專利名稱：利用銦耗盡機(jī)理在含銦襯底上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及固態(tài)半導(dǎo)體器件，包括(但不限于)半導(dǎo)體發(fā)光部件。
背景技術(shù)：
已知多樣的半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法。這些器件中的某些設(shè)計(jì)成發(fā)射光，例如可見光或近可見(例如，紫外或近紅外)光。實(shí)例包括發(fā)光二極管(LED)和激光二極管。其他器件設(shè)計(jì)成檢測(cè)光。實(shí)例包括半導(dǎo)體光電二極管和電荷耦合器件(CCD)。另外其他的器件設(shè)計(jì)成既不檢測(cè)光，也不發(fā)射光，而是提供電子信號(hào)功能。實(shí)例包括半導(dǎo)體二極管、晶體管、和集成電路器件。再發(fā)光半導(dǎo)體構(gòu)造(RSC)是設(shè)計(jì)成發(fā)射光的半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)例。與LED不同，RSC不需要來自外電子電路的電驅(qū)動(dòng)電流來發(fā)射光。相反，RSC通過在RSC的有源區(qū)吸收第一波長(zhǎng)X1的光而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子和空穴隨后在有源區(qū)的勢(shì)阱中復(fù)合以根據(jù)勢(shì)阱的數(shù)目和它們的設(shè)計(jì)特征而發(fā)射不同于第一波長(zhǎng)八的第二波長(zhǎng)入2以及任選的其他波長(zhǎng)入3、入4等的光。第一波長(zhǎng)X1的引發(fā)輻射或“泵浦光”通常由耦合至RSC的發(fā)射藍(lán)光、紫光、或紫外光的LED提供。示例性的RSC器件、其構(gòu)造方法、以及相關(guān)器件和方法可見于(如)美國(guó)專利7，402，831(Miller等人)、美國(guó)專利申請(qǐng)公開 US 2007/0284565 (Leatherdale 等人)和 US 2007/0290190 (Haase 等人)、PCT 公開WO 2009/048704(Kelley 等人)、以及 2008 年 6 月 26 日提交的標(biāo)題為 “SemiconductorLight Converting Construction”(半導(dǎo)體光轉(zhuǎn)換構(gòu)造)的待審的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/075, 918 (代理人案卷號(hào)64395US002)，上述全部專利均以引用方式并入本文。當(dāng)本文提及特定波長(zhǎng)的光時(shí)，閱讀者將理解提及的是具有其峰值波長(zhǎng)處于特定波長(zhǎng)的光譜的光。通常通過采用外延生長(zhǎng)技術(shù)在半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)一系列的半導(dǎo)體層制得RSC。襯底材料選擇為使得其可以提供至少具有與待生長(zhǎng)的器件層的晶格近似晶格匹配的表面。該選擇準(zhǔn)則可需要其晶體基質(zhì)結(jié)合銦的半導(dǎo)體襯底。一種已知的用于制造RSC的襯底為磷化銦(InP)。在一些情況下，襯底包括在厚基底層上生長(zhǎng)的薄緩沖層，所述緩沖層的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于基底層并且提供器件層自其開始生長(zhǎng)的原始表面。一種用于制造RSC的示例性緩沖層為生長(zhǎng)在InP基底層上的砷化鎵銦(GaInAs)。
