专利名称：利用极化感应空穴实现p型金属极性宽禁带半导体的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种利用极化感应空穴实现P型金属极性 宽禁带半导体的方法。
背景技术：
早在上个世纪六十年代人们就开始了半导体发光二极管的研究，最先问世的是 GaAsP的红光LED。1962年，GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓 (GaAsP)半导体化合物。此后红光LED得到了迅速发展。到目前位置红光LED技术已经非 常成熟，其效率也基本达到了其理论值。相对成熟的镓砷磷基红光LED，GaN基LED的发展 则非常滞后。其中一个非常重要的限制因素就是GaN等宽禁带的半导体化合物的ρ型掺杂 很难实现。一直到1989年Amano等发现用低能电子束辐照以及1991年Nakamura等发现 600-750°C氮气气氛下退火都可以激活GaN中Mg受主而获得较高空穴浓度的ρ型材料，GaN 基LED的发展才得以复苏。此后的十几年里，GaN基LED得到了迅猛的发展，其发光效率也 不断提高，在全世界的范围内掀起了一场GaN基LED的研究热潮。然而尽管越来越多的学 者、企业投入到GaN基LED的研究中来，但是其发光效率的提高却相对缓慢，与理论值相比 还相差甚远，仍然有很大的提高空间。造成这个瓶颈的主要原因则是高空穴浓度的P型材 料难以实现。首要一个因素是材料本身具有很高的本征η型载流子，一些非故意掺杂的施 主杂质如0等会对受主杂质有补偿作用。另一个原因则是受主杂质的激活能较高，如Mg原 子在GaN中的激活能高达200meV，在AlN中的激活能更是高达630meV，N原子在ZnO中的 激活能甚至达到了 1.3eV。因此高空穴浓度的ρ型掺杂很难实现。除了 ρ型材料较难获得外，另一个影响发光效率提高的原因则与材料的极化电 场有关。对于纤锌矿结构的III族氮化物化合物以及II-VI族化合物，由于在(0001)轴 上是非轴对称结构，原子的电负性相差较大，正负电荷中心不重合，因此存在很强的自发极 化。一般来说，极化电场的存在对于光电器件比如半导体发光二极管是有害的。因为其将 会在有源区产生内建电场，导致能带弯曲，电子和空穴的基态波函数在空间上被分离。然 而极化导致的静电场也并非全是危害。比如在高迁移率晶体管结构中就利用了强极化感 应产生的二维电子气。那么有没有可能利用极化感应出空穴气来实现材料的P型掺杂呢？ 答案应该是肯定的。目前，John Simon, Vladimir Protasenko 等人在 Science. Vol327， 2010, "Polarization-Induced Hole Doping in Wide-Band-Gap UniaxialSemiconductor Heterostructures”中对这个问题进行了研究。他们通过在(000-1)面上生长一层组分线 性增加的AlGaN层，产生了三维的极化感应空穴，并采用变温Hall的测试方法证实了三维 空穴气的存在，实现了 AlGaN层的ρ型导电。然而，该方法在实际生长中有很大难度，主要 是因为N极性面的外延片的晶体质量相对金属极性面的要差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体的方法，该方法是利用极性宽禁带半导体化合物的较强的极化效应与其组分的关系，通过 渐变组分，使其极化强度渐变，产生连续的净极化负电荷，并感应出连续的空穴，这样极性 宽禁带半导体化合物就会呈现P导电特性。本发明提供一种利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体的方法，其步骤包括步骤1 选取一个衬底；步骤2 在衬底上生长低温成核层，利于成核；步骤3 在低 温成核层上生长低温缓冲层，可以减少位错密度，提高晶体质量；步骤4 在低温缓冲层上 生长极性宽禁带半导体化合物，完成P型金属极性宽禁带半导体的制备。其中衬底是蓝宝石、碳化硅、硅或GaN衬底。其中极性宽禁带半导体化合物是沿(0001)极性面生长的。其中极性宽禁带半导体化合物的材料是AlGaN、Al InGaN, ZnMgO或者ZnCdO。其中在衬底上生长低温成核层、在低温成核层上生长低温缓冲层和在低温缓冲层 上生长极性宽禁带半导体化合物，是采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、溶 液法、液相传输法、金属有机物气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法。其中极性宽禁带半导体化合物的生长温度为700-1500°C。其中极性宽禁带半导体化合物的组分必须是渐变的，沿生长方向(0001)轴线性 降低。
为了更详细的说明本发明的目的和优势以及实施方式，下面结合附图和具体实施 例对本发明做一个更详细的描述，其中图1所示是本发明的结构示意图。
具体实施例本发明关键在于提供一种利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体的 方法，参阅图1所示，包括如下步骤1、选取一个衬底1，该衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硅或GaN ；2、在衬底1上生长生长低温成核层2，其生长温度为500-600°C，厚度为几十个纳 米，该低温成核层2的材料一般选用GaN ；3、在低温成核层2上生长低温缓冲层3，其生长温度在500-600°C左右，厚度一般 为几个微米，该低温缓冲层3的材料一般选用氮化镓或氮化铝；4、在低温缓冲层3上生长极性宽禁带半导体化合物4，其中该极性宽禁带半导体 化合物4可以是AlGaN、AlInGaN、ZnMgO或者ZnCdO，是沿(0001)极性面生长的，其生长温度 可以从700到1500°C，其适合的生长方法为磁控溅射，脉冲激光沉积PLD，原子层沉积ALD， 溶液法，液相传输法，金属有机物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延 (HVPE)，其组分必须是渐变的，沿生长方向(0001)轴线性降低。对于纤锌矿结构的III族氮化物化合物以及II-VI族化合物，由于在(0001)轴 上是非轴对称结构，原子的电负性相差较大，正负电荷中心不重合，因此存在很强的自发极 化。一般来说，极化电场的存在对于光电器件比如半导体发光二极管是有害的。