[发明专利]金属氧化物半导体薄膜、结构和方法

说明书

本专利申请主张美国专利申请号为60/666,453，申请日为2005年3月30日的临时申请的共有权利的优先权，该申请的名称为“金属氧化物半导体薄膜、结构和方法”(代理机构卷号MOXT-004-PR)，该申请通过引用全文而结合于此。

技术领域

本发明涉及基于氧化锌的合金半导体材料，更具体地，涉及可配置为具有一个范围的理想能带隙值的这些材料。这些半导体材料可用于制造半导体层、结构和装置，并改良半导体装置的功能和性能。

背景技术

氧化锌的光学性质已得到了研究以获得其在半导体装置方面的潜在用途，尤其是用于诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的光子发光装置和诸如光电二极管的光子探测器。ZnO在室温中的能带隙为大约3.3电子伏特(eV)，对应于此能量的发射光子的约376纳米(nm)的波长。已从使用p型和n型材料形成二极管的ZnO LED证明了光发射。ZnO还用于制造UV光探测器和场效应晶体管(FET)。

ZnO具有使得其成为用于光电装置和应用的有希望的半导体材料的几个重要特性。与GaN的26meV和ZnSe的20meV相比，ZnO具有大的激子结合能60meV。ZnO的大的激子结合能表明了对于制造基于ZnO的装置将在温度升高时所述装置将拥有明亮且连贯的发射/探测能力的希望。ZnO具有非常大的击穿电场，估计为约2×10⁶V/cm(＞GaAs击穿电场的两倍)，从而表明可将高工作电压施加至基于ZnO的装置以获得高功率和增益。ZnO在室温下也具有3.2×10⁷cm/sec的饱和速度，该速度大于氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)的值。如此大的饱和速度表明，相对由这些其他材料作成的装置，基于ZnO的装置可更好地用于高频率应用。

另外，ZnO能够格外地抗扰高能量辐射引起的辐射损坏。半导体中由高能量辐射引起的普遍现象为禁止能带内的深中心的产生以及辐射所产生的载波。这些效应严重影响装置敏感度、反应时间和读出噪音。因此，辐射硬度作为用于工作在苛刻环境(诸如空间和核反应堆内)中的装置参数而非常重要。

从材料辐射硬度的观点来说，ZnO与其他宽带隙半导体相比能更好地适于空间工作。例如，在抵抗来自电子或质子的高能量辐射引起的损坏方面，ZnO大约比GaN的抵抗力大100倍。

ZnO也具有高熔化温度(近2000℃)，从而为装置制造期间的后生长(post-growth)过程(诸如退火和烘培)中的高温处理以及在高温环境中的应用提供了可能性。

大面积ZnO单晶晶片(高达75mm直径)为商业上可用的。可能生长具有低错位密度的基于同外延ZnO的装置。ZnO衬底上的同外延ZnO生长将减轻许多与蓝宝石上的异外延GaN生长有关的问题，诸如由于晶格失配引起的压力和热膨胀问题。

与GaN的215meV相比，ZnO具有浅受主能级(acceptor level)129meV。受主能级的低值意味着ZnO中的p型掺杂物较易于激活且藉此有助于在ZnO中产生的孔浓度高于在每一材料的相同掺杂水平浓度的情况下在GaN中的对应孔浓度。基于ZnO的装置可由湿式化学蚀刻过程来制造。这些特性使得ZnO成为用于近UV至远UV探测器、LED、LD、FET和其他光电装置的发展的最具吸引力的材料。

将ZnO的能带隙值修改为比用于ZnO的值更小的值，还可将ZnO的能带隙值修改为比用于ZnO的值更大的值，以提供半导体装置的增强的功能、能力和性能。

如实例，具有比ZnO的带隙能量大的带隙能量的材料允许在LED和LD装置的较短波长上的发射。相对地，具有比ZnO的带隙能量小的带隙能量的材料将允许在LED和LD装置的较长波长上的发射。

具有较大带隙的材料将允许半导体异质结构的制造，诸如活性发光层、量子井、多个量子井、超晶格、覆层、吸收层、发射层和在频谱的紫外(UV)区域中具有增加的功能、能力和性能的光探测器。这些装置和能力包括在频谱的UV区域中发光的LED和LD和用于太阳挡板和其他应用的UV光探测器。

具有较小带隙的材料将允许半导体异质结构的制造，诸如活性发光层、量子井、多个量子井、超晶格层、覆层、吸收层、发射层和在频谱的可见区域中具有增加的功能、能力和性能的光探测器。

这些装置和能力包括在频谱的可见区域中发光的LED和LD和可见光探测器。