一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，涉及薄膜材料的制備。包括以下步驟：1)將襯底清洗后用氮氣吹干，然后轉(zhuǎn)入分子束外延生長系統(tǒng)，進行氧等離子退火；2)將步驟1)經(jīng)氧等離子退火后的襯底進行氮等離子處理，隨后進行鎂原子沉積；3)在步驟2)完成后，通過低溫生長氧化鋅緩沖層和高溫生長氧化鋅薄膜，即完成氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜。采用分子束外延生長設(shè)備在MgO襯底上制備高質(zhì)量氧化鋅單晶樣品，通過襯底表面預(yù)處理工藝，獲得高質(zhì)量的氧化鋅單晶薄膜，可以運用于紫外發(fā)光、激光二極管等方面，有很大的應(yīng)用前景，工藝簡單，可重復(fù)性好。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及薄膜材料的制備，尤其是涉及一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法。
技術(shù)介紹
作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的氧化鋅，具有優(yōu)良的物理特性：透明導(dǎo)電、壓電等。氧化鋅(ZnO)同時具有更大的激子結(jié)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禁帶寬度以及直接躍遷型半導(dǎo)體特征，使得氧化鋅具有很優(yōu)越的光電性質(zhì)，具有更好的導(dǎo)熱性能以及高的抗電壓擊穿能力，同時，其載流子飽和漂移速度更快，使氧化鋅在紫外探測以及激光二極管等有著極為廣闊的應(yīng)用前景。因此，這種材料在熱電器件、光電器件等具有良好的應(yīng)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，越來越多的研究人員和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注著器件質(zhì)量級氧化鋅外延膜的制備。但商業(yè)化的氧化鋅單晶襯底由于其昂貴的價格，成為限制氧化鋅薄膜同質(zhì)外延的瓶頸。異質(zhì)外延高質(zhì)量的氧化鋅薄膜的技術(shù)成為更具高的應(yīng)用價值前景。目前氧化鋅薄膜的制備技術(shù)有很多，比如溶膠-凝膠法(sol-gel)、金屬有機氣相外延生長法(MOVPE)、氣-液-固(VLS)機制的催化反應(yīng)生長法、化學氣相沉積法(CVD)、磁控濺射(MagnetronSputtering)等。公開號為CN1789495的專利報道了在藍寶石上通過金屬界面層修飾表面制備氧化鋅薄膜，但是立方相的金屬界面層不助于氧化鋅薄膜應(yīng)力的釋放。公開號為CN1564314A的專利報道了用低、中、高三個溫度生長ZnO薄膜，實現(xiàn)適配應(yīng)力的充分釋放。但生長過程中多次氧化鋅的生長，增加了重復(fù)獲得高質(zhì)量薄膜的困難。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供可有效提升氧化鋅薄膜結(jié)晶質(zhì)量的一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法。本專利技術(shù)包括以下步驟：1)將襯底清洗后用氮氣吹干，然后轉(zhuǎn)入分子束外延生長系統(tǒng)，進行氧等離子退火；2)將步驟1)經(jīng)氧等離子退火后的襯底進行氮等離子處理，隨后進行鎂原子沉積；3)在步驟2)完成后，通過低溫生長氧化鋅緩沖層和高溫生長氧化鋅薄膜，即完成氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜。在步驟1)中，所述襯底可采用氧化鎂(111)襯底，所述氧化鎂(111)襯底可采用合肥科晶規(guī)格為10mm×5mm×0.5mm的氧化鎂襯底；所述清洗可依次通過酒精和丙酮超聲清洗；所述進行氧等離子退火可在800℃操作臺溫度下進行1h氧等離子高溫退火，射頻功率為250W,氧壓為5×10^-5mbar；選擇高溫下氧氛圍下退火是在處理襯底表面的同時，防止襯底氧空位缺陷的產(chǎn)生。在步驟2)中，所述氮等離子處理可在700℃操作臺溫度下進行10min的氮等離子處理，射頻功率為300W,氮壓為2×10^-5mbar；所述鎂原子沉積可在高真空下進行1min的鎂原子沉積，鎂的溫度為350℃，重復(fù)處理5周期。本專利技術(shù)采用分子束外延的方法進行薄膜的制備。