CN1013536B - 半导体异质结构 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件，由生长在含有60-65%锗的，(100)取向的SiGe衬底上的，硅和锗交替的单层短周期超晶格组成、硅单层是M单层厚，而锗层是N单层厚，其中M＝2(2m+1)，取m＝0、1或2(优选为0)，而N＝2(2n+1)，n＝1、2、3、4、5、6等。本发明公开了“非均匀的超晶格”，其中连续的Ge层具有厚度N1、N2、N3等(选自上述N值)。
Description
本发明涉及半导体异质结构，其中包含交替的多组硅层与锗层（或硅锗合金），至少有一组层足够地薄，而处于弹性形变状态，致使限定一个相关的短周期超晶格。本发明特别地，但不是专门地，涉及这类适用作光发射器件的准直接带隙异质结构器件。
超晶格结构，也就是，异质结构器件是由有不同带隙的共用一个共同的晶格结构的交替的多层材料组成，这些已为众所周知，并用之于工艺中。由交替多层组成的材料，实际上具有不同的晶格参数，不可避免地会出现两种情况中的一种，或者在各层的界面产生位错，或者（当，仅当一组层足够薄时）多层中的一组或二组可以存在永久的弹性形变状态。
在铝镓砷系统中，交替各层间的失配实质上不存在，然而这并非使用硅和锗时的情况，在此场合，失配大约是4%。在通常的（长周期）超晶格情况下，这会导致出现很多位错，而且因为位错做为（进一步产生）复合中心，这样的超晶格对于很多的应用是无益的，因此，人们对超薄硅/锗超晶格应用的可能性怀有浓厚的兴趣，并且在理论上探讨这些已经十多年了。由于必须制作出能保持弹性形变的各层，然而仅仅在最近，制造技术才许可淀积如此精细的薄层（一般由1到30个单原子层构成）。此外，迄今为止这样的超晶格精细结构还难以表征，换句话说，制做如此的一种结构，并阐述此结构是什么，那常常是不可能的。
早期的理论又忽略了有关胁变对形变了的各层电子能带结构的决定性影响。
于是出现了几种这样结构应当怎样工作的不同理论模型，但由于实验数据不是一般可得到的，这种理论就很少具有实际指导价值。此外，由于采用的模型性质，甚至一个给定结构的理论预期特性，可能要花费几天的计算时间，并对计算机硬件有苛刻的要求。现在我们已经发现了一种可能实现的新的异质结构器的判断标准。
按照本发明提供的半导体器件，包含不同组分的第一材料与第二种材料的交替层的短周期超晶格，其中Si/Ge系统外延生在（100）取向的衬底上，第一材料层比第二材料层实质上含有较多的硅，这些第一材料层是M单层厚，第二材料层是N单层厚，且M小于N。
最好，第一层材料为硅，第二层材料为锗。
优选M＝2（2m+1）+X，而N＝2（2n+1）-X，其中X＝0或1，m＝0，1或2，而且n是整数，在一个特定的优选实施例中，M＝2和N＝6。
另外一种，M＝3，N＝（4n+1），其中n是大于1的整数。
在一个实施例中，衬底也是器件衬底。
另一种，衬底是外延在器件衬底上的过渡层。衬底实际上可包括CaAs或Si1-xGex，其中0.5＜x＜1，而优选为0.6＜x＜1。在后一种实施例中，M∶N的比率，近似于衬底中硅与锗的比率。至少某些连续的第二种材料层中的N值不必相同。
按照本发明的一种情况，本发明提供的器件能在一由各层定向的共平面中发射光。
虽然体硅和体锗在整体上是间接带隙材料，但SiGe超晶格却是具有用作器件优质光发射结构的准直接带隙材料（即，它们的光矩阵元-
在几个数量级范围内-可以接近于直接带隙材料的那些光矩阵元）。
按照本发明的另一种情况，有一种如上面所述的光发射器件。
这种结构与现有的，以硅为基础的超大规模集成电路（VLSI）工艺有着良好的兼容性，以及可能有比GaAs系统成本为低的优点。
按照本发明器件的结构，结合某些基本的理论概念，参照下述附图现将加以描述，其中：
图1表示体硅和体锗在（001）方向的晶格结构。
