[发明专利]基于硅基可协变衬底制备氧化锌薄膜的方法

说明书

一种基于硅基可协变衬底制备氧化锌薄膜的方法，包括：选用顶部具有超薄硅单晶层的SOI材料作为硅基可协变衬底，放入MOCVD设备中；排净MOCVD设备中反应室中的空气；在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层；在MOCVD设备中利用载气通入锌源和氧源，使得在锌隔离层上生长氧化锌薄膜；待反应室压强升至常压，温度降至常温后，关闭载气，从MOCVD设备中取出氧化锌薄膜样品。本发明采用顶部具有超薄硅单晶层的SOI材料作为可协变衬底，可以协调Si衬底上制备生长的ZnO外延层的失配应变，既降低了膜层内积聚的残余应力，还提高了薄膜的生长质量。本发明的原材料和设备成本低，工艺简单，提高了样品的清洁度和结晶质量。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于硅基可协变衬底制备氧化锌薄膜的方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)作为第三代宽禁带半导体材料的代表，可用于制作平板显示器件、发光二极管、激光器等光电子器件。此外，ZnO来源丰富，原材料价格低廉，制备方法又相对比较简单，具有非常好商用价值。尽管ZnO在半导体领域的研究与应用开发近年来受到国内外的空前重视，可是一些关键的基础问题仍没有得到根本解决，比如高质量ZnO薄膜的单晶外延生长问题和P型掺杂问题。而就ZnO薄膜的单晶外延问题而言，除了受到材料制备手段的功能局限，无合适的衬底也是主要的障碍。

ZnO薄膜的生长方法较多，比如分子束外延(MBE)、金属有机气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)及磁控溅射方法等。较于其它方法，MOCVD法因为其可以实现大面积生长、易于控制、重复性好、易实现商业化等而更具实用性。因此，大尺寸ZnO体单晶价格昂贵，直接影响到商业应用。同时，由于ZnO晶体的(0001)面具有最小的表面自由能，沿c轴生长远远快于其他方向，长出的ZnO往往倾向于沿c轴一维生长而形成棒状或柱状结构，很难形成表面平整的二维薄膜。

目前，高质量ZnO薄膜的制备研究目前仍主要采用异质衬底为主。其中，硅(Si)是ZnO异质外延生长最常用的大尺寸廉价衬底之一。但由于Si与ZnO间存在大的晶格失配，所制备得到的薄膜膜层内往往积聚较大的应力，结晶质量和表面形貌都也一直难以获得更大程度的提高，这极大限制和影响了Si基ZnO薄膜材料的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种在Si基可协变衬底上，先在衬底上生长一层锌隔离层，再使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法生长出氧化锌晶体薄膜的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于硅基可协变衬底制备氧化锌薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1：选用顶部具有超薄硅单晶层的SOI材料作为硅基可协变衬底，放入MOCVD设备中；

步骤2：将MOCVD设备中反应室抽真空至10Torr以下，再向反应室中充氮气升压，再抽至10Torr以下，如此反复两次，以排净反应室中的空气；

步骤3：在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层；

步骤4：在MOCVD设备中，将反应室低温区的压强调整为至300Torr，温度调整为至500℃，利用载气通入锌源和氧源，锌源从衬底侧面流入，氧源从衬底上部流入，氧源与锌源反应，在锌隔离层上得到一层氧化锌薄膜材料，3-8分钟后，关闭锌源和氧源，将氧化锌薄膜材料转至反应室高温区进行退火，退火温度是1000℃，1分钟后，将氧化锌薄膜材料转至反应室低温区，重复此步骤三次；

步骤6：待反应室压强升至常压，温度降至常温后，关闭载气，从MOCVD设备中取出氧化锌薄膜样品。

优选地，所述步骤1中SOI材料是采用高能氧离子注入方法制备的顶部具有30-50nm厚度的超薄Si单晶层、中间具有350-450nm厚度的氧化硅绝缘层和底部具有(100)取向硅单晶衬底的三层结构的SOI材料。