專利名稱:無定形iii-v族半導(dǎo)體材料及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明主要涉及一種無定形材料,特別涉及一種無定形IIi-V族半導(dǎo)體材料的制備。
背景技術(shù):
無定形材料是固體,其中原子沒有表現(xiàn)出長程有序且不同于具有規(guī)則性重復(fù)性 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體材料,無定形材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的或無規(guī)的。無定形材料的一 個實(shí)例是普通的窗玻璃,其在粘度較高的熔融的硅酸鹽冷卻時(shí)形成,不會形成規(guī)則性晶 格。玻璃的無定形態(tài)導(dǎo)致各種實(shí)用的光學(xué)性質(zhì),例如它的透明度。多種成分(例如除了 硅之外,Na、Ca、B、Pb)的存在會對無定形材料的最終性質(zhì)(例如其顏色、透明度、軟 化點(diǎn)或玻璃轉(zhuǎn)變溫度、Tg)具有重要的影響。元素周期表的III族金屬(即鋁、鎵和銦)可以與元素周期表的V族元素(例 如氮、磷和砷)形成半導(dǎo)體化合物。例如,III族金屬可以形成砷化物,例如砷化鎵 (GaAs),或磷化物,例如磷化鎵(GaP)。GaAs是一種廣泛應(yīng)用在例如微波頻率集成電 路、發(fā)光二極管和太陽能電池中的半導(dǎo)體。GaP用在例如紅色、橙色和綠色的發(fā)光二極管中。III族金屬也可以通過與氮(N)的相互作用形成氮化物,即氮化鋁(AlN)、氮化 鎵(GaN)和氮化銦(InN)。III族金屬氮化物是(在兩個相鄰的容許帶(allowable bands) 之間)具有不同能隙的半導(dǎo)體,例如InN具有0.7eV的窄隙、GaN具有3.4eV的中間隙、 AlN具有6.2eV的寬隙。固態(tài)III-V族半導(dǎo)體材料具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu),使其具有優(yōu)異的化學(xué)和物理特 性,因此由III-V族物質(zhì)制得的電子器件能夠在高溫、高功率和高頻率的情況下操作。由 III-V族物質(zhì)制得的電子器件可發(fā)射或吸收波長介于光譜的UV區(qū)域至IR區(qū)域的電磁輻 射,其與發(fā)光二極管(LED)、固態(tài)照明的制造等尤其相關(guān)。無定形III-V族物質(zhì)具有某些 有益的光學(xué)特性,并且可以用于各種其它應(yīng)用,例如太陽能電池和全彩顯示屏(foil color displays)。用于制備無定形材料的技術(shù)包含快速凝固、薄型膜沉積法(例如濺射沉積和 化學(xué)氣相沉積)和離子注入。在快速凝固中,直接由冷卻非??鞆亩鴣聿患靶纬梢?guī)整的 晶體結(jié)構(gòu)的熔融物制得無定形材料。薄型膜沉積包括在基板上、或在基板上的先前沉積 的層上沉積薄型膜。濺射沉積是薄型膜沉積技術(shù)的一種。固體標(biāo)靶中的原子通過離子轟擊激發(fā)至氣 相。每一下撞擊擊出額外的原子,其中每一入射離子放出的原子數(shù)(即濺射率)取決于 幾種因素,如入射離子的能量、離子和原子各自的質(zhì)量、和固體中原子的結(jié)合能。由等 離子體(一般為惰性氣體如氬氣)提供離子。激發(fā)出來的原子不在其熱動平衡態(tài)下,傾 向于沉積在真空室中的所有表面。因此,腔室中的基板最終被具有相同組成的靶材的薄 型膜覆蓋。在濺射沉積期間,由于不涉及蒸發(fā),靶材能夠在較低溫度下保存。在反應(yīng)濺射中,等離子氣體包括少量非惰性氣體,如氧氣或氮?dú)?,其與從靶材中濺射出的材料反 應(yīng),形成反應(yīng)產(chǎn)物沉積材料,如氧化物或氮化物?;瘜W(xué)氣相沉積(CVD)是另一種薄型膜沉積,其中薄膜是通過化學(xué)反應(yīng)形成的。 將基板曝露于氣體混合物中,其與基板表面反應(yīng)形成所需的凝聚在基板上的沉積物。 CVD能夠在高溫爐或加熱基板的CVD反應(yīng)器中進(jìn)行。一般在反應(yīng)中會產(chǎn)生不需要的副 產(chǎn)品,其通過反應(yīng)室中的氣流被除去。等離子體可用于提高化學(xué)反應(yīng)的速度并降低化學(xué) 反應(yīng)溫度。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)涉及作為反應(yīng)物的有機(jī)金屬化合物。離子注入涉及在第二靶材中注入第一材料的離子。在撞擊靶材(如基板表面) 前,離子靜電加速至高能。注入的材料的量,即劑量(dose),是離子電流隨時(shí)間的積 分。通過控制劑量和能量,以及靶材經(jīng)受的溫度,能夠改變靶材表面的晶體結(jié)構(gòu),由此 形成無定形層。撞擊離子(impinging ions)破壞了靶材中的化學(xué)鍵,并形成新的不規(guī)整的 且不在熱動平衡下的鍵,使靶材變?yōu)闊o定形。Lanke 等人的標(biāo)題為 “Compositional and Structural Studies of AmorphousGaN Grown by Ion—assisted Deposition” 的文章(Material Research SocietySymposium 2002)涉及
一種利用高能氮離子束生長無定形GaN的方法。通過在高能氮離子束的存在下鎵金屬的 電子束蒸發(fā)(離子輔助沉積)制備無定形GaN膜。在室溫下利用40-900eV范圍內(nèi)的入 射氮離子能量使膜沉積。在硅和玻璃質(zhì)碳基板上生長的膜上進(jìn)行組分分析。分析表明, 生長的膜可以被認(rèn)為是無定形GaN。通過約500eV的氮離子能量沉積的膜對可見光是透 明的(transparent across the visible),然而將離子能量減小到300eV以下使得膜逐漸變?yōu)椴?透明的。授予 Yagi 的題目為"Process for manufacturing semiconductor, apparatusfor manufacturing semiconductor, and amorphous material” 的美國專禾1J 5,976,398 涉及無定形 氮化物III-V化合物半導(dǎo)體,及其制造裝置和方法。該制造方法使用了等離子體增強(qiáng)的 MOCVD。該半導(dǎo)體制造裝置包括反應(yīng)器、第一和第二活化供應(yīng)部分(activation-supply portions) >排氣管、加熱器和基片座?;鶎⒒灞3衷诳梢孕纬烧婵盏姆磻?yīng)器中。 每個活化供應(yīng)部分由一對氣體引入管、連接反應(yīng)器的石英管和微波波導(dǎo)(或另選地,高 頻線圈)組成,以提供活化。第五族元素的等離子體(如氮等離子體)在第一活化部分生成,并被引入到反應(yīng) 器中。例如,通過氣體導(dǎo)管引入N2氣體,且利用微波振蕩器向微波波導(dǎo)提供微波,其在 石英管中誘發(fā)放電并將N2氣體活化。通過第一活化供應(yīng)部分的氣體導(dǎo)管提供含有第三族 元素(如Al、Ga、In)的金屬有機(jī)化合物。通過第二活化供應(yīng)部分的氣體引入管提供輔 助材料(如He、Ne、Ar、H2, Cl2、Fl2)。所述輔助材料(如氫等離子體)與金屬有機(jī) 化合物,包括第三族元素的有機(jī)官能團(tuán)反應(yīng),使有機(jī)官能團(tuán)失活。向第五種元素的等離 子體加入蒸發(fā)的金屬有機(jī)化合物和輔助材料的等離子體。加熱器將基板加熱到合適的溫度(如200°C -400°C )。在基板上形成含有第三 種元素和第五族元素的無定形材料薄膜。半導(dǎo)體化合物薄膜含有第三種元素和第五族元 素。例如,無定形材料是氫化的無定形氮化鎵。無定形材料適合作為光電應(yīng)用中使用的 光學(xué)半導(dǎo)體(optical semiconductor)。Kordesch 的美國專利申請 US 2002/0100910,題目為 “Band gapengineeringof amorphous Al-Ga-N alloys”,涉及包括鋁和鎵的無定形半導(dǎo)體合金,及其制造方
