專(zhuān)利名稱:具有硅襯底的氧化鋅薄膜及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜材料,特別涉及寬禁帶半導(dǎo)體材料。
背景技術(shù):
第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO,是繼GaN以后的又一種紫外發(fā)光材料,在光電信息功能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。目前,在ZnO基片以及Al2O3,ScAlMgO4基片上,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單晶ZnO薄膜的制備。Si是一種成本較為低廉的襯底材料,用途十分廣泛。如果能利用Si襯底來(lái)外延ZnO薄膜,一方面可以降低成本,利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展;同時(shí),也將有利于與ZnO器件的光電合成,更廣泛地開(kāi)發(fā)ZnO基光電器件。然而由于ZnO與Si襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配,所以很難在Si基片上直接外延出高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜。SiC的晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)與ZnO相似,因此利用SiC作為ZnO薄膜的襯底材料,技術(shù)上實(shí)現(xiàn)較為容易。2004年“Japanese Journal of Applied physics Part 1-regular papersshort notes & review papers,43(2004)p1114-1117”報(bào)導(dǎo)了在6H-SiC單晶基片上制備ZnO薄膜的結(jié)果。但是SiC單晶價(jià)格昂貴,不適合ZnO的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。此外,也有在ZnO和Si之間設(shè)置過(guò)渡層的做法,例如,在“Journal of the Korean physical society32(1998)S1741-S1743”中,報(bào)導(dǎo)了具有ZnO/AlN/Si結(jié)構(gòu)的材料,主要用于聲波導(dǎo)器件。由于AlN近似于絕緣體,很難用于光電器件。而采用SiC做過(guò)渡層在Si上生長(zhǎng)ZnO的技術(shù)至今還未見(jiàn)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,克服Si與ZnO晶格失配問(wèn)題,選擇合適的材料作為過(guò)渡層,用于制備高質(zhì)量的ZnO薄膜,同時(shí)降低制備成本,使其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的具有硅襯底的氧化鋅薄膜,包括襯底、過(guò)渡層和ZnO外延層,其特征在于,所述的過(guò)渡層是在Si基片上利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源生長(zhǎng)形成的SiC膜層,該層厚度為0.005-3微米。
本發(fā)明的具有硅襯底的氧化鋅薄膜的制備方法,包括清洗Si基片、制備SiC過(guò)渡層及制備ZnO薄膜,其特征在于,所述制備SiC過(guò)渡層是在去除表面氧的Si基片上,利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源,在氫氣氛、壓力大于2000帕真空、1200-1400℃溫度環(huán)境中生長(zhǎng)形成SiC膜層,其生長(zhǎng)時(shí)間為10-250分鐘,C3H8流量為3-30標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘,SiH4流量為10-200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘。
