CN104134713A - 外延晶片及其制造方法、半导体元件和光学传感器装置 - Google Patents

外延晶片及其制造方法、半导体元件和光学传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及外延晶片及其制造方法、半导体元件和光学传感器装置。本发明的外延晶片包括由III-V族化合物半导体构成的衬底，由III-V族化合物半导体构成并且位于衬底上的多量子阱结构，和由III-V族化合物半导体构成并且位于多量子阱结构上的顶层。该衬底具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角，并且该顶层的表面具有小于10nm的均方根粗糙度。

Description

外延晶片及其制造方法、半导体元件和光学传感器装置
技术领域
本发明涉及一种外延晶片、外延晶片的制造方法、半导体元件和光学传感器装置。更具体地，本发明涉及一种包括由III-V族化合物半导体构成的并且其带隙能量对应于近红外区到远红外区的多量子阱(MQW)结构的外延晶片、该外延晶片的制造方法、半导体元件和光学传感器装置。
背景技术
由III-V族化合物构成的InP基半导体具有对应于近红外区到远红外区的带隙能量，因此进行了大量的研究以开发用于通信、夜间图像捕获等的光电二极管。例如，J.Hu等人，“Type II photoluminescenceand conduction band offsets of GaAsSb/InGaAs and GaAsSb/InPheterostructures grown by metalorganic vapor phase epitaxy”，APPLIEDPHYSICS LETTERS，Vol.73，No.19(1998)，第2799-2801页公开了一种实验，其中在InP衬底上形成包括具有不同厚度的InGaAs层的InGaAs/GaAsSb II型MQW的每个，并且使用光致发光光谱检测带隙能量的最终变化。R.Sidhu等人，“A Long-Wavelength Photodiode on InPUsing Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”，IEEEPhotodiode Technology Letters，Vol.17，No.12(2005)，第2715-2717页公开了一种光电二极管，其中在InP衬底上形成InGaAs/GaAsSb II型MQW，并且在外延层生长期间通过执行掺杂来形成p-n结，该光电二极管在1.7μm到2.7μm的波长范围中具有特性灵敏度。R.Sidhu等人，“A2.3μm Cutoff Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-MatchedGaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”，2005International Conferenceon Indium Phosphide and Related Materials，第148-151页公开了一种包括II型MQW吸收层的光电二极管，该II型MQW吸收层具有层叠为使得5nm InGaAs和5nm GaAsSb构成一对的150对，该光电二极管在1μm到3μm的波长范围内具有特性灵敏度(200K、250K和295K)。
另外，日本未审查专利申请公开No.2011-60853提出了以下技术：在包括包含作为V族元素的锑(Sb)和InP窗口层的吸收层的光电二极管中，将施主杂质结合到InP窗口层中，结果，将锑结合到InP窗口层中导致转换成p型窗口层被补偿，从而减小了暗电流。
上述光电二极管每个都设置在InP(100)衬底上。InP(100)衬底的表面自然受到诸如湿法蚀刻的典型处理，而不进一步控制InP(100)衬底的表面形貌。然而，当在衬底上形成像光电二极管的厚外延层叠体时，在沉积之后的外延层叠体的表面形貌高度地依赖于在开始沉积时由衬底形成的表面。因此，外延层叠体的结晶度会根据表面形貌而变化。也就是说，当外延层叠体的顶层的表面形貌较差时，层叠体的结晶度也会较差。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种外延晶片、外延晶片的制造方法、半导体元件和光学传感器装置，在该外延晶片中，通过精确地控制半导体衬底的偏离角等能够实现外延层叠体的良好结晶度和由于良好结晶度的结果而得到的良好表面形貌。
