專利名稱：：InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及利用InN材料作緩沖層或襯底材料生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體材料或結(jié)構(gòu)的方法。尤其是在單晶或多晶InN半導(dǎo)體材料上利用CVD、M0CVD或MBE生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)單層半導(dǎo)體材料或多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料。
背景技術(shù)：
：隨著半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展到如今的第三代半導(dǎo)體材料，由GaN、IriN、A1N及其三元合金InxGai-xN、Al、GahN組成的III族氮化物以其諸多獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用前景，成為了近年半導(dǎo)體光電子學(xué)研發(fā)的熱點(diǎn)。2002年，美國(guó)LawrenceBerkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的W.Walukiewicz和J.Wu發(fā)現(xiàn)InN的禁帶寬度為0.7eV([l]J.Wu，W.Walukiewicz,K.M.Yu,J.W.AgerIII,E.E.Haller，H.Lu,W.J.Schaff，Y.Saito,andY.Nanishi，Appl.Phys.Lett.80，3967(2002))，而不是之前報(bào)道的2eV([2]T.L.TansleyandC.P.Foley,J.Appl.Phys.59,3241(1986))。這使得III族氮化物合金的禁帶寬度從A1N的6.2eV到InN的0.7eV連續(xù)可調(diào)，其對(duì)應(yīng)的吸收光譜的波長(zhǎng)從紫外部分一直可以延伸到近紅外部分，這幾乎完整地覆蓋了整個(gè)太陽(yáng)光譜([3]J.Wu,W.Walukiewicz,K.M.Yu，W.Shan,J.W.AgerIII，E.E.Haller，HaiLu,WilliamJ".Schaff，W.K.MetzgerandSarahKurtz,J.Appl.Phys.94,6477(2003))，所述文獻(xiàn)中給出了InGaN三元合金的光譜覆蓋范圍和AMI.5太陽(yáng)光譜的對(duì)應(yīng)情況；并將InGaN與傳統(tǒng)材料GalnP、GaAs和Ge進(jìn)行了比較。它提供了對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)能光譜幾乎完美的對(duì)應(yīng)匹配能隙。這為設(shè)計(jì)新型高效太陽(yáng)能電池提供了極大的可能。如果用這種材料來(lái)制造太陽(yáng)電池，尤其是在串聯(lián)太陽(yáng)電池的制造中，就只需要改變?nèi)辖鹬胁煌饘俚慕M分，即可方便的調(diào)節(jié)吸收窗口，而不需要生長(zhǎng)另外的一種材料。這將使得在設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)串聯(lián)電池時(shí)有了更大的自由度，從而有利于達(dá)到最佳的窗口組合。如果考慮理想情況下將InGaN電池的結(jié)數(shù)做得足夠多，其理論上最大的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到85%([4]AntonioMarti,GerardoL.Arafijo，SolarEnergyMaterialsandSolarCells,43，203(1996))。CVD、M0CVD或MBE已經(jīng)是比較成熟的半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)方法，如CN1389904橫向外延生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵薄膜的方法，采用MOCVD、MBE或其他方法生長(zhǎng)GaN籽晶層；在GaN籽晶層上沉積Si02、Si3N4、W等薄膜。CN1945863生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的復(fù)合緩沖層及制備方法，采用MBE生長(zhǎng)方式，依次排列生成的AIN層、GaN層、lnN:Mn層及l(fā)nN過渡層。在m族氮化物半導(dǎo)體材料中，氮化銦(InN)具有最小的電子有效質(zhì)量、最高的電子遷移率、最大的峰值和飽和電子漂移速率和最小的禁帶寬度。因此，InN在高頻、高速電子器件方面具有極大的應(yīng)用價(jià)值。早期報(bào)道的InN的禁帶寬度為1.89eV左右，而從2002年以來(lái)的研究結(jié)果表明InN的禁帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離1.89eV，可能在0.7eV左右。InN開始成為氮化物半導(dǎo)體研究中的一個(gè)新熱點(diǎn)。由于InN的禁帶寬度在0.7eV左右，氮化物合金材料可以覆蓋深紫外到近紅外波段(2001600"w)，在光電子器件方面將會(huì)有極大的應(yīng)用價(jià)值。首先，1.3pm和1.55pm光纖通訊窗口在此波段范圍內(nèi)，這使InN基半導(dǎo)體材料有可能在光纖通訊器件方面有重要應(yīng)用，例如高速LD和光電探測(cè)器件等。