[发明专利]无定形III-V族半导体材料及其制备

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种无定形材料，特别涉及一种无定形III-V族半导体材料的制备。

背景技术

无定形材料是固体，其中原子没有表现出长程有序且不同于具有规则性重复性内部结构的晶体材料，无定形材料的内部结构是不规则的或无规的。无定形材料的一个实例是普通的窗玻璃，其在粘度较高的熔融的硅酸盐冷却时形成，不会形成规则性晶格。玻璃的无定形态导致各种实用的光学性质，例如它的透明度。多种成分(例如除了硅之外，Na、Ca、B、Pb)的存在会对无定形材料的最终性质(例如其颜色、透明度、软化点或玻璃转变温度、T_g)具有重要的影响。

元素周期表的III族金属(即铝、镓和铟)可以与元素周期表的V族元素(例如氮、磷和砷)形成半导体化合物。例如，III族金属可以形成砷化物，例如砷化镓(GaAs)，或磷化物，例如磷化镓(GaP)。GaAs是一种广泛应用在例如微波频率集成电路、发光二极管和太阳能电池中的半导体。GaP用在例如红色、橙色和绿色的发光二极管中。

III族金属也可以通过与氮(N)的相互作用形成氮化物，即氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和氮化铟(InN)。III族金属氮化物是(在两个相邻的容许带(allowable bands)之间)具有不同能隙的半导体，例如InN具有0.7eV的窄隙、GaN具有3.4eV的中间隙、AlN具有6.2eV的宽隙。

固态III-V族半导体材料具有规整的晶体结构，使其具有优异的化学和物理特性，因此由III-V族物质制得的电子器件能够在高温、高功率和高频率的情况下操作。由III-V族物质制得的电子器件可发射或吸收波长介于光谱的UV区域至IR区域的电磁辐射，其与发光二极管(LED)、固态照明的制造等尤其相关。无定形III-V族物质具有某些有益的光学特性，并且可以用于各种其它应用，例如太阳能电池和全彩显示屏(full color displays)。

用于制备无定形材料的技术包含：快速凝固、薄型膜沉积法(例如溅射沉积和化学气相沉积)和离子注入。在快速凝固中，直接由冷却非常快从而来不及形成规整的晶体结构的熔融物制得无定形材料。薄型膜沉积包括在基板上、或在基板上的先前沉积的层上沉积薄型膜。

溅射沉积是薄型膜沉积技术的一种。固体标靶中的原子通过离子轰击激发至气相。每一下撞击击出额外的原子，其中每一入射离子放出的原子数(即溅射率)取决于几种因素，如入射离子的能量、离子和原子各自的质量、和固体中原子的结合能。由等离子体(一般为惰性气体如氩气)提供离子。激发出来的原子不在其热动平衡态下，倾向于沉积在真空室中的所有表面。因此，腔室中的基板最终被具有相同组成的靶材的薄型膜覆盖。在溅射沉积期间，由于不涉及蒸发，靶材能够在较低温度下保存。在反应溅射中，等离子气体包括少量非惰性气体，如氧气或氮气，其与从靶材中溅射出的材料反应，形成反应产物沉积材料，如氧化物或氮化物。

化学气相沉积(CVD)是另一种薄型膜沉积，其中薄膜是通过化学反应形成的。将基板曝露于气体混合物中，其与基板表面反应形成所需的凝聚在基板上的沉积物。CVD能够在高温炉或加热基板的CVD反应器中进行。一般在反应中会产生不需要的副产品，其通过反应室中的气流被除去。等离子体可用于提高化学反应的速度并降低化学反应温度。金属有机化学气相沉积(MOCVD)涉及作为反应物的有机金属化合物。

离子注入涉及在第二靶材中注入第一材料的离子。在撞击靶材(如基板表面)前，离子静电加速至高能。注入的材料的量，即剂量(dose)，是离子电流随时间的积分。通过控制剂量和能量，以及靶材经受的温度，能够改变靶材表面的晶体结构，由此形成无定形层。撞击离子(impinging ions)破坏了靶材中的化学键，并形成新的不规整的且不在热动平衡下的键，使靶材变为无定形。