在氧化鎂(111)面上生長氧化鋅薄膜的界面工程中，最關(guān)鍵的是襯底表面的處理方法以及緩沖層的對應(yīng)力的釋放。本專利技術(shù)采用分子束外延生長設(shè)備(MBE)在MgO襯底上制備高質(zhì)量氧化鋅單晶樣品，通過襯底表面預(yù)處理工藝，獲得高質(zhì)量的氧化鋅單晶薄膜，可以運用于紫外發(fā)光、激光二極管等方面，有很大的應(yīng)用前景，此方法工藝簡單，可重復(fù)性好，具有一定的經(jīng)濟價值。本專利技術(shù)利用等離子體輔助分子束外延(P-MBE)設(shè)備，對氧化鎂襯底進行原位處理，從而為生長高質(zhì)量的氧化性薄膜的外延提供一種界面預(yù)處理方法。即在高溫下進對襯底進行氧等離子體處理，然后通過5周期的氮、鎂交替沉積來處理襯底表面。該工藝手法可有效提升氧化鋅的薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。附圖說明圖1為實施例1所制得的氧化鋅單晶薄膜反射高能電子衍射(RHEED)圖片。圖2為實施例1所制得的氧化鋅單晶薄膜的原子力顯微鏡(AFM)圖片。圖3為實施例所制得的氧化鋅單晶薄膜的X射線衍射(XRD)圖片。圖中可以看出納米結(jié)構(gòu)沿著c軸取向生長。圖4為實施例1所制得的氧化鋅單晶薄膜的透射譜圖片。具體實施方式實施例1(1)選擇氧化鎂(111)襯底制備ZnO單晶薄膜，襯底是合肥科晶規(guī)格為10mm×5mm×0.5mm的晶向指數(shù)(111)的氧化鎂襯底。首先把襯底依次通過酒精和丙酮超聲清洗五次，并用氮氣吹干，以達到去除表面污染物的作用。然后傳入分子束外延生長系統(tǒng)。(2)在800℃操作臺溫度下進行1h氧等離子高溫退火，射頻功率為250W,氧壓為5×10^-5mbar.選擇高溫下氧氛圍下退火是在處理襯底表面的同時，防止襯底氧空位缺陷的產(chǎn)生。(3)在700℃操作臺溫度下進行10min的氮等離子處理，射頻功率為300W,氮壓為2×10^-5mbar.隨后在高真空下進行1min的鎂原子沉積，鎂的溫度為350℃。重復(fù)處理五周期。(4)在500℃操作臺溫度下，生長10min的低溫氧化鋅緩沖層，其中氧壓為1×10^-5mbar,射頻功率為250W,鋅源溫度為330℃。(5)在800℃操作臺溫度下，生長1h的高溫氧化鋅單晶薄膜，其中氧壓為2×10^-5mbar，射頻功率250W，鋅源溫度為340℃。在樣品生長的過程中，利用反射高能電子衍射儀對薄膜進行表征，圖1表示的是生長的薄膜，近連續(xù)銳利的條紋狀光斑表明了生長的氧化鋅薄膜具有非常好的表面平整度及原子周期性排列。圖2為原子力顯微鏡對薄膜進行表面形貌進行的表征。分析可知，5μm范圍內(nèi)的粗糙度(RMS)為1.3nm。圖3為X-Ray衍射儀對樣品的表征圖譜，表明了氧化鋅薄膜c軸的優(yōu)先取向生長。圖4為室溫下薄膜的透射譜光學表征，顯示出在377.4nm波段有較強的紫外吸收，表明該樣品有很好的光學性能，能夠適用于器件的制作。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟：1)將襯底清洗后用氮氣吹干，然后轉(zhuǎn)入分子束外延生長系統(tǒng)，進行氧等離子退火；2)將步驟1)經(jīng)氧等離子退火后的襯底進行氮等離子處理，隨后進行鎂原子沉積；3)在步驟2)完成后，通過低溫生長氧化鋅緩沖層和高溫生長氧化鋅薄膜，即完成氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟：
1)將襯底清洗后用氮氣吹干，然后轉(zhuǎn)入分子束外延生長系統(tǒng)，進行氧等離子退火；
2)將步驟1)經(jīng)氧等離子退火后的襯底進行氮等離子處理，隨后進行鎂原子沉積；
3)在步驟2)完成后，通過低溫生長氧化鋅緩沖層和高溫生長氧化鋅薄膜，即完成氧化
鎂襯底生長氧化鋅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于在步驟1)中，
所述襯底采用氧化鎂(111)襯底。
3.如權(quán)利要求2所述一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于所述氧化鎂
(111)襯底采用合肥科晶規(guī)格為10mm×5mm×0.5mm的氧化鎂襯底。
4.如權(quán)利要求1所述一種氧化鎂襯底生長氧化鋅薄膜的方法，其...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王惠瓊，李東華，周華，康俊勇，
申請(專利權(quán))人：廈門大學，
類型：發(fā)明
國別省市：福建;35
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