利用極化感應空穴實現p型金屬極性寬禁帶半導體的方法
2024-02-24 07:15:15
專利名稱：利用極化感應空穴實現p型金屬極性寬禁帶半導體的方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，特別涉及一種利用極化感應空穴實現P型金屬極性 寬禁帶半導體的方法。
背景技術：
早在上個世紀六十年代人們就開始了半導體發光二極體的研究，最先問世的是 GaAsP的紅光LED。1962年，GE、Monsanto、IBM的聯合實驗室開發出了發紅光的磷砷化鎵 (GaAsP)半導體化合物。此後紅光LED得到了迅速發展。到目前位置紅光LED技術已經非 常成熟，其效率也基本達到了其理論值。相對成熟的鎵砷磷基紅光LED，GaN基LED的發展 則非常滯後。其中一個非常重要的限制因素就是GaN等寬禁帶的半導體化合物的ρ型摻雜 很難實現。一直到1989年Amano等發現用低能電子束輻照以及1991年Nakamura等發現 600-750°C氮氣氣氛下退火都可以激活GaN中Mg受主而獲得較高空穴濃度的ρ型材料，GaN 基LED的發展才得以復甦。此後的十幾年裡，GaN基LED得到了迅猛的發展，其發光效率也 不斷提高，在全世界的範圍內掀起了一場GaN基LED的研究熱潮。然而儘管越來越多的學 者、企業投入到GaN基LED的研究中來，但是其發光效率的提高卻相對緩慢，與理論值相比 還相差甚遠，仍然有很大的提高空間。造成這個瓶頸的主要原因則是高空穴濃度的P型材 料難以實現。首要一個因素是材料本身具有很高的本徵η型載流子，一些非故意摻雜的施 主雜質如0等會對受主雜質有補償作用。另一個原因則是受主雜質的激活能較高，如Mg原 子在GaN中的激活能高達200meV，在AlN中的激活能更是高達630meV，N原子在ZnO中的 激活能甚至達到了 1.3eV。因此高空穴濃度的ρ型摻雜很難實現。除了 ρ型材料較難獲得外，另一個影響發光效率提高的原因則與材料的極化電 場有關。對於纖鋅礦結構的III族氮化物化合物以及II-VI族化合物，由於在(0001)軸 上是非軸對稱結構，原子的電負性相差較大，正負電荷中心不重合，因此存在很強的自發極 化。一般來說，極化電場的存在對於光電器件比如半導體發光二極體是有害的。因為其將 會在有源區產生內建電場，導致能帶彎曲，電子和空穴的基態波函數在空間上被分離。然 而極化導致的靜電場也並非全是危害。比如在高遷移率電晶體結構中就利用了強極化感 應產生的二維電子氣。那麼有沒有可能利用極化感應出空穴氣來實現材料的P型摻雜呢？ 答案應該是肯定的。目前，John Simon, Vladimir Protasenko 等人在 Science. Vol327， 2010, "Polarization-Induced Hole Doping in Wide-Band-Gap UniaxialSemiconductor Heterostructures」中對這個問題進行了研究。他們通過在(000-1)面上生長一層組分線 性增加的AlGaN層，產生了三維的極化感應空穴，並採用變溫Hall的測試方法證實了三維 空穴氣的存在，實現了 AlGaN層的ρ型導電。然而，該方法在實際生長中有很大難度，主要 是因為N極性面的外延片的晶體質量相對金屬極性面的要差。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體的方法，該方法是利用極性寬禁帶半導體化合物的較強的極化效應與其組分的關係，通過 漸變組分，使其極化強度漸變，產生連續的淨極化負電荷，並感應出連續的空穴，這樣極性 寬禁帶半導體化合物就會呈現P導電特性。本發明提供一種利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體的方法，其步驟包括步驟1 選取一個襯底；步驟2 在襯底上生長低溫成核層，利於成核；步驟3 在低 溫成核層上生長低溫緩衝層，可以減少位錯密度，提高晶體質量；步驟4 在低溫緩衝層上 生長極性寬禁帶半導體化合物，完成P型金屬極性寬禁帶半導體的製備。其中襯底是藍寶石、碳化矽、矽或GaN襯底。其中極性寬禁帶半導體化合物是沿(0001)極性面生長的。其中極性寬禁帶半導體化合物的材料是AlGaN、Al InGaN, ZnMgO或者ZnCdO。其中在襯底上生長低溫成核層、在低溫成核層上生長低溫緩衝層和在低溫緩衝層 上生長極性寬禁帶半導體化合物，是採用磁控濺射法、脈衝雷射沉積法、原子層沉積法、溶 液法、液相傳輸法、金屬有機物氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法。其中極性寬禁帶半導體化合物的生長溫度為700-1500°C。其中極性寬禁帶半導體化合物的組分必須是漸變的，沿生長方向(0001)軸線性 降低。