根据本发明的实施例的外延晶片包括由III-V族化合物半导体构成的衬底，由III-V族化合物半导体构成的且位于衬底上的多量子阱结构，和由III-V族化合物半导体构成的且位于多量子阱结构上的顶层。该衬底具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角，并且该顶层的表面具有小于10nm的均方根(RMS)粗糙度。
根据本发明，通过在开始生长外延层时精确地控制半导体衬底的偏离角，在沉积外延层叠体之后实现了良好的表面形貌，并能够提供具有良好结晶度的外延层。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的外延晶片。
图2是使用图1所示的外延晶片制造的光电二极管的截面图。
图3示出了用于测量表面的RMS值的原子力显微镜(AFM)。
图4A示出了在InGaAs/GaAsSb对的数量为50的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图4B示出了在InGaAs/GaAsSb对的数量为150的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图4C示出了在InGaAs/GaAsSb对的数量为250的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图4D示出了在InGaAs/GaAsSb对的数量为350的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图5A示出了在450℃的生长温度下生长250对InGaAs/GaAsSb的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图5B示出了在500℃的生长温度下生长250对InGaAs/GaAsSb的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图5C示出了在525℃的生长温度下生长250对InGaAs/GaAsSb的情况下在顶层的表面上形成的凸起或者凹陷。
图6是示出制造方法的流程图。
图7示出了仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备的管道系统等。
图8A示出了金属有机分子的流动和热流。
图8B是在衬底表面上的金属有机分子的示意图。
图9示出了示例中制备的每个试样的特性。
具体实施方式
首先，将描述本发明的实施例。
1.外延晶片
(1)根据本发明实施例的外延晶片包括由III-V族化合物半导体构成的衬底、由III-V族化合物半导体构成并且位于衬底上的多量子阱结构，和由III-V族化合物半导体构成并且位于多量子阱结构上的顶层。该衬底具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角。该顶层的表面具有小于10nm的均方根(RMS)粗糙度。在制造由III-V族化合物半导体构成的半导体元件时，通常使用关于(100)面的具有偏离角为0.05°到0.1°(绝对值)的衬底。换句话说，在该实施例中关于(100)面的-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角比通常使用的偏离角小得多。具有这种小偏离角的衬底可以称为正角衬底(just-angle substrate)。如上所述通常使用大的偏离角，因为考虑到偏离角等的表面能，鉴于热力学的观点，当偏离角大时，容易外延生长其它层。然而，如果不重视外延生长中的生长率等，则如同该实施例一样，偏离角在结晶度方面优选是小的。从实际的结果来看，如果关于(100)面的偏离角的绝对值大于0.030°，则不能在每个外延层中实现良好的结晶度，因为顶层表面的均方根(RMS)粗糙度会增加到10nm或更大。也难以在下面描述的顶层表面上以适当密度形成凸起或者凹陷。基于这种结果，在该实施例中关于(100)面的偏离角的绝对值为0.030°或更小。当偏离角满足上述范围时，该偏离角的方向可以是任何方向。注意，该偏离角可以用例如市售的X射线晶片面取向测量仪来测量。
(2)顶层表面的RMS值
(i)顶层表面的RMS值小于10nm，因为表面的RMS值指示内部结晶度。事实上，当使用RMS值小于10nm的外延晶片制造光电二极管时，暗电流会被抑制在低水平，反之当RMS值为10nm或更大时，暗电流会增加到不利的水平。该RMS值更优选为7.5nm或更小。