其具體制備過(guò)程為(1)清洗Si基片,并放入MOCVD系統(tǒng)的預(yù)置真空室;(2)制備SiC過(guò)渡層。將預(yù)置真空室中的Si基片通過(guò)送樣機(jī)構(gòu)送入高溫反應(yīng)室,用常規(guī)方法去除Si表面的氧,然后利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源,在氫氣氛、壓力大于2000帕真空、1200-1400℃溫度環(huán)境的高溫反應(yīng)室內(nèi)生長(zhǎng)形成SiC膜層,根據(jù)所需膜層厚度調(diào)節(jié)控制生長(zhǎng)時(shí)間和C3H8和SiH4流量。
(3)制備ZnO薄膜。利用送樣機(jī)構(gòu)將具有SiC過(guò)渡層的基片從高溫反應(yīng)室移入ZnO反應(yīng)室,在氮?dú)夥障?,利用CO2和二乙基鋅(DEZ)作為反應(yīng)源來(lái)生長(zhǎng)形成,其技術(shù)條件與操作步驟與在Si基片上生長(zhǎng)ZnO的現(xiàn)有技術(shù)相同。
SiC薄層的結(jié)晶質(zhì)量,主要由溫度決定。溫度越高,SiC薄膜的結(jié)晶質(zhì)量越高,同時(shí),SiC薄膜的厚度也對(duì)結(jié)晶起到一定的影響。當(dāng)薄膜厚度提高時(shí),結(jié)晶質(zhì)量有一定的提高。在制備SiC過(guò)渡層的過(guò)程中,改變生長(zhǎng)時(shí)的C3H8和SiH4流量,以及生長(zhǎng)時(shí)間可以得到不同厚度以及不同結(jié)晶質(zhì)量的SiC薄膜。若增大C3H8或SiH4的流量,或者延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間均能使樣品厚度得到增加,結(jié)晶質(zhì)量也能得到相應(yīng)提高。
在制備ZnO薄膜的過(guò)程中,改變N2總流量,以及生長(zhǎng)時(shí)間,可以得到不同厚度以及不同表面形貌的薄膜。若增大N2總流量,可以加快反應(yīng)速率,同時(shí),表面也會(huì)變得更加平整。
本發(fā)明的具有硅襯底的氧化鋅薄膜,利用SiC作為兩者之間的過(guò)渡層,很好地減少了由晶格失配和熱脹系數(shù)失配所造成的晶格缺陷,從而提高了在Si基上制備的ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量;同時(shí)利用SiC擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的優(yōu)點(diǎn),有望開(kāi)拓ZnO基的新型光電材料。由于SiC/Si材料的外延技術(shù)較為成熟,成本相對(duì)比較低廉,因此,在此基礎(chǔ)上外延ZnO薄膜容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ZnO/SiC/Si薄膜比在Si基片上直接外延出的ZnO薄膜的結(jié)晶程度有了很大的提高,紫外發(fā)光強(qiáng)度也大大增強(qiáng)。
本發(fā)明的具有硅襯底的氧化鋅薄膜的制備方法,首次使用SiC膜層作為Si基片上過(guò)渡層材料,在Si基片上制得高質(zhì)量的ZnO薄膜。兩步外延均可利用現(xiàn)有的MOCVD生長(zhǎng)技術(shù),較為成熟,容易把握和控制全過(guò)程,有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。在保證樣品不受到空氣污染的情況下,Si上外延SiC和SiC上外延ZnO的兩步生長(zhǎng)過(guò)程可以分別在不同系統(tǒng)中完成,但如果能在同一個(gè)具有多個(gè)反應(yīng)室的系統(tǒng)中完成制備,不僅可避免樣品在不同系統(tǒng)之間傳輸過(guò)程中可能受到的污染,同時(shí)也可克服了在同一反應(yīng)室中生長(zhǎng)不同材料受到的交叉污染,這將更有利提高半導(dǎo)體薄膜的質(zhì)量。
圖1是本發(fā)明所述的的具有ZnO/SiC/Si結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是下述實(shí)施例3所得的ZnO薄膜的雙晶X射線衍射及其搖擺曲線圖。
圖3是下述實(shí)施例3所得的ZnO薄膜以及沒(méi)有SiC過(guò)渡層的ZnO薄膜在室溫下的光致發(fā)光譜比較圖。
參見(jiàn)圖1,1是襯底Si,2是SiC過(guò)渡層,3是ZnO外延層。
