一種氧化鋅基合金半導體材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及I1-VI氧化物半導體材料技術領域，特別涉及一種ΒθχΖηΛ x y zSy合金半導體材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]ZnO是近年來發展起來的另一種第三代寬禁帶半導體材料，由于具有非常大的激子結合能，ZnO材料被認為在紫外波段發光二極管、激光二極管、光電探測器等領域中具有重要應用前景。然而，勢皇層材料的開發設計及其制備，是實現高效率ZnO基半導體光電器件亟需解決的主要問題之一。目前，ZnO材料能帶工程技術主要包括以下三種方式:
第一，基于MgyZn/^ x y合金材料的能帶工程技術。ZnO與MgO形成合金固溶體時，可以實現ZnO材料的禁帶寬度從3.37 eV連續調節至4.55 eV。但是，由于MgO是四方對稱結構晶體，而ZnO是六方對稱結構晶體，二者對稱性差異使得MgO在ZnO材料中的固溶度較低，難以進一步提高ZnO材料的禁帶寬度值。進一步增加Mgjn/^ x y合金材料中Mg原子比例時，Mg.Zn^! x ,合金材料將會出現結構相分離現象，同時析出立方相MgO晶體。
[0003]第二，基于x y合金材料的能帶工程技術。與Mg辦及x冷金材料的能帶工程技術類似，ZnO與BeO形成合金固溶體時，可以調節ZnO材料的禁帶寬度。但是，由于BeO與ZnO之間存在非常大的晶格失配，導致x y合金材料局部應變非常大。這使得BexZny0! x y合金材料的熱穩定性非常差，并出現組分相分離現象。此時，Be xlnyQl x y薄膜層中將出現多個不同Be原子比例的χ冷金材料共存的現象。
[0004]第三，針對上述二者能帶工程技術的缺陷，人們又發展了基于BexMgJnA x y z合金材料的能帶工程技術，這較大幅度的提升了 ZnO材料禁帶寬度的調節范圍。但是，禁帶寬度可調節的范圍依然有限，并且，BeJVIgyZn^ x y z合金材料價帶頂隨著摻入的Be和Mg原子比例的增加而加深，這不利于后期P型ZnO材料的制備，對提高ZnO基半導體光電器件的工作性能具有消極作用。
[0005]另外，襯底材料表面的平整度對合金薄膜層的生長具有重要影響。粗糙的襯底表面將導致合金薄膜層以三維島狀模式生長，并進一步使得薄膜層中原子分布不均勻，嚴重影響合金薄膜層的結晶質量和光學、電學特性。因此，在生長前需要給襯底材料作適當的處理，使襯底表面平整、原子排布整齊，以便獲得結晶質量優良的外延薄膜材料。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種實現ZnO材料禁帶寬度大范圍調節的合金材料及其制備方法。
[0007]本發明采用的技術方案是:一種Bejn^ x y zSy合金半導體材料，包括襯底、襯底上沉積有緩沖層、緩沖層上生長有薄膜層；所述薄膜層為ΒθχΖηΛ x y zSy合金薄膜層，薄膜層中Be原子占據ZnO晶體Zn原子位置，S原子占據Be原子最近鄰的0原子位置，通過調節ΒθχΖη^ x y zSy合金薄膜層中Be、S、Zn和0四種元素的原子配比來調節禁帶寬度，禁帶寬度為 3.37 eV ~ 10.6 eV，Be^n.0j x y zSy合金薄膜層的厚度為 10 nm ~ 2 μπι。
[0008]優選地，所述襯底材料為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵或氧化鎂。
[0009]優選地，所述緩沖層由Mg層、MgO層和ZnO層中的一種或一種以上構成，緩沖層的厚度為 10 nm ~ 2 μπι。
[0010]優選地，所述ΒθχΖηΑ x y zSy合金薄膜層中Be含量為0 < χ < 0.50，S含量為0< y ^ 0.25，Zn 含量為 0 < z < 0.50。
[0011]—種BeJnA x y zSy合金半導體材料的制備方法，依次包括如下步驟:
1)清洗襯底:所述襯底在生長之前依次經過氫氟酸、丙酮、異丙醇、無水酒精、去離子水化學試劑清洗或依次經過體積比為3:1的濃磷酸:濃硫酸、丙酮、異丙醇、無水酒精、去離子水化學試劑清洗；然后在真空、氧氣、氧等離子體、氮氣、氮等離子體氛圍中的一種或一種以上條件下退火15 ~ 30分鐘，退火溫度為700 ~1000°C，去除襯底表面吸附的水蒸氣和有機物，修復和填補襯底表面氧空位缺陷，使襯底表面平整、原子排布整齊；
2)生長緩沖層:高溫處理完襯底后，在襯底上生長緩沖層，生長溫度為200V ~ 550
°C ;
3)升溫:將襯底溫度升至700~800°C，升溫速率為20 ~40°C/min，退火時間為1 ~30分鐘，退火氛圍是氧等離子體氣氛；
4)生長薄膜層:在緩沖層上生長薄膜層，薄膜層為ΒθχΖηΛx y zSy合金材料，生長溫度為 400 -700 °C ο
[0012]優選地，步驟2)中，在襯底上通過分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或磁控濺射方法生長緩沖層。
[0013]優選地，步驟3)中，在緩沖層上通過分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或磁控濺射方法生長薄膜層。
【附圖說明】
[0014]附圖1為本發明一種氧化鋅基合金半導體材料的剖面圖。
[0015]附圖標記說明，1-襯底，2-緩沖層，3-薄膜層。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但發明的實施方式不限于此。
[0017]實施例1
如圖1所示，一種ΒθχΖηΑ x y zSy合金半導體材料，包括襯底1、襯底1上沉積有緩沖層
2、緩沖層2上生長有薄膜層3。
[0018]緩沖層2由Mg、MgO與兩層ZnO依次沉積形成，其中Mg層厚度為lnm，MgO層厚度為0.2 nm,第一層ZnO層的厚度為2.5 nm,第二層ZnO層的厚度為800 nm。
[0019]薄膜層3是ΒθχΖη^ x y zSy合金薄膜層，薄膜層厚度為1.5 μ m，薄膜層中Be的含量為x=0.008，S的含量為y=0.016，Zn的含量為z=0.492，0的含量為0.484。
[0020]本實施例中，襯底1為單面拋光的藍寶石，取向為c取向。
[0021]本實施例制備方法具體如下: 1)清洗襯底:襯底在生長之前依次經過體積比為3:1的濃磷酸:濃硫酸、丙酮、異丙醇、無水酒精、去離子水化學試劑清洗，然后在真空、氧等離子體氛圍下分別退火15分鐘，退火溫度為750 °C ；
2)生長緩沖層:在襯底上采用分子束外延方法生長緩沖層。固體源的束流通過控制源的溫度來控制，氣體源則由氣體質量流量計來控制，其中Mg、MgO與兩層ZnO層的生