專利名稱：帶有應(yīng)變補(bǔ)償層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別是涉及在第III族氮化物材料體系中使用應(yīng)變補(bǔ)償層以及使晶格缺陷的出現(xiàn)變得最少的方法。
背景技術(shù)：
藍(lán)色激光源的開發(fā)成功宣告了下一代的高密度光學(xué)裝置，包括磁盤存儲(chǔ)器，DVD，等等的出現(xiàn)。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體激光裝置的橫截面圖(S.Nakamura，MRS BULLETIN，Vol.23，No.5，pp.37-43，1998)。在藍(lán)寶石基材5上，形成氮化鎵(GaN)緩沖層10，然后形成n-型GaN層15，和0.1mm厚的二氧化硅(SiO2)層20，使所述層20構(gòu)圖，以便形成4mm寬的窗戶25，其在GaN<1-100>方向上的周期性為12mm。然后，形成n-型GaN層30，n-型氮化銦鎵(In0.1Ga0.9N)層35，n-型氮化鋁鎵(Al0.14Ga0.86N)/GaN MD-SLS((調(diào)制摻雜應(yīng)變層超晶格)Modulation Doped Stained-Layer Superlattices)包復(fù)層40，以及n型GaN包復(fù)層45。接著，形成In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NMQW(多量子阱(Multiple Quantum Well)活性層50，之后是p-型Al0.2Ga0.8N包復(fù)層55，p-型GaN包復(fù)層60，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復(fù)層65，和p型GaN包復(fù)層70。在p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復(fù)層55中形成脊形條結(jié)構(gòu)，以便限制在側(cè)向于脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的光場。在p-型GaN包復(fù)層70和n-型GaN層30上形成電極，以便提供電流注入。
在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，n型GaN包復(fù)層45和p-型GaN包復(fù)層60是光導(dǎo)層。n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層65起包復(fù)層的作用，用于限制從InGaN MQW層50的活性區(qū)發(fā)射出的載流子和光線。n-型In0.1Ga0.9N層35起用于厚的AlGaN薄膜增長的緩沖層的作用，以便防止開裂。
通過利用圖1所示的結(jié)構(gòu)，通過電極將載流子注入InGaN MQW活性層50中，使得在400nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行光發(fā)射。由于在脊條區(qū)下的有效折射率大于脊條區(qū)外的有效折射率，因此，光場被限制在側(cè)向的活性層中，這是由于在p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層65中形成的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所致。另一方面，由于活性層的折射率大于n型GaN包復(fù)層45和p-型GaN包復(fù)層60，n-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復(fù)層40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層60的折射率，因此，通過n型GaN包復(fù)層45，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層40，p-型GaN包復(fù)層60，和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層55，在橫向?qū)⒐鈭鱿拗圃诨钚詫又?。因此，獲得了基本上橫模的操作。
然而，對(duì)于圖1所示的結(jié)構(gòu)，難于使缺陷密度降低至低于108cm-2，這是因?yàn)锳lGaN，InGaN和GaN的晶格常數(shù)彼此完全不同，當(dāng)n-型In0.1Ga0.9N層35，In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N MQW活性層50，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復(fù)層40，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復(fù)層65，以及p-型Al0.2Ga0.8N包復(fù)層55超過臨界厚度時(shí)，作為釋放應(yīng)變能量的一種方式，在結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生缺陷。缺陷由相分離造成并且起激光吸收中心的作用，這將造成光輻射效率的降低并增加臨閾電流。結(jié)果是操作電流變大，這又將使得可靠性受損害。
此外，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，將InGaN的三元合金體系用作活性層。在這種情況下，帶隙能量在1.9eV(InN)至3.5eV(GaN)之間改變。因此，能量值高于3.5eV的紫外光，通過利用InGaN活性層將不能獲得。由于在例如更高密度光學(xué)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)和其它裝置中，作為光學(xué)拾取裝置的光源，紫外光是有吸引力的，因此，這將出現(xiàn)一些問題。
為更好地了解在常規(guī)三元材料體系中由相分離所造成的缺陷，必須理解InN，GaN和AlN之間晶格常數(shù)的失配。在InN和GaN，InN和AlN，以及GaN和AlN之間的晶格失配分別為11.3％，13.9％，和2.3％。因此，即使等效晶格常數(shù)與基材的等效晶格常數(shù)相同，但由于等效粘結(jié)長度在InN，GaN和AlN之間彼此不同，內(nèi)部應(yīng)變能量將積累在InGaN層中。為了降低內(nèi)部應(yīng)變能量，在InGaN晶格失配材料體系中，存在著發(fā)生相分離的組分范圍，其中In原子，Ga原子，和Al原子不均勻地分布在所述層中。相分離的結(jié)果是InGaN層中的In原子，Ga原子，和Al原子將不根據(jù)各組成層中的原子摩爾份數(shù)進(jìn)行均勻地分布。這意味著，包括相分離的任何層的帶隙能量分布也將變得不均勻。相分離部分的帶隙區(qū)不成比例地起光學(xué)吸收中心的作用，或者使波導(dǎo)的光線產(chǎn)生光學(xué)散射。如上所述，解決這些問題的典型的現(xiàn)有技術(shù)的辦法是增加驅(qū)動(dòng)電流，因此將降低半導(dǎo)體裝置的壽命。
利用GaN材料體系獲得低缺陷密度激光二極管的另一常規(guī)方法是在包復(fù)層中只使用GaN。然而，這種方法有這樣的缺點(diǎn)在活性層中的光學(xué)限制將低于利用AlGaN包復(fù)層，這是因?yàn)樵诨钚詫雍虶aN包復(fù)層之間的折射率躍變小于如果在包復(fù)層中使用AlGaN時(shí)的折射率躍變。因此，光場在橫向分布。在活性層中的光學(xué)限制需要增加的臨閾電流，以得到相同的亮度。此外，對(duì)于GaN包復(fù)層，其勢壘小于AlGaN包復(fù)層的勢壘；這使得載流子能輕易地溢出活性層，將再次使臨閾電流增加。因此，當(dāng)操作電流增加時(shí)，將使可靠性，以及統(tǒng)計(jì)學(xué)上的壽命下降。因此，盡管所述包復(fù)層將產(chǎn)生缺陷，但AlGaN包復(fù)層仍被廣泛應(yīng)用。
因此，長期以來，一直需要一種減少晶格缺陷并且能夠用來獲得激光二極管，晶體管或其它裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具有低的臨閾電流和長期的可靠性。
發(fā)明概述本發(fā)明基本上克服了現(xiàn)有技術(shù)的限制并提供了具有低缺陷密度并因此改善可靠性的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以用來制備除了別的裝置以外還有藍(lán)光和其它的激光二極管，異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管，和光電二極管。
