半導體器件中減少氧化引入缺陷的應變補償結構的製作方法
2023-07-13 09:11:06
專利名稱：半導體器件中減少氧化引入缺陷的應變補償結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件，更具體地涉及一種具有應變補償結構的半導體器件。
背景技術：
許多基於半導體的器件(諸如專用集成電路(ASIC))、電晶體以及發光器件(諸如雷射器)採用氧化材料層作為它們結構的一部分。例如，垂直腔面發射雷射器(VCSEL)可以包括氧化半導體層，以提供光學和/或電流約束。ASIC可以包括氧化物層，以在器件內提供電隔離。
基於半導體發光器件(諸如VCSL)是通過在襯底上方外延生長半導體材料層而形成的。在VCSL中，氧化物層可以通過氧化半導體材料層而形成，其中半導體材料層包括相當大數量易氧化的元素。例如，鋁(Al)是經常加到半導體層以促進含鋁層氧化的元素。一般地，為了形成氧化鋁層，生長含鋁半導體層，然後在氧化環境(諸如高水蒸汽含量的環境)中加熱。氧化環境氧化具有相當大鋁含量的任何材料的暴露區域。
當含鋁層開始作為半導體材料層生長時，相對於在其上生長含鋁層的襯底而言，含鋁層一般地是晶格匹配或者假晶地(pseudomorphically)生長。就外延半導體層生長來說，假晶生長是指這樣的半導體材料層，其發生壓應變或拉應變，使得其晶格參數與襯底材料的晶格參數一致。無論含鋁層是與襯底晶格匹配地生長還是假晶地生長，含鋁層的晶格參數在該層氧化後將變化。不幸地，含鋁層的晶格參數在氧化後的這種變化引起該層相對於襯底和相鄰層發生應變。發生應變是因為半導體層之間的晶格參數中的差。應變引起在氧化的層中形成點缺陷以及其他晶格變形。這些缺陷可以遷移到晶體結構中。例如，在VCSEL的情況下，氧化的層中由應變引起的缺陷可以遷移到形成VCSEL的有源區的材料層中，由此使VCSEL的光學性能退化。此外，如在VCSEL情況中一樣，當發光器件受到電偏壓時，這些缺陷以更快的速率遷移。
因此，希望減少氧化半導體層時引起的缺陷。
發明內容
本發明提供一種用於氧化的半導體層的應變補償結構。應變補償結構包括與氧化物形成層相鄰的應變補償結構。應變補償結構補償由於至少部分氧化物形成層的氧化引起的晶格參數中的變化。
本發明還提供一種發光器件，該發光器件包括被構造成響應於注入電荷產生光的有源區以及被定位成引導電荷至有源區中的電流限制結構。電流限制結構包括與氧化物形成層相鄰的應變補償層。
本發明另外還提供一種作應變補償結構的方法，其包括提供襯底，在襯底上方形成第一半導體材料的應變補償層，在襯底上方形成與應變補償層並置的第二半導體材料的氧化物形成層，以及氧化至少部分氧化物形成層。
參照附圖可以更好的理解本發明。圖中部件不一定要按比例繪製，而是將重點放置在清楚圖示本發明的原理。此外，在圖中，類似的標號在全部的這幾個示圖中指示相對應的部件。
圖1是應變補償結構的示意性側視圖。
圖2是根據本發明的垂直腔表面發射結構的示意性側視圖。
圖3是圖示根據本發明用於製作應變補償結構的方法的流程圖。
圖4是圖示根據本發明用於發光的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了包括應變補償結構112的半導體器件100的示例的側視圖。應變補償結構112包括應變補償層104和氧化物形成層106，其中氧化物形成層106與應變補償層104相鄰，並形成於襯底102上方。應變補償結構112可以選擇性地包括與氧化物形成層106相鄰的額外應變補償層108。可以使用許多不同半導體材料形成應變補償層104和氧化物形成層106。在圖1中圖示的半導體器件100中，襯底102的半導體材料是砷化鎵(GaAs)，應變補償層104的半導體材料是磷化銦鎵(GaInP)，而氧化物形成層106的半導體材料是具有高鋁百分率的鋁砷化稼(AlGaAs)。層104和106的厚度應該足夠小，因而不會超過臨界厚度。臨界厚度是由於材料晶格參數失配而開始形成晶格缺陷時的厚度。