(ii)该RMS值可以通过任何仪器来测量。例如，使用市售的原子力显微镜(AFM)并且可以选择RMS测量以得到数据(平均值)。在该测量结果中，没有特别地限制测量范围(长度和宽度、面积等)，并且可以使用任何范围。例如，可以在诸如边长为10μm的正方形区域或者边长为100μm的正方形区域的测量范围中确定平均的RMS值。
(3)顶层表面的凸起或者凹陷
凸起或者凹陷中的每一个都具有约30μm或更小的直径，且通常具有约10到20μm的直径。没有详细地测量高度或者深度，但高度或者深度只有几微米或者更小，这是微不足道的。如果凸起或者凹陷显现到下面描述的程度，则没有问题，与此相反，保证了在实践水平上的结晶度。通常，外延层的结晶度会被认为是由于诸如表面粗糙化的表面缺陷以及凸起和凹陷引起的劣化。然而，根据本发明的发明人实施的研究，只要凸起或者凹陷被形成在一定程度内，内部结晶度就不会劣化。换句话说，如果凸起或者凹陷被形成在一定程度内，则当该外延晶片用于光电二极管时，暗电流保持为低，并且当该外延晶片用于发光元件时，发射强度没有减小。在该外延晶片作用于发光元件的情况下，形成凸起或者凹陷的表面图案，并且因此从有源层的发射的光不易在接触层的表面上受到全反射，并且容易从外延层叠体或者接触层的表面被发射到外部。即，容易提取光并且能够提高发射强度。
通过在相对低的生长温度下执行典型的金属有机气相外延(MOVPE)并增加源气体的分解效率，可以以高的再现性形成这种凸起或者凹陷。多量子阱结构的对的数量肯定会影响凸起或者凹陷的形成。当对的数量为25个或更大时，形成该凸起或者凹陷。当对的数量增加时，凸起或者凹陷的形成会变得更显著。关于形成凸起或者凹陷的再现性的原因是不清楚的，而只要满足对的数量和生长温度的要求，再现性似乎就为100％。当每单位面积的凸起或者凹陷的数量超过106/cm2时，密集地形成凸起或者凹陷以覆盖整个表面。这使得难以分别计算凸起或者凹陷。如果该凸起或者凹陷以这种方式覆盖整个表面，则当外延层用于光电二极管时，该内部结晶度也会劣化并且暗电流会显著增加。这表达为“使表面形貌劣化”或者“出现表面粗糙化”。当每单位面积的凸起或者凹陷的数量为106/cm2或更小时，能够计算凸起或者凹陷，并且内部结晶度为如上所述的实践水平。
短语“凸起或者凹陷”是描述表面形貌的短语(表述)。该短语不是意指区分凸起和凹陷。例如，该短语“凸起或者凹陷”不意指在某些情况下形成凸起并且在其它情况下形成凹陷。该短语“凸起或者凹陷”描述了通过用扫描电子显微镜观察表面而被容易且整体地识别为“凸起或者凹陷”的表面形貌。例如，该短语“凸起或者凹陷”可以被理解为具有以下意义：当凸起密集地形成到某种程度时，邻近凸起的部分看起来像凹陷。凸起或者凹陷中的每一个的平面形状通常为圆形形状，而有时为加长的矩形形状或者椭圆形状。在这种情况下，“短边之间的长度”或者“短轴长度”被认为是直径。该直径的下限约为5μm或更小。
(4)多量子阱结构
该多量子阱结构可以是由成对的InxGa1-xAs(0.38≤x≤0.68)和GaAs1-ySby(0.36≤y≤0.62)或者成对的Ga1-uInuNvAs1-v(0.4≤u≤0.8，0<v≤0.2)和GaAs1-ySby(0.36≤y≤0.62)构成的II型多量子阱结构。在光电二极管的情况下，由于高的感光度和低的暗电流，能够吸收具有波长为2到10μm的光，其对应于近红外线区到红外线区。在发光元件的情况下，可以提供发射具有以上波长的光的发光元件。
(5)InP顶层
在发光元件的情况下，至少设置具有宽带隙的InP层作为顶层，并且具有宽带隙的底层也被设置在底侧上，从而使该多量子阱结构可以夹在顶层和底层之间。这防止了载流子泄漏并能够促进发光二极管(LED)的发射光等。在光电二极管的情况下，积累了设置例如形成像素的电极或者绝缘膜的许多技术，并且有关系到例如平面光电二极管中的选择性扩散的大量数据。因此，能够以高生产率稳定地制造光电二极管和发光元件。
(6)平面型光电二极管
当根据本发明实施例的外延晶片用于制造平面型光电二极管时，优选在该多量子阱结构和顶层之间设置扩散浓度分布调节层。用作p型杂质的诸如锌(Zn)的杂质通过选择性扩散从顶层引入，以便在多量子阱结构中形成p-n结的情况下，如果将过高浓度的Zn引入到该多量子阱结构中，则该多量子阱结构的结晶度会劣化。因此，在顶层(窗口层)下面和在顶层与多量子阱结构之间直接设置扩散浓度分布调节层。此外，在扩散浓度分布调节层中设置过渡区，在过渡区中，从引起选择性扩散所通过的顶层延伸的高浓度部分被急剧地变成位于多量子阱结构侧的低浓度部分。该扩散浓度分布调节层优选由具有比InP的带隙窄的带隙的InGaAs等构成。然而，不需要设置该扩散浓度分布调节层。
(7)使用外延晶片的半导体元件
