專利名稱：：立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種利用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法生長制備立方相氧鋅鎂單晶薄膜的方法。
背景技術(shù)：
：近幾年，工作于深紫外區(qū)(200-300nm)的半導(dǎo)體光電探測器件已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注，這是由于這一類型的器件廣泛用于火焰探測、生物化學(xué)制劑探測、空際通信、導(dǎo)彈尾焰探測、以及空氣和水等的污染檢測方面。作為一種優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體材料，MgZnO薄膜很快成為研究熱點(diǎn)，成為可以與AlGaN相媲美的候選材料。2002年，Choopim等人(Realizationofbandgapabove5.OeVinmetastablecubic-phaseMgxZnl-xOalloyfilms,S.Choopun,R.D.Vispute,W.Yang,R.P.Sharma,T.Venkatesan,andH.Shen,APPLIEDPHYSICSLETTERS,2002)實(shí)現(xiàn)了帶隙寬度大于5.OeV的立方相MgZnO薄膜，掀起了研究立方相MgZnO材料特性的熱潮。2008年，本專利申請的發(fā)明人項(xiàng)目組成功實(shí)現(xiàn)了覆蓋整個(gè)日盲波段的MgZnO基紫外探測器，這為MgZnO基深紫外光電子器件發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。人們都知道，要想實(shí)現(xiàn)高性能的MgZnO基紫外探測器件，高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料是必不可少的。然而，目前國際上獲得的MgZnO薄膜大多為六角結(jié)構(gòu)，并由于MgZnO存在結(jié)構(gòu)分相問題其結(jié)晶質(zhì)量還是一個(gè)難題。MgZnO薄膜生長的主要方法有法有分子束外延(MBE)，脈沖激光沉積(PLD)，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和磁控濺射(RF)等。MOCVD相比以上方法，具有精確控制原子組分、較快的沉積速率和大面積生長等優(yōu)勢，因而更有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。Yang小組(Realizationofbandgapabove5.OeVinmetastablecubic-phaseMgxZnl-xOalloyfilms,S.Choopun,R.D.Vispute,W.Yang,R.P.Sharma,T.Venkatesan,andH.Shen,APPLIEDPHYSICSLETTERS,2002)采用PLD方法在室溫(RT)_750°C條件下生長了MgZnO薄膜，隨著溫度的降低，薄膜中Mg組分可以擴(kuò)展到50%。利用MOCVD方法制備立方相MgZnO薄膜的報(bào)道比較少，Park小組(Heterc^pitaxialGrowthofMgOThinFilmsonA1203(0001)byMetalorganicChemicalVaporDeposition,W.I.Park,D.HKim,G.C.YiandC.Kim,Jpn.J.Appl.Phys.2002)利用MOCVD方法在500-700°C條件下生長了MgZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著Zn的摻入，薄膜的結(jié)晶性有所改善，然而XRDΦ掃描結(jié)果顯示薄膜中存在60度孿晶或倒置晶相。至今，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法實(shí)現(xiàn)立方相MgZnO單晶薄膜還未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法，制得的薄膜的吸收邊覆蓋范圍為200nm-280nm。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法，包括如下步驟1)清洗襯底(a)、藍(lán)寶石襯底的清洗，首先用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗15分鐘，去掉表面的油污，然后在硫酸磷酸=31的混合液中加熱煮沸15分鐘，得到清潔的表面，最后用去離子水沖凈并用高純氮?dú)獯蹈桑?b)、氧化鎂襯底的清洗，首先用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗15分鐘，去掉表面的油污，然后用高純氮?dú)獯蹈桑?)啟動(dòng)循環(huán)水、氮?dú)饧兓?、高頻加熱爐、半導(dǎo)體冷阱和恒溫水浴槽的電源；3)利用二甲基二茂鎂作為鎂源，利用恒溫水浴槽將源溫控制在40°C50°C范圍內(nèi)；利用二乙基鋅作為鋅源，半導(dǎo)體冷阱源溫控制為_5°C；4)利用氮?dú)饧兓骷兓蟮母呒兊獨(dú)庾鳛檩d氣，控制管路壓力為2XIO5Pa；通過流量計(jì)控制II族、VI族載氣的摩爾流量分別為0.07mol/min,0.05mol/min,同時(shí)用機(jī)械泵為生長管抽真空，調(diào)節(jié)低壓控制器控制生長室壓力在2XIO4Pa；5)啟動(dòng)高頻爐產(chǎn)生高壓，調(diào)節(jié)高壓輸出數(shù)值，控制生長溫度在280°C450°C；6)打開鎂源、鋅源的源瓶進(jìn)出口閥門，調(diào)節(jié)鎂源的流量計(jì)，使其摩爾流量為1840μmol/min；調(diào)節(jié)鋅源的流量計(jì)，使其摩爾流量為0.453μmol/min；以高純氧氣為氧源，壓力為3XIO5Pa,調(diào)節(jié)氧氣流量計(jì)，使其摩爾流量控制在0.07mol/min；7)打開鎂源、鋅源以及氧氣R閥，開始生長，生長時(shí)間控制在150分鐘；8)生長結(jié)束后，關(guān)閉鎂源、鋅源的源瓶進(jìn)出口閥門，關(guān)閉氧氣閥門，待襯底溫度降到室溫，取出樣品，則完成立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備。本發(fā)明的有益效果是利用LP-MOCVD方法在低溫富氧條件下生長了立方相MgZnO單晶薄膜，薄膜的吸收邊由200nm拓寬至280nm，并連續(xù)可調(diào)；在此基礎(chǔ)上制備的日盲探測器光響應(yīng)度提高3個(gè)量級，暗電流從IOV下IOpA降低到0.45pA，降低近2個(gè)量級。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明是利用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(LP-MOCVD)方法在低溫富氧條件下生長立方相MgZnO薄膜。