法,該方法使用了濺射沉積。半導(dǎo)體基板設(shè)置在反應(yīng)性濺射沉積室內(nèi)的陰極上。該 濺射沉積室還包括靶陽極上的濺射靶材。該濺射沉積室與RF源和匹配網(wǎng)絡(luò)(matching network)聯(lián)合在一起。濺射靶材含有鋁和鎵(例如具有鋁和鎵兩者的單集成靶(single integrated target)、具有鋁部分和鎵部分的單靶(single target)或是鋁和鎵的分離靶(discrete targets)。所述濺射靶材可包含銦。氮?dú)庖氲綖R射沉積室中。該濺射沉積室在運(yùn)轉(zhuǎn)以促 進(jìn)濺射靶材的鋁和鎵與氮?dú)獾姆磻?yīng)。半導(dǎo)體基板維持在沉積溫度下(如約77K 約300K 之間),以確保生長的合金為無定形的。選擇鋁和鎵的相對比例,使無定形合金的帶隙介 于約3eV至約6eV之間。無定形合金具有化學(xué)式AlxGai_xN。無定形合金可根據(jù)不同 的光子學(xué)應(yīng)用而進(jìn)行摻雜,例如摻雜有稀土發(fā)光中心(rare earth luminescent center)。量子點(diǎn)(QD)是半導(dǎo)體材料的納米晶體,被不同傳導(dǎo)相物質(zhì)(即導(dǎo)電、半導(dǎo)電或 不導(dǎo)電的物質(zhì))空間地包圍。在量子點(diǎn),通過激發(fā)價(jià)電子可以形成激子(即電子-空穴 對)。量子點(diǎn)表示量子力學(xué)的“原子狀(atom-like) ”結(jié)構(gòu),其中電子可以被激發(fā)至略高 一點(diǎn)的(非鍵)軌道,從而離開“空穴”。量子點(diǎn)中的電子的激發(fā)可以是電激發(fā)、光激 發(fā)或熱激發(fā)。在傳統(tǒng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中,帶隙能量(Eg)較低的納米晶體(即QDs)埋設(shè)在Eg較 高的物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。例如鍺QDs可以埋設(shè)在硅晶體中??蛇x地,納米晶體QDs 可以埋設(shè)在無定形基質(zhì)中。在這種情況下,可以使用單獨(dú)的化學(xué)物質(zhì)制造兩相合成物。 因此,從兩個相(即QDs的晶相和周圍的基質(zhì)的無定形相)衍生出QDs與基質(zhì)物質(zhì)之間 的帶隙能量差。如果組分完全相同,則晶相的Eg通常低于無定形相。例如,在埋設(shè)于 GaAs無定形基質(zhì)中的GaAsQDs的情況就是這樣。在合成物中包含兩種化學(xué)物質(zhì)的情況下,會進(jìn)一步得到多種變化。QDs的晶相 對物質(zhì)組分的容許度較小,而無定形相的容許度更大。在這種情況下,可以得到帶隙能 量情況不同的QDs,也就是Eg較低的較高的基質(zhì)中(即作為上述通常的情況), 或者Eg較高的QDs在Eg較低的基質(zhì)中。納米微晶埋設(shè)在其中的這種無定形基質(zhì)被稱為
“無定形納米晶”(ANC)。這種物質(zhì)的一種實(shí)例是InGaN系統(tǒng)。在單獨(dú)的化學(xué)物質(zhì)的情況下,優(yōu)勢(superiorily)無定形材料的帶隙能量(即在納 米或更小尺寸下抑制顆粒的有序化)高于相同物質(zhì)的ANC物質(zhì)(即規(guī)整的結(jié)晶度更大的 材料的Eg低于其無定形等價(jià)物)。在混合相合成物中,納米晶體相可以與周圍的無定形 相的組分不同。例如,在InGaN的物質(zhì)系統(tǒng)中,晶相中的銦可能更多(即無定形相中的 銦更少)或反之,晶相中的銦較少(即無定形相中的銦更多)。在后者的情況下,可以在 微晶中得到較大的Eg,在無定形基質(zhì)得到較小的Eg。ANC層可以封(wafered)在或堆疊在兩個優(yōu)勢的無定形層之間。優(yōu)勢的無定形 層的帶隙能量(在下文中“Eg”)值小于或大于納米微晶的Eg。因此,在Eg較大的情 況下,自由電荷載體被空間地捕獲在ANC層中,因?yàn)樗鼈儧]有足夠的能量來越過優(yōu)勢的 無定形層能量障壁。在Eg較小的情況下,自由電荷載體一旦形成就被空間地“釋放”。 當(dāng)每個優(yōu)勢的無定形層蓋面分別摻雜有η型和ρ型物質(zhì)時(shí),得到量子點(diǎn)p-i-n結(jié)。在這種 量子點(diǎn)p-i-n結(jié)中,如果放射過度,ANC層的自由電子和空穴可以組合并且放出光子, 或者朝向分別摻雜η型和摻雜ρ型的無定形層移動。如果ANC層的Eg小于無定形層的Eg,則通過光子在無定形層中形成的自由電荷載體可以方便地“逃脫”至周圍的層(例 如摻雜有ρ型物質(zhì)的無定形材料)。如果電極結(jié)合至每個無定形層,那么可以得到量子 點(diǎn)p-i-n結(jié)、產(chǎn)生量子點(diǎn)電子器件。如果電極通過外部電源而帶電,則可以通過量子點(diǎn) p-i-n結(jié)產(chǎn)生電流,并且可以應(yīng)用發(fā)光裝置。量子點(diǎn)電子器件可以用作光伏(PV)電池。在PV電池中,通過光伏效應(yīng)制得自 由電荷載體(即電子和空穴),并且自由電荷載體被導(dǎo)弓I以在p-i-n結(jié)的電場下朝向η型和 ρ型摻雜端(caps)移動。當(dāng)光子撞擊PV電池時(shí)發(fā)生了光伏效應(yīng),其波長等于(或高于) 構(gòu)造PV電池的半導(dǎo)體材料的帶隙。光子可以被電子吸收,將電子從價(jià)帶送至導(dǎo)帶,留 下空穴進(jìn)而形成激子。因?yàn)镻V電池被封在p-i-n結(jié)中,電子和空穴可以在p-i-n結(jié)的電 場中沿相反的方向移動。如果電極結(jié)合(coupled)至p-i-n結(jié)的每個端部,則電極帶電。 當(dāng)量子點(diǎn)PV電池連接至外部電路,在PV電池兩側(cè)上的兩個電極之間可以產(chǎn)生電流。PV電池可以包含多種半導(dǎo)體材料,其分別具有不同的帶隙能量值并且吸收不同 波長的光子。在這種情況下,量子點(diǎn)PV電池可以用作太陽能電池,從日光的寬的光譜中 吸收多種波長,將其轉(zhuǎn)換成電。吸收量子點(diǎn)太陽能電池是在現(xiàn)有技術(shù)中公知的。授予Suzuki 的標(biāo)題為 “Solar Cell and Process of Manufacturing the Same” 的美國 專利No.6,566,595涉及使用p-i-n結(jié)中的量子點(diǎn)層的太陽能電池。太陽能電池包含由第一 化合物半導(dǎo)體材料制成的ρ型半導(dǎo)體層和η型半導(dǎo)體層。在ρ型半導(dǎo)體層與η型半導(dǎo)體 層之間形成有至少一個量子點(diǎn)層。量子點(diǎn)層由第二化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成并且其表面具 有多個凸起(即量子點(diǎn))。在單獨(dú)的量子點(diǎn)層或在多個量子點(diǎn)層的任意一個上,量子點(diǎn)的 尺寸不同。量子點(diǎn)層被插入p-i-n結(jié)的i型半導(dǎo)體層中。因此,除了對應(yīng)于形成p-n結(jié)的 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的光的波長之外,對應(yīng)于量子點(diǎn)層的實(shí)際禁帶寬度的光的波長被 吸收。這提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。量子點(diǎn)層的禁帶寬度會根據(jù)用于形成量子 點(diǎn)層的半導(dǎo)體的組合或化合物結(jié)晶比而變化。因此,其中可以執(zhí)行光電轉(zhuǎn)化的波長范圍 可被擴(kuò)展,并且可以制造能夠?qū)?yīng)于入射光高效實(shí)現(xiàn)變化的波長的光電轉(zhuǎn)化的太陽能電 池。在Suzuki的太陽能電池制造工藝中,可以通過光刻和選擇性蝕刻或通過自生機(jī)制形 成量子點(diǎn)層。用于形成量子點(diǎn)層的半導(dǎo)體材料可以是元素周期表中示出的III族元素和V 族元素的化合物,例如InGaAs或GaAs。授予Fafard 的標(biāo)題為 “Solar Cell with Epitaxially Grown Quantum DotMaterial"
公布號為NO.US2005/0155641的美國專利申請涉及一種具有亞晶胞結(jié)構(gòu)的光伏太陽能電 池,并且涉及一種用于制備該太陽能電池的方法。太陽能電池是一種包括至少一個亞晶 胞的單片半導(dǎo)體光伏太陽能電池,該亞晶胞具有自組裝量子點(diǎn)物質(zhì)。太陽能電池的每個 亞晶胞具有不同的帶隙能量值,進(jìn)而吸收波長不同的光子。亞晶胞以增加有效帶隙能量 的順序設(shè)置,其中有效帶隙能量最小的亞晶胞最靠近基板。在太陽能電池的每對亞晶胞 之間形成有障壁半導(dǎo)體層(barrier semiconductor layer)。用于制備太陽能電池的方法包括量子點(diǎn)物質(zhì)的外延生長。量子點(diǎn)層的生長溫度 用于調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的形狀和組成。在每個量子點(diǎn)層的障壁過度生長期間的溫度可以在過度 生長的不同階段變化,從而進(jìn)一步控制量子點(diǎn)的尺寸和組成,并由此控制自組裝量子點(diǎn) 物質(zhì)的吸收特征。選擇外延生長參數(shù)的組合以得到具有所需能級的高度均勻的量子點(diǎn)的平面內(nèi)密度高的量子點(diǎn)層。這些生長參數(shù)是生長溫度、V族超壓(over-pressure)或 III/V比、量子點(diǎn)物質(zhì)、用于實(shí)現(xiàn)均勻的近似二維膜(quasi two-dimensional film)至三維島 (three-dimensional islands)之間的自組裝生長轉(zhuǎn)換的物質(zhì)的量、生長速率或生長期間的間 歇,以及例如生長溫度和生長速率的過度生長情況。
