专利名称：在Si衬底上生长ZnO薄膜的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别涉及 一 种在Si 衬底上生长Zn0薄膜的方法。
io
背景技术：
ZnO是一种典型的宽禁带半导体，其室温下禁带宽 度为3 . 3 7 eV，且激子束缚能高达6 0 meV，比室温 热离化能(2 6 meV )大很多。从理论上来说，具有大 的束缚能的激子更宜在室温下实现高效率的激光发
15射。因此，ZnO是一种合适的用于室温或更高温度下的 紫外光发射材料。另外ZnO具有较大的光电耦合系数， 较低的温度系数，较小的介电常数，较高的光透过率 等优异特性，因此在半导体压敏、压电、铁电器件、 声表面波器件等方面具有广泛的应用前景。
20 目前生长ZnO薄膜所用的衬底多种多样，如蓝宝
石，Si， ScAlMg04, GaAs， CaF2， Si02等。为了获得高 质量的ZnO单晶薄膜，采用同质外延是最佳选择。但目前获得高质量的Zn0体单晶还比较困难，另外其生 产成本也比较高，这两点直接限制了 Zn0体单晶的应 用。因此采用异质外延将成为生长Zn0薄膜的主流， 异质外延的衬底多种多样，如何选择合适的异质衬底 5 成为我们首先面临的问题。日本Osaka大学的H. Asahi 小组曾经研究了在蓝宝石和多孔石英玻璃衬底上生长 的多晶GaN薄膜的发光性质，他们发现即使多晶GaN 薄膜也具有很强的 PL发光峰(Jpn. J. Appl. Phys.， Part 2 36,L6 61 (1997)， J. Cryst. Growth
10188,98 (1998), 209 ，387 (200 0 ))，他们还对多晶GaN薄膜进行了 n型和p型掺杂， 因此，他们指出利用多晶GaN薄膜制备大面积、低成 本光学器件的可能性。此后，他们在更多的衬底上生 长了具有很强PL发光峰的多晶GaN薄膜，如Si、多
is晶半导体、铁磁性材料等，特别的，他们还在多种金 属衬底上生长了 GaN薄膜，并得到了很好的实验结果 (Appl.Phys.Lett.V7 8,2 8 4 9 ( 2 0 0 1 "。
由于ZnO和GaN具有很大的相似性，它们具有相 同的晶格结构，且晶格常数及热膨胀系数等都非常接 20 近，因此可以生长GaN薄膜的衬底同样也可以用来生 长ZnO薄膜；与此同时，作为衬底，金属的导热性很 好，可以解决现在普遍存在的器件的散热难的问题，
并且其具有导电性，可充当一个电极，有利于后期的
器件制备。因此在金属衬底上生长Zn0薄膜具有很好
的应用刖景。但金属衬底的抛光是一个费时费力的过
程，考虑到S i衬底的导热性和导电性也都非常好，我
们木百到先在Si衬底上蒸发一层较厚的金属层，然后再
在金属层上生长ZnO薄膜，这样既解决了直接在Si衬
底上生长Zn0薄膜时，在生长初斯阶段Si衬底容易被
氧化成无定型的S i 02的问题，也解决了金属衬底抛光
难的问题
发明内容
本发明的目的在于提供一种在Si衬底上生长z
薄膜的方法，即先在S i衬底上沉积 一 层0 . 5 0
iim的金属层，再在该金属层上生长Zn0薄膜。这样可 15 以缓解ZnO薄膜与S i衬底之间晶格失配及热失配较大 的问题，且能解决薄膜生长初期S i衬底表面被氧化的 问题。另外，金属层及S i衬底的散热性都很好，可以 解决现在普遍存在的器件的散热难的问题，有利于提 高器件的性能；同时金属层及S i衬底的导电性也很好， 20 在后期的器件制备过程中，可以只作单个电极，简化 了器件的制备过程。
本发明提供的在Si衬底上生长ZnO薄膜的方法是
通过如下技术方案实现的
本发明提供 一 种在Si衬底上生长Zn0薄膜的方
法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1 :利用化学清洗方法将S i衬底表面清洗干
净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层；
步骤2 :将处理干净的S i衬底放入沉积设备中，
蒸发一层金属缓冲层；
步骤3:将覆盖金属缓冲层的Si衬底放入生长设
备中，生长Zn0同质缓冲层；
10步骤4 :在Zn0同质缓冲层上生长Zn0薄膜，兀
成在S i衬底上Zn0薄膜的制备。 、
其中所述的S i衬底包括(0 0 1 ) 、 ( 0 11
或(1 1 1 )晶向的S i衬底。
