利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法技术

一种利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选用一衬底，并在MOCVD设备的低温生长区中对衬底进行锌化处理；步骤2：用载气将含锌源的金属有机化合物和笑气分别通入MOCVD设备的低温生长区中，在低温生长区对衬底进行一层低温氧化锌材料的生长；步骤3：关闭金属有机化合物和笑气，通过MOCVD设备的传动装置，将低温下生长的氧化锌材料从反应室的低温生长区移动至高温退火区，进行高温快速退火；步骤4：通过传动装置，将高温快速退火之后生长有氧化锌材料的衬底从高温退火区移动至低温生长区，重复步骤2、步骤3若干次；步骤5：待低温生长区温度降至室温后，利用传动装置将生长有氧化锌材料的衬底移动至取样区，取出样品，完成氧化锌材料的生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新型化合物半导体薄膜材料生长
，主要内容为在同一 MOCVD 反应室(包括低温生长区101和高温退火区10 内交替进行氧化锌材料的低温生长和高温快速退火，改善氧化锌结晶质量。同时通过调节高温退火气氛种类和流量，降低SiO中背景电子浓度，为实现高结晶质量、稳定可靠的P型ZnO材料打下良好的基础。
技术介绍
ZnO是目前宽禁带半导体研究的热点材料之一，由于其直接带隙以及很大的激子束缚能(60meV)而受到广泛关注，有望在平板显示器件、紫外发光二极管和激光二极管等光电子领域获得应用。此外，生长ZnO所用的原料来源广泛，其薄膜外延生长温度也较低， 在工业生产中极具成本优势。为了充分发挥ZnO材料的优势，制作上述器件、实现相应的用途，必须克服两个主要障碍高质量ZnO外延薄膜的获得；P型ZnO材料的实现。ZnO外延薄膜的制备一般采用MOCVD和MBE方法。在实验室中广泛采用 MBE (molecular beam epitaxy)方法，MBE可以通过精确控制生长气氛中的II/VI比，以及掺杂剂和锌源、氧源的比例进行ZnO薄膜的生长与ρ型掺杂。但是MBE设备生长成本高昂， 生长速度慢(典型生长速度为4nm/min)，不利于在大规模工业化生产中应用。以往的MOCVD生长ZnO薄膜材料，为了提高结晶质量，需要对生长后的样品进行退火处理。然而，这种退火方式需要将生长好的样品取出，在反应室之外的高温退火炉内进行。如果需要多次生长、多次退火，将耗费大量的时间和人力资源。同时，在取出样品进行退火的过程中，会难以避免地造成样品的污染，进而影响样品质量。目前，无论是在高质量ZnO外延薄膜的获取，还是在ρ型ZnO薄膜的制备方面，高温退火和温度调制都是经常被使用的技术，可以有效改善生长的氧化锌材料的结晶质量。 其中，高低温度调制生长技术，更是在Ρ型aio材料的制备中得到广泛应用，并且取得了一系列令人瞩目的成果。然而，在MBE设备中进行高低温度调制生长和ρ型掺杂，高温退火的过程一般是基于激光加热技术来实现。而用于加热的激光斑点面积很小(lmm2)。因此，即使获得高质量的氧化锌材料，由于样品体积过小，导致其实用价值有限，不利用规模化、产业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。使用MOCVD 反应室内置的高温退火装置，在不同种类及流量的气氛中对氧化锌样品进行快速热处理。 在本专利技术中，由于氧化锌材料的低温生长和高温退火是在同一反应室内连续进行，中间的热处理过程不需要将样品取出。因此，可以方便地进行多次高低温度调制生长，大大提高了氧化锌的生长效率。同时，也有效避免了传统方法取出样品，到反应室外的专用退火炉中进行退火所造成的样品污染，提高了样品的清洁度和结晶质量。本专利技术提供一种，该方法包括以下步骤步骤1 选用一衬底，并在MOCVD设备的低温生长区中对衬底进行锌化处理；步骤2 用载气将含锌源的金属有机化合物和笑气分别通入MOCVD设备的低温生长区中，在低温生长区对衬底进行一层低温氧化锌材料的生长；步骤3 关闭金属有机化合物和笑气，通过MOCVD设备的传动装置，将低温下生长的氧化锌材料从反应室的低温生长区移动至高温退火区，进行高温快速退火；步骤4 通过传动装置，将高温快速退火之后生长有氧化锌材料的衬底从高温退火区移动至低温生长区，重复步骤2、步骤3若干次；步骤5 待低温生长区温度降至室温后，利用传动装置将生长有氧化锌材料的衬底移动至取样区，取出样品，完成氧化锌材料的生长。其中步骤1所述的衬底的材料为蓝宝石或单晶硅。其中步骤1所述的对衬底进行锌化处理，具体过程是先在300-700°C且通氮气的条件下将衬底烘烤10分钟，再使用氮气+锌有机源的混合载气锌化衬底2-5分钟。其中步骤2所述的含锌源的金属有机化合物为二乙基锌，所用载气为氮气，低温生长区生长氧化锌材料的温度为300-700°C，时间为1-10分钟。其中步骤3中高温退火区的温度为800-1200°C，高温快速退火时间为0. 5_3分钟， 退火气氛为氮气、氧气、氩气或者它们的混合气体，退火气氛的流量为0. 5-^lm。其中步骤4中对低温生长和高温快速退火的重复次数为2-10次。其中步骤2氧化锌材料生长的低温生长区的压强为50-100Torr。 