發(fā)明內(nèi)容
因此,根據(jù)本發(fā)明,提供一種用于形成附在基板上的III-V族無定形材料膜的 反應(yīng)蒸發(fā)沉積方法。該方法包括以下步驟使基板受到不大于O.OlPa的環(huán)境壓力,在 0.05Pa與2.5Pa之間的工作壓力下引入活性的V族蒸汽至基板表面,并且引入III族金屬 蒸汽,直到在所述表面上形成無定形III-V族物質(zhì)層。無定形材料可以在其中包括納米微 晶,根據(jù)無定形材料的厚度和反應(yīng)蒸發(fā)期間基板的溫度確定該納米微晶的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的另一方案,披露了一種用于形成附在基板上的III-V族無定形材 料的方法。該方法包括以下步驟使基板受到不大于O.OlPa的環(huán)境壓力,以及在至少 O.OlPa的基礎(chǔ)壓力下引入III族金屬蒸汽至基板的表面,直到在所述表面上形成多個III族 金屬滴。所述方法進(jìn)一步包括下述步驟在0.05Pa與2.5Pa之間的工作壓力下引入活性 的V族蒸汽至表面,直到在III族金屬滴上形成III-V族物質(zhì)分子;和保持工作壓力和活 性的V族物質(zhì)直到III-V族物質(zhì)分子擴(kuò)散入III族金屬滴,形成III-V族/III族溶液滴,直 到III-V族/III族溶液滴變成基板上的浸潤層。所述方法還包括以下步驟繼續(xù)增加浸 潤層中III-V族物質(zhì)分子的濃度直到所有包含在浸潤層中的III族金屬原子被耗盡,且浸潤 層轉(zhuǎn)變成無定形III-V族物質(zhì)層。通過保持活性的V族物質(zhì)的供給直到所有包含在浸潤 層中的III族金屬原子被耗盡來實(shí)現(xiàn)增加浸潤層中的III-V族分子的濃度。另選地,通過 加熱浸潤層直到殘留在浸潤層中的所有III族金屬原子被蒸發(fā)來增加浸潤層中的III-V族分 子的濃度。
通過參照附圖所做的如下詳細(xì)描述更加完全地理解本發(fā)明,在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制造和操作的用于形成無定形III-V族物質(zhì)的系統(tǒng) 的示意圖;圖IA是圖1的系統(tǒng)的示意圖,其中使用氮等離子來形成III族氮化物;圖IB是圖1的系統(tǒng)的示意圖,其中蒸發(fā)磷或砷來形成III-V族物質(zhì);圖2A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的基板的示意圖,在此階段中在基 板上形成有III族金屬滴;圖2B是圖2A的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中在III族金屬滴上形成 III-V族物質(zhì)分子;圖2C是圖2B的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中III-V族物質(zhì)分子擴(kuò)散 入III族金屬滴中,形成III-V族/III族溶液滴;圖2D是圖2C的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中III-V族/III族溶液滴 轉(zhuǎn)變成浸潤層;圖2E是圖2D的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中浸潤層變換成無定形III-V族物質(zhì)層;圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例操作的用于形成無定形III-V族物質(zhì)的方法的示 意圖;圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的基板的示意圖,在此階段中活性 的V族物質(zhì)被引入至基板;圖4B是圖4A的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中在基板上形成有固體 III-V族物質(zhì)無定形層;圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例操作的用于形成無定形III-V族物質(zhì)的方法的示 意圖;圖6A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例制造和操作的量子點(diǎn)電子器件的示意圖;和圖6B是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例制造和操作的量子點(diǎn)電子器件的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過提供一種無定形III-V族物質(zhì)和一種方法制備其的方法來克服現(xiàn)有技 術(shù)的缺陷。根據(jù)本發(fā)明,通過使在基板上形成的III族金屬滴暴露在活性的V族氣相物 質(zhì)下來形成III-V族/III族金屬溶液的浸潤層。浸潤層被進(jìn)一步暴露在與浸潤層表面上的 III族原子反應(yīng)的活性V族氣相物質(zhì)下以形成III-V族分子。III-V族分子擴(kuò)散入大部分溶 液中,增加其粘度。最后,所有III族原子在反應(yīng)中耗盡,浸潤層轉(zhuǎn)變成無定形III-V族 層。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例,III族蒸汽和活性V族氣相物質(zhì)通過反應(yīng)蒸發(fā)同時(shí)被引 入至基板的表面,直到在基板上形成無定形III-V族層。在當(dāng)前說明的步驟中,其上形成 有無定形III-V族的基板可以不加熱地(即在25°C室溫下)保留,或具有不同溫度(例如 通過加熱器加熱)。應(yīng)該注意的是,盡管隨后的說明涉及的形成有無定形層的基板是晶片 狀的,且基本上是平面的,但是基板可以為任意其它幾何形狀,因?yàn)闊o定形材料具有較 高的柔性(即主要是小尺寸)。例如,基板可以是纖維狀形狀,具有圓斷面(例如碳纖 維),其中無定形層圍繞纖維狀基板圓周地形成,得到均勻地“涂覆”有無定形材料的纖 維。應(yīng)該注意的是,術(shù)語III-V族在此處指的是元素周期表的至少一個III族物質(zhì)與元素 周期表的至少一個V族物質(zhì)的化合物。在此處參照圖1、圖IA和圖1B。圖1是通常用附圖標(biāo)記100表示的系統(tǒng)的示 意圖,該系統(tǒng)是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制造和操作的,用于形成無定形III-V族物質(zhì)。圖 IA是圖1的系統(tǒng)的示意圖,其中使用氮等離子來形成III族氮化物。圖IB是圖1的系統(tǒng) 的示意圖,其中蒸發(fā)磷或砷來形成III-V族物質(zhì)。系統(tǒng)100包括基板102、III族金屬蒸 汽源104、氮等離子體發(fā)生器107、等離子源108、氮?dú)夤┙o裝置110、真空室112、真空 泵114和V族蒸汽源105。例如,V族蒸汽源105可以是磷或砷的固體坩堝,其在加熱 時(shí)提供磷蒸汽或砷蒸汽。真空泵114通過真空管111與真空室112聯(lián)結(jié)。基板102設(shè)置在真空室112內(nèi)。 基板102可以是由硅、玻璃、石墨、聚合物、不銹鋼等形成的晶片??蛇x地,基板112 可以由石墨或玻璃纖維、或者聚合物或金屬纖維構(gòu)成。III族金屬蒸汽源104設(shè)置在真空 室112內(nèi),與基板102下表面相對,使得III族金屬蒸汽116被從III族金屬蒸汽源104導(dǎo)向基板102下表面。III族金屬蒸汽源104例如可以是鎵蒸汽、銦蒸汽或鋁蒸汽的源。在 圖1示出的系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)中,基板102的下表面是活性表面,而基板102的上表面是非 活性表面。氮?dú)夤┙o裝置110與氮等離子源108聯(lián)結(jié)。氮?dú)夤┙o裝置110可以是氮?dú)?N2) 的罐(cylinder),其通過管連接至氮等離子源108。管包括用于調(diào)節(jié)等離子源108中氮?dú)?壓力的安全閥115。壓力表117與等離子體發(fā)生器107聯(lián)結(jié)以監(jiān)測其中的壓力。氮等離子體發(fā)生器107設(shè)置在真空室112的一側(cè),與基板102的活性表面鄰近且 相對。氮等離子體發(fā)生器107設(shè)置在等離子源108附近。氮等離子體發(fā)生器107例如可以 是IOOkHz變壓器類型的等離子管。氮等離子體發(fā)生器107將活性氮(例如N或N+)118A 通過閘板119引入至真空室112的反應(yīng)器區(qū)域(即基板102所在的設(shè)置)。V族蒸汽源 105 (例如磷或砷加熱坩堝)鄰近III族金屬蒸汽源104地設(shè)置并且V族蒸汽118B(例如磷 或砷)被導(dǎo)向基板102的活性表面。氮?dú)夤┙o裝置110使純凈的氮120導(dǎo)引入等離子體發(fā)生器107。