其中所述的金属缓冲层包括金、银、铝或镁。
15其中所述金属缓冲层的厚度为0.5 1 0 u
其中所述的蒸发金属的沉积设备为物理气相沉积
设备。
其中所述的生长设备包括分子束外延设备、化
学气相沉积设备、金属有机物化学气相沉积设备或激
20光脉冲沉积设备。
其中所述的采用化学气相沉积设备生长ZnO薄膜
时，是用金属Zn和H20作为源材料，N2作为载气进行 的。
其中所述的ZnO同质缓冲层的生长温度为4 5 0 °C 7 0 0 °C， 厚度为l 0 0nm 6 0 Onm。
5 其中所述的ZnO薄膜的生长温度为7 5 0 8 5
0°C， 厚度为lnm 10 0ym。
本发明的优点
本发明提供了 一种在S i衬底上生长ZnO薄膜的方 io法，即先在S i衬底1 0上沉积 一 层0 . 5 1 0 u m的 金属缓冲层2 0，再在该金属层2 O上生长ZnO同质 缓冲层3 0和ZnO薄膜4 0 。主要优点有
所沉积的金属缓冲层2 0可以缓解S i衬底1 0与 ZnO薄膜4 0之间晶格失配和热失配严重的问题，并且 15可以解决生长前期S i表面被氧化成不定型的S i 02的问 题。
所沉积金属层2 0及S i衬底1 0的散热性好，可 以解决现在普遍存在的器件的散热难的问题，有利于 提高器件的性能； 20 所沉积金属层2 0及Si衬底1 0的导电性比较
好，可以充当 一 个电极，简化了后期的器件制备过程。
在这些衬底上生长的Zn0薄膜4 0虽然为多晶状
态，但发光性能优异，有望利用该多晶薄膜制备大面
积、低成本的光学器件。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下^口 1=1
实施例及附图详细说明如后，其中
图1为本发明中所生长薄膜的结构示意图2为本发明实施例1在S i ( 0 01 )衬底上蒸
10 发—层金属Au缓冲层后生长的Zn0薄膜的X射线衍射
e - 2 e扫描曲线；
图3为本发明实施例i在s i ( o o i )衬底上蒸
发一层Au金属后生长的ZnO薄膜的室温光致发光(PL) 谱。
1具体实施例方式
下面结合本发明的制备方法和附图对本发明进行
详细说明
请参阅图1所示，本发明 一 种在S i衬底上生长Zn0
薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1利用化学清洗方法将S i衬底1 0表面清
洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层，
所述的S i衬底1 0包括(0 0 1 ) 、 ( 0 1 1 )或(1
11晶向的S i衬底；
步骤2 :将处理干净的S i衬底1 0放入沉积设备
中，蒸发一层金属缓冲层2 0，所述的金属缓冲层2
0包括:金、银、铝或镁，所述金属缓冲层2 0的厚
度为0.5 1 0 u m ，所述的蒸发金属的沉积设备为
物理气相沉积设备；
步骤3 :将覆盖金属缓冲层2 0的S i衬底1 0放
入生长设备中，生长Zn0同质缓冲层3 0 ，所述的生
长设备包括分子束外延设备、化学气相沉积设备、
金属有机物化学气相沉积设备或激光脉冲沉积设备，
苴中采用化学气相沉积设备生长Zn0薄膜时，是用金
属Zn和H20作为源材料，N 2作为载气进行的；
步骤4 :在Zn0同质缓冲层3 0上生长ZnO薄膜 4 0 ，该ZnO同质缓冲层3 0的生长温度为4 5 0 °C 700 。C，厚度为100 nm 6 0 0 nm， 所述的 ZnO 薄膜4 0的生长温度为7 5 0 8 5 0°C，厚度为l U m 1 0 0 y m，完成在Si衬底上ZnO薄膜的制备。
实施例一
在(0 0 1)晶向的Si衬底l O上蒸发金属Au后再生长ZnO薄膜的具体步骤如下(结合参阅图1 ): 利用化学清洗方法将(001 )晶向的S i衬底1 0表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的
氧化层，使(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0处于脱水状 ，
5 在处理干净的(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0上利