上述外延晶片可以用于任意的半导体元件。这种半导体元件显然包括衬底、多量子阱结构和包括在外延晶片中的顶层。该半导体元件可以用作诸如LED的上述发光元件或者上述光电二极管。当该半导体元件用作光电二极管时，也可应用以组合的方式包括光电二极管和读出电路的光学传感器装置。
2.制造外延晶片的方法
根据本发明实施例的制造外延晶片的方法包括：在由III-V族化合物半导体构成的衬底上生长由III-V族化合物半导体构成的多量子阱结构的步骤，和在该多量子阱结构上形成由III-V族化合物半导体构成的顶层的步骤。该衬底具有(100)面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角。在生长多量子阱结构的步骤中，通过金属有机气相外延(MOVPE)在400℃或更高且500℃或更低的生长温度下生长该多量子阱结构。在顶层表面上以100/cm2或更大且1×106/cm2或更小的数量密度形成凸起或者凹陷，并且该顶层表面具有小于10nm的RMS值。因此，如上所述，可以以高再现性形成包含多量子阱结构并且具有良好结晶度的外延层叠体。这里，该生长温度是用包括红外摄像机和红外光谱仪的高温计监测的衬底表面温度。因此，该生长温度是衬底表面温度，更精确地，是在该衬底上形成的外延层的表面温度。以不同方式命名的衬底温度、生长温度和沉积温度中的每一个都指示该监测的温度。
[本发明实施例的细节]
现在将参考附图描述根据本发明实施例的外延晶片等的具体示例。本发明不限于这些示例。本发明的范围通过权利要求来指示，并且包含与权利要求等价的意思和范围内的所有修改。
图1是示出根据本发明实施例的外延晶片的截面图。参考图1，外延晶片1a包括由III-V族化合物半导体构成并且位于InP衬底1上的如下外延层叠体：n型InGaAs缓冲层2/包括InGaAs/GaAsSb II型MQW的吸收层3/InGaAs扩散浓度分布调节层4/p型InP窗口层5。
由成对的InGaAs/GaAsSb构成的II型MQW的组分例如为In0.59Ga0.41As和GaAs0.57Sb0.43，但可以依照期望的波长范围改变。厚度的组合没有被特别地限制，但是每层可以适当地具有2到6nm的厚度。例如，InGaAs/GaAsSb的厚度可以是5nm/5nm。在包括II型MQW的吸收层3的情况下，由于在该MQW的每个界面处的电子的迁移而引起光被吸收，因此需要增加界面的数量，即对的数量。对的数量为150或更大，例如250。
图2是示出使用图1所示的外延晶片1a形成的光电二极管10的截面图。如图2所示，该光电二极管10具有如下结构：InP衬底1/InP缓冲层2/包括In0.59Ga0.41As/GaAs0.57Sb0.43II型MQW的吸收层3/InGaAs扩散浓度分布调节层4/InP窗口层5。
该光电二极管10是平面型光电二极管，其中邻近像素P通过其中没有被扩散杂质的区域相互隔离。然而，可以以像素被沟槽物理分离的台面型结构的形式来使用根据该实施例的外延晶片1a。在平面型光电二极管中，p型区域6从InP窗口层5延伸到扩散浓度分布调节层4。这种p型区域6是通过SiN膜的选择性扩散掩膜图案36的开口选择性扩散用作p型杂质的Zn形成的。该邻近的p型区域6通过没有受到选择性扩散的区域相互隔离。因此，像素P能够各自独立地输出吸收数据。
在p型区域6中，设置由AuZn构成的p电极11，以便与p型区域6形成欧姆接触。在缓冲层2的表面的暴露的端部上，其设置为与InP衬底1接触，设置由AuGeNi构成的n电极12以与暴露的端部形成欧姆接触。缓冲层2用n型杂质掺杂以具有预定水平的电导率。在这种情况下，InP衬底1可以是n型导电衬底或者半绝缘衬底，如掺铁(Fe)的InP衬底。图2所示的光电二极管10中包括的衬底1是掺铁(Fe)的InP衬底。光穿过其背表面进入InP衬底1。为了抑制入射光的反射，由SiON等构成的抗反射(AR)膜35覆盖InP衬底1的背表面。
在对应p型区域6的边界正面的位置形成p-n结15。通过在p电极11和n电极12之间施加反向偏压，在吸收层3中，在n型杂质浓度较低的一侧(n型杂质本底侧)形成较大区域的耗尽层。具有II型多量子结构的吸收层3中的本底杂质浓度在n型杂质浓度(载流子浓度)方面是约为1×1016cm-3或更小。在包括多量子阱的吸收层3中，p-n结15的位置是由p型杂质Zn的浓度分布与本底杂质浓度(n型载流子浓度)的交叉点确定的。在InGaAs扩散浓度分布调节层4中，穿过InP窗口层5的表面选择性扩散的p型杂质的浓度从在InP窗口层5上的具有浓度约为1×1018cm-3到约为5×1018cm-3的高浓度区域侧到MQW3侧急剧下降。因此，在进入MQW3的入口部分附近，容易获得5×1016cm-3或更小的Zn浓度。如上所述，设置扩散浓度分布调节层4以调节杂质浓度，使得在将p-n结15形成在根据该杂质浓度结晶度易于劣化的II型多量子阱结构3中期间，不使高浓度杂质进入该多量子阱结构3。然而，设置该扩散浓度分布调节层4不是必须的。