利用安全閥115 和壓力表117,氮?dú)?20的壓力被設(shè)定成約5帕斯卡(Pa)。氮等離子體發(fā)生器107以近 似IOOkHz運(yùn)行,并且激發(fā)(ignites)氮?dú)?20以制得活性氮物質(zhì)118A。在閘板119打開 之后,活性氮118A朝向基板102的活性表面膨脹并且與該活性表面接觸。相似地,V族 蒸汽118B (例如磷或砷)被導(dǎo)向基板102的活性表面并且與該活性表面接觸。應(yīng)該注意的是,本發(fā)明可以用于形成由任意III-V族物質(zhì),即氮化鎵(GaN)、氮 化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、砷化銦鎵(InGaAs)、砷化 鋁鎵(AlGaAs)、磷化銦鎵(InGaP)或它們的混合物,制備的無定形材料。因此,通過 在本發(fā)明中對于溫度和壓力任意所需的調(diào)整,III族金屬可以包括鎵、銦或鋁或者它們的 混合物。通過任意所需的調(diào)整,V族物質(zhì)可以包括氮、砷或磷。例如,為了得到InGaN 層,氮等離子以及鎵蒸汽和銦蒸汽的混合物也被弓I入真空室。還應(yīng)該注意的是,如圖1示出的,活性氮和其它V族元素均可以使用。在圖IA 中,系統(tǒng)100僅使用活性氮等離子來形成III族氮化物,而在圖IB中,系統(tǒng)100除了氮之 外僅使用V族蒸汽來形成III-V族物質(zhì)。應(yīng)該理解的是,根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括等 離子源以及在真空室內(nèi)部多個不同物質(zhì)的蒸汽源在此參照圖2A、圖2B、圖2C、圖2D和圖2E。圖2A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施 例的圖1的系統(tǒng)的基板的示意圖,在此階段中在基板上形成有III族金屬滴。圖2B是圖 2A基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中在III族金屬滴上形成III-V族分子。圖2C 是圖2B的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中III-V族分子擴(kuò)散入III族金屬滴中, 形成III-V族/III族溶液滴。圖2D是圖2C的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意圖,其中 III-V族/III族溶液滴轉(zhuǎn)變成浸潤層。圖2E是圖2D的基板處于更進(jìn)一步的階段的示意 圖,其中浸潤層轉(zhuǎn)變成無定形III-V族物質(zhì)層。應(yīng)該注意的是,本發(fā)明可以通過對于系統(tǒng) 所需的匹配使用除了氮之外任意V族物質(zhì),例如磷或砷,如圖IA對于氮示出的和圖IB 對于V族蒸汽示出的。參照圖2A,III族金屬蒸汽源104 (圖1)向基板102的活性表面放出III族金屬 蒸汽116。當(dāng)使用鎵時(shí),在約1000°C的溫度下生成到達(dá)基板102的活性表面的鎵蒸汽。 引入鎵蒸汽的溫度可以根據(jù)所需的沉積速率不同于1000°C。真空泵114用于使得真空室112內(nèi)部的基礎(chǔ)壓力至少為O.OlPa。III族金屬蒸汽116到達(dá)基板102的活性表面,并且 濃縮成III族金屬液體滴122A。III族金屬液體滴122A包括III族金屬原子。根據(jù)基板 102的組分,III族金屬滴122A傾向于基本上保持球形或更容易地?cái)U(kuò)展,它決定與III族金 屬滴122A的表面張力的相互作用的抵制或吸引。除了表面張力之外,III族金屬滴122A 的精確的尺寸和量取決于作用在真空室112(圖1)中的壓力、基板102的溫度和III族金 屬蒸汽116的蒸汽壓。III族金屬滴122A可以以均勻的方式濃縮,使得每個III族金屬滴122A與其它的 滴122A尺寸基本上相同,并且以與其它的滴122A基本上相同的間距分隔開。可選地, III族金屬滴122A可以以非均勻的方式濃縮,使得每個滴122A尺寸不同并且以與其它的 滴122A的不同的間距分隔開。III族金屬滴122A的尺寸和滴122A之間的距離的一致性 取決于基板102的活性表面的一致性和在其中存在的污染物和缺陷。因此,為了以均勻 的方式濃縮III族金屬滴,基板102的活性表面可以被預(yù)處理以清潔表面的任意污染物。 例如,可以通過應(yīng)用活性氮、或通過加熱基板102至足夠高的溫度(例如850°C)、或者 兩者的組合來預(yù)處理基板102的活性表面。參照圖2B,在III族金屬滴122A冷凝之后,等離子源108使活性氮118A朝向基 板102的活性表面導(dǎo)引?;钚缘?18A與III族金屬滴122B的III族金屬原子反應(yīng)。在使 用除了氮以外的V族源的情況下,如圖1和圖1B,V族蒸汽118B的V族原子與III族金 屬滴122B的III族金屬原子反應(yīng)。活性氮118A或V族蒸汽118B與III族金屬滴的反應(yīng) 導(dǎo)致在III族金屬滴122B的外層形成III-V族分子124。例如,在使用氮和鎵的情況下, 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)形成GaN分子Ga+N — GaN。III-V族物質(zhì)分子124可以例如根據(jù)化學(xué)反 應(yīng)包括在每個III族金屬滴122B外層上的單獨(dú)的分子或分子團(tuán)簇nGa+nN — (GaN)n0參照圖2C,在于III族金屬滴122B的外層上形成III-V族分子124之后,III_V 族分子124開始擴(kuò)散入III族金屬滴122B內(nèi)部的液體III族金屬中。III族金屬滴122B的 內(nèi)部液體逐漸轉(zhuǎn)化成III-V族/III族溶液(例如溶解在液體Ga中的GaN),并且III族金 屬滴122B轉(zhuǎn)變成III-V族/III族溶液滴122C。潤濕是與流體物質(zhì)和固體表面之間的接觸相關(guān)的物理現(xiàn)象。當(dāng)液體的表面張力 較高時(shí),液體會形成微滴(類似于III族金屬滴122A),而表面張力較小的液體會在較大 區(qū)域上擴(kuò)展。潤濕是界面能最小化的結(jié)果。如果流體與基板的表面相似(conform)并且 它的厚度面積比最小,則流體被認(rèn)為是潤濕流體。與基板的表面不相似并且形成微滴的 流體被認(rèn)為是非潤濕流體。流體基板的潤濕特性取決于它們的化學(xué)性質(zhì)。改變流體的化學(xué)性質(zhì)可以改變其 相對于基板的潤濕特性。例如,一方面鎵被認(rèn)為是相對于硅基片非潤濕的,因此在硅基 片上形成滴。另一方面,具有特定濃度的GaN/Ga溶液被認(rèn)為是相對于硅基片潤濕的。參照圖2D,由于在III-V族/III族溶液滴122C中III_V族/III族的相對濃度增 加,所以III-V族/III族溶液滴122C的表面張力減小。因?yàn)镮II-V族/III族溶液被認(rèn)為 是相對于基板102潤濕的,溶液滴122C擴(kuò)展并且變成均勻覆蓋基板102整個表面的均勻 的浸潤層122D。隨著III-V族/III族溶液滴122C變成浸潤層122D,III-V族/III族溶 液滴122C的厚度-面積-比減小一個數(shù)量級。液體滴的尺寸確定浸潤層形成的速率。 如果液滴相對較小,則液滴會在短時(shí)間之后到達(dá)擴(kuò)展所需的濃度。如果液滴相對較大,則液滴會在較長時(shí)間之后到達(dá)擴(kuò)展所需的濃度。在基板102同時(shí)形成有大滴和小滴組合 的情況下,當(dāng)活性氮118A或V族蒸汽118B首先被引入時(shí)小滴幾乎立刻擴(kuò)展,而大滴保 持未擴(kuò)展。通過進(jìn)一步暴露在活性的V族物質(zhì)下,通過小滴形成的浸潤層會開始凝固并 最后轉(zhuǎn)化成無定形層,而大滴僅開始擴(kuò)展。最終不期望的結(jié)果是大滴在當(dāng)前的無定形層 上擴(kuò)展。因此,重要的是,溶液滴122C的尺寸基本上是均勻的。特別地,溶液滴122C 直徑的差別必須不超過2倍(factor of2)。通過適當(dāng)選擇基板102的類型、III族金屬蒸汽 源104和基板102的溫度真空壓力實(shí)現(xiàn)上述目的。應(yīng)該注意的是,圖1的系統(tǒng)100還可 以包括用于測量在基板102上形成的浸潤層的厚度的計(jì)量器(未示出)。參照圖2E,等離子源108 (圖1)繼續(xù)朝向浸潤層122D導(dǎo)引活性氮118A (或V 族蒸汽源105繼續(xù)朝向浸潤層122D導(dǎo)引其它V族蒸汽118B)?;钚缘?18A或其它V族 蒸汽118B與浸潤層122D的表面上的III族金屬原子反應(yīng),形成新的III-V族分子(例如 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)Ga+N — GaN)。III-V族物質(zhì)分子擴(kuò)散入大部分III-V族/III族溶液中, 增加其粘度的等級。越來越多的III族金屬原子逐漸被反應(yīng)用完,制得更多的III-V族分 子,其進(jìn)一步增加溶液的粘度。