利用第三族氮化物四元金屬體系的半導體結構的制作方法

專利名稱：利用第三族氮化物四元金屬體系的半導體結構的制作方法
技術領域：
本申請涉及半導體結構及其制備方法，特別是涉及第III族氮化物材料體系以及例如可能用于藍或紫外激光二極管以及其它類似半導體的方法。
背景技術：
藍色激光源的開發成功宣告了下一代的高密度光學裝置，包括磁盤存儲器，DVD，等等的實現。

圖1示出了現有技術半導體激光裝置的橫截面圖(S.Nakamura，MRS BULLETIN，Vol.23，No.5，pp.37-43，1998)。在藍寶石基材5上，形成氮化鎵(GaN)緩沖層10，然后形成n-型GaN層15，和0.1∏m厚的二氧化硅(SiO2)層20，使所述層20構圖，以便形成4∏m寬的窗戶25，其在GaN＜1-100＞方向上的周期性為12∏m。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((調制摻雜應變層超晶格)Modulation Doped Stained-Layer Superlattices)包復層40，以及n型GaN包復層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包復層55，p-型GaN包復層60，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復層65，和p型GaN包復層70。在p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復層55中形成脊形條結構，以便限制在側向于脊形波導結構中傳播的光場。在p-型GaN包復層70和n-型GaN層30上形成電極，以便提供電流注入。
在圖1所示的結構中，n型GaN包復層45和p-型GaN包復層60是光導層。n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層65起包復層的作用，用于限制從InGaN MQW層50的活性區發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所示的結構，通過電極將載流子注入InGaN MQW活性層50中，使得在400nm波長范圍內進行光發射。由于在脊條區下的有效折射率大于脊條區外的有效折射率，因此，光場被限制在側向的活性層中，這是由于在p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層65中形成的脊形波導結構所致。另一方面，由于活性層的折射率大于n型GaN包復層45和p-型GaN包復層60，n-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復層40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層60的折射率，因此，通過n型GaN包復層45，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層40，p-型GaN包復層60，和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包復層55，在橫向將光場限制在活性層中。因此，獲得了基本上橫模的操作。
然而，對于圖1所示的結構，難于使缺陷密度降低至低于10-8cm-2，這是因為AlGaN，InGaN，和GaN的晶格常數彼此完全不同，當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包復層40，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包復層65，以及p-型Al0.2Ga0.8N包復層55超過臨界厚度時，作為釋放應變能量的一種方式，在結構中將產生缺陷。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所示的結構中，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磁盤存儲系統和其它裝置中，作為光學拾取裝置的光源，紫外光是有吸引力的，因此，這將出現一些問題。
為更好地了解在常規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，即使等效晶格常數與基材的等效晶格常數相同，但由于等效粘結長度在InN，GaN和AlN之間彼此不同，內部應變能量將積累在InGaN層中。為了降低內部應變能量，在InGaN晶格失配材料體系中，存在著發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。相分離的結果是InGaN層中的In原子，Ga原子，和Al原子將不根據各組成層中的原子摩爾份數進行均勻地分布。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不成比例地起光學吸收中心的作用，或者使波導的光線產生光學散射。如上所述，解決這些問題的典型的現有技術的辦法是增加驅動電流，因此將降低半導體裝置的壽命。
因此，長期以來，一直需要一種半導體結構，該結構使由于相分離所致的晶格缺陷最少化，并且能夠例如用作在高頻發射藍光或UV的激光二極管，以及用于其它半導體結構、如晶體管。
發明概述通過實質上減少結構的層之間的相分離，通過提供明顯減少缺陷密度的半導體結構，本發明基本克服了現有技術的限制。這又能夠大大地改善發射效率。
