CN103972382A - 一种制造半导体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种制造半导体材料的方法，包括：对衬底基片进行预处理；将预处理后的衬底基片置于反应室中，在衬底基片上生长形成第一氮化铝层；在第一氮化铝层上生长形成氮化镓层；在氮化镓层上生长形成第二氮化铝层。根据本发明的实施例的方法制造的半导体材料中，形成了AlN/GaN/AlN结构的量子阱。在该量子阱结构中，由于AlN和GaN的自发极化不同，在两个异质结面行成相反的两种极化电荷，进一步的行成强的内建电场，驱使量子阱内能带反转，形成稳定的且低电阻的运输态。这样，不需要额外的外加电场驱使量子阱形成拓扑绝缘态，提高了半导体器件的稳定性和可靠性，降低了器件的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其是涉及一种制造Ⅲ-氮族半导体材料的方法。
背景技术
1879年，Hall发现了霍尔效应，1980年Von Klitzing在硅的金属-氧化物-半导体效应管中首次观测到整数量子霍尔效应（QHE）：霍尔电导是量子化的，且对样品的大小、形状、载流子浓度甚至迁移率均不敏感，这说明存在某种内在的不变量。1982年，Thouless 等人指出，霍尔电导对系统自身变化的不敏感来源于QHE体系的拓扑不变性。QHE态和真空拓扑性不同，其和真空的界面上拓扑不变量必须发生变化，这导致了无能隙导电的边缘态出现。在无外加磁场的情况下通过利用电子的自旋自由度可以实现QHE中，不同自旋方向的载流子空间上分离，即零磁场下的霍尔效应——量子自旋霍尔效应（QSHE）。2005年和2006年，Kane 和张首晟等人分别预言，利用电子的自旋-轨道耦合，在零磁场下（保持时间反演对称性）QSHE态即可实现，而实现它的体系，就是二维拓扑绝缘体。
拓扑绝缘体是一种全新的量子态，通常可由半导体材料中本征的强的自旋-轨道耦合来驱动能带结构反转来实现拓扑绝缘体的状态。首先，在强的自旋轨道耦合的作用下，拓扑绝缘体的体能态是绝缘体性的，表面则是金属性的。这种无能隙的表面态完全由体电子态的拓扑结构所决定，在时间反演对称性的保护下，不会受到杂质和无序的影响。其次，拓扑绝缘体的表面态是自旋分辨的，由无质量狄拉克方程所描述。
理论上和实验上都证实了二维拓扑绝缘体的存在，但在一些常用的半导体材料中寻找拓扑绝缘态还是很困难的，这是因为常用的半导体都有一定的带隙，而且没有强的电子自旋-轨道耦合。一个较好的方法就是在二维纳米尺度的量子阱中添加大的偏压，强的电场可以降低系统材料带隙和导致自旋劈裂，使系统成为拓扑绝缘态。但是这种方法的最大困难就是需要外加电场非常强，但对于带隙的改变只有0.1eV左右。
因此，现有技术需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种制造半导体材料的方法，根据该方法制造的半导体材料不需要外加电场驱使量子阱形成拓扑绝缘态，从而提高了器件的稳定性和可靠性，降低了器件的能耗。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种制造半导体材料的方法，其特征在于，包括：对衬底基片进行预处理；将预处理后的所述衬底基片置于反应室中，将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第一温度下反应，在所述衬底基片上生长形成具有第一厚度的第一氮化铝层；将三甲基镓作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第二温度下反应，在所述第一氮化铝层上生长形成具有第二厚度的氮化镓层；将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第三温度下反应，在所述氮化镓层上生长形成具有第三厚度的第二氮化铝层。
本发明的一个实施例中，所述第一温度为960至1000摄氏度。
本发明的一个实施例中，所述第二温度为900至920摄氏度。
本发明的一个实施例中，所述第三温度为960至1000摄氏度。
