專利名稱：一種在釔摻雜氧化鋯襯底上制備立方結構氧化銦單晶薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，屬于半導體光電子材料技
術領域。
背景技術：
具有立方結構的氧化銦(ln203)是一種寬禁帶半導體材料，室溫下帶隙寬度約為 3. 7eV，而且具有制備溫度低、物理化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點。目前氧化銦薄膜材料主要用于薄 膜太陽能電池和平面顯示等器件的透明電極，高質量的氧化銦單晶薄膜是制備透明和紫外 光電子器件的重要材料。 當前用常規(guī)方法制備氧化銦薄膜存在如下問題 (1)磁控濺射和反應蒸發(fā)等傳統(tǒng)方法制備的氧化銦透明導電薄膜目前已得到廣泛 的應用，主要用作透明光電子器件的窗口材料。本征的氧化銦為n型半導體材料，而常規(guī)方 法制備的氧化銦薄膜一般為多晶結構，薄膜內部存在大量的缺陷和晶粒間界，對載流子的 散射作用較強，使得載流子遷移率偏低。 (2)由于多晶氧化銦存在大量氧空位缺陷及晶粒間界的氧吸附作用，致使該材料 的穩(wěn)定性受到很大地影響。 (3)用分子束外延(MBE)和脈沖激光淀積(PLD)方法雖然可以在與氧化銦晶格相 匹配的襯底材料上制備出氧化銦單晶外延薄膜，但生長速率慢、成膜面積小，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。 中國專利文件CN101311357A(200810014907. 8)提供了一種"一種氧化銦單晶外 延薄膜的制備方法"，采用有機金屬化學氣相淀積工藝，在真空條件下在藍寶石(a -A1203) 襯底上外延生長氧化銦單晶薄膜，薄膜的載流子遷移率達30cm2V—5—\在室溫光致發(fā)光譜測 量試驗中觀測到帶間躍遷產(chǎn)生的發(fā)光。但，該發(fā)明的不足之處是具有六角結構的a_Al203 襯底C面有三個等價的方向，因此外延生長的單晶薄膜中不可避免地會出現(xiàn)孿晶和疇結 構，使得薄膜的載流子遷移率下降。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種高質量的氧化銦單晶外延薄膜的制備方 法。 —種立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，采用有機金屬化學氣相淀積(MOCVD) 工藝，以三甲基銦[In(CH3)3]為有機金屬源，用氮氣作為載氣，用氧氣作為氧化氣體，用有 機金屬化學氣相淀積設備在襯底上外延生長氧化銦單晶薄膜；其特征在于，所述襯底為釔 摻雜氧化鋯(YSZ) (100)晶面，工藝條件如下
反應室壓強 20 60Torr，
生長溫度 600 750°C，背景N2流量 200 500sccm， 有機金屬源溫度 10 25°C， 有機金屬源瓶壓力 100 500Torr，
有機金屬源載氣N2流量 15 40sccm， 氧氣流量 30 80sccm。
在上述制備工藝條件下氧化銦單薄膜的外延生長速率為0. 5 1. 2nm/min。 以上所述釔摻雜氧化鋯晶體，釔摻雜量為10-15mol%。市場有售。 進一步優(yōu)選的，上述的工藝條件如下 反應室壓強 30-50Torr， 生長溫度 600-700°C， 背景N2流量 300-500sccm， 有機金屬源溫度 10-25 °C，
有機金屬源瓶壓力 150-350Torr， 有機金屬源載氣N2流量 20-35sccm， 氧氣流量 40_70sccm。
在上述工藝條件下，氧化銦單薄膜的外延生長速率為0. 6 1. Onm/min。 最優(yōu)選的，上述的工藝條件如下 反應室壓強 40Torr， 生長溫度 650°C， 背景N2流量 450sccm， 有機金屬源溫度18°C， 有機金屬源瓶壓力240Torr， 有機金屬源載氣N2流量25sccm， 氧氣流量50sccm。
在上述優(yōu)選工藝條件下，氧化銦單晶薄膜的生長速率為0. 6-0. 8nm/分鐘。 本發(fā)明的立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，操作步驟如下
1. 先將MOCVD設備反應室抽成高真空狀態(tài)4X 10—4 5X 10—乍a，將襯底加熱到生 長溫度600 750°C ;
2. 打開氮氣瓶閥門，向真空反應室通入氮氣(背景N》，反應室壓強20 60Torr，
20分鐘;
3. 打開氧氣瓶閥門，氧氣流量30 80sccm，保持5分鐘；
4. 設定有機金屬源瓶壓力100 500Torr，打開有機金屬源瓶閥門，并調節(jié)載氣N2 15 40sccm，保持5分鐘；
