[发明专利]一种ZnO基自支撑薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种ZnO基自支撑薄膜的制备方法，属于半导体光电器件技术领域。

背景技术

伴随着III族氮化物半导体在光电子和微电子领域的广泛应用，与GaN具有相似的结构和更为优异的光电性能的ZnO材料，也得到了迅速的发展和广泛的关注，被认为是发展高性能光电子器件的优选材料。和III族氮化物相似，II族氧化物半导体ZnO为直接带隙半导体，具有较大的激子结合能，其合金材料带隙可调范围覆盖深紫外和可见光的光谱区域。与Ⅲ-Ⅴ族宽带隙半导体材料GaN相比，ZnO具有如下优点：ZnO材料制备工艺较简单，降低了材料成本；ZnO可被酸或碱腐蚀，易于制备微型器件；此外，ZnO对可见光无吸收，可用于制造透明薄膜晶体管。因此，ZnO基材料在高效激子型短波长发光器件、低阈值高功率激光器、紫外探测器件、固态照明、透明显示和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。

由于ZnO单晶衬底价格昂贵，一般采用存在晶格失配和热失配的异质衬底进行外延生长。蓝宝石材料具有热稳定好、机械强度高、化学稳定性好，制造技术相对成熟等优点，且和ZnO具有一定程度的晶格匹配，大多数ZnO基外延层使用蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石的热导率较低，成为光电子器件散热的瓶颈，与此同时，蓝宝石的电导率很低，几乎为绝缘体，严重影响了器件的电学性能和寿命，ZnO与蓝宝石异质衬底之间的分离成为获得ZnO基单晶薄膜的重大挑战。

目前ZnO与异质衬底分离常用的方法是机械研磨,另外还可以通过在衬底上做结构,使ZnO在生长结束后从异质衬底上自剥离,但是这些方法一般都比较复杂,而且会增加成本。因此，需要进一步探索和开拓ZnO基外延材料与蓝宝石异质衬底之间的分离方法，获得高质量的ZnO基自支撑薄膜。

发明内容

本发明目的是，提出一种采用激光剥离获得ZnO基自支撑薄膜的方法，剥离得到的自支撑薄膜可应用于ZnO基材料的同质生长，进行器件结构的制备，或者转移到高热导率和高电导率的支撑材料，可避免蓝宝石衬底电导率热导率低的缺陷，制备更好的器件性能。也可将获得的自支撑薄膜转移至PET等柔性衬底上，制备柔性电子器件。本发明技术方案：一种ZnO基自支撑薄膜的制备方法，使用激光剥离的方法实现蓝宝石衬底的剥离，获得ZnO基自支撑薄膜，并可通过金属熔融键合技术将自支撑薄膜转移到Cu、Si衬底或者其它高热导率和高电导率的支撑材料或PET等柔性衬底上。

ZnO基薄膜是在蓝宝石衬底上使用MOCVD方法生长的外延层薄膜，采用先低温缓冲层然后高温外延生长相结合的两步生长法，解决蓝宝石衬底与ZnO材料之间的失配问题；低温缓冲层厚度约为200-400nm，高温外延层厚度约为2-5μm；然后采用激光剥离的方法将制备的ZnO基外延层与蓝宝石衬底的分离：激光剥离外延层时，调节激光光束聚焦于样品，使用特定波长的激光(如248nm的KrF准分子激光)，从蓝宝石一侧照射样品，蓝宝石对该入射激光透明，而ZnO对该激光有强烈吸收。

使ZnO基外延层和异质蓝宝石衬底分离，入射激光能量密度，对于上述蓝宝石衬底上的ZnO外延层，激光能量密度需大于650mJ/cm²，并可通过激光扫描方式获得大面积自支撑薄膜。

进一步的，通过金属熔融键合技术将自支撑外延层薄膜转移至新衬底。转移至的新衬底材料可以是Cu、Si衬底或者其它高热导率和高电导率的支撑材料或PET等柔性衬底。

进一步的，本发明方法不仅可以剥离蓝宝石衬底上的ZnO外延层，也可剥离蓝宝石衬底上的ZnO基异质结，如ZnMgO/ZnO异质结等。

自支撑外延层薄膜转移至新衬底步骤为：

(1)将生长在蓝宝石衬底上的ZnO基外延层面向新衬底贴紧固定，平整的新衬底对即将分离的ZnO基薄膜起支撑作用；

(2)调节激光光束聚焦于样品，使用特定波长并且功率足够的激光自蓝宝石一面入射至样品，可通过激光扫描方式获得大面积自支撑薄膜；

(3)ZnO基外延层和蓝宝石异质衬底分离，获得ZnO基自支撑薄膜；

(4)使用金属熔融键合技术将自支撑薄膜转移到Cu、Si衬底或者其他高热导率和高电导率的支撑材料或PET等柔性衬底。