根据本发明的光电二极管10意图具有从近红外区到更长波长区的灵敏度。因此，窗口层5由带隙能量比吸收层3的带隙能量大的材料形成。由于这个原因，该窗口层通常由InP形成，InP是带隙能量比吸收层的带隙能量大并且为高的晶格匹配的材料。替代地，可以使用与InP带隙能量基本相同的InAlAs。InGaAs扩散浓度分布调节层4具有比InP的带隙能量小的带隙能量但具有比InP低的Zn扩散速率。因此，InGaAs扩散浓度分布调节层4适合调节Zn杂质浓度。
接下来，将描述该外延晶片的表面形貌(例如，RMS和表面粗糙化)。在下文中，将描述在制造光电二极管10之前的外延晶片1a的表面形貌，如RMS或者表面粗糙化。
该实施例中的要点
(1)外延晶片1a的InP窗口层5表面的RMS值小于10nm
该测量可以用原子力显微镜(AFM)等来完成。图3是示出图1中的外延晶片1a的表面的示意图，该表面是用原子力显微镜(AFM)70测量的。在AFM70中，探针73附接于由悬臂支架72保持的悬臂71的顶端，并且悬臂71的倾斜度根据该样品表面的不规则性而被急剧改变。用激光束75来检测悬臂71的倾斜度的这种改变，从而以纳米级在不规则方面得到样品表面的数据。作为InP窗口层5的表面的该样品表面的不规则被测量、被计算为RMS值，并被自动地显示在该仪器上。在本发明中，该RMS值需要小于10nm。该RMS值，不是下面描述的凸起或者凹陷，明确地反映出内部结晶度。事实上，当每单位面积的凸起或者凹陷的数量在100/cm2或更大且1×106/cm2或更小的范围中时，该RMS值小于10nm。结果，获得了良好的结晶度并保持了低的暗电流。
(2)InP衬底的面取向
衬底的取向是重要的。InP衬底1需要具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角。通常，关于(100)面的具有0.05°到0.1°偏离角的偏离角衬底被用作由III-V族化合物半导体构成的衬底。这是因为，考虑到例如偏离角表面能和不可避免的表面缺陷，从热力学的观点，外延层容易在大的偏离角表面上生长。然而，如果在保持高生长率的同时不重视生长外延层，就不会使用这种大的偏离角，因为大的偏离角是使结晶度劣化的因素。在该实施例中，不使用具有大偏离角的偏离角衬底，而是使用具有(100)面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角的衬底。使用具有极小偏离角的衬底容易在InP窗口层5的表面上获得小于10nm的RMS值。结果，容易得到具有良好结晶度的外延层叠体。
(3)表面上的凸起或者凹陷
在一定情况下，在用作外延层叠体的顶层的InP窗口层5的表面上形成具有30μm或更小的直径的凸起或者凹陷。当每单位面积的凸起或者凹陷的数量在100/cm2或更大且1×106/cm2或更小的范围中时，会获得外延层叠体中的每层的、诸如II型MQW的良好的结晶度。另外，这好像证明了外延层叠体中的每层都具有良好的结晶度。通过重复执行该实施例，首次发现了在形成这种凸起或者凹陷情况下的条件。然而，该形成的机理仍然不清楚且不能完全理解。下面将总结关于InP窗口层5的表面上凸起或者凹陷的实验结果。
(a1)当在500℃的恒定生长温度下改变II型多量子阱结构的对的数量时，凸起或者凹陷的数量密度会随着对数量的增加而增加。图4A至4D示出了当InGaAs/GaAsSb II型MQW的对的数量增加时形成凸起或者凹陷的程度。图4A中对的数量为50，图4B中为150，图4C中为250，并且图4D中为350。该凸起或者凹陷的数量密度会随着对数量的增加而增加，并且当对的数量为图4D中的350时，基本上整个表面被覆盖。在示出了约250对的图4C中，该凸起或者凹陷的数量密度为106cm-2。在图4D中，形成了过量(过大的数量密度)的凸起或者凹陷并使暗电流显著增加。
(a2)图5A至5C示出了InGaAs/GaAsSb II型MQW的生长温度对形成凸起或者凹陷的影响。当II型多量子阱(MQW)结构3的生长温度约为500℃或者更低时，会形成凸起或者凹陷。在图5C所示的525℃的生长温度，几乎没有形成凸起或者凹陷(MQW对的数量：250)。图5B示出了生长温度为500℃时的状态，并且图5A示出了生长温度为450℃时的状态。当生长温度从约500℃减小，并且达到例如如图5A示例的450℃时，凸起或者凹陷的数量密度(每单位面积数量)会减少。在525℃的生长温度下，几乎没有形成凸起或者凹陷，但在MQW中会发生GaAsSb的相分离，导致暗电流显著增加。
