一种制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法
【专利摘要】本发明公开的高质量ZnMgBeO薄膜的方法，采用的是等离子体辅助分子束外延方法。将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400～700℃，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为1×10-6～1×10-5Torr，以纯金属Zn源、Mg源和Be源为反应源，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜。采用本发明方法Be掺杂浓度易控，能有效保证薄膜的质量，制备的ZnMgBeO薄膜具有优异的光学性能和电学性能。Be掺杂有效地抑制了缺陷发光，极大地提高了ZnMgBeO薄膜的发光性能，同时，降低了ZnMgBeO薄膜的本底电子浓度，为制备高发光性能的ZnO基光电器件奠定了基础。
【专利说明】一种制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种ZnO基薄膜的生长方法，尤其是高质量ZnMgBeO薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]ZnO作为直接带隙宽禁带半导体材料，室温禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV，这些特点使ZnO基材料在紫外光电领域有着巨大的应用潜力。为实现其广泛应用，需要解决两大关键问题:制备性能优异的η型和P型ZnO ;生长量子阱结构提高光电器件效率。目前，ZnMgO被认为是ZnO基量子阱合适的势垒材料，主要原因是Mg2+半径(0.57 Α)与Zn2+半径(0.60 Α)接近，在ZnMgO合金中随着Mg含量的增加，禁带宽度增大的同时不会引起明显的晶格畸变。然而MgO为立方结构，与ZnO的六方结构不一致，这将导致Mg含量增大后出现分相问题。有研究指出ZnBeO合金可避免上述问题，由于BeO与ZnO晶体结构相同。但是Be2+半径(0.31 Α)较小，大量Be掺入会引起较大的晶格畸变。综合上述分析，掺入少量Be和适量Mg对ZnO进行能带裁剪，将是一种比较理想的途径。
[0003]除此之外，理论研究表明引入Be或Mg可以降低受主杂质的离化能，尤其是弓I入Be可有效地提高受主有效激活率，从而实现高空穴浓度P型掺杂。另一方面，由于Be-O键具有很高的键能，引入Be使氧空位的形成能更高，可有效抑制氧空位的形成。抑制氧空位一方面可显著减弱由氧空位等缺陷引起的缺陷发光峰，另一方面可有效地降低由氧空位等施主性缺陷引起的本底电子浓度。
[0004]因此，亟需发展一种通过调控Be、Mg掺入量来解决ZnMgO或ZnBeO三元合金所面临的问题以及改善P型掺杂的新途径。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服ZnMgO或ZnBeO三元合金所面临的问题，提供一种同时引入Be和Mg,制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法。
[0006]本发明的制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法，包括以下步骤:
将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400?700 0C，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为I X 10_6?I X 10_5 Torr,以纯金属Zn、Mg和Be源为反应源，调节Zn源温度为260?350 V，调节Mg源温度为340?400 V，调节Be源温度为800?1000 V，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长结束后将薄膜在氧气氛下，以小于等于5 V /min的速率降温冷却至室温。
[0007]本发明中，所述的O2的纯度为99.9999 %以上，金属Zn的纯度为99.9998 %以上，金属Mg的纯度为99.9999 %以上，金属Be的纯度为99.9999 %以上。所说的衬底可以是ZnO体单晶或c面蓝宝石。
[0008]本发明以经过射频活化的纯O2为O源，生长过程，Zn原子束流、Mg原子束流、Be原子束流与O等离子体发生反应，在衬底上沉积生成ZnMgBeO薄膜。
[0009]本发明薄膜中Mg的掺入浓度和Be的掺入浓度由Mg源的温度和Be源的温度调节，薄膜厚度由生长时间所决定。薄膜中缺陷发光峰抑制及本底电子浓度降低的效果由Be的掺入浓度调控。
[0010]本发明的有益效果在于:
本发明采用等离子体辅助分子束外延方法制备ZnMgBeO薄膜，有效保证了薄膜的质量，Mg、Be掺入浓度易控，制备的ZnMgBeO薄膜具有优异的光学和电学性能。通过调控Be掺入浓度，可有效地抑制ZnMgBeO薄膜的缺陷发光；同时，有效地降低ZnMgBeO薄膜的本底电子浓度。本发明方法简单可控，在抑制ZnMgBeO薄膜缺陷发光的同时，降低薄膜本底电子浓度，为制备高发光性能的ZnO基光电器件奠定了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室温光致发光谱。
