[发明专利]在(111)Si上生长的第III-V族材料的受控的n-掺杂的方法

说明书

本发明涉及一种提供在(111)Si上生长的n‑掺杂的第III‑V族材料的方法，并且尤其涉及一种包括与不生长步骤交错的生长第III‑V族材料的步骤的方法，其中生长步骤和不生长步骤两者都受到恒定的不间断的砷流浓度的影响。

技术领域

本发明涉及一种提供在(111)Si上生长的n-掺杂的第III-V族材料(n-dopedgroup III-V material)的方法，并且尤其涉及一种包括与不生长步骤交错的生长第III-V族材料的步骤的方法，其中生长步骤和不生长步骤两者都受到恒定的不间断的砷流浓度(arsenic flux concentration)的影响。

背景

本征半导体材料(intrinsic semiconductor material)通常需要掺杂剂来形成非本征半导体，如n-型半导体，即其中电子是多数载流子并且空穴是少数载流子的材料。p-型半导体包括其中空穴是多数载流子并且电子是少数载流子的半导体材料。本征半导体材料掺杂通常包括将杂质原子引入到本征半导体中。杂质原子来自不同于半导体材料的元素，并且杂质原子是本征半导体的施主(donor)或受主(acceptor)。施主将它们额外的价原子贡献给半导体的导带。受主接受来自半导体价带的电子，从而在本征半导体材料中提供过多的空穴，即提供p-型半导体。当制造半导体器件时，n-型和p-型半导体可以被接合，形成例如p-n结。

然而，已知当在分子束外延生长工艺中制造时，半导体材料可能表现出例如p-型或n-型的非有意掺杂(non-intentional doping)。原因可能是所得到的半导体材料的不完美的结构品质(晶体缺陷等)。在这样的情况下，如果在半导体材料中已经发生非有意的p-掺杂或n-掺杂(有时被称为自掺杂，即不使用添加的掺杂剂)，则可能不能使用掺杂剂来制造n-型或p-型半导体。例如，如果在外延生长工艺中已经发生非有意的P-掺杂(或自掺杂)，则已知当使材料成为n-掺杂的时，在称为补偿掺杂(compensation doping)的工艺中添加n-掺杂剂是可能的。然而，如果补偿n-掺杂可以是成功的，这种可能性通常至少取决于材料中存在的p-掺杂的水平。

GaAs最常见地被掺杂有硅，以便使GaAs成为n-型，但是可以另外被掺杂有锗、硫、碲或锡，或者铍、铬或锗等，以便使其分别成为n-掺杂的或p-掺杂的。一种类型的掺杂剂实际上可以充当n-掺杂剂和p-掺杂剂两者，这取决于它在GaAs晶格中所采取的位置。对于GaAs，这与所有碳族的成员有关，碳族的成员如果占据As位置则它将是n-掺杂剂，而如果碳族的成员占据Ga位置，将它们是p-掺杂剂。在符号方面(notation wise)，在GaAs晶格中占据Ga位置的Ga原子被表示为Ga_Ga，而占据As位置的Ga被表示为Ga_As，以此类推。

GaAs的双原子性质使其当进行可控的掺杂时成为高度挑战性的材料。两种成分Ga和As之间的非单一比率将例如在材料中提供强的掺杂效果，因为Ga_As将充当p-掺杂剂，并且As_Ga将充当n-掺杂剂。因此，在GaAs的形成期间稍微较高浓度的Ga将导致p-型材料，而相反的将导致n-型材料。

当控制GaAs的掺杂时，单空位的(mono-vacancy)和掺杂剂空位的复合体(dopant-vacancy complex)的不可避免的引入进一步增加了复杂性。已经报告，As空位(V_As)和镓空位(V_Ga)两者充当p-掺杂剂(参见http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.2210960237/abstract)，而已经发现掺杂剂空位复合体，诸如Si_GaV_Ga，通过充当受主来补偿n-掺杂，尽管Si在GaAs中通常充当n-掺杂剂。通过Si_GaV_Ga对n-掺杂的补偿已经被示出对于高Si-掺杂是最强的，在这种情况下，Si原子通过充当两性掺杂剂Si_As另外增加了补偿效应。