图2概略地表示一个短周期Si/Ge超晶格结构。
图3概略地表示按照本发明一个方面所述的超晶格结构。
参考图1，硅和锗两者都形成金刚石型立方晶格。当沿着立方体的（001）方向观察时，可以认为每一单元晶格由间距为a/4的四个原子单层所组成，其中a是晶格参数。
因为，对于硅，a是5.43
;对于锗，a是5.65
，于是，在两个晶格之间大约有4%的失配，因而在一个短周期超晶格中，必须通过一组或二组层，以弹性形变方式加以调节。
参考图2，一个实际的短周期超晶格器件，包括一个（001）取向的衬底1，具有交替的第一种材料的外延层（所示为硅），M个单层厚（2a、2b、2c等）以及第二种材料的外延层（所示为锗），N个单层厚（3a、3b、3c等），在以往的申请中，衬底一般用硅，具N等于M。
利用MBE优选地制造这种器件，例如，在“Silicon Molecular Beam Epitaxy，1984-1986”，J.C.Bean，J.Crystal Growth，81，411（1987）中已描述了上述情况。
衬底，或过渡层，层1的第一个作用是规定弹性形变的分布。如果过渡层是锗，会迫使相邻的硅层2a及后续的2b、2c在（100）和（010）方向取体锗的晶格常数，而锗层3a、3b、3c是非形变的。如果衬底是硅，反过来也是正确的，而且一种SiGe衬底，在锗与硅之间会引起一个形变的分布（当然，使用一种纯净的衬底，特别是纯硅，这就是先有工艺给出的方法，那是非常简单和便宜的）。沿超晶格轴（（001）方向）的晶格间距有一个很好的近似，由各自的硅和锗体晶格的胁变扰动简单地加以确定。
通过过渡层的组份，也可对沿能够制造出来的器件的超晶格（001）轴的最大尺寸施加限制。如果过渡层中硅和锗的相对比例，等于超晶格的相对比例（即，M与N的比例），那么，我们就获得了（在硅与锗之间）形变为对称的分布，而且可把器件增大到任何所需的尺寸。如果形变不是对称分布的（当然，如在纯硅或纯锗为过渡层时的情况），那就只有由少数连续层构成的相当短的超晶格区才可能出现。
我们也已经实现，在使用这样表示的高浓度锗过渡层的场合，可以取代GaAs过渡层（因a＝5.65
）。
这类形变的作用在于降低做为整个晶格的对称性（它不再是立方的），因而引起其他简并态的分裂，而改变光学选择规则。而且，本征超晶格结构通过动量扰动可以出现新的光学跃迁。依据自旋轨道耦合的原子局部赝势经验理论，我们找到了SiGe超晶格的好模型。
为使器件显示出良好的光学特性，其第一要求是：对于低能交迭带隙跃迁的跃迁机率应高（例如与GaAs的直接带隙中心跃迁相比较），我们发现在P（相应的跃迁机率，定义为Log10｜L｜2，其中L是光
学偶极子矩阵元）与M值（硅层的单层厚度）之间有规则的相互关系;对于一个给定的N值（锗层的厚度），P在M＝2、6、10…，换句话说，M＝2（2m+1），其中m＝0、1、2等有最大值。我们进一步发现，对于M＝2，达到最高的跃迁机率，因此，就是本发明的优选特征。
我们还发现，N遵循一个类似的“选择原理”，N的值是N＝2（2N+1），这里n＝1、2、3…，和N<>M。N的值给出（Ⅰ）一个高跃迁机率，和（Ⅱ）在超晶格中布里渊区中心处的超晶格导带中存在一个球形的最小值。
本发明优选的实施例，其中这些判据是，2∶6、2∶10、2∶14、2∶18以及2∶22结构（这些都证实具有良好的光学性能），依据下文讨论的理由，乃至2∶26等结构也在本发明的范围中。
超晶格结构引起“区域折叠”，即，当以动量态（K）空间表达时，靠近体布里渊区边界图的状态返回到布里渊区中心。根据折叠，这可能导致离心态，出现较低能级，而因此是一种间接带隙材料。然而，我们发现，过渡层1的组份，在决定折叠区这方面起决定性作用;特别是过渡层含有约比20%锗为多的情况下，这些超晶格可能变成准直接的带隙，因此适合用于光发射。过渡层在决定光跃迁机率方面虽不起关键作用，但是它却改变跃迁能量（因此，就是能发射光波波长）。