所形成的應變補償層104相對於襯底102和氧化物形成層106具有晶格失配，即在受壓或受拉方向上發生應變。至少部分氧化物形成層106氧化引起晶格參數變化而引發的應變，能夠由應變補償層104中的晶格失配補償。通過認真選擇應變補償層104的材料成分，成品半導體器件100中的最終應變被設計成為由至少部分氧化物形成層106氧化所引起的最小缺陷。例如，應變補償層104可以按著沿著受壓或受拉的狀態形成，以補償由至少部分氧化物形成層106的氧化而在器件100中所引起的應變。
由III族亞晶格的48％銦和52％鎵的GaInP形成的應變補償層104與GaAs襯底102晶格匹配。如果應變補償層104中銦的量增加到例如約50％，而鎵的量減少到例如約50％，則GaInP的晶格常數變得比GaAs的晶格常數大。這樣的成分將具有50％銦的應變補償層104置於壓應變狀態下。類似地，具有例如大於約52％的鎵百分率和例如小於約48％的銦百分率並生長於GaAs襯底上的應變補償層104將被置於拉應變狀態下。通過控制形成GaInP應變補償層104的銦和鎵的相對量，可以控制應變類型和程度。如此可以補償由至少部分氧化物形成層106的氧化所引起的應變。
發生應變的層通常可以阻止點缺陷的遷移。因此，應變補償層104又可以抑制由於氧化至少部分氧化物形成層106而可能發生的點缺陷遷移到半導體器件100的其它層中。如此，點缺陷可以被限制到應變補償層104，並被阻止遷移到半導體器件100中的活性光產生部分(未示出)。
可以形成額外應變補償層108，以進一步地控制成品器件100中的應變。此外，雖然圖1中圖示的應變補償層104是在生長氧化物形成層106之前生長，但是層104和106可以以相反次序生長。生長的次序取決於最終器件中所希望的特性。取決於生長應變補償層104和108以及氧化物形成層106的材料，應變補償層104和氧化物形成層106之間的界面110將具有與氧化物形成層106和應變形成層108之間界面114的特性不同的特性。在形成氧化物形成層106之前形成應變補償層104對成品器件100的影響會不同於在形成氧化物形成層106之後形成應變補償層104。這是因為，應變補償層104和氧化物形成層106之間的界面110不同於氧化物形成層106和應變補償層108之間的界面114。
例如，當與基於磷化物的半導體層相鄰地生長基於砷化物的半導體層時，它們之間的界面在使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)進行生長時，通常都包含有一定程度地相互混合的基於砷化物材料和基於磷化物材料。不同材料的這種混合在界面處可以導致四元材料的形成。四元界面層的成分和厚度取決於基於砷化物和磷化物的半導體層的生長和轉變順序。例如，如果發生輕微應變的Ga1-XInXP(X～0.5)被用於應變補償AlXGaXAs(X＞0.8)氧化物層，則在InGaP/AlGaAs界面可以導致中間AlInGaAsP層。在AlGaAs層夾於兩個GaInP層之間的結構中，底部GaInP(生長於AlGaAs層之前)和AlGaAs層之間的界面比AlGaAs和頂部GaInP(生長於AlGaAs之後)之間的界面具有更厚的AlInGaAsP層。這個原因是GaInP在通常的MOCVD生長溫度下具有比AlGaAs較高的離解速率。結果，頂部少數單層中的部分磷原子可以由(來自上面的AlGaAs層的)砷原子取代，這傾向於和In和Ga原子形成更穩定和更強的鍵。
現在將參考圖2描述包括本發明應變補償結構的示例性發光器件。圖2中所示的發光器件是VCSEL。然而，其它發光器件和非發光器件可以包括應變補償結構。VCSEL包括夾於垂直堆疊鏡(通常稱作分布式布拉格反射器(DBR)或布拉格鏡)之間的有源區。有源區通常包括生成光的量子阱。量子阱包括帶隙能量不同的半導體材料薄層。為了獲得必需的反射率，構成每個DBR的半導體或電介質層的數量可以是非常大的。VCSEL通過這些鏡中反射率小於其他鏡的一個鏡，將有源區中生成的光發射出去。從半導體表面上直接位於有源區之上或之下的一個較小的區域，光從VCSEL輸出。