簡單地說，本發(fā)明提供帶有基材的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中在基材上形成第一導(dǎo)電型的第一包復(fù)層。然后在第一包復(fù)層上形成第一導(dǎo)電型的第一超晶格層，其中，所述超晶格層具有下面將進(jìn)一步討論的特性。然后，在該超晶格層上形成活性層，隨后，形成第二導(dǎo)電型的第二超晶格層。最后，形成第二導(dǎo)電型的第二包復(fù)層。另外，也可以在緊接著活性層的兩側(cè)上使用傳導(dǎo)層。電極以常規(guī)的方式形成。
超晶格層各自形成包復(fù)層，所述包復(fù)層由交替三元和四元材料如AlGaN和InGaN，或InGaAlN材料以不同摩爾份數(shù)的許多層組成，每個(gè)包復(fù)層的厚度均在其臨界厚度以下。在一舉例性實(shí)施方案中，超晶格層可以包含約200個(gè)層對(duì)。對(duì)于超晶格，如果使用三元體系，如AlGaN和InGaN，AlGaN層將處于張應(yīng)力下，而InGaN層將處于壓應(yīng)力下，通過使這些層交替，應(yīng)力在AlGaN/InGaN層界面處被補(bǔ)償，結(jié)果是，在層內(nèi)具有更少的缺陷并增加了可靠性。超晶格層具有相反的導(dǎo)電型層，并夾著量子阱活性層，所述活性層可以單阱或多阱的形式完成。通過對(duì)摩爾份數(shù)的適當(dāng)選擇，AlGaN層的晶格常數(shù)可以安排在低于相鄰GaN層的晶格常數(shù)，并且，可以將InGaN層的晶格常數(shù)安排在高于相鄰GaN層的晶格常數(shù)。最終的結(jié)果是形成了基本平衡至相鄰GaN層的晶格常數(shù)的帶有平衡應(yīng)力的超晶格層，因此，大大地減少了由于應(yīng)力所致缺陷的形成。
在本發(fā)明第一實(shí)施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)-可以是例如激光二極管-包括如下在GaN或其它基材上形成第一導(dǎo)電型的GaN第一包復(fù)層，然后，形成與第一包復(fù)層相同導(dǎo)電型的第一超晶格層?？梢哉J(rèn)為是第二包復(fù)層的第一超晶格層，可以由許多層對(duì)組成，這些層對(duì)通常是AlGaN和InGaN，或InGaN和InAlN。然后形成傳導(dǎo)層，該層通常是InGaN材料，并且具有與第一包復(fù)層相同的導(dǎo)電型，之后形成通常是InGaN材料的量子阱活性層?？梢岳脝瘟孔于寤蚨?例如三對(duì))量子阱設(shè)計(jì)來形成活性層。另一InGaN傳導(dǎo)層通常在該活性層上形成，但導(dǎo)電型與第一包復(fù)層相反。
然后在傳導(dǎo)層上形成第二超晶格層，該晶格層起第三包復(fù)層的作用并且具有與第一包復(fù)層相反的導(dǎo)電型。當(dāng)利用第一超晶格層時(shí)，第二超晶格層通常由許多層組成，例如AlGaN與InGaN結(jié)合，或InGaN與InAlN結(jié)合。超晶格層各自可以包含約200個(gè)補(bǔ)充材料層對(duì)，但精確的數(shù)量并不是關(guān)鍵性的。GaN第四包復(fù)層通常在超晶格第三包復(fù)層上形成。電極以常規(guī)的方式形成。
如上所述，超晶格材料對(duì)可以選自下述材料對(duì)AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN和InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN。利用所述結(jié)構(gòu)，在第一超晶格層中，AlxalGa1-xalN層處于張應(yīng)力下，而InxiGa1-xiN層處于壓應(yīng)力下，結(jié)果是，在相應(yīng)組成層的界面處，應(yīng)力能夠相互補(bǔ)償。同樣地，在第二超晶格層中，AlxalGa1-xalN層處于張應(yīng)力下，而InxiGa1-xiN層處于壓應(yīng)力下，結(jié)果是，在這種超晶格中，在其界面處應(yīng)力也能夠相互補(bǔ)償。如果選擇InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN材料對(duì)，操作是相同的。
此外，可以對(duì)AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN和InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN超晶格層進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便將活性層內(nèi)的光場限制得比如果單獨(dú)使用用于包復(fù)層的GaN時(shí)更好。通過增加在橫向在活性層內(nèi)的光學(xué)限制，裝置的臨閾電流能夠下降。另外，對(duì)AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN和InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN超晶格層的設(shè)計(jì)，將使得自活性層的激光的吸收最少。因此，得到了低臨閾電流和低缺陷密度的激光二極管。
通過對(duì)用于超晶格和活性層的材料進(jìn)行選擇，可以完成第一實(shí)施方案，并且，對(duì)于基材和外包復(fù)層，該實(shí)施方案還可以包括各種替代方案。特別是，第一實(shí)施方案的裝備可以包括藍(lán)寶石基材，碳化硅，GaN等等。超晶格層可以包含AlxalGa1-xalN和InxiGa1-xiN，其中xal約為0.2而xi約為0.04至最多0.2；或者可以包含InxayGa1-xayN和InxnAl1-xnN，其中xay約為0.04而xn約為0.13。另外，活性層可以包括InxaGa1-xaN材料的單或多量子阱。優(yōu)選的是，變量xi和xa的關(guān)系為xa＞xi。
在本發(fā)明第二實(shí)施方案中，再次實(shí)施基于三元材料體系的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中激光二極管再次是舉例性裝置的第二排列包含與第一導(dǎo)電型GaN或類似的第一包復(fù)層在一起的合適的基材，第一導(dǎo)電型的超晶格第二包復(fù)層，和可以是單或多量子阱的例如為InxaGa1-xaN材料的量子阱活性層。另外，也可以將傳導(dǎo)層緊接形成在活性層的每一側(cè)上，以便幫助對(duì)光場的限制，但是在所有實(shí)施方案中它們是不需要的。當(dāng)利用第一超晶格層時(shí)，超晶格第二包復(fù)層可以是AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN，InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN或其等同物。
然后，形成導(dǎo)電型與第一包復(fù)層相反的超晶格第三包復(fù)層，但在該實(shí)施方案中，僅包含14至50個(gè)AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN，InxayGa1-xayN/InxnAl1-xnN或其等同材料的層對(duì)。然后，在超晶格第三包復(fù)層上形成電流阻擋層，并在電流阻擋層中形成窗戶，所述阻擋層暴露一部分超晶格第三包復(fù)層。然后，在電流阻擋層上形成超晶格第四包復(fù)層，并且可以是約200個(gè)層對(duì)。在電流阻擋層中的窗戶，在超晶格第四包復(fù)層和超晶格第三包復(fù)層之間提供界面。超晶格第四包復(fù)層與超晶格第三包復(fù)層具有相同的導(dǎo)電型。與第一實(shí)施方案一樣，xal確定AlN的摩爾份數(shù)(利用該材料作為例子)，xi和xa確定InN摩爾份數(shù)，而xi和xa的關(guān)系為xa＞xi。最后，在第四包復(fù)層上形成例如GaN的第五包復(fù)層，并以常規(guī)方式形成電極。
類似于第一實(shí)施方案，在超晶格層中AlGaN(或等同物)的晶格常數(shù)小于GaN包復(fù)層的晶格常數(shù)，而在超晶格層中InGaN的晶格常數(shù)大于GaN包復(fù)層的晶格常數(shù)。在這種情況下，AlGaN層將處于張應(yīng)力下，而InGaN層將處于壓應(yīng)力下，這又將使補(bǔ)充層中的應(yīng)力在AlGaN/InGaN層界面處相互補(bǔ)償。同樣地，與如果將GaN用于包復(fù)層相比時(shí)，AlGaN/InGaN超晶格層將提供在活性層內(nèi)對(duì)光場更好的限制。另外，在橫向在活性層內(nèi)改善的光學(xué)限制將導(dǎo)致降低的臨閾電流。由于InN的摩爾份數(shù)xa大于InN的摩爾份數(shù)xi，由于AlGaN/InGaN超晶格層不吸收來自InGaN單量子阱活性層的激光，因此，降低的臨閾電流也是可能的。這將使得AlGaN/InGaN超晶格層中InGaN的帶隙能量變得大于InGaN單量子阱活性層的帶隙能量。最終的結(jié)果是構(gòu)成了具有低臨閾電流和低缺陷密度的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