為了更詳細的說明本發明的目的和優勢以及實施方式，下面結合附圖和具體實施 例對本發明做一個更詳細的描述，其中圖1所示是本發明的結構示意圖。
具體實施例本發明關鍵在於提供一種利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體的 方法，參閱圖1所示，包括如下步驟1、選取一個襯底1，該襯底的材料為藍寶石、碳化矽、矽或GaN ；2、在襯底1上生長生長低溫成核層2，其生長溫度為500-600°C，厚度為幾十個納 米，該低溫成核層2的材料一般選用GaN ；3、在低溫成核層2上生長低溫緩衝層3，其生長溫度在500-600°C左右，厚度一般 為幾個微米，該低溫緩衝層3的材料一般選用氮化鎵或氮化鋁；4、在低溫緩衝層3上生長極性寬禁帶半導體化合物4，其中該極性寬禁帶半導體 化合物4可以是AlGaN、AlInGaN、ZnMgO或者ZnCdO，是沿(0001)極性面生長的，其生長溫度 可以從700到1500°C，其適合的生長方法為磁控濺射，脈衝雷射沉積PLD，原子層沉積ALD， 溶液法，液相傳輸法，金屬有機物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延 (HVPE)，其組分必須是漸變的，沿生長方向(0001)軸線性降低。對於纖鋅礦結構的III族氮化物化合物以及II-VI族化合物，由於在(0001)軸 上是非軸對稱結構，原子的電負性相差較大，正負電荷中心不重合，因此存在很強的自發極 化。一般來說，極化電場的存在對於光電器件比如半導體發光二極體是有害的。因為其將會在有源區產生內建電場，導致能帶彎曲，電子和空穴的基態波函數在空間上被分離。然而極 化導致的靜電場也並非全是危害。比如在高遷移率電晶體結構中就是利用了強極化感應產 生的二維電子氣實現的。由此我們很容易想到，如果令其極性反轉，那麼同樣的就會產生極 化感應二維空穴氣。目前獲得極性反轉的外延片的方法一般採用在襯底的(000-1)面上進 行生長，但是這種做法較難獲得高質量的晶體。二維空穴氣雖然在橫向的遷移率非常高，但 是在縱向上由於被限制在了一個很窄的範圍內，其縱向基本是絕緣的。因此只有將二維空 穴氣拓展成三維的才能實現材料的P型導電。而對於我們目前的傳統結構，極化電荷都是 二維的。也就是說必須有多層無限窄的二維空穴氣才能連續成三維空穴氣。這顯然要求每 一層的極化電場強度是不同的，並且沿生長方向，每一層的極化電場強度應該是逐漸降低 的，這樣才能保證在相鄰兩層的界面處存在淨極化負電荷。而本發明則正是巧妙的利用組 分來調節各層的極化電場強度，最終實現了在無需生長極性反轉的情況下獲得了三維的極 化感應空穴氣。我們在襯底的(0001)極性面上直接生長一層組分線性降低的極性寬禁帶 半導體化合物，由於極化電場隨組分的變化也是線性降低的，根據上面的分析，則在整個材 料體內就會產生連續的淨極化負電荷，並由此感應產生連續的極化感應空穴，實現材料的P 型導電。另外，為了獲得晶體質量較高的ρ型材料，一般在生長極性寬禁帶半導體化合物之 前，在襯底1上先低溫生長一層成核層2，一般生長溫度為500-600°C，厚度為幾十個納米。 然後在低溫成核層上再生長一層較厚的低溫緩衝層3。低溫緩衝層3的生長溫度一般也在 500-600 V左右，厚度一般為幾個微米。這樣做得主要目的是為了減少位錯密度。與以往傳統的採用受主雜質的摻雜來提供空穴獲得ρ型材料的方法相比，本發明 提供的這種利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法具有很大優勢(1)利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體，可以通過調節化合物的 組分來調節其極化電場強度，從而獲得不同濃度的三維極化感應空穴。