(a3)如果II型MQW3的对的数量过度增加，则凸起或者凹陷的数量密度就会超过106cm-2，并且凸起或者凹陷会覆盖整个表面。由于对的数量过度增加，II型MQW3的结晶度等会劣化。由于II型MQW3的对的数量的增加是结晶度劣化的因素，所以具有例如300或更多对的光电二极管中的暗电流增加的直接原因是MQW本身结晶度的劣化。因此认为整个表面被凸起或者凹陷密集覆盖的形式与内部结晶度劣化有关。
现在将参考图6描述制造方法。优选采用MOVPE作为生长方法，但是可以采用任何方法，只要这种方法与MOVPE基本等效。例如，可以采用仅使用金属有机气体作为源气体的金属有机气相外延。首先，制备具有(100)面取向以及-0.030°或更大且0.030°或更小的偏离角的InP衬底1(其也被称为“(100)正角衬底”)。自然执行诸如湿法蚀刻的典型处理。在InP衬底1上外延生长n型InGaAs缓冲层2，以具有例如约150nm的厚度。缓冲层2可以是InP缓冲层。四乙基硅烷(TeESi)优选用于n型掺杂。
覆盖缓冲层2的层优选通过MOVPE生长，这可以在低的生长温度下并且以高的生长效率来进行。通过MOVPE，在同一生长室中连续地生长InGaAs/GaAsSb II型MQW3、InGaAs扩散浓度分布调节层4和InP窗口层5。此时，尤其是，InGaAs/GaAsSb II型MQW3的生长温度优选为400℃或更高且500℃或更低。这是因为，尽管该原因尚不清楚，但在高于500℃的生长温度下，没有以优选的方式在顶层上形成凸起或凹陷。此外，虽然与凸起或凹陷的关系是不清楚的，但在高于500℃的生长温度下，由于对GaAsSb的热损伤的结果，会发生GaAsSb的相分离。GaAsSb的相分离显著降低了生产量。在低于400℃的生长温度下，MOVPE中的源气体不能充分分解，并且碳会结合到外延层中。碳得自源气体中与金属成键的碳氢化合物。碳结合到外延层中会导致形成不期望的p型区域，并且所得到的半导体元件具有差的性能。例如，这样的光电二极管具有大的暗电流，并且实际上不能用作产品。到目前为止已参考图6示意性地描述了制造外延晶片的方法。在下文中，将详细地描述每层的生长方法。
如上所述，该外延晶片可以通过典型的MOVPE制造。也就是说，上述的半导体元件等可以使用典型的源气体用市售的金属有机气相外延设备来制造。然而，具有较高结晶度的半导体元件可以通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延制造。仅使用金属有机源的金属有机气相外延是仅使用金属有机气体作为沉积材料的方法。典型的金属有机气相外延和仅使用金属有机源的金属有机气相外延之间的区别是用于形成包括磷的III-V族半导体层的源材料。在仅使用金属有机源(全金属有机源MOVPE)的金属有机气相外延中，使用叔丁基膦(TBP)作为磷源材料，而在典型的MOVPE中使用作为无机材料的磷化氢(PH3)作为磷源材料。然而，在根据本实施例制造外延晶片方面，该差别不是这么显著。
图7示出了用于仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备60的管道系统等。这是仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备，但基本上同一成膜设备也用于MOVPE。将石英管65设置在反应室63中。将源气体引入石英管65中。在石英管65中，衬底台66被可旋转地且密封地设置。衬底台66配备有用于加热衬底的加热器66h。在沉积期间的外延晶片1a的表面温度通过设置在反应室63的顶棚部分中的窗口69的红外线温度计61来监测。例如，该监测的温度被称为生长温度、沉积温度或衬底温度。关于在根据本发明的制造方法中在400℃或更高且500℃或更低的温度下形成MQW，400℃或更高且500℃或更低的温度是在温度监测时测量的温度。石英管65的强迫抽空是用真空泵进行的。
源气体是通过连接至石英管65的管道供应的。尽管图7没有描述例如支配导电类型的杂质的源气体，但也以金属有机气体的形式引入杂质。将金属有机源气体包含在恒温浴中并且保持在恒定的温度下。所用的载气是氢气(H2)和氮气(N2)。金属有机气体用载气载送并用真空泵吸取，从而被引入到石英管65中。载气的流量是用质量流量控制器(MFC)精确控制的。大量的质量流量控制器、电磁阀等是用微型计算机自动控制的。
