CN114094443B - 一种高应变半导体结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高应变半导体结构及其制备方法，高应变半导体结构的复合有源层中，第一组分渐变层中的铟含量小于量子阱层中的铟含量且大于第一势垒层中的铟含量，第二组分渐变层中的铟含量小于量子阱层中的铟含量且大于第二势垒层中的铟含量；所述第一组分渐变层中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；第一应力补偿层和第二应力补偿层中铟的含量为零；量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。降低高应变半导体结构的工艺难度和复杂度且提高生长质量。

Description

一种高应变半导体结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高应变半导体结构及其制备方法。

背景技术

发光半导体器件是以一定的半导体材料作为工作物质而产生受激发射作用的器件，其工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体材料的能带（导带与价带）之间，或者半导体材料的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用，因发光半导体器件体积小、电光转换效率高被广泛的使用。

近年来，随着激光雷达在无人驾驶应用、手机屏下摄像头的需求，人们开始研究长波长的边发射及面发射的发光半导体器件，而对于1µm-1.3µm附近的波长，其是属于GaAs基和InP基的极限波长。其难点主要在于GaAs基实现长波长，InGaAs量子阱需要更高的In组分，高In组分的量子阱，其对于衬底的失配度更高，也会带来更大的应力，因此，实现高质量的高应变量子阱的生长是实现GaAs基材料体系实现长波长的激光的关键核心难题。目前对于该难题，必须使用一些特殊外延方法，包括:1)采用低维材料生长，包括量子线、量子点，但该生长工艺更为复杂，同时外延均匀性也很难控制，很难实现商业化应用；2）采用四元化合物，包括在InGaAs中加入N或者Gb或者B等，四元化合物增加了材料生长难度，同时其材料生长质量也急剧下降，影响器件性能。

发明内容

因此，本发明提供一种高应变半导体结构及其制备方法，以降低高应变半导体结构的工艺难度和复杂度且提高生长质量。

本发明提供一种高应变半导体结构的制备方法，包括：提供半导体衬底层；在所述半导体衬底层上形成复合有源层；形成所述复合有源层的方法包括：在所述半导体衬底层上形成第一应力补偿层；在所述第一应力补偿层背离所述半导体衬底层的一侧表面形成第一势垒层，所述第一势垒层的材料为In_x4Ga_1-x4As；在所述第一势垒层背离所述半导体衬底层的一侧表面形成第一组分渐变层，形成所述第一组分渐变层的步骤包括形成若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层的材料为In_x1Ga_1-x1As；在所述第一组分渐变层背离所述第一势垒层的一侧表面形成量子阱层，所述量子阱层的材料为In_x3Ga_1-x3As；在所述量子阱层背离所述第一组分渐变层的一侧表面形成第二组分渐变层，形成所述第二组分渐变层的步骤包括形成若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层的材料为In_x2Ga_{1- x2}As；在所述第二组分渐变层背离所述量子阱层的一侧表面形成第二势垒层，第二势垒层的材料为In_x5Ga_1-x5As；在所述第二势垒层背离所述第二组分渐变层的一侧表面形成第二应力补偿层；所述第一组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第一势垒层中的铟含量，所述第二组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第二势垒层中的铟含量；所述第一组分渐变层中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层中铟的含量为零；所述量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。

可选的，形成所述量子阱层采用的镓源气体为TEGa；形成所述量子阱层采用的温度为540摄氏度~560摄氏度。

可选的，形成第一组分渐变层采用的温度大于形成所述量子阱层采用的温度且小于形成第一势垒层采用的温度；形成第二组分渐变层采用的温度大于形成所述量子阱层采用的温度且小于形成第二势垒层采用的温度；形成第一子渐变层的温度随着第一子渐变层中的铟含量的递减而增加。

可选的，形成所述第一组分渐变层采用的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第二组分渐变层的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第一组分渐变层的若干第一子渐变层的生长温度随着第一子渐变层中的铟组分含量的增加自600摄氏度降低至550摄氏度；形成所述第二组分渐变层的若干第二子渐变层的生长温度随着第二子渐变层中的铟组分含量的减少自550摄氏度线性升高至600摄氏度；形成所述第一组分渐变层的若干第一子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第一子渐变层的层数的增加自95%线性递减至5%；形成所述第二组分渐变层的若干第二子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第二子渐变层的层数的增加自5%线性递增至95%。

可选的，形成所述第一应力补偿层和第二应力补偿层的镓源气体为TMGa，形成所述第一势垒层和第二势垒层采用的镓源气体为TMGa；形成所述第一应力补偿层和第二应力补偿层采用的温度均高于形成所述量子阱层采用的温度。

