氧化锌在氮化镓上的多步沉积制造技术

一种在半导体材料上制造氧化锌ZnO导电薄膜的方法，包括在二极管上沉积掺杂的ZnO晶种层，其中所述ZnO晶种层形成与所述二极管的电触点；和在所述ZnO晶种层上沉积ZnO层，其中所述ZnO晶种层和所述ZnO层各自具有厚度、晶体质量以及掺杂级，使得(1)包括III族氮化物材料的二极管以施加在所述ZnO层和所述二极管两端的2.75伏或更小的导通电压导通，并且(2)包括所述ZnO层和所述二极管的结构的接触电阻与包括直接在没有所述ZnO晶种层的二极管上的所述ZnO层的结构的接触电阻相比较低。

Multi step deposition of Zinc Oxide on gallium nitride

A method for the manufacture of a Zinc Oxide ZnO conductive film on a semiconductor material, including the deposition of a doped ZnO crystal layer on a diode, in which the ZnO seed layer forms an electrical contact with the diode, and the ZnO layer is deposited on the ZnO seed layer. The ZnO crystal seed layer and the ZnO layer have their respective thickness and crystal quality. And doping level, making (1) a diode including a III family of nitride material to apply a 2.75 volt or smaller conduction voltage at the two ends of the ZnO layer and the diode, and (2) the contact resistance of the structure of the ZnO layer and the diode, and the ZnO layer including the diode directly on the diode without the ZnO crystal layer. The contact resistance of the structure is low.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氧化锌在氮化镓上的多步沉积相关申请的交叉引用本申请根据美国专利法第119条第e款(35U.S.CSection119(e))要求共同未决的和共同转让的由AsadMughal,SangHoOh和StevenDenBaars,于2015年9月15日提交的美国临时专利申请第62/218,920号，题为“氧化锌在氮化镓上的多步沉积(MULTISTEPDEPOSITIONOFZINCOXIDEONGALLIUMNITRIDE)”，且代理人案卷号为30794.594-US-P1(U.C.参考2016-115-1)的权益，所述申请通过引用并入本文。
本专利技术涉及使用多步法,例如在诸如III族氮化物基光电子装置的半导体材料上沉积氧化锌(ZnO)的方法。
技术介绍
(注意：本申请在整个说明书中引用多个不同出版物，并通过一或多个加括号的参考编号，例如[x]表示。根据这些参考编号排列的这些不同出版物的列表可以在以下“参考文献”部分找到。这些出版物中的每一个都通过引用并入本文。)氧化锌(ZnO)是用于各种电子应用的II-VI族直接带隙化合物半导体材料。鉴于其宽带隙和易掺杂，ZnO薄膜可以同时实现高透光率和低电阻率。由ZnO构成的透明电极可以用于光电子装置，诸如发光二极管、激光二极管、光伏装置以及薄膜晶体管。除了这些装置之外，含有氧化锌的导电薄膜已被证明可以用于压敏电阻、压电换能器以及气体、化学和生物传感器。通过掺杂诸如三族元素(即Al、Ga以及In)的置换原子，可以容易地使ZnO薄膜具有高导电性[1]。与诸如氧化铟锡(ITO)的导电薄膜相比，使用各种物理和化学沉积技术通常可以以较低成本沉积ZnO。通过湿法或干法刻蚀也可以容易地将ZnO薄膜图案化。然而，使用单一沉积方法生产用于装置应用的高质量ZnO薄膜可能具有挑战性。GaN上的ZnO导电ZnO薄膜特别适合的一种应用是作为III-N基光电子学用透明电极[2]。鉴于ZnO和III-N材料具有相同的纤锌矿晶体结构，并且彼此紧密晶格匹配，ZnO的外延膜可以沉积在该材料系统上。由于声子/电子散射中心诸如晶界、点缺陷以及晶格畸变的减少，这允许具有高载流子迁移率和低吸光度的有序结晶ZnO薄膜的生长。另外，通过增加全内反射的临界角，约为2的ZnO高折射率允许从诸如GaN(其折射率约为2.5)的III-N发光体更有效地提取光。此外，无论是通过选择性区域生长、图案化刻蚀还是粗糙化刻蚀，ZnO的易图案化特性通过降低满足全内反射标准的光子的可能性进一步增加光提取。