圖2是對(duì)下述實(shí)施例3中所得ZnO薄膜的X射線雙晶衍射測(cè)試的結(jié)果。當(dāng)SiC過(guò)渡層搖擺半寬達(dá)到0.63°時(shí),在其上利用上述條件制備的ZnO薄膜的衍射峰僅存在(002)和(004)取向,其(002)取向的搖擺半寬達(dá)到了1.11°。若增加ZnO薄膜的厚度,有望能得到結(jié)晶更好的ZnO薄膜。
圖3是對(duì)下述實(shí)施例3所得的ZnO薄膜與沒(méi)有SiC過(guò)渡層的ZnO薄膜在室溫下的光致發(fā)光譜比較結(jié)果。由圖可以看出,有SiC層的樣品發(fā)光明顯增強(qiáng),相比無(wú)SiC過(guò)渡層的ZnO薄膜,其發(fā)光強(qiáng)度增加了1個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例及附圖作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例11,將2英寸的Si(111)基片按前文所述的步驟完成清洗并放入MOCVD預(yù)置真空室。Si基片的清洗。Si基片大小為2英寸。用四氯化碳,甲苯,丙酮,無(wú)水乙醇依次超聲清洗10分鐘,取出用去離子水沖洗干凈;在H2O∶H2O2∶H2SO4=6∶1∶1的混合液中浸泡10分鐘,取出用去離子水沖洗干凈;利用50%的HF浸泡2分鐘,取出用去離子水沖洗干凈;用干的N2吹干后放入預(yù)置真空室。
2,將Si基片利用送樣機(jī)構(gòu),送入SiC反應(yīng)室,然后開(kāi)啟分子泵抽高真空。當(dāng)真空度達(dá)到6×10-3帕,關(guān)閉分子泵,直接使用羅茲泵保持反應(yīng)式內(nèi)真空,并通入H2,流量1.5標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(SL)。系統(tǒng)穩(wěn)定后,從室溫開(kāi)始以40℃/min速率升溫,溫度到達(dá)1200℃時(shí),恒溫20分鐘。然后自然冷卻到700℃,溫度恒定以后,通入3.5標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(sccm)的丙烷,并以40℃/min速率升溫到1250℃,真空度保持在2000帕。溫度到達(dá)后馬上結(jié)束生長(zhǎng),關(guān)閉反應(yīng)源,在H2保護(hù)下降溫后得到SiC膜層。
3,ZnO薄膜的制備。將具有SiC過(guò)渡層的基片從SiC反應(yīng)室,利用送樣機(jī)構(gòu)移入ZnO室,準(zhǔn)備ZnO薄膜的外延。開(kāi)啟分子泵,抽高真空。當(dāng)真空度達(dá)到4×10-3帕,關(guān)閉分子泵,直接使用羅茲泵保持反應(yīng)式內(nèi)真空,并通入N2,流量0.86SL。系統(tǒng)穩(wěn)定后,開(kāi)始升溫。生長(zhǎng)溫度為600℃。溫度恒定后,分別通入CO2和DEZ,流量分別為60sccm和7.0sccm,從兩路不同的管路通入反應(yīng)室。DEZ由N2攜帶,源溫控制在-10℃。從鼓泡瓶鼓出來(lái)的DEZ蒸汽再經(jīng)一路N2加速,E5流量為50sccm。生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)室的壓力為130帕。60分鐘后結(jié)束生長(zhǎng)。樣品取出后,再在空氣中700℃退火1小時(shí)后即成。經(jīng)檢測(cè),該SiC過(guò)渡層較薄,厚度為35nm,其(111)取向的雙晶X射線衍射搖擺曲線半寬1.9度;由其制備得到的ZnO薄膜(002)取向雙晶X射線衍射搖擺曲線半寬2.7度。
實(shí)施例21,將2英寸的Si基片按實(shí)施例1所述的步驟完成清洗并放入預(yù)置真空室。
2,將Si基片利用送樣機(jī)構(gòu),傳入SiC反應(yīng)室,然后開(kāi)啟分子泵抽高真空。當(dāng)真空度達(dá)到6×10-3帕,關(guān)閉分子泵,直接使用羅茲泵保持反應(yīng)式內(nèi)真空,并通入H2,流量1.5SL。系統(tǒng)穩(wěn)定后,從室溫開(kāi)始以40℃/min速率升溫,溫度到達(dá)1200℃時(shí),恒溫20分鐘。然后自然冷卻到700℃,溫度恒定以后,通入3.5sccm的丙烷,并快速升溫到1375℃,真空度保持在2000帕。90分鐘后結(jié)束生長(zhǎng)結(jié)束,關(guān)閉反應(yīng)源,在H2保護(hù)下降溫。
3,ZnO薄膜層的制備同實(shí)施例1。
