本发明专利技术涉及一种正交结构氧化锡单晶薄膜的制备方法，属于半导体光电子材料技术领域。一种正交结构的氧化锡单晶薄膜的外延制备方法，采用有机金属化学气相淀积（ＭＯＣＶＤ）工艺，以四乙基锡［Ｓｎ（Ｃ２Ｈ５）４］为有机金属源，用氮气作为载气，用氧气作为氧化气体，用ＭＯＣＶＤ设备在掺钇氧化锆单晶衬底上外延生长具有正交结构的氧化锡单晶薄膜。本发明专利技术所制备的材料光电性能优良，稳定性高，附着性能好，应用前景广阔。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于半导体光电子材料
(二)
技术介绍
氧化锡(Sn02)是一种具有直接带隙的宽禁带半导体材料。与氮化镓(GaN， Eg 3. 4eV)和氧化锌(ZnO，Eg 3. 37eV，激子束缚能为 60meV)相比较，氧化锡材料不仅具有 更宽的带隙和更高的激子束缚能(室温下分别是 3. 7eV和 130meV)，而且具有制备温度 低、物理化学性能稳定等优点，因此氧化锡是制备紫外光电子器件的可选材料。以前对氧化 锡的研究主要集中在透明导电和气敏性质及纳米材料性质等方面。目前氧化锡薄膜材料主 要为传统的四方金红石结构的多晶薄膜，多用于薄膜太阳能电池和发光器件的透明电极以 及气敏传感器等。如公开号为CN101070612的中国专利，公开了一种氧化锡单晶薄膜的制 备方法，它采用有机金属化学气相淀积工艺，以四乙基锡为有机金属源，用氮气 作为载气，用氧气作为氧化气体，用有机金属化学气相淀积设备在真空条件下在蓝宝石衬 底上外延生长氧化锡单晶薄膜；所制备的薄膜材料为单晶结构，光电性能优良，稳定性高， 附着性能好，由于其带隙宽度大于GaN和ZnO，适合于用来制造氧化锡紫外光电子器件以及 透明半导体器件。该方法制得的为四方金红石结构的单晶薄，虽然该产品的载流子迁移率 高于以往的类似产品，但仍无法满足市场的需求。 用当前常规方法制备氧化锡薄膜还存在如下问题 (1)常压化学气相淀积(APCVD)和磁控溅射等传统方法制备的氧化锡透明导电薄 膜目前已得到广泛的应用，主要用作光电子器件的窗口材料等方面。本征的氧化锡为n型 宽带隙半导体材料，常规方法制备的一般为四方多晶结构的氧化锡薄膜，存在较多的缺陷 能级，并且存在自补偿作用，因此即使通过掺杂也难以获得性能优良并且稳定的P型氧化 锡薄膜材料。 (2)用氧化锡薄膜材料制造半导体器件，首先需要制备氧化锡外延单晶薄膜，在此 基础上，通过掺杂获得性能优良并且稳定的P型氧化锡薄膜材料。外延氧化锡单晶薄膜的 制备需要有与氧化锡晶格匹配的衬底材料，目前使用最普遍的玻璃和硅衬底材料不能满足 上述要求。(三)
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种正交结构的氧化锡单晶薄膜的外延制备方 法。 —种正交结构的氧化锡单晶薄膜的外延制备方法，采用有机金属化学气相淀积 (MOCVD)工艺，以四乙基锡为有机金属源，用氮气作为载气，用氧气作为氧化气 体，用MOCVD设备在掺钇氧化锆(ZrO^Y，也称作YSZ)单晶衬底上外延生长具有正交结构的 氧化锡单晶薄膜；其工艺条件如下 反应室压强5-200Torr， 生长温度400-800°C 背景N2流量80-500sccm 有机金属源温度5_35°C 有机金属源载气(N2)流量5-60sccm 氧气流量10-lOOsccm在上述制备工艺条件下氧化锡薄膜的外延生长速率为0. 5 1. 5nm/min。 上述制备方法的操作步骤如下 1.先将M0CVD设备反应室抽成高真空状态4X10—4Pa_8X10—乍a，将衬底加热到生 长温度400 800°C ; 2.打开氮气瓶阀门，向真空反应室通入氮气(背景N》80-500 sccm，反应室压强 5-200Torr，保持30-35分钟； 3.打开氧气瓶阀门，氧气流量10-100sccm，保持8-12分钟； 4.打开有机金属源(锡源)瓶阀门，调节载气(N2)流量5-60sccm，保持8_12分 钟； 5.将氧气和有机源载气同时通入反应室，保持时间为60-300分钟； 6.反应结束，关闭锡源瓶和氧气瓶阀门，用氮气冲洗管道20-30分钟。 优选的，上述的有机金属源是99. 9999%的高纯Sn(C2H5)4。 优选的，上述的载气是由99. 999%的高纯氮气经纯化器纯化为99. 9999999%的 超高纯氮气，氧气是99. 999%的高纯氧气。 