一種制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法，采用的是等離子體輔助分子束外延方法。將經(jīng)清洗處理的襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至400～700℃，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室壓力為1×10-6～1×10-5Torr，以純金屬Zn源、Mg源和Be源為反應(yīng)源，在襯底上生長ZnMgBeO薄膜。采用本發(fā)明方法Be摻雜濃度易控，能有效保證薄膜的質(zhì)量，制備的ZnMgBeO薄膜具有優(yōu)異的光學(xué)性能和電學(xué)性能。Be摻雜有效地抑制了缺陷發(fā)光，極大地提高了ZnMgBeO薄膜的發(fā)光性能，同時(shí)，降低了ZnMgBeO薄膜的本底電子濃度，為制備高發(fā)光性能的ZnO基光電器件奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】一種制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種ZnO基薄膜的生長方法，尤其是高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]ZnO作為直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫禁帶寬度為3.37 eV,激子束縛能高達(dá)60 meV，這些特點(diǎn)使ZnO基材料在紫外光電領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。為實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，需要解決兩大關(guān)鍵問題:制備性能優(yōu)異的η型和P型ZnO ;生長量子阱結(jié)構(gòu)提高光電器件效率。目前，ZnMgO被認(rèn)為是ZnO基量子阱合適的勢壘材料，主要原因是Mg2+半徑(0.57 Α)與Zn2+半徑(0.60 Α)接近，在ZnMgO合金中隨著Mg含量的增加，禁帶寬度增大的同時(shí)不會引起明顯的晶格畸變。然而MgO為立方結(jié)構(gòu)，與ZnO的六方結(jié)構(gòu)不一致，這將導(dǎo)致Mg含量增大后出現(xiàn)分相問題。有研究指出ZnBeO合金可避免上述問題，由于BeO與ZnO晶體結(jié)構(gòu)相同。但是Be2+半徑(0.31 Α)較小，大量Be摻入會引起較大的晶格畸變。綜合上述分析，摻入少量Be和適量Mg對ZnO進(jìn)行能帶裁剪，將是一種比較理想的途徑。
[0003]除此之外，理論研究表明引入Be或Mg可以降低受主雜質(zhì)的離化能，尤其是弓I入Be可有效地提高受主有效激活率，從而實(shí)現(xiàn)高空穴濃度P型摻雜。另一方面，由于Be-O鍵具有很高的鍵能，引入Be使氧空位的形成能更高，可有效抑制氧空位的形成。抑制氧空位一方面可顯著減弱由氧空位等缺陷引起的缺陷發(fā)光峰，另一方面可有效地降低由氧空位等施主性缺陷引起的本底電子濃度。
[0004]因此，亟需發(fā)展一種通過調(diào)控Be、Mg摻入量來解決ZnMgO或ZnBeO三元合金所面臨的問題以及改善P型摻雜的新途徑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服ZnMgO或ZnBeO三元合金所面臨的問題，提供一種同時(shí)引入Be和Mg,制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法。
[0006]本發(fā)明的制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法，包括以下步驟:
將經(jīng)清洗處理的襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至400?700 0C，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室壓力為I X 10_6?I X 10_5 Torr,以純金屬Zn、Mg和Be源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源溫度為260?350 V，調(diào)節(jié)Mg源溫度為340?400 V，調(diào)節(jié)Be源溫度為800?1000 V，在襯底上生長ZnMgBeO薄膜，生長結(jié)束后將薄膜在氧氣氛下，以小于等于5 V /min的速率降溫冷卻至室溫。
[0007]本發(fā)明中，所述的O2的純度為99.9999 %以上，金屬Zn的純度為99.9998 %以上，金屬M(fèi)g的純度為99.9999 %以上，金屬Be的純度為99.9999 %以上。所說的襯底可以是ZnO體單晶或c面藍(lán)寶石。
[0008]本發(fā)明以經(jīng)過射頻活化的純O2為O源，生長過程，Zn原子束流、Mg原子束流、Be原子束流與O等離子體發(fā)生反應(yīng)，在襯底上沉積生成ZnMgBeO薄膜。
[0009]本發(fā)明薄膜中Mg的摻入濃度和Be的摻入濃度由Mg源的溫度和Be源的溫度調(diào)節(jié)，薄膜厚度由生長時(shí)間所決定。薄膜中缺陷發(fā)光峰抑制及本底電子濃度降低的效果由Be的摻入濃度調(diào)控。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明采用等離子體輔助分子束外延方法制備ZnMgBeO薄膜，有效保證了薄膜的質(zhì)量，Mg、Be摻入濃度易控，制備的ZnMgBeO薄膜具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能。通過調(diào)控Be摻入濃度，可有效地抑制ZnMgBeO薄膜的缺陷發(fā)光；同時(shí)，有效地降低ZnMgBeO薄膜的本底電子濃度。本發(fā)明方法簡單可控，在抑制ZnMgBeO薄膜缺陷發(fā)光的同時(shí)，降低薄膜本底電子濃度，為制備高發(fā)光性能的ZnO基光電器件奠定了基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室溫光致發(fā)光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