在生长缓冲层2之后，形成具有II型MQW的吸收层3，其中量子阱是由InGaAs/GaAsSb对构成的。在量子阱中，GaAsSb膜具有例如5nm的厚度，InGaAs膜具有例如5nm的厚度。在沉积GaAsSb时，使用三乙基镓(TEGa)、叔丁基胂(TBAs)和三甲基锑(TMSb)。在沉积InGaAs时，可以使用TEGa、TMIn和TBAs。
镓(Ga)源可以是三乙基镓(TEGa)或三甲基镓(TMGa)。铟(In)源可以是三甲基铟(TMIn)或三乙基铟(TEIn)。砷(As)源可以是叔丁基胂(TBAs)或三甲基砷(TMAs)。锑(Sb)源可以是三甲基锑(TMSb)、三乙基锑(TESb)、三异丙基锑(TIPSb)或三二甲基氨基锑(TDMASb)。
该源气体被载送通过管道、被引入到石英管65中，并被排出。可以通过增加管道的数量将任何数量的源气体供应到石英管65。例如，可以通过电磁阀的开/关控制超过十种源气体。源气体的流量是用图7中所示的质量流量控制器(MFC)控制的，并且将源气体引入石英管65中是由空气驱动阀的开/关接通/断开的。源气体是用真空泵从石英管65强迫抽空的。源气体在任何位置都不停滞，并且其流量被平滑自动地控制。因此，很快实现了在形成构成量子阱的对期间在组分之间的转换。
图8A示出了金属有机分子的流动和热流。图8B是在衬底表面上的金属有机分子的示意图。监测外延晶片1a的表面温度。当图8B所示的大的金属有机分子在接近晶片表面的部分中流动时，分解以对晶体生长有贡献的化合物分子可能被限制于与该表面接触的金属有机分子和存在于表面上方的几个金属有机分子。然而，当外延晶片表面温度或衬底温度为诸如低于400℃的过低的温度时，源气体的大分子不能被充分地分解，尤其是，碳不能被充分地除去，并且碳被结合到外延晶片1a中。结合到III-V族半导体中的碳用作p型杂质并且形成了不期望的半导体元件。因此，使半导体的固有功能劣化，从而导致所生产的半导体元件的性能劣化。
当源气体通过空气驱动阀被选择以对应于该对的化学组分并用真空泵在强力抽空下被引入时，在由于惯性而略微生长具有旧化学组分的晶体之后，能够生长具有新的化学组分的晶体而不会受到旧源气体影响。结果，会在异质界面处获得急剧的组分变化。这意味着旧的源气体基本上没有留在石英管65中。
当通过在高于500℃的温度下生长形成MQW3时，MQW的GaAsSb层显著经受了相分离，这会降低生产量。另一方面，如上所述，当生长温度低于400℃时，必须包含在源气体中的碳被结合到外延晶片中。结合的碳用作p型杂质。因此，所得到的半导体元件具有差的性能并且不能用作产品。
另一点是，通过MOVPE或仅使用金属有机源的金属有机气相外延的生长在同一生长室或同一石英管65内从MQW的形成到InP窗口层5的形成连续进行。具体地，在形成InP窗口层5之前，不从生长室取出外延晶片1a，并且InP窗口层5不是由另一沉积方法形成的。因此，没有形成再生长界面。由于在石英管65中连续形成了InGaAs扩散浓度分布调节层4和InP窗口层5，所以图1和2中所示的界面16和17不是再生长的界面。在再生长的界面中，满足1×1017cm-3或更大的氧浓度和1×1017cm-3或更大的碳浓度中的至少一个，结晶度变差并且外延层叠体的表面不太可能变光滑。在本发明的界面16和17，氧浓度和碳浓度两者都小于1×1017cm-3。
在该实施例中，在包括MQW的吸收层3上形成具有例如约1.0μm厚度的非掺杂的InGaAs扩散浓度分布调节层4。在形成光电二极管时，高浓度的Zn扩散到MQW中会导致如上所述的结晶度劣化。因此，为了调节Zn的扩散浓度分布的目的，形成InGaAs扩散浓度分布调节层4。在形成InP窗口层5之后，通过选择性扩散方法选择性地将p型杂质Zn从InP窗口层5扩散到InGaAs扩散浓度分布调节层4。虽然优选如上所述形成InGaAs扩散浓度分布调节层4，但可以省略其形成。即使当InGaAs扩散浓度分布调节层4被插入并且它是非掺杂层时，InGaAs也具有窄的带隙，因此光电二极管可以被制造为具有低电阻。通过减小电阻，可以增强响应性并且可以获得良好的元件特性。
优选的是，当外延晶片1a留在同一石英管65中时，未掺杂的InP窗口层5通过MOVPE或仅使用有机金属源的金属有机气相外延被连续外延生长在InGaAs扩散浓度分布调节层4上，以具有例如约0.8μm的厚度。如上所述，源气体是三甲基铟(TMIn)和叔丁基膦(TBP)。通过使用这些源气体，用于InP窗口层5的生长温度可以被设定为400℃或更高且500℃或更低。结果，在InP窗口层5下面的MQW的GaAsSb没有受到热损伤或受到相对小的热损伤。