其基本原理是將高純N2載氣通入盛有金屬有機(jī)源(MO)的不銹鋼源瓶內(nèi)鼓泡，攜帶金屬有機(jī)物的載氣通入反應(yīng)室，在加熱的石墨舟上與反應(yīng)氣體O2相遇并反應(yīng)，在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積。在下面的具體生長條件下，半導(dǎo)體冷阱控制MO源瓶的溫度在_30°C20°C，襯底溫度控制在200°C700°C范圍內(nèi)。具體的生長條件是生長室壓力控制在2X104pa，生長溫度在280-450°C區(qū)間；載氣為99.999%的高純氮?dú)?，以二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40-50°C，其摩爾流量為18-40μmol/min；二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C，其摩爾流量為0.45-3μmol/min；以高純氧氣作為氧源，其摩爾流量控制在0.07mol/min，使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(13000)。實(shí)施例1利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在50°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C;以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)?。具體制備工藝條件如下生長室壓力為2XIO4Pa,生長溫度為450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為40μmol/min,0.45μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。由透射光譜表明薄膜的吸收邊位于200nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行雙晶X射線衍射測量，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像呈現(xiàn)出明亮的、單一圓形衍射光斑。幾個(gè)參數(shù)測量結(jié)果都表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例2利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。以二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C;以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)?。具體制備工藝條件如下生長室壓力為2XIO4Pa,生長溫度為450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18ymol/min,0.5ymol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min，使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。由透射光譜表明薄膜的吸收邊位于220nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行雙晶X射線衍射測量，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像呈現(xiàn)出明亮的、單一圓形衍射光斑。幾個(gè)參數(shù)測量結(jié)果都表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例3利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C;以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)?。具體制備工藝條件如下生長室壓力為2XIO4Pa,生長溫度為450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,2μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。通過透射光譜表明薄膜的吸收邊位于240nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行雙晶X射線衍射測量，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像呈現(xiàn)出明亮的、單一圓形衍射光斑。幾個(gè)參數(shù)測量結(jié)果都表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例4利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C;以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)狻＞唧w制備工藝條件如下生長室壓力為2X104pa，生長溫度為450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,3μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。通過透射光譜測量表明薄膜的吸收邊位于250nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行雙晶X射線衍射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像呈現(xiàn)出明亮的、單一圓形衍射光斑。幾個(gè)參數(shù)測量結(jié)果都表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例5利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C；以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)狻＞唧w制備工藝條件如下生長室壓力為2XIO4Pa,生長溫度為350°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,3μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。通過透射光譜測量表明薄膜的吸收邊位于270nm附近。薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行了雙晶X射線衍射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像呈現(xiàn)出明亮的、單一圓形衍射光斑。