在足夠長的持續(xù)時(shí)間之后,所有III族金屬已經(jīng)被耗盡并 且浸潤層122D已經(jīng)轉(zhuǎn)化成形式類似固體的高粘膜,該膜是無定形層122E。在形成無定形層122E之前,可以通過添加更多的III族金屬可以增厚浸潤層 122D。在增厚階段和反應(yīng)階段(活性的V族物質(zhì)與III族金屬反應(yīng)以形成III-V族物質(zhì)) 之前,浸潤層122D也可以被摻雜,從而形成含有摻雜物的無定形層。例如,ρ型鎂可以 用于摻雜III-V族物質(zhì)。額外的層可以形成在無定形III-V族層上,即先形成的無定形層用作后續(xù)層的基 板。例如,可以連續(xù)形成一組薄的無定形層,由此制得厚的無定形層。薄的層可以在不 同物質(zhì),例如不同的III族金屬氮化物(例如AlN-GaN-InN,或它們的混合物等)之間交 替。可選地,III-V族晶體的晶層也可以生長在無定形層上。應(yīng)該注意的是,無定形層 是不同晶相的熱變形的優(yōu)勢緩沖。通過對不同III-V族物質(zhì)的相鄰的無定形層退火,可以形成III-V族物質(zhì)合金, 例如同時(shí)含有鎵和氮化鋁(即化學(xué)式為AlxGayN)的層。應(yīng)該注意的是,如此后參照圖6A 和圖6B更詳細(xì)地進(jìn)行說明的,交替的層可以制得量子阱,而多種退火/冷卻設(shè)計(jì)可以制 得量子點(diǎn)和微晶。已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)本發(fā)明制造厚度約大于0.5微米(即在單獨(dú)的層 中)的無定形氮化鎵層。應(yīng)該注意的是,當(dāng)形成GaN時(shí),活性氮的濃度必須到達(dá)超出飽 和度的點(diǎn)。此外,必須足夠長的時(shí)間應(yīng)用活性氮。在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行期間,發(fā)現(xiàn)在浸潤層的 頂部(即晶體通過冷卻生長的位置),120秒的周期導(dǎo)致形成無定形GaN,而90秒或75 秒的較短的周期導(dǎo)致形成GaN晶體層。如果不飽和溶液可以冷卻,則會發(fā)生結(jié)晶化。如 果在厚的浸潤層的表面上的GaN濃度梯度較高使得擴(kuò)散速率無法降低這種梯度,則在進(jìn) 一步暴露在活性氮期間,在厚的浸潤層的表面上也可以形成晶體。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,在將III族金屬蒸汽和活性的V族物質(zhì)引入至基板活 性表面之前,基板的溫度可以與室溫不同。在這種情況下,加熱器106(圖1中以虛線示 出)與基板102聯(lián)結(jié)。在引入III族金屬蒸汽116和V族物質(zhì)118A或118B之前,加熱 器106將基板102加熱至高于室溫的溫度(例如約650°C )。通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)基板被加熱至室溫與約650°C之間的范圍內(nèi)的各種溫度時(shí),可以根據(jù)本發(fā)明制造無定形氮化鎵 層。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),當(dāng)基板被加熱至室溫與約350°C之間的范圍內(nèi)的各種溫度時(shí), 可以根據(jù)本發(fā)明制造無定形砷化鎵(Y射線活化分析)。還應(yīng)該注意的是,如果銦用作 III族金屬,那么所需的溫度略低于650°C,而如果使用鋁,則所需的溫度略高于650°C。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中,通過在氮化之后以較長的周期不斷地加熱浸潤層使 得殘留在溶液中的III族金屬原子蒸發(fā),而不是通過引入其它的活性的V族物質(zhì)與III族金 屬原子反應(yīng)來形成無定形III-V族。此處參照圖3,其是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例操作的用于形成無定形III-V族物質(zhì) 的方法的示意圖。在步驟152中,使基板受到不大于O.OlPa的環(huán)境壓力,在此壓力下真 空室中的氧少于形成氧化層所需的。參照圖1,基板102設(shè)置在真空室112內(nèi)。通過使 用真空泵114將真空室112內(nèi)的氣體泵出,真空室112內(nèi)的壓力設(shè)置為不大于O.OlPa的壓 力。在步驟154中,為了清潔可能存在的基板的任意污染物,預(yù)處理基板。應(yīng)該注 意的是,步驟154是可選的,并且圖3示出的方法可以直接從步驟152進(jìn)行至步驟156。 參照圖1,預(yù)處理基板102以除掉可能的污染物。可以通過加熱或通過其它方法執(zhí)行污染 物的去除。在步驟156中,將基板的溫度設(shè)置為低于約650°C。當(dāng)使用氮(例如來形成無 定形GaN)時(shí),基板的溫度可以設(shè)置為低于約650°C (例如在25°C與650°C之間)。當(dāng)使 用砷(例如來形成無定形GaAs)時(shí),基板的溫度范圍可以設(shè)置為在室溫與約350°C之間。 當(dāng)使用磷(例如來形成無定形GaP)時(shí),基板的溫度范圍可以設(shè)置為在室溫與約300°C之 間。參照圖1,加熱器106將基板102加熱至高于室溫的溫度。應(yīng)該注意的是,步驟156 是可選的,并且圖3示出的方法可以直接從步驟152或154進(jìn)行至步驟158。因此,基板 可以保持在室溫,或者設(shè)置為不同溫度。在步驟158中,在至少O.OlPa的基礎(chǔ)壓力下將III族金屬蒸汽引入至基板表面, 直到在基板表面上形成III族金屬滴。這種壓力適于形成III族金屬,因?yàn)檩^高的基礎(chǔ)壓力 會包含不期望的氧和其它氣體。參照圖1和圖2A,III族金屬蒸汽源104朝向基板102的 活性表面放出III族金屬蒸汽116,直到在基板102上形成III族金屬液體滴122A。真空 泵114用于在真空室112內(nèi)部施加至少為O.OlPa的壓力。盡管可以應(yīng)用較高的壓力(即 通過添加惰性氣體或純凈的氮),但是建議在至少O.OlPa的基礎(chǔ)壓力下引入III族金屬蒸 汽。在步驟160中,在選自約0.05Pa與約2.5Pa之間的范圍內(nèi)亞大氣壓力下將活性的 V族物質(zhì)引入至基板表面,直到在III族金屬滴上形成III-V族分子。這種亞大氣壓力也 稱為“工作壓力”。隨著V族蒸汽或氮等離子被引入至III族金屬滴,活性的V族物質(zhì) 與在III族金屬滴外層上的III族金屬原子反應(yīng),由此導(dǎo)致在III族金屬滴上形成III-V族 物質(zhì)分子。應(yīng)該注意的是,在步驟160期間可以持續(xù)放出III族金屬蒸汽116。參照圖 1和圖2B,氣體供給裝置110使純凈的氮120朝向等離子體發(fā)生器107導(dǎo)引。等離子體 發(fā)生器107將純凈的氮120激發(fā)成活性氮118A (例如N或N+)。等離子源108將活性氮 118A朝向基板102的活性表面導(dǎo)引??蛇x地或額外地,除了氮之外,V族蒸汽源105將 V族蒸汽118B導(dǎo)向基板102的活性表面?;钚缘?18A或V族蒸汽118B的原子與III族金屬滴122B外層上的III族金屬原子反應(yīng),導(dǎo)致在III族金屬滴122B上形成III-V族分子 124。在步驟162中,保持基板附近的工作壓力和活性的V族物質(zhì)的導(dǎo)引流,直到 III-V族分子擴(kuò)散入III族金屬滴中形成III-V族/III族溶液滴,以及直到III-V族/III族 溶液滴變成基板上的浸潤層。應(yīng)該注意的是,在步驟162期間可以持續(xù)放出III族金屬蒸 汽116。參照圖1、圖2C和圖2D,保持朝向基板102的活性表面導(dǎo)引活性的V族物質(zhì) 118A或118B,直到III-V族分子124開始擴(kuò)散入III族金屬滴122B內(nèi)部的液體III族金 屬,最后形成III-V族/III族溶液滴122C。在等離子源108內(nèi)保持工作壓力。保持活性 的V族物質(zhì)118A或118B,直到III-V族/III族溶液滴122C的表面張力減小。III-V族 /III族溶液滴122C變成均勻的浸潤層122D,覆蓋基板102的整個活性表面。在步驟164中,繼續(xù)增加浸潤層中的III-V族物質(zhì)的濃度,直到所有III族金屬耗 盡,以及浸潤層已經(jīng)轉(zhuǎn)變成無定形III-V族物質(zhì)層。可以通過保持活性的V族物質(zhì)的導(dǎo)引 流使得活性的V族物質(zhì)可以與浸潤層表面上的III族金屬原子反應(yīng)來增加浸潤層中的III-V 族物質(zhì)的濃度。可選地,通過加熱基板以蒸發(fā)殘留的III族金屬原子來實(shí)現(xiàn)III-V族物質(zhì) 濃度的增加。應(yīng)該注意的是,在步驟164期間可以持續(xù)放出III族金屬蒸汽116。參照圖 1和圖2E,保持朝向浸潤層122D導(dǎo)引活性的V族物質(zhì)118A或118B。浸潤層122D表面 上的III族金屬原子與活性的V族物質(zhì)118A或118B反應(yīng),形成擴(kuò)散入大部分溶液中的新 的III-V族物質(zhì)分子,增加其粘度的水平。最后,所有III族金屬被耗盡并且浸潤層122D 已經(jīng)轉(zhuǎn)換成無定形層122E??蛇x地,在導(dǎo)引活性的V族物質(zhì)之后保持加熱基板102,直 到殘留在浸潤層122D中的所有III族金屬原子蒸發(fā)并且浸潤層122D已經(jīng)轉(zhuǎn)換成無定形層 122E。在步驟166中,步驟156、步驟158、步驟160、步驟162和步驟164無限地