圖2是VCSEL 200的示意性側視圖，其包括依次外延生長於襯底220上的襯底側分布式布拉格反射器(DBR)230、有源層212和遠側DBR232組成。在一個實施例中，遠側DBR232包括應變補償結構112，並且襯底的半導體材料是單晶砷化鎵。作為另外的方案，圖2中示出的結構可以在改變磷化銦(InP)襯底上某些層的材料的情況下生長。此外，作為另外的方案或者補充，應變補償結構112可以位於遠側DBR 232中。
每個DBR 230和232都包括若干層對。每個層對都包括高折射率材料層和低折射率材料層。這些層的材料在有源區212中生成的光的波長處是光學透明的。圖中示出了更高折射率材料的示例層234和更低折射率材料層236構成了襯底側DBR230的示例層對。每一層的厚度都等於該層材料中有源區212中生成的光的四分之一波長，即，tb＝λ/4nb，其中tb是該層的厚度，λ是有源區中生成的光的真空波長，而nb是該層材料的折射率。
在所示實施例中，DBR 230和DBR 232都由摻雜半導體材料製成，因此是導電性的。在包括非導電DBR的實施例中，這些DBR可以由電介質材料製成。還在示出的實施例中，層236的更低折射率半導體材料是鋁含量高的鋁砷化鎵，而層234的更高折射率半導體材料是鋁含量低的鋁砷化鎵。圖2中示出的層對的數量被極大地減少，以簡化圖。在工作的VCSEL中，對於有源區212生成光的波長，層對的數量足以在襯底側DBR 230和遠側DBR 232分別提供有源區大於約99％和約95％的反射率。而且，除層對之外，每個DBR還包括由低折射率材料製成的額外層。
有源層212包括夾於襯底側覆層216和遠側覆層218之間的量子阱結構214。量子阱結構214包括夾於阻擋層(未示出)之間的量子阱層，量子阱層的材料不同於相應阻擋層的材料。摻雜劑可以加到有源層的材料中，以增強微分增益。
襯底側覆層216和遠側覆層218是鋁砷化鎵(AlGaAs)層，其中，鋁百分率在約0.2到約0.8範圍內，即在AlxGa1-xAs中，～0.2≤x≤～0.8。x的通常值是約0.4。覆層加上有源區層的厚度大致是覆層的材料中量子阱結構214中生成光的一個波長，即，tc＝λ/nc，其中tc是腔(覆層加上有源層)的厚度，λ是量子阱結構中生成光的波長，而nc是包括了有腔的層的AlGaAs的有效折射率。覆層被摻雜，以具有相反的導電類型。
一般地，與摻雜n型覆層相鄰的DBR的半導體材料為摻雜n型，而與摻雜p型覆層相鄰的DBR的半導體材料為摻雜p型，即，DBR的材料與相鄰覆層具有相同的導電型。在感興趣的某些波長處，由p型材料製成的DBR具有次於由n型材料製成的DBR的自由載流子損耗特性。在這樣的結構中，可以包括隧道結結構(未示出)，以使DBR 230和232兩者的半導體材料具有彼此相同的導電型，即n型，這樣這兩種DBR都具有優秀的光學和電學特性。或者，如果n型自由載流子損耗次於p型自由載流子損耗，本情況可以反過來。
襯底側DBR230、有源區212和遠側DBR 232共同地形成光腔250，該光腔250在有源層212中生成的光的波長處是諧振的。
遠側DBR232包括氧化物形成層106，在本示例中，氧化物形成層包括高鋁含量。氧化物形成層106夾於應變補償層104和108之間，形成應變補償層112。在這個示例中，圖示了兩個應變補償層。然而，取決於器件的特性，可形成更多或更少的應變補償層。在這個示例中，每個應變補償層104和108都包括磷化銦鎵(Ga1-xInxP)，其中x～5，而氧化物形成層106包括具有高鋁含量的鋁砷化鎵(AlGaAs)。通常，x～0.96的AlxGa1-xAs用於氧化物形成層，然而，這些成分可以變化。例如，應變補償層104和108中的銦含量大致可以是0.45-0.55；而氧化物形成層106的鋁含量大致可以是0.90-0.98。此外，取決於器件設計參數，應變補償層104和108可以在受壓或受拉狀態下生長。應變補償層104和108提供補償，以抵消當氧化物形成層106被氧化以形成電流限制結構時引起的應變的影響。