為減少相分離，業已發現，可能提供帶GaAlNAs層的半導體裝置，其中在每層中Al成份以及As成份均勻分布。在光發射裝置中，這使得光吸收損失和波導散射損失能夠減少，從而形成高效率的光發射裝置。通過仔細選擇Al和As的用量，可以生產帶至少兩個通常帶隙范圍的裝置，使得光發射裝置不僅在紅外而且在藍/UV范圍均得以開發。
在根據本發明的GaAlNAs四元材料體系的第一舉例性實施方案中，當由x表示的Al含量，和由y表示的As含量滿足條件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于一恒定值時，找到了避免相分離充分的均勻性。由于在該結構中組成層的晶格常數相互很接近，在絕大多數情況下基本相等，因此抑制了缺陷的產生，將不會產生相分離。
根據本發明的裝置通常包括彼此順序形成的第一導電型的GaAlNAs材料的第一層，GaAlNAs活性層和相反導電型的GaAlNAs材料的層。根據公式3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy約等于一常數，例如約等于3.18，維持所述摩爾份數，組成層的晶格常數將保持相互基本相等，這將減少缺陷的產生。
在另一實施方案中，利用四元材料體系，以便消除相分離并促進橫跨層界面的均勻性，基本如上所述制備半導體結構。因此，如前所述，第一包復層是第一導電型的并且是GaAlNAs組分，活性層是第二組分的GaAlNAs，而第二包復層是相反導電型的、具有第一層組分的GaAlNAs。然而，除此之外，第二包復層具有脊結構。如前所述，減少了光吸收損失和波導散射損失，這將產生更高的效率，其中所增加的益處是光場能夠在側向限制在脊結構下的活性層中。該結構也允許基本上橫模操作。
在本發明的第三實施方案中，特別適合的裝置是激光二極管，該半導體結構包含第一導電型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包復層，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性層，和相反導電型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包復層，每層均順序地形成在先前的層上。在這樣的材料體系中，其中x1，x2，和x3限定Al成份，而y1，y2，和y3限定As成份，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的關系如下0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分別為GaN，GaAs，AlN，和AlAs的帶隙能量。
為提供根據上述材料體系的可再現的半導體結構，GaAlNAs層的舉例性實施方案具有Al含量，x，和As含量，y；其滿足如下關系0＜x1＜1，0＜y1＜1和0.26x+37y＜＝1。如前所述，該材料體系能夠降低光吸收損失和波導散射損失，從而形成高效率的光發射裝置。此外，當x1，y1，x2，y2，x3，和y3具有如下關系0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2時，活性層的GaAlNAs的帶隙能量變得低于第一包復層和第二包復層的帶隙能量。在這些條件下，注入的載流子將限制在活性層中。在至少某些實施方案中，優選的是，第三光發射裝置具有GaAlNAs的單或多量子阱活性層，其中，所有組成層的Al含量，xw，和As含量，yw，滿足如下關系0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
前述結構的益處之一在于降低了激光二極管的臨閾電流密度。這能夠通過利用單或多量子阱結構來實現，所述量子阱結構將降低活性層各狀態的密度。這將使得粒子數反轉所需的載流子密度變得更小，從而產生降低的或低的臨閾電流密度的激光二極管。
優選的是，在第三光發射裝置中，滿足3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys約等于一常數--約等于3.18--這樣的條件，其中，xs和ys分別為各組成層中Al含量和As含量。如前所述，這將使得各組成層的晶格常數相互基本相等，這又將大大地使相分離所致的缺陷最少化。
在本發明的第四實施方案中，半導體結構可以包含第一導電型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包復層，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性層，和相反導電型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包復層，每層均順序地形成在先前的層上。此外，第二包復層具有脊結構。對于前述材料體系，其中x1，x2，和x3限定Al的含量，而y1，y2，和y3限定As的含量，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的關系如下0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分別為GaN，GaAs，AlN，和AlAs的帶隙能量。
與前面的實施方案一樣，每個GaAlNAs層均具有均勻的Al和As成份的分布，當每個GaAlNAs層的Al成份，x，As成份，y滿足0＜x1＜1，0＜y1＜1和0.26x+37y＜＝1時，能夠可再現地得到所述含量。當0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2時，GaAlNAs活性層的帶隙能量變得低于第一包復層和第二包復層的帶隙能量。與先前實施方案相同，注入的載流子被限制在活性層中，并且光場在側向被限制在脊結構下的活性層中，這將產生基本橫模的操作。
