具有内场防护有源区的半导体器件制造技术

一种半导体器件包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向晶体极性方向和层序列堆叠方向的晶轴。芯层序列由有源区形成，有源区由有源层堆叠体或复数个重复的有源层堆叠体制成。有源层堆叠体具有有源层和在有源层的至少两个相反侧上包埋有源层的载流子限制层，有源层具有与第一带隙能量相关的第一材料组成，载流子限制层具有与大于第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成。一对极化防护层被布置成与有源区相邻并且在其相反侧上包埋有源区。两个极化防护层都具有第一材料组成。

Semiconductor devices with internal field protection active area

A semiconductor device consists of a sequence of layers formed by a plural polar single crystal semiconductor material layer. The plural polar single crystal semiconductor material layer each has a crystal axis pointing to the direction of the crystal polarity and the stacking direction of the layer sequence. The core layer sequence is formed by the active region, and the active region is made of an active layer stack or a plurality of repetitive active layer stacking bodies. The active layer stack has an active layer and a carrier confinement layer that covers at least two opposite sides of the active layer. The active layer is composed of the first material associated with the first band gap energy, and the carrier confinement layer is composed of second materials with a second band gap energy above the first band gap energy. A pair of polarization protection layers are arranged to be adjacent to the active region and embedded on the opposite side. The two polarization protection layers are composed of the first material.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有内场防护有源区的半导体器件本专利技术涉及一种半导体器件。半导体材料中的极性来源于其晶体结构，并且潜在地来源于特别是由半导体异质结构中的应变晶格引起的晶格的晶格畸变。极性半导体的实例是六方晶体结构的化合物半导体(其具有沿其c方向的极性轴)和闪锌矿结构的化合物半导体(其具有沿其[111]方向的极性轴)。以下介绍将集中在六方极性半导体上作为非限制性实例。六方晶体结构的化合物半导体具有以纤锌矿结构排列的组成原子。极性半导体材料组中的一个非限制性实例是六方晶体结构的化合物半导体，例如III族氮化物半导体，例如GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN或InGaAlN。在本文中，他们也被简称为III族氮化物和氮化物半导体。III族原子和氮原子排列在相应的六方次晶格中。这样的材料的延伸晶胞是六方的，并且具有与晶格的c方向平行的极性晶轴，其被称为c轴。c轴指向与六方晶格的(0001)面垂直的方向。(0001)面被称为C面。由于六方晶体结构，III族氮化物半导体材料的C面可以以两种不同配置中之一终止。第一种配置被称为III族面(或者根据材料为Ga面、Al面)，并且具有与朝向表面的三个III族原子结合的氮(N)原子。