可被視作RSC型的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是設(shè)計(jì)成發(fā)射光的半導(dǎo)體器件的另一實(shí)例。VCSEL將由泵浦光源(例如包括氮的III-V基泵浦光源)發(fā)射的第一波長(zhǎng)光的至少一部分轉(zhuǎn)化為第二波長(zhǎng)的至少部分相干光。VCSEL包括形成用于第二波長(zhǎng)的光的光學(xué)腔體的第一反射鏡和第二反射鏡。第一反射鏡在第二波長(zhǎng)下為顯著反射性的，并且包括第一多層疊堆。第二反射鏡在第一波長(zhǎng)下為顯著透射性的，并且在第二波長(zhǎng)下為部分反射性和部分透射性的。第二反射鏡包括第二多層疊堆。VCSEL還包括半導(dǎo)體多層疊堆，半導(dǎo)體多層疊堆設(shè)置在介于第一反射鏡和第二反射鏡之間，并且將第一波長(zhǎng)的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成第二波長(zhǎng)的光。半導(dǎo)體多層疊堆包括量子阱，所述量子阱含有Cd(Mg)ZnSe合金。參考2008年9月4日提交的標(biāo)題為“Diode-Pumped Light Source”(二極管泵浦光源)的待審的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/094，270 (代理人案卷號(hào)64116US002)，其以引用方式并入本文。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)觀察到在某些半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的II-VI半導(dǎo)體器件的反常行為，并且 已經(jīng)確定該反常行為可能是來自襯底的銦原子在生長(zhǎng)過程中遷移進(jìn)入II-VI層中的結(jié)果。銦可因而變成生長(zhǎng)在襯底上的一個(gè)或多個(gè)II-VI層、特別是接近生長(zhǎng)襯底的層中的非有意的摻雜劑，并且可以不利地影響器件性能。例如，非有意的銦摻雜劑可以抵消或中和器件層中的一種或多種其他摻雜劑的作用或者提供用于少數(shù)載流子的暗復(fù)合通道。本專利申請(qǐng)因此，特別是公開了多種有效地使在生長(zhǎng)層中短距離內(nèi)的遷移的銦耗盡、或者有效地基本防止銦自襯底遷移出來、或者以另外的方式基本分離II-VI功能層與遷移的銦的半導(dǎo)體構(gòu)造和技術(shù)。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體構(gòu)造包括含銦的III-V半導(dǎo)體襯底，和在襯底上形成的至少第一和第二 II-VI半導(dǎo)體層，所述第一層設(shè)置在第二層和襯底之間。該構(gòu)造還包括設(shè)置在襯底和第一層之間的界面。襯底和/或第一層適于限制銦從襯底向第二層的遷移。例如，第一層可以包含摻雜劑(如氯)，所述摻雜劑的量有效地使自襯底遷移的銦耗盡。或者，第一層可以不含有效地使遷移的銦耗盡的摻雜劑，但可以具有足以使自襯底遷移的銦耗盡使得沒有顯著量的銦到達(dá)第二 II-VI層的厚度。在其他情況下，襯底可以包括基底層和緩沖層，緩沖層具有與界面相對(duì)應(yīng)的主表面，并且緩沖層可以在臨近所述主表面的單層中呈現(xiàn)出銦的突變耗盡。我們還公開了一種半導(dǎo)體構(gòu)造，所述半導(dǎo)體構(gòu)造包括含銦的III-V半導(dǎo)體襯底和在所述襯底上形成的II-VI半導(dǎo)體層。襯底包括基底層和其上形成的緩沖層，所述基底層由含有銦作為基質(zhì)元素的第一 III-V半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且緩沖層由不含銦作為基質(zhì)元素的第二 III-V半導(dǎo)體材料構(gòu)成，使得銦從基底層向II-VI層的遷移基本上得以避免。第一III-V半導(dǎo)體材料可以是摻雜或未摻雜的磷化銦(InP)，第二 III-V半導(dǎo)體材料可以選自摻雜或未慘雜的 GaAsSb、AlAsSbjP AlGaAsSb。我們還公開了一種半導(dǎo)體構(gòu)造，所述半導(dǎo)體構(gòu)造包括含有銦摻雜劑和另一摻雜劑的第一 II-VI半導(dǎo)體層,和在第一層上形成的第二 II-VI半導(dǎo)體層。另一摻雜劑存在于第一層中的量可以有效促進(jìn)銦摻雜劑在第一層的生長(zhǎng)階段中耗盡，并且第二層可以包含的銦的平均濃度小于所述第一層中的銦的平均濃度。另一摻雜劑可以包含例如鋁(Al)和/或鎵(Ga)，或者選自鋁(Al)、氯(Cl)、鎵(Ga)、溴(Br) M (I)、和氟(F)的n型摻雜劑。
