本发明专利技术提供用于改良半导体装置的性能的材料和结构，包括ＺｎＢｅＯ合金材料、ＺｎＣｄＯＳｅ合金材料、可含有Ｍｇ以用于晶格匹配目的的ＺｎＢｅＯ合金材料和ＢｅＯ材料。ＺｎＢｅＯ合金系统中的Ｂｅ的原子分数ｘ（即，Ｚｎ↓［１－ｘ］Ｂｅ↓［ｘ］Ｏ）可变化以将ＺｎＯ的能带隙增加至大于ＺｎＯ的能带隙的值。ＺｎＣｄＯＳｅ合金系统中的Ｃｄ的原子分数ｙ和Ｓｅ的原子分数ｚ（即，Ｚｎ↓［１－ｙ］Ｃｄ↓［ｙ］Ｏ↓［ｉ－ｚ］Ｓｅ↓［ｚ］）可变化以将ＺｎＯ的能带隙减小至小于ＺｎＯ的能带隙的值。通过使用挑选的掺杂元素，所形成的每一合金可为不掺杂、或ｐ型或ｎ型掺杂。这些合金可单独使用或组合使用以形成可发射一个范围波长值的活性光子层、异质结构如单个和多个量子井以及超晶格层或覆层，和制造光学的和电子的半导体装置。这些结构可应用于改良半导体装置的功能、能力和性能。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于氧化锌的合金半导体材料，更具体地，涉及可配置为具有 一个范围的理想能带隙值的这些材料。这些半导体材料可用于制造半导体层、 结构和装置，并改良半导体装置的功能和性能。
技术介绍
氧化锌的光学性质已得到了研究以获得其在半导体装置方面的潜在用途， 尤其是用于诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的光子发光装置和诸 如光电二极管的光子探测器。ZnO在室温中的能带隙为大约3.3电子伏特(eV)， 对应于此能量的发射光子的约376纳米(nm)的波长。已从使用p型和n型材 料形成二极管的ZnO LED证明了光发射。ZnO还用于制造UV光探测器和场效 应晶体管(FET)。ZnO具有使得其成为用于光电装置和应用的有希望的半导体材料的几个重 要特性。与GaN的26 meV和ZnSe的20 meV相比，ZnO具有大的激子结合能 60meV。 ZnO的大的激子结合能表明了对于制造基于ZnO的装置将在温度升高 时所述装置将拥有明亮且连贯的发射/4笨测能力的希望。ZnO具有非常大的击穿 电场，估计为约2x l06V/cm( 〉GaAs击穿电场的两倍)，从而表明可将高工作 电压施加至基于ZnO的装置以获得高功率和增益。ZnO在室温下也具有3.2 x9107 cm/sec的饱和速度，该速度大于氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或砷化镓 (GaAs)的值。如此大的饱和速度表明，相对由这些其他材料作成的装置，基 于ZnO的装置可更好地用于高频率应用。另外，ZnO能够格外地抗扰高能量辐射引起的辐射损坏。半导体中由高能 量辐射引起的普遍现象为禁止能带内的深中心的产生以及辐射所产生的载波。 这些效应严重影响装置敏感度、反应时间和读出噪音。因此，辐射硬度作为用 于工作在苛刻环境(诸如空间和核反应堆内)中的装置参数而非常重要。从材料辐射硬度的观点来说，ZnO与其他宽带隙半导体相比能更好地适于 空间工作。例如，在抵抗来自电子或质子的高能量辐射引起的损坏方面，ZnO 大约比GaN的4氏抗力大100倍。ZnO也具有高熔化温度(近2000°C ),从而为装置制造期间的后生长 (post-growth)过程(诸如退火和烘培)中的高温处理以及在高温环境中的应 用提供了可能性。大面积ZnO单晶晶片(高达75 mm直径)为商业上可用的。可能生长具 有低错位密度的基于同外延ZnO的装置。ZnO村底上的同外延ZnO生长将减 轻许多与蓝宝石上的异外延GaN生长有关的问题，诸如由于晶格失配引起的压 力和热膨胀问题。与GaN的215meV相比，ZnO具有浅受主能级(acceptor level) 129 meV。 受主能级的低值意味着ZnO中的p型掺杂物较易于激活且藉此有助于在ZnO 中产生的孔浓度高于在每一材料的相同掺杂水平浓度的情况下在GaN中的对 应孔浓度。基于ZnO的装置可由湿式化学蚀刻过程来制造。这些特性使得ZnO 成为用于近UV至远UV探测器、LED、 LD、 FET和其他光电装置的发展的最 具吸引力的材料。将ZnO的能带隙值修改为比用于ZnO的值更小的值，还可将ZnO的能带隙值修改为比用于ZnO的值更大的值，以提供半导体装置的增强的功能、能力 和性能。如实例，具有比ZnO的带隙能量大的带隙能量的材料允许在LED和LD 装置的较短波长上的发射。相对地，具有比ZnO的带隙能量小的带隙能量的材 料将允许在LED和LD装置的较长波长上的发射。