5. 將步驟3的氧氣和步驟4的有機金屬源載氣同時通入反應室，保持時間為60 、鐘；
6. 關閉有機金屬源瓶和氧氣瓶閥門，反應結束，用氮氣沖洗管道30分鐘。 優(yōu)選的，上述的有機金屬源是99. 9999%的高純In(CH3)3。
優(yōu)選的，上述的有機金屬源載氣N2是由99. 999%的高純氮氣經(jīng)純化器純化為 99. 9999999%的超高純氮氣，氧氣是99. 999%的高純氧氣。
優(yōu)選的，上述釔摻雜氧化鋯(YSZ)襯底的拋光晶面是(100)晶面。 本發(fā)明方法制備的立方結構氧化銦薄膜，是具有單晶結構的外延材料，而且
僅有一種外延生長模式，薄膜內不易生成孿晶和疇結構，薄膜的載流子遷移率高于 61. 2cm2V—、—、明顯大于CN101311357A(200810014907. 8)的薄膜的載流子遷移率。
釔摻雜氧化鋯(YSZ)具有立方結構，YSZ的晶格常數(shù)為a二5.147 A，立方結構氧 化銦的晶格常數(shù)為a二10.118 A，在YSZ(100)晶面上生長立方結構氧化銦(100)晶面，在 〈010〉和〈001〉方向上兩個周期的YSZ晶格生長一個周期的氧化銦晶格，兩種材料的晶格 失配率僅為1.74%。因此YSZ(IOO)晶面上可外延生長出優(yōu)質的氧化銦單晶薄膜。在本 發(fā)明優(yōu)選工藝條件下制備的氧化銦材料為立方結構的單晶薄膜，薄膜的載流子遷移率高于 66. 5cm2V—、—、所制備單晶ln203薄膜的晶格結構優(yōu)于ln203多晶薄膜，而且本外延方法所制 備的111203單晶薄膜內部無孿晶和疇結構，故而是制造紫外和透明半導體光電子器件的重 要材料。用MOCVD設備在上述制備工藝條件下，在拋光的單晶石英襯底或7059玻璃襯底上 生長的氧化銦薄膜均為多晶結構。 本發(fā)明用有機金屬化學氣相淀積方法在YSZ(IOO)面上制備氧化銦單晶外延薄膜 有許多獨特的優(yōu)點，例如晶格結構好，工藝條件易于精確控制，制備薄膜的均勻性和重復性 好，適于工業(yè)化生產(chǎn)。所制備薄膜材料的光電性能優(yōu)良，附著性能好，應用前景廣闊。本發(fā) 明方法制備的氧化銦薄膜與現(xiàn)有的氧化銦薄膜相比具有如下優(yōu)良效果1、制備的本征氧化銦薄膜為單晶結構，晶格結構完整，其x射線e/2e掃描衍射
峰的半高寬為O. 32度。 2、 YSZ襯底和氧化銦薄膜均為立方晶型，并且晶格匹配性好，〈010〉和〈001〉兩個 方向的晶格失配率均為1.74%，而且僅有一種外延生長模式，薄膜內不易生成孿晶和疇結 構。 3、因所制備氧化銦外延薄膜的晶格缺陷少，無孿晶和疇結構，所以薄膜載流子遷 移率高于61. 2cm2V—、—、在優(yōu)選的生長溫度65(TC條件下制得的薄膜的載流子遷移率高于 66. 5cm2V 、、 本發(fā)明方法所制備的氧化銦單晶薄膜材料，其帶隙寬度為3. 58eV至3. 72eV，適合 用來制造透明及紫外半導體光電子器件。


圖1和圖2分別是本發(fā)明實施例1在65(TC襯底溫度下制備氧化銦薄膜的X射線 9/2 9掃描和{211}面鏡像①掃描測試結果，其中，橫坐標度(Degree)，縱坐標強度/ 任意單位(Intensity/a. u.)。從測試結果可以確定，用MOCVD方法在YSZ (100)面上生長的 氧化銦薄膜為立方結構的氧化銦。 圖3是本發(fā)明實施例1方法制備的氧化銦薄膜樣品界面處的高分辨透射電 鏡測試結果。可以清楚的看到，所制備薄膜的晶格排列整齊有序，其外延生長面為 In203(100) II YSZ (100)。 圖4為實施例1制備的氧化銦薄膜樣品界面處相應的選區(qū)電子衍射圖，清晰的電 子衍射圓型斑點表明制備的氧化銦薄膜為立方結構的單晶薄膜。
具體實施例方式
實施例1 :M0CVD技術制備立方結構氧化銦單晶薄膜材料 (1)首先將M0CVD設備反應室抽至高真空狀態(tài)5X 10—乍a，將襯底加熱到650°C ;
(2)開氮氣瓶閥門，向反應室通入氮氣(背景N2450sccm)20分鐘，使反應室壓強穩(wěn) 定在40Torr ; (3)開氧氣瓶閥門，調節(jié)氧氣的流量50sccm，保持5分鐘； (4)設定有機金屬源瓶壓力為240Torr，開銦源瓶閥門，調節(jié)載氣(氮氣)流量 25sccm，保持5分鐘; (5)將氧氣和有機金屬銦源同時通入反應室，保持薄膜生長時間為180分鐘；
(6)反應結束后關閉銦源瓶和氧氣瓶閥門，用氮氣沖洗管道30分鐘后結束。
工藝條件為有機金屬源溫度18t:，生長溫度(襯底溫度)65(TC，有機金屬源瓶壓 力240Torr，有機金屬源載氣流量25sccm，氧氣流量50sccm，背景N2流量450sccm。