由前述可以理解的是，第一和第二實(shí)施方案之間的主要差別在于添加了電流阻擋層，在上述舉例性實(shí)施方案中，該層夾在較小超晶格層和較大超晶格層之間。在上述舉例性排列中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有AlxbGa1-xbN電流阻擋層，該層帶有通過其形成AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第三包復(fù)層的窗戶區(qū)域，其中電流阻攔層具有與AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格層相反的導(dǎo)電型，其中，xb確定AlN的摩爾份數(shù)，并且xb和xal的關(guān)系為xb＞xal。通過利用所述的電流阻擋層以便在超晶格層中形成窗戶區(qū)，在窗戶區(qū)中有效的折射率將大于窗戶區(qū)以外的折射率。這有助于在側(cè)向?qū)⒐鈭鱿拗圃诖皯魠^(qū)下的活性內(nèi)。由于AlN的摩爾份數(shù)xb大于窗戶區(qū)以外超晶格層的摩爾份數(shù)xal，因此，折射率窗戶區(qū)內(nèi)有效的折射率將增加。此外，由于AlGaN電流阻擋層的導(dǎo)電型不同于AlGaN/InGaN超晶格包復(fù)層，因此，注入電流將限制在窗戶區(qū)內(nèi)。這將使得在窗戶區(qū)內(nèi)活性層中的注入電流密度變得足夠大，以便獲得激光振蕩。因此，利用帶有進(jìn)入超晶格層內(nèi)窗戶的所述電流阻擋層，將能夠得到單橫模操作的激光二極管。
本發(fā)明的第三實(shí)施方案在結(jié)構(gòu)上類似于第一實(shí)施方案，但利用四元材料體系替代上述的三元材料體系來實(shí)施。在這樣的實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電型的In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的包復(fù)層形成在GaN或其它基材上。然后，作為第二包復(fù)層，形成第一導(dǎo)電型的第一超晶格層，該層包含In1-x2-y2Gax2Aly2N和In1-x3-y3Gax3Aly3N材料。在包復(fù)層中，將In1-x2-y2Gax2Aly2N材料的晶格常數(shù)選擇為大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而將In1-x3-y3Gax3Aly3N材料的晶格常數(shù)選擇成大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。然后形成例如是InGaN材料的量子阱活性層，所述量子阱可以是單或多量子阱；然后形成相反導(dǎo)電型的第二超晶格層。第二超晶格層可以例如包含In1-x4-y4Gax4Aly4N和In1-x5-y5Gax5Aly5N，其中，In1-x4-y4Gax4Aly4N的晶格常數(shù)大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而所述In1-x5-y5Gax5Aly5N的晶格常數(shù)小于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。第二超晶格層起第三包復(fù)層的作用。然后形成與第一包復(fù)層相反導(dǎo)電型的第四包復(fù)層，其材料通常是In1-x6-y6Gax6Aly6N材料。x1，x2，x3，x4，x5，和x6的值確定GaN摩爾份數(shù)而y1，y2，y3，y4，y5，和y6確定AlN的摩爾份數(shù)。與第一和第二實(shí)施方案一樣，可以在某些實(shí)施方案中補(bǔ)充傳導(dǎo)層，以幫助限制光場，并且如果補(bǔ)充的話，直接形成在活性層的任一面上。
在第三實(shí)施方案中，與第一和第二實(shí)施方案一樣，在第一超晶格層中，In1-x2-y2Gax2Aly2N層處于張應(yīng)力下，而In1-x3-y3Gax3Aly3N層處于壓應(yīng)力下，結(jié)果是，在In1-x2-y2Gax2Aly2N層和In1-x3-y3Gax3Aly3N層界面處，應(yīng)力能夠相互補(bǔ)償。同樣地，在第二晶格層中，In1-x4-y4Gax4Aly4N層處于張應(yīng)力下，而In1-x5-y5Gax5Aly5N層處于壓應(yīng)力下，結(jié)果是，在In1-x4-y4Gax4Aly4N層和In1-x5-y5Gax5Aly5N層界面處，應(yīng)力能夠相互補(bǔ)償。
對(duì)InGaN超晶格層進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便將光場限制在活性層內(nèi)，并且比將GaN單獨(dú)用于包復(fù)層的更好。通過增加在橫向在活性層內(nèi)的光學(xué)限制，能夠降低裝置的臨閾電流。另外優(yōu)選的是，也將InGaAlN超晶格層設(shè)計(jì)成不吸收來自活性層的激光。因此，得到了低臨閾電流和低缺陷密度的激光二極管。
本發(fā)明的第四實(shí)施方案主要包括第三實(shí)施方案的四元材料，以及第二實(shí)施方案的總體結(jié)構(gòu)，即，在電流阻擋層的任一面上使用超晶格第三和第四包復(fù)層，借助在電流阻擋層中的窗戶，將使得這些超晶格層之間允許有界面。
根據(jù)本發(fā)明下面的詳細(xì)說明，以及下面所示的附圖，概述本發(fā)明的前述觀點(diǎn)將更易理解。
附圖概述圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的激光二極管。
圖2示出了本發(fā)明簡化的橫截面圖。
圖3示出了第一實(shí)施方案半導(dǎo)體裝置的簡化橫截面圖。
圖4A-4C示出了根據(jù)第一實(shí)施方案制備半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的簡化的一系列步驟。
圖5示出了超晶格包復(fù)層中過量應(yīng)力和In含量之間的關(guān)系。
圖6示出了取決于第一實(shí)施方案注入電流密度的輸出功率。
圖7示出了輸出功率對(duì)第三實(shí)施方案注入電流密度的依賴性。
圖8示出了超晶格包復(fù)層中過量應(yīng)力和In含量之間的關(guān)系。
圖9示出了超晶格包復(fù)層中InAlN層的過量應(yīng)力和In含量之間的關(guān)系。
圖10示出了根據(jù)第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的簡化橫截面圖。
圖11A-C示出了根據(jù)第二實(shí)施方案制備半導(dǎo)體激光二極管的一系列簡化步驟。
圖12示出了窗戶區(qū)內(nèi)外間有效折射率差(Dn)和第三包復(fù)層厚度(dp)之間的關(guān)系。
圖13示出了輸出功率對(duì)第二實(shí)施方案的注入電流密度的依賴關(guān)系。
圖14示出了窗戶區(qū)內(nèi)外間有效折射率差(Dn)和第三包復(fù)層厚度(dp)之間的關(guān)系。
圖15示出了輸出功率對(duì)第四實(shí)施方案的注入電流密度的依賴關(guān)系。
圖16示出了根據(jù)第三實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的簡化橫截面圖。
圖17示出了根據(jù)第四實(shí)施方案的半導(dǎo)體裝置的簡化橫截面圖。
圖18示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管。
圖20示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光電二極管。
圖21示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光電晶體管。
發(fā)明詳細(xì)說明首先參考圖2，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的普通形式的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在基材100上形成第一包復(fù)層105，所述基材可以是GaN，藍(lán)寶石，碳化硅或其它合適的基材。第一包復(fù)層通常具有與基材相同的導(dǎo)電型。然后在第一包復(fù)層105上形成第二包復(fù)層110，其中，第二包復(fù)層的導(dǎo)電型與第一包復(fù)層相同。
