[发明专利]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

说明书

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p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℃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p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n型载流子，一些非故意掺杂的施主杂质如O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p型掺杂很难实现。

除了p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p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p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。

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℃。

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。

附图说明