用物理气相沉积法蒸发 一 层8 5 0 nm的金属 Au缓冲 层，蒸发时(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0温度为1 5 0°C， 气压为4X1 0 —3Pa;
将蒸有金属Au缓冲层的(0 0 1 )晶向的S i衬
io底1 0固定在衬底托上，缓缓放入生长设备中，进行 ZnO薄膜的生长。所用的生长设备为自行研制的化学气 相沉积设备，包括 一 个多温区炉膛， 一 根反应管，一 个衬底托， 一 个盛放源材料的Zn舟，以及 一 部分气路 等；
15 ZnO薄膜的生长方法为化学气相沉积方法，生长源
材料为金属Zn和H20，载气为N2。生长过程中将H20 加热到5 0 °C ， 一路N2通入H20中，携带H20蒸气进 入反应室，另 一 路N2通入加热的Zn舟中，携带熔融的 Zn到达衬底前端，与H20蒸气发生化学反应生成ZnO
20薄膜沉积在(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0上。
在(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0上生长ZnO薄膜 时，先在6 6 0 °C时沉积厚度为5 0 0 nm的ZnO同质
缓冲层3 0，然后在8 1 0'C时生长厚度为3 um的 ZnO薄膜4 0 。所生长的ZnO同质缓冲层3 0的厚度比 较厚，ZnO同质缓冲层3 0的厚度为1 0 0 nm 6 0 0 nm，可以有效阻隔失配位错的向上传输。 5 在该实施例中，我们对在蒸有金属Au的(0 0 1 )
晶向的S i衬底1 0上制备的ZnO薄膜进行了测试分 析，包括X射线衍射9 - 2 9扫描和室温光致发光(PL ) 谱分析。其中，ZnO薄膜的X射线如图2所示，在图中 可以看到，所生长的ZnO薄膜虽然为多晶，但主要晶
io 向仍是沿c轴，呈现(0 0 2)择优取向生长，说明 该 ZnO结晶质量良好。图3为所得ZnO薄膜的室温PL 谱，从图中可以看出，该ZnO薄膜具有很强的带边发 光峰(位于3 . 2 6 e V )以及几乎难于探测到的篮绿峰， 说明薄膜内的杂质及缺陷较少，薄膜具有良好的光学
15性能，适用于高性能光电子器件的制作。
实施例二
在(1 1 0 )晶向的S i衬底1 0上蒸发金属 Au 后再生长ZnO薄膜的具体步骤如下(结合参阅图1 ):
20 1 、利用化学清洗方法将(1 1 0 )晶向的S i衬
底1 0表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表 面的氧化层，使(1 1 0 )晶向的S i衬底1 0处于脱
水状；
2 、在处理干净的(1 1 0 )晶向的S i衬底1 0 上利用物理气相沉积法蒸发 一 层7 5 0 nm的金属Au缓 冲层，蒸发时(1 1 0 )晶向的S i衬底1 0温度为1
500 。C，气压为4X10—3Pa;
3 、将蒸有金属Au缓冲层的(1 1 0 )晶向的S i 衬底1 0固定在衬底托上，缓缓放入生长设备中，进 行ZnO薄膜的生长。所用的生长设备为自行研制的化 学气相沉积设备，包括 一 个多温区炉膛， 一 根反应管，
io—个衬底托， 一个盛放源材料的Zn舟，以及一部分气 路等；
4 、 ZnO薄膜的生长方法为化学气相沉积方法，生 长源材料为金属Zn和H20，载气为N2。生长过程中将H 2 0加热到5 0 °C ， 一路N2通入H20中，携带H20蒸气
15 进入反应室，另一路N2通入加热的Zn舟中，携带熔融 的Zn到达(1 1 0 )晶向的Si衬底1 0前端，与H20 蒸气发生化学反应生成ZnO薄膜沉积在(1 1 0 )晶 向的S i衬底1 0上。
5 、在(1 1 0 )晶向的Si衬底1 0上生长ZnO 20薄膜时，先在6 0 0 °C时沉积厚度为4 0 0 nm的 ZnO
缓冲层3 0 ，然后在7 8 0 °C时生长厚度为4 u m的 ZnO薄膜40 。所生长的ZnO同质缓冲层30的厚度比
较厚，ZnO同质缓冲层3 0的厚度为1 0 0 nm 6 0 0 nm，可以有效阻隔失配位错的向上传输。
实施例三
5 在(001)晶向的Si衬底10上蒸发金属Al
后再生长Zn0薄膜的具体步骤如下(结合参阅图1 ):