我們還公開了一種半導(dǎo)體構(gòu)造，所述半導(dǎo)體構(gòu)造包括標(biāo)稱晶格匹配于磷化銦(InP)并且含有銦摻雜劑的第一 II-VI半導(dǎo)體層。標(biāo)稱晶格匹配可以是第一 II-VI層生長(zhǎng)在InP襯底上的結(jié)果，該襯底隨后被移除。銦摻雜劑呈現(xiàn)出沿著第一層的厚度方向在不超過I微米的距離上或者在不超過0. 5微米的距離上從至少IO17原子/cm3至小于IO16原子/cm3而變化的濃度。還公開了一種含有層疊堆的半導(dǎo)體構(gòu)造，其中每一層都含有標(biāo)稱晶格匹配于磷化銦(InP)的II-VI半導(dǎo)體材料。沒有一個(gè)層顯示具有大于IO16原子/cm3的銦濃度?；蛘?，沒有一個(gè)層顯示具有大于IO15原子/cm3的銦濃度。本文還討論了相關(guān)方法、系統(tǒng)和制品。本專利申請(qǐng)的這些方面和其它方面通過下文的具體描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應(yīng)將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對(duì)受權(quán)利要求書保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利要求書的限定，并且在審查期間可以進(jìn)行修改。


圖I是包括在半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的代表性半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體構(gòu)造的示意性部分側(cè)視圖；圖2是圖I的半導(dǎo)體器件在與生長(zhǎng)襯底分離后在運(yùn)行中的示意性側(cè)視圖；圖3是具有額外的附圖元件的圖I構(gòu)造的示意性側(cè)視圖，其示意性說明了銦原子在器件層生長(zhǎng)過程中的遷移，以及所得到的銦隨著在器件層內(nèi)的深度或位置變化的濃度分布；以及圖4是對(duì)于多個(gè)在磷化銦襯底上生長(zhǎng)的II-VI器件而言所測(cè)得的銦濃度隨著深度或位置變化的圖，說明了氯摻雜可具有的減少銦遷移長(zhǎng)度或深度的作用。在這些附圖中，相同的附圖標(biāo)號(hào)指示類似的元件。
具體實(shí)施例方式在圖I中，半導(dǎo)體構(gòu)造100包括在半導(dǎo)體襯底104上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體器件102。如本
文所用的術(shù)語(yǔ)“在......上”并不限于相對(duì)于局部環(huán)境的重力場(chǎng)的特定取向，而只是指一
個(gè)元件設(shè)置在另一元件之上，任選在二者之間設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)中間元件，除非另外指明。因而，第一元件可以在第二元件上，即使第一元件設(shè)置在第二元件的“底”(從重力的觀點(diǎn)而H )表面上也是如此。襯底104通常(但并非必須)為晶片形式以便于自動(dòng)化操作和加工。晶片薄的平面形狀可以定義所示的局部笛卡爾坐標(biāo)系，其中z軸(或厚度方向)垂直于晶片的主表面并且X和y軸對(duì)應(yīng)于側(cè)面或面內(nèi)方向。如所示，襯底104包括基本上單晶的半導(dǎo)體基底層106和基本上單晶的半導(dǎo)體緩沖層108?；讓?06的厚度通常是緩沖層108的至少100倍，因而基底層106通常為襯底104提供其本體或宏觀機(jī)械性能。在從基底層的表面移除任何自然氧化物(根據(jù)需要)之后，利用分子束外延(MBE)或任何其他合適的技術(shù)使緩沖層108在基底層106上生長(zhǎng)。緩沖層108優(yōu)選提供具有器件層可以自其生長(zhǎng)的基本原始表面108a的基本無缺陷層。緩沖層108可具有任意期望的厚度，但通常為大約I微米或更小?；讓?06和緩沖層108分別由基底半導(dǎo)體材料和緩沖半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在接下來的描述中，我們將假定這些半導(dǎo)體材料均在材料的晶體基質(zhì)中含銦，除非另外指明。