(indefinitely)重復(fù),其中形成的無定形III-V族物質(zhì)層作為其上形成額外的層的基板。例 如,連續(xù)形成一組薄的無定形層,以制得厚的無定形III-V族物質(zhì)層??蛇x地,III-V族 晶體的晶層也可以生長在無定形層上。還可選地,通過對相鄰的無定形層退火可以形成 III-V族物質(zhì)合金。在此參照圖4A和圖4B。圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的基板 的示意圖,在此階段中活性的V族物質(zhì)被引入至基板。圖4B是圖4A的基板處于更進(jìn)一 步的階段的示意圖,其中在基板上形成有固體III-V族物質(zhì)無定形層。參照圖4A,基板102 (圖1)設(shè)置在真空室112內(nèi)。通過使用真空泵114將真空 室112內(nèi)的氣體泵出,真空室112內(nèi)的壓力設(shè)置為不大于O.OlPa的壓力。在選自約0.05Pa 與約2.5Pa之間的范圍內(nèi)的亞大氣壓力下,等離子源108 (圖1和圖1A)或V族蒸汽源 105 (圖1和圖1B)朝向基板102的活性表面導(dǎo)引活性的V族物質(zhì)118A或118B。這種 亞大氣壓力也稱為“工作壓力”?;钚缘梢杂糜谇鍧嵑偷?02的活性表面的可 能的污染物??蛇x地,可以通過其它方法,例如加熱基板至足夠高的溫度(例如850°C) 來清潔基板102的活性表面。參照圖4B,III族金屬蒸汽116和活性的V族物質(zhì)(118A或118B)被同時(shí)引入 至基板102。III族金屬蒸汽源104(圖1)朝向基板102的活性表面放出III族金屬蒸汽。 當(dāng)使用鎵時(shí),在約1000°C的溫度下生成到達(dá)基板102的活性表面的鎵蒸汽。真空泵114用于使得真空室112內(nèi)部的基礎(chǔ)壓力至少為O.OlPa?;钚缘腣族物質(zhì)(118A或118B)與 III族金屬蒸汽116的III族金屬原子反應(yīng),導(dǎo)致形成III-V族分子。當(dāng)使用鎵和氮時(shí),化 學(xué)反應(yīng)為Ga+N — GaN。因此,在基板102的活性表面上形成固體無定形的III-V族物 質(zhì)層180。當(dāng)前所描述的形成III-V族物質(zhì)無定形層的方法也可以稱為“反應(yīng)蒸發(fā)”。應(yīng)該注意的是,在基板102 (例如通過使用圖1的加熱器106)設(shè)置為不同溫度的 同時(shí),可以執(zhí)行當(dāng)前所描述的本發(fā)明的實(shí)施例。在形成III-V族物質(zhì)層180之后,基板 102以及III-V族物質(zhì)層180可以冷卻并且設(shè)置為室溫。III-V族層180可以具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),例如III_V族層180可以是無定形 (“A”)或者可以是無定形納米晶(ANC,即具有尺寸一致或不同的III-V族納米微晶 的無定形)。在其它參數(shù)之中,III-V族層180的內(nèi)部結(jié)構(gòu)取決于在引入活性的V族物 質(zhì)118A或118B和III族金屬蒸汽116期間基板102的溫度。當(dāng)在引入活性的V族物質(zhì) 118A或118B和III族金屬蒸汽116期間基板102保持在室溫下時(shí),III-V族物質(zhì)層180形 成為無定形層,在其中基本上不具有晶體結(jié)構(gòu)。然而,當(dāng)基板102被加熱至約200°C-650°C之間的溫度時(shí),在引入活性的V族物 質(zhì)118和III族金屬蒸汽116期間并且在可以冷卻之后,III-V族層180是其中埋設(shè)有納米 微晶的無定形層(即ANC層)。在形成GaN的情況下,如果基板102被加熱至約300°C 的溫度并且可以以一定的冷卻速率冷卻,則埋設(shè)在GaN層中的納米微晶的尺寸相對較小 (例如約在3-4nm之間)。如果基板102被加熱至約500°C的溫度并且可以以相同的冷卻 速率冷卻,則埋設(shè)在GaN層中的納米微晶的尺寸相對較大(例如約10-20nm)。應(yīng)該注 意的是,使用的V族元素越重(例如磷或砷),加熱基板的溫度越低。 埋設(shè)的納米微晶的尺寸還取決于III-V族ANC層180的厚度。III_V族ANC層 180的厚度取決于活性的V族物質(zhì)118A或118B和III族金屬蒸汽116朝向基板102被引 入的時(shí)間的量。在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行期間,發(fā)現(xiàn)120秒的周期和約400°C的基板溫度導(dǎo)致形成厚 度25nm的無定形GaN層。如果III-V族ANC層180相對較薄(例如40nm),則埋設(shè)在其中的納米微晶的 尺寸相對較小。如果III-V族ANC層180相對較厚(例如60nm),則埋設(shè)在其中的納米 微晶的尺寸相對較大。此外,在較薄的層中,納米微晶的尺寸是均勻,而在厚的層中納 米微晶的尺寸的差異較大。因此,通過在引入活性的V族物質(zhì)和III族金屬蒸汽期間控 制基板的溫度、引入的持續(xù)時(shí)間和無定形層的冷卻速率,可以調(diào)節(jié)埋設(shè)在形成的III-V族 ANC層中的納米微晶的密度、尺寸和組分。應(yīng)該注意的是,通過將所需的摻雜物連同III族金屬蒸汽一起朝向基板的活性表 面引入,III-V族無定形層可以摻雜有任意所需的摻雜物。以此方式,引入的摻雜物的分 子埋設(shè)在III-V族無定形層中。無定形層中的摻雜物的濃度取決于引入的摻雜物的量。此處參照圖5,其是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例操作的用于形成無定形III-V族物質(zhì) 的方法的示意圖。在步驟190中,使基板受到不大于O.OlPa的環(huán)境壓力。參照圖1,基 板102設(shè)置在真空室112內(nèi)。通過使用真空泵114將真空室112內(nèi)的氣體泵出,真空室 112內(nèi)的壓力設(shè)置為不大于O.OlPa的壓力。在步驟192中,為了清潔可能存在的基板的任意污染物,預(yù)處理基板。應(yīng)該注 意的是,步驟192是可選的,并且圖5示出的方法可以直接從步驟190或進(jìn)行至步驟194或196。參照圖4A,活性的V族蒸汽118A或118B清潔(在活性氮118A的情況下,還 要氮化)基板102的活性表面的可能的污染物??蛇x地,可以通過其它方法,例如加熱 基板至足夠高的溫度(例如850°C )來清潔基板102的活性表面。在步驟194中,基板被設(shè)置為低于約650°C的溫度(例如在25°C與650°C之間)。 參照圖4B,在基板102 (例如通過使用圖1的加熱器106)設(shè)置為不同溫度的同時(shí),可以 執(zhí)行當(dāng)前所描述的本發(fā)明的實(shí)施例。當(dāng)使用氮(例如來形成無定形GaN)時(shí),基板的溫 度可以設(shè)置為低于約650°C (例如在25°C與650°C之間)。當(dāng)使用砷(例如來形成無定形 GaAs)時(shí),基板的溫度范圍可以設(shè)置為在室溫與約350°C之間。當(dāng)使用磷(例如來形成無 定形GaP)時(shí),基板的溫度范圍可以設(shè)置為在室溫與約300°C之間。應(yīng)該注意的是,步驟 194是可選的,并且圖5示出的方法可以直接從步驟190或192進(jìn)行至步驟196。因此, 基板可以保持在室溫,或者設(shè)置為不同溫度。在步驟196中,在選自約0.05Pa與約2.5Pa之間的范圍內(nèi)亞大氣壓力下將活性的 V族物質(zhì)引入至基板表面,并且III族金屬蒸汽被引入至基板表面?;钚缘腣族物質(zhì)的亞 大氣壓力也稱為“工作壓力”。執(zhí)行步驟196直到在基板上形成無定形III-V族物質(zhì)層。 參照圖4B,活性的V族物質(zhì)118A或118B與III族金屬蒸汽116的III族金屬原子反應(yīng), 導(dǎo)致在基板102的活性表面上形成固體無定形的III-V族物質(zhì)層180。在步驟198中,使得基板和無定形III-V族物質(zhì)層冷卻至室溫。參照圖4B,在 形成III-V族物質(zhì)層180之后,基板102以及III-V族物質(zhì)層180可以冷卻并且設(shè)置為室在步驟200中,步驟196和步驟198重復(fù)多次,其中無定形III_V族物質(zhì)層用作在 其上形成額外的層的基板。