过渡层（或衬底）1的组份也影响超晶格能带结构的其他方面。就硅过渡层（或衬底）来说，只有锗层处于四方晶的畸变之下，而上层的Ge体区中心价态是mJ＝3/2态。对Ge过渡层来说，则只有Si层处于四方晶的畸变下，而上层的Si体区中心价态为mJ＝
1/2态。因而，过渡层组份的改变，会导致Si或Ge层能带结构起显著改变。按照本发明的结构，对于所有的SiGe过渡层组份来说，有效的类重空穴势垒保持不变，但是从Si过渡层变到Ge过渡层时，有效的类轻空穴（严格地说，轻空穴/类分裂）势垒降低了（从约0.7ev降到0.3ev）。有效类轻空穴势垒的显著降低，此与区域中心体价态的相对位置有关，将迫使mJ＝1/2区域中心超晶格态进入抗交迭mJ＝3/2态，或者，至少在两态之间出现显著的扰动-即在高Ge浓度（超过60%，但与超晶格M∶N的比率有关）下出现的。
这种交迭本身说明光学特性在改变中;例如，在一种4∶4结构中，用于V2-C5跃迁的正方矩阵元，具有（001）极化，交迭后一般约降低三个数量级。这是一种随着过渡层中Ge浓度的增加，在态V2波函数中类Pz分量减小了的反映。基于Si过渡层，从（110）变到（001）极化，对于V1-C5跃迁的矩阵元的值，相应的下降是极少的，这又是超晶格中出现强烈轻-重空穴扰动的一个反映。
这里描述的抗交迭，通常发生在SiGe超晶格里;对于一个固定周期，随着M∶N（Si与Ge层宽度之比）提高，空穴态间交扰的Ge浓度也降低了。
这样的“空穴倒转”，对光电器件设计者来说，有重大的意义。发光的地方，通常只发射TE模，为（110）极化，而且这种发射发生在沿超晶格轴方向。然而，如果器件制作在一个相当高Ge浓度（约60%）的过渡层（或衬底）上，以致显示出“空穴倒转”，或最高价态之间显出显著扰动，就会以TE与TM模两者一起发射光-
换句话说，横对超晶格轴也能发射光。很清楚，这可以有许多器件应用，并给设计者带来很大的灵活性，例如，容许侧向（与衬底平行）耦合到另外的光电器件。
我们还发现，不常需使连续的Si或Ge层一定有一个相等的厚度。参考图3，在本发明优选的实施例中，其中M＝2，且N选自组6、10、14、18…中。有可能制造（2：N1、2：N2、2：N3、2：N4…）类型的“非均匀的”超晶格结构，其中N1、N2、N3等不必完全不同，而且这些也会是准直接带隙的。显然，有成千上万这样的结构可资运用，给器件工程师在改善电子特性方面以莫大的自由天地。
通过制作一系列的超晶格区SL1、SL2、SL3…（其中，SL1等是各短周期超晶格，沿超晶格轴限定的范围），一层上面挨着另一层（或实际上正交于），就可以生产出不同种类的器件。这些超晶格SL1、SL2等是被中间的过渡层隔开的，它也不必有完全相同的组份。
按照本发明制造器件的方法，现在将简短地加以描述。通常，例如，如果这种器件和其他的器件都形成在一共同的衬底上，那末用硅（或锗）做衬底，那是合宜的。在这种衬底上，通过任何合适的淀积工艺，外延生长形成所希望的SiGe组份的过渡层。因为过渡层在优选的实施例中，不会具有与衬底相同的晶格参数，它既会（如果相对于它的合成物超过临界厚度）被“松弛”，即在它和衬底交界面处具有位错，或者也可（如果低于临界厚度）具有弹性形变。在过渡层衬底界面处很难陷住位错，这就是通常宁取生长一比临界厚度（大约100到几千埃）为小的形变过渡层的缘故-即一种用现有技术容易
达到的厚度。此后，使用分子束外延（MBE）连续生长硅和锗层，凝聚在过渡层上。
当然，利用MBE的制造办法是不可能生产出完美的单层来;参考上述情况，单层及其层的厚度，应理解为，包含有近似，又能达到预定的技术效果之意。
事实上，我们预测，某一3：N结构（N＝2（2n+1）），当固有的准直接带隙比2：N结构小时，也是充分准直接带隙的，可用作光发射器件。这个N值将近似于上述给出的那些值，在超晶格布里渊区，导带态向上弥散（或，总之，决不是明显地向下弥散）-特别是3∶5、3∶9、3∶17、3∶21等是准直接的带隙（为了匀称，应注意到N＝2（2n+1）-1＝4n+1）。