优选的，上述掺钇氧化锆衬底的抛光晶面是(100)晶面。 优选的，工艺条件如下 反应室压强120Torr 生长温度600°C 背景N2流量300sccm。 有机金属源温度l(TC 有机金属源载气流量30sccm 氧气流量30sccm 立方结构掺钇氧化锆衬底的晶格常数为a二b^-5.147 A，正交结构的氧化锡晶格 常数为a二4.714 A, b=5.727 A， c=5.214 A，两种材料的晶格常数c的失配率为1.3%。因此 选择在合适的氧化锆衬底晶面上可外延生长出正交结构氧化锡单晶薄膜。在优选工艺条件 下，制备的氧化锡材料为正交结构的单晶外延薄膜，薄膜的生长速率约为1.2 nm/分钟，薄 膜的载流子迁移率高于35.5cm2 V—、—、可见光范围的透过率超过78X。所制备单晶Sn(^薄 膜的晶格结构及稳定性优于Sn02多晶薄膜，故而是制造透明半导体器件和紫外光电子器件 的重要材料。用MOCVD设备在上述制备工艺条件下，在抛光的单晶蓝宝石衬底、单晶石英衬 底、单晶碳化硅衬底和单晶硅片衬底上生长的氧化锡薄膜均为传统的四方金红石结构的薄 膜。 本专利技术用有机金属化学气相淀积方法制备单晶氧化锡外延薄膜有许多独特的优 点，例如工艺条件易于精确控制，制备薄膜的均匀性和重复性好，便于产业化。所制备的材料光电性能优良，稳定性高，附着性能好，应用前景广阔。本专利技术方法制备的Sn02薄膜与现 在广泛应用的氧化锡薄膜相比具有如下优良效果 1、制备的正交结构的本征Sn02薄膜晶格结构完整，其(111)面的X射线镜像小扫 描结果显示，薄膜内部呈完整规则晶面排列。 2、晶格匹配好，晶格缺陷少，载流子迁移率高，最高可以达到65. 5cm2V—、—、 3、氧化锡单晶薄膜的晶格缺陷少，自补偿作用弱，因此容易实现P型掺杂。 本专利技术的氧化锡单晶薄膜材料，由于其带隙宽度大于GaN和ZnO，适合于用来制造 氧化锡紫外光电子器件以及透明半导体器件。(四) 附图说明 图l(a)和图l(b)分别是制备Sn02薄膜的X射线衍射谱和Sn02(200)面的摇摆曲 线测试结果。其中，横坐标Degree :度;纵坐标Intensity/a. u.:强度(任意单位)。XRD测 试结果显示，所制备的Sn02薄膜具有(200)单一取向。 图2是Sn02薄膜(111)面X射线镜像小扫描测试结果，其中，横坐标Degree :度； 纵坐标Intensity/a. u.:强度(任意单位)。从小扫描结果可以确定，用MOCVD方法在氧 化锆衬底(100)晶面上外延生长的氧化锡薄膜内部晶面排列完整。 图3(a)和(b)是Sn02薄膜与衬底外延生长界面的高分辨透射电镜(HRTEM)图样 和选区电子衍射图样(SAED)。从高分辨图中可以直观的看到正交结构氧化锡晶格的清晰排 列，测得(200)面和(111)面的晶面间距分别为O. 238nm和0. 303nm，与正交结构氧化锡PDF 卡(JCPDS card no. 29-1484)中的标准值很好的吻合，表明其外延生长面为ln203(100)〃 Zr02(100);选区电子衍射图样中的相应衍射斑点也清晰可辨，证明用MOCVD方法在氧化锆 衬底(100)晶面上外延生长的氧化锡为具有正交结构的单晶薄膜。 图4是制备的正交结构Sn02薄膜样品(含0.5mm厚的衬底)的透过谱，纵坐标 Tran本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型的正交结构氧化锡单晶薄膜的外延制备方法，采用有机金属化学气相沉积工艺，以四乙基锡［Ｓｎ（Ｃ↓［２］Ｈ↓［５］）↓［４］］为有机金属源，用氮气作为载气，用氧气作为氧化气体，用ＭＯＣＶＤ设备在掺钇氧化锆单晶衬底上外延生长氧化锡单晶薄膜；其工艺条件如下： 反应室压强 ５－２００Ｔｏｒｒ， 生长温度 ４００－８００℃ 背景Ｎ↓［２］ 流量 ８０－５００ｓｃｃｍ 有机金属源温度 ５－３５℃ 有机金属源载气流量 ５－６０ｓｃｃｍ 氧气流量 １０－１００ｓｃｃｍ 氧化锡薄膜的外延生长速率为 ０．５～１．５ｎｍ／ｍｉｎ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马瑾，孔令沂，栾彩娜，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]
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