本发明的一个实施例中，所述对衬底基片进行预处理的步骤包括：在480至500摄氏度下在所述衬底基片上沉积氮化铝缓冲层；将沉积了所述氮化铝缓冲层之后的所述衬底基片在980至1000摄氏度下退火5分钟。
本发明的一个实施例中，在沉积所述氮化铝缓冲层的步骤之前还包括：在氢气和氨气混合气氛下，在980至1000摄氏度下对所述衬底基片进行氮化处理。
本发明的一个实施例中，在对所述衬底基片进行氮化处理的步骤之前还包括：在氢气气氛下在960至980摄氏度下对所述衬底基片进行热处理10分钟。
本发明的一个实施例中，在对所述衬底基片进行热处理的步骤之前还包括：清洗所述衬底基片。
本发明的一个实施例中，所述第一厚度为1至25纳米，所述第三厚度为1至25纳米。
本发明的一个实施例中，所述第二厚度为0.2至10纳米。
根据本发明的实施例的方法制造的半导体材料中，形成了AlN/GaN/AlN结构，该AlN/GaN/AlN结构形成量子阱。在该量子阱结构中，由于AlN和GaN的自发极化不同，在两个异质结面行成相反的两种极化电荷，进一步的行成强的内建电场，驱使量子阱内能带反转，形成稳定的且低电阻的运输态。这样，通过该内建电场，不需要额外的外加电场驱使该半导体材料的量子阱形成拓扑绝缘态，从而提高了半导体器件的稳定性和可靠性，降低了器件的能耗。
附图说明
图1是本发明一个实施例的制造半导体材料的方法的流程示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的方法制造的半导体材料的结构及极化的示意图。
图3是通过1D-Poisson仿真得到的结构能带的示意图。
图4是通过1D-Poisson仿真得到的极化电荷的示意图。
图5是通过1D-Poisson仿真得到内建电场的示意图。
图6是通过1D-Poisson仿真得到的结构方阻和阱宽的结果示意图。
图7是通过1D-Poisson仿真得到的结构方阻和栅宽的结果示意图。
图8是通过1D-Poisson仿真得到的结构方阻和温度的结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造半导体材料的方法的具体步骤。
图1为本发明一个实施例的制造半导体材料的方法的流程示意图。
首先，在步骤10中，可以对衬底基片进行预处理，以供后续步骤使用。本发明的实施例中，衬底基片可以是适合的材料制成，例如蓝宝石等等。
本发明的一个实施例中，步骤10中的预处理步骤可以包括：在480至500摄氏度下在该衬底基片上沉积氮化铝缓冲层，该氮化铝缓冲层可以是一层无定形的氮化铝缓冲层；然后，将沉积了氮化铝缓冲层的该衬底基片在980至1000摄氏度下退火5分钟，使该氮化铝缓冲层发生再结晶。该氮化铝缓冲层（例如无定形的氮化铝缓冲层）退火结晶之后，可以大大减缓衬底基片和生长的外延层之间由于晶格不匹配而导致的应力。
本发明的一个实施例中，在在衬底基片上沉积氮化铝缓冲层之前还可以包括：在氢气和氨气混合气氛下，在980至1000摄氏度下对该衬底基片进行氮化处理。这样，可以使衬底基片（例如，蓝宝石）的表面部分形成氮化物（例如，氮化铝AlN）分子，以提高后续的外延层（例如，第一氮化铝层、氮化镓层或者第二氮化铝层，下文中详述）的生长质量。
本发明的一个实施例中，在对衬底基片进行氮化处理的步骤之前还可以包括：在流动的氢气气氛下，在960至980摄氏度下对该衬底基片进行热处理10分钟，以维持衬底基片的温度，以利于后续的对衬底基片的氮化处理。
本发明的实施例中，当描述在某种气氛下进行某种处理时，是指在进行这种处理时，进行这种处理的空间（例如，反应室）中充满了所说的这种气体。
本发明的一个实施例中，在对衬底基片进行热处理的步骤之前还可以包括：清洗该衬底基片。例如，一个实施例中，清洗衬底基片的步骤可以包括：用丙酮和乙丙醇溶液对衬底基片超声清洗三次，然后用去离子水漂洗干净，再将衬底基片放入180℃的3H2SO4:1H3PO4的溶液煮10分钟，然后用去离子水超声三次，最后用高纯氮气将衬底基片吹干。
在步骤10中对衬底基片进行了预处理之后，在步骤12中，可以用适合的方法（例如，金属有机化合物化学气相沉积法（MOCVD））在该衬底基片上生长形成第一氮化铝层。
