一种氧化锌基合金半导体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及I1-VI氧化物半导体材料技术领域，特别涉及一种ΒθχΖηΛ x y zSy合金半导体材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]ZnO是近年来发展起来的另一种第三代宽禁带半导体材料，由于具有非常大的激子结合能，ZnO材料被认为在紫外波段发光二极管、激光二极管、光电探测器等领域中具有重要应用前景。然而，势皇层材料的开发设计及其制备，是实现高效率ZnO基半导体光电器件亟需解决的主要问题之一。目前，ZnO材料能带工程技术主要包括以下三种方式:
第一，基于MgyZn/^ x y合金材料的能带工程技术。ZnO与MgO形成合金固溶体时，可以实现ZnO材料的禁带宽度从3.37 eV连续调节至4.55 eV。但是，由于MgO是四方对称结构晶体，而ZnO是六方对称结构晶体，二者对称性差异使得MgO在ZnO材料中的固溶度较低，难以进一步提高ZnO材料的禁带宽度值。进一步增加Mgjn/^ x y合金材料中Mg原子比例时，Mg.Zn^! x ,合金材料将会出现结构相分离现象，同时析出立方相MgO晶体。
[0003]第二，基于x y合金材料的能带工程技术。与Mg办及x冷金材料的能带工程技术类似，ZnO与BeO形成合金固溶体时，可以调节ZnO材料的禁带宽度。但是，由于BeO与ZnO之间存在非常大的晶格失配，导致x y合金材料局部应变非常大。这使得BexZny0! x y合金材料的热稳定性非常差，并出现组分相分离现象。此时，Be xlnyQl x y薄膜层中将出现多个不同Be原子比例的χ冷金材料共存的现象。
[0004]第三，针对上述二者能带工程技术的缺陷，人们又发展了基于BexMgJnA x y z合金材料的能带工程技术，这较大幅度的提升了 ZnO材料禁带宽度的调节范围。但是，禁带宽度可调节的范围依然有限，并且，BeJVIgyZn^ x y z合金材料价带顶随着掺入的Be和Mg原子比例的增加而加深，这不利于后期P型ZnO材料的制备，对提高ZnO基半导体光电器件的工作性能具有消极作用。
[0005]另外，衬底材料表面的平整度对合金薄膜层的生长具有重要影响。粗糙的衬底表面将导致合金薄膜层以三维岛状模式生长，并进一步使得薄膜层中原子分布不均匀，严重影响合金薄膜层的结晶质量和光学、电学特性。因此，在生长前需要给衬底材料作适当的处理，使衬底表面平整、原子排布整齐，以便获得结晶质量优良的外延薄膜材料。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实现ZnO材料禁带宽度大范围调节的合金材料及其制备方法。
[0007]本发明采用的技术方案是:一种Bejn^ x y zSy合金半导体材料，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层、缓冲层上生长有薄膜层；所述薄膜层为ΒθχΖηΛ x y zSy合金薄膜层，薄膜层中Be原子占据ZnO晶体Zn原子位置，S原子占据Be原子最近邻的0原子位置，通过调节ΒθχΖη^ x y zSy合金薄膜层中Be、S、Zn和0四种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为 3.37 eV ~ 10.6 eV，Be^n.0j x y zSy合金薄膜层的厚度为 10 nm ~ 2 μπι。
[0008]优选地，所述衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓或氧化镁。
[0009]优选地，所述缓冲层由Mg层、MgO层和ZnO层中的一种或一种以上构成，缓冲层的厚度为 10 nm ~ 2 μπι。
[0010]优选地，所述ΒθχΖηΑ x y zSy合金薄膜层中Be含量为0 < χ < 0.50，S含量为0< y ^ 0.25，Zn 含量为 0 < z < 0.50。
[0011]—种BeJnA x y zSy合金半导体材料的制备方法，依次包括如下步骤:
1)清洗衬底:所述衬底在生长之前依次经过氢氟酸、丙酮、异丙醇、无水酒精、去离子水化学试剂清洗或依次经过体积比为3:1的浓磷酸:浓硫酸、丙酮、异丙醇、无水酒精、去离子水化学试剂清洗；然后在真空、氧气、氧等离子体、氮气、氮等离子体氛围中的一种或一种以上条件下退火15 ~ 30分钟，退火温度为700 ~1000°C，去除衬底表面吸附的水蒸气和有机物，修复和填补衬底表面氧空位缺陷，使衬底表面平整、原子排布整齐；
2)生长缓冲层:高温处理完衬底后，在衬底上生长缓冲层，生长温度为200V ~ 550
°C ;
3)升温:将衬底温度升至700~800°C，升温速率为20 ~40°C/min，退火时间为1 ~30分钟，退火氛围是氧等离子体气氛；
4)生长薄膜层:在缓冲层上生长薄膜层，薄膜层为ΒθχΖηΛx y zSy合金材料，生长温度为 400 -700 °C ο
[0012]优选地，步骤2)中，在衬底上通过分子束外延、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或磁控溅射方法生长缓冲层。
[0013]优选地，步骤3)中，在缓冲层上通过分子束外延、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或磁控溅射方法生长薄膜层。
【附图说明】
[0014]附图1为本发明一种氧化锌基合金半导体材料的剖面图。
[0015]附图标记说明，1-衬底，2-缓冲层，3-薄膜层。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
[0017]实施例1
如图1所示，一种ΒθχΖηΑ x y zSy合金半导体材料，包括衬底1、衬底1上沉积有缓冲层
2、缓冲层2上生长有薄膜层3。
[0018]缓冲层2由Mg、MgO与两层ZnO依次沉积形成，其中Mg层厚度为lnm，MgO层厚度为0.2 nm,第一层ZnO层的厚度为2.5 nm,第二层ZnO层的厚度为800 nm。
[0019]薄膜层3是ΒθχΖη^ x y zSy合金薄膜层，薄膜层厚度为1.5 μ m，薄膜层中Be的含量为x=0.008，S的含量为y=0.016，Zn的含量为z=0.492，0的含量为0.484。
[0020]本实施例中，衬底1为单面抛光的蓝宝石，取向为c取向。
[0021]本实施例制备方法具体如下: 1)清洗衬底:衬底在生长之前依次经过体积比为3:1的浓磷酸:浓硫酸、丙酮、异丙醇、无水酒精、去离子水化学试剂清洗，然后在真空、氧等离子体氛围下分别退火15分钟，退火温度为750 °C ；
2)生长缓冲层:在衬底上采用分子束外延方法生长缓冲层。固体源的束流通过控制源的温度来控制，气体源则由气体质量流量计来控制，其中Mg、MgO与两层ZnO层的生