專利名稱：籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備，具體地說是一種籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
ZnO是直接寬帶隙II-VI族半導(dǎo)體材料，其能帶寬度為3.37eV，室溫激子束縛能高達(dá)60meV，理論上可以用其得到高效紫外(UV)發(fā)光。ZnO與GaN具有相似的晶格結(jié)構(gòu)及禁帶寬度，但ZnO原料價(jià)格便宜、容易獲得，而且比GaN具有更高的熔點(diǎn)，熔點(diǎn)在1975℃。ZnO室溫激子束縛能為60meV。由于室溫激子柬縛能遠(yuǎn)高于室溫?zé)犭x化能25meV，也遠(yuǎn)高于GaN的激子束縛能28meV，使得ZnO在室溫下能以較低的能量產(chǎn)生激光。ZnO在室溫下的激子受激發(fā)射已經(jīng)被觀測到。由于對UV-激光器、紫外發(fā)光二極管(UV-LED)、UV-探測器件等UV光電器件日益增長的需求，人們把注意力轉(zhuǎn)移到ZnO的研究上，因此ZnO迅速成為當(dāng)前國際該領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn)。
國內(nèi)外關(guān)于ZnO材料的研究工作發(fā)展迅速，其薄膜制備方法主要為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)及這些方法的衍生技術(shù)。采用上述方法都需要價(jià)格昂貴的設(shè)備和高運(yùn)轉(zhuǎn)成本，而且都必須在500℃以上的高溫下完成材料生長。在高溫下進(jìn)行ZnO晶體薄膜生長容易產(chǎn)生熱缺陷，另外，ZnO晶體薄膜與Al2O3襯底在晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)等方面的差異也極易產(chǎn)生熱缺陷，因而很難制備高質(zhì)量的ZnO薄膜。雖然國內(nèi)外的科學(xué)家們在這方面的研究已取得了較大進(jìn)步，但離滿足器件質(zhì)量要求的ZnO薄膜材料還有很大距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種重復(fù)性好、可靠性高、成本低的低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用非晶—籽晶誘導(dǎo)方法生長氧化鋅薄膜。首先，通過化學(xué)反應(yīng)制備出非晶ZnO；然后利用非晶ZnO的亞穩(wěn)特性，在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最后在低溫下，如200℃，用液相外延自組裝技術(shù)生長高質(zhì)量的ZnO薄膜。
制備非晶ZnO。將等質(zhì)量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，有利于兩者完全反應(yīng)。在160℃下反應(yīng)2～4小時(shí)，將產(chǎn)物用去離子水清洗并在100℃烘干后得到白色的非晶ZnO粉末。
在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶。利用旋涂技術(shù)將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋涂在清洗好的襯底上，其中襯底可采用晶體SiO2、Al2O3、GaAs或Si。在180～200℃下反應(yīng)2～4小時(shí)。由于非晶ZnO的亞穩(wěn)特性，在溫度180℃～200℃時(shí)非晶ZnO分子被激活，在襯底的誘導(dǎo)下沿著襯底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
用液相外延自組裝方法生長出ZnO薄膜。將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10-5M/mL的乙酸鋅有機(jī)溶液中，在80℃～100℃低溫下，生長15～20小時(shí)，就得到高質(zhì)量的ZnO晶體薄膜。所用的有機(jī)溶劑為乙醇或一縮乙二醇或二縮乙二醇或正丁醇或?yàn)趼逋衅坊蚓郾ｄ@。
由于利用非晶—籽晶誘導(dǎo)法和低溫液相外延自組裝技術(shù)，因此，用本發(fā)明制備的ZnO晶體薄膜具有質(zhì)量高、重復(fù)性好、可靠性高、成本低、易形成產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，為ZnO紫外光電器件的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了有效的材料制備方法。
具體實(shí)施例方式
在室溫下，把等質(zhì)量的乙酸鋅、碳酸氫鈉充分研磨至使乙酸鋅和碳酸氫鈉可以完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。乙酸鋅和碳酸氫鈉為化學(xué)分析純試劑。乙酸鋅和碳酸氫鈉充分研磨后，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，有利于兩者完全反應(yīng)。在160℃下反應(yīng)2小時(shí)，產(chǎn)物用去離子水清洗并在100℃烘干，得到白色的非晶ZnO粉末。
利用旋涂技術(shù)將1％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋涂在清洗好的襯底上。所使用的乙醇為化學(xué)分析純試劑，所用的襯底為晶體Al2O3，襯底的晶格方向是(0001)。在200℃下反應(yīng)3小時(shí)。非晶ZnO反應(yīng)后，在襯底Al2O3(0001)方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
將Al2O3襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1×10-5M/mL的乙酸鋅有機(jī)溶液中，在80℃低溫下，生長20小時(shí)，制備出ZnO晶體薄膜。所用的有機(jī)溶劑是二縮乙二醇。二縮乙二醇為化學(xué)分析純試劑。
用X射線衍法測定ZnO晶體薄膜。X射線衍射結(jié)果只顯示出ZnO(002)的衍射峰，且其半寬度僅為7’(0.12°)。從室溫光致發(fā)光光譜中，得知只有紫外發(fā)射。
權(quán)利要求
1.籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特征是首先，通過化學(xué)反應(yīng)制備出非晶ZnO；然后利用非晶ZnO的亞穩(wěn)特性，在襯底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最后在低溫下，用液相外延自組裝技術(shù)生長高質(zhì)量的ZnO薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特征是將等質(zhì)量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，在160℃下反應(yīng)2～4小時(shí)，將產(chǎn)物用去離子水清洗并在100℃烘干后得到白色的非晶ZnO粉末；用旋涂技術(shù)將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋涂在清洗好的襯底上，在160～200℃下反應(yīng)2～4小時(shí)，非晶ZnO沿著襯底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶；將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10-5M/mL的乙酸鋅有機(jī)溶液中，在80℃～100℃低溫下，生長15～20小時(shí)，得到高質(zhì)量的ZnO晶體薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特征是襯底采用晶體SiO2或Al2O3或GaAs或Si。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特征是所述的乙酸鋅有機(jī)溶液的有機(jī)溶劑是乙醇或一縮乙二醇或二縮乙二醇或正丁醇或?yàn)趼逋衅坊蚓郾ｄ@。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法，其特征是乙酸鋅和碳酸氫鈉充分研磨后，使乙酸鋅與碳酸氫鈉完全混合，在160℃下反應(yīng)2小時(shí)；用旋涂技術(shù)將1％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋涂在清洗好的襯底上，所用的襯底為晶體Al2O3，襯底的晶格方向是(0001)，在200℃下反應(yīng)3小時(shí)；將Al2O3襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1×10-5M/mL的乙酸鋅有機(jī)溶液中，在80℃低溫下，生長20小時(shí)，所用的有機(jī)溶劑是二縮乙二醇。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，是籽晶誘導(dǎo)、低溫液相外延自組裝生長氧化鋅薄膜的方法。將等質(zhì)量的乙酸鋅與碳酸氫鈉在室溫下充分研磨，在160℃下反應(yīng)2～4小時(shí)，將產(chǎn)物用去離子水清洗并在100℃烘干。利用旋涂技術(shù)將1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均勻地旋涂在清洗好的襯底上，在180～200℃下反應(yīng)2～4小時(shí)。將襯底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10
文檔編號(hào)C30B19/00GK1696356SQ200410010860
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者王志軍, 呂有明, 申德振, 王之建, 李守春, 元金山, 張吉英, 范希武 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所