例如,連續(xù)形成一組薄的無定形層,以制得厚的無定形III-V 族物質(zhì)層??蛇x地,III-V族晶體的晶層也可以生長在無定形層上。還可選地,每個層 可以具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),例如無定形、部分結(jié)晶,并且具有不同的微晶密度、微晶結(jié) 構(gòu)的不同的尺寸和組分。應(yīng)該注意的是,步驟200是可選的,圖5示出的方法可以在執(zhí) 行步驟198 —次之后終止,并且僅形成一個無定形III-V族物質(zhì)層。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,可以制得可以制得順序?yàn)榀B置的一系列多個無定形 III-V族物質(zhì)層,提供量子點(diǎn)。這種順序的每個層可以具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),例如無定形 (A)、ANC,并且具有不同的微晶密度、在其中的不同的微晶組分和微晶尺寸。一旦在 基板上形成所需的III-V族物質(zhì)層,在于頂部形成其它層之前,使得其冷卻至室溫。因 此,無定形III-V族物質(zhì)層用作在其上形成有額外的層的基板。在層和基板被冷卻之后, 基板可以設(shè)置為所需的溫度,也通過反應(yīng)蒸發(fā)再次應(yīng)用一次活性的V族物質(zhì)和III族金屬 蒸汽至已經(jīng)形成的層,直到形成其它所需的III-V族物質(zhì)層。應(yīng)該注意的是,為了在頂 部形成其它層,在層形成之后對其加熱不會影響已經(jīng)形成的層(或多個層)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 換句話說,退火不會損傷已經(jīng)形成的層??梢酝ㄟ^在其每個端部上用無定形層覆蓋無定形納米晶(ANC)半導(dǎo)體材料的層 制造量子點(diǎn)電子器件,每個無定形層交替地?fù)诫s有η型物質(zhì)和ρ型物質(zhì)。在此參照圖6Α 和圖6Β。圖6Α是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例制造的量子點(diǎn)電子器件的示意圖。圖6Β是根 據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例制造的量子點(diǎn)電子器件的示意圖。在圖6Α中,量子點(diǎn)器件220包括堆疊在該量子點(diǎn)器件一端上的第一電極222與另一端上的第二電極234之間的一系列無定形III-V族物質(zhì)層。第一電極222 (以下也稱為基板222)是其上形成有量子點(diǎn)器件220的基板并且由導(dǎo)電材料例如不銹鋼制造。量子 點(diǎn)器件220的無定形III-V族物質(zhì)層可以根據(jù)在此處之前參照圖4A、圖4B和圖5所描述 的技術(shù)通過反應(yīng)蒸發(fā)形成。在基板222上形成有摻雜有η型物質(zhì)的無定形III_V族層(以下稱為A_n-型層 224)。在其形成之后,使得A-n-型層224冷卻至室溫。隨后,在A_n-型層224的頂部 上形成第一無定形納米晶(ANC) III-V族層(以下稱為ANC1層226)。然后,在ANC1層 226的頂部形成第二 ANC族III-V層(以下稱為ANC2層228)。在ANC2層228的頂部 形成第三ANC III-V族層(以下稱為ANC3層230)。最后,在ANC3層230的頂部形成 摻雜有ρ型物質(zhì)的無定形III-V族層(以下稱為A-p-型層232)。在于頂部形成其它后續(xù) 無定形層之前,使得量子點(diǎn)器件220的每個無定形層冷卻至室溫。每個ANC層,ANC1 層224、ANC2層226和ANC3層228根據(jù)量子點(diǎn)器件220所需的作用可以具有不同的微 晶組分和尺寸。在使得第二電極234冷卻至室溫之后,其附在A-p-型層232。第二電極234由 導(dǎo)電材料例如氮化鈦(TiN)制造。當(dāng)使用TiN時(shí),也可以通過反應(yīng)蒸發(fā)、通過引入鈦蒸 汽(即替代上述說明中的III族金屬蒸汽)以及活性氮至真空室來形成第二電極234。盡 管在此說明書中量子點(diǎn)器件220僅包括三個ANC層,應(yīng)該注意的是,量子點(diǎn)器件220可 以根據(jù)其設(shè)計(jì)和操作要求包括任意其它數(shù)目的ANC層。例如,如果量子點(diǎn)器件220的設(shè) 計(jì)人員希望得到較厚的裝置,在第一電極222與第二電極234之間可以形成超過三個ANC 層。可選地,特定的順序的ANC層可以彼此疊置地重復(fù)形成(即堆疊),直至得到所需 的厚度。量子點(diǎn)器件220可以例如用作發(fā)光二極管(LED)。當(dāng)在第一電極222與第二電 極234之間施加電流時(shí),這種LED會放出與形成ANC層ANC1層224、ANC2層226和 ANC3層228的物質(zhì)的帶隙波長相同的光。應(yīng)該注意的是,ANC層的帶隙能量(即從該 二極管放出的光的波長)取決于每個ANC層的化學(xué)組分和確定量子點(diǎn)尺寸的納米晶體的 尺寸。當(dāng)對于每個ANC層使用多種結(jié)晶組分和量子點(diǎn)尺寸時(shí),從這種LED可以放出多種 波長,產(chǎn)生光譜寬廣的光,例如白光LED,或者選擇所需的波長以匹配特殊的目的(例 如在醫(yī)療步驟期間露出的組織對應(yīng)于其的特殊波長)。GaN可以優(yōu)選用于LED,因?yàn)闊o 定形GaN通常是透明的(即吸收系數(shù)較低),使得從內(nèi)部ANC層放出的光子可以穿過其 它層并離開LED,而不會在其它GaN層中被吸收??蛇x地,量子點(diǎn)器件220可以用作光伏(PV)電池。如果電極聯(lián)結(jié)至PV電池的 p-i-n結(jié)的每個端部并且光被照射在量子點(diǎn)器件220上,則電極變?yōu)槌潆?。?dāng)量子點(diǎn)器件 220連接至外部電路時(shí),在第一電極222與第二電極234之間產(chǎn)生電流。如果每個ANC 層被制造來吸收不同波長的光,則量子點(diǎn)器件220可以用作太陽能電池,吸收日光的光 譜寬廣的光的多種波長的光子并且將其轉(zhuǎn)換成電流。量子點(diǎn)LED和量子點(diǎn)PV電池可以 用作頭尾連通裝置,該頭尾連通裝置包括在其之間兼容的(例如GaN)優(yōu)勢無定形波導(dǎo)連 接。量子點(diǎn)LED用作光子源,產(chǎn)生光學(xué)信號。隨后,沿優(yōu)勢的無定形層(即波導(dǎo))傳 送光學(xué)信號,直至到達(dá)量子點(diǎn)PV電池。量子點(diǎn)PV電池可以通過將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電子 信號來解碼光學(xué)信號。應(yīng)該注意的是,由于量子點(diǎn)LED和量子點(diǎn)PV電池的結(jié)構(gòu)基本上相似,它們的作用可以在波導(dǎo)的端部互換。波導(dǎo)無定形層可以具有基本上一維的形式, 例如長且薄的結(jié)構(gòu)。在圖6B中,量 子點(diǎn)器件240包括堆疊在該量子點(diǎn)器件一端上的第一電極242與 另一端上的第二電極258之間的一系列無定形III-V族層。第一電極242是其上形成量 子點(diǎn)器件240的基板,并且由導(dǎo)電材料,例如不銹鋼制造。應(yīng)該注意的是,量子點(diǎn)器件 240的無定形III-V族物質(zhì)層可以根據(jù)在此處之前參照圖4A、圖4B和圖5所描述的技術(shù) 通過反應(yīng)蒸發(fā)形成。在第一電極242上形成A-n-型層244。隨后,在A_n-型層244的頂部上形成 第一 ANC III-V族物質(zhì)層(以下稱為ANC1層246)。隨后,在ANC1層246的頂部形成 優(yōu)勢的無定形層(以下稱為“A”層248)。然后,在“A”層248的頂部形成第二 ANC 層(以下稱為ANC2層250)。隨后,在ANC2層250的頂部形成第二 “A”層252。在