所用的有機金屬源是99. 9999 %的高純In (CH3) 3，有機金屬源載氣^是由 99. 999%的高純氮氣經(jīng)純化器純化為99. 9999999 %的超高純氮氣，氧氣是99. 999 %的高 純氧氣。 以拋光的YSZ(IOO)面為襯底材料，用三甲基銦[In(CH3)3]作為有機金屬源，在 65(TC條件下制備的氧化銦膜為單晶結構薄膜，薄膜厚度為108nm。薄膜的載流子遷移率為 66. 5cm2V 、、
實施例2 : MOCVD技術制備單晶氧化銦薄膜材料，制備過程與實施例1相同，所不同的是 反應室壓強30Torr，襯底溫度(生長溫度)700°C ，薄膜生長時間為180分鐘。以拋光的 YSZ(IOO)為襯底材料，制備的氧化銦膜為單晶結構，薄膜的厚度為157nm，薄膜載流子遷移 率為61. 2cm2V—、—、
對比例1 : MOCVD技術制備氧化銦薄膜材料，制備方法和工藝條件與實施例1相同，只是改用 以7059玻璃為襯底材料，在65(TC條件下生長氧化銦薄膜，生長時間為180分鐘，薄膜厚度 為110nm。制備的氧化銦薄膜為多晶結構，載流子遷移率為22cm —、—、
對比例2: MOCVD技術制備氧化銦薄膜材料，制備工藝條件與實施例1相同，所不同的是以拋 光的單晶石英為襯底材料。用In (CH3) 3作為有機金屬源，在65(TC條件下制備的氧化銦膜為 多晶結構，薄膜生長時間為180分鐘，薄膜厚度為105nm。薄膜載流子遷移率為26cm2V—、一1。
X寸比例3: MOCVD技術制備單晶氧化銦薄膜材料，制備方法和工藝條件與實施例1相同，只是 改用拋光的a藍寶石C面(0001)為襯底材料。用In(CH》3作為有機金屬源，在襯底溫度 (生長溫度)65(TC條件下制備的氧化銦膜為單晶結構，薄膜的厚度為102nm，薄膜的載流子 遷移率為30. lcm2V—、—、
權利要求
一種立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，采用有機金屬化學氣相淀積(MOCVD)工藝，以三甲基銦[In(CH3)3]為有機金屬源，用氮氣作為載氣，用氧氣作為氧化氣體，用有機金屬化學氣相淀積設備在襯底上外延生長氧化銦單晶薄膜；其特征在于，所述襯底為釔摻雜氧化鋯(YSZ)(100)晶面，所述釔摻雜氧化鋯晶體的釔摻雜量為11-15mol％，工藝條件如下反應室壓強20～60Torr，生長溫度600～750℃，背景N2流量200～500sccm，有機金屬源溫度10～25℃，有機金屬源瓶壓力100～500Torr，有機金屬源載氣N2流量15～40sccm，氧氣流量30～80sccm；氧化銦單薄膜的外延生長速率為0.5～1.2nm/min。
2. 如權利要求1所述的立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，其特征在于，工藝條件 如下反應室壓強30-50Torr， 生長溫度600-700°C， 背景N2流量300-500sccm， 有機金屬源溫度10-25 °C， 有機金屬源瓶壓力150-350Torr， 有機金屬源載氣N2流量20-35sccm， 氧氣流量40_70sccm ;氧化銦單薄膜的外延生長速率為0. 6 1. Onm/min。
3. 如權利要求1所述的立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，其特征在于，工藝條件 如下反應室壓強40Torr， 生長溫度65(TC， 背景N2流量450sccm， 有機金屬源溫度18°C， 有機金屬源瓶壓力240Torr， 有機金屬源載氣N2流量25sccm， 氧氣流量50sccm。氧化銦單晶薄膜的生長速率為0. 6-0. 8nm/分鐘。
4. 如權利要求l-3任一項所述的立方結構氧化銦單晶薄膜的制備方法，其特征在于， 所述的有機金屬源是99. 9999%的高純In (CH3) 3，氧氣是99. 999%的高純氧氣。
5. —種權利要求1 3任一項所述的方法制備的氧化銦單晶薄膜，該薄膜是具有單晶 結構的外延材料，薄膜內無孿晶和疇結構，薄膜的載流子遷移率高于61. 2cm2V—、—全文摘要
本發(fā)明涉及一種立方結構氧化銦單晶外延薄膜的制備方法，采用有機金屬化學氣相淀積工藝，以三甲基銦作為有機金屬源，用氮氣作為載氣，用氧氣作為氧化氣體，用有機金屬化學氣相淀積設備在真空條件下在釔摻雜氧化鋯襯底上外延生長氧化銦單晶薄膜。該薄膜是具有單晶結構的外延材料，且薄膜內無孿晶和疇結構，薄膜的載流子遷移率高于61.2cm2V-1s-1。
文檔編號C23C16/40GK101792901SQ20101014134
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權日2010年4月8日
發(fā)明者孔令沂, 欒彩娜, 馬瑾 申請人:山東大學