例如，基底半導(dǎo)體材料可以為或者包含磷化銦(InP)，緩沖半導(dǎo)體材料可以為或者包含砷化鎵銦(GaInAs)或另一結(jié)合銦的半導(dǎo)體合金。在示例性的實(shí)施例中，基底層106和緩沖層108各自包含含銦的III-V半導(dǎo)體材料。在生長(zhǎng)襯底104和生長(zhǎng)表面108a充分準(zhǔn)備好之后，采用MBE或任何其他合適技術(shù)來生長(zhǎng)或以其他方式形成將構(gòu)成半導(dǎo)體器件102的基本單晶的半導(dǎo)體層的層序。在所示的器件中，第一窗口層110生長(zhǎng)在表面108a上，接下來是形成器件的有源區(qū)112的相對(duì)較薄層的組，接下來是第二窗口層114。每個(gè)單獨(dú)層的組成、形貌、和厚度通過恰當(dāng)選擇待引入生長(zhǎng)室的源流量以及對(duì)于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的諸如時(shí)間和溫度的其他工藝參數(shù)來控制。生長(zhǎng)方向指示為對(duì)應(yīng)于正z方向，如所示。器件102可以是如上所述的多種不同半導(dǎo)體器件中任一種的代表。在一些實(shí)施例中，器件102可以為或者包括如上所述的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。在一些實(shí)施例中，器件102可以為或者包括再發(fā)光半導(dǎo)體構(gòu)造(RSC)。 在器件102為或包括RSC的情況下，簡(jiǎn)而言之，有源區(qū)112包括一個(gè)或多個(gè)勢(shì)阱，以及任選的一個(gè)或多個(gè)吸收層。在有源區(qū)中，吸收第一波長(zhǎng)X1的光并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)在勢(shì)阱中復(fù)合以發(fā)射不同于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)X2的光。在示例性的實(shí)施例中，第二波長(zhǎng)入2為可見波長(zhǎng)，例如，對(duì)應(yīng)于綠光、黃光、琥珀色光、橙色光、或紅光的波長(zhǎng)，并且比第一波長(zhǎng)A1長(zhǎng)。第一波長(zhǎng)X1的引發(fā)輻射或“泵浦光”可以由耦合至RSC的發(fā)射藍(lán)光、紫光、或紫外光的LED提供。RSC的有源區(qū)可以僅具有一個(gè)勢(shì)阱或者可以包括多個(gè)勢(shì)阱。在后一種情況下，所述多個(gè)勢(shì)阱可以設(shè)計(jì)成發(fā)射同一波長(zhǎng)的光，或者它們可以設(shè)計(jì)成發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。在后一種情況下，不僅第二波長(zhǎng)入2而且第三波長(zhǎng)入3和任選的第四波長(zhǎng)入4等等，可以由不同的勢(shì)阱來產(chǎn)生。選擇吸收層的組成以提供將基本吸收第一波長(zhǎng)X1的光的躍遷能量。吸收層相對(duì)于勢(shì)阱的厚度和排列可以設(shè)置為基于吸收層的吸收特性和第一波長(zhǎng)的泵浦源的光譜分布的最佳性能。選擇勢(shì)阱層的組成以提供小于吸收層的躍遷能量。在一些情況下，可能有利的是制造給定的勢(shì)阱層，所述給定的勢(shì)阱層足夠薄使得量子化將躍遷能量維持在半導(dǎo)體材料的本體帶隙能量之上。這樣的勢(shì)阱可以視作量子阱。在一些情況下，在勢(shì)阱附近的層結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成使得勢(shì)阱中的一個(gè)或多個(gè)或者全部都不位于任何pn結(jié)內(nèi)。仍然參照其中器件102為或包括RSC的那些情形，所述器件也可以包括窗口層110、114。這些層中的一者或二者均可生長(zhǎng)為具有這樣的組成其帶隙能量大于有源區(qū)中的吸收層的帶隙能量并且大于勢(shì)阱的躍遷能量。窗口層110、114中一者或二者因而可以被制成對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)X 2、X3等的光基本透明。如果這類層的帶隙能量足夠高，則其或它們還可以被制成對(duì)第一波長(zhǎng)X1的泵浦光基本透明。