專利名稱：一種在硅襯底上生長非極性m面氧化鋅的方法
技術領域：
本發明涉及一種在硅襯底上生長非極性 面氧化鋅的方法，屬于半導體材料領域。
背景技術：
氧化鋅(ZnO)是II - VI族的氧化物半導體材料，屬于第三代的寬禁帶半導體材料，它擁有禁帶寬度大，介電常數小，電子飽和速度高，熱導性能好等特點，在高頻大功率、抗輻射、 以及短波長發光器件與光探測器件方面和其他寬禁帶半導體材料一樣有著非常廣泛的應用。雖然目前商業上GaN基的材料和器件已經做得非常成功，但SiO具有比其它寬禁帶半導體材料獨特或者更加優異的性質，它仍然吸引著越來越多的注意力。其中最重要的就是SiO的激子束縛能在室溫下可以高達60 meV，這一點是其它寬禁帶半導體材料不可比的。較高的激子束縛能對于材料在室溫下的短波長發光特性非常有利，因此ZnO材料非常適合用來制造紫外光LED和LD發光器件，可以明顯的降低制作出來的發光器件所需的閾值電流，還可以提高器件的耐熱穩定性和發光的效率。ZnO在高亮度紫外光LED和白光照明等方面的應用具有優勢。由于相對于其他晶面，ZnO (0001)面具有最低的表面自由能，因此大多數方法生長出來的ZnO材料都是沿<0001〉方向。我們知道纖鋅礦結構的SiO (0001)面是一個極性面，因此沿著&10<0001>方向存在著自發極化電場，這個自發極化場會將ZnO中的電子和空穴分離開，對ZnO發光器件的發光效率起著不利的影響。而這個問題在非極性面的SiO中可以得到避免，但是由于(0001)面具有最低的表面自由能，為了生長非極性面ZnO往往需要選擇昂貴的襯底，比如r面藍寶石，MgO等。硅作為現在被廣泛應用的半導體材料，其價格相對于r面藍寶石、MgO等襯底便宜很多，因此如何在硅襯底上直接生長非極性面&ι0，將會是一件非常有意義的事情。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種在硅襯底上生長非極性 面氧化鋅的方法。本發明采用的制備方法是原子層沉積法，是以硅為襯底，二乙基鋅和去離子水分別作為鋅源和氧源，氮氣作為鋅源、氧源的載氣；將反應生長室抽真空至10 以下，室溫 300°C下，先通入二乙基鋅，接著用氮氣吹掃，再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的厚度。為了改善SiO的晶體質量、光學性質和異質結的電學性質以及電致發光性質，還可在Si襯底和ZnO之間加入Al2O3緩沖層，Al2O3緩沖層也是用原子層沉積方法實現，具體的整體方案是
1、以硅為襯底，三甲基鋁和去離子水分別作為鋁源和氧源，氮氣作為鋁源、氧源的載氣；將反應生長室抽真空至10 以下，室溫 350°C下，向反應生長室中先通入三甲基鋁， 接著用氮氣吹掃，再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的緩沖層厚度；
2、二乙基鋅和去離子水分別作為鋅源和氧源，氮氣作為鋅源、氧源的載氣； 室溫 300°C下，向反應生長室中先通入二乙基鋅，接著用氮氣吹掃；再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的厚度。本發明方法可以直接在硅襯底上生長非極性 面&10。同時，通過加入Al2O3緩沖層后，可以改善ZnO的晶體質量、光學性質和異質結的電學性質以及電致發光性質。且以這種非極性 面ZnO生長方法，可生長非極性 面ZnO和硅的發光二級管。在上述過程中用到的原子層沉積生長法，是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法。原子層沉積與普通的化學沉積有相似之處。但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學反應是直接與之前一層相關聯的，這種方式使每次反應只沉積一層原子，所以能夠在納米尺度上對沉積工藝進行完全控制。經測試，用本發明方法可以直接在Si襯底上生長非極性《面&10，同時再插入用原子層沉積方法生長的Al2O3緩沖層后，ZnO的光致發光譜中帶邊發光峰的強度顯著增強，而異質結的漏電流減小了一個數量級，同時其電致發光性質也得到改善。


圖1是未插入和插入Al2O3緩沖層的非極性《面氧化鋅X射線衍射圖。圖2是未插入和插入Al2O3緩沖層的 面氧化鋅光致發光圖片。圖3是未插入和插入Al2O3緩沖層的異質結的電學測試圖片。圖4是本發明方法制備的非極性 面氧化鋅和硅的實際電致發光圖片。圖5為在室溫下生長的Al2O3的X射線光電子譜圖。圖6為在室溫下生長的非極性 面氧化鋅X射線衍射圖。
具體實施方式
實施例1
1.襯底清洗選擇兩英寸的硅作為襯底，采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干；
