[发明专利]一种电子束退火提高氧化锌薄膜电学性能的方法

说明书

技术领域

本发明设计一种氧化锌薄膜的退火新方法，特别涉及一种采用电子束退火提高氧化锌薄膜电学性能的方法。

背景技术

氧化锌是一种II-VI族宽禁带半导体氧化物材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，均高于GaN和ZnSe等蓝光发光材料，更适合制作蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。ZnO薄膜稳定性高、无毒性，可见光透射率高达90％，是一种理想的透明导电薄膜，有望成为氧化铟锡(ITO)薄膜的替代材料。

ZnO薄膜的制备方法主要有：磁控溅射法、脉冲激光沉积法、金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法及原子层沉积法(atomiclayerdeposition，ALD)等。与其他制备方法相比，原子层沉积具有反应温度低、制备的ZnO薄膜保形性好和均匀性高以及薄膜的成分和厚度可控性高的优点。然而原子层沉积也有其缺点，由于ALD的生长模式为岛状生长，而小岛合并的过程往往需要进行到薄膜厚度达到数十纳米的时候才能结束，并且岛状结构在合并为薄膜的过程中由于晶面的适配，表面自由能的差异等，往往会产生大量的晶界，最终得到多晶结构且薄膜表面粗糙度较大。又由于一般条件下生长的ZnO中氧空位的形成能最低，因此在晶界中存在大量的施主能级，可以有效提高n型载流子浓度，但是却降低了薄膜的迁移率。为了解决以上问题，一般要将ALD法沉积的ZnO薄膜进行后退火处理。然而常规的退火方法升降温时间以及保温时间过长，虽然提高了迁移率，但是也带来了新的问题，如ZnO晶粒过大，导致薄膜表面粗糙度增加，晶界减少导致施主能级减少，最终导致载流子浓度严重下降。

中国专利201110112739.8“电子束退火制备二硼化镁超导薄膜方法”和中国专利201310415603.3“一种退火制备二硼化镁超导薄膜微结构的方法”分别提出了电子束退火制备二硼化镁超导薄膜和二硼化镁超导薄膜微结构。电子束退火中用到的前驱膜均为Mg层和B层交替沉积的Mg/B前驱膜，并不是已经生成的MgB2薄膜，电子束退火的主要作用是促使Mg和B发生化学反应，最终生成MgB2。

文献1(参见1、不同氧源对原子层沉积ZnO薄膜的性能影响，袁海、刘正堂，热加工工艺，第41卷，第20期2012年10月)采用不同氧源通过ALD法制备ZnO薄膜，不论采用何种氧源(H₂O，H₂O₂和O₃)，载流子的浓度都没有很大提高(最高为4.8×10¹⁸/cm²)，而载流子迁移率甚至只有24.55cm²/V·s。文献2对氧化锌薄膜的热处理方法为：首先在640℃下预处理20分钟然后降温至590℃并在此温度下生长20分钟，再通入氮气、氧气退火30分钟后，自然冷却(约需30分钟)至室温(参见2、退火对ZnO薄膜质量的影响，董鑫、刘大力、闫小龙等，发光学报，第26卷，第4期，2005年8月)。文献3(参见3、InfluenceofannealingdurationonopticalpropertyandsurfacemorphologyofZnOthinfilmgrownbyatomiclayerdeposition.KimCR，ShinCM，LeeJY，etal.CurrentAppliedPhysics，2010，10(2):S294-S297)中对ALD制备的氧化锌薄膜在N₂气氛中保持最长30分钟，然后自然冷却至室温。通过以上分析，ALD法制备的ZnO薄膜在没有经过热处理之前，载流子浓度和迁移率都非常低，通过常规退火的方法虽然可以提高载流子迁移率，但是文献2和文献3两种方法的退火时间过长导致晶粒尺寸过大，而严重降低了载流子浓度。

发明内容

本发明提出的采用电子束退火提高氧化锌薄膜电学性能的方法，由于退火时间短、升降温速率快，可以有效克服以上技术的缺点，可以有效阻止晶界的快速减少，有效提高载流子浓度和迁移率。

本发明的具体操作步骤如下：

1)将用原子层沉积法(ALD)制备的氧化锌前驱膜放入到电子束加工设备样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10^-3Pa以下时，继续下一步；

2)选择合适的电子束加速电压、电子束束流和电子束聚焦电流，控制束斑尺寸，保证待退火样品完全被电子束束斑覆盖；

3)按照步骤2)选定的退火条件，启动电子束退火，利用测温装置监控温度，待样品温度600-800℃之间，持续保温几秒到几十秒，生成性能更好的氧化锌薄膜。