[发明专利]一种氧化锡单晶薄膜的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种氧化锡单晶薄膜的制备方法，属于半导体光电子材料技术领域。

(二)背景技术

氧化锡(SnO₂)是一种具有直接带隙的宽禁带半导体材料。与氮化镓(GaN，Eg～3.4eV)和氧化锌(ZnO，Eg～3.37eV，激子束缚能为～60meV)相比较，氧化锡材料不仅具有更宽的带隙和更高的激子束缚能(室温下分别是～3.7eV和～130meV)，而且具有制备温度低、物理化学性能稳定等优点，因此氧化锡是制备紫外光电子器件的材料。以前对氧化锡的研究主要集中在透明导电和气敏性质及纳米材料性质等方面。目前氧化锡薄膜材料主要用于薄膜太阳能电池和发光器件的透明电极以及气敏传感器等。

当前用常规方法制备氧化锡薄膜存在的问题如下：

(1)常压化学气相淀积(APCVD)和磁控溅射等传统方法制备的氧化锡透明导电膜薄膜目前已得到广泛的应用，主要用作光电子器件的窗口材料。本征的氧化锡为n型半导体材料，而常规方法制备的氧化锡薄膜一般为多晶结构，薄膜的缺陷较多，在带隙中形成大量的缺陷能级，构成复合中心，因此一般情况下只能观测到由缺陷能级产生的低能量的发光，难以获得具有带间发射性质的氧化锡薄膜材料。

(2)由于氧化锡的本征缺陷是n型的，并且存在自补偿作用，因此常规方法制备的氧化锡多晶薄膜，即使通过掺杂也难以获得性能优良并且稳定的P型氧化锡薄膜材料。

(3)要制造实用的氧化锡薄膜材料的半导体器件，首先需要制备出高质量的氧化锡单晶外延薄膜，在此基础上，通过掺杂获得性能优良并且稳定的P型氧化锡薄膜材料。外延氧化锡单晶薄膜需要与氧化锡晶格相匹配的衬底材料，目前使用最普遍的玻璃和硅衬底材料不能满足上述要求。

(三)发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高质量的氧化锡单晶薄膜的外延制备方法。

一种氧化锡单晶薄膜的外延制备方法，采用有机金属化学气相淀积(MOCVD)工艺，以四乙基锡[Sn(C₂H₅)₄]为有机金属源，用氮气作为载气，用氧气作为氧化气体，用MOCVD设备在真空条件下在蓝宝石衬底上外延生长氧化锡单晶薄膜；其工艺条件如下：

反应室压强30-100Torr，

生长温度500～800℃

背景N₂流量200-800sccm

有机金属源温度10-25℃

有机金属源载气(N₂)流量10-60sccm

氧气流量10-100sccm

在上述制备工艺条件下氧化锡薄膜的外延生长速率为0.5～1.5nm/min。

上述制备方法的操作步骤如下：

1.先将MOCVD设备反应室抽成高真空状态4×10^-4Pa-5×10^-4Pa，将衬底加热到生长温度500～800℃；

2.打开氮气瓶阀门，向真空反应室通入氮气(背景N₂)200-800sccm，反应室压强30-100Torr，保持30-35分钟；

3.打开氧气瓶阀门，氧气流量10-100sccm，保持8-12分钟；

4.打开有机金属源(锡源)瓶阀门，调节载气(N₂)流量10-60sccm，保持8-12分钟；

5.将氧气和有机源载气同时通入反应室，保持时间为80-180分钟；

6.反应结束，关闭锡源瓶和氧气瓶阀门，用氮气冲洗管道20-30分钟。

优选的，上述的有机金属源是99.9999％的高纯Sn(C₂H₅)₄。

优选的，上述的载气是由99.999％的高纯氮气经纯化器纯化为99.9999999％的超高纯氮气，氧气是99.999％的高纯氧气。

优选的，上述的蓝宝石抛光晶面是(001)晶面。

优选的，工艺条件如下：

反应室压强50Torr

生长温度650℃

背景N₂流量400sccm。

有机金属源温度20℃

有机金属源载气流量30sccm

氧气流量50sccm