[发明专利]一种实现GaAsN外延薄膜硅高效掺杂的方法

说明书

本发明公开了一种实现GaAsN外延薄膜硅高效掺杂的方法，利用外延生长手段将传统的(100)GaAs衬底改变为(n11)B GaAs衬底来外延生长硅掺杂的GaAsN材料。本发明利用(n11)B极性面(即As面)能够形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，并结合N的高电负性特性来构筑N的活性吸附位，能够有效抑制硅原子与N复合体的产生，从而有效地提高GaAsN中硅的并入量，可获得可控硅掺杂的GaAsN薄膜。

技术领域

本发明涉及一种通过改变衬底的取向和极性实现GaAsN外延薄膜硅高效掺杂的方法，属于三元化合物半导体薄膜材料生长技术领域。

背景技术

在同一种半导体材料中实现可控的n型掺杂和p型掺杂对于构建高性能p-n结太阳能电池是非常重要的。硅（Si）是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中广泛应用的n型掺杂元素。但迄今为止，大多数有关Si掺杂的实验和理论研究都集中在传统的GaAs材料体系，对于GaAsN材料体系中的掺杂特性研究较少，由于存在掺杂元素Si与N的互钝化作用导致Si掺杂的GaAsN材料的电学活性明显减弱，因而Si在GaAsN材料中的掺杂又存在新的问题。早期的实验和理论研究结果已经表明Si_Ga-N_As对的存在，会将掺杂原子Si由浅施主转变为深能级的局域态中心。并且第一性原理的方法计算发现：相比于Si_Ga-N_As对的形成，在GaAsN中形成(Si-N)_As深能级受主间隙复合体仅需要更低的形成能。因此，需要更深入的实验研究来澄清掺杂元素Si与N的互钝化机制。另一方面，大量有关改善GaAsN外延层质量的研究都集中在传统(100) GaAs衬底，而我们发现通过对外延面原子构型的转变，能够有效调制掺杂原子的并入行为。并且先前有很多研究报道过，通过改变生长取向和表面极性可在GaAs材料中实现掺杂类型的转变。但是在GaAsN材料体系中，通过改变生长取向和表面极性来有效调控掺杂的研究尚未见报道。因此，寻找一种高质量GaAsN外延薄膜可控掺杂的有效方法不仅具有科学价值，而且更具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现GaAsN外延薄膜硅高效掺杂的方法。

本发明的关键在于解决GaAsN材料在生长过程中存在掺杂元素Si与N的互钝化作用所导致Si掺杂效率较低的问题。由于原子尺寸和电负性上的差异，N原子比掺杂元素Si与N形成的复合体更加优先占据(n11)B生长面的三键As位。因此对于GaAsN B极性面，(n11)B极性面能够有效降低N的并入对掺杂元素Si并入量的影响。本发明提出了利用外延生长手段将传统的[100]外延取向改变为[n11]取向，采用(n11)B极性面(即As面)形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，并结合N的高电负性特性来构筑N的活性吸附位，能够有效抑制掺杂元素Si与N复合体的产生从而有效提高GaAsN中Si的并入量。

所述通过将传统的[100]外延取向改变为[n11]取向来提高GaAsN中Si掺杂剂的有效并入量是指在外延过程中将传统的(100) GaAs衬底改变为(n11)B GaAs衬底，外延生长Si掺杂GaAsN材料，其具体步骤如下：

a) 选择(n11)B取向的GaAs材料作为衬底，由于(n11)B极性面(即As面)能够形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，由于原子尺寸和电负性上的差异，N原子比掺杂元素Si与N形成的复合体更加优先占据(n11)B生长面的三键V位。因此，三键Ⅴ位更有利于N的有效并入从而抑制了Si与N形成的复合体的并入，并且随着“n”的选择不同，外延面上三键Ⅴ位的密度也会不同；三键Ⅴ位的密度越高，就越有利于Si掺杂剂的并入；

b) 利用外延生长手段来外延生长Si掺杂的GaAsN材料。

所述n的数值通常选择为2，3或者5，即选择(211)B，(311)B或者(511)B 取向的GaAs材料作为衬底，相应的外延面上三键活性位的密度依次在下降。