第二包復(fù)層110由許多層對(duì)115組成，每個(gè)層對(duì)的厚度均小于其臨界厚度，但它們一起形成超晶格。使用超晶格層克服了AlGaN(和類似材料)相對(duì)于GaN較小的晶格常數(shù)，同時(shí)提供了AlGaN(和類似材料)相對(duì)于GaN相對(duì)較大帶隙的益處，并且還提供了相對(duì)于GaN較小的折射率。通常，對(duì)超晶格的組成層進(jìn)行選擇，以致使，所述層之一的晶格常數(shù)大于活性層，例如GaN層，而另一組成層的晶格常數(shù)小于活性層。在超晶格組成層的晶格常數(shù)之間的這種關(guān)系可以簡單地表達(dá)為SL1＞GaN＞SL2。對(duì)于第III族的氮化物，晶格常數(shù)的關(guān)系為InN＞GaN＞AlN，這也意味著InGaN，GaN，和AlGaN的晶格常數(shù)關(guān)系為InGaN＞GaN＞AlGaN。同樣地，通過適當(dāng)選擇原子含量，能夠?qū)⑵渌牧暇Ц癯?shù)的關(guān)系設(shè)置成如下InAlN＞GaN＞AlGaN，以及InGaN＞GaN＞InAlN。在下文中將對(duì)這些關(guān)系進(jìn)行更為詳細(xì)的討論。
超晶格第二包復(fù)層110的組成層15處于對(duì)抗應(yīng)力下，因此，第一層處于張應(yīng)力下，而相鄰層處于壓應(yīng)力下。對(duì)于所述材料，每層均低于其臨界厚度，并因此避免了材料內(nèi)部的開裂。包含超晶格的層對(duì)的數(shù)量可在大大地在20或更少至大于200之間改變，其中增加厚度的層將提供更大的光學(xué)限制，但需要增加的抗電性和耐熱性，因此需要增加加熱。
在超晶格層110制成之后，在超晶格層110上增加活性層120，并增加與超晶格層110導(dǎo)電型互補(bǔ)的超晶格第三包復(fù)層125。另外，也將在下面詳細(xì)討論的是，也可以在超晶格層110上面裝備傳導(dǎo)層。在這種情況下，在活性層頂上增加第二傳導(dǎo)層，然后，增加超晶格第三包復(fù)層125。傳導(dǎo)層將具有與其相鄰超晶格層相同的導(dǎo)電型。
在超晶格層125配備之后，形成第四包復(fù)層130，其導(dǎo)電型與層125相同。然后，例如在基材100的下面和第四包復(fù)層130的上面，以常規(guī)的方式形成電極對(duì)135和140。
通過適當(dāng)選擇用于超晶格層的材料，張應(yīng)力和壓應(yīng)力能夠在這些層中進(jìn)行平衡，從而使缺陷密度變得最小。此外，由于超晶格包復(fù)層和活性層之間的折射率差大于常規(guī)GaN和活性層之間的折射率差，因此，與如果使用例如單一的GaN包復(fù)層時(shí)相比，能夠?qū)⒐鈭龈玫南拗圃诨钚詫觾?nèi)。
接著參考圖3和4A-4C，圖3和4A-4C詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施方案。為簡便起見，在闡明本發(fā)明第一實(shí)施方案時(shí)，將激光二極管選為舉例性的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并以簡化的橫截面圖示出。在n型GaN基材150上形成約0.5微米厚的n型GaN第一包復(fù)層155。然后形成n型材料的超晶格第二包復(fù)層160。對(duì)于第一實(shí)施方案舉例性的裝置，其層對(duì)的數(shù)量可以約為200。用于超晶格層的材料可以是具有合適晶格常數(shù)，導(dǎo)電型等若干種組合的任一種。正如下面將詳細(xì)討論的那樣，舉例性的材料是Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N，或Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N或In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N。超晶格組成層各自的典型厚度約為20埃，但精確的厚度可以在合理的容許量內(nèi)改變，只要不超過產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界厚度。
在制備超晶格第二包復(fù)層160之后，如果需要，可以形成約35埃厚度的In0.02Ga0.98N材料的n型傳導(dǎo)層165，但在至少一些實(shí)施方案中，不需要使用傳導(dǎo)層。然后，形成量子阱活性層170，所述阱可以是單或多量子阱。如果使用多量子阱，盡管精確的構(gòu)形可以根據(jù)用途而改變，但已發(fā)現(xiàn)，三對(duì)構(gòu)形將是所希望的。對(duì)于單阱裝置，所述層170可以包含約35埃厚的In0.15Ga0.85N材料。如果優(yōu)選多阱量子層，層170可以包含三對(duì)In0.15Ga0.85N/In0.03Ga0.98N(35埃厚)材料。如果使用傳導(dǎo)層，例如，形成約35埃厚的In0.03Ga0.97N材料的第二傳導(dǎo)層，其導(dǎo)電型與第一傳導(dǎo)層相反。然后，形成p型材料的超晶格第三包復(fù)層180。與層160一樣，超晶格層180可以包含200對(duì)In0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N材料，厚度通常為20埃，或者可以是Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N或材料In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N。最后形成p型GaN第四包復(fù)層185，其厚度通常約0.5微米。以常規(guī)的方式形成電極對(duì)(未示出)。
為了從活性層170發(fā)射波長為450nm的藍(lán)光，將活性層170中InN的摩爾份數(shù)設(shè)置在約0.15。載流子主要從n型基材150和p型GaN第四包復(fù)層185注入并且在活性層170中再結(jié)合，這將導(dǎo)致藍(lán)光發(fā)射。
超晶格層160和180起將光場限制在橫向的作用，它將比常規(guī)GaN包復(fù)層更好，這是因?yàn)榛钚詫雍桶鼜?fù)層之間的折射率差大于活性層和常規(guī)GaN層之間的折射率差。在活性層中強(qiáng)的光學(xué)限制將形成低臨閾電流的激光二極管。
為使缺陷的產(chǎn)生最小化，將應(yīng)變補(bǔ)償超晶格層160和180用于包復(fù)層，以替代常規(guī)的AlGaN包復(fù)層或簡單的GaN包復(fù)層。在本發(fā)明的超晶格結(jié)構(gòu)中，包含超晶格層的各組成層的厚度維持在臨界厚度以下，或者通常約為20埃。這將大大降低包復(fù)層中的應(yīng)力，并因此使該層中的缺陷密度變得最少。對(duì)于在超晶格層中使用的每個(gè)材料對(duì)，其中一層材料，例如Al0.2Ga0.8N處于張應(yīng)力下，而另一層，例如In0.04Ga0.96N處于壓應(yīng)力下。通常將一種材料(例如Al0.2Ga0.8N)選擇為其晶格常數(shù)小于GaN，而另一種材料(例如In0.04Ga0.96N)的晶格常數(shù)大于GaN，在層與層之間界面處，應(yīng)力能夠被補(bǔ)償。這將阻止應(yīng)力積累，并且相對(duì)于常規(guī)的GaN包復(fù)層降低缺陷密度。
如前所述，若干種材料的結(jié)合也能夠用于超晶格層。每一種舉例性的材料組合--Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N/In0.2Al0.8N，或In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N--將在下面討論。
如果利用Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N組合，圖5示出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中過多的應(yīng)力和AlGaN/InGaN超晶格包復(fù)層中InGaN層的In含量之間的關(guān)系。除AlGaN/InGaN超晶格包復(fù)層中InGaN層的In含量以外，將其它結(jié)構(gòu)參數(shù)固定。為此，將過多的應(yīng)力確定為在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沒有位錯(cuò)下波導(dǎo)的epilayer中最大應(yīng)力和與位錯(cuò)線有關(guān)的有效應(yīng)力之間的差值。如果過多應(yīng)力為正值，那么，當(dāng)位錯(cuò)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)變能量將變得比當(dāng)位錯(cuò)不在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)的更小。這意味著當(dāng)位錯(cuò)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)，與不在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相比，該結(jié)構(gòu)將是更為穩(wěn)定的。