除了上述窗口層110、114和有源區(qū)112的薄層之外，RSC還可包括其他功能層，例如(如)一個(gè)或多個(gè)漸變組合物層、濾光層、反射層、和抗反射層。濾光層的一個(gè)實(shí)例是吸收由泵浦光源提供的未被吸收層吸收的基本上所有短波長(zhǎng)光的層，但是其高度透射源自勢(shì)阱的再發(fā)射的光，所述層有時(shí)被稱為“青色阻擋層(cyanblocker) ”。這樣的層可以包括在RSC背對(duì)朝向泵浦光源側(cè)的一側(cè)上，即，使得有源區(qū)以及特別是有源區(qū)的勢(shì)阱設(shè)置在泵浦光源和濾光層/青色阻擋層之間。濾光層的吸收特性可以通過恰當(dāng)調(diào)節(jié)其帶隙能量而實(shí)現(xiàn)。
在示例性的實(shí)施例中，器件102及其構(gòu)成層由II-VI半導(dǎo)體材料例如硒化鎘鋅(CdZnSe)或硒化鎘鎂鋅(CdMgZnSe)構(gòu)成。這些材料的帶隙能量可以通過晶體基質(zhì)中的構(gòu)成元素的相對(duì)比例的合適調(diào)節(jié)來調(diào)制，如例如美國(guó)專利7，402，831 (Miller等人)中所述。在適當(dāng)?shù)那闆r下，半導(dǎo)體還可以是以任何適合的方法或通過包含任何適合的摻雜劑的n型摻雜或P型摻雜。例如，CdMgZnSe可以通過摻雜氯(Cl)原子而為n型摻雜的。相對(duì)于其他可能是缺陷相關(guān)并且不造成輻射發(fā)射的復(fù)合機(jī)制，這種摻雜可以用來促進(jìn)電子-空穴對(duì)的輻射復(fù)合。在許多情況下，希望在層生長(zhǎng)工序完成之后分離半導(dǎo)體器件102與生長(zhǎng)襯底104。生長(zhǎng)于InP襯底上的RSC為這樣一種情形,原因在于InP襯底對(duì)于可見光和紫外光基本上不透明。在這樣的情況下，可以通過磨削、蝕刻、或任何其他合適的維持器件102的功能完整性的技術(shù)將生長(zhǎng)襯底從器件上移除。圖2描述了在移除襯底104之后的圖I的器件102。器件的外主表面102a、102b在本文中分別被稱作“終止表面”和“起始表面”，該術(shù)語(yǔ)指示器件的生長(zhǎng)順序。光源210提供在器件的一側(cè)上，檢測(cè)器212提供在器件的另一側(cè)上。光源 210可以為或者包括LED,發(fā)射第一波長(zhǎng)X I的光。被稱作泵浦光的至少一部分該光在起始表面102b處進(jìn)入RSC，穿越窗口層110，并且在有源區(qū)112中被吸收。在有源區(qū)中，來自被吸收的光的能量被勢(shì)阱再發(fā)射為第二波長(zhǎng)X2的光。至少一部分該再發(fā)射的光穿越窗口層114，在終止表面102a處離開RSC，并且在檢測(cè)器212處被收集。如上所述，我們已經(jīng)觀察到在含銦的III-V半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的II-VI半導(dǎo)體RSC器件的反常行為。顯現(xiàn)反常行為的一種方式是通過在基本對(duì)稱的器件中的顯著不對(duì)稱性能。例如，圖2的器件102的實(shí)施例可以設(shè)計(jì)成相對(duì)于與x_y平面平行并且對(duì)分有源區(qū)112的參考平面具有基本鏡面對(duì)稱性。在這種器件中，任何設(shè)置在參考平面一側(cè)上的給定距離處的給定半導(dǎo)體層都具有基本對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體層，所述基本對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體層具有基本相同的組成和厚度且設(shè)置在參考平面另一側(cè)上的基本相同的給定距離處。這種器件據(jù)說具有對(duì)稱的層結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，參考平面不僅對(duì)分有源區(qū)112，而且對(duì)分整個(gè)器件102。在InP襯底上制造具有基本對(duì)稱的層結(jié)構(gòu)的RSC并且在積分球中測(cè)試，使用440nm激光二極管作為泵浦光源。