专利名称：制备ZnMgO合金薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜材料的制备方法,特别是一种制备不同Mg含量的 ZnMgO合金薄膜的方法。
技术背景氧化锌(ZnO)是一种重要的宽带隙半导体材料，室温下能隙宽度约为 3.37eV，激子束缚能高达59meV。近几年来，因ZnO可用作紫外的光发射器件 和激光二极管(LD)而成为国际光电子领域研究的热点。同时，ZnO因与ZnSe、 GaN、 SiC等其它的宽带隙材料相比有很高的化学和热稳定性、更好的抗辐射 损伤的能力、较低的生长温度、适合作长寿命器件等优势。并且即使在室温 下，激子仍在其光学性质中占主导地位，确保了在室温下较高的紫外光发射 和较低能量的光抽运，因此，ZnO成了公认的室温激子器件的理想材料。而 ZnMgO合金薄膜作为ZnO基异质结构的势垒材料同样受到人们的关注。目前 ZnO/ZnMgO量子阱和超晶格材料已经被成功地制备。在量子阱中，ZnMgO 合金作为垒层能够有效的限制ZnO中的电子和光子。从而改善ZnO器件的性 能。但是在ZnMgO的制备中，都是利用改变金属的蒸汽压来控制ZnMgO合金 中的Mg含量(如Appl.Phys丄ett. Vol 72 2466 (1998)， J.Appl.Phys Vol 98 054911 (2005))，但是金属Zn和Mg都是活泼金属，当Mg源和Zn源的温度发生很小的 改变时，Mg和Zn的蒸气压就会有很大的变化。众所周知ZnO和MgO是不同晶 体结构，很容易发生相分离，所以在ZnMgO的合金薄膜的生长中，对于金属 源的控制一直是个难题。发明内容本发明的目的是提出一种改进的制备ZnMgO合金薄膜的方法，以克服现 有制备ZnMgO合金薄膜方法存在难于控制Mg组分含量的缺点。本发明制备ZnMgO合金薄膜的方法，以金属Zn作为Zn源，以金属Mg作 为Mg源，在通入氧气的等离子体辅助分子束外延设备中通过加热Zn源、Mg 源，在蓝宝石衬底上沉积生长获得ZnMgO合金薄膜，在ZnMgO的生长中，固 定Zn源和Mg源的温度，通过改变参与反应的氧气的流量，得到不同Mg组分 的ZnMgO合金薄膜，在生长温度为600。C 80(TC， Zn源温度245。C， Mg源温 度为28(TC，氧气的流量为0.2^).8sccm条件下，生长2小时获得Mg原子百分比 含量为20M 3y。的六方结构ZnMgO合金薄膜。本发明方法的具体操作过程在生长ZnMgO合金薄膜时，将清洗好的蓝宝石衬底用压片固定在等离子 体辅助的分子束外延的钼托上，移入预处理室，离子泵将预处理室真空度抽 至l(y8mbar以下，衬底温度升到800。C，预处理30分钟。将钼托移入生长室， 关闭离子泵，利用机械泵、分子泵保持生长室真空，生长ZnMgO合金薄膜。 将纯度为99.9999y。的金属Zn作为Zn源,将纯度为99.9999e/。的金属Mg作为Mg 源，Zn源温度为245士5'C， Mg源温度为280士5"。衬底温度(即ZnMgO合金 薄膜生长温度)范围为600-80(TC。利用质量流量计控制氧气的流量，氧气的 流量范围为0.2-0.8sccm,即得到不同Mg组分的六方结构ZnMgO合金薄膜。本发明的操作过程与现有常规工艺相同，其区别仅在于固定Zn源和Mg 源的温度，通过改变参与反应的氧气的流量，来控制ZnMgO合金薄膜的Mg 组分含量。本发明是在ZnMgO的生长中，固定Zn源和Mg源的温度，通过改变参与 反应的氧气的流量，来改变ZnMgO合金中的Mg组分含量，得到不同Mg组分 的ZnMgO合金薄膜，操作工艺简便易行、易于控制。
图l为ZnMgO合金薄膜中Mg含量对应不同氧气流量的变化曲线图。
具体实施方式