1 、利用化学清洗方法将(0 0 1 )晶向的S i衬 底1 0表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表 面的氧化层，使(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0处于脱
10水状；
2 、在处理干净的(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0 上利用物理气相沉积法蒸发 一 层8 0 0 nm的金属Al缓 冲层，蒸发时衬底温度为l 0 0°C，气压为4X1 0 —3Pa;
15 3 、将蒸有金属Al缓冲层的(0 0 1 )晶向的Si
衬底1 0固定在衬底托上，缓缓放入生长设备中，进 行ZnO薄膜的生长。所用的生长设备为自行研制的化 学气相沉积设备，包括 一 个多温区炉膛， 一 根反应管， 一个衬底托， 一个盛放源材料的Zn舟，以及一部分气
20 路等；
4 、 Zn0薄膜的生长方法为化学气相沉积方法，生 长源材料为金属Zn和H20，载气为N2。生长过程中将
H20加热到5 Q °C ， 一路N2通入H20中，携带H20蒸气 进入反应室，另一路N2通入加热的Zn舟中，携带熔融 的Zn到达(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0前端，与H20 蒸气发生化学反应生成ZnO薄膜沉积在(0 0 1 )晶
5向的S i衬底1 0上。
5 、在(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0上生长ZnO 薄膜时，先在6 3 0 °C时沉积厚度为3 5 0 nm的ZnO 缓冲层3 0 ，然后在7 5 0 °C时生长厚度为7 u m的 ZnO薄膜4 0 。所生长的ZnO同质缓冲层3 0的厚度比
10较厚，ZnO同质缓冲层3 0的厚度为1 0 0 nm 6 0 0
nm ，可以有效阻隔失配位错的向上传输。
实施例四
在0 0 1 )晶向的Si衬底1 0上蒸发金属Ag
后再生长ZnO薄膜的具体步骤如下(结合参阅图1 ):
1、利用化学清洗方法将(0 0 1 )晶向的S i衬
底10表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表
面的氧化层，使(0 01 )晶向的S i衬底1 0处于脱
水状
2、在处理干净的(0 0 1 )晶向的S i衬底1 0
上利用物理气相沉积法蒸发 一 层9 0 0 nm的金属Ag缓
冲层蒸发时(0 0 1)晶向的S i衬底1 0温度为1
150 0°C， 气压为4X1 0_3Pa;
3 、将蒸有金属Ag缓冲层的(0 0 1 )晶向的S i 衬底1 0固定在衬底托上，缓缓放入生长设备中，进 行Zn0薄膜的生长。所用的生长设备为自行研制的化
5 学气相沉积设备，包括 一 个多温区炉膛， 一 根反应管， 一个衬底托， 一个盛放源材料的Zn舟，以及一部分气 路等；
4 、 Zn0薄膜的生长方法为化学气相沉积方法，生 长源材料为金属Zn和H20，载气为N2。生长过程中将
io H20加热到5 0 °C ， 一路N2通入H20中，携带H20蒸气 进入反应室，另一路N2通入加热的Zn舟中，携带熔融 的Zn到达(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0前端，与H20 蒸气发生化学反应生成Zn0薄膜沉积在(0 0 1 )晶 向的S i衬底1 0上。
15 5 、在(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0上生长ZnO
薄膜时，先在6 6 0 °C时沉积厚度为4 5 0 nm的 ZnO 缓冲层3 0，然后在7 6 0 t:时生长厚度为7 ym的 ZnO薄膜4 0 。所生长的ZnO同质缓冲层3 0的厚度比 较厚，ZnO同质缓冲层3 O的厚度为l 0 0 nm 6 0 0
20 nm ，可以有效阻隔失配位错的向上传输。
实施例五
在0 0 1 )晶向的Si衬底1 0上蒸发金属Mg
后再生长Zn0薄膜的具体步骤如下(结合参阅图1 ):
1、利用化学清洗方法将(0 0 1 )晶向的S i衬
底1 0表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表
面的氧化层，使(o o1 )晶向的S i衬底1 0处于脱