然而，如果過多應(yīng)力變成負(fù)值，那么將發(fā)生相反的情況當(dāng)位錯(cuò)不在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)變能量將變得比當(dāng)位錯(cuò)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)的更小。這意味著與位錯(cuò)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的情況相比時(shí)，當(dāng)位錯(cuò)不在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)，該結(jié)構(gòu)將是更為穩(wěn)定的。如圖5所示，當(dāng)In含量等于0.04時(shí)，過多應(yīng)力將變得最小。因此，在圖3所示實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)中，將超晶格包復(fù)層中AlGaN層的AlN摩爾份數(shù)和超晶格包復(fù)層中InGaN層的InN摩爾份數(shù)分別設(shè)置在0.2和0.4。
此外，如果將Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格層用作包復(fù)層，在橫向，在活性層中的光學(xué)限制將大于僅將GaN包復(fù)層用作包復(fù)層材料的情況，這是因?yàn)?，Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格包復(fù)層的平均折射率小于GaN包復(fù)層的平均折射率，這將在包復(fù)層和活性層之間獲得更大的折射率差。
圖6示出了第一實(shí)施方案激光二極管的光-電流特性，其中超晶格材料是Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N并使用單量子阱。激光二極管通過有荷因數(shù)(duty cycle)為1％的脈沖電流驅(qū)動(dòng)。臨閾電流密度為5.2kA/cm2，該值約為激光二極管臨閾電流密度的一半，所述二極管帶有僅由GaN制造的包復(fù)層。圖7示出了根據(jù)第一實(shí)施方案構(gòu)成的激光二極管的光-電流特性，但使用多量子阱設(shè)計(jì)。激光二極管通過有荷因數(shù)為1％的脈沖電流驅(qū)動(dòng)。臨閾電流密度為4.2kA/cm2，該值也約為多量子阱激光二極管臨閾電流密度的一半，所述二極管僅將GaN用于其包復(fù)層。
超晶格層160和180用的材料的第二種舉例性組合是Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N。在將Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N用于超晶格層的情況下，應(yīng)力平衡稍稍不同。圖8示出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的過多應(yīng)力和AlGaN/InAlN超晶格包復(fù)層中InAlN層的In含量之間的關(guān)系。除AlGaN/InAlN超晶格包復(fù)層中InAlN層的In含量以外，將其它結(jié)構(gòu)參數(shù)固定。如圖8所示，在In含量等于0.2的情況下，過多應(yīng)力將變得最小。因此，如果將Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N用于超晶格層，超晶格包復(fù)層中AlGaN層的AlN摩爾份數(shù)和超晶格包復(fù)層中InAlN層的InN摩爾份數(shù)分別設(shè)置在0.2和0.2，以便保證應(yīng)變被相鄰的組成層所補(bǔ)償。
另外，對(duì)于其中將Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N用作超晶格層的情況下，在橫向，光場在活性層內(nèi)的限制將好于僅僅是GaN包復(fù)層，這是因?yàn)锳l0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N超晶格層的平均折射率小于GaN包復(fù)層的平均折射率。
用于超晶格層160和180的材料的第三種舉例性組合是In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N。在這種組合下，In0.13Al0.87N層處于張應(yīng)力下，而In0.04Ga0.96N層處于壓應(yīng)力下。因此，應(yīng)力在In0.13Al0.87N層和In0.04Ga0.96N層之間的界面處被補(bǔ)償。晶格常數(shù)的關(guān)系是In0.04Ga0.96N＞GaN＞In0.13Al0.87N。
與先前的材料組合一樣，由于材料的不同，因此應(yīng)力平衡將改變。圖9示出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中過多應(yīng)力和InGaN/InAlN超晶格包復(fù)層中InAlN層的In含量之間的關(guān)系。除InGaN/InAlN超晶格包復(fù)層中InAlN層的In含量以外，將其它結(jié)構(gòu)參數(shù)固定在上述的數(shù)值。如圖9所示，在InAlN層中的In含量為0.13的情況下，過多應(yīng)力將變成最小。因此，在圖9所示第九實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)中，為補(bǔ)償應(yīng)變，分別將超晶格包復(fù)層中InGaN層的InN摩爾份數(shù)和超晶格包復(fù)層中InAlN層的AlN摩爾份數(shù)設(shè)置在0.04和0.87。
此外，如果將In0.04Ga0.96N＞GaN＞In0.13Al0.87N用于超晶格包復(fù)層，在橫向，在活性層中的光場限制將好于僅使用GaN的包復(fù)層。In0.04Ga0.96N＞GaN＞In0.13Al0.87N超晶格包復(fù)層的平均折射率小于GaN包復(fù)層的平均折射率，這將在包復(fù)層和活性層之間獲得更大的折射率差，這種情況發(fā)生在只使用GaN包復(fù)層時(shí)。
接著參考圖10和圖11A-11C，可以更好地理解本發(fā)明的第二實(shí)施方案。與圖3的實(shí)施方案一樣，圖10是第二實(shí)施方案半導(dǎo)體激光二極管的簡化橫截面圖，而圖11A-11C示出了產(chǎn)生圖10結(jié)構(gòu)的制備步驟的簡化的變型。在n型GaN基材300上，形成約0.5微米厚的n型GaN第一包復(fù)層305，然后是約有200個(gè)組成層對(duì)的n型超晶格第二包復(fù)層310。然后，形成約35埃厚的In0.02Ga0.98N傳導(dǎo)層，接著是量子阱活性層320。量子阱活性層(約35埃)可以是單或多量子阱。如果使用單量子阱設(shè)計(jì)，那么，活性層通常包含In0.15Ga0.85N。如果使用多量子阱設(shè)計(jì)，那么，可以用三對(duì)In0.15Ga0.85N/In0.03Ga0.98N多量子阱來制備活性層，其中各層的厚度約35埃。然后，在某些實(shí)施方案中，可以形成約35埃厚的In0.03Ga0.97N傳導(dǎo)層325。
然后，與第一實(shí)施方案明顯的區(qū)別是，形成p型超晶格第三包復(fù)層330。然而，所述層330通常僅包含約25對(duì)組成層，每層的厚度約20埃。然后，形成約100埃厚的p型Al0.22Ga0.78N電流阻擋層335。然后，在電流阻擋層335中形成條狀窗戶340，以便暴露部分第三包復(fù)層330。然后形成p型第四超晶格包復(fù)層345，其通常包含約200對(duì)組成層。最后，形成約0.5微米厚的P型GaN第五包復(fù)層350。可以用常規(guī)方式形成電極。
與第一實(shí)施方案一樣，可以用材料若干不同的組合來制備超晶格層310，330，和345，它們可以包括Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N，Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N，或In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N。這些材料的操縱與結(jié)合第一實(shí)施方案的討論一樣，所不同的是，在下面詳細(xì)討論的對(duì)電流阻擋層的操縱。因此，盡管可以理解的是，用與第一實(shí)施方案相同的方式，每一個(gè)組合均是可以接受的，但第二實(shí)施方案剩余的討論部分將利用Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N作為例子。
為了從活性層320中發(fā)射波長為450納米的藍(lán)光，將活性層320中InN摩爾份數(shù)設(shè)置在0.15。為了獲得基本橫模的操縱，窗戶寬度設(shè)置為2mm。