器件使用II-VI半導(dǎo)體層(包括與下表2所示那些相似的CdMgZnSe層和CdZnSe層)，呈基本對(duì)稱的疊堆設(shè)計(jì)。期望這些對(duì)稱器件給出相同的光致發(fā)光效率，而不管是器件的起始表面(102b)朝向光源，還是反之是終止表面102a朝向光源。就這一點(diǎn)而言，“光致發(fā)光效率”是指由RSC再發(fā)射的總光學(xué)功率除以由光源210發(fā)射并且被RSC吸收的總光學(xué)功率的比率。然而，不是觀察到對(duì)稱RSC器件的兩個(gè)取向的相同光致發(fā)光效率，而是出乎意料地觀察到顯著不同的光致發(fā)光效率。觀察到一個(gè)取向(其中終止表面102a朝向光源的取向)的光致發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相反取向(其中起始表面102b朝向光源)的光致發(fā)光效率。觀察到前者的光致發(fā)光效率為后者的光致發(fā)光效率的2倍或更多倍。出乎意料的反常行為還顯現(xiàn)在對(duì)稱ESC器件的電容-電壓測(cè)量中。這些測(cè)量表明在RSC器件靠近起始表面102b (并因而靠近II-VI/III-V界面)的層中低水平的氯摻雜已經(jīng)完全被非有意的受體補(bǔ)償。下文中更詳細(xì)討論的其他研究揭示了來自III-V襯底的大多數(shù)銦原子在MBE生長(zhǎng)過程期間已經(jīng)遷移了很大的距離進(jìn)入半導(dǎo)體器件102的II-VI層，例如，約I微米或更大，并且該顯著(且高度不對(duì)稱)但非有意的銦摻雜是反常行為的一個(gè)可能因素。銦遷移示意性地示于圖3中，其中再次制造了圖I的半導(dǎo)體構(gòu)造100，并在圖中加進(jìn)箭頭310、312、314，從而以簡(jiǎn)單方式表示銦原子自襯底104遷移進(jìn)入器件102的各個(gè)層中。箭頭310的寬度大于箭頭312的寬度，而箭頭312的寬度進(jìn)而大于箭頭314的寬度，從而表明銦原子的濃度在靠近II-VI/III-V界面處最大，并且濃度隨著離界面的距離增加而基本單調(diào)地下降。該行為也示于插圖316中，其以簡(jiǎn)單方式示出器件102中從起始表面102b (或生長(zhǎng)表面108a)到終止表面102a的銦的濃度下降趨勢(shì)。銦在靠近起始表面102b處增加的濃度與當(dāng)起始表面102b朝著光源取向時(shí)在RSC中觀察到的顯著下降的光致發(fā)光效率正相關(guān)。我們?cè)诒疚闹忻枋隽擞糜跍p輕遷移的銦原子的有害作用的各種技術(shù)。例如，我們描述了多種有效地使在生長(zhǎng)層中短距離內(nèi)的遷移的銦耗盡、或者有效地基本防止銦自襯底遷移出來、或者以另外的方式基本分離II-VI功能層與遷移的銦從而維持良好的器件性能的半導(dǎo)體構(gòu)造和技術(shù)。 在一種用于減輕遷移的銦的有害作用的方法中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以向半導(dǎo)體器件的一個(gè)或多個(gè)最初生長(zhǎng)層中加入某些另外的摻雜劑材料以耗盡在III-V/II-VI界面的相對(duì)較短距離(厚度)內(nèi)的遷移的銦。通過耗盡在II-VI材料的短距離或厚度內(nèi)的銦，之后形成的II-VI材料層(其對(duì)銦污染更敏感)可以被制成基本無銦的。因而，在最初生長(zhǎng)的一個(gè)或多個(gè)器件層中包含某些另外的摻雜劑材料使得這些最初層更有效的捕集和分離遷移的銦，以使隨后生長(zhǎng)的器件層可以基本上無銦。我們發(fā)現(xiàn)在這方面有效的一種這樣的另外的摻雜材料為氯。這通過在InP/GalnAs襯底上制造多個(gè)II-VI半導(dǎo)體疊堆而得以確認(rèn)。II-VI疊堆中的每一個(gè)均包括生長(zhǎng)在InP晶片的GaInAs緩沖層上的一個(gè)或多個(gè)CdMgZnSe層和一個(gè)或多個(gè)CdZnSe層。II-VI疊堆的總厚度在各種情況下均為至少I. 5微米。各個(gè)疊堆制造為具有特定恒定水平的氯摻雜，但是不同樣品采用不同的氯摻雜水平。在II-VI疊堆制造后，各個(gè)疊堆的終止表面用二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析進(jìn)行評(píng)價(jià)以測(cè)定銦隨著在疊堆中相對(duì)于終止表面的深度而變化的濃度。該信息得出了各個(gè)樣品中銦濃度隨著深度變化的分布。在圖4中作出了7個(gè)這樣的樣品中的銦濃度分布圖，其中分布圖已沿著水平軸移動(dòng)以解釋在整個(gè)疊堆厚度上的微小變化，使得在各個(gè)情況下疊堆的起始表面(即，III-V襯底材料和II-VI疊堆材料之間的界面)出現(xiàn)在所示的深度D處。樣品顯示具有如下的氯摻雜劑濃度(如在單獨(dú)的掃描中利用SIMS分析測(cè)得)表I