將c面藍(lán)寶石襯底進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至600 °C，調(diào)節(jié)生長室壓力為2X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2 (純度99.9999 %)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源、Mg (純度99.9999 %)源、Be (純度99.9999 %)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度至280 V、Mg源加熱溫度至350 V、Be源加熱溫度至880 °C，在c面藍(lán)寶石上生長ZnMgBeO薄膜，生長時(shí)間為3小時(shí)，薄膜厚約為350nm0
[0013]采用相同的工藝，以金屬Zn (純度99.9998 %)源、Mg (純度99.9999 %)源為反應(yīng)源，在襯底上生長ZnMgO薄膜。
[0014]圖1顯示了 ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室溫光致發(fā)光譜,從圖中看出，ZnMgO薄膜缺陷峰明顯，薄膜發(fā)光性能較差；ZnMgBeO薄膜觀測不到缺陷峰，具有優(yōu)異的光學(xué)性能。
[0015]同時(shí)，制得的ZnMgBeO薄膜具有優(yōu)異的室溫電學(xué)性能，本底電子濃度為4X1016cnT3,相對于ZnMgO薄膜的本底電子濃度(I X 117 cnT3 )有明顯的降低。
[0016]實(shí)施例2
將c面藍(lán)寶石襯底進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至700 °C，調(diào)節(jié)生長室壓力為3X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2(純度99.9999%)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源、Mg (純度99.9999 %)源、Be (純度99.9999%)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度280 0C ,Mg源加熱溫度至350 °C ,Be源加熱溫度至900°C，在c面藍(lán)寶石襯底上生長ZnMgBeO薄膜，生長時(shí)間為2小時(shí)，薄膜厚約為200 nm。
[0017]制備的ZnMgBeO薄膜觀測不到缺陷峰，具有良好的光學(xué)性能；本底電子濃度低至2 X 116 cm 3O
[0018]實(shí)施例3
將ZnO單晶襯底進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備，襯底溫度加熱至500 °C，調(diào)節(jié)生長室壓力為6X 10_6 Torr,以經(jīng)過射頻活化的純O2 (純度99.9999%)為O源，活化O2的射頻功率為350 W ;金屬Zn (純度99.9998 %)源、Mg (純度99.9999 %)源、Be (純度99.9999%)源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源加熱溫度300 0C ,Mg源加熱溫度至360 °C ,Be源加熱溫度至910V，在ZnO單晶襯底上生長ZnMgBeO薄膜，生長時(shí)間為2小時(shí)，薄膜厚約為300 nm。
[0019]制得的ZnMgBeO薄膜觀測不到缺陷峰，具有良好的光學(xué)性能；本底電子濃度低至3 X 116 cm 3O
【權(quán)利要求】
1.制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法,其步驟如下: 將經(jīng)清洗處理的襯底放入分子束外延設(shè)備中，襯底溫度加熱至400?700 V，將純O2經(jīng)過射頻活化形成的氧等離子體作為O源，調(diào)節(jié)生長室壓力為I X 10_6?I X 10_5 Torr,以純金屬Zn、Mg和Be源為反應(yīng)源，調(diào)節(jié)Zn源溫度為260?350 V，調(diào)節(jié)Mg源溫度為340?400 V，調(diào)節(jié)Be源溫度為800?1000 V，在襯底上生長ZnMgBeO薄膜，生長結(jié)束后將薄膜在氧氣氛下，以小于等于5 V /min的速率降溫冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法，其特征是所述的襯底是ZnO體單晶或c面藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高質(zhì)量ZnMgBeO薄膜的方法，其特征是所述的O2的純度為99.9999 %以上，金屬Zn的純度為99.9998 %以上，金屬M(fèi)g的純度為99.9999 %以上，金屬Be的純度為99.9999 %以上。
【文檔編號】C30B25/16GK104451867SQ201410661515
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】葉志鎮(zhèn), 陳珊珊, 潘新花, 黃靖云, 呂斌 申請人:浙江大學(xué)