2.將反應生長室抽至真空10 以下，二乙基鋅(質量比純度在99.9%以上)和去離子水分別作為SiO的鋅源和氧源。在反應生長室3 Q 0°C的溫度下，用高純氮氣(體積比純度在99. 9%以上)作為前驅體的載氣和反應生長室的吹掃氣體，在300°C的溫度下繼續生長出 600nm厚的非極性 面SiO。 實施例2
1.襯底清洗選擇兩英寸的硅作為襯底，采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干；
2.將反應生長室抽至真空10 以下，在反應生長室350°C的溫度下，用高純氮氣(體積比純度在99. 9%以上)作為前驅體的載氣和反應生長室的吹掃氣體，用三甲基鋁(質量比純度在99. 9%以上)和去離子水分別作為Al2O3的鋁源和氧源，生長100個周期IOnm厚的Al2O3 緩沖層；
3.二乙基鋅(質量比純度在99. 9%以上)和去離子水分別作為SiO的鋅源和氧源。在 300°C的溫度下繼續生長出600nm厚的非極性 面SiO。
圖1為實施例ι制備的未插入Al2O3緩沖層和實施例2制備的插入Al2O3緩沖層的生長
4在硅襯底上的氧化鋅X射線衍射圖，從圖中可以看到用本發明的方法制備的ZnO為<10-10> 取向，即 面ZnO0圖2是為實施例1制備的未插入Al2O3緩沖層和實施例2制備的插入Al2O3緩沖層的生長在硅襯底上的氧化鋅光致發光圖片，圖片顯示用本發明的制備方法通過加入Al2O3 緩沖層可以使非極性 面aio的光致發光強度得到顯著增強。圖3是為實施例1制備的未插入Al2O3緩沖層和實施例2制備的插入Al2O3緩沖層的異質結的電學測試圖片，可以看到通過加入Al2O3緩沖層可以使異質結的漏電得到很大的改善。圖4是為實例2制備的非極性 面氧化鋅和硅的實際電致發光圖片。 實施例3
1.襯底清洗選擇兩英寸的硅作為襯底，采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干；
2.將反應生長室抽至真空10 以下，反應生長室的溫度在室溫下，用高純氮氣(體積比純度在99. 9%以上)作為前驅體的載氣和反應生長室的吹掃氣體，用三甲基鋁(質量比純度在99. 9%以上)和去離子水分別作為Al2O3的鋁源和氧源，生長100個周期IOnm厚的Al2O3 緩沖層。圖5為在室溫下生長的Al2O3的X射線光電子譜圖，可以看到用本發明方法可以在室溫下生長出ai2O3。 實施例4
1.襯底清洗選擇兩英寸的硅作為襯底，采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干；
2.將反應生長室抽至真空10 以下，反應生長室溫度在室溫下，用高純氮氣(體積比純度在99. 9%以上)作為前驅體的載氣和反應生長室的吹掃氣體，用二乙基鋅(質量比純度在99. 9%以上)和去離子水分別作為SiO的鋅源和氧源，生長非極性 面&ι0。圖6為在室溫下生長的非極性 面氧化鋅X射線衍射圖。
權利要求
1. 一種在硅襯底上生長非極性 面SiO的方法，其特征在于 以硅為襯底，二乙基鋅和去離子水分別作為鋅源和氧源，氮氣作為鋅源、氧源的載氣； 將反應生長室抽真空至10 以下，室溫 300°C下，先通入二乙基鋅，接著用氮氣吹掃，再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的厚度。
2. —種在硅襯底上生長非極性 面SiO的方法，其特征在于(1)以硅為襯底，三甲基鋁和去離子水分別作為鋁源和氧源，氮氣作為鋁源、氧源的載氣；將反應生長室抽真空至10 以下，室溫 350°C下，向反應生長室中先通入三甲基鋁， 接著用氮氣吹掃，再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的緩沖層厚度；(2)二乙基鋅和去離子水分別作為鋅源和氧源，氮氣作為鋅源、氧源的載氣；室溫 300°C下，向反應生長室中先通入二乙基鋅，接著用氮氣吹掃；再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的厚度。
全文摘要
本發明涉及一種在硅襯底上生長非極性m面ZnO的方法。以硅為襯底，二乙基鋅和去離子水分別作為鋅源和氧源，氮氣作為鋅源、氧源的載氣；將反應生長室抽真空至10Pa以下，室溫～300℃下，先通入二乙基鋅，接著用氮氣吹掃，再通入水，再吹掃，如此即為一個周期，直至器件要求的厚度。同時，通過加入Al2O3緩沖層，可改善非極性m面ZnO的晶體質量，其光致發光譜中帶邊發光峰的強度得到顯著增強，而異質結的漏電流減小了一個數量級。
文檔編號C23C16/44GK102517563SQ20121000663
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉昌 , 吳昊, 王倜, 陳超 申請人:武漢大學