其也被称为III极性配置。第二种配置，被称为N面，并且具有与朝向表面的单个III族原子结合的相应氮原子。其也被称为N极性配置。这两种配置不应与表面终止模式(modesofsurfacetermination)混淆。两种配置都可以在具有III族原子或氮原子的表面上终止。六方氮化物半导体材料具有沿c轴的强的电极化场。这样的自发极化场甚至存在于松弛层中。在不同材料组成的层之间的界面处的电极化的不连续导致巨大的电场，已知这对器件性能的特性产生强烈影响。在异质外延层中通过应变晶格产生另外的极化。特别地，数MV/cm范围内的强电场是显著的能带弯曲效应的原因，并且是量子限制结构(例如量子阱、量子线和量子点)中电子和空穴的波函数的空间分离的原因。电子和空穴的波函数的交叠减少是基于氮化物半导体的半导体发光器件中发光效率降低的原因。此外，与所谓的平带情况(其中不存在电场)相比，能带弯曲和所导致的电子和空穴的空间分离导致发光的红移。DE19953839A1涉及克服六方氮化物半导体材料具有的沿c轴的强电极化场的这种缺点。DE19953839A1提出的方案是生长具有六方晶体结构的氮化物半导体材料使得六方晶体结构的c轴平行于基底表面取向。该概念需要使用在半导体技术中不常用的“外来”基底材料。根据本专利技术，提供了一种半导体器件。半导体器件包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向与晶体极性方向和层序列堆叠方向一致的方向的晶轴。层序列由芯层序列和沿堆叠方向在芯层序列的相反侧上的壳层形成。芯层序列由以下构成：-有源区，有源区由有源层堆叠体或复数个重复的有源层堆叠体制成，有源层堆叠体由具有与第一带隙能量相关的第一材料组成的有源层和载流子限制层形成，载流子限制层在有源层的至少两个相反侧上包埋该有源层并且具有与大于第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成，其中有源层和载流子限制层被配置成在一个、两个或三个空间维度上实现对有源层中的电荷载流子的量子限制；以及-一对极化防护层，极化防护层相邻于有源区并且在有源区的相反侧上包埋有源区，两个极化防护层中都具有第一材料组成。本专利技术的半导体器件由极性单晶半导体材料层的层序列制成，极性单晶半导体材料层各自具有指向与晶体极性方向和层序列堆叠方向一致的方向的晶轴。换句话说，与DE19953839中提出的方案对比，晶轴指向与半导体材料层的方向垂直的方向。在半导体器件的不同实施方案中，本专利技术的半导体器件仍然允许实现有源层中电极化场减小或完全被屏蔽的优点。这通过所提出的特定层序列来实现，其包括专门的极化防护层。极化防护层实现了有源层中电极化场的部分或完全屏蔽，因为他们由与有源层的材料相同的材料制成。在不存在极化防护层的情况下，这样的电极化场的一部分通过在具有不同材料组成的极性半导体材料层之间的界面处的电极化的不连续性产生(也被称为自发极化)，另一部分通过由不同材料组成的半导体材料层诱导的晶格应变产生(也被称为压电极化)。然而，由于形成层序列的芯层序列的不同层的材料组成的序列的特定设计，有源层被屏蔽不受这样的极化场影响。为此，本专利技术的半导体器件也被称为内部场防护有源区器件(internalfieldguardedactiveregiondevice，IFGARD)。特别地，为了实现有源层中电极化场的部分或完全屏蔽，就由半导体器件的芯层序列表示的材料组成的序列而言，层序列至少在芯层序列中实施特定的对称，其可以被描述为镜像对称。在具有镜像对称的这种芯层序列中，半导体器件的全部有源区对应于镜面。极化防护层在有源区的两个相反侧上包埋有源区并且与有源区中的有源层具有相同的材料组成。极化防护层因此是层序列中最靠近有源区的层。因此，所述对称至少延伸至芯层序列。在应用于生长由氮化物半导体材料制成的半导体器件时，与通过DE19953839A1已知的用于避免在堆叠方向上的电极化场的概念相比，本专利技术的半导体器件需要更少的处理工作。因为其允许自然生长模式，其中层序列的堆叠方向与c轴平行。此外，本专利技术的半导体器件允许制造宽得多的范围的器件结构。例如，已确立的技术(例如氮化物半导体材料的量子线或量子点结构的自组织生长)是可用的，然而他们不能在DE19953839A1的生长概念下应用而不产生不期望的电极化场。以下，将描述本专利技术的半导体器件的一些实施方案。在半导体器件的一些实施方案中，有源区的期望应用功能基于层序列的这样的层设计，其在施加合适量的工作电压和极性下允许电流流动穿过至少部分的壳层序列和芯层序列。