Si和Ge是目前最廣泛使用的半導(dǎo)體材料，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有的材料己經(jīng)不能滿足工業(yè)需求，于是人們的眼光投向了異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料。Ge(111)和InN之間不太大的晶格失配比(9%)以及帶隙的細(xì)微差別(40meV)讓人很容易聯(lián)想到這兩種材料之間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的探究很有可能有助于異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBTs)以及紅外光探測(cè)器的發(fā)展。InN是一種具有很好前景的新型半導(dǎo)體材料，但是由于對(duì)它的研究剛開始不久，這種材料許多特性尚在研究之中，尤其是利用它作為緩沖層或襯底材料尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。CVD(化學(xué)氣相外延)、MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)和MBE(分子束外延)技術(shù)生長(zhǎng)方法是常用的材料生長(zhǎng)方法，但選擇襯底InN材料作緩沖層或襯底材料生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體材料或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料值得我們研究，包括生長(zhǎng)的技術(shù)條件，緩沖層的設(shè)計(jì)等等均是生產(chǎn)中需要解決的問題。新型半導(dǎo)體InN材料和傳統(tǒng)半導(dǎo)體Si、Ge材料的結(jié)合有可能產(chǎn)生新的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和新的半導(dǎo)體現(xiàn)象。本發(fā)明選擇新型半導(dǎo)體材料InN作為緩沖層或襯底材料、利用CVD方法外延生長(zhǎng)了半導(dǎo)體Ge薄膜材料。研究了利用CVD方法外延生長(zhǎng)在InN材料上生長(zhǎng)Ge外延薄膜的性能。初步獲得了InN單晶材料上生長(zhǎng)得Ge薄膜材料。并申請(qǐng)發(fā)明保護(hù)利用InN材料作緩沖層或襯底材料生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體材料或結(jié)構(gòu)的方法。尤其是以單晶或多晶InN半導(dǎo)體材料作緩沖層或襯底材料，在其上利用CVD、MOCVD或MBE生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)Si、Ge、GaAs、GaN及其超晶格、合金材料等各類其它單層半導(dǎo)體材料或多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提出一種利用新型InN材料作緩沖層或襯底材料生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體材料或結(jié)構(gòu)的方法。尤其是以InN半導(dǎo)體材料作緩沖層或襯底材料，在其上利用CVD、MOCVD或MBE在InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜的方法，并可以延伸到Si、Ge、GaAs、GaN及其超晶格、合金材料等各類其它單層半導(dǎo)體材料或多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的制備。本發(fā)明的技術(shù)解決方案InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，InN材料緩沖層的厚度為100納米以上，在其上制備單層或n層鍺或硅薄膜，每層鍺或硅薄膜的厚度為50納米以上。尤其是100-200納米，設(shè)有2-6層鍺或硅薄膜較好。利用InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜的方法，采用InN材料為襯底上或先在襯底材料上生長(zhǎng)一層InN材料作緩沖層或支撐層，接著生長(zhǎng)Si、Ge、GaAs或GaN半導(dǎo)體單層或多層材料。采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE等半導(dǎo)體材料的常規(guī)生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)過程中通入一定流量的N2氣或H2氣作為載氣，生長(zhǎng)溫度控制在20(rC到115(TC之間，采用金屬有機(jī)源，金屬源或其它半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)源，反應(yīng)合成生長(zhǎng)(如金屬鍺、硅與氯氣的反應(yīng))半導(dǎo)體材料。其過程中預(yù)處理(a)將InN材料或其它襯底上生長(zhǎng)的InN薄膜材料經(jīng)過反應(yīng)腔外清洗或直接免清洗放入生長(zhǎng)腔內(nèi)，對(duì)材料表面作高溫烘烤、高溫腐蝕、等離子體清洗或其它方法清洗，或不作任何表面處理。(b)或直接放入任何清潔的襯底材料，經(jīng)過M0CVD、、CVD、HVPE或MBE等生長(zhǎng)方法的反應(yīng)腔內(nèi)襯底表面處理后，再生長(zhǎng)一層InN薄膜材料作緩沖層或支撐層。