【具体实施方式】
[0012]实施例1
将c面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至600 °C，调节生长室压力为2X 10_6 Torr,以经过射频活化的纯O2 (纯度99.9999 %)为O源，活化O2的射频功率为350 W ;金属Zn (纯度99.9998 %)源、Mg (纯度99.9999 %)源、Be (纯度99.9999 %)源为反应源，调节Zn源加热温度至280 V、Mg源加热温度至350 V、Be源加热温度至880 °C，在c面蓝宝石上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为3小时，薄膜厚约为350nm0
[0013]采用相同的工艺，以金属Zn (纯度99.9998 %)源、Mg (纯度99.9999 %)源为反应源，在衬底上生长ZnMgO薄膜。
[0014]图1显示了 ZnMgBeO薄膜和ZnMgO薄膜的室温光致发光谱,从图中看出，ZnMgO薄膜缺陷峰明显，薄膜发光性能较差；ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有优异的光学性能。
[0015]同时，制得的ZnMgBeO薄膜具有优异的室温电学性能，本底电子浓度为4X1016cnT3,相对于ZnMgO薄膜的本底电子浓度(I X 117 cnT3 )有明显的降低。
[0016]实施例2
将c面蓝宝石衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至700 °C，调节生长室压力为3X 10_6 Torr,以经过射频活化的纯O2(纯度99.9999%)为O源，活化O2的射频功率为350 W ;金属Zn (纯度99.9998 %)源、Mg (纯度99.9999 %)源、Be (纯度99.9999%)源为反应源，调节Zn源加热温度280 0C ,Mg源加热温度至350 °C ,Be源加热温度至900°C，在c面蓝宝石衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为2小时，薄膜厚约为200 nm。
[0017]制备的ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有良好的光学性能；本底电子浓度低至2 X 116 cm 3O
[0018]实施例3
将ZnO单晶衬底进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至500 °C，调节生长室压力为6X 10_6 Torr,以经过射频活化的纯O2 (纯度99.9999%)为O源，活化O2的射频功率为350 W ;金属Zn (纯度99.9998 %)源、Mg (纯度99.9999 %)源、Be (纯度99.9999%)源为反应源，调节Zn源加热温度300 0C ,Mg源加热温度至360 °C ,Be源加热温度至910V，在ZnO单晶衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长时间为2小时，薄膜厚约为300 nm。
[0019]制得的ZnMgBeO薄膜观测不到缺陷峰，具有良好的光学性能；本底电子浓度低至3 X 116 cm 3O
【权利要求】
1.制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法,其步骤如下: 将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，衬底温度加热至400?700 V，将纯O2经过射频活化形成的氧等离子体作为O源，调节生长室压力为I X 10_6?I X 10_5 Torr,以纯金属Zn、Mg和Be源为反应源，调节Zn源温度为260?350 V，调节Mg源温度为340?400 V，调节Be源温度为800?1000 V，在衬底上生长ZnMgBeO薄膜，生长结束后将薄膜在氧气氛下，以小于等于5 V /min的速率降温冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法，其特征是所述的衬底是ZnO体单晶或c面蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的制备高质量ZnMgBeO薄膜的方法，其特征是所述的O2的纯度为99.9999 %以上，金属Zn的纯度为99.9998 %以上，金属Mg的纯度为99.9999 %以上，金属Be的纯度为99.9999 %以上。
【文档编号】C30B25/16GK104451867SQ201410661515
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】叶志镇, 陈珊珊, 潘新花, 黄靖云, 吕斌 申请人:浙江大学