例如，一个实施例中，可以将预处理后的衬底基片置于反应室中，并将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入该反应室中，在第一温度下反应，此时，通入的反应气体在高温的衬底基片上方和衬底基片表面发生化学反应，最终生成的AlN分子将会沉积在衬底基片的表面，从而在该衬底基片上生长形成具有第一厚度的第一氮化铝层。
主要反应如下：
Al(CH3)3(g)+NH3(g) AlN(s)+3CH4(g)
上式中，（g）表示其前面的物质是气态的，而（s）表示其前面的物质是固态的。
本发明的一个实施例中，这里的第一温度可以为960至1000摄氏度。
本发明的一个实施例中，第一氮化铝层的厚度（即前述的第一厚度）可以为1至25纳米。
在步骤12中生长形成了第一氮化铝层之后，在步骤14中，可以将三甲基镓作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入该反应室中，在第二温度下反应，此时，通入的反应气体在高温的衬底基片上方和衬底基片的表面发生化学反应，最终生成的GaN分子将会沉积在AlN上，从而在第一氮化铝层上生长形成具有第二厚度的氮化镓层。
主要反应如下：
Ga(CH3)3(g)+NH3(g) GaN(s)+3CH4(g)
上式中，（g）表示其前面的物质是气态的，而（s）表示其前面的物质是固态的。
本发明的一个实施例中，这里的第二温度可以为900至920摄氏度。
本发明的一个实施例中，氮化镓层的厚度（即前述的第二厚度）可以为0.2至10纳米。
在步骤14中形成了氮化镓层之后，在步骤16中，可以将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入该反应室中，在第三温度下反应。步骤16中的反应与步骤12中类似，从而在氮化镓层上形成具有第三厚度的第二氮化铝层。
本发明的一个实施例中，这里的第三温度可以为960至1000摄氏度。
本发明的一个实施例中，第二氮化铝层的厚度（即前述的第三厚度）可以为1至25纳米。
这样，经过前述步骤，即形成了AlN/GaN/AlN结构的半导体材料，该AlN/GaN/AlN结构形成量子阱。在该量子阱结构中，由于AlN和GaN的自发极化不同，在两个异质结面行成相反的两种极化电荷，进一步的行成强的内建电场，驱使量子阱内能带反转，形成稳定的且低电阻的运输态。这样，通过该内建电场，不需要额外的外加电场驱使该半导体材料的量子阱形成拓扑绝缘态，从而提高了半导体器件的稳定性和可靠性，降低了器件的能耗。
例如，根据本发明的一个实施例，制造半导体材料的方法一个具体的实例如下：
(1).衬底基片清洗，首先用丙酮和乙丙醇溶液对衬底基片超声清洗三次，然后用去离子水漂洗干净，再将衬底基片放入180℃的3H2SO4:1H3PO4的溶液煮10分钟，然后用去离子水超声上次，最后用高纯氮气将衬底基片吹干；
(2).将衬底基片装入MOCVD系统反应室，然后反应室抽真空30分钟以上。
(3).升温至1000℃，对衬底基片进行10分钟的热处理，处理过程反应室内保持有流动的H2气氛；
(4).保持温度在1000℃，对衬底基片进行氮化处理，反应室为H2和NH3混合气氛，使蓝宝石Al2O3的表面部分形成AlN分子，以提高外延层的生长质量；
(5).首先在低温500℃下淀积一层无定形的AlN缓冲层，然后在1000℃下退火5分钟使缓冲层发生再结晶；
(6).生长第一氮化铝层，生长时间为40分钟，温度为1000℃，H2作为载气，NH3流量为3slm(标准升/分钟)，三甲基铝（TMAl）流量为25cc/min；
(7).停止通入TMAl，降温至910℃，此过程持续通入NH3，以抑制降温过程中AlN的分解；
(8).通入三甲基镓（TMGa）,在910℃下生长GaN外延层，持续时间为20分钟；
(9).停止通入TMGa，升高温度至1000℃，通入TMAl，生长AlN外延层时间为40分钟。
图2为根据本发明的一个实施例的方法制造的半导体材料的结构及极化的示意图。其中1为第二氮化铝层，3为氮化镓层，4为第一氮化铝层，2表示压电极化，5表示材料的自发极化。