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體構(gòu)造，包括 含銦的III-V半導(dǎo)體襯底； 在所述襯底上形成的至少第一和第二 II-VI半導(dǎo)體層，第一層設(shè)置在第二層和所述襯底之間；和 位于所述襯底和所述第一層之間的界面； 其中所述襯底和/或所述第一層適于限制銦從所述襯底向所述第二層的遷移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的構(gòu)造，其中所述襯底包括磷化銦(InP)基底層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)造，其中所述襯底還包括含銦(In)的緩沖層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的構(gòu)造，其中所述緩沖層包括砷化鎵銦(GaInAs)、砷化鋁銦(AlInAs)和/或砷化鎵銦鋁(GaInAlAs)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的構(gòu)造，其中所述第一和第二層包括在II-VI半導(dǎo)體層疊堆中，所述層疊堆有效地將第一波長(zhǎng)X1的光轉(zhuǎn)化為第二波長(zhǎng)X2的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的構(gòu)造，其中所述第一層包含摻雜劑，所述摻雜劑的量有效地使自所述襯底遷移的銦耗盡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的構(gòu)造，其中所述摻雜劑包括氯。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的構(gòu)造，其中所述氯在所述第一層中的摻雜密度為至少I X IO16Cm 3O
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的構(gòu)造，其中所述第一層呈現(xiàn)出在其整個(gè)厚度上為至少10倍的銦濃度梯度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的構(gòu)造，其中所述第一層呈現(xiàn)出在其厚度的一部分上為至少10倍的銦濃度梯度，該厚度部分不超過I微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的構(gòu)造，其中所述厚度部分不超過0.8微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的構(gòu)造，其中所述厚度部分不超過0.6微米。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的構(gòu)造，其中所述第一層不包含有效地使遷移的銦耗盡的摻雜劑，但具有足以使自所述襯底遷移的銦耗盡的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的構(gòu)造，其中所述第一層的厚度為至少0.5微米且小于10微米。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的構(gòu)造，其中所述第一層的厚度為至少I微米且小于5微米。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的構(gòu)造，其中所述第一層呈現(xiàn)出在其厚度上為至少10倍的銦濃度梯度。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的構(gòu)造，其中所述襯底包括基底層和緩沖層，所述緩沖層具有與所述界面相對(duì)應(yīng)的主表面，并且所述緩沖層在臨近所述主表面的單層中呈現(xiàn)出銦的突變耗盡。
