[发明专利]一种正交结构氧化锡单晶薄膜的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种正交结构氧化锡单晶薄膜的制备方法，属于半导体光电子材料技术 领域。

(二)背景技术

氧化锡(SnO₂)是一种具有直接带隙的宽禁带半导体材料。与氮化镓(GaN，Eg～3.4eV) 和氧化锌(ZnO，Eg～3.37eV，激子束缚能为～60meV)相比较，氧化锡材料不仅具有更宽 的带隙和更高的激子束缚能(室温下分别是～3.7eV和～130meV)，而且具有制备温度低、 物理化学性能稳定等优点，因此氧化锡是制备紫外光电子器件的可选材料。以前对氧化锡 的研究主要集中在透明导电和气敏性质及纳米材料性质等方面。目前氧化锡薄膜材料主要 为传统的四方金红石结构的多晶薄膜，多用于薄膜太阳能电池和发光器件的透明电极以及 气敏传感器等。如公开号为：CN101070612的中国专利，公开了一种氧化锡单晶薄膜的制 备方法，它采用有机金属化学气相淀积工艺，以四乙基锡[Sn(C₂H₅)₄]为有机金属源，用氮 气作为载气，用氧气作为氧化气体，用有机金属化学气相淀积设备在真空条件下在蓝宝石 衬底上外延生长氧化锡单晶薄膜；所制备的薄膜材料为单晶结构，光电性能优良，稳定性 高，附着性能好，由于其带隙宽度大于GaN和ZnO，适合于用来制造氧化锡紫外光电子器 件以及透明半导体器件。该方法制得的为四方金红石结构的单晶薄，虽然该产品的载流子 迁移率高于以往的类似产品，但仍无法满足市场的需求。

用当前常规方法制备氧化锡薄膜还存在如下问题：

(1)常压化学气相淀积(APCVD)和磁控溅射等传统方法制备的氧化锡透明导电薄膜 目前已得到广泛的应用，主要用作光电子器件的窗口材料等方面。本征的氧化锡为n型宽 带隙半导体材料，常规方法制备的一般为四方多晶结构的氧化锡薄膜，存在较多的缺陷能 级，并且存在自补偿作用，因此即使通过掺杂也难以获得性能优良并且稳定的P型氧化锡 薄膜材料。

(2)用氧化锡薄膜材料制造半导体器件，首先需要制备氧化锡外延单晶薄膜，在此基 础上，通过掺杂获得性能优良并且稳定的P型氧化锡薄膜材料。外延氧化锡单晶薄膜的制 备需要有与氧化锡晶格匹配的衬底材料，目前使用最普遍的玻璃和硅衬底材料不能满足上 述要求。

(三)发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种正交结构的氧化锡单晶薄膜的外延制备方法。

一种正交结构的氧化锡单晶薄膜的外延制备方法，采用有机金属化学气相淀积 (MOCVD)工艺，以四乙基锡[Sn(C₂H₅)₄]为有机金属源，用氮气作为载气，用氧气作为 氧化气体，用MOCVD设备在掺钇氧化锆(ZrO₂:Y，也称作YSZ)单晶衬底上外延生长具有 正交结构的氧化锡单晶薄膜；其工艺条件如下：

反应室压强5-200Torr，

生长温度400-800℃

背景N₂流量80-500sccm

有机金属源温度5-35℃

有机金属源载气(N₂)流量5-60sccm

氧气流量10-100sccm

在上述制备工艺条件下氧化锡薄膜的外延生长速率为0.5～1.5nm/min。

上述制备方法的操作步骤如下：

1.先将MOCVD设备反应室抽成高真空状态4×10^-4Pa-8×10^-4Pa，将衬底加热到生长温 度400～800℃；

2.打开氮气瓶阀门，向真空反应室通入氮气(背景N₂)80-500 sccm，反应室压强 5-200Torr，保持30-35分钟；

3.打开氧气瓶阀门，氧气流量10-100sccm，保持8-12分钟；

4.打开有机金属源(锡源)瓶阀门，调节载气(N₂)流量5-60sccm，保持8-12分钟；

5.将氧气和有机源载气同时通入反应室，保持时间为60-300分钟；

6.反应结束，关闭锡源瓶和氧气瓶阀门，用氮气冲洗管道20-30分钟。

优选的，上述的有机金属源是99.9999％的高纯Sn(C₂H₅)₄。