“A”層252的頂部形成第三ANC III-V族層(以下稱為ANC3層254)。最后,在ANC3 層254的頂部形成A-p-型層256。在于頂部形成其它后續(xù)無定形層之前,使得量子點(diǎn)器 件240的每個無定形層冷卻至室溫。每個ANC層,ANCP46、ANC2層250和ANC3層 254根據(jù)量子點(diǎn)器件240所需的作用可以具有不同的微晶組分和尺寸。在使得第二電極 258冷卻至室溫之后,其附在A-p-型層256。第二電極258由導(dǎo)電材料例如氮化鈦(TiN) 制造。為了得到高效的量子點(diǎn)器件,“A”層248和252可以由帶隙能量值(Eg)較高的 GaN或AlGaN制造,而ANC層ANC1層246、ANC2層250和ANC3層254可以由帶隙 能量值(Eg)較低的InN或InGaN制造。以此方式,“A”層248和252對于位于ANC 層ANC1層246、ANC2層250和ANC3層254中的電子具有高效的能壘。如以上參照圖 6A的量子點(diǎn)器件220的詳細(xì)描述,量子點(diǎn)器件240可以用作LED、光電池(例如太陽能電 池)、光導(dǎo)體或波導(dǎo)。應(yīng)該注意的是,圖6B示出的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以用作多LED裝置,例 如用于彩色監(jiān)視器。例如,ANC層ANC1層246可以是藍(lán)色的量子點(diǎn)層,ANC層ANC2 層250可以是綠色的量子點(diǎn)層而ANC層ANC3層254可以是紅色的量子點(diǎn)層。通過對于 適當(dāng)?shù)摹癆”層設(shè)置豎直的連接(也稱為“viacoimections”)并且根據(jù)其各自的顏色偏 轉(zhuǎn)每個ANC層的電勢(即藍(lán)色>綠色>紅色)可提供單色微LED。如果不變的紅色量 子點(diǎn)層(即ANC層ANC3層254)具有對應(yīng)于藍(lán)色量子點(diǎn)層的電勢,則會放出白光。光電導(dǎo)是物質(zhì)的導(dǎo)電性由于吸收電磁輻射而發(fā)生的變化。K00等人 ("Photoconductivity in Nanocrystalline GaN and Amorphous GaON",Journalof Applied Physics.Volume 99,Issue 3,pp.034312-034312-7 ; 2006)已經(jīng)公開了無定形 GaN 膜具有 較低的吸收系數(shù)和較高的光電導(dǎo)性。另一方面,多晶膜具有較高的吸收系數(shù)和較低的光 電導(dǎo)性。因此,交替地堆疊無定形層和多晶層(如參照圖6B所描述的)可以產(chǎn)生光轉(zhuǎn)化 較高和光電導(dǎo)性較高的光學(xué)結(jié)構(gòu)。此外,這種光學(xué)結(jié)構(gòu)仍然是透明的(吸收系數(shù)較低), 由此可以實(shí)現(xiàn)光子穿過光學(xué)結(jié)構(gòu)的簡單傳輸。這種屬性對于例如光電池的光電設(shè)備是期 望的。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)見的是,本發(fā)明不限于上述具體示出和描述的,而是 本發(fā)明的保護(hù)范圍只由所附權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種用于形成附在基板上的III-V族無定形材料的反應(yīng)蒸發(fā)方法,該方法包含以下 步驟使所述基板受到不大于O.OlPa的環(huán)境壓力;以及在0.05Pa 2.5Pa的工作壓力下將活性的V族物質(zhì)引入至所述基板的表面,并且將 III族金屬蒸汽引入至所述基板表面,直至在所述表面上形成無定形III-V族物質(zhì)層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述引入步驟包括以下子步驟將III族金屬蒸汽引入所述基板的表面,直至在所述表面上形成多個III族金屬滴;在所述工作壓力下將活性的V族物質(zhì)引入至所述表面,直至在所述III族金屬滴上形 成III-V族物質(zhì)分子;保持所述工作壓力和所述活性的V族物質(zhì)的供給直至所述III-V族物質(zhì)分子擴(kuò)散入所 述III族金屬滴,形成III-V族金屬溶液滴,并直至所述III-V族金屬溶液滴變成所述基板 上的浸潤層;和繼續(xù)增加所述浸潤層中的所述III-V族物質(zhì)分子的濃度,直至包含在所述浸潤層中的 所有III族金屬原子被耗盡,并且所述浸潤層轉(zhuǎn)化成無定形III-V族物質(zhì)層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其中繼續(xù)增加所述浸潤層中的所述III-V族物質(zhì)分子的 濃度的所述步驟通過保持所述活性的V族物質(zhì)直至包含在所述浸潤層中的所有III族金屬 原子被耗盡來實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法,其中繼續(xù)增加所述浸潤層中的所述III-V族物質(zhì)分子的 濃度的所述步驟通過加熱所述浸潤層直至殘留在所述浸潤層中的所有III族金屬原子被蒸 發(fā)來實(shí)現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述III族金屬包含至少一個選自由鋁;鎵和銦組 成的組中的元素。
6.如權(quán)利要求1所述的方法, 的組中的元素。
7.如權(quán)利要求1所述的方法, 基板的污染物的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法, 述基板的所述表面來實(shí)現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求7所述的方法, 850°C的溫度來實(shí)現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法,還包括以下步驟在所述引入步驟之前使得所述基板 的溫度低于約650°C ;和在所述引入步驟之后使得所述基板和所述無定形III-V族物質(zhì)層冷卻至室溫;其中所述無定形III-V族層是納米晶體埋設(shè)在其中的無定形納米晶(ANC)層,且其中所述溫度設(shè)定在低溫約200°C至高溫約650°C的范圍內(nèi),使得所述無定形III-V族 物質(zhì)層的范圍在所述低溫冷卻后埋設(shè)其中的相對較小的納米晶體和在所述高溫冷卻后埋 設(shè)在其中的相對較大的納米晶體之間。
11.如權(quán)利要求2所述的方法,其中在繼續(xù)增加所述浸潤層中的III-V族物質(zhì)分子的濃 度的所述步驟之前將摻雜物添加至所述浸潤層。
12.如權(quán)利要求1所述的方法,還包括利用所述無定形III-V族物質(zhì)層作為基板在所述 無定形III-V族物質(zhì)層上形成額外的層的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法,其中所述額外的層包括至少一個選自由以下組成的組 中的層優(yōu)勢的無定形; 無定形納米晶(ANC); 摻雜有η型物質(zhì)的無定形; 摻雜有ρ型物質(zhì)的無定形;和 晶體。
14.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述基板選自由以下組成的組 娃;玻璃;不銹鋼;石墨;禾口 聚合物。
15.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述引入步驟還包括將摻雜物引入至所述基板, 且其中所述無定形III-V族物質(zhì)層摻雜有所述摻雜物。
16.一種用于制備量子點(diǎn)p-i-n結(jié)的方法,所述方法包含以下步驟通過反應(yīng)蒸發(fā)形成A-n-型層,所述A-n-型層由摻雜有η型物質(zhì)的III-V族物質(zhì)構(gòu) 成,并且使得所述A-n-型層冷卻至室溫;通過反應(yīng)蒸發(fā)在所述A-n-型層上形成至少一個無定形納米晶(ANC)層,所述至少 一個ANC層包括所述III-V族物質(zhì),并且使得所述至少一個ANC層冷卻至室溫;通過反應(yīng)蒸發(fā)形成A-p-型層,所述A-p-型層由摻雜有ρ型物質(zhì)的III-V族物質(zhì)構(gòu) 成,并且使得所述A-p-型層冷卻至室溫;
17.如權(quán)利要求16所述的方法,還包括以下步驟 將第一電極附在所述A-n-型層;將第二電極附在所述A-p-型層;其中所述第一電極和所述第二電極由導(dǎo)電物質(zhì)制造,以及其中所述量子點(diǎn)p-i-n結(jié)以及所述第一電極和第二電極產(chǎn)生量子點(diǎn)電子器件。
18.如權(quán)利要求17所述的方法,其中所述第一電極和所述第二電極通過反應(yīng)蒸發(fā)形成。
19.如權(quán)利要求18所述的方法,其中所述第一電極和所述第二電極由選自由氮化鈦和 不銹鋼組成的組中的物質(zhì)制造。
20.如權(quán)利要求16所述的方法,其中所述至少一個ANC層包括通過反應(yīng)蒸發(fā)交替地 形成的一系列無定形層和ANC層。
21.如權(quán)利要求16所述的方法,其中所述至少一個ANC層由選自以下組成的組中的 物質(zhì)構(gòu)成GaN ;AlGaN ; AlInN ; InN ; InGaN ; GaAs ; GaP ; InP ; InGaAs ; AlGaAs ;和 InGaP。
全文摘要
一種用于形成附在基板的III-V族無定形材料的反應(yīng)蒸發(fā)方法,該方法包括以下步驟使基板受到不大于0.01Pa的環(huán)境壓力,以及在0.05Pa與2.5Pa之間的工作壓力下引入活性的V族蒸汽至基板表面,并且引入III族金屬蒸汽,直到在所述表面上形成無定形III-V族物質(zhì)層。
文檔編號H01L21/20GK102017076SQ200880117530
公開日2011年4月13日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者摩西·埃納威 申請人:摩賽科結(jié)晶公司