[发明专利]衬底上的氧化物膜

说明书

本申请是1999年8月2日提出的申请号为99810660.7(PCT/US99/17486)的发明名称为“含p型掺杂剂的氧化锌膜及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及用于例如发光器件(LEDs)、激光二极管(LDs)、场效应晶体管(FETs)和光探测器等电激发器件的氧化锌(ZnO)膜。更具体说，本发明涉及用于需要n型和p型材料的LEDs、LDs、FETs和光探测器的含p型掺杂剂的ZnO膜，这种ZnO膜在这些器件中用作衬底材料，以便与其它材料晶格匹配，还用作连接电引线的层。

曾经有一段时间，人们对制造II-VI族化合物宽带隙半导体以便制作绿/蓝LEDs、LDs和其它电器件产生了兴趣。曾经制造这些器件的努力都以基于硒化锌(ZnSe)或氮化镓(GaN)的技术为中心。然而，由于这些器件中的缺陷和缺陷迁移造成的发光寿命短，这些方法总体来说不能令人满意。

近来，由于ZnO在室温下具有3.3eV的宽直接带隙，可以提供强紫外光发射源，所以已提出用适当支撑衬底上的ZnO薄膜作为发光器件和激光二极管的新材料。掺杂及未掺杂的ZnO膜一般表现为n型导电。Hiramatsu等人已研究了ZnO膜中的例如铝和镓等杂质，他报道了这些杂质作为n型施主的活性(XeCl准分子激光烧蚀法制备的透明导电氧化锌薄膜，真空科学与技术A16(2)，3月/4月1998)。尽管可以采用n型ZnO膜已有一段时间，但到目前为止，对生成许多需要p-n结的电器件所必需的p型ZnO膜的生长的研究太慢。

近来，Minegishi等人(化学汽相淀积生长ZnO膜，日本应用物理学报Vol.36 Pt.2，No.11A(1997))报道了有利用化学汽相淀积生长掺氮ZnO膜和室温下ZnO膜的p型导电性。Minegishi等人公开了一种方法，通过同时在携带气体氢中加入NH₃，在源ZnO粉中添加过量Zn，在蓝宝石衬底上生长p型ZnO膜。在Zn/ZnO比为10mol％时，尽管还不能精确证实氮浓度，但二次离子质谱仪(SIMS)证明了ZnO膜中引入了氮。尽管Minegishi等人利用10mol％的Zn/ZnO比制备的膜显示出在ZnO膜中引入了少量氮，并使导电性变为p型，但这些膜的电阻率对于例如LEDs或LDs等商业器件应用来说太高。另外，Minegishi等人还有关于空穴载流子密度为1.5×10¹⁶空穴/cm³的报道。空穴的低载流子密度与高电阻率值的组合效应，不允许这种材料应用于商业发光器件或激光二极管。

Park等人在US专利5574296中介绍了一种方法，包括在应用于电磁辐射变换器时，用VA族自由原子团掺杂IIB-VIA半导体，在衬底上形成薄膜。具体说，Park等人介绍了用氮或氧掺杂的ZnSe外延薄膜，其中ZnSe薄层利用分子束外延生长在GaAs衬底上。氮或氧的掺杂通过采用引入分子束外延系统的自由原子团源完成。用氮作p型掺杂剂，可测到ZnSe膜的净受主密度最高达4.9×10¹⁷受主/cm³，电阻率低于15欧姆厘米。低净受主密度值和高电阻率值的该组合效应仍不允许该材料应用于例如LEDs、LDs和FETs等商业器件。

尽管近来在制造可用于形成p-n结的p型掺杂的ZnO膜方面有些进展，但工业上仍需要ZnO膜含较高浓度的净受主，并具有较低电阻率。

因此，本发明的目的包括：在衬底上提供含高净受主浓度的ZnO膜；提供制造含p型掺杂剂的ZnO膜的方法；提供利用含p型掺杂剂的ZnO膜制造p-n结的方法；提供利用含p型掺杂剂的ZnO膜制造同质外延和异质外延p-n结的方法；提供在衬底上生长膜之前清洗衬底的方法。

因此，简言之，本发明涉及衬底上的ZnO膜，其中该膜含有p型掺杂剂。该膜的净受主浓度至少为约10¹⁵受主/cm³，电阻率低于约1欧姆厘米，霍尔迁移率在约0.1-50cm²/Vs之间。