為了具有單側(cè)方式振蕩(single lateral mode oscillation)，將電流阻擋層335的AlN摩爾份數(shù)設(shè)置為大于p型Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格第四包復(fù)層350。當(dāng)電流阻擋層335的AlN摩爾份數(shù)與第四包復(fù)層的相同時(shí)，在條內(nèi)的折射率將由于等離子體效應(yīng)而降低，并且將形成波導(dǎo)，結(jié)果是不能產(chǎn)生單側(cè)方式振蕩。當(dāng)電流阻擋層335的AlN摩爾份數(shù)低于p型Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格第四包復(fù)層345時(shí)，側(cè)向方式振蕩變得不穩(wěn)定。在這種情況下，將電流阻擋層335的AlN摩爾份數(shù)設(shè)置在0.22，該值高于Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格第四包復(fù)層345。另外，第三包復(fù)層330的厚度(dp)也將影響窗戶區(qū)內(nèi)和窗戶區(qū)外的有效折射率差(Δn)。當(dāng)dp值大時(shí)，Δn將變小。另一方面，當(dāng)dp值小時(shí)，Δn將變大。在Δn為大值的情況下，光場在側(cè)向的限制將更加強(qiáng)烈，這將致使空間孔(spatial holes)燃燒，以致使光場變形。對(duì)于利用用于光學(xué)拾取系統(tǒng)的所述裝置而言，光場的變形將是決定性的問題。如果Δn為小值，光場將在側(cè)向分布入在窗戶區(qū)外的活性層中。在這種情況下，在窗戶區(qū)以外的活性層將被注入的載流子大大激活，結(jié)果是，光場將遭受光學(xué)損失，這將使臨閾電流增加。
圖12示出了Δn和dp之間的關(guān)系。如圖12所示，當(dāng)dp變大時(shí)，Δn將變小。為了在側(cè)向，適當(dāng)?shù)貙⒐鈭鱿拗圃诖皯魠^(qū)內(nèi)，將Δn的值設(shè)置在約6×10-3。在第二實(shí)施方案中，為了獲得6×10-3的Δn值，將dp設(shè)置為0.1mm。
根據(jù)圖10中所示的第二實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)，通過p型Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N超晶格第四包復(fù)層345注入的電流限制在窗戶340內(nèi)，并在位于窗戶下面的量子阱活性層320中產(chǎn)生450nm帶寬的激光振蕩。如前所述，在超晶格層中，利用AlGaN組成層將有助于將光場強(qiáng)烈地限制在橫向。在活性層中強(qiáng)烈的光學(xué)限制將產(chǎn)生低臨閾電流的激光二極管。
圖13示出了根據(jù)帶有單量子阱的第二實(shí)施方案構(gòu)成的激光二極管的光-電流特性。激光二極管通過有荷因數(shù)為1％的脈沖電流驅(qū)動(dòng)。臨閾電流密度為4.0kA/cm2，該值約為激光二極管臨閾電流密度的一半，所述二極管帶有僅由GaN制造的包復(fù)層。
在利用多量子阱活性層的情況下，在Δn和dp之間的關(guān)系將稍稍發(fā)生改變。與圖2一樣，圖14中示出的關(guān)系表明當(dāng)dp變大時(shí)，Δn將變小。為了在側(cè)向適當(dāng)?shù)貙⒐鈭鱿拗圃诖皯魠^(qū)內(nèi)，將Δn的值設(shè)置在約6×10-3。在第二實(shí)施方案中，為了獲得6×10-3的Δn值，將dp設(shè)置為0.08mm。
圖15示出了第二實(shí)施方案激光二極管的光-電流特性，但利用多量子阱活性層。該裝置將導(dǎo)致在橫向在活性層中改善的(即增加的)光學(xué)限制，其改善程度將超過利用單量子阱活性層所能夠達(dá)到的程度。因此，多量子阱裝置能夠進(jìn)一步使臨閾電流降低。圖15示出了通過有荷因數(shù)為1％的脈沖電流驅(qū)動(dòng)的激光二極管。臨閾電流密度約為3.8kA/cm2，該值也約為帶有GaN包復(fù)層的激光二極管臨閾電流密度的一半。
下面參考圖16，可以更好地理解本發(fā)明的第三實(shí)施方案。圖16中示出的實(shí)施方案不同于圖3中示出的實(shí)施方案，其中，該實(shí)施方案使用四元材料體系而不是圖3的三元體系。因此，在本發(fā)明的第三實(shí)施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)--例如可以是激光二極管--包含如下在GaN或其它基材400上，形成In1-x1-y1Gax1Aly1N材料第一導(dǎo)電型的包復(fù)層405。然后，形成第一導(dǎo)電型的超晶格第二包復(fù)層410，該層包含In1-x2-y2Gax2Aly2N和In1-x3-y3Gax3Aly3N材料。在包復(fù)層中，將In1-x2-y2Gax2Aly2N材料的晶格常數(shù)選成大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而將In1-x3-y3Gax3Aly3N材料的晶格常數(shù)選成小于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。在某些實(shí)施方案中，可以在超晶格層410上形成任何合適材料的傳導(dǎo)層415。然后，形成量子阱活性層420，所述量子阱活性層可以單阱或多阱設(shè)計(jì)。然后，在至少某些實(shí)施方案中，形成傳導(dǎo)層425。然后形成相反導(dǎo)電型的超晶格第三包復(fù)層430。所述超晶格第三包復(fù)層例如可以包含In1-x4-y4Gax4Aly4N和In1-x5-y5Gax5Aly5N材料，其中，In1-x4-y4Gax4Aly4N材料的晶格常數(shù)大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而In1-x5-y5Gax5Aly5N材料的晶格常數(shù)小于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。然后形成通常是In1-x6-y6Gax6Aly6材料、與第一包復(fù)層相反導(dǎo)電型的第四包復(fù)層435。x1，x2，x3，x4，x5，和x6限定GaN的摩爾份數(shù)，而y1，y2，y3，y4，y5，和y6限定AlN的摩爾份數(shù)。
利用所述結(jié)構(gòu)，在超晶格層中，In1-x2-y2Gax2Aly2N層處于壓應(yīng)力下而In1-x3-y3Gax3Aly3N層處于張應(yīng)力下，結(jié)果是，在In1-x2-y2Gax2Aly2N層和In1-x3-y3Gax3Aly3N層的界面處，應(yīng)力將被相互補(bǔ)償。同樣地，在第二超晶格層中，In1-x4-y4Gax4Aly4N層處于壓應(yīng)力下而In1-x5-y5Gax5Aly5N層處于張應(yīng)力下，結(jié)果是，在In1-x4-y4Gax4Aly4N層和In1-x5-y5Gax5Aly5N層的界面處，應(yīng)力能夠被相互補(bǔ)償。
與先前的實(shí)施方案一樣，對(duì)InGaAlN超晶格層進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便將光場限制在活性層中，其比如果將GaN用于包復(fù)層的更好。通過增加橫向活性層內(nèi)的光學(xué)限制，裝置的臨閾電流能夠下降。另外，能夠?qū)nGaAlN超晶格層進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便不吸收來自活性層的激光。因此，得到了低的臨閾電流和低的缺陷密度。
參考圖17，可以更好地理解本發(fā)明的第四實(shí)施方案。第四實(shí)施方案使用第三實(shí)施方案的四元材料體系，但所不同的是，利用圖10和圖11A-11C所示的第二實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)。在GaN或其它基材500上，形成In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的第一導(dǎo)電型的包復(fù)層505。然后，形成第一導(dǎo)電型的超晶格第二包復(fù)層510，該層包含In1-x2-y2Gax2Aly2N和In1-x3-y3Gax3Aly3N材料。在包復(fù)層中，將In1-x2-y2Gax2Aly2N材料的晶格常數(shù)選成大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而將In1-x3-y3Gax3Aly3N材料的晶格常數(shù)選成小于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。在某些實(shí)施方案中，可以在超晶格層510上形成任何合適材料的傳導(dǎo)層515。然后，形成量子阱活性層520，所述量子阱活性層可以單阱或多阱設(shè)計(jì)。然后，與前述實(shí)施方案一樣，在至少某些實(shí)施方案中，形成另一相反導(dǎo)電型的傳導(dǎo)層525。然后形成相反導(dǎo)電型的超晶格第三包復(fù)層530。所述超晶格第三包復(fù)層例如可以包含In1-x4-y4Gax4Aly4N和In1-x5-y5Gax5Aly5N材料，其中，In1-x4-y4Gax4Aly4N材料的晶格常數(shù)大于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)，而In1-x5-y5Gax5Aly5N材料的晶格常數(shù)小于In1-x1-y1Gax1Aly1N材料的晶格常數(shù)。超晶格層530可以是約25對(duì)組成層。然后形成p型Al0.22Ga0.78N材料的電流阻擋層，其厚度約100埃。然后在電流阻擋層532中形成條狀窗戶，以便暴露超晶格層530。然后形成與超晶格層330相同材料但約20對(duì)組成層的超晶格第四包復(fù)層535。最后，用與前述相同的方式形成第五包復(fù)層。同樣地，可以常規(guī)方式形成電極對(duì)。
