单晶材料生长方法

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1、单晶薄膜制备方法薄膜材料相对于块体材料来说，可以应用较小的原料而达到相应的性能要求；而且薄膜材料还具有许多优异的性能，使薄膜材料能够满足现在大型集成电路以及各种功能器件的要求，使器件向小型化、轻便化方向发展。单晶薄膜由于膜层内部缺陷少、而且具有一定尺度的膜层具有一定的量子限域效应，电子在其内部运动时会有许多独特的状态和方式，从而产生更优的性能，具有极其重要的应用价值和应用前景。鉴于单晶薄膜的种种优势，人们对其的研究也进行了许多年，各种单晶薄膜的制备技术被相继开发出来，当前生长和制备单晶薄膜的主要方法有：分子束外延（MBE）

2、、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、脉冲激光沉积（PLD）、电子束沉积（EBD）和原子束沉积法（ABD）等。一、分子束外延（MBE）分子束外延是一种在超高真空条件下，将原料通过热蒸发等方式气化升华，并运动致衬底表面沉积形成薄膜的的方法。配合仪器自带的原位分析仪器（如RHEED等）可以精确控制膜层的成分和相结构。分子束外延存在生长膜层速度太慢的缺点，每秒钟大约生长一个原子层厚度，但可以精确控制膜层厚度。David等【1】运用等离子体增强的分子束外延（PEMBE）方法直接在SiC衬底上制备了具有纤锌矿结构的、膜层质量较好的

3、GaN单晶薄膜。由于GaN与SiC存在较大的晶格失配，以往的研究往往是预先在SiC表面制备AlN缓冲层，来减小晶格失配，得到单晶GaN膜层。生长过程中引入等离子体大大降低了由于晶格失配而极易出现的堆垛缺陷浓度，使得膜层质量有较大改善。YefanChen等【2】同样运用PEMBE在蓝宝石衬底上制备了单晶ZnO膜层，RHEED模式照片显示ZnO在蓝宝石衬底表面的外延生长是逐渐由二维生长转变为三维岛状模式生长的；且XRD分析表明ZnO沿（0001）方向择优生长；PL谱分析显示ZnO膜层内部的污染和本征缺陷浓度较低，晶体质量较好。

4、二、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）金属有机物化学气相沉积（MOCVD）主要用于Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体薄膜的制备，它是运用载气将金属有机化合物气体输运至衬底处，金属有机化合物在输运过程中发生热分解反应，在衬底表面发生反应并沉积形成薄膜的技术。该法具有沉积温度低、对衬底取向要求低、沉积过程中不存在刻蚀反应、可通过稀释载气调节生长速率和实用范围较广的优点，但所使用的原料大部分剧毒且易燃，在试样过程中应该予以注意。J.Nishizawa等【3】运用MOCVD法，以三甲基镓（TMG）为镓源，AsH3为砷源，H2为载气，

5、成功制备了GaAs单晶薄膜，并系统研究了薄膜沉积过程中的反应机制：当以TMG+H2的混合气体为镓源时，500—550℃条件下，TMG迅速分解；温度高于580℃时，余气中只含有CH4；温度高于930℃时，反应过程中有其他碳水化合物生成。Y.LIU等【4】以二乙基锌（DEZn）为锌源，O2为氧源，运用MOCVD方法在蓝宝石衬底上制备了可用于紫外探测的ZnO单晶薄膜，并在反应气中引入NH3尝试对ZnO进行N掺杂。XRD图谱表明N掺杂ZnO择优取向生长，虽然随着生长温度的升高，ZnO薄膜的电阻率下降，但其导电类型仍然是n型，并没有

6、因为N的引入而发生导电类型的转变，这是因为随着处理温度的升高，膜层中的O空位和Zn填隙原子浓度升高，抵消了N引入引起的p型导电性能（自补偿效应）。一、脉冲激光沉积（PLD）脉冲激光沉积法（PLD）是利用高能脉冲激光作用于源物质表面，源物质局部发生融化气化升华，并进一步与激光作用生成等离子体羽辉，并向衬底做等温绝热膨胀，在沉底表面生成薄膜的方法。此法具有能够实现同组分沉积，制备与靶材成分一致的的膜层；由于是高能等离子沉积，因此能够在较低温度下原位生长外延单晶膜层；能在气氛中实现反应沉积，可引入各种气体如O2、H2等实现反应沉

7、积制备以前难以制备的多组元薄膜等优点。JiNanZeng等【5】以纯度为99.999%的多晶ZnO为靶材，利用PLD法在硅片和石英衬底上制备了单晶ZnO薄膜，并研究了衬底温度、氧气气分、激光频率等对ZnO膜层的影响：随着衬底温度的升高，膜层结晶质量提高；光学和电学性能随着脉冲频率的增加而呈现不同的变化；在高频激光条件下，氧气气氛能够有助于化学计量比失配而引起的缺陷浓度的降低。Myung-BokLee等【6】预先运用脉冲激光沉积技术在Si（100）面沉积TiN缓冲层，然能用脉冲激光沉积技术在TiN表面外延生长了单晶BaTiO

8、3薄膜。XRD图谱显示BaTiO3薄膜沿（100）方向择优生长，而且对TiN/BaTiO3/TiN的金属-绝缘体-金属结构进行介电性能测量，结果显示膜层具有很高的介电常数而非常小的漏电流，显示了很好的介电性能。四、电子束沉积（EBD）电子束沉积技术是运用电子束作为蒸发源，高能电子束撞击靶材使靶材局部温度