外延生長(zhǎng)以InN材料作襯底，或以其它半導(dǎo)體材料作襯底然后再在襯底材料上生長(zhǎng)一層InN材料緩沖層或支撐層，最后在200-1150'C溫度范圍內(nèi)，采用M0CVD、、CVD、HVPE或MBE等所需的金屬有機(jī)源(典型的如硅烷或鍺烷)，金屬源或其它半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)源，繼續(xù)反應(yīng)合成生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體薄膜材料或半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)材料。生長(zhǎng)過程中通入一定流量的N2氣或H2氣作為載氣。本發(fā)明機(jī)理和有益效果采用新型半導(dǎo)體InN材料作襯底或其它襯底上生長(zhǎng)的新型半導(dǎo)體InN薄膜材料作緩沖層或支撐層襯底材料再生長(zhǎng)其它單層或多層結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，利用M0CVD、CVD、HVPE或MBE等半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)，采用所需的金屬有機(jī)源或其它半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)源，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了用InN薄膜材料作襯底在CVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)Ge、Si，尤其是利用新型半導(dǎo)體InN材料或其它襯底上生長(zhǎng)的新型半導(dǎo)體InN薄膜材料作緩沖層或支撐層材料。產(chǎn)生了新的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和新的半導(dǎo)體現(xiàn)象。InN材料緩沖層的厚度和形成的鍺或硅薄膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用是尤其是利用Ge(111)和InN之間不太大的晶格失配比(9%)以及帶隙的細(xì)微差別(40meV)得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于生產(chǎn)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBTs)以及紅外光探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)很多。1.InN與Ge的能帶帶隙匹配，相差40meV和能帶offset匹配。2.晶格失配相對(duì)較小，InN與Ge失配11.3%。3.有可能具有比較好的pn整流特性。圖1為本發(fā)明的在InN/Al203襯底上采用M0CVD技術(shù)生長(zhǎng)的Ge薄膜材料的XRD譜。從圖中可以看到作為襯底材料的(0002)InN峰和(111)的Ge材料的峰，證明了InN材料可以作為新型半導(dǎo)體生長(zhǎng)的襯底材料。圖2為本發(fā)明生長(zhǎng)的Ge/InN樣品和襯底InN的低溫(77K)光致發(fā)光(PL)譜。可以觀察到，樣品的發(fā)光峰的位置和標(biāo)準(zhǔn)InN樣品基本一致，這表明外延生長(zhǎng)后原有的InN襯底材料層并沒有隨著生長(zhǎng)而消失，仍然有殘留。這與XRD的測(cè)量結(jié)果相符。圖3為用本發(fā)明的Ge/InN樣品IV中元素Ge、In、N的EDS深度線掃描曲線，由表面至襯底方向，N的原子濃度有緩慢增加的趨勢(shì)，Ge和In的原子濃度幾乎在同一深度達(dá)到最大值。這表明外延生長(zhǎng)得到的非晶薄膜可能含有InGe合金，這是由于被吸附的Ge原子和襯底表面經(jīng)H2處理而富集的部分金屬In發(fā)生反應(yīng)。InGe合金的存在、成鍵狀況及成分須通過XPS等測(cè)量方法進(jìn)行確認(rèn)。具體實(shí)施例方式一般采用InN/AlA襯底；InN材料緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，每層鍺或硅薄膜的厚度是100-200納米，設(shè)有2-6層鍺或硅薄膜。完備的制備方案是采用InN材料做襯底或先在其它襯底上生長(zhǎng)的InN材料作緩沖層或支撐層材料生長(zhǎng)其它單層或多層結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE等半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)方法。最后在200-1150'C溫度范圍內(nèi)，采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE等生長(zhǎng)技術(shù)所需的金屬有機(jī)源，金屬源或其它半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)源，反應(yīng)合成生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體薄膜材料或半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)材料。生長(zhǎng)過程中通入一定流量的N2氣或H2氣作為載氣。