特别地，在施加工作电压下，这样的实施方案的层序列被配置成允许壳层序列和芯层序列之间的电荷载流子的流以及允许在极化防护层和一个或更多个重复的有源层堆叠体之间的电荷载流子穿过与极化防护层相邻的载流子限制层的隧穿输运。电流流动例如可以用于用以驱动发射有源区中的电磁辐射(LED、激光器、非经典发光器(例如单光子发射器和/或纠缠光子发射器))或用以感测有源区中的电磁辐射(检测器)的不同应用环境中，或者用于切换电流的环境(二极管、晶体管)中。半导体器件的另一些实施方案利用在半导体器件的有源区中产生电荷载流子的其他方式。例如可采用电荷载流子的光学激发或电子束激发。这样的实例提供了选择与极化防护层相邻的更高厚度的载流子限制层的自由，因为不需要穿过这些载流子限制层的隧穿输运。在光学或光电子应用的情况下，本专利技术的半导体器件的优点特别涉及实现了量子限制的电子和空穴的波函数之间的空间交叠的增加。极化防护层实现了有源层中下导带边缘和上价带边缘中另外可观察到的极化诱导的梯度分布(gradientprofile)的减小或完全屏蔽。所达到的效果可以被描述为在整个有源层上的“平带”情况。换句话说，下导带边缘和上价带边缘在整个有源层上沿c方向(堆叠方向)具有相同的相应能级。这导致光学跃迁的可能性增加，因此与不使用根据本专利技术的极化防护层和特定镜像对称的半导体器件相比，发光或光吸收的内部量子效率显著增加。无论在发光还是在光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向与晶体极性方向和所述层序列的堆叠方向一致的方向的晶轴；其中，‑所述层序列由芯层序列和在所述芯层序列的沿所述堆叠方向的相反(各)侧上的壳层序列形成；其中所述芯层序列由以下形成：‑有源区，所述有源区由有源层堆叠体或复数个重复的所述有源层堆叠体制成，所述有源层堆叠体由有源层和载流子限制层形成，所述有源层具有与第一带隙能量相关的第一材料组成，所述载流子限制层在所述有源层的至少两个相反侧上包埋所述有源层并且具有与大于所述第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成，其中所述有源层和所述载流子限制层被配置成在一个、两个或三个空间维度上实现所述有源层中的电荷载流子的量子限制；以及‑一对极化防护层，所述极化防护层相邻于所述有源区并且在所述有源区的相反(各)侧上包埋所述有源区，两个极化防护层均具有第一材料组成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.10 DE 102015217330.51.一种半导体器件，包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向与晶体极性方向和所述层序列的堆叠方向一致的方向的晶轴；其中，-所述层序列由芯层序列和在所述芯层序列的沿所述堆叠方向的相反(各)侧上的壳层序列形成；其中所述芯层序列由以下形成：-有源区，所述有源区由有源层堆叠体或复数个重复的所述有源层堆叠体制成，所述有源层堆叠体由有源层和载流子限制层形成，所述有源层具有与第一带隙能量相关的第一材料组成，所述载流子限制层在所述有源层的至少两个相反侧上包埋所述有源层并且具有与大于所述第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成，其中所述有源层和所述载流子限制层被配置成在一个、两个或三个空间维度上实现所述有源层中的电荷载流子的量子限制；以及-一对极化防护层，所述极化防护层相邻于所述有源区并且在所述有源区的相反(各)侧上包埋所述有源区，两个极化防护层均具有第一材料组成。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第二材料组成和所述载流子限制层的厚度被选择成在施加工作电压时允许所述电荷载流子在所述极化防护层与所述载流子限制层之间的隧穿输运。3.根据前述权利要求中的至少一项所述的半导体器件，其中有源层的厚度为至少两个单层。4.根据前述权利要求中的至少一项所述的半导体器件，其中所述有源层的厚度小于25纳米。5.根据前述权利要求中的至少一项所述的半导体器件，其中所述极化防护层的厚度为至少一个单层。6.根据前述权利要求中的至少一项所述的半导体器件，所述极化防护层的厚度适用于完全屏蔽所述有源层中的电极化场。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德·帕恩，戈登·卡尔森，阿克塞尔·霍夫曼，
申请(专利权)人：柏林工业大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE