[发明专利]一种提高异质外延层晶体质量的方法

说明书

技术领域

 本发明属于纳米材料外延技术领域，具体涉及一种提高异质外延层晶体质量的方法，尤其适用于提高ZnO或MgZnO外延层晶体质量。

背景技术

ZnO作为第三代的直接带隙宽禁带半导体，其具有很宽的禁带宽度3.37eV，高的激子束缚能60meV，较低的生长温度，很强的抗辐射能力，所以其在探测和发光等多种高新技术和民用领域表现得极具发展潜力。目前来说限制ZnO产业化的瓶颈是p型ZnO，所有基于PN结的光电器件都离不开p型的半导体材料，由于ZnO的本征缺陷有间隙（Zn_i、O_i）、空位（V_Zn、V_O）以及反位（Zn_O、O_Zn），而施主型缺陷Zn_i和V_O以及一些C、H杂质的原因，导致了ZnO的本征n型导电，所以制备性能良好高稳定性的p型ZnO乃至实现ZnO在光电器件中的实际应用，则首先要抑制这些本征缺陷，提高ZnO薄膜晶体质量。

一般来说制作半导体器件要先在衬底上外延生长所需要的材料薄膜，理论上采用与ZnO同为六方结构且晶格常数相同或相近的材料作为外延衬底能得到晶体质量较好的ZnO薄膜，如ZnO衬底或者氮化镓GaN衬底，但是这两种衬底的价格非常昂贵，不利于ZnO的产业化，所以都会选择较为廉价的材料作为外延衬底，但这些衬底与ZnO的晶格失配相差较大，就不可避免地影响了ZnO外延层的结晶质量了，如与蓝宝石Al₂O₃衬底的晶格失配为14%，与（111）面的硅Si衬底晶格失配约为17%，若直接在这些衬底上生长异质ZnO薄膜不但不能得到较好的器件材料，而且会产生很多本征缺陷使ZnO薄膜呈现n型导电。所以国际上很多科研工作者都会通过设计一些缓冲层来在较为廉价的、晶格失配较大的衬底上外延得到高质量ZnO薄膜，文献上报道的有MgO，CrN，CaO等，但这些缓冲层都有着一些缺点，MgO是立方结构，与ZnO的六方结构不一样，CrN虽说也是六方结构，但其晶格常数与ZnO还是有一定的差异，CaO为无定型结构，所以这些缓冲层都不能使在异质衬底上外延的ZnO质量得到很大的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种提高异质外延层晶体质量的方法，在较为廉价的衬底上外延生长制备高质量ZnO或MgZnO外延层晶体薄膜。

本发明的另一个目的是提供一种由本发明提高异质外延层晶体质量的方法制得的高质量ZnO或MgZnO外延层晶体薄膜。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种提高异质外延层晶体质量的方法，包括如下步骤：

S1. 衬底预处理：清洗、烘烤除水、退火、氧气等离子处理衬底表面；

S2. Mg/MgO复合缓冲层生长：利用外延生长工艺在处理后的衬底上外延生长Mg金属缓冲层，外延生长参数为衬底温度T_sub=250~400℃，生长厚度为0.5nm~5nm；接着外延生长MgO缓冲层，外延生长参数为衬底温度T_sub=250~400℃，生长厚度为0.5nm~5nm；

S3. 渐变ZnO缓冲层生长：在Mg/MgO复合缓冲层上外延生长渐变ZnO缓冲层，外延生长参数为先T_sub=400℃外延生长5~50nm、接着T_sub=500℃外延生长10~100nm、最后T_sub=550℃外延生长10~300nm；

S4. ZnO或者MgZnO外延薄膜层生长：在渐变ZnO缓冲层上外延生长ZnO或者MgZnO外延薄膜层。

本发明步骤S1中，所述衬底先经过传统半导体衬底清洗工艺清洗，然后送入缓冲室中，于真空度为约10^-7Torr，170℃条件下烘烤20分钟以上，目的是为了去除样品表面的H₂O；接着将衬底送入生长室中，于真空度为10^-3～10^-11Torr，750℃条件下退火20分钟，然后用激活的氧气等离子体处理，该步骤是为了进一步去除衬底在缓冲室烘烤残留的H₂O还有C等杂质，此外氧气等离子体还可以修补衬底表面的氧缺陷，使得其表面更平整，有利于薄膜的外延的高质量生长。

本发明步骤S2中，Mg/MgO复合缓冲层是先在衬底上生长Mg缓冲层，再在Mg缓冲层上生长MgO缓冲层。