接著參考圖18，該圖示出了由本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)形成的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。首先在GaN基材600上形成約0.5微米厚的i-GaN包復(fù)層605，然后在其之上形成約100埃厚的n-型通道層610。再在其上形成約五對(duì)組成層的超晶格層615，每層的厚度約20埃，其材料為Al0.2Ga0.8N(6層)/n-型In0.04Ga0.96N(5層)。然后，在超晶格層615上形成源電極、漏極和柵極620、625和630。第III族的氮化物材料，尤其是GaN和AlN，是用于能夠在高功率和高溫條件下進(jìn)行操作的高能電子裝置希望的材料，這是由于GaN和AlN具有更寬的帶隙(GaN為3.5eV，AlN為6.2eV)，因此，將產(chǎn)生更高的擊穿電場，以及更高的飽和速度。這分別是與AlAs，GaAs，和Si(2.16eV，1.42eV，和1.12eV)相比所得出的結(jié)論。因此，利用AlGaN/GaN材料的場效應(yīng)晶體管(FETs)被廣泛探索用于微波功率晶體管領(lǐng)域。
下面參考圖19，其中示出了根據(jù)本發(fā)明形成的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。GaN基材650提供了在其上形成超晶格集電極層655的基礎(chǔ)。然后形成p型GaN基極層660，然后再形成超晶格發(fā)射極層665。之后形成集電極、基極和發(fā)射極670、675和680。圖19示出了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的實(shí)施方案。首先在GaN基材650上形成一百對(duì)n-型、20埃厚的Al0.2Ga0.8N(101層)/n-型、20埃厚的In0.04Ga0.96N(100層)超晶格集電極層，然后形成50納米厚的p型GaN基極層。然后，作為發(fā)射極，形成約80對(duì)、n-型、20埃厚的Al0.2Ga0.8N(81層)/n-型、20埃厚的In0.04Ga0.96N(80層)超晶格層。AlGaN層和InGaN層之間的應(yīng)力在界面處將被相互補(bǔ)償，以致使產(chǎn)生的缺陷被減少，這將生產(chǎn)出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)AlGaN/GaN。AlGaN/GaN超晶格發(fā)射極層的帶隙大于GaN基極層的帶隙，以致使，在p-型基極層中產(chǎn)生的空穴將被很好的限制在基極層中，這是因?yàn)椋cGaN均質(zhì)結(jié)雙極晶體管的價(jià)帶相比，在GaN和AlGaN/InGaN超晶格層之間具有更大不連續(xù)的價(jià)帶。因此，在基極電流和集電極電流之間獲得了大的電流放大。此外，如上所述，AlGaN/InGaN超晶格層和GaN的帶隙較大，以致使，晶體管能夠用作高溫晶體管。另外也可以理解的是，盡管如上所述的實(shí)施方案將超晶格層用于發(fā)射極和集電極，但在所有例子中，這兩層不必均為超晶格型，并且作為集電極或發(fā)射極，可以使用單超晶格層。
下面參考圖20，能夠更好的理解作為光電二極管而實(shí)施的本發(fā)明的實(shí)施方案。首先在n-型GaN基材700上形成約0.5微米厚的n-型GaN第一包復(fù)層705，然后形成約200對(duì)組成層的n-型超晶格第二包復(fù)層710。隨后，形成約35埃厚的In0.02Ga0.98N傳導(dǎo)層715，繼之以量子阱活性層720。所述活性層通常包含In0.15Ga0.85N。然后，在某些實(shí)施方案中，可以補(bǔ)充約35埃厚的In0.03Ga0.97N傳導(dǎo)層325。
然后，與第一實(shí)施方案明顯不同的是，形成p-型超晶格第三包復(fù)層。然而，層330通常包含約25對(duì)組成層，每層約20埃厚。然后，形成約100埃厚的p-型Al0.22Ga0.78N電流阻擋層335。隨后在電流阻擋層335中形成條狀窗戶340，以便暴露部分第三包復(fù)層330。以常規(guī)方式形成電極。
與第一實(shí)施方案一樣，可以使用材料若干種不同的組合來制備超晶格層710和730，并且可以包括Al0.2Ga0.8N/In0.04Ga0.96N，Al0.2Ga0.8N/In0.2Al0.8N，或In0.04Ga0.96N/In0.13Al0.87N。這些材料的操作如第二實(shí)施方案中所述，所不同的是除去上包復(fù)層和第三超晶格層。在本發(fā)明優(yōu)選的排列中，窗戶340可以成形為小外座圈(outer ring)的形式。
參考圖21，其中示出了以異結(jié)質(zhì)光電晶體管實(shí)施的本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的實(shí)施方案。盡管其它頻率，包括藍(lán)光也可以借助稍稍的改進(jìn)來檢測，該裝置特別適合于在紫外(UV)范圍內(nèi)操縱。由于GaN和AlGaN具有寬的帶隙(對(duì)于GaN3.5eV，相當(dāng)于200納米的波長；對(duì)于AlN6.2eV，相當(dāng)于350納米的波長)，因此，它們作為紫外光(UV)范圍內(nèi)的光檢測器是有吸引力的。由于AlGaN在整個(gè)AlN合金組分范圍中的直接帶隙和效力，因此，AlGaN/GaN基UV光檢測器將具有高的量子效率和高截止波長的可調(diào)諧性。然而，與前述實(shí)施方案一樣，AlGaN的晶格常數(shù)不同于GaN，因此，缺陷往往會(huì)產(chǎn)生，這將導(dǎo)致漏電。
如上所述，通過在AlGaN和InGaN層的界面處對(duì)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)使超晶格層的有效帶隙大于GaN本身的帶隙，本發(fā)明的應(yīng)變補(bǔ)償?shù)某Ц窠Y(jié)構(gòu)能夠減少現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。仍參考圖21中示出的異質(zhì)結(jié)光電晶體管(HPT)，首先在GaN基材800上形成超晶格集電極層805，該層包含約120對(duì)n-型、20埃厚的Al0.2Ga0.8N(101層)和n-型、20埃厚的In0.04Ga0.96N(100層)組成層805A和805B。接著，形成約200納米厚的p-型GaN基極層820，隨后形成超晶格發(fā)射極層825，該層包含約80對(duì)n-型、20埃厚Al0.2Ga0.8N(81層)和n-型、2納米厚In0.04Ga0.96N(80層)的組成層。與每個(gè)實(shí)施方案的超晶格層一樣，在AlGaN層和InGaN層的這種情況下，組成層之間的應(yīng)力將在其界面處相互補(bǔ)償。這些應(yīng)變被補(bǔ)償?shù)膶用黠@減少了缺陷的產(chǎn)生，得到了高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)AlGaN/GaN。以常規(guī)方式形成電極830和835。
如上所述，AlGaN/InGaN超晶格層的帶隙大于GaN基極層的帶隙。在操縱時(shí)，光線從發(fā)射極側(cè)照射。如果照射光的光子能大于GaN基層的帶隙能，但小于AlGaN/InGaN超晶格發(fā)射極層的帶隙能的話，照射光將透射至發(fā)射極層上，以致使光線吸收在GaN基極層內(nèi)并產(chǎn)生電子對(duì)和空穴對(duì)。由于與存在于GaN均質(zhì)結(jié)光電晶體管中的價(jià)帶相比，在GaN層和AlGaN/InGaN超晶格層之間存在更大的價(jià)帶，因此，通過在p-型GaN基極層中的光吸收所產(chǎn)生的空穴將更好的限制在基極層中。與常規(guī)均質(zhì)結(jié)光電晶體管的情況相比，這又將產(chǎn)生更大的發(fā)射極電流和在基極區(qū)中更好的補(bǔ)償。因此，可以獲得高量子效率和高靈敏度的UV光檢測器，這意味著從輸入光至集電極電流高的轉(zhuǎn)換效率。在希望檢測其它頻率、例如藍(lán)光的情況下，GaN基極層可以簡單地被InGaN替代。