水状；
2、在处理干净的(00 1 )晶向的Si衬底i o
上利用物理气相沉积法蒸发 一 层8 0 0 nm的金属Mg缓
冲层，菡 V 、、、发时(0 0 1)晶向的S i衬底1 0温度为1
00 °c，气压为4 XI0 —3Pa;
3、将蒸有金属Mg缓冲层的(0 0 1 )晶向的S i衬底10固定在衬底托上，缓缓放入生长设备中，进行ZnO拿膜的生长。所用的生长设备为自行研制的化学气相沉积设备，包括一个多温区炉膛， 一根反应管，
—个衬底托， 一个盛放源材料的Zn舟，以及一部分气路等
4、Zn0薄膜的生长方法为化学气相沉积方法，生长源材料为金属Zn和H20，载气为N2。生长过程中将
H20加热到5 0 °C ， 一路N2通入H20中，携带H20蒸气 20 进入反应室，另一路N2通入加热的Zn舟中，携带熔融 的Zn到达(0 0 1 )晶向的Si衬底1 0前端，与H20 蒸气发生化学反应生成ZnO薄膜沉积在(0 0 1 )晶
向的S i衬底10上。
5 、在Si ( 0 0 1 )衬底上生长Zn0薄膜时，先 在6 9 0 。C时沉积厚度为5 0 0 nm的Zn0缓冲层3 0 ， 然后在8 0 0 X:时生长厚度为6um的ZnO薄膜4 0。 所生长的ZnO同质缓冲层3 0的厚度比较厚，ZnO同质 缓冲层3 0的厚度为1 0 Onm 6 0 Onm， 可以有效 阻隔失配位错的向上传输。
权利要求
1、一种在Si衬底上生长ZnO薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1利用化学清洗方法将Si衬底表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层；步骤2将处理干净的Si衬底放入沉积设备中，蒸发一层金属缓冲层；步骤3将覆盖金属缓冲层的Si衬底放入生长设备中，生长ZnO同质缓冲层；步骤4在ZnO同质缓冲层上生长ZnO薄膜，完成在Si衬底上ZnO薄膜的制备。
2 、如权利要求1所述的在Si衬底上生长Zn0薄膜的方法，其特征在于，其中所述的Si衬底包括(001 ) 、 ( 011 )或(111 )晶向的Si衬底。
3 、如权利要求1所述的在Si衬底上生长Zn0薄 膜的方法，其特征在于，其中所述的金属缓冲层包括 金、银、铝或镁。
4 、如权利要求1所述的在Si衬底上生长Zn0薄膜的方法，其特征在于，其中所述金属缓冲层的厚度 为0.5 10 um。
5 、如权利要求1所述的在S i衬底上生长ZnO薄 膜的方法，其特征在于，其中所述的蒸发金属的沉积 设备为物理气相沉积设备。
6 、如权利要求1所述的在S i衬底上生长Zn0薄 5膜的方法，其特征在于，其中所述的生长设备包括分子束外延设备、化学气相沉积设备、金属有机物化 学气相沉积设备或激光脉冲沉积设备.。
7 、如权利要求6所述的在S i衬底上生长Zn0薄 膜的方法，其特征在于，其中所述的采用化学气相沉io积设备生长Zn0薄膜时，是用金属Zn和H20作为源材 料，N2作为载气进行的。
8 、如权利要求1所述的 一 种在S i衬底上生长Zn0 薄膜的方法，其特征在于，其中所述的Zn0同质缓冲 层的生长温度为4 5 0°C 7 0 0 °C，厚度为l 0 015nm 6 0 0nm。
9 、如权利要求1所述的 一 种在S i衬底上生长ZnO 薄膜的方法，其特征在于，其中所述的ZnO薄膜的生 长温度为7 5 0 8 5 0°C，厚度为l um 1 0 0 ti m 。
全文摘要
一种在Si衬底上生长ZnO薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1利用化学清洗方法将Si衬底表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层；步骤2将处理干净的Si衬底放入沉积设备中，蒸发一层金属缓冲层；步骤3将覆盖金属缓冲层的Si衬底放入生长设备中，生长ZnO同质缓冲层；步骤4在ZnO同质缓冲层上生长ZnO薄膜，完成在Si衬底上ZnO薄膜的制备。
文档编号H01L21/36GK101388346SQ200710121659
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者崔军朋, 曾一平, 垚 段, 王晓峰 申请人:中国科学院半导体研究所