幾個(gè)參數(shù)測量結(jié)果都表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例6利用低壓MOCVD設(shè)備，選用c面藍(lán)寶石(0001)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C；以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)狻＞唧w制備工藝條件如下生長室壓力為2XIO4Pa,生長溫度為280°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,3μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。由透射光譜測量表明薄膜的吸收邊位于280nm附近。薄膜的結(jié)晶質(zhì)量由雙晶X射線衍射判定，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(111)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為3個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為120°；二維XRD圖像為圓形衍射斑。表明為立方相MgZnO單晶薄膜。實(shí)施例7利用低壓MOCVD設(shè)備，選用氧化鎂(100)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C；以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)?。具體制備工藝條件如下生長室壓力為2X104pa，生長溫度450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,2μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。由透射光譜表明薄膜的吸收邊位于240nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行了雙晶X射線衍射測量，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(200)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為4個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為90°。表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。實(shí)施例8利用低壓MOCVD設(shè)備，選用氧化鎂(100)襯底。用二甲基二茂鎂(MCp2Mg)作為鎂源，源溫控制在40°C;二乙基鋅(DEZn)作為鋅源，源溫控制為_5°C；以高純氧氣為氧源。載氣為純度為99.999%的氮?dú)?。具體制備工藝條件如下生長室壓力為2X104pa，生長溫度為450°C。進(jìn)入生長室的Mg和Zn的摩爾流量分別為18μmol/min,3μmol/min；0的摩爾流量為0.07mol/min,使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(約13000)。由透射光譜測量表明薄膜的吸收邊位于250nm附近。對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行雙晶X射線衍射測量，結(jié)果表明MgZnO薄膜為立方(200)取向，無其他衍射峰出現(xiàn)；Φ掃描為4個(gè)尖銳衍射峰，間隔恰好為90°。表明所得的立方相MgZnO為單晶薄膜。權(quán)利要求立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)清洗襯底(a)、藍(lán)寶石襯底的清洗，首先用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗15分鐘，去掉表面的油污，然后在硫酸∶磷酸＝3∶1的混合液中加熱煮沸15分鐘，得到清潔的表面，最后用去離子水沖凈并用高純氮?dú)獯蹈桑?b)、氧化鎂襯底的清洗，首先用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗15分鐘，去掉表面的油污，然后用高純氮?dú)獯蹈桑?)啟動(dòng)循環(huán)水、氮?dú)饧兓?、高頻加熱爐、半導(dǎo)體冷阱和恒溫水浴槽的電源；3)采用二甲基二茂鎂作為鎂源，利用恒溫水浴槽將源溫控制在40℃～50℃范圍內(nèi)；利用二乙基鋅作為鋅源，半導(dǎo)體冷阱源溫控制為-5℃；4)采用經(jīng)氮?dú)饧兓骷兓蟮母呒兊獨(dú)庾鳛檩d氣，控制管路壓力為2×105Pa；通過流量計(jì)控制Ⅱ族、Ⅵ族載氣的摩爾流量分別為0.07mol/min、0.05mol/min，生長室壓力控制由一臺壓力控制器和機(jī)械泵來完成，生長室壓力在2×104Pa；5)啟動(dòng)高頻爐調(diào)節(jié)高壓輸出，控制生長溫度在280℃～450℃；6)打開鎂源、鋅源的源瓶進(jìn)出口閥門，調(diào)節(jié)鎂源的流量計(jì)，使其摩爾流量為18～40μmol/min；調(diào)節(jié)鋅源的流量計(jì)，使其摩爾流量為0.45～3μmol/min；以高純氧氣為氧源，壓力為3×105Pa，調(diào)節(jié)氧氣流量計(jì)，使其摩爾流量控制在0.07mol/min；7)打開鎂源、鋅源以及氧氣R閥，開始生長，生長時(shí)間控制在150分鐘；8)生長結(jié)束后，關(guān)閉鎂源、鋅源的源瓶進(jìn)出口閥門，關(guān)閉氧氣閥門，待襯底溫度降到室溫，取出樣品，則完成立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法，其特征在于，所述單晶薄膜的厚度在700-800nm之間。全文摘要立方相氧鋅鎂單晶薄膜的生長制備方法屬于半導(dǎo)體光電材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，該方法利用LP-MOCVD方法在低溫富氧條件下生長立方相MgZnO薄膜，生長條件是選用藍(lán)寶石和氧化鎂襯底，生長室壓力為2×104Pa，生長溫度280-450℃；載氣為99.999％氮?dú)猓琈Cp2Mg作為鎂源，源溫控制在40-50℃，其摩爾流量為18-40μmol/min；DEZn作為鋅源，源溫為-5℃，摩爾流量為0.45-3μmol/min；以高純氧氣作氧源，摩爾流量為0.07mol/min，使得II/VI族比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。本發(fā)明生長制備的立方相氧鋅鎂單晶薄膜，結(jié)晶質(zhì)量高，具有很好的重復(fù)性；薄膜的吸收邊覆蓋范圍為200-280nm。文檔編號C30B25/16GK101838845SQ20101017283公開日2010年9月22日申請日期2010年5月17日優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日發(fā)明者單崇新,姚斌,張吉英,張振中,李炳輝,王立昆,申德振,趙東旭,鄭劍申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所