专利名称：籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法
技术领域：
本发明属于半导体材料技术领域，涉及氧化物半导体薄膜的制备，具体地说是一种籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法。
背景技术：
ZnO是直接宽带隙II-VI族半导体材料，其能带宽度为3.37eV，室温激子束缚能高达60meV，理论上可以用其得到高效紫外(UV)发光。ZnO与GaN具有相似的晶格结构及禁带宽度，但ZnO原料价格便宜、容易获得，而且比GaN具有更高的熔点，熔点在1975℃。ZnO室温激子束缚能为60meV。由于室温激子柬缚能远高于室温热离化能25meV，也远高于GaN的激子束缚能28meV，使得ZnO在室温下能以较低的能量产生激光。ZnO在室温下的激子受激发射已经被观测到。由于对UV-激光器、紫外发光二极管(UV-LED)、UV-探测器件等UV光电器件日益增长的需求，人们把注意力转移到ZnO的研究上，因此ZnO迅速成为当前国际该领域的新研究热点。
国内外关于ZnO材料的研究工作发展迅速，其薄膜制备方法主要为金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)及这些方法的衍生技术。采用上述方法都需要价格昂贵的设备和高运转成本，而且都必须在500℃以上的高温下完成材料生长。在高温下进行ZnO晶体薄膜生长容易产生热缺陷，另外，ZnO晶体薄膜与Al2O3衬底在晶格常数与热膨胀系数等方面的差异也极易产生热缺陷，因而很难制备高质量的ZnO薄膜。虽然国内外的科学家们在这方面的研究已取得了较大进步，但离满足器件质量要求的ZnO薄膜材料还有很大距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种重复性好、可靠性高、成本低的低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法。
为实现上述目的，本发明利用非晶—籽晶诱导方法生长氧化锌薄膜。首先，通过化学反应制备出非晶ZnO；然后利用非晶ZnO的亚稳特性，在衬底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最后在低温下，如200℃，用液相外延自组装技术生长高质量的ZnO薄膜。
制备非晶ZnO。将等质量的乙酸锌与碳酸氢钠在室温下充分研磨，使乙酸锌与碳酸氢钠完全混合，有利于两者完全反应。在160℃下反应2～4小时，将产物用去离子水清洗并在100℃烘干后得到白色的非晶ZnO粉末。
在衬底上生成高同一取向的ZnO籽晶。利用旋涂技术将1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均匀地旋涂在清洗好的衬底上，其中衬底可采用晶体SiO2、Al2O3、GaAs或Si。在180～200℃下反应2～4小时。由于非晶ZnO的亚稳特性，在温度180℃～200℃时非晶ZnO分子被激活，在衬底的诱导下沿着衬底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
用液相外延自组装方法生长出ZnO薄膜。将衬底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10-5M/mL的乙酸锌有机溶液中，在80℃～100℃低温下，生长15～20小时，就得到高质量的ZnO晶体薄膜。所用的有机溶剂为乙醇或一缩乙二醇或二缩乙二醇或正丁醇或乌洛托品或聚丙烯酰铵。
由于利用非晶—籽晶诱导法和低温液相外延自组装技术，因此，用本发明制备的ZnO晶体薄膜具有质量高、重复性好、可靠性高、成本低、易形成产业化等优点，为ZnO紫外光电器件的应用与产业化发展提供了有效的材料制备方法。
具体实施例方式
在室温下，把等质量的乙酸锌、碳酸氢钠充分研磨至使乙酸锌和碳酸氢钠可以完全发生化学反应。乙酸锌和碳酸氢钠为化学分析纯试剂。乙酸锌和碳酸氢钠充分研磨后，使乙酸锌与碳酸氢钠完全混合，有利于两者完全反应。在160℃下反应2小时，产物用去离子水清洗并在100℃烘干，得到白色的非晶ZnO粉末。
利用旋涂技术将1％的非晶ZnO乙醇溶液均匀地旋涂在清洗好的衬底上。所使用的乙醇为化学分析纯试剂，所用的衬底为晶体Al2O3，衬底的晶格方向是(0001)。在200℃下反应3小时。非晶ZnO反应后，在衬底Al2O3(0001)方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶。
将Al2O3衬底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1×10-5M/mL的乙酸锌有机溶液中，在80℃低温下，生长20小时，制备出ZnO晶体薄膜。所用的有机溶剂是二缩乙二醇。二缩乙二醇为化学分析纯试剂。
用X射线衍法测定ZnO晶体薄膜。X射线衍射结果只显示出ZnO(002)的衍射峰，且其半宽度仅为7’(0.12°)。从室温光致发光光谱中，得知只有紫外发射。
权利要求
1.籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法，其特征是首先，通过化学反应制备出非晶ZnO；然后利用非晶ZnO的亚稳特性，在衬底上生成高同一取向的ZnO籽晶；最后在低温下，用液相外延自组装技术生长高质量的ZnO薄膜。
2.根据权利要求1所述的籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法，其特征是将等质量的乙酸锌与碳酸氢钠在室温下充分研磨，使乙酸锌与碳酸氢钠完全混合，在160℃下反应2～4小时，将产物用去离子水清洗并在100℃烘干后得到白色的非晶ZnO粉末；用旋涂技术将1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均匀地旋涂在清洗好的衬底上，在160～200℃下反应2～4小时，非晶ZnO沿着衬底方向晶化生成同一取向的ZnO籽晶；将衬底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10-5M/mL的乙酸锌有机溶液中，在80℃～100℃低温下，生长15～20小时，得到高质量的ZnO晶体薄膜。
3.根据权利要求2所述的籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法，其特征是衬底采用晶体SiO2或Al2O3或GaAs或Si。
4.根据权利要求3所述的籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法，其特征是所述的乙酸锌有机溶液的有机溶剂是乙醇或一缩乙二醇或二缩乙二醇或正丁醇或乌洛托品或聚丙烯酰铵。
5.根据权利要求4所述的籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法，其特征是乙酸锌和碳酸氢钠充分研磨后，使乙酸锌与碳酸氢钠完全混合，在160℃下反应2小时；用旋涂技术将1％的非晶ZnO乙醇溶液均匀地旋涂在清洗好的衬底上，所用的衬底为晶体Al2O3，衬底的晶格方向是(0001)，在200℃下反应3小时；将Al2O3衬底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1×10-5M/mL的乙酸锌有机溶液中，在80℃低温下，生长20小时，所用的有机溶剂是二缩乙二醇。
全文摘要
本发明属于半导体材料技术领域，是籽晶诱导、低温液相外延自组装生长氧化锌薄膜的方法。将等质量的乙酸锌与碳酸氢钠在室温下充分研磨，在160℃下反应2～4小时，将产物用去离子水清洗并在100℃烘干。利用旋涂技术将1～3％的非晶ZnO乙醇溶液均匀地旋涂在清洗好的衬底上，在180～200℃下反应2～4小时。将衬底上晶化生成同一取向的ZnO籽晶，置于1～5×10
文档编号C30B19/00GK1696356SQ200410010860
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月12日 优先权日2004年5月12日
发明者王志军, 吕有明, 申德振, 王之建, 李守春, 元金山, 张吉英, 范希武 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所