也與先前實施方案相同，第四實施方案通常包括GaAlNAs的單或多量子阱活性層，其中，所有組成層的Al含量，xw，和As含量，yw，滿足如下關系0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。另外，通常也滿足3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys約等于一常數--約等于3.18--這樣的條件，其中，xs和ys分別為各組成層中Al和As的含量。類似的參數適用于其它基材，如藍寶石，碳化硅等等。
利用常規的處理溫度和時間，通常在500℃-1000℃，可以取得前述結果。參見“利用低壓金屬有機化學劑蒸汽沉積的、高光學和電學質量GaN層的增長”(應用物理通訊58(5)，1991年2月4日，第526頁等)。
通過結合附圖對本發明下面的詳細說明，可以更好地理解本發明。
附1示出了利用常規三元材料體系的、現有技術的激光二極管結構。
圖2示出了根據本發明第一實施方案的半導體結構的橫截面圖。
圖3示出了根據圖1結構的激光二極管光-電流特性圖。
圖4示出了用于制備本發明第一實施方案的半導體結構的一系列舉例性步驟。
圖5示出了根據第二實施方案的半導體結構的橫截面圖。
圖6示出了根據圖4結構的激光二極管的光-電流特性圖。
圖7示出了用于制備本發明第一實施方案的半導體結構的一系列舉例性步驟。
圖8是第三實施方案的半導體激光二極管的橫截面圖。
圖9示出了第三實施方案的激光二極管的光-電流特性圖。
圖10示出了第三實施方案的一試驗例中的半導體激光二極管的一系列制備步驟。
圖11是第四實施方案的半導體激光二極管的橫截面。
圖12示出了第四實施方案的激光二極管的光-電流特性圖。
圖13示出了第四實施方案的一試驗例中的半導體激光二極管的一系列制備步驟。
圖14以繪圖形式示出了在不同增長溫度下相分離區和沒有相分離的區之間的邊界。
圖15示出了在低于約1000℃的增長溫度下，為避免相分離而對InGaAlN中的Ga含量和Al含量的含量選擇線。
圖16示出了在低于約1000℃的增長溫度下，同時使InGaAlN的晶格常數基本上等于GaN的晶格常數，為避免相分離而對InGaAlN中的Ga含量和Al含量的含量選擇線。
圖17A和17B示出了根據本發明材料體系構成的雙極和FET晶體管的示圖。
圖18示出了作為光電晶體管的本發明的裝置。
圖19示出了作為光電二極管的本發明的裝置。
發明詳述首先參考圖2，其中在橫截面圖中示出的是根據本發明第一實施方案的半導體結構。盡管本發明可用于許多形式的裝置，但為進行說明，在許多圖中示出的半導體結構將是激光二極管。特別是參考圖2，提供n型GaN基材100并在其上形成n型GaN第一包復層105(通常為0.5微米厚)。然后，在其上形成約1.5微米厚的、通常是n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021材料的第二包復層110，之后是多量子阱活性層115，在舉例性排列中，上述多量子阱活性層可以包含三個厚度約35埃的、Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料的量子阱層以及以三對排列的、四個厚度約35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013材料的阻擋層。接著，形成p型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021(通常約1.5∏m厚)的第三包復層，之后是p型GaN第四包復層125(約0.5微米厚)。然后，在p型GaN第四包復層125上形成帶有條狀窗戶區135(3.0微米寬)的SiO2層130。在n型GaN基材100上形成第一電極140，同時在SiO2層130和窗戶區135上形成第二電極145。
為了從活性層115發射波長為360納米的紫外光，使所有層的Al含量，x和As含量，y滿足3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys約等于一常數，至少對于第一實施方案，可以約等于3.18。為避免由相分離所致的缺陷，不同組成層的晶格常數通過對各層中Al含量，x，和As含量，y進行設置而相互匹配，以滿足如下條件3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys約等于一常數，至少對于第一實施方案，可以約等于3.18ρ0.05，以致使各層的等效晶格常數約等于GaN的晶格常數。
通過對材料適當的選擇，使n型第二包復層110和p型第三包復層120的帶隙能量大于3對多量子阱活性層115的帶隙能量。這將來自n型第二包復層110和p型第三包復層120的注入載流子限制在活性層115中，在其中，載流子再結合而發射紫外光。此外，n型第二包復層110和p型第三包復層120的折射率小于多量子阱活性層115的折射率，這將使光場限制在橫向。
由于對從電極145注入的電流進行限制而流經窗戶區135，因此，在窗戶區下活性層115中的區域將被強力激活。這將使得窗戶區6a下的活性層中的局部模態增益大于SiO2層下的活性層中的局部模態增益。因此，導致激光振蕩、由波導機械引導的增益能夠在第一實施方案的結構中形成。