例如，通过分子束外延(MBE)生长InP窗口层需要固态磷源，因此在安全性等方面有问题。另外，生产效率需要增强。在考虑到安全而通过适合于生长MQW3的MBE生长MQW3和InGaAs扩散浓度分布调节层4并且随后通过除了MBE之外的方法生长InP窗口层5的情况下，InGaAs扩散浓度分布调节层4和InP窗口层5之间的界面17是已经暴露于空气中的再生长界面。当满足1×1017cm-3或更大的氧浓度和1×1017cm-3或更大的碳浓度中的至少一个时，作为通过二次离子质谱法的测量的结果，可以识别再生长界面。再生长界面形成穿过p型区域的交叉线，并且在交叉线中发生漏电流，这会显著降低元件的特性。
示例
关于InP衬底，制备了相对于面取向(100)具有不同偏离角使得改变InP窗口层的RMS值的四个试样A1-A4，并且测量了四个试样A1至A4中的每一个的性能。将四个试样A1至A4的MQW的生长温度设定为500℃。在试样A1至A4中的每一个中，将MQW的对的数量设定为250。测量项目如下：(1)图1所示的外延晶片的表面形貌，(2)InP窗口层的RMS值，以及(3)使用外延晶片并在图2中所示的光电二极管的暗电流。在四个试样A1至A4当中，试样A1和A2对应于发明示例，试样A3和A4对应于比较例。图9示出了测量结果。在-50℃的温度下，在-1V的电压下测量暗电流。
参考图9，试样A2具有0.020°的偏离角、5.3nm的RMS值和具有等级A(5pA或更小)的暗电流。试样A1具有0.005°的偏离角和2.4nm的RMS值，并且在凸起或凹陷方面，试样A1的表面形貌在图4C所示的水平(在图9中，观察到不包含凸起或凹陷的部分)。试样A1的暗电流是在等级A(5pA或更小)。试样A1和A2对应于发明示例并且两者具有良好的特性。相反，试样A3和A4分别具有0.033°和0.046°的大的偏离角，因此具有以表面粗糙化的水平而密集地形成凸起或凹陷的差表面形貌。试样A3和A4的RMS值分别为13nm和15nm。作为以表面粗糙化的水平形成凸起或凹陷的结果，暗电流差并且处于等级C(1000pA至3000pA)。相比对应于发明示例的试样A1和A2的特性，对应于比较例的试样A3和A4的特性(暗电流)明显很差。
根据本发明，可以通过控制相对于衬底的面取向的偏离角、多量子阱结构的生长温度等实现良好的结晶度。因此，防止了表面形貌的表面粗糙化等，例如，可以减少光电二极管中的暗电流。

Claims (9)

1.一种外延晶片，包括：
衬底，所述衬底由III-V族化合物半导体构成；
多量子阱结构，所述多量子阱结构由III-V族化合物半导体构成，并且位于所述衬底上；和
顶层，所述顶层由III-V族化合物半导体构成，并且位于所述多量子阱结构上，
其中，所述衬底具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角，并且
所述顶层的表面具有小于10nm的均方根粗糙度。
2.根据权利要求1所述的外延晶片，其中，凸起或凹陷以100/cm2或更大且1×106/cm2或更小的数量密度存在于所述顶层的表面上。
3.根据权利要求1或2所述的外延晶片，其中，所述多量子阱结构是由下述对构成的II型多量子阱结构：InxGa1-xAs和GaAs1-ySby的对，其中0.38≤x≤0.68，0.36≤y≤0.62；或者Ga1-uInuNvAs1-v和GaAs1-ySby的对，其中0.4≤u≤0.8，0<v≤0.2，0.36≤y≤0.62。
4.根据权利要求1或2所述的外延晶片，其中，由III-V族化合物半导体构成的所述顶层是InP层。
5.根据权利要求3所述的外延晶片，其中，由III-V族化合物半导体构成的所述顶层是InP层。
6.一种半导体元件，包括：在根据权利要求1所述的外延晶片中包括的所述衬底、所述多量子阱结构和所述顶层。
7.根据权利要求6所述的半导体元件，其中，所述多量子阱结构是吸收层，并且所述半导体元件用作光电二极管。
8.一种光学传感器装置，包括：根据权利要求7所述的半导体元件，和读出电路。
9.一种制造外延晶片的方法，所述外延晶片是利用由III-V族化合物半导体构成的衬底形成的，所述方法包括：
在所述衬底上生长由III-V族化合物半导体构成的多量子阱结构的步骤；和
在所述多量子阱结构上形成由III-V族化合物半导体构成的顶层的步骤，
其中，所述衬底具有(100)的面取向以及-0.030°或更大且+0.030°或更小的偏离角，
在生长多量子阱结构的所述步骤中，通过金属有机气相外延，在400℃或更高且500℃或更低的生长温度下生长所述多量子阱结构，并且
以100/cm2或更大且1×106/cm2或更小的数量密度在所述顶层的表面上形成凸起或凹陷，并且所述顶层的表面具有小于10nm的均方根粗糙度。
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