本专利技术与现有的技术相比，具有以下意义。1)能够获得高度单一 C轴取向的ZnO薄膜。根据与同等生长条件下未经高温退火的SiO样品以及传统方法生长之后在反应室之外的高温退火炉内进行退火的SiO样品相比，高低温度调制方法生长的ZnO材料具有更窄的XRD摇摆曲线半宽。这表明本专利技术有传统热处理方法生长ZnO所不具备的优势。2)本专利技术方法简单，成本低，生长速度快。MBE和MOCVD作为两种主要的高质量材料生长技术，所得到的晶体质量被公认为是其他技术所无法比拟的，尤其是MOCVD技术，由于其相对低廉的成本，已经在工业化生产中得到广泛的应用。相比与之前提到的MBE生长技术，我们专利技术的方法具有高生长速度，达到lum/hr，同时生长质量较好。3)通过控制高温退火气氛种类与流量，可以使ZnO材料的电阻发生从η型低阻到高阻的转变，获得的ZnO材料可分别用于不同的用途。其中，高阻ZnO材料的获取，证明ZnO 中的本征背景电子浓度得到了有效的抑制，为P型ZnO材料的获取打下了很好的基础。同时，我们利用笑气同时作为氧源和N掺杂源，降低了 MOCVD气路和操作系统的复杂性，并且取得了较好的效果。4)通过调整锌源和氧源的流量比，通入反应室的有机源总流量，低温生长温度和时间、高温退火温度和时间，以及高低温调制生长的重复次数，可以控制ZnO薄膜的生长速度、电阻率、反射率等物理参数。附图说明为了进一步说明本专利技术的特征和效果，下面结合附图和实施对本专利技术做进一步的说明，其中图1是本专利技术的工艺流程图。图2是利用高低温度调制生长氧化锌材料的MOCVD设备结构示意图。图3是利用高低温度调制生长的SiO材料，与同等生长条件下未经高温退火的SiO 材料以及传统方法生长之后在反应室之外的高温退火炉内进行退火的aio材料的χ射线衍射(XRD) θ-2 θ测试结果和XRDco-θ测试摇摆半宽的数据。图4是本专利技术所获得的SiO材料的X射线光电子能谱(XPS)测试结果。具体实施例方式本专利技术的关键在于在MOCVD设备中利用高低温度周期调制生长氧化锌材料。由于已有的MBE温度调制生长技术受到成本、生长速度以及激光退火面积过小的限制，因此， 我们在自制的MOCVD设备中进行SiO材料的温度周期调制生长。笑气可以被同时用作ZnO 材料生长的氧源和N掺杂源，降低了 MOCVD气路和操作系统的复杂性，有利于工业生长的实现。同时，相比于传统的MOCVD设备，本专利技术中ZnO的低温生长和高温退火可以在同一MOCVD 反应室内连续反复进行，大大提高了效率，并减少取出样品退火造成的污染。请参阅附图1和图2，本专利技术提供一种， 该方法包括以下步骤步骤1 选用一衬底，并在MOCVD设备的低温生长区101中对衬底进行锌化处理，所述的衬底的材料为蓝宝石或单晶硅，所述的对衬底进行锌化处理，具体过程是先在 300-700°C且通氮气的条件下将衬底烘烤10分钟，再使用氮气+锌有机源的混合载气锌化衬底2-5分钟；步骤2 用载本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法，该方法包括以下步骤：步骤１：选用一衬底，并在ＭＯＣＶＤ设备的低温生长区中对衬底进行锌化处理；步骤２：用载气将含锌源的金属有机化合物和笑气分别通入ＭＯＣＶＤ设备的低温生长区中，在低温生长区对衬底进行一层低温氧化锌材料的生长；步骤３：关闭金属有机化合物和笑气，通过ＭＯＣＶＤ设备的传动装置，将低温下生长的氧化锌材料从ＭＯＣＶＤ设备反应室的低温生长区移动至高温退火区，进行高温快速退火；步骤４：通过传动装置，将高温快速退火之后生长有氧化锌材料的衬底从高温退火区移动至低温生长区，重复步骤２、步骤３若干次；步骤５：待低温生长区温度降至室温后，利用传动装置将生长有氧化锌材料的衬底移动至取样区，取出样品，完成氧化锌材料的生长。

【技术特征摘要】
1.一种利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法，该方法包括以下步骤步骤1 选用一衬底，并在MOCVD设备的低温生长区中对衬底进行锌化处理；步骤2 用载气将含锌源的金属有机化合物和笑气分别通入MOCVD设备的低温生长区中，在低温生长区对衬底进行一层低温氧化锌材料的生长；步骤3 关闭金属有机化合物和笑气，通过MOCVD设备的传动装置，将低温下生长的氧化锌材料从MOCVD设备反应室的低温生长区移动至高温退火区，进行高温快速退火；步骤4 通过传动装置，将高温快速退火之后生长有氧化锌材料的衬底从高温退火区移动至低温生长区，重复步骤2、步骤3若干次；步骤5 待低温生长区温度降至室温后，利用传动装置将生长有氧化锌材料的衬底移动至取样区，取出样品，完成氧化锌材料的生长。2.根据权利要求1所述的利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法，其中步骤1所述的衬底的材料为蓝宝石或单晶硅。3.根据权利要求1所述的利用温度周期调制生长氧化锌材料的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：时凯，刘祥林，魏鸿源，焦春美，王俊，李志伟，宋亚峰，杨少延，朱勤生，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11