圖3示出了發射光對根據第一實施方案構成的激光二極管的驅動電流的作圖。激光二極管通過有荷因數為1％的脈沖電流驅動。臨閾電流密度為6.0kA/cm2。
圖4A-4D順序示出了構成根據第一實施方案舉例性激光二極管所需制備步驟的概要。由于由圖4A-4D得到的結構與圖2中的結構類似，因此，當可能時將相同的參考號用于各元件。首先參考圖4A，首先提供n型GaN基材100，然后在其上增加n型GaN第一包復層105。所述第一包復層105的厚度通常為0.5微米。然后，形成厚度通常為1.5微米的、n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第二包復層110。
接著，通過形成由三層每層厚度約35埃的、Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料組成的三個量子阱，以及每層厚度約35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013材料的四個阻擋層，而形成多量子阱活性層115。接著，形成p型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021(通常約1.5微米厚)的第三包復層120，之后形成p型GaN第四包復層125(約0.5微米厚)。其中各層通常通過金屬有機化學劑蒸汽沉積法(MOCVD)或分子束外延(MBE)法形成。
然后，如圖4B中所示，例如通過化學劑蒸汽沉積(CVD)法，在p型GaN第四包復層125上形成SiO2層130。利用光刻法和蝕刻法或任何其它合適的方法，如圖4C中所示，形成窗戶區135。在至少某些實施方案中，窗戶區135可以是條狀的。最后，如圖4D中所示，通過蒸發或任何其它合適的方法，分別在n型GaN基材100上和在SiO2層130上形成第一電極140和第二電極145。
接著參考圖5，本發明半導體結構的第二實施方案將更易理解。與第一實施方案一樣，第二實施方案的舉例性應用是形成激光二極管。第二實施方案的結構使波導機械能夠建立在帶實際折射率引導的該結構中。本實施方案提供低臨閾電流密度的激光二極管，它能夠利用基本上橫模進行操作。
繼續參考圖5，為參考方便，將相同的元件用相同的參考號表示。在n型GaN基材100上，形成約0.5微米厚、n型GaN的第一包復層105。順序地形成1.5微米厚、材料的、n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第二包復層110。然后，形成多量子阱活性層115，該層包含約35埃厚的Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料的三個量子阱層以及厚度也是約35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013的四個阻擋層。接著，形成約1.5微米厚、Ga0.75Al0.25N0.979As0.021材料的第三p型包復層120。然后，在第三包復層120的脊結構500上面形成約0.5微米厚的、p型GaN第四包復層125。然后，部分除去第三和第四包復層，從而產生脊結構500。然后，在第四包復層125以及第三包復層120的剩余暴露部分上形成二氧化硅(SiO2)層130。分別通過第四和第三包復層125和120上的二氧化硅層，而形成可以是條狀的、寬度約2.0微米的窗戶區135。與第一實施方案一樣，在n型GaN基材100上形成第一電極140，并在二氧化硅層130上和窗戶區135上形成第二電極145。
與第一實施方案一樣，為了從活性層14發射波長為350納米的紫外光，將量子阱層中Al的含量，x，和As的含量，y分別設置在0.05，和0.04。同樣地，為了使不同組成層的晶格常數匹配，以避免由應變所致的缺陷，使各層中Al含量，x，和As的含量，y滿足如下條件3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys約等于一常數，例如可以約等于3.18ρ0.05。同樣地，將各包復層的帶隙能量保持在大于活性層的帶隙能量，以便能夠發射紫外光。同樣地，材料的折射率如第一實施方案中所討論的那樣，這使得光場被限制在橫向。
類似于第一實施方案的操作，在窗戶區135下的活性層115的區域，由于通過二氧化硅層對注入電流進行約束，因此被強力激活。該結果又將使得窗戶區135下的活性層中的局部模態增益大于SiO2層下的活性層中的局部模態增益。結合在脊條區內在橫向相對更高有效折射率(與脊條區外的折射率相比)，這將提供有效的折射率躍變(эn)。這將形成具有實際折射率引導的內置波導機械的結構。因此，第二實施方案的設計提供了能夠利用基本橫模進行操作的、低臨閾電流的激光二極管。
圖6示出了發射光與根據第二實施方案的激光二極管的驅動電流特性的圖。該激光二極管利用cw電流驅動。發現，臨閾電流為38.5mA。
接著參考圖7A-7E，其中示出了根據第二實施方案半導體激光二極管的舉例性裝置關鍵制備步驟的概要。
首先參考圖7A和7B，首先，在n型GaN基材100上形成第一和第二包復層105和110，以及與第一實施方案相同的三對多量子阱活性層115。然后，形成第三和第四包復層120和125，再部分地除去--通常通過蝕刻--以便形成脊結構500。如前所述，在舉例性實施方案中，通過MOCVD或MBE法順序地形成各層。
然后，如圖7C-7E所示，通常通過CVD法，分別在第四和第三包復層125和120上形成二氧化硅層130，然后，與第一實施方案一樣形成窗戶區135。然后蒸發電極140和145，或另外粘結至結構上。