如图3至8所示，根据本发明的一个实施例的方法制造的半导体材料的能带结构、载流子浓度和方块电阻等等的计算可以利用1D-Poisson软件自洽求解薛定谔方程和泊松方程获得。
例如，设定AlN/GaN/AlN量子阱模型，且GaN和AlN都为本征半导体（即无掺杂）：
??GaN阱的宽度d由0.2nm～10nm,两边AlN栅的宽度db为10nm。
??GaN阱的宽度d=2nm，AlN栅的宽度db由1nm～25nm。
求解方程：
（1）
其中为电子的有效质量，和分别为2维电子气的本征能级和波函数。
，其中e是基本电荷，是静电势，是导带突变，约等于0.7,为AlN和GaN的禁带宽度差。
静电势表征了载流子的分布，可通过下式求解：
（2）
其中为极化面电荷。
通过求解上述方程即可得到系统中的二维电子气的分布，内建电场的分布，以及能带结构的变化和系统的面电阻。
按照本发明的实施例的方法制造的半导体材料，通过调制量子阱的阱宽，可广泛的应用于纤锌矿的半导体材料构成的电子器件中，例如ZnO、MnO、GaN、AlN、InN等，不仅可以克服某些宽禁带半导体难掺杂的困难，还因其稳定的和不受外界影响的输运态，降低了器件能耗，提高了器件在复杂环境下的稳定性。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
Claims (10)
1.一种制造半导体材料的方法，其特征在于，包括：
对衬底基片进行预处理；
将预处理后的所述衬底基片置于反应室中，将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第一温度下反应，在所述衬底基片上生长形成具有第一厚度的第一氮化铝层；
将三甲基镓作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第二温度下反应，在所述第一氮化铝层上生长形成具有第二厚度的氮化镓层；
将三甲基铝作为金属源、氨气作为V族源、氢气作为载气通入所述反应室中，在第三温度下反应，在所述氮化镓层上生长形成具有第三厚度的第二氮化铝层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一温度为960至1000摄氏度。
3.如权利要求1或者2所述的方法，其特征在于：所述第二温度为900至920摄氏度。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述第三温度为960至1000摄氏度。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述对衬底基片进行预处理的步骤包括：
在480至500摄氏度下在所述衬底基片上沉积氮化铝缓冲层；
将沉积了所述氮化铝缓冲层之后的所述衬底基片在980至1000摄氏度下退火5分钟。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在沉积所述氮化铝缓冲层的步骤之前还包括：在氢气和氨气混合气氛下，在980至1000摄氏度下对所述衬底基片进行氮化处理。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在对所述衬底基片进行氮化处理的步骤之前还包括：在氢气气氛下在960至980摄氏度下对所述衬底基片进行热处理10分钟。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在对所述衬底基片进行热处理的步骤之前还包括：清洗所述衬底基片。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于：所述第一厚度为1至25纳米，所述第三厚度为1至25纳米。
10.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于：所述第二厚度为0.2至10纳米。
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2014
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