MOCVD法ZnO薄膜制备.ppt

ZnO薄膜材料的常压MOCVO生长和性能研究 ---郑畅达，南昌大学，2005 ZnO薄膜材料的常压MOCVO生长和性能研究 摘要 论文研究了在自行研制的常压MOCVD系统上进行了ZnO薄膜的生长和性能分析“ 论文主要有两大块内容: 1.用X射线双晶衍射仪对蓝宝石衬底上外延的单晶ZnO薄膜的取向偏差、外延层的晶格常数、应力作用下的弯曲及所受应力的大小进行了综合分析和研究,并对不同生长条件样品的以上参数进行了比较; 2.以AIN为缓冲层的Si(111)衬底，ZnO薄膜的生长及其性能分析和研究 引言 II一Vl族半导体ZnO是继GNa材料之后又一引起人们广泛关注的宽禁带直接带隙 化合物半导体材料.ZnO具有钎锌矿结构,室温禁带宽度为3.37ev,是制备紫外光电器 件的理想材料.其室温下具有高达60meV的激子束缚能和很小的玻尔半径(1.8 nm),大 为降低了室温下的激发阈值,这是其它宽禁带半导体材料，如GaN，SiC等无法比拟 的，高的激子束缚能使得ZnO显示出强的非线性光学特性,这对制作紫外光电子器件、 光子开关等激子型器件非常有利。特别是ZnO薄膜的光泵浦近紫外受激发射现象的 发现，使得这一领域备受科研人员的关注,成为光电子等领域的又一研究热点。 ZnO制备方法较多,常用的薄膜技术如溅射(RF)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学 气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等都能在相对较低的温度下生长出Zno薄膜。 由于MOCVD技术能够制备高质量、大面积、均匀的外延薄膜,并且能精确的控制掺 杂,被广泛的应用于宽禁带半导体材料的研究和生产。 ZnO薄膜的MOCVD生长 MOCVD是一种异质外延生长的常用方法. 其原理是控制一定流量的载气流过装有MO源的瓶子,此时恒温所以蒸汽压恒 定,携带有饱和蒸汽压MO源的各路气流流过一定温度的衬底,在表面或靠近 表面的气体薄层内反应沉积成膜. 用MOCVD生长ZnO膜,常用的Zn源是DMZn、DEZn和醋酸丙酮基锌 [Zn(C5H7O)2],而反应气体多用02,H20,N20.用DMZn做锌源时反应比较剧 烈,ZnO膜的生长较快,但难于控制,且生成的膜中碳杂质较多,因此更多的采 用DEZn. ZnO薄膜的MOCVD生长 MOCVD的生长机制可以通过一下八个主要步骤来解释: 1:输运反应气体(载气+有机源)到反应管:即把载气通过管道输运至反应室; 2:反应气分解形成活性基团:即反应源气在反应室分解成活性基团 3:活性基达到衬底表面:反应活性基通过迁移到达衬底的表面 4:活性基的吸附:活性基被吸附到衬底表面; 5:活性基团的扩散:活性基团在衬底表面扩散到生长位置; 6:活性基团的表面反应:活性基团在衬底表面进行化学反应, 形成薄膜沉积层并生成附属反应物质; 7:附属反应物质从晶片表面的脱附:表面反应的残余物从表面脱附的过程 8:反应残余物离开反应室 生长ZnO薄膜的常压MOCVD系统 本实验室生长ZnO薄膜采用自制的立式常压MOCVD系统.该系统主要由气 体处理系统部分、反应室部分等组成。采用该系统己制备出了高质量的ZnO 单晶膜,表明自行研制的立式常压MOCVD系统具有稳定可靠，实用性强。 气体处理系统 气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂,并精确控制其浓度、 送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等,以便生长特定成分与结 构的外延层. 主要由载气源、净化器、反应源、控温装置及流量控制等组成。 在外延生长ZnO薄膜过程中使用的载气为N2.在通入管道前,N2经过纯化器纯 化,纯化后的N2纯度达到5N.在外延过程中,N2只作为反应源的运输载体,本身 不参与化学反应,其流量的大小由质量流量计来控制. 另一种气体是氢气(H2),它主要用来灼烧清洗反应室和衬底.同样,在通入管道 前必须经过H2纯化器,再经钯管进一步纯化。使用时H2纯度可以达6N。 反应源使用进口的二乙基锌[Zn(C2H5)2]即DEZn作锌源，自制的去离子 水H2O作氧源，由于反应源都为液态,而在ZnO外延生长过程都是气态下进行, 因此反应源瓶都装配温控仪，通过设定温度来控制MO源瓶的饱和蒸汽压,其 关系式为:log P=A-B/T （P为饱和蒸汽压Torr；A、B为对应系数;T为源的 温度K)。 通过以下关系式可求得Mo源摩尔流量: 进入反应室反应时用量则由载气流量及饱和蒸汽压来控制,其计算方法 为:PV=nRT. 下表列出了一些DEZn的参数。 反应室 反应室的设计采用了喷头模式。反应