[发明专利]一种生长高质量全组分可调三元半导体合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种生长高质量全组分可调三元半导体合金的方法。

背景技术

III-V族三元半导体合金，是元素周期表中两种III族原子和一种V族原子形成的半导体合金。III-V族中三元氮化物合金的禁带宽度随合金组分不同而连续可调，对应波长覆盖了从紫外波段到近红外波段的宽广范围（0.2μm～1.9μm），使其在固态照明、短波长激光器、高速电子器件和高效太阳能电池等领域有广泛的应用价值。

生长III-V族三元半导体合金，以三元氮化物合金为例，由于InN、GaN和AlN各自的生长温度相差悬殊，晶格失配较大，彼此之间的固溶度较低，使得生长高质量三元氮化物合金非常困难。目前生长三元氮化物合金的主要方法有分子束外延MBE和金属有机物化学气相沉积MOCVD。由于In原子比Ga原子或Al原子具有更高的脱附率，生长含In三元氮化物合金需要保持较低的生长温度。MOCVD生长方法中，低温不利于NH₃热分解，使得有效氮源减少；MBE生长方法中，低温下表面吸附的In原子形成In液滴后成为In原子陷阱，从而影响了In原子进入晶格位置。两种方法中低温会降低原子在衬底表面的迁移，引发三维生长，形成较差的表面形貌。

目前生长III-V族三元半导体合金的方法中，主要通过控制各金属的原子束流比的方法生长不同组分的三元半导体合金，而对最佳生长温度如何依赖合金组分没有系统研究，从而导致晶体质量不高。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种生长高质量全组分可调三元半导体合金的方法，快速确定III-V族或II-VI族三元半导体合金的生长条件，如最佳生长温度，各生长源的原子束流等，从而制备高质量全组分可调的三元半导体合金。

本发明的目的在于提供一种高质量全组分可调三元半导体合金的制备方法。

III-V族三元半导体合金A（III）_xB（III）_1-xC（V），A（III）和B（III）为III族原子，C（V）为V族原子，x为两种III族原子中与V族原子形成化学键的键能较小的一种III族原子的组分，则1-x为两种III族原子中与V族原子形成化学键的键能较大的一种III族原子的组分，这里的组分是指III族原子与V族原子的原子数比；II-VI族三元半导体合金A（II）_xB（II）_1-xC（VI），A（II）和B（II）为II族原子，C（VI）为VI族原子，x为两种II族原子中与VI族原子形成化学键的键能较小的一种II族原子的组分，这里的组分是指II族原子与VI族原子的原子数比。实验发现一定组分的三元半导体合金存在一个最高的生长温度，即边界温度，在此边界温度下，并控制各组分原子的原子束流，从而可以得到高质量的三元半导体合金。

本发明的全组分可调三元半导体合金的制备方法，用于制备III-V族或II-VI族三元半导体合金，包括以下步骤：

1）对模板进行预处理，使模板的表面洁净；

2）确定三元半导体合金的各原子的组分，根据组分确定边界温度；

3）根据生长速度，确定V族或VI族原子的原子束流；

4）根据各原子的组分，确定与V族或VI族原子形成化学键的键能较大的原子的原子束流；

5）确定与V族原子形成化学键的键能较小的原子的原子束流，使两种III族原子的原子束流之和不小于V族原子的原子束流，或者确定与VI族原子形成化学键的键能较小的原子的原子束流，使两种II族原子的原子束流之和不小于VI族原子的原子束流；

6）按照以上确定的条件，在洁净的模板上生长三元半导体合金。

其中，在步骤1）中，对模板的预处理包括：对模板进行高温烘烤，保持一段时间，然后再继续生长一层模板物质，从而使得模板的表面洁净。

在步骤2）中，确定三元半导体合金A（III）_xB（III）_1-xC（V）或A（II）_xB（II）_1-xC（VI）的组分，x为与V族或VI族原子形成化学键的键能较小的一种III族或II族原子的组分，按照确定的组分确定边界温度，边界温度满足下式：

在式（1）中，x为键能较小的原子的组分，T_sub为边界温度，k_B为玻尔兹曼常数，A和E为优化参数，优化参数A和E与三元半导体合金的材料有关，由化学键能的大小确定。