[发明专利]一种本征宽禁带半导体的制备方法及应用

说明书

为克服现有宽禁带半导体材料存在大量自发缺陷，难以获得本征半导体以及难以实现反型掺杂的问题，本发明公开了一种通过外加电压，可控地提高自发缺陷的形成能，同时降低反型掺杂缺陷的形成能，实现本征宽禁带半导体材料制备与反型掺杂的方法。该方法包括以下操作步骤：在生长本征宽禁带半导体材料以及反型掺杂过程中，给自发形成N型导电的宽禁带半导体材料施加正偏压，给自发形成P型导电的宽禁带半导体材料施加负偏压。本发明同时公开了上述方法在制备本征氧化锌以及P型掺杂氧化锌中的应用。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种本征宽禁带半导体的制备方法及应用。

背景技术

宽禁带半导体，如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氧化镓(Ga₂O₃)等材料，具有大能隙、高击穿电压、强抗辐射能力、高热导率及高电子迁移率等特性，非常适合制作高电压、高温、高频、大功率电子器件，以及可见光和紫外光的发光和光探测器件，具有广阔的应用前景。与传统半导体材料不同，目前实验制备得到的大多数宽禁带半导体材料，由于大量自发形成的缺陷而表现出很强的N型或P型导电特性，并且很难通过传统的掺杂方式实现相反的导电特性。因此，制备获得低缺陷浓度的本征半导体并实现高效率的反型掺杂，是宽禁带半导体器件进一步发展的关键。

在未有效消除大量自发缺陷的情况下，目前相关反型掺杂的效率因此大打折扣：通常掺杂浓度下得到的反型载流子浓度极低；重掺杂虽能提高反型载流子浓度，但由于此时缺陷浓度过高，致使迁移率极低。例如，2006年美国Solid State Scientific公司的研究者利用水热法研究氮掺杂ZnO薄膜中的P型掺杂特性，结果发现在氮原子掺杂浓度达到10¹⁸cm^-3时，激活的P型浓度仅为10¹²cm^-3，而空穴迁移率低至11cm²/V·s。上述困境使得基于这些宽禁带半导体材料的同质P-N结器件难以实现。因此这些反型掺杂困难的宽禁带半导体器件通常需要基于异质P-N结。但由于异质结器件的制备工艺复杂，并且不同材料间的晶格失配使得界面存在较多缺陷，因此严重影响了器件的价格、性能和寿命。

宽禁带半导体材料的上述问题，本质上是由材料中晶体缺陷的热力学性质决定的。根据热力学定义，一个普遍意义的晶体点缺陷(即A元素原子占据晶体中B格点位置，且该缺陷带有电荷q)的缺陷形成能如公式1所示。

其中，和E_tot(perfect)分别表示具有缺陷的晶体材料和对应的完美晶体材料的内能，E_F为晶体的费米能级，μ_A和μB为A和B元素在相关实验条件下的化学势。更复杂的晶体缺陷可以看成由多个点缺陷组成，因此遵循与点缺陷类似的热力学规律。缺陷的形成能E_f与该缺陷在晶体中的浓度c成反比关系，具体形式如公式2所示。

其中，n0为晶体中可能形成相关缺陷的数密度，E_f为相关缺陷的形成能，k_B为玻尔兹曼常数，T_growth为缺陷形成时的绝对温度，通常为材料生长温度。

通过公式(1)、(2)以及晶体材料整体满足的电中性原理(即晶体中所有带电缺陷、电子、空穴的电荷求和为零)，可以自洽地确定材料的费米能级，从而判断材料在各种情况下的掺杂类型和导电性质，如公式3所示。

其中，n_e(E_F，T_measurement)与n_h(E_F，T_measurement)分别为半导体材料在费米能级为E_F、载流子测量温度为T_measurement时的自由电子与空穴浓度，为缺陷的浓度。