可选的，形成第一应力补偿层和第二应力补偿层采用的温度为600摄氏度~650摄氏度；形成第一势垒层和第二势垒层采用的温度为600摄氏度~650摄氏度。

可选的，所述高应变半导体结构为边发射半导体发光器件或面发射半导体发光器件。

本发明还提供一种高应变半导体结构，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的复合有源层；所述复合有源层包括：量子阱层，所述量子阱层的材料为In_x3Ga_1-x3As；位于所述量子阱层一侧的第一势垒层，所述第一势垒层的材料为In_x4Ga_1-x4As；位于所述量子阱层另一侧的第二势垒层，第二势垒层的材料为In_x5Ga_1-x5As；位于所述第一势垒层和所述量子阱层之间的第一组分渐变层，所述第一组分渐变层包括若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层的材料为In_x1Ga_1-x1As；位于所述第二势垒层和所述量子阱层之间的第二组分渐变层，所述第二组分渐变层包括若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层的材料为In_x2Ga_1-x2As；第一应力补偿层，所述第一应力补偿层位于所述第一势垒层背离所述第一组分渐变层的一侧表面；第二应力补偿层，所述第二应力补偿层位于所述第二势垒层背离所述第二组分渐变层的一侧表面；所述第一组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第一势垒层中的铟含量，所述第二组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第二势垒层中的铟含量；所述第一组分渐变层中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层中铟的含量为零；所述量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。

可选的，x1大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%；x2大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%；x3大于等于0.3且小于等于0.6；x4为0.01~0.1；x5为0.01~0.1。

可选的，所述第一组分渐变层的总厚度为2nm~5nm。所述第二组分渐变层的总厚度为2nm~5nm。

可选的，所述第一应力补偿层和第二应力补偿层的总应力等于所述量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的总应力。

可选的，所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层均位于所述复合有源层中的驻波光场的波谷位置；所述量子阱层位于所述复合有源层中的驻波光场的波峰位置。

可选的，所述高应变半导体结构为边发射半导体发光器件或面发射半导体发光器件。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的高应变半导体结构的制备方法中，第一组分渐变层能在量子阱层和第一势垒层之间起到组分过渡作用，第二组分渐变层能在量子阱层和第二势垒层之间起到组分过渡作用，量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的整体厚度增加，量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的等效In组分降低，因此能降低量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的整体应力。所述量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。在实现相同发光波长情况下，该高应变半导体结构中的量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层的应力小于常规的量子阱结构。第一势垒层和第二势垒层中的铟含量较小，这样使得第一应力补偿层和第一势垒层之间的应力突变较小，第二应力补偿层和第二势垒层之间的应力突变较小。第一势垒层和第二势垒层为低失配的压应变缓冲层，通过第一组分渐变层、第二组分渐变层再过渡到高In组分的量子阱层，此时等效的量子阱的宽度增加，这样量子阱层中的In组分能降低，从而整体上降低了复合有源层的晶格失配度。量子阱层中的In组分降低，量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的等效In组分降低，In组分能降低越利于发光朝向长波长移动；等效的量子阱的宽度增加，等效的量子阱的宽度增加有利于发光朝向短波长移动，因此量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的整体厚度和等效组分能通过调整满足高应变半导体结构发射设定的目标长波长，量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的整体厚度和等效组分能满足最终的能带结构的带隙间距对应设定的目标长波长。所述第一组分渐变层中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区，使得第一组分渐变层和第二组分渐变层对载流子的限制作用提高，有利于发光效率的优化。所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层中铟的含量为零，这样能在高温下容易制备出高质量的第一应力补偿层和所述第二应力补偿层。第一应力补偿层和第二应力补偿层用于补偿所述量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的总应力，使得复合有源层的应力减小，抑制复合有源层材料的弛豫。本发明提供的高应变半导体结构的结构提高生长质量。无需依赖低维材料，因此生长工艺简单。量子阱层、第一势垒层、第二势垒层、第一组分渐变层和第二组分渐变层均为三元化合物，材料的生长难度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的高应变半导体结构的示意图；

图2为本发明的一实施例提供的高应变半导体结构的能带结构图；

图3为本发明的一实施例提供的高应变半导体结构中的复合有源层中的驻波光场图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供一种高应变半导体结构，参考图1，包括：

半导体衬底层100；

位于所述半导体衬底层100上的复合有源层140；

所述复合有源层140包括：量子阱层1401，所述量子阱层1401的材料为In_x3Ga_{1- x3}As；位于所述量子阱层1401一侧的第一势垒层1404，所述第一势垒层1404的材料为In_x4Ga_1-x4As；位于所述量子阱层1401另一侧的第二势垒层1405，第二势垒层1405的材料为In_x5Ga_1-x5As；位于所述第一势垒层1404和所述量子阱层1401之间的第一组分渐变层1402，所述第一组分渐变层1402包括若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层1402的材料为In_x1Ga_1-x1As；位于所述第二势垒层1405和所述量子阱层1401之间的第二组分渐变层1403，所述第二组分渐变层1403包括若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层1403的材料为In_x2Ga_1-x2As；第一应力补偿层1406，所述第一应力补偿层1406位于所述第一势垒层1404背离所述第一组分渐变层1402的一侧表面；第二应力补偿层1407，所述第二应力补偿层1407位于所述第二势垒层1405背离所述第二组分渐变层1403的一侧表面。

