[发明专利]在半导体上制造外部氧化物或外部氮化物

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构和器件，尤其涉及包括氧化物-半导体或氮化物-半导体界面的结构和器件，以及制造这样的结构和器件的方法。

背景技术

各种半导体器件，例如，发光二极管LED、半导体激光器、光检测器、光伏电池和晶体管，包括一个或多个氧化物-半导体或氮化物-半导体界面。氧化物或氮化物层的目的经常涉及下层半导体表面的钝化和/或电绝缘。

在各种类型的具有这样的氧化物-半导体或氮化物-半导体界面的器件中，半导体和氧化物或氮化物之间的材料界面的质量对于器件的性能至关重要。通常，在半导体表面中具有低密度缺陷的化学突变界面是合乎要求的。高密度的缺陷态会造成有害影响，例如器件的漏电流增加。在氧化物的情况下，缺陷态可由于，例如，半导体表面的氧化造成。由氧化诱发的缺陷态可涉及，例如空穴、悬空键和不同的氧化物相。

在氧化物作为钝化或绝缘材料的情况下，二氧化硅SiO₂作为半导体材料照例已被广泛用作钝化层材料。其在其他半导体例如锗Ge和III-V族化合物半导体中的用途已经进行了广泛研究。

在一种已知的示例性方法中(例如US 2005/0000566 A1中提出的)，半导体Ge表面(其上将会沉积有氧化物层)首先被清洗以除去所有氧化物。之后，将非晶硅层沉积在清洗过的半导体表面上，以避免衬底氧化。然后，在该非晶Si层上形成SiO₂钝化层。US 6352942 B1中披露了在Ge表面上利用初始Si层的另一个实例。在所提出的方法中，在形成衬底的表层的Ge层生长之后，首先在Ge生长室中可以将硅沉积在表面上。可替代地，在沉积硅层之前可以将原生氧化物(native oxides)从Ge表面去除。选择将硅层在升高的温度下暴露于干燥氧气中一段时间，以使仅部分初始Si层被氧化。

在上述现有技术实例中，硅层与纯的锗表面接触。这样的相互作用会导致另一种不期望的效应，其中硅原子扩散到锗晶体中，导致扩散的(延伸的)界面。这又会导致有害的缺陷态，对界面质量并且由此对结合了钝化的锗表面的器件性能造成负面影响。

上述现象不限于二氧化硅和锗分别作为氧化物和半导体材料。而是，认为这些类似现象对于多种材料组合也是可能的。例如，对于在半导体衬底上使用氮化物作为钝化或绝缘材料的情况，会出现相应的现象。

总之，需要通用解决方案以生产高质量氧化物-半导体和氮化物-半导体界面，其能够在工业水平上成本有效地制造。

发明内容

在一方面中，可以实施一种方法以用于在半导体衬底上形成外部氧化物层或外部氮化物层。在此处半导体衬底意指具有表面的衬底，至少部分该表面由半导体材料形成。这样的半导体材料可以形成位于该半导体衬底的本体或支持部上的层，这样的本体或支持部由一些其他材料形成。可替代地，该半导体材料可以覆盖半导体衬底的整个厚度。

半导体衬底可以是单体本体、结构或元件。可替代地，其可以形成较大结构或器件的主要部分(integral part)。例如，其可以形成优选需要高质量的半导体-氧化物界面或半导体-氮化物界面的光电器件、晶体管或任意其他器件或部件的结构的一部分。

可以通过任何适当的方法来形成和制备该半导体衬底。仅作为一个实例，可以通过将III-V复合半导体的层沉积(例如借助于分子束外延MBE)在蓝宝石沉积衬底上来形成半导体衬底。

“外部”氧化物或氮化物在此处分别是指不同于半导体衬底自身可形成的氧化物或氮化物半导体材料的氧化的或氮化的材料。

半导体材料可以是仅包括一个半导体元件(例如锗Ge)的单个元件半导体材料。可替代地，或另外，其也可是包括复合半导体材料，例如砷化镓GaAs、砷化铟InAs、砷化镓铟InGaAs、磷化铟InP、锑化镓铝Al-GaSb、锑化铟InSb或本领域已知的任意其他复合半导体材料。在两种情况下，该半导体材料可以是掺杂的或本征的(intrinsic)。

该方法包括提供具有氧化的或氮化的表面层的半导体衬底；在该氧化的或氮化的表面层上供给至少一种外部元素；以及将该氧化的或氮化的表面层在升高的温度下保持，从而分别通过最初存在于该氧化的或氮化的表面层中的氧或氮来至少部分地氧化或氮化所供给的外部元素。

氧化的或氮化的表面层意指由半导体衬底的半导体材料的氧化物或氮化物形成的层。该氧化的或氮化的表面层可以仅覆盖该半导体材料的一部分厚度。可替代地，该半导体材料的整个厚度可以被氧化或氮化，从而形成氧化的或氮化的表面层。