接著參考圖8，本發明第三實施方案將更易理解。第三實施方案提供稍稍不同的摩爾份數，以便能夠發射藍光，但其它與第一實施方案相同。因此，繼續使用n型GaN基材100，以及n型GaN第一包復層105。然而，第二包復層810通常是約1.5微米厚的、n型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料，而三對量子阱活性層815通常包括Ga0.78Al0.22N0.999As0.001材料的三個阻擋層，以及Ga0.73Al0.27N0.995As0.005材料的四個阻擋層。第三包復層820通常是p型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料，而第四包復層125，與第一實施方案相同，是p型GaN材料。各層的厚度與第一實施方案基本相同。二氧化硅層130，窗戶區135，以及第一和第二電極140和145完成所述結構。
為了從活性層815發射波長為410納米波長范圍的藍光，將量子阱層815內Al的含量和As的含量分別設置在0.22和0.001。為了匹配組成層的晶格常數，以避免由應變所致的缺陷，使各層中Al的含量，x，和As的含量，y滿足如下條件3.18(1-x)(1-ys)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy約等于一常數。對于舉例性的第三實施方案，該恒定值可以約等于3.17ρ0.05。
盡管第三實施方案發射藍光，而第一實施方案發射紫外光，但繼續將包復層的帶隙能量設置成大于三對多量子阱活性層815的帶隙能量。如前所述，允許載流子在活性層815中進行限制和再結合。另外，也與第一實施方案一樣的是，通過設計，使第二和第三包復層的折射率小于活性層的折射率，這將使得光場被限制在橫向。同樣地，與二氧化硅層130下的活性層部分相比，窗戶區135下的強的電流注入，將在活性層中得到相對更高的局部模態增益，這又將產生導致激光振動的、引導的波導機械。
圖9示出了發射光與根據第三實施方案激光二極管的驅動電流特性的作圖。激光二極管通過有荷因數為1％的脈沖電流驅動。臨閾電流密度為5.7kA/cm2。
圖10A-10D示出了第三實施方案一實施例中的半導體激光二極管的一系列制備步驟。可以理解的是，這些制備步驟與圖4A-4D中所述的步驟相同，并因此不進一步描述。
接著參考圖11，將更容易理解本發明的第四實施方案。與第三實施方案一樣，將第四實施方案設計成發射藍光并因此具有與第三實施方案相同的摩爾份數。然而，與第二實施方案一樣，構成第四實施方案，以便提供起波導作用的脊結構。由于摩爾份數與圖8的相同，因此，相同的元件將利用圖8中所用的參考號進行描述。
繼續參考圖11，可以看出，第四實施方案的結構具有在其上形成第一包復層105然后形成第二包復層810的GaN基材100。然后在其上形成三對多量子阱活性層815，之后是第三包復層820。第四包復層125，二氧化硅層130，窗戶區135和電極140和145均如前所述形成。如圖8所示，保持材料中Al的含量和As的含量，或分別將其保持在0.22和0.001。同樣地，與第三實施方案一樣，將各層的Al含量，x，和As含量，y設置成滿足如下條件3.18(1-x)(1-ys)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy約等于3.17的常數。用于電流注入的帶隙能量，折射率和模態增益基本上與第三實施方案中討論的相同，并因此不進一步進行討論。
圖12是驅動電流對根據第四實施方案構成的激光二極管的發射光的作圖。臨閾電流為33.0mA。
圖13示出了根據第四實施方案的半導體激光二極管制備步驟的概要。這些步驟基本上與圖7A-7E中討論的步驟相同，因此不進一步進行討論。
接著參考圖14，可以更好的理解對Al含量，x，和As含量，y的選擇，以及GaAlNAs組成層之間的關系。特別是，要求Al和As含量滿足如下關系0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。
在GaAlNAs材料體系中，GaN，AlN，GaAs和AlAs的晶格常數各不相同。例如，在GaN和GaAs之間，AlN和AlAs之間，以及在GaN和AlN之間的晶格失配分別為25.4％，28.6％，和2.3％。因此，內部應變能量將積累在GaAlNAs層內，即使由于在GaN，AlN，GaAs和AlAs之間的等效粘結長度各不相同而使等效晶格常數與基材相同時也是如此。圖14示出了相分離區的邊界對不同增長溫度的作圖。圖14中的線示出了相對于不同溫度組分不穩定(相分離)區和穩定區之間的邊界。在發生相分離的情況下，根據各組成層中的原子含量，在GaAlNAs層中的Ga原子，Al原子，N原子，和As原子不均勻地分布。與所述的不同的是，在層中，相分離層的帶隙能量分布也將變得不均勻。在相分離層中相對小帶隙能量區的區域將起光學吸收中心的作用，或使波導光產生光學散射。這意味著，為得到高效光發射裝置，應當避免相分離現象。
仍然參考圖14，可以看出，相分離隨溫度而改變。圖14中的線示出了相對于不同溫度組成不穩定區域--即導致相分離的區域--和穩定區域之間的邊界。被GaAs-GaN線，AlAs-AlN線和邊界線包圍的區域示出了相分離中心區。業已發現，三元合金AlNAs和GaNAs，由于在AlN和AlAs，以及在GaN和GaAs之間嚴重的晶格失配，因此具有大的相分離區域。另一方面，已發現，三元合金GaAlN和GaAlAs在約1000℃的結晶增長溫度下沒有相分離區，這是由于在AlN和GaN之間，以及在AlAs和GaAs之間小的晶格失配所致。