在包括襯底220、襯底側DBR 230、有源層212和遠側DBR 232的層結構已經製成之後，部分遠側BDR 232和部分應變補償結構112被刻蝕掉，以形成臺面238。使用注入或底切上面層中的一層，可以在臺面238中形成額外電流限制結構。例如，離子可以被選擇性地注入到臺面238中，以減小除小部分基本中心的導電區域之外的總臺面導電性。臺面238的導電性在導電區域中保持基本不變。
在已經形成臺面238之後，VCSEL在氧化環境下(諸如具有高水蒸汽含量)被加熱。氧化環境氧化所有的AlGaAs層的暴露區域，這種氧化處理從臺面的側面沿徑向向內地進行。然而，在氧化物形成層106中的氧化過程比在其餘AlGaAs層中的氧化過程快很多。在氧化過程結束時，氧化物形成層106的重要部分被氧化，形成了圍繞導電區域248的氧化鋁的寬環形區域。氧化鋁比摻雜AlGaAs具有低得多的導電性。高鋁AlGaAs在導電區域248中保持未被氧化，使得導電區域的光學和電學性能保持基本未變。其餘的AlGaAs層僅在其周邊的窄環區域內被氧化。
由氧化物形成層的氧化所限定的導電區域(例如，248)的面積比臺面238的面積小。在VCSEL 200的操作期間，雷射電流被限制於導電區域248中。雷射電流從導電區域進入有源區212。電流的擴散相當小，使電流密度在有源區中很高。非常高的電流密度降低了VCSEL的閾值電流。
VCSEL 200的所有層都在熱力學穩定條件下生長，並且相互晶格匹配。這個狀態是指熱力學平衡。然而，當氧化物形成層106如上所述被氧化時，氧化步驟通過改變層106的被氧化材料的晶體屬性而引起層106離開熱力學平衡狀態，並且還導致層106的被氧化材料的晶格參數相對於鄰近層的變化。層106被氧化部分的晶格參數變化引起點缺陷和晶格變形形成並遷移通過VCSEL結構。取決於組成VCSEL 200的晶體結構的不同層的成分和化學性質，點缺陷濃度具有不同的平衡值。應變補償層104和108以及應變的氧化物層的成分決定了在氧化物形成層106氧化之後的成品器件的淨應變狀態。應變補償層104和108通過減少氧化後的淨應變而減少由氧化引起發生的點缺陷的數量。應變補償層104和106使氧化物形成層106遭受到應變，這樣，與沒有應變補償層104和108的情況相比，氧化物層在其形成之後處於應變更小的狀態下。結果，應變補償層104和108減少了由氧化引起的點缺陷的數量，還限制了所產生的那些點缺陷的遷移。
為了製作頂部發射器件，由至少一層金屬組成的襯底側接觸層240通過刻蝕臺面而沉積於襯底220的表面上或襯底側DBR 230的頂部上。遠側接觸層242沉積於遠側DBR 232的暴露表面上，並被圖案化，以限定光出口244。光出口244在徑向上與導電區域248對齊。遠側接觸層244由至少一層金屬組成，並可以還包括至少一層具有高摻雜濃度的p型半導體材料，以減少金屬層和遠側DBR 232之間的接觸阻抗。如前面所提及的，VCSEL可以製成n型在頂部，而p型在底部。此外，光出口可以製成在底部接觸層240，以製作底部發射器件。或者，在刻蝕臺面之後，可以在底部DBR 230的頂部上形成金屬，以消除對光開口的需要，因為在這樣的構造中，金屬不再位於光路中。
現在將在下文參考圖3和4來描述根據本發明用於製作應變補償結構和用於產生光的方法。在這些方法的描述中，應當理解，雖然描述了處理中的具體階段，但是其他實施方式也是可行的。此外，可以按照與示出的次序不同的次序來執行一些處理。例如，處理可以基本同時或以相反次序執行。
圖3圖示了根據本發明用於製作應變補償結構的方法300。在框302中，提供襯底。在框304中，在襯底上方形成第一半導體材料的應變補償層。這可以通過在襯底上或上方沉積第一半導體材料層來實現。
在框306中，形成與應變補償層並置的第二半導體材料的氧化物形成層。應變補償層和氧化物形成層共同形成應變補償結構。應變補償層的第一半導體材料可以是例如磷化銦鎵，而氧化物形成層的第二半導體材料可以是例如具有約0.90-0.98的高鋁含量的鋁砷化鎵。
應變補償層可以形成受壓狀態或受拉狀態的應變，以補償由於至少部分氧化物形成層的氧化而發生的晶格參數變化。
