Способ выращивания слоев оксида цинка

Способ выращивания слоев оксида цинка

Реферат

Изобретение относится к оптоэлектронике, электронике, солнечной энергетике и может быть использовано в технологии производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Известен способ получения монокристаллических слоев оксида цинка на неориентирующих подложках методом химических транспортных реакций в проточном реакторе пониженного давления в атмосфере водорода, отличающийся тем, что на поверхность подложки методом магнетронного распыления наносят промежуточный текстурированный слой базисной ориентации толщиной 200-1000 нм [Патент РФ «Способ получения монокристаллических слоев оксида цинка на неориентирующих подложках», № 2139596, автор(ы): Атаев Б.М.; Камилов И.К.; Багамадова А.М.; Мамедов В.В.; Омаев А.К.]. Однако известный способ не позволяет отделять слои от подложки и имеет высокие температуры проведения процесса - 1400 К в течение длительного времени 10-12 часов.

Наиболее близким к изобретению является способ получения слоев оксида цинка из сублимирующегося источника паров порошкообразных оксидов и последующего быстрого охлаждения [«Nanobelts of Semiconducting Oxides» Zheng Wei Pan, et al., 1947 (2001); 291 Science, DOI: 10.1126/science. 1058120]. Испарение производится в олундовой трубчатой печи при температуре 1400°С и давлении 300 мм рт.ст. в протоке Ar. Оксид цинка в данном случае осаждался на внутренней поверхности олундовой печи в виде шерстеподобных образований. Способ характеризуется малой скоростью процесса, ограниченной скоростью сублимации оксида цинка и неполным использованием потока паров от источника. Это обусловливает получение слоев с малыми толщинами (~100 нм), а также ограничивает площадь слоев. Слои получают в форме нанолент и малых чешуек размерами 20-100 нм.

Задачей изобретения является разработка способа выращивания слоев оксида цинка из сублимирующегося источника паров с целью получения отделяемых от подложки слоев, увеличения их толщины и площади.

Поставленная задача достигается тем, что способ выращивания слоев оксида цинка из сублимирующегося источника паров осуществляют зонной сублимационной перекристаллизацией в две стадии - на плоской подложке с оптически гладкой поверхностью формируют слой цинка толщиной от 1-10 мкм при давлении остаточных газов в рабочей камере 10^-3 Па, скорости сублимации цинка V0=100-120 мкм/ч и температуре 620-650 К, перепад температуры между источником цинка и подложкой составляет 140-160 К, при этом вакуумная микроячейка имеет максимальную толщину 500-600 мкм, затем заменой сублимирующегося источника паров цинка на источник паров кислорода выращенные слои подвергают окислению при температуре 570-600 К.

Экспериментальным путем выбраны подложки из материалов, характеризующихся химической инертностью по отношению к цинку и оксиду цинка, имеющие оптически гладкую поверхность, характеризующиеся химической инертностью по отношению к цинку и оксиду, что позволило получать отделяемые слои от подложек. Подбор барических и температурных условий дает возможность воспроизводимо получать однородные по составу слои оксида цинка заданной толщины.

На первой стадии процесса на различных подложках (кремний, оксид кремния, сапфир) зонной сублимационной перекристаллизацией наращивают слой цинка. Источником служат пластины цинка толщиной 1-2 мм и диаметром - от 2 см до 7 см. Источники предварительно очищаются 30%-ной соляной кислотой, обезжириваются ацетоном и подвергаются сушке. Подложки из кремния, оксида кремния и сапфира с оптически гладкой поверхностью, характеризующиеся химической инертностью по отношению к цинку и оксиду цинка, очищаются в 96%-ном растворе спирта в ультразвуковой ванне, промываются в дистиллированной воде, а затем проходят стадию сушки в термошкафу. Давление остаточных газов в рабочей камере устанавливают 10^-3 Па. Выращивание слоев цинка проводят в диапазоне температур от 450 до 680 К. Перепад температуры между источником и подложкой составляет 150 К. Скорость сублимации цинка V0=115 мкм/ч при температуре 620 К. Вакуумная микроячейка имеет максимальную толщину порядка 500 мкм, что позволяет уменьшить влияние фоновых примесей. Время выращивания слоев цинка зависит от температуры источника, которая определяет скорость сублимации цинка и задается требуемыми толщинами выращиваемых слоев.

На второй стадии процесса выращенные слои цинка подвергают окислению в потоке кислорода из кислородсодержащих реагентов. Пары кислорода внутри ростовой зоны получаются нагреванием веществ, в состав которых кислород входит в связанном виде (хлорат калия). При нагревании хлорат калия разлагается с выделением трех молекул кислорода. В качестве катализатора разложения используется диоксид марганца (MnO₂). Нагрев источника паров кислорода осуществляют до 600 К. Время проведения процесса окисления 4 часа. После завершения процесса окисления образец извлекают из рабочей камеры и охлаждают на воздухе, после чего слой оксида цинка может быть отделен от подложки.

Способ выращивания слоев оксида цинка из сублимирующегося источника паров, отличающийся тем, что способ осуществляют зонной сублимационной перекристаллизацией в две стадии - на плоской подложке с оптически гладкой поверхностью формируют слой цинка толщиной от 1-10 мкм при давлении остаточных газов в рабочей камере 10^-3 Па, скорости сублимации цинка V0=100-120 мкм/ч и температуре 620-650 К, а перепад температуры между источником цинка и подложкой составляет 140-160 К, при этом вакуумная микроячейка имеет максимальную толщину 500-600 мкм, затем заменой сублимирующегося источника паров цинка на источник паров кислорода выращенные слои подвергают окислению при температуре 570-600 К.