因此，已發現，能夠提供其中通常的結晶增長溫度在約600℃至約1000℃范圍內的GaAlNAs材料體系。同樣地，業已發現，在約600℃和約1000℃之間的處理溫度時，不會明顯地發生GaAlNAs的Al成份，和As成份的相分離。最后，通過將兩個區與分離這兩個區的線相結合，所述兩個區由關系式0.26x+37y＝1來確定；其中發現，在低于約1000℃的結晶增長溫度下，為避免相分離對GaAlNAs中Al成份和As成份的成份選擇區(即所述的兩個區)是圖15中的陰影區。
因此，當使激光二極管的所有組成層中Ga摩爾份數，x，和AlN摩爾份數，y滿足關系式，0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1時，對于上述第四結構實施方案的每一個，通過在約600℃和約1000℃之間的結晶增長溫度下進行操作，將能夠避免InGaAlN材料體系中的相分離現象。結果是根據原子摩爾份數，在每個組成層中Ga原子，Al原子，N原子和As原子基本均勻的分布。
圖16示出了在GaAlNAs體系中Al成份，x，As成份，y的成份選擇線，以避免在低于約1000℃的增長溫度下的相分離并仍然保證與GaN合理的晶格匹配。圖16中的線示出了3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18的舉例線。因此，通過保證在GaN基材上形成的激光二極管的GaAlNAs組成層的Al含量和As含量具有如下關系3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy約等于1并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1，將能夠得到在GaN基材上的激光二極管，該二極管具有低的缺陷密度并且沒有或幾乎沒有相分離。
此外，利用上述材料體系，能夠制備其它的半導體結構。第III族氮化物材料，尤其是GaN和AlN適用于能夠在高功率和高溫條件下操作的電子裝置，例如微波功率晶體管。這部分是由其寬帶隙(GaN為3.5eV，AlN為6.2eV)，高擊穿電場，以及高飽和速度所造成的。通過對比，AlAs，GaAs，和Si的帶隙分別為2.16eV，1.42eV，和1.12eV。這已引起了將AlGaN/GaN材料用于這樣的場效應晶體管(FETs)的重大探索。然而，如前所述，AlGaN和GaN不同的晶格常數將產生明顯的缺陷，限制電子在最終結構中的移動性和所述材料體系用于FET的用途。
本發明基本克服了現有技術的限制，其中，本發明的GaAlNAs材料的晶格常數等于GaN的晶格常數。如上所述，Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料體系不僅具有大于3.5eV的帶隙，而且還具有基本上等于GaN的晶格常數；其中Al含量(x)和As含量(y)滿足如下關系3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy約等于1并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。這將能夠制備如FETs這樣的半導體結構，所述結構在不同層中具有基本均勻的原子含量分布。因此，通過使用本發明的GaAlNAs材料體系，將能夠實現具有低缺陷密度的、高功率和高溫晶體管；其中所述材料中Al的摩爾份數(x)，和As的摩爾份數(y)滿足上述關系。
參考圖17A，其中示出了利用本發明的GaAlNAs/GaN材料的異質結場效應晶體管(HFET)的一舉例性實施方案。在GaN基材520上形成0.5微米的i-GaN層525，然后形成一約10納米厚的GaN傳導通道層530和10納米厚的GaAlNAs層535。源電極和漏極540A-B，以及柵極545以常規方式形成。在該結構中，將GaAlNAs層中的Al含量(x)和As含量分別設置為0.25和0.021。在這種情況下，x和y值滿足如下關系3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy約等于3.18并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。這將使得GaAlNAs層中基本上沒有相分離并且晶格常數等于GaN。由于在GaAlNAs和GaN層的異形界面中形成的二維電子氣不會由于GaAlNAs層原子含量的波動(如可能是在存在缺陷下引起的)而散射，因此，這又將能夠實現高的電子速度。此外，GaAlNAs的帶隙大于4eV，因此，通過利用圖17A所示的結構，能夠實現可靠的高溫操作。
同樣地，圖17B示出了本發明異質結雙極晶體管(HBT)的實施方案。首先在GaN基材550上形成400納米厚的n型GaAlNAs集電極層555，然后形成50納米厚的p型GaN基極層560，和300納米厚的發射極層565。基極570，集電極575和發射極580按常規方式形成。與圖17A一樣，對于圖17B的舉例性實施方案，將GaAlNAs層中Al的含量(x)和As的含量(y)分別設置為0.25和0.021，并且要求x和y值滿足如上所述相同的關系。與圖17A一樣，實現了GaAlNAs層沒有明顯的相分離并且晶格常數等于GaN，結果形成了很高質量異質結的GaAlNAs/GaN。此外，GaAlNAs發射極層的帶隙(4eV)大于GaN基極層(3.5eV)，因此，在p型基極層中產生的空穴被很好地限制在基極層中。由于GaN和GaAlNAs之間的價帶不連續性大于在GaN異質結雙極晶體管中可能產生的價帶不連續性，因此，造成了所述的結果。這將具有相對于基極電流獲得集電極電流大幅增大的益處。此外，如上所述，GaAlNAs和GaN層的帶隙較大，結果是，晶體管能夠在高溫應用中可靠地使用。