18.一種半導(dǎo)體構(gòu)造，包括 含銦的III-V半導(dǎo)體襯底；和 在所述襯底上形成的II-VI半導(dǎo)體層； 其中所述襯底包括基底層和在所述基底層上形成的緩沖層，所述基底層由含有銦作為基質(zhì)元素的第一 III-V半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并且所述緩沖層由不含銦作為基質(zhì)元素的第二m-V半導(dǎo)體材料構(gòu)成，使得銦從所述基底層向n-VI層的遷移基本上得以避免。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)造，其中所述第二III-V半導(dǎo)體材料選自摻雜或未摻雜的 GaAsSb、AlAsSb 和 AlGaAsSb。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)造，其中所述第一III-V半導(dǎo)體材料為摻雜或未摻雜的磷化銦(InP)。
21.一種半導(dǎo)體構(gòu)造，包括 含有銦摻雜劑和另一摻雜劑的第一 II-VI半導(dǎo)體層，所述另一摻雜劑存在的量有效促進(jìn)所述銦摻雜劑在所述第一層的生長(zhǎng)階段中耗盡；以及 在所述第一層上形成的第二 II-VI半導(dǎo)體層； 其中所述第二層包含的銦的平均濃度小于所述第一層中的銦的平均濃度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的構(gòu)造，其中所述另一摻雜劑包含鋁(Al)和/或鎵(Ga)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的構(gòu)造，其中所述另一摻雜劑包含選自鋁(Al)、氯(Cl)、鎵(Ga)、溴(Br)和碘⑴的n型摻雜劑。
24.—種半導(dǎo)體構(gòu)造，包括 標(biāo)稱晶格匹配于磷化銦(InP)并且含有銦摻雜劑的第一 II-VI半導(dǎo)體層； 其中所述銦摻雜劑呈現(xiàn)出沿著所述第一層的厚度方向在不超過I微米的距離上從至少IO17原子/cm3至小于IO16原子/cm3而變化的濃度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的構(gòu)造，其中所述銦摻雜劑呈現(xiàn)出沿著所述第一層的厚度方向在不超過0. 5微米的距離上從至少IO17原子/cm3至小于IO16原子/cm3而變化的濃度。
26.一種半導(dǎo)體構(gòu)造，包括 層的疊堆，每一層都包含標(biāo)稱晶格匹配于磷化銦(InP)的II-VI半導(dǎo)體材料； 其中沒有一個(gè)所述層顯示具有大于IO16原子/cm3的銦濃度。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的構(gòu)造，其中沒有一個(gè)所述層顯示具有大于IO15原子/cm3的銦濃度。
全文摘要
我們已經(jīng)觀察到在某些半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的II-VI半導(dǎo)體器件的反常行為，并且已經(jīng)確定該反常行為可能是來自襯底的銦原子在生長(zhǎng)過程中遷移到II-VI層中的結(jié)果。銦可因而變成生長(zhǎng)在襯底上的一個(gè)或多個(gè)II-VI層、特別是接近生長(zhǎng)襯底的層中的非有意的摻雜劑，并且可以不利地影響器件性能。我們描述了多種有效地使在生長(zhǎng)層中短距離內(nèi)遷移的銦耗盡、或有效地基本防止銦自襯底遷移出來、或者以另外的方式基本分離II-VI功能層與遷移的銦從而維持良好的器件性能的半導(dǎo)體構(gòu)造和技術(shù)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102804411SQ201080029262
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者托馬斯·J·米勒, 邁克爾·A·哈斯, 孫曉光 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司