具有较大带隙的材料将允许半导体异质结构的制造，诸如活性发光层、量 子井、多个量子井、超晶格、覆层、吸收层、发射层和在频谱的紫外(UV)区 域中具有增加的功能、能力和性能的光探测器。这些装置和能力包括在频谱的 UV区域中发光的LED和LD和用于太阳挡板和其他应用的UV光纟笨测器。具有较小带隙的材料将允许半导体异质结构的制造，诸如活性发光层、量 子井、多个量子井、超晶格层、覆层、吸收层、发射层和在频谱的可见区域中 具有增加的功能、能力和性能的光探测器。这些装置和能力包括在频语的可见区域中发光的LED和LD和可见光^:测器。将由基于ZnO的且具有增强的工作性能、能力和功能的材料制造的半导体 装置用于许多商业和军事部分中(包括但不限于诸如发光体、光探测器、FET、 PN二极管、PIN二极管、NPN晶体管、PNP晶体管、透明晶体管、电路元件、 通信网络、雷达、传感器和医疗成像的装置和区域)是合适的。因此，提供可配置为具有特定能量带隙值的基于ZnO的半导体材料将是有 用的。通过结合本专利技术的特定实例，通过调整ZnBeO半导体合金中Be的原子分 数来提供可配置为具有特定能量带隙值的基于ZnO的半导体材料将是有用的。通过调整ZnCdOSe半导体合金中Cd的原子分数和Se的原子分数来提供可配置为具有特定能量带隙值的基于ZnO的半导体材料将很有益处。
技术实现思路
本专利技术通过提供用于改进半导体装置性能的材料来解决上述需要，这些材 料包括ZnBeO合金材料、ZnCdOSe合金材料、可含有用于晶格匹配目的的Mg 的ZnBeO合金材料和BeO材料。ZnBeO合金系统中Be的原子分数x(即，Zni-xBexO )是可变化的以将 ZnO的能量带隙增加为大于ZnO的能量带隙的值。ZnCdOSe合金系统中Cd的原子分数y和Se的原子分数z (即，Zn卜 yCdyO! - zSez)是可变化的以将ZnO的能量带隙减少为小于ZnO的能量带隙 的值。所形成的每一合金可不掺杂或通过使用选定摻杂元素来形成p型或n型 掺杂。这些合金可单独使用或组合使用以形成可发射一个范围的波长值的活 性光子层、诸如单个和多个量子井和超晶格层或覆层的异质结构，并制造光 和电子半导体装置。这些结构可适用于半导体装置的功能、能力和性能的改进。 在本专利技术中，同样也将揭示本专利技术的其他实施例、实例、特征和方面。 在考虑了结合附图作出的本专利技术的详细描述之后，本专利技术的先前描述和 其他目的、优点和特征以及实现本专利技术的方式将变得更加明显。附图说明通过结合附图的方式来提供对本专利技术的进一步理解，在附图中图l示出了利用(例如)用于薄膜生长的HBD过程(并通过类比使用Cd和/或Se的那些的其他基于Zn的合金的结构)沉积在单晶蓝宝石村底上的ZnBeO薄膜。图2示出了本专利技术的ZnBeO实施例的实例数据，其中绘制透射比对入射于ZnBeO合金薄膜(以及ZnO薄膜)上的光的波长。具体实施例方式概述和此文件中所-使用的术语本专利技术涉及基于氧化锌的合金半导体材料，这些材料可配置为具有一个 范围的理想能带隙值，且可用于制造半导体结构和装置和改良半导体装置的 功能和性能。为了促进对本专利技术的理解，我们首先结合描述本专利技术来提供对 术语的讨论，包括以下LED或LD的活性层涉及发光的半导体层。n型或p型传导的电载体化 合成活性层。能带隙的值确定典型光发射的波长。量子井(QW)结构或多个量子井(MQW)结构包括具有一个或多个 层的分层半导体结构，这些层具有比一个或多个邻近层小的能带隙以使得n 型载体和p型载体更可能位于具有较小能带隙的层中。光子发射的典型波长 将由QW或MQW中具有最小能带隙的半导体材料确定。超晶格(SL)结构包括具有不同能带隙的半导体材料的第一层和第二 层，且其中每一第一层和第二层充分薄以使得其可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种半导体材料或结构，包括： ＺｎＢｅＯ或ＺｎＣｄＯＳｅ半导体合金材料，具有在约１．７５ｅＶ与约１０．６ｅＶ之间的能带隙值。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：阳瑞刘，泰塞克李，亨利W怀特，
申请(专利权)人：莫克斯特罗尼克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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