業(yè)已完整描述了本發(fā)明的若干個(gè)實(shí)施方案，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的情況下，還存在著許多替代方案和等同物。因此，本發(fā)明的范圍并不局限于所述的說明，而僅僅是由所附的根據(jù)權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電型的基材，和包含許多第一和第二組成層對(duì)的第一超晶格層；所述第一組成層包含處于張應(yīng)力下的材料，而所述第二組成層包含處于壓應(yīng)力下的材料；在其界面處壓應(yīng)力和張應(yīng)力相互補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括在第一超晶格層上形成的活性層，所述超晶格層具有第一導(dǎo)電型，和與第一導(dǎo)電型互補(bǔ)的第二超晶格層，該層包含許多第三和第四組成層，第三層包含處于張應(yīng)力下的材料，而第四組成層包含處于壓應(yīng)力下的材料，在其界面處壓應(yīng)力和張應(yīng)力相互補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中基材為GaN，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括在基材和第一超晶格層之間形成的第一i-GaN包復(fù)層，和在該i-GaN包復(fù)層和第一超晶格層之間形成的n-GaN通道層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，另外還包括基極層和發(fā)射極層，并且其中第一超晶格層包含集電極層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，另外還包括在上面形成的并與基材相同導(dǎo)電型的第一包復(fù)層，與基材相同導(dǎo)電型的第二包復(fù)層，活性層，和其中第一超晶格層形成第三包復(fù)層，并且具有與基材的導(dǎo)電型互補(bǔ)的導(dǎo)電型，在超晶格第三包復(fù)層上面形成的并且在其中具有窗戶的阻擋層，所述窗戶將部分超晶格第三包復(fù)層暴露。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，基材為GaN并且第一超晶格層形成集電極層，另外還包括基極層和超晶格發(fā)射極層，它們由許多對(duì)應(yīng)變被補(bǔ)償?shù)慕M成層所組成。
7.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備方法，包括提供第一導(dǎo)電型的基材，形成小于臨界厚度的第一組成層，該第一層處于預(yù)定幅度的張應(yīng)力下，在第一組成層上形成第二組成層，該第二組成層處于壓應(yīng)力下，該應(yīng)力與第一組成層張應(yīng)力的幅度相同，結(jié)果是，在組成層中張應(yīng)力和壓應(yīng)力相互補(bǔ)償。
8.一種晶體管裝置，包括在In1-x1-y1Gax1Aly1N層的半絕緣層上，順序形成n-型In1-x1-y1Gax1Aly1N導(dǎo)電通道層，由In1-x2-y2Gax2Aly2N和In1-x3-y3Gax3Aly3N組成的n-型超晶格層，其中，所述In1-x2-y2Gax2Aly2N的晶格常數(shù)大于所述In1-x1-y1Gax1Aly1N的晶格常數(shù)，而In1-x3-y3Gax3Aly3N的晶格常數(shù)小于所述In1-x1-y1Gax1Aly1N的晶格常數(shù)，其中x1，x2，和x3限定GaN的摩爾份數(shù)，而y1，y2，和y3限定AlN的摩爾份數(shù)，并且所述超晶格層的有效帶隙大于In1-x1-y1Gax1Aly1N層的有效帶隙。
9.一種晶體管裝置，包括由In1-x1-y1Gax1Aly1N和In1-x2-y2Gax2Aly2N組成的第一導(dǎo)電型超晶格集電極層；相反導(dǎo)電型的In1-x3-y3Gax3Aly3N基極層；第一導(dǎo)電型的In1-x1-y1Gax1Aly1N和In1-x2-y2Gax2Aly2N發(fā)射極層；其中，所述In1-x2-y2Gax2Aly2N的晶格常數(shù)大于所述In1-x3-y3Gax3Aly3N的晶格常數(shù)，而In1-x2y2Gax2Aly2N的晶格常數(shù)小于所述In1-x3-y3Gax3Aly3N的晶格常數(shù)，所有層均順序形成，其中，In1-x3-y3Gax3Aly3N的帶隙小于In1-x1-y1Gax1Aly1N和In1-x2-y2Gax2Aly2N超晶格層的有效帶隙，并且x1，x2，和x3限定GaN的摩爾份數(shù)，而y1，y2，和y3限定AlN的摩爾份數(shù)。
10.一種半導(dǎo)體激光二極管，包括在一定導(dǎo)電型的In1-x1-y1Gax1Aly1N上，順序形成由In1-x2-y2Gax2Aly2N和In1-x3-y3Gax3Aly3N組成的一定導(dǎo)電型的超晶格層，其中，所述In1-x2-y2Gax2Aly2N的晶格常數(shù)大于所述In1-x1-y1Gax1Aly1N的晶格常數(shù)，而In1-x3-y3Gax3Aly3N的晶格常數(shù)小于所述In1-x1-y1Gax1Aly1N的晶格常數(shù)；由In1-x4-y4Gax4Aly4N和In1-x5-y5Gax5Aly5N組成的相反導(dǎo)電型的超晶格層，其中，所述In1-x4-y4Gax4Aly4N的晶格常數(shù)大于材料1的晶格常數(shù)，而所述In1-x5-y5Gax5Aly5N的晶格常數(shù)小于In1-x1-y1Gax1Aly1N的晶格常數(shù)；相反導(dǎo)電型的In1-x6-y6Gax6Aly6N；其中x1，x2，x3，x4，x5，和x6限定GaN的摩爾份數(shù)，而y1，y2，y3，y4，y5，和y6限定AlN的摩爾份數(shù)。
11.一種半導(dǎo)體激光二極管，包括一定導(dǎo)電型的GaN第一包復(fù)層，所述一定導(dǎo)電型的AlxalGa1-xalN/lnxiGa1-xiN超晶格第二包復(fù)層，AlxaGa1-xaN單量子阱活性層，相反導(dǎo)電型的AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第三包復(fù)層，相反導(dǎo)電型的GaN第四包復(fù)層，所有層均順序形成，其中，xal限定AlN的摩爾份數(shù)，xi和xa限定InN的摩爾份數(shù)，而xi和xa的關(guān)系為xa＞xi。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中，在所述AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第三包復(fù)層中形成帶有窗戶的AlxbGa1-xbN電流阻擋層，并且所述AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第三包復(fù)層具有相反導(dǎo)電型，該層包含所述的AlxbGa1-xbN電流阻擋層，其中，xb限定AlN的摩爾份數(shù)，而xb和xal的關(guān)系為xb＞xal。
13.一種半導(dǎo)體激光二極管，包括一定導(dǎo)電型的GaN第一包復(fù)層，所述一定導(dǎo)電型的AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第二層，InGaN多量子阱活性層，相反導(dǎo)電型的AlxalGa1-xalN/InxiGa1-xiN超晶格第三層，相反導(dǎo)電型的GaN第四包復(fù)層，所有層均順序形成，其中，xal限定AlN的摩爾份數(shù)，xi限定InN的摩爾份數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括:包含許多組成層對(duì)的應(yīng)變補(bǔ)償?shù)某Ц駥?其中第一組成層包含處于張應(yīng)力下的材料,而第二組成層包含處于壓應(yīng)力下的材料,以致使,相鄰層的應(yīng)力互相補(bǔ)償,并使缺陷的產(chǎn)生減少。對(duì)材料適當(dāng)?shù)倪x擇提供了增加的帶隙和在至少某些裝置中的光學(xué)限制。所述結(jié)構(gòu)特別適合于激光二極管、光電二極管、光電晶體管、和異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管和雙極晶體管。
文檔編號(hào)H01L21/205GK1347581SQ00805556
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2000年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月26日
發(fā)明者高山徹, 馬場考明, 詹姆斯S·哈里斯Jr. 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社