离子体条件下进行氮等离子体处理。7.如权利要求1所述的制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法，其特征在于，所述采用在低、中、高三个温度分别生长ZnO基薄膜的缓冲层、三维岛状层和外延层，具体为在350~450℃下生长厚度为10~30nm的缓冲层，在500~580℃下生长厚度为70~120nm左右的三维岛状层，在600~680℃下生长800~1000nm的外延层。8.一种O极性氧化锌基单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤1)公知的方法对蓝宝石衬底背面进行镀钼，并进行化学抛光处理，然后将清洗后的蓝宝石衬底导入分子束外延生长系统；2)在100~300℃低温下进行30分钟射频氧等离子体处理，射频功率为300~450W，氧气流量为1~3sccm，以得到O终止面的蓝宝石衬底，选择低温的目的是防止表面氧原子的脱附；3)在100~300℃低温下对蓝宝石衬底进行充分的氮化，得到N极性的AlN，氮化采用射频氮等离子体辐照法，所用的射频功率为400~500W，氮气流量2~3.5sccm，处理时间为60~120分钟；4)在350...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜小龙，薛其坤，梅增霞，曾兆权，英敏菊，郑浩，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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