在框308中，選擇性地在氧化物形成層上方形成額外應變補償層。額外應變補償層可以使用形成第一應變補償層的第一半導體材料形成。額外應變補償層可以使用與第一應變償層相同或者不同的成分形成。
在框310中，至少部分氧化物形成層被氧化，引起氧化物形成層的晶格參數變化。(多個)應變補償層提供拉或壓應變，使得(多個)應變補償層在氧化物形成層氧化之後補償氧化物形成層的晶格參數變化並充當點缺陷的阻擋層。
圖4圖示了根據本發明用於產生光的方法400。在框402中，形成光腔。在框404中，在光腔中定位有源區。在框406中，形成應變補償結構。框406包括框408、410、412和414。在框408中，形成第一半導體材料的應變補償層。
在框410中，在應變補償層上方形成氧化物形成層。在框412中，在氧化物形成層上方形成額外應變補償層。在框414中，至少部分氧化物形成層被氧化，以形成電流限制結構。
在框416中，電流通過電流限制結構被注入到有源區，以引起有源區產生光。
本公開使用示例性實施例詳細描述了本發明。然而，應當理解，由權利要求限定的本發明並不局限於所描述的精確實施例。
權利要求
1.一種發光器件(200)，包括有源區(212)，被構造成響應注入的電荷產生光；電流限制結構(248)，被定位成引導電荷進入所述有源區域(212)中，其包括與氧化物形成層(106)相鄰的應變補償層(104)。
2.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中，所述電流限制結構(248)包括與所述氧化物形成層(106)相鄰的額外應變補償層(108)，其中，所述氧化物形成層(106)夾於應變補償層(104、108)之間。
3.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中，所述應變補償層(104)包括鎵、銦以及磷。
4.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中，所述氧化物形成層(106)包括鋁、鎵以及砷。
5.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中，所述應變補償層(104)實質上包括Ga1-xInxP，其中x≤0.5。
6.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中，所述氧化物形成層(106)實質包括AlxGa1-xAs，其中x≥0.96。
7.如權利要求1所述的發光器件(200)，其中所述應變補償層(104)實質上包括磷化銦鎵GaInP；並且所述氧化物形成層(106)實質上包括鋁砷化鎵AlGaAs。
8.如權利要求7所述的發光器件(200)，其中所述應變補償層(104)實質上包括磷化銦鎵Ga1-xInxP，其中x≤0.5；並且所述氧化物形成層(106)實質上包括鋁砷化鎵AlxGa1-xAs，其中x≥0.96。
9.如權利要求1所述的發光器件(200)，被構造成產生具有620nm和1650nm之間波長的光。
10.一種用於製作應變補償結構(112)的方法，所述方法包括提供襯底(102)(302)；在所述襯底上方形成第一半導體材料的應變補償層(104)(304)；形成與所述應變補償層(104)並置的、第二半導體材料的氧化物形成層(106)，以形成應變補償結構(112)(306)；並且氧化至少部分所述氧化物形成層(310)。
全文摘要
一種應變補償結構(112)，包括與氧化物形成層(106)相鄰的應變補償層(104)。應變補償層(104)補償由於至少部分氧化物形成層(106)氧化所引起的晶格參數的變化。
文檔編號H01L29/22GK1998116SQ200580001466
公開日2007年7月11日 申請日期2005年2月24日 優先權日2004年2月25日
發明者阿施史·唐頓, 麥可·霍華德·利裡, 麥可·賴奈·梯·泰恩, 英－蘭·昌 申請人:安捷倫科技有限公司