一种碲化锌同质外延层的制备方法技术

一种碲化锌（ZnTe）同质外延层的制备方法，属半导体材料制备技术领域，采用低压金属有机化学气相外延工艺，以二甲基锌和二乙基碲为金属有机源，用氢气作为载气，用低压金属有机化学气相外延设备在ZnTe（100）衬底上生长碲化锌外延层。本发明专利技术方法制备的ZnTe同质外延层具有窄的带边激子峰和窄的XRC半高宽，并且没有出现氧束缚激子及与位错有关的Y线等深能级发射，这些结果表明外延层有很好的结晶质量。本发明专利技术方法制备的ZnTe同质外延层，可用于绿光LED和LD以及太赫兹发射器等光电器件的制备，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别涉及一种通过控制生长温度及生长气压来制备高质量碲化锌同质外延层的方法。
技术介绍
碲化锌(ZnTe)是一种重要的I1-1V族化合物半导体材料。ZnTe是直接带隙，室温下禁带宽度为2.26eV，因此在绿光LED、太赫兹探测器、太阳电池和光波导等光电器件中有很好的应用前景。目前，已经成功利用铝扩散技术制备出室温发光波长为550nm的ZnTe发光二极管(LED)。确立高质量ZnTe外延层的制备方法对生产高效的LED和激光二极管(LD)有着至关重要的作用。金属有机化学气相外延(MOVPE)工艺由于具有外延层均匀性好及适于大规模生产等优点，是目前被广泛采用的外延技术。然而，对一些包含低维结构(例如量子阱和量子点)的光电器件(如LED和LD等)，需要在生长过程中精确控制外延层生长速率，这对外延层的生长技术提出了更高的要求。同时，常压MOVPE生长的碲化锌同质外延层通常存在如下问题:1、在外延层生长过程中，衬底中的杂质原子扩散(out-diffusion)到外延层会影响外延层的质量。2、来源于衬底的挥发性杂质在生长过程中掺入外延层引起自掺杂，会导致外延层质量的下降。3、外延生 长过程中会出现有害的寄生反应和气相成核。4、衬底表面的氧化物会在外延层中形成氧束缚激子，这类深能级发射会影响ZnTe外延层的发光性能。5、常压MOVPE生长的ZnTe外延层中通常会出现由位错引起的深能级发射(Y线)。文献“M0CVD方法生长的碲化锌同质外延层的生长和光学特性”(见学术期刊((Journal of Crystal Growth》，2003 年，第 248 卷，第 43 页。)公开了一种用常压 MOCVD方法在生长碲化锌同质外延薄膜的方法，该方法制备的碲化锌同质外延薄膜即存在Y线和氧束缚激子等深能级发光成分，这会影响其在发光器件中的应用。
技术实现思路
针对碲化锌同质外延层制备过程中存在的问题，本专利技术提供一种高质量碲化锌同质外延层的制备方法。本专利技术的技术方案是按以下方式实现的:，采用低压MOVPE工艺，以二甲基锌和二乙基締为金属有机源，用氢气作为载气，用低压金属有机化学气相外延设备在ZnTe (100)衬底上生长碲化锌外延层；其工艺条件如下:反应室压力:100- 760Torr ；生长时衬底温度:380 — 460° C ；二甲基锌输运速率:10 — 30 μ mol/min ;二乙基締输运速率:10 — 30 μ mol/min ;生长时间:2 — 10小时；上述制备方法的操作步骤如下:1、ZnTe衬底的清洗:将(100)面ZnTe衬底在有机溶剂丙酮中超声清洗3 — 5分钟后，放到1%溴甲醇溶液中在浸泡处理20 - 30分钟，最后用去离子水冲洗干净；2、将MOVPE设备反应室通TvH2，在500 — 600° C保持20 — 40分钟，去除ZnTe衬底表面的氧化物；3、将衬底温度控制在380 — 460° C，调节氢气流量，使二甲基锌(DMZn)和二乙基碲(DETe)输运速率均维持在10 - 30ymol/min，控制反应室压力在100 — 760Torr，生长时间2-10小时；4、生长结束，关闭锌源和碲源，停止加热衬底，在ZnTe (100)衬底上生长出ZnTe外延层，继续通入氢气20 - 30分钟，降至室温。优选的工艺条件如下:生长时衬底温度:400° C;反应室压力:300Torr二甲基锌输运速率:15 μ mol/min ;二乙基締输运速率:15 μ mol/min ;生长时间:3小时。优选的，所述的二甲基锌纯度为99.9999% ;二乙基碲纯度为99.9999%。上述的MOVPE设备是低压金属有机化学气相外延设备。本专利技术方法由于在制备外延层过程中采取了如下措施，从而提高了外延层的结晶质量。1、使用高纯(99.9999%)的DMZn和DETe作为金属有机源，避免因引入过多杂质而降低结晶质量。2、在氢气中加热衬底去除表面氧化物，以避免外延层PL谱中出现氧束缚激子发射。3、维持DMZn和DETe的输运速率为15 μ mol/min,使ZnTe保持理想化学配比。4、通过减小反应室压力，可以减弱来自衬底的自掺杂，这是由于低反应室压力增大了源自衬底的挥发性杂质的扩散系数，使大部分杂质被主气流带走；另一方面，减小反应室压力增大了衬底表面的温度梯度，减小了衬底表面的高温反应区的厚度，从而抑制了有害的寄生反应和气相成核。因此，低反应室压力可提高外延层的结晶质量。5、通过优化生长温度来提高其结晶质量。提高生长温度可以增强吸附前体的重结晶并能促进岛与岛之间的合并过程，提高外延层的结晶质量。但过高的生长温度会使反应速度变得过快，使得前体来不及调整位置就立即反应生成ZnTe，容易形成空位和混入杂质，从而使结晶质量下降。同时，高 温生长会增加衬底中的杂质扩散进入外延层，从而降低外延层的质量。优选的生长温度为400° C。本专利技术方法制备的ZnTe同质外延层具有窄的带边激子峰和窄的XRC半高宽，并且没有出现氧束缚激子及与位错有关的Y线等深能级发射，这些结果表明外延层有很好的结晶质量。本专利技术方法制备的ZnTe同质外延层，可用于绿光LED和LD以及太赫兹发射器等光电器件的制备，具有广泛的应用前景。附图说明图1是用本专利技术方法制备的不同反应室压力(300、500和700Torr)的ZnTe同质外延层的低温PL谱。激发功率为2mW，激发光波长442nm，激光斑点直径为250 μ m,测量温度为6K。其中，横坐标:光子能量/eV;纵坐标:发光强度/任意单位。所有外延层的PL谱均显示具有窄的带边激子峰(自由激子FE(Is)，中性施主束缚激子Id或中性受主束缚激子Ia)，没有出现深能级发射及与位错有关的Y线。随着反应室压力的增加，与杂质有关的发光峰(束缚激子和施主受主对)逐渐增强，说明低压下生长的ZnTe外延层具有更好的光学质量。图2是本专利技术方法制备的300Torr下生长的ZnTe外延层X射线衍射谱(XRD)。其中，横坐标:2 Θ /度；纵坐标..强度/任意单位。XRD中只观察到ZnTe (200)和(400)面的衍射峰，反映了衬底和外延层的同质外延关系，说明外延层中不存在应力释放。图3是本专利技术方法制备的不同反应室压力(300、500和700Torr)的ZnTe同质外延层的(400)面的X射线双晶摇摆曲线(XRC)。其中，横坐标:Λ ω/角秒；纵坐标:强度/任意单位。随着反应室压力增加，ZnTe外延层XRC的半高宽明显增加，说明低压下生长的ZnTe外延层具有更好的结晶质量。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术`做进一步说明，但不限于此。实施例1:—种締化锌同质外延层的制备方法，米用金属有机化学气相外延工艺，以二甲基锌和二乙基締为金属有机源,用氢气作为载气,用低压金属有机化学气相外延设备在ZnTe(100)衬底上生长碲化锌外延层；其工艺条件如下:生长时衬底温度:400° C;反应室压力:300Torr ；二甲基锌输运速率:15 μ mol/min ;二乙基締输运速率:15 μ mol/min ;生长时间:3小时上述制备方法的操作步骤如下:UZnTe衬底的清洗:将(100)面ZnTe衬底在有机溶剂丙酮中超声清洗5分钟后，放到1%溴甲醇溶液中在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碲化锌同质外延层的制备方法，采用低压金属有机化学气相外延工艺，以二甲基锌和二乙基碲为金属有机源，用氢气作为载气，用低压金属有机化学气相外延设备在ZnTe（100）衬底上生长碲化锌外延层；其工艺条件如下：反应室压力：100－760Torr；生长时衬底温度：380－460°C；二甲基锌输运速率：10－30μmol/min；二乙基碲输运速率：10－30μmol/min；生长时间：2－10小时。

【技术特征摘要】
1.一种締化锌同质外延层的制备方法,米用低压金属有机化学气相外延工艺，以二甲基锌和二乙基締为金属有机源，用氢气作为载气，用低压金属有机化学气相外延设备在ZnTe (100)衬底上生长碲化锌外延层；其工艺条件如下: 反应室压力:100 — 76OTorr ； 生长时衬底温度:380 — 460° C ； 二甲基锌输运速率:10 - 30ymol/min ； 二乙基締输运速率:10 — 30 μ mol/min ； 生长时间:2 — 10小时。2.如权利要求1所述的一种碲化锌同质外延层的制备方法，其特征在于其操作步骤如下: DZnTe衬底的清洗:将(100)面ZnTe衬底在有机溶剂丙酮中超声清洗3 — 5分钟后，放到1%溴甲醇溶液中在浸泡处理20 - 30分钟，最后用去离子水冲洗干净； 2)将MOVPE设备反应室通入H2,在500— 600° C保持20 — 40分钟，去...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀子武，黄树来，张磊，郭其新，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：