專利名稱：在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指低溫條件下，在硅襯底上，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法生長出高晶體質(zhì)量氧化鋅晶體薄膜的方法。
背景技術(shù)：
II-VI族化合物半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，因其具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和光學(xué)性能，正受到人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注和研究。ZnO具有寬的帶隙、很高的化學(xué)溫度性和熱溫度性，在大氣中不易被氧化，與III-V族氮化物和II-VI族硒化物相比，其材料的穩(wěn)定性是其它材料所無法比擬的。高達(dá)60meV的束縛激子能再加上量子限制效應(yīng)，使得此種材料制成的紫外二極管或紫外激光器的潛在應(yīng)用價(jià)值很大。在室溫下觀察到用光泵激發(fā)的受激發(fā)射使人們對(duì)ZnO的研究興趣更濃厚。雖然生長更高質(zhì)量的ZnO還有待進(jìn)一步研究，但其作為繼III-V族氮化物和II-VI族的硒化物之后又一新的寬禁帶半導(dǎo)體激光器材料已經(jīng)顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。目前人們對(duì)ZnO的研究還處于開始階段，ZnO主要還是在襯底藍(lán)寶石(0001)，硅(111)，(100)晶面上進(jìn)行外延生長。盡管MOCVD技術(shù)能夠制備高質(zhì)量、大面積、均勻的外延或多晶薄膜，但是利用MOCVD工藝，在硅襯底上直接生長ZnO是非常困難的，所以沉積一層Al2O3薄膜作為緩沖層(buffer)層對(duì)在硅襯底上生長ZnO薄膜有很大好處，這可以從生長結(jié)果得知。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)室中使用的氧極易氧化有機(jī)源，此外精確控制氧的流速也不是一件容易的事。因?yàn)樯鲜隼щy加上對(duì)ZnO的認(rèn)識(shí)還不夠深入，得到的大多還只都是多晶的ZnO外延膜。隨著生長條件的優(yōu)化，ZnO外延薄膜的晶體質(zhì)量得到逐步提高，但總的來說，目前ZnO的單晶質(zhì)量離器件制作的要求還有一定距離，還需要得到進(jìn)一步的提高和完善。
本發(fā)明以前的ZnO外延生長方法大多采用磁控濺射等方法生長ZnO或分子束外延(MBE)方法在藍(lán)寶石襯底上直接外延生長ZnO，很少在Si襯底上生長出較好的ZnO外延薄膜。同時(shí)因?yàn)閆nO與Si襯底的晶格失配較大，而且ZnO易蒸發(fā)，在生長過程中對(duì)表面的平衡氣壓要求比較高，存在生長條件的優(yōu)化和控制問題，影響到薄膜生長的均勻性。由于目前在ZnO生長過程中存在的這些問題，使得Si上生長ZnO的外延膜質(zhì)量不是很高，還達(dá)不到器件制作的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用Al2O3buffer在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的MOCVD方法。其方法是在襯底硅(001)晶面上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣向沉積(MOCVD)的方法首先生長一層氧化鋁薄膜，然后在氧化鋁薄膜上生長氧化鋅薄膜。氧化鋅薄膜沉積時(shí)襯底溫度約300℃，壓力約20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。同時(shí)優(yōu)化生長條件，如溫度、壓力的控制，通過這些措施可以有效地提高ZnO外延膜的質(zhì)量，并提高表面的平整度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一種在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在大失配襯底硅(001)晶面上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜；(2)在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。
其中所述的采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜，其溫度為800℃至1200℃。
其中所述的在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜，其溫度為250℃至400℃。
其中氧化鋅薄膜的生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。
其中氧化鋅薄膜表面粗糙度Rms小于1.2nm。
其中氧化鋅薄膜XRD曲線半峰寬小于0.3度。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；
圖2是本發(fā)明的高質(zhì)量氧化鋅外延膜的表面粗糙度Rms測(cè)試結(jié)果圖；圖3是本發(fā)明的高質(zhì)量氧化鋅外延膜的X射線θ-2θ測(cè)試結(jié)果；圖4是本發(fā)明的高質(zhì)量氧化鋅外延膜的RHEED照片；圖5是本發(fā)明的高質(zhì)量氧化鋅外延膜的截面照片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明關(guān)鍵在于解決ZnO在硅襯底上生長過程中的晶體質(zhì)量比較差的問題。由于ZnO與Si襯底有較大的失配，在加上ZnO用MOCVD方法生長條件較難控制，使得ZnO單晶的外延生長比較困難。本發(fā)明為了解決外延ZnO在硅襯底上生長的問題，提出了采用在硅上先生長一層氧化鋁薄膜，再低溫生長ZnO薄膜的解決方案。這樣使得相對(duì)質(zhì)量較高的單晶外延ZnO薄膜在低溫硅襯底上異質(zhì)外延生長，同時(shí)優(yōu)化MOCVD的生長條件達(dá)到提高外延ZnO薄膜晶體質(zhì)量的目的。
具體實(shí)施過程請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，包括如下步驟(1)在大失配襯底10硅(001)晶面上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜20；其中所述的采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜20，其溫度為800℃至1200℃。
(2)在氧化鋁薄膜20上低溫生長氧化鋅薄膜30；其中所述的在氧化鋁薄膜20上低溫生長氧化鋅薄膜30，其溫度為250℃至400℃；其中氧化鋅薄膜30的生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm；其中氧化鋅薄膜30表面粗糙度Rms小于1.2nm；其中氧化鋅薄膜30XRD曲線半峰寬小于0.3度。
由以上步驟對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析，用此方法生長的氧化鋅薄膜30為晶體質(zhì)量較高的氧化鋅薄膜，在X射線θ-2θ衍射圖譜中只有ZnO(0002)峰存在，曲線半峰寬小于0.3度(圖3)，其表面粗糙度Rms小于1.2nm(圖2)。氧化鋅薄膜30RHEED照片為規(guī)則點(diǎn)帶狀(圖4)。這說明本發(fā)明可以大幅度提高ZnO外延膜的表面平整度并在硅襯底上得到高質(zhì)量的ZnO外延膜(圖5)。
本發(fā)明利用MOCVD技術(shù)在硅(Si)(100)襯底上低溫生長出高質(zhì)量的ZnO外延膜。使大失配襯底上生長ZnO晶體質(zhì)量得以提高，而且MOCVD技術(shù)適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)，低溫技術(shù)可以很好的降低生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在大失配襯底硅(001)晶面上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜；(2)在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，其中所述的采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜，其溫度為800℃至1200℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，其中所述的在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜，其溫度為250℃至400℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，其中氧化鋅薄膜的生長壓力20Torr，生長厚度0.1-0.5μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，其中氧化鋅薄膜表面粗糙度Rms小于1.2nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，其中氧化鋅薄膜XRD曲線半峰寬小于0.3度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種在硅襯底上低溫生長高結(jié)晶質(zhì)量氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在大失配襯底硅(001)晶面上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法高溫生長氧化鋁薄膜；(2)在氧化鋁薄膜上低溫生長氧化鋅薄膜。用此方法生長的氧化鋅薄膜為高結(jié)晶質(zhì)量薄膜，晶體結(jié)晶質(zhì)量高且表面光滑。XRD曲線半峰寬小于0.3度。其表面粗糙度Rms小于1.2nm。RHEED圖像為規(guī)則點(diǎn)帶狀。
文檔編號(hào)C30B29/16GK1741258SQ200410056958
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月23日
發(fā)明者沈文娟, 曾一平, 王啟元, 王俊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所