[發明專利]一種生長高質量全組分可調三元半導體合金的方法

有效

• 申請號: 201310586058.4
• 申請日: 2013-11-20
• 公開（公告）號: CN103578935A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 王新強;榮新;沈波;劉世韜;陳廣;吳潔君;許福軍;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L21/205
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種生長高質量全組分可調三元半導體合金的方法。

背景技術

III-V族三元半導體合金，是元素周期表中兩種III族原子和一種V族原子形成的半導體合金。III-V族中三元氮化物合金的禁帶寬度隨合金組分不同而連續可調，對應波長覆蓋了從紫外波段到近紅外波段的寬廣范圍（0.2μm～1.9μm），使其在固態照明、短波長激光器、高速電子器件和高效太陽能電池等領域有廣泛的應用價值。

生長III-V族三元半導體合金，以三元氮化物合金為例，由于InN、GaN和AlN各自的生長溫度相差懸殊，晶格失配較大，彼此之間的固溶度較低，使得生長高質量三元氮化物合金非常困難。目前生長三元氮化物合金的主要方法有分子束外延MBE和金屬有機物化學氣相沉積MOCVD。由于In原子比Ga原子或Al原子具有更高的脫附率，生長含In三元氮化物合金需要保持較低的生長溫度。MOCVD生長方法中，低溫不利于NH₃熱分解，使得有效氮源減少；MBE生長方法中，低溫下表面吸附的In原子形成In液滴后成為In原子陷阱，從而影響了In原子進入晶格位置。兩種方法中低溫會降低原子在襯底表面的遷移，引發三維生長，形成較差的表面形貌。

目前生長III-V族三元半導體合金的方法中，主要通過控制各金屬的原子束流比的方法生長不同組分的三元半導體合金，而對最佳生長溫度如何依賴合金組分沒有系統研究，從而導致晶體質量不高。

發明內容

針對以上現有技術存在的問題，本發明提出了一種生長高質量全組分可調三元半導體合金的方法，快速確定III-V族或II-VI族三元半導體合金的生長條件，如最佳生長溫度，各生長源的原子束流等，從而制備高質量全組分可調的三元半導體合金。

本發明的目的在于提供一種高質量全組分可調三元半導體合金的制備方法。

III-V族三元半導體合金A（III）_xB（III）_1-xC（V），A（III）和B（III）為III族原子，C（V）為V族原子，x為兩種III族原子中與V族原子形成化學鍵的鍵能較小的一種III族原子的組分，則1-x為兩種III族原子中與V族原子形成化學鍵的鍵能較大的一種III族原子的組分，這里的組分是指III族原子與V族原子的原子數比；II-VI族三元半導體合金A（II）_xB（II）_1-xC（VI），A（II）和B（II）為II族原子，C（VI）為VI族原子，x為兩種II族原子中與VI族原子形成化學鍵的鍵能較小的一種II族原子的組分，這里的組分是指II族原子與VI族原子的原子數比。實驗發現一定組分的三元半導體合金存在一個最高的生長溫度，即邊界溫度，在此邊界溫度下，并控制各組分原子的原子束流，從而可以得到高質量的三元半導體合金。

本發明的全組分可調三元半導體合金的制備方法，用于制備III-V族或II-VI族三元半導體合金，包括以下步驟：

1）對模板進行預處理，使模板的表面潔凈；

2）確定三元半導體合金的各原子的組分，根據組分確定邊界溫度；

3）根據生長速度，確定V族或VI族原子的原子束流；

4）根據各原子的組分，確定與V族或VI族原子形成化學鍵的鍵能較大的原子的原子束流；

5）確定與V族原子形成化學鍵的鍵能較小的原子的原子束流，使兩種III族原子的原子束流之和不小于V族原子的原子束流，或者確定與VI族原子形成化學鍵的鍵能較小的原子的原子束流，使兩種II族原子的原子束流之和不小于VI族原子的原子束流；

6）按照以上確定的條件，在潔凈的模板上生長三元半導體合金。

其中，在步驟1）中，對模板的預處理包括：對模板進行高溫烘烤，保持一段時間，然后再繼續生長一層模板物質，從而使得模板的表面潔凈。

在步驟2）中，確定三元半導體合金A（III）_xB（III）_1-xC（V）或A（II）_xB（II）_1-xC（VI）的組分，x為與V族或VI族原子形成化學鍵的鍵能較小的一種III族或II族原子的組分，按照確定的組分確定邊界溫度，邊界溫度滿足下式：

在式（1）中，x為鍵能較小的原子的組分，T_sub為邊界溫度，k_B為玻爾茲曼常數，A和E為優化參數，優化參數A和E與三元半導體合金的材料有關，由化學鍵能的大小確定。