[發明專利]一種制造半導體材料的方法

在審

• 申請號: 201410178882.0
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103972382A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 李世彬;余宏萍;張鵬;王建波;楊亞杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L43/14
• 分類號: H01L43/14
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 譚新民

技術領域

本發明涉及半導體材料技術領域，尤其是涉及一種制造Ⅲ-氮族半導體材料的方法。

背景技術

1879年，Hall發現了霍爾效應，1980年Von Klitzing在硅的金屬-氧化物-半導體效應管中首次觀測到整數量子霍爾效應（QHE）：霍爾電導是量子化的，且對樣品的大小、形狀、載流子濃度甚至遷移率均不敏感，這說明存在某種內在的不變量。1982年，Thouless 等人指出，霍爾電導對系統自身變化的不敏感來源于QHE體系的拓撲不變性。QHE態和真空拓撲性不同，其和真空的界面上拓撲不變量必須發生變化，這導致了無能隙導電的邊緣態出現。在無外加磁場的情況下通過利用電子的自旋自由度可以實現QHE中，不同自旋方向的載流子空間上分離，即零磁場下的霍爾效應——量子自旋霍爾效應（QSHE）。2005年和2006年，Kane 和張首晟等人分別預言，利用電子的自旋-軌道耦合，在零磁場下（保持時間反演對稱性）QSHE態即可實現，而實現它的體系，就是二維拓撲絕緣體。

拓撲絕緣體是一種全新的量子態，通?？捎砂雽w材料中本征的強的自旋-軌道耦合來驅動能帶結構反轉來實現拓撲絕緣體的狀態。首先，在強的自旋軌道耦合的作用下，拓撲絕緣體的體能態是絕緣體性的，表面則是金屬性的。這種無能隙的表面態完全由體電子態的拓撲結構所決定，在時間反演對稱性的保護下，不會受到雜質和無序的影響。其次，拓撲絕緣體的表面態是自旋分辨的，由無質量狄拉克方程所描述。

理論上和實驗上都證實了二維拓撲絕緣體的存在，但在一些常用的半導體材料中尋找拓撲絕緣態還是很困難的，這是因為常用的半導體都有一定的帶隙，而且沒有強的電子自旋-軌道耦合。一個較好的方法就是在二維納米尺度的量子阱中添加大的偏壓，強的電場可以降低系統材料帶隙和導致自旋劈裂，使系統成為拓撲絕緣態。但是這種方法的最大困難就是需要外加電場非常強，但對于帶隙的改變只有0.1eV左右。

因此，現有技術需要進一步的改進。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種制造半導體材料的方法，根據該方法制造的半導體材料不需要外加電場驅使量子阱形成拓撲絕緣態，從而提高了器件的穩定性和可靠性，降低了器件的能耗。

本發明公開的技術方案包括：

提供了一種制造半導體材料的方法，其特征在于，包括：對襯底基片進行預處理；將預處理后的所述襯底基片置于反應室中，將三甲基鋁作為金屬源、氨氣作為V族源、氫氣作為載氣通入所述反應室中，在第一溫度下反應，在所述襯底基片上生長形成具有第一厚度的第一氮化鋁層；將三甲基鎵作為金屬源、氨氣作為V族源、氫氣作為載氣通入所述反應室中，在第二溫度下反應，在所述第一氮化鋁層上生長形成具有第二厚度的氮化鎵層；將三甲基鋁作為金屬源、氨氣作為V族源、氫氣作為載氣通入所述反應室中，在第三溫度下反應，在所述氮化鎵層上生長形成具有第三厚度的第二氮化鋁層。

本發明的一個實施例中，所述第一溫度為960至1000攝氏度。

本發明的一個實施例中，所述第二溫度為900至920攝氏度。

本發明的一個實施例中，所述第三溫度為960至1000攝氏度。

本發明的一個實施例中，所述對襯底基片進行預處理的步驟包括：在480至500攝氏度下在所述襯底基片上沉積氮化鋁緩沖層；將沉積了所述氮化鋁緩沖層之后的所述襯底基片在980至1000攝氏度下退火5分鐘。

本發明的一個實施例中，在沉積所述氮化鋁緩沖層的步驟之前還包括：在氫氣和氨氣混合氣氛下，在980至1000攝氏度下對所述襯底基片進行氮化處理。

本發明的一個實施例中，在對所述襯底基片進行氮化處理的步驟之前還包括：在氫氣氣氛下在960至980攝氏度下對所述襯底基片進行熱處理10分鐘。

本發明的一個實施例中，在對所述襯底基片進行熱處理的步驟之前還包括：清洗所述襯底基片。

本發明的一個實施例中，所述第一厚度為1至25納米，所述第三厚度為1至25納米。

本發明的一個實施例中，所述第二厚度為0.2至10納米。

根據本發明的實施例的方法制造的半導體材料中，形成了AlN/GaN/AlN結構，該AlN/GaN/AlN結構形成量子阱。在該量子阱結構中，由于AlN和GaN的自發極化不同，在兩個異質結面行成相反的兩種極化電荷，進一步的行成強的內建電場，驅使量子阱內能帶反轉，形成穩定的且低電阻的運輸態。這樣，通過該內建電場，不需要額外的外加電場驅使該半導體材料的量子阱形成拓撲絕緣態，從而提高了半導體器件的穩定性和可靠性，降低了器件的能耗。