技术实现思路
为了克服上述限制以及在阅读和理解本说明书后将变得显而易见的其它限制，本专利技术的一或多个实施例描述了使用多步法在III族氮化物材料上沉积ZnO的方法，涉及薄晶种层的沉积，和之后的厚体块层的沉积。本专利技术的一或多个实施例公开了一种光电子装置，其包括：二极管上的掺杂晶种层(包括锌和氧)，其中所述晶种层形成与所述二极管的电触点；和晶种层上的层(包括锌和氧，例如体块层)，其中所述晶种层和所述层各自具有厚度、晶体质量以及掺杂级，使得：●包括III族氮化物材料的二极管以施加在ZnO层和二极管之间的2.75伏或更小的导通电压导通(或者，例如施加在包括晶种层、体块层以及二极管的结构上)；和/或●金属触点与层(例如体块层)的接触电阻与金属触点与直接在没有晶种层的二极管上的层(例如体块层)的接触电阻相比较低；和/或●具有450纳米波长的光以至少80％的透射率穿过晶种层和层(例如体块层)；和/或●装置在100安培每平方厘米(A/cm2)的电流密度下具有小于3.5伏的正向电压。在一或多个实施例中，二极管进一步包括在n型GaN(或III族氮化物层)和p型GaN(或III族氮化物层)之间的III族氮化物有源层；正向电压和导通电压被施加到所述金属触点与层(例如体块层)之间，以及第二金属触点与n型GaN或III族氮化物层之间。在一或多个实施例中，晶种层是与p型或n型GaN(或III族氮化物)层的触点，体块层是电流扩展器。本专利技术的一或多个实施例还公开了一种在半导体材料上制造导电薄膜的方法，其包括使用第一沉积技术在半导体材料上沉积包括锌和氧的晶种层；和在晶种层上沉积体块层，其中使用不同于第一沉积技术的第二沉积技术将体块层沉积在晶种层上，体块层包括锌和氧。上面描述的光电子装置实施例也可以使用该方法和下面描述的实施例来制造。在一个实施例中，使用原子层沉积(ALD)来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用电子束沉积来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用反应电子束沉积来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用热蒸发来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用反应热蒸发来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用分子束外延(MBE)来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用水热沉积来沉积晶种层，使用水热沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用ALD来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用电子束沉积来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用反应电子束沉积来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用热蒸发来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用反应热蒸发来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用MOCVD来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在另一个实施例中，使用MBE来沉积晶种层，使用溅射沉积来沉积体块层。在使用前述任一实施例中的沉积技术的一或多个实施例中，晶种层在比随后沉积的层更低的温度下沉积。在使用前述任一实施例中的沉积技术的一或多个实施例中，所述方法进一步包括在沉积所述(例如，ZnO)体块层之前对(例如，ZnO)晶种层进行退火处理(例如，在100℃至800℃的温度下)。