带有应变补偿层的半导体结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体结构，该结构包括：包含许多组成层对的应变补偿的超晶格层，其中第一组成层包含处于张应力下的材料，而第二组成层包含处于压应力下的材料，以致使，相邻层的应力互相补偿，并使缺陷的产生减少。对材料适当的选择提供了增加的带隙和在至少某些装置中的光学限制。所述结构特别适合于激光二极管、光电二极管、光电晶体管、和异质结场效应晶体管和双极晶体管。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体结构及其制备方法，特别是涉及在第III族氮化物材料体系中使用应变补偿层以及使晶格缺陷的出现变得最少的方法。
技术介绍
蓝色激光源的开发成功宣告了下一代的高密度光学装置，包括磁盘存储器，DVD，等等的出现。附图说明图1示出了现有技术半导体激光装置的横截面图(S.Nakamura，MRS BULLETIN，Vol.23，No.5，pp.37-43，1998)。在蓝宝石基材5上，形成氮化镓(GaN)缓冲层10，然后形成n-型GaN层15，和0.1mm厚的二氧化硅(SiO2)层20，使所述层20构图，以便形成4mm宽的窗户25，其在GaN<1-100>方向上的周期性为12mm。然后，形成n-型GaN层30，n-型氮化铟镓(In0.1Ga0.9N)层35，n-型氮化铝镓(Al0.14Ga0.86N)/GaN MD-SLS((调制掺杂应变层超晶格)Modulation Doped Stained-Layer Superlattices)包复层40，以及n型GaN包复层45。接着，形成In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NMQW(多量子阱(Multiple Quantum Well)活性层50，之后是p-型Al0.2Ga0.8N包复层55，p-型GaN包复层60，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层65，和p型GaN包复层70。在p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层55中形成脊形条结构，以便限制在侧向于脊形波导结构中传播的光场。在p-型GaN包复层70和n-型GaN层30上形成电极，以便提供电流注入。在图1所示的结构中，n型GaN包复层45和p-型GaN包复层60是光导层。n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层65起包复层的作用，用于限制从InGaN MQW层50的活性区发射出的载流子和光线。n-型In0.1Ga0.9N层35起用于厚的AlGaN薄膜增长的缓冲层的作用，以便防止开裂。通过利用图1所示的结构，通过电极将载流子注入InGaN MQW活性层50中，使得在400nm波长范围内进行光发射。由于在脊条区下的有效折射率大于脊条区外的有效折射率，因此，光场被限制在侧向的活性层中，这是由于在p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层65中形成的脊形波导结构所致。另一方面，由于活性层的折射率大于n型GaN包复层45和p-型GaN包复层60，n-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层60的折射率，因此，通过n型GaN包复层45，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40，p-型GaN包复层60，和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层55，在横向将光场限制在活性层中。因此，获得了基本上横模的操作。然而，对于图1所示的结构，难于使缺陷密度降低至低于108cm-2，这是因为AlGaN，InGaN和GaN的晶格常数彼此完全不同，当n-型In0.1Ga0.9N层35，In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N MQW活性层50，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层65，以及p-型Al0.2Ga0.8N包复层55超过临界厚度时，作为释放应变能量的一种方式，在结构中将产生缺陷。缺陷由相分离造成并且起激光吸收中心的作用，这将造成光辐射效率的降低并增加临阈电流。结果是操作电流变大，这又将使得可靠性受损害。此外，在图1所示的结构中，将InGaN的三元合金体系用作活性层。在这种情况下，带隙能量在1.9eV(InN)至3.5eV(GaN)之间改变。因此，能量值高于3.5eV的紫外光，通过利用InGaN活性层将不能获得。由于在例如更高密度光学磁盘存储系统和其它装置中，作为光学拾取装置的光源，紫外光是有吸引力的，因此，这将出现一些问题。为更好地了解在常规三元材料体系中由相分离所造成的缺陷，必须理解InN，GaN和AlN之间晶格常数的失配。在InN和GaN，InN和AlN，以及GaN和AlN之间的晶格失配分别为11.3％，13.9％，和2.3％。因此，即使等效晶格常数与基材的等效晶格常数相同，但由于等效粘结长度在InN，GaN和AlN之间彼此不同，内部应变能量将积累在InGaN层中。为了降低内部应变能量，在InGaN晶格失配材料体系中，存在着发生相分离的组分范围，其中In原子，Ga原子，和Al原子不均匀地分布在所述层中。相分离的结果是InGaN层中的In原子，Ga原子，和Al原子将不根据各组成层中的原子摩尔份数进行均匀地分布。这意味着，包括相分离的任何层的带隙能量分布也将变得不均匀。相分离部分的带隙区不成比例地起光学吸收中心的作用，或者使波导的光线产生光学散射。如上所述，解决这些问题的典型的现有技术的办法是增加驱动电流，因此将降低半导体装置的寿命。利用GaN材料体系获得低缺陷密度激光二极管的另一常规方法是在包复层中只使用GaN。然而，这种方法有这样的缺点在活性层中的光学限制将低于利用AlGaN包复层，这是因为在活性层和GaN包复层之间的折射率跃变小于如果在包复层中使用AlGaN时的折射率跃变。因此，光场在横向分布。在活性层中的光学限制需要增加的临阈电流，以得到相同的亮度。此外，对于GaN包复层，其势垒小于AlGaN包复层的势垒；这使得载流子能轻易地溢出活性层，将再次使临阈电流增加。因此，当操作电流增加时，将使可靠性，以及统计学上的寿命下降。因此，尽管所述包复层将产生缺陷，但AlGaN包复层仍被广泛应用。因此，长期以来，一直需要一种减少晶格缺陷并且能够用来获得激光二极管，晶体管或其它装置的半导体结构，所述结构具有低的临阈电流和长期的可靠性。专利技术概述本专利技术基本上克服了现有技术的限制并提供了具有低缺陷密度并因此改善可靠性的半导体结构。本专利技术可以用来制备除了别的装置以外还有蓝光和其它的激光二极管，异质结场效应晶体管，异质结双极性晶体管，和光电二极管。简单地说，本专利技术提供带有基材的半导体结构，其中在基材上形成第一导电型的第一包复层。然后在第一包复层上形成第一导电型的第一超晶格层，其中，所述超晶格层具有下面将进一步讨论的特性。然后，在该超晶格层上形成活性层，随后，形成第二导电型的第二超晶格层。最后，形成第二导电型的第二包复层。另外，也可以在紧接着活性层的两侧上使用传导层。电极以常规的方式形成。超晶格层各自形成包复层，所述包复层由交替三元和四元材料如AlGaN和InGaN，或InGaAlN材料以不同摩尔份数的许多层组成，每个包复层的厚度均在其临界厚度以下。在一举例性实施方案中，超晶格层可以包含约200个层对。对于超晶格，如果使用三元体系，如AlGaN和InGaN，AlGaN层将处于张应力下，而InGaN层将处于压应力下，通过使这些层交替，应力在AlGaN/InGaN层界面处被补偿，结果是，在层内具有更少的缺陷并增加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构，包括：第一导电型的基材，和包含许多第一和第二组成层对的第一超晶格层；所述第一组成层包含处于张应力下的材料，而所述第二组成层包含处于压应力下的材料；在其界面处压应力和张应力相互补偿。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：高山彻，马场考明，詹姆斯S哈里斯Jr，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]