本發(fā)明在(100)藍(lán)寶石襯底上經(jīng)過高溫處理之后生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層，生長(zhǎng)InN后再生長(zhǎng)Ge、Si或其它半導(dǎo)體薄膜材料的優(yōu)化生長(zhǎng)條件范圍見表1和表2所示。表1.在InN材料作襯底或支撐層上生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)條件范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>即在InN/Al203襯底上采用CVD技術(shù)生長(zhǎng)Ge或硅薄膜工藝，112流量5-30SCCM，N2流量5-15(SCCM);反應(yīng)腔壓力20-100Pa生長(zhǎng)溫度300-600。C;In源采用三甲基銦，Ga源采用三甲基鎵，氣體的流量為5-10SCCM，也可以在GaN/Al203襯底上生長(zhǎng)固。權(quán)利要求1、InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜的制備方法，其特征是利用InN材料做襯底或先在其它襯底上生長(zhǎng)的InN材料作緩沖層或支撐層材料，并在200-1150℃生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)InN/鍺或InN/硅薄膜，以金屬有機(jī)源，金屬源或其它半導(dǎo)體材料為生長(zhǎng)源，生長(zhǎng)過程中通入一定流量的N2氣或H2氣作為載氣。2、由權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體外延膜的方法，其特征是利用新型InN材料做襯底或以先在其它襯底上生長(zhǎng)的InN材料作緩沖層或支撐層材料。3、采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE等半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)方法。在200-115(TC生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，采用M0CVD、、CVD、HVPE或MBE等生長(zhǎng)技術(shù)所需的金屬有機(jī)源，金屬源或其它半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)源，利用新型InN材料做襯底或先在其它襯底上生長(zhǎng)的InN材料作緩沖層或支撐層反應(yīng)合成生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體薄膜材料或半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)材料。生長(zhǎng)過程中通入一定流量的&氣或H2氣作為載氣。4、由權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)其它半導(dǎo)體外延膜的方法，其特征是InN/Al203襯底上采用CVD技術(shù)生長(zhǎng)Ge或硅薄膜工藝，&流量5-30SCCM，&流量5-15(SCCM);反應(yīng)腔壓力20-100Pa生長(zhǎng)溫度300-60(TC;In源采用三甲基銦，Ga源采用三甲基鎵，氣體的流量為5-10SCCM，也可以在GaN/AlA襯底上生長(zhǎng)InN。5、InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，其特征是InN材料作襯底或緩沖層，并在上面制備InN/鍺或InN/硅薄膜，InN材料緩沖層的厚度為100納米以上，在其上制備單層或n層鍺或硅薄膜，每層鍺或硅薄膜的厚度為50納米以上。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，其特征是每層鍺或硅薄膜的厚度是100-200納米，設(shè)有2-6層鍺或硅薄膜。全文摘要InN材料作襯底或緩沖層制備InN/鍺或InN/硅薄膜，InN材料作襯底或緩沖層，并在上面制備InN/鍺或InN/硅薄膜，InN材料緩沖層的厚度為100納米以上，在其上制備單層或n層鍺或硅薄膜，每層鍺或硅薄膜的厚度為50納米以上。本發(fā)明在200-1150℃生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，采用MOCVD、CVD、HVPE或MBE生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)InN/鍺或InN/硅薄膜。利用Ge(111)和InN之間不太大的晶格失配比(9％)以及帶隙的細(xì)微差別(40meV)得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于生產(chǎn)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBTs)以及紅外光探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)很多。文檔編號(hào)H01L21/20GK101179015SQ200710191199公開日2008年5月14日申請(qǐng)日期2007年12月12日優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日發(fā)明者修向前,斌劉,榮張,毅施,朱順明,江若璉,王榮華,胡立群,謝自力,紅趙,鄭有炓,平韓,顧書林申請(qǐng)人:南京大學(xué)