接著參考圖18，其中示出了作為光電晶體管的本發明的裝置。在這點上，由于GaN和AlN均具有寬的帶隙(對于GaN為3.5eV，這相當于350納米的光波長，對于AlN為6.2eV，這相當于200納米的光波長)，因此，GaN和GaAlN對于在紫外(UV)范圍內的光檢測器是有吸引力的材料。由于直接帶隙和AlGaN在整個AlN合金組分范圍內的有效性，因此，AlGaN/GaN基UV光檢測器具有高量子效率這樣的優點，以及高截止波長的可調諧性。然而，AlGaN的晶格常數明顯不同于GaN，因此往往會形成缺陷，這將使漏電電流增加。Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料體系不僅提供大于2.8eV的帶隙，而且還能夠以相同原子含量分布的層的形式來制備，因此，GaAlNAs材料也能夠用于UV光檢測器的應用；其中Al含量(x)和As含量(y)滿足如下關系0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。此外，Al含量(x)和As含量(y)滿足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18的Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料的晶格常數等于GaN并且帶隙大于3.5eV。因此，通過使用本發明的GaAlNAs/GaN材料，將能夠實現具有低缺陷密度的、UV光檢測器；其中所述材料中Al的含量(x)，和As的含量(y)滿足上述關系。在希望對其它頻率進行檢測的情況下，例如對藍光進行檢測，僅需要稍稍的進行變更。
如圖18所示，利用GaAlNAs/GaN材料，本發明的半導體裝置能夠以異質結光電晶體管的形式實施。首先在GaN基材700上形成約500納米厚、n型的GaAlNAs集電極層705，然后形成200納米厚的p型GaN基極層710。然后，形成約500納米厚的GaAlNAs發射極層715。在發射極層上，形成一脊形電極720，以便使光線能夠射到基極層上。
在舉例性結構中，將GaAlNAs層中的Al含量(x)和As含量分別設置為0.25和0.021。在這種情況下，x和y值滿足如下關系0＜x＜1，0＜y＜1和0.26x+37y＜＝1，并且3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18，結果是，GaAlNAs層能夠在基本上沒有相分離同時晶格常數等于GaN下形成，因此能夠形成高質量異質結的GaAlNAs/GaN。GaAlNAs發射極層的帶隙(4eV，相當于307納米的波長)大于GaN基極層的帶隙(3.5eV，相當于350納米的波長)。光線射在發射極側。對于所示出的實施方案，對于發射極層，307納米和350納米間波長范圍內的的入射光是可穿透的，因此，該范圍內的光線被吸收在GaN基極層中，并產生電子對和空穴對。由于GaN和GaAlNAs之間的價帶不連續性大于常規GaN同質結光電晶體管的價帶不連續性，因此，在p型基極層中的光吸收所產生的空穴被很好地限制在基極層內。這將誘導出更大的發射極電流，與同質結光電晶體管相比，這又將在基極區中提供更好的電子補償。因此，得到了高量子效率和高靈敏度、以及從輸入光至集電極電流最終的高轉換效率的光檢測器。在須檢測其它頻率的情況下，例如檢測藍光，可以用InGaN替代GaN基極層。
除圖18的光電晶體管實施方案以外，另外還可能完成本發明的發光二極管。參考圖19，首先提供n型基材900，并在基材上形成n型GaN第一包復層905。再在該包復層上形成Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料或等同物的n型層910，這符合圖18中所述的關系。然后形成活性層915，并在該層上形成p型Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料層920。然后，在層920上形成p型第二包復層925，并在其中形成窗戶930，以便暴露部分層920。窗戶930提供開口，由此光線能夠射至層920上，產生空穴。可以常規的方式制備一對電極935和940，其中電極935通常是環繞窗戶930的環形電極。可以理解的是，第二包復層925的帶隙優選大于層920的帶隙，而層920的帶隙依次優選大于活性層915的帶隙；這樣的方法給寬范圍波長的光線提供了靈敏度。如果希望窄波長范圍，可以將低于層920帶隙的材料用于層925。此外，由于在至少某些場合下層910，915和920提供適當的光敏pn-結，因此，也不需要在所有實施方案中包括層925。
業已充分描述了本發明的優選實施方案和各種變更，但本領域普通技術人員應當理解的是，在不脫離本發明的情況下尚存在許多變更和等同物。因此，本發明不被前述說明限定，而是由所附的權利要求書來限定。
權利要求
1.一種半導體結構，包含具有第一導電型的、GaAlNAs材料的第一包復層，GaAlNAs活性層，和與第一導電型相反導電型的GaAlNAs材料的第二包復層，對各層組成部分的摩爾份數進行選擇，以使相分離最小化。
2.一種半導體結構，包含具有第一導電型的、GaAlNAs材料的第一包復層，GaAlNAs活性層，和與第一導電型相反導電型的GaAlNAs材料的第二包復層，對各層組成部分的結晶增長溫度和摩爾份數進行選擇，以使相分離最小化。