(2)利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體，可以避免材料中的本徵η 型非故意摻雜雜質的補償，同時不再收受主雜質激活能的限制，較易獲得高濃度空穴。(3)利用極化感應空穴實現ρ型金屬極性寬禁帶半導體，由於極化感應空穴氣只 與極化電場有關，也就是空穴濃度只受材料本身的極性的控制，而材料的極性強弱只與其 本身的組分有關，不受溫度的影響。因此利用本發明實現的P型材料，其空穴濃度對溫度基 本沒有依賴性。也即這種P型材料可以在很低的溫度下正常提供充足的空穴。這個優勢是 以往傳統的P型材料所無法實現的。它使得很多Pn結器件在極低溫下的正常工作有了很 大的可能性。實施例參閱圖1所示，本發明提供的此實例的具體實現方法包括以下步驟步驟1 選擇藍寶石作為襯底1。步驟2 在藍寶石襯底1的(0001)面上用金屬有機物氣相沉積法(MOCVD)沉積一 層低溫GaN成核層2，厚度為25nm。步驟3 在低溫GaN成核層上用MOCVD法直接生長一層GaN緩衝層3，生長溫度為 550°C，厚度為 2um。步驟4 在低溫GaN緩衝層上用MOCVD法生長一層極性寬禁帶半導體化合物AlGaN 層4，厚度為40nm，組分沿(0001)方向從0. 3線性降低到0，生長溫度為1000°C。
與傳統的摻雜受主雜質實現ρ型導電的半導體化合物的方法相比，本發明提供的 利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法，不受雜質激活能和溫度的影響，實現方法更簡單，獲得的P型材料性能更穩定。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
一種利用極化感應空穴實現p型金屬極性寬禁帶半導體的方法，其步驟包括步驟1選取一個襯底；步驟2在襯底上生長低溫成核層，利於成核；步驟3在低溫成核層上生長低溫緩衝層，可以減少位錯密度，提高晶體質量；步驟4在低溫緩衝層上生長極性寬禁帶半導體化合物，完成p型金屬極性寬禁帶半導體的製備。
2.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中襯底是藍寶石、碳化矽、矽或GaN襯底。
3.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中極性寬禁帶半導體化合物是沿(OOOl)極性面生長的。
4.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中極性寬禁帶半導體化合物的材料是AlGaN、AlInGaN, ZnMgO或者ZnCdO。
5.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中在襯底上生長低溫成核層、在低溫成核層上生長低溫緩衝層和在低溫緩衝層上生長極 性寬禁帶半導體化合物，是採用磁控濺射法、脈衝雷射沉積法、原子層沉積法、溶液法、液相 傳輸法、金屬有機物氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法。
6.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中極性寬禁帶半導體化合物的生長溫度為700-1500°C。
7.根據權利要求1所述的利用極化感應空穴實現P型金屬極性寬禁帶半導體的方法， 其中極性寬禁帶半導體化合物的組分必須是漸變的，沿生長方向(0001)軸線性降低。
全文摘要
一種利用極化感應空穴實現p型金屬極性寬禁帶半導體的方法，其步驟包括步驟1選取一個襯底；步驟2在襯底上生長低溫成核層，利於成核；步驟3在低溫成核層上生長低溫緩衝層，可以減少位錯密度，提高晶體質量；步驟4在低溫緩衝層上生長極性寬禁帶半導體化合物，完成p型金屬極性寬禁帶半導體的製備。
文檔編號H01L21/20GK101807520SQ20101012838
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者丁凱, 張連, 曾一平, 李晉閩, 段瑞飛, 王軍喜 申請人:中國科學院半導體研究所