因为其将会在有源区产生内建电场，导致能带弯曲，电子和空穴的基态波函数在空间上被分离。然而极 化导致的静电场也并非全是危害。比如在高迁移率晶体管结构中就是利用了强极化感应产 生的二维电子气实现的。由此我们很容易想到，如果令其极性反转，那么同样的就会产生极 化感应二维空穴气。目前获得极性反转的外延片的方法一般采用在衬底的(000-1)面上进 行生长，但是这种做法较难获得高质量的晶体。二维空穴气虽然在横向的迁移率非常高，但 是在纵向上由于被限制在了一个很窄的范围内，其纵向基本是绝缘的。因此只有将二维空 穴气拓展成三维的才能实现材料的P型导电。而对于我们目前的传统结构，极化电荷都是 二维的。也就是说必须有多层无限窄的二维空穴气才能连续成三维空穴气。这显然要求每 一层的极化电场强度是不同的，并且沿生长方向，每一层的极化电场强度应该是逐渐降低 的，这样才能保证在相邻两层的界面处存在净极化负电荷。而本发明则正是巧妙的利用组 分来调节各层的极化电场强度，最终实现了在无需生长极性反转的情况下获得了三维的极 化感应空穴气。我们在衬底的(0001)极性面上直接生长一层组分线性降低的极性宽禁带 半导体化合物，由于极化电场随组分的变化也是线性降低的，根据上面的分析，则在整个材 料体内就会产生连续的净极化负电荷，并由此感应产生连续的极化感应空穴，实现材料的P 型导电。另外，为了获得晶体质量较高的ρ型材料，一般在生长极性宽禁带半导体化合物之 前，在衬底1上先低温生长一层成核层2，一般生长温度为500-600°C，厚度为几十个纳米。 然后在低温成核层上再生长一层较厚的低温缓冲层3。低温缓冲层3的生长温度一般也在 500-600 V左右，厚度一般为几个微米。这样做得主要目的是为了减少位错密度。与以往传统的采用受主杂质的掺杂来提供空穴获得ρ型材料的方法相比，本发明 提供的这种利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法具有很大优势(1)利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体，可以通过调节化合物的 组分来调节其极化电场强度，从而获得不同浓度的三维极化感应空穴。(2)利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体，可以避免材料中的本征η 型非故意掺杂杂质的补偿，同时不再收受主杂质激活能的限制，较易获得高浓度空穴。(3)利用极化感应空穴实现ρ型金属极性宽禁带半导体，由于极化感应空穴气只 与极化电场有关，也就是空穴浓度只受材料本身的极性的控制，而材料的极性强弱只与其 本身的组分有关，不受温度的影响。因此利用本发明实现的P型材料，其空穴浓度对温度基 本没有依赖性。也即这种P型材料可以在很低的温度下正常提供充足的空穴。这个优势是 以往传统的P型材料所无法实现的。它使得很多Pn结器件在极低温下的正常工作有了很 大的可能性。实施例参阅图1所示，本发明提供的此实例的具体实现方法包括以下步骤步骤1 选择蓝宝石作为衬底1。步骤2 在蓝宝石衬底1的(0001)面上用金属有机物气相沉积法(MOCVD)沉积一 层低温GaN成核层2，厚度为25nm。步骤3 在低温GaN成核层上用MOCVD法直接生长一层GaN缓冲层3，生长温度为 550°C，厚度为 2um。步骤4 在低温GaN缓冲层上用MOCVD法生长一层极性宽禁带半导体化合物AlGaN 层4，厚度为40nm，组分沿(0001)方向从0. 3线性降低到0，生长温度为1000°C。
与传统的掺杂受主杂质实现ρ型导电的半导体化合物的方法相比，本发明提供的 利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法，不受杂质激活能和温度的影响，实现方法更简单，获得的P型材料性能更稳定。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种利用极化感应空穴实现p型金属极性宽禁带半导体的方法，其步骤包括步骤1选取一个衬底；步骤2在衬底上生长低温成核层，利于成核；步骤3在低温成核层上生长低温缓冲层，可以减少位错密度，提高晶体质量；步骤4在低温缓冲层上生长极性宽禁带半导体化合物，完成p型金属极性宽禁带半导体的制备。
2.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中衬底是蓝宝石、碳化硅、硅或GaN衬底。
3.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中极性宽禁带半导体化合物是沿(OOOl)极性面生长的。
4.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中极性宽禁带半导体化合物的材料是AlGaN、AlInGaN, ZnMgO或者ZnCdO。
5.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中在衬底上生长低温成核层、在低温成核层上生长低温缓冲层和在低温缓冲层上生长极 性宽禁带半导体化合物，是采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、溶液法、液相 传输法、金属有机物气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法。
6.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中极性宽禁带半导体化合物的生长温度为700-1500°C。
7.根据权利要求1所述的利用极化感应空穴实现P型金属极性宽禁带半导体的方法， 其中极性宽禁带半导体化合物的组分必须是渐变的，沿生长方向(0001)轴线性降低。
全文摘要
一种利用极化感应空穴实现p型金属极性宽禁带半导体的方法，其步骤包括步骤1选取一个衬底；步骤2在衬底上生长低温成核层，利于成核；步骤3在低温成核层上生长低温缓冲层，可以减少位错密度，提高晶体质量；步骤4在低温缓冲层上生长极性宽禁带半导体化合物，完成p型金属极性宽禁带半导体的制备。
文档编号H01L21/20GK101807520SQ20101012838
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者丁凯, 张连, 曾一平, 李晋闽, 段瑞飞, 王军喜 申请人:中国科学院半导体研究所