在一或多个ALD实施例中，ALD方法使用包括二乙基锌(DEZ)、二甲基锌或乙酸锌的Zn前体，包括水、氧等离子体或臭氧气体的氧化剂，以及50℃至500℃的衬底温度。在前述任一实施例的一或多个实施例中，掺杂晶种层是ZnO或含有ZnO的合金，晶种层上的层是ZnO或含有ZnO的合金。附图说明现在参考附图，其中相同的附图标记始终代表相应的部件：图1是说明两步ZnO沉积的工艺流程的流程图。图2是两步ZnO沉积的示意图。图3a绘制了在200℃下使用DEZ和H2O沉积的ALDZnO薄膜的生长速率的测量结果，图3b绘制了直接沉积在蓝宝石上的不同厚度的ALD薄膜的经测量光学透射光谱，图3c绘制了16nm厚的ALDZnO薄膜(沉积在蓝宝石上)在500℃退火之前和之后的经测量透射，图3d是在不同退火条件下ALD薄膜的测量X射线衍射(XRD)图。图4a、图4b以及图4c绘制了非故意掺杂(UID)和掺杂水热ZnO薄膜(掺杂有镓(Ga)、铝(Al)或铟(In))的霍尔效应测量结果，其中图4a显示以毫摩尔(mM)计的载流子浓度与掺杂剂浓度，图4b显示迁移率与以mM计的掺杂剂浓度，图4c显示电阻率与以mM计的掺杂剂浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电子装置，其包括：二极管结构上的掺杂晶种层，其中所述晶种层形成与所述二极管结构的电触点，并且所述晶种层包括锌和氧；和所述晶种层上的层，所述层包括锌和氧，其中所述层和所述晶种层各自具有厚度、晶体质量以及掺杂级，使得：包括III族氮化物材料的所述二极管结构以施加在包括所述晶种层、所述层以及所述二极管结构的结构上的2.75伏或更小的导通电压导通，并且金属触点与所述层的接触电阻与所述金属触点与直接在没有所述掺杂晶种层的二极管结构上的层的接触电阻相比较低。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.15 US 62/218,9201.一种光电子装置，其包括：二极管结构上的掺杂晶种层，其中所述晶种层形成与所述二极管结构的电触点，并且所述晶种层包括锌和氧；和所述晶种层上的层，所述层包括锌和氧，其中所述层和所述晶种层各自具有厚度、晶体质量以及掺杂级，使得：包括III族氮化物材料的所述二极管结构以施加在包括所述晶种层、所述层以及所述二极管结构的结构上的2.75伏或更小的导通电压导通，并且金属触点与所述层的接触电阻与所述金属触点与直接在没有所述掺杂晶种层的二极管结构上的层的接触电阻相比较低。2.根据权利要求1所述的装置，其中：所述二极管结构包括在n型GaN层和p型GaN层之间的III族氮化物有源层；所述晶种层是所述p型GaN层上的p型晶种层，所述层是p型体块层，并且所述晶种层和所述体块层各自具有厚度、晶体质量以及掺杂级，使得：具有450纳米波长的光以至少80％的透射率穿过所述晶种层和所述层，将正向电压施加到所述金属触点与所述层两端以及金属触点与所述n型GaN层两端时，所述装置在100安培/平方厘米的电流密度下具有小于3.5伏的所述正向电压，所述晶种层是p型接触层，且所述体块层是电流扩展器。3.根据权利要求1所述的装置，其中：使用选自原子层沉积ALD、电子束沉积、电子回旋共振等离子体沉积、热蒸发、金属有机化学气相沉积MOCVD以及分子束外延MBE中的至少一种沉积技术来沉积所述晶种层，所述层是使用水热沉积或溅射沉积所沉积的体块层，所述晶种层充当与所述二极管结构的电触点，以及所述体块层充当电流扩展器。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述掺杂晶种层是ZnO或含有ZnO的合金，且所述晶种层上的所述层是ZnO或含有ZnO的合金。5.一种在半导体材料上制造导电薄膜的方法，其包括：使用第一沉积技术在半导体材料上沉积晶种层，其中所述晶种层包括锌和氧；以及在所述晶种层上沉积包括锌和氧的层，其中使用不同于所述第一沉积技术的第二沉积技术将所述层沉积在所述晶种层上。6.根据权利要求5所述的方法，其中使用原子层沉积ALD来沉积所述晶种层，且使用水热沉积来沉积包括体块层的所述层。7.根据权利要求5所述的方法，其中使用电子束沉积来沉积所述晶种层，且使用水热沉积来沉积包括体块层的所述层。8.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿萨德·J·穆加尔，吴尚昊，史蒂文·P·登巴尔斯，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US