3.根據權利要求1的光發射裝置，其中，所有組成層的Al含量，x，和As含量，y，滿足如下條件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于一恒定值。
4.根據權利要求1的光發射裝置，其中，所有組成層的Al含量，x，和As含量，y，滿足如下條件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于3.18。
5.一種光發射裝置，包含沒有相分離的、第一導電型的、GaAlNAs材料的第一包復層，沒有相分離的、GaAlNAs活性層，和沒有相分離的、第二導電型的、GaAlNAs材料的第二包復層，所述GaAlNAs第二包復層具有脊結構，所有層均順序形成。
6.根據權利要求4的光發射裝置，其中，所有組成層的Al含量，x，和As含量，y，滿足如下條件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于一恒定值。
7.根據權利要求4的光發射裝置，其中，所有組成層的所有組成層的Al含量，x，和As含量，y，滿足如下條件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于3.18
8.一種光發射裝置，包含第一導電型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包復層，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性層，和相反導電型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包復層，每層均順序地形成在先前的層上。在這樣的材料體系中，其中x1，x2，和x3限定Al成份，而y1，y2，和y3限定As成份，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的關系如下0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分別為GaN，GaAs，AlN，和AlAs的帶隙能量。
9.根據權利要求8的光發射裝置，其中所述活性層為GaAlNAs單或多量子阱活性層，其Al含量，xw，和As含量，yw，滿足如下關系0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
10.根據權利要求8的光發射裝置，其中，滿足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于一常數這樣的條件，其中，xs和ys分別為各GaAlNAs組成層中Al的含量，和As的含量。
11.根據權利要求8的光發射裝置，其中，滿足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于3.18這樣的條件，其中，xs和ys分別為各GaAlNAs組成層中Al的含量，和As的含量。
12.一種光發射裝置，包含第一導電型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包復層，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性層，和相反導電型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包復層，每層均順序地形成在先前的層上，此外，第二包復層具有脊結構，對于前述材料體系，其中x1，x2，和x3限定Al的含量，而y1，y2，和y3限定As的含量，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的關系如下0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分別為GaN，GaAs，AlN，和AlAs的帶隙能量。
13.根據權利要求12的光發射裝置，其中，所述活性層是GaAlNAs的單或多量子阱活性層，其中，所有組成層中Al含量，xw，和As含量，yw，滿足如下關系0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
14.根據權利要求12的光發射裝置，其中，滿足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于一常數這樣的條件，其中，xs和ys分別為各GaAlNAs組成層中Al的含量，和As的含量。
15.根據權利要求11的光發射裝置，其中，滿足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy約等于3.18這樣的條件，其中，xs和ys分別為各GaAlNAs組成層中Al的含量，和As的含量。
全文摘要
本發明披露了一種供半導體結構用的第III族氮化物四元材料體系,包括:激光二極管,晶體管,和光檢測器,所述結構減少或消除相分離并提供增加的發射效率和可靠性。在舉例性實施方案中,半導體結構包括:在基本沒有相分離下形成的第一導電型的第一GaAlNAs層,基本沒有相分離的GaAlNAs活性層,和基本沒有相分離下形成的相反導電型的第三GaAlNAs層。
文檔編號H01S5/323GK1347582SQ00806277
公開日2002年5月1日 申請日期2000年3月1日 優先權日1999年7月30日
發明者高山徹, 馬場孝明, Jr 詹姆斯E·哈里斯 申請人:松下電器產業株式會社