經(jīng)檢測(cè),得到的SiC過(guò)渡層厚度為90nm,其(111)取向雙晶X射線衍射搖擺曲線半寬1.32度;由其制備得到的ZnO薄膜(002)取向雙晶X射線衍射搖擺曲線半寬1.48度。
實(shí)施例31,將2英寸的Si(111)基片按實(shí)施例1所述的步驟完成清洗并放入預(yù)置真空室。
2,將Si基片利用送樣機(jī)構(gòu),傳入SiC反應(yīng)室,然后開(kāi)啟分子泵抽高真空。當(dāng)真空度達(dá)到6×10-3帕,關(guān)閉分子泵,直接使用羅茲泵保持反應(yīng)式內(nèi)真空,并通入H2,流量1.5SL。系統(tǒng)穩(wěn)定后,從室溫開(kāi)始以40℃/min速率升溫,溫度到達(dá)1200℃時(shí),恒溫20分鐘。然后自然冷卻到700℃,溫度恒定以后,通入3.5sccm的丙烷,并快速升溫到1375℃,5分鐘后通入20sccm 5%的硅烷,開(kāi)始SiC過(guò)渡層的生長(zhǎng)。此時(shí)的真空度保持在2000帕,90分鐘后結(jié)束生長(zhǎng)結(jié)束,關(guān)閉反應(yīng)源,在H2保護(hù)下降溫。
3,ZnO薄膜層的制備同實(shí)施例1。
經(jīng)檢測(cè),得到的SiC過(guò)渡層厚度為900nm,其(111)取向雙晶X射線衍射搖擺曲線半寬0.67度;由其制備得到的ZnO雙晶(002)取向X射線衍射搖擺曲線半寬1.11度。
權(quán)利要求
1.一種具有硅襯底的氧化鋅薄膜,包括襯底、過(guò)渡層和ZnO外延層,其特征在于,所述的過(guò)渡層是在Si基片上利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源生長(zhǎng)形成的SiC膜層,該層厚度為0.005-3微米。
2.一種具有硅襯底的氧化鋅薄膜的制備方法,包括清洗Si基片、制備SiC過(guò)渡層及制備ZnO薄膜,其特征在于,所述制備SiC過(guò)渡層是在去除表面氧的Si基片上,利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源,在氫氣氛、壓力大于2000帕真空、1200-1400℃溫度環(huán)境中生長(zhǎng)形成SiC膜層,其生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘到250分鐘,C3H8流量為3-30標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘,SiH4流量為10-200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜材料,特別涉及寬禁帶半導(dǎo)體材料。它包括襯底、過(guò)渡層和ZnO外延層,其過(guò)渡層是在Si基片上利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源生長(zhǎng)形成的SiC膜層,該層厚度為0.005-3微米。制備方法包括清洗Si基片、制備SiC過(guò)渡層及ZnO薄膜,制備SiC過(guò)渡層是在去除表面氧的Si基片上,利用硅烷和丙烷作為反應(yīng)源,在氫氣氛、壓力大于2000帕真空、1200-1400℃溫度環(huán)境中生長(zhǎng)形成SiC膜層。本發(fā)明減少了晶格失配和熱脹系數(shù)失配造成的晶格缺陷,提高了在Si基上制備的ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量;同時(shí)利用SiC擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的優(yōu)點(diǎn),有望開(kāi)拓ZnO基的新型光電材料。兩次外延技術(shù)較為成熟,成本相對(duì)比較低廉,易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。ZnO/SiC/Si薄膜比在Si基片上直接外延ZnO薄膜的結(jié)晶程度有了很大的提高,紫外發(fā)光強(qiáng)度也大大增強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1797709SQ20041006587
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者傅竹西, 朱俊杰, 姚然, 林碧霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)