而且，应该懂得，虽然以Si和Ge描述交替的各层，实际上，使用于多层中的一组或二组的SiGe合金（假如从一层到另一层的合金组份相当不同）也可以实现一种超晶格-尽管这需要更复杂的工艺技术。本发明因此扩大到包含交替的SiGe合金，以及纯Si和Ge。
虽然本发明主要在于直接提供超晶格，该超晶格是足够地准直接带隙的，起光发射光电器件的作用，这也应理解为，包括器件适于用作，例如，光检测器（可能是间接带隙的）。
Claims (25)
1、一种半导体器件，包含由不同组分的第一和第二种材料的交替层的短周期超晶格，其中Si/Ge系统外延生长在(100)取向的衬底上，该第一材料层是M单层厚，第二材料层是N单层厚，且第一材料层比第二材料层实质上含有较多的硅，其特征在于M小于N。
2、按权利要求1所述的半导体器件，其中第一种材料是硅，而第二种材料是锗。
3、按权利要求1所述的器件，其特征在于其中：
M＝2（2m+1）+x，而N＝2（2n+1）-x，这里x＝0或1，m＝0、1或2，并且n是一整数。
4、按权利要求3所述的器件，其特征在于其中N＝6。
5、按权利要求3所述的半导体器件，其特征在于其中，0＜n＜6。
6、按权利要求3所述的半导体器件，其特征在于其中，0＜n＜5。
7、按权利要求3所述的半导体器件，其特征在于其中n处于6到10的范围内。
8、按权利要求3所述的器件，其特征在于其中M＝3，而N＝（4n+1），这里n是大于1的整数。
9、按前述权利要求1-7中任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于其中M＝2。
10、按权利要求1所述的半导体器件，其特征在于其中衬底是器件衬底。
11、按权利要求1所述的半导体器件，其特征在于其中衬底是在该器件衬底上外延形成的过渡层。
12、按权利要求10所述的半导体器件，其特征在于其中衬底基本上由GaAs组成。
13、按权利要求11所述的半导体器件，其特征在于其中衬底基本上由GaAs组成。
14、按照权利要求11所述的半导体器件，其特征在于其中衬底基本上由Si1-xGex组成，这里0.5＜x＜1。
15、按照权利要求11所述的半导体器件，其特征在于其中衬底基本上由Si1-xGex组成，这里0.6＜x＜1。
16、按照权利要求11所述的半导体器件，其特征在于其中的衬底基本上由Si1-xGex组成，式中0.5＜x＜1，且M∶N的比率近似于衬底中硅与锗的比率。
17、按照任一权利要求1-8、10、11、14或15中所述的半导体器件，其特征在于至少三个连续的第二种材料层的N值是不相等的。
18、按照任一权利要求1、7、10、11、14或15中所述的半导体器件，其特征在于M＝2，且至少三个连续的第二种材料层的N值是不相等的。
19、按照任一权利要求1-8、10、11、14或15中的半导体器件，其特征在于其中的超晶格具有一准直接能隙。
20、按照任一权利要求1-7、10、11、14或15中的半导体器件，其特征在于M＝2，且其中的超晶格具有一准直接带隙。
21、按照权利要求19所述的半导体器件，其特征在于该器件是一个光发射器件。
22、按照权利要求20所述的半导体器件，其特征在于该器件是一个光发射器件。
23、按照权利要求22所述的半导体器件，其特征在于能在一由各层定向的共平面中发射光。
24、按照任一权利要求1-7、10、11、14或15中所述的半导体器件，其特征在于它可以配置成一个光检测器。
25、按照任一前述权利要求1-7、10、11、14或15中所述的半导体器件，其特征在于，当配置成一光电检测器时，其中的M＝2。
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