实施例l通过等离子体辅助分子束外延(PAMBE)设备，在蓝宝石衬底上制备 ZnMgO合金薄膜。改变氧气的流量，得到不同Mg组分的ZnMgO合金薄膜。生长前，将生长室真空抽至lxl(TVbar以下。将处理完毕的c-Al203(0001) 衬底装入样品架，射频功率为300W，生长温度为60(TC， Zn源温度245。C， Mg源温度为280。C。氧气的流量分别为0.2、 0.4、 0.6、 0.8sccm，经2小时生长， 得到了不同Mg含量的ZnMgO合金薄膜样品。利用能量衍射谱(EDS)对Mg 组分进行测量，结果显示，在氧气流量分别为0.2、 0.4、 0.6、 0.8sccm时所获 得的ZnMgO合金薄膜中的Mg原子百分比含量分别为20。/。、 15%、 6%、 3%。通过X射线衍射谱(XRD)和场发射电子显微镜(FE-SEM)对所获样品的 晶体结构和表面形貌检测显示，所有的样品都具有很好的晶体质量。根据以上实验结果可获得如图l所示的在不同氧气流量条件下所获得的 ZnMgO合金薄膜中Mg含量的变化曲线。实施例2通过PAMBE设备、在蓝宝石衬底上制备ZnMgO合金薄膜。改变氧气的流 量，得到不同Mg组分的ZnMgO合金薄膜。生长前，将生长室真空抽至lxl(^mbar以下。将处理完毕的c-Al203(0001) 衬底装入样品架，射频功率为300W，生长温度为800。C， Zn源温度245"C， Mg源温度为280'C。氧气的流量分别为0.2、 0.4、 0.6、 0.8sccm，经2小时生长， 得到了不同Mg含量的ZnMgO合金薄膜样品。利用能量衍射谱(EDS)对Mg 组分进行测量，结果显示，在氧气流量分别为0.2、 0.4、 0.6、 0.8sccm时所获 得的ZnMgO合金薄膜中的Mg原子百分比含量分别为15。/。、 10%、 6%、 2.5%。通过X射线衍射谱(XRD)和场发射电子显微镜(FE-SEM)对所获样品的 晶体结构和表面形貌检测显示，所有的样品都具有很好的晶体质量。
权利要求
1.一种制备ZnMgO合金薄膜的方法，以金属Zn作为Zn源，以金属Mg作为Mg源，在通入氧气的等离子体辅助分子束外延设备中通过加热Zn源、Mg源，在蓝宝石衬底上沉积生长获得ZnMgO合金薄膜，其特征在于在ZnMgO的生长中，固定Zn源和Mg源的温度，通过改变参与反应的氧气的流量，得到不同Mg组分的ZnMgO合金薄膜，在生长温度为600℃～800℃，Zn源温度245℃，Mg源温度为280℃，氧气的流量为0.2～0.8sccm条件下，生长2小时获得Mg原子百分比含量为20％～3％的六方结构ZnMgO合金薄膜。
2. 根据权利要求1所述的制备ZnMgO合金薄膜的方法，其特征在于在 生长温度为600°C， Zn源温度245°C， Mg源温度为280°C，氧气的流量为 0.2~0.8sccm条件下，生长2小时获得Mg原子百分比含量为20%~3%的六方 结构ZnMgO合金薄膜。
3. 根据权利要求1所述的制备ZnMgO合金薄膜的方法，其特征在于在 生长温度为800°C， Zn源温度245°C， Mg源温度为280°C，氧气的流量为 0.2~0.8sccm条件下，生长2小时获得Mg原子百分比含量为15%~2.5%的六 方结构ZnMgO合金薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种制备ZnMgO合金薄膜的方法，以金属Zn作为Zn源，以金属Mg作为Mg源，在通入氧气的等离子体辅助分子束外延设备中通过加热Zn源、Mg源，在蓝宝石衬底上沉积生长获得ZnMgO合金薄膜，固定Zn源和Mg源的温度，通过改变参与反应的氧气的流量，得到不同Mg组分的ZnMgO合金薄膜，在生长温度为600℃～800℃，Zn源温度245℃，Mg源温度为280℃，氧气的流量为0.2～0.8sccm条件下，生长2小时获得Mg原子百分比含量为20％～3％的六方结构ZnMgO合金薄膜。本发明是固定Zn源和Mg源的温度，通过改变参与反应的氧气的流量，来改变ZnMgO合金中的Mg组分含量，得到不同Mg组分的ZnMgO合金薄膜，操作工艺简便易行、易于控制。
文档编号C30B25/16GK101235537SQ20071005629
公开日2008年8月6日 申请日期2007年11月12日 优先权日2007年11月12日
发明者吕有明, 宿世臣, 张振中, 李炳辉, 申德振 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所