所述第一组分渐变层1402中的铟含量小于所述量子阱层1401中的铟含量且大于第一势垒层1404中的铟含量，所述第二组分渐变层1403中的铟含量小于所述量子阱层1401中的铟含量且大于第二势垒层1405中的铟含量；所述第一组分渐变层1402中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层1403中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；所述第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407中铟的含量为零；所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403用于激射光。

本实施例中，高应变半导体结构为边发射半导体发光器件或面发射半导体发光器件。

本实施例中，高应变半导体结构发出的激光的波长较长，例如高应变半导体结构发出的激光波长为1100nm~1600nm，例如1180nm。

本实施例中，所述半导体衬底层100为砷化镓衬底层。需要说明的是，在其他实施例中，所述半导体衬底层还可以为其他材料的衬底层，例如InP衬底。

本实施例中，所述量子阱层1401中的铟含量相对于第一组分渐变层1402中的铟含量较大，所述量子阱层1401中的铟含量相对于第二组分渐变层1403中的铟含量较大。所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403用于激射光。所述量子阱层1401中的铟含量分别比第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403中的铟含量大。

本实施例中，设置了第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403，第一组分渐变层1402能在量子阱层1401和第一势垒层1404之间起到组分过渡作用，第二组分渐变层1403能在量子阱层1401和第二势垒层1405之间起到组分过渡作用，量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的整体厚度增加，量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的等效In组分降低，因此能降低量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的整体应力。所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403用于激射光。在实现相同发光波长情况下，该高应变半导体结构中的量子阱层1401、第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403的应力小于常规的量子阱结构。

量子阱层1401和第一组分渐变层1402之间的应力较小，第一组分渐变层1402和第一势垒层1404之间的应力较小，量子阱层1401和第二组分渐变层1403之间的应力较小，第二组分渐变层1403和第二势垒层1405之间的应力较小。

第一势垒层1404和第二势垒层1405为低失配的压应变缓冲层，通过第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403再过渡到高In组分的量子阱层1401，此时等效的量子阱的宽度增加，这样量子阱层中的In组分能降低，从而整体上降低了复合有源层的晶格失配度。

量子阱层1401中的In组分降低，量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的等效In组分降低，In组分能降低越利于发光朝向长波长移动；等效的量子阱的宽度增加，等效的量子阱的宽度增加有利于发光朝向短波长移动，因此量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的整体厚度和等效组分能通过调整满足高应变半导体结构发射设定的目标长波长，量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的整体厚度和等效组分能满足最终的能带结构的带隙间距对应设定的目标长波长。

所述第一组分渐变层1402中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层1403中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区，使得第一组分渐变层和第二组分渐变层对载流子的限制作用提高，有利于发光效率的优化。

所述第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407中铟的含量为零，这样能在高温下容易制备出高质量的第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407。

本实施例中，第一应力补偿层1406的材料为GaSsP，第二应力补偿层1407的材料为GaSsP。

第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407用于补偿所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的总应力，使得复合有源层140的应力减小，抑制复合有源层140材料的弛豫。本实施例中，采用第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407的张应力补偿量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的压应力。

在一个实施例中，所述第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407的总应力等于所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404和第二势垒层1405的总应力。

第一势垒层1404的材料为In_x4Ga_1-x4As，第二势垒层1405的材料为In_x5Ga_1-x5As，第一势垒层1404和第二势垒层1405中的铟含量较小，这样使得第一应力补偿层1406和第一势垒层1404之间的应力突变较小，第二应力补偿层1407和第二势垒层1405之间的应力突变较小。

第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403的组分缓冲能提高量子阱层1401的生长质量。

本实施例中，所述复合有源层140无掺杂。

在一个实施例中，x3大于等于0.3且小于等于0.6，例如0.37。

在一个实施例中，x1大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%,例如（x3-a）/x3的取值为10%。在一个实施例中，x2大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%,例如（x3-a）/x3的取值为10%。由于与量子阱层1401邻接的一层第一子渐变层中的铟含量与量子阱层1401中的铟含量具有差值，与量子阱层1401邻接的一层第二子渐变层中的铟含量与量子阱层1401中的铟含量具有差值，（x3-a）/x3的取值为5%~15%，因此使得复合有源层对载流子的限制作用加强，优化了发光效率。

在一个实施例中，x4为0.01~0.1，例如0.01、0.02、0.05、0.08或0.1。

在一个实施例中，x5为0.01~0.1，例如0.01、0.02、0.05、0.08或0.1。

在一个实施例中，所述第一组分渐变层1402的总厚度为2nm~5nm，例如2nm、3nm、4nm或5nm。所述第二组分渐变层1403的总厚度为2nm~5nm，例如2nm、3nm、4nm或5nm。若第一组分渐变层1402的总厚度过小，第二组分渐变层1403的总厚度过小，则难以使得整体等效的量子阱厚度得到拓展，从而使得等效的量子阱的In组分降低的程度较小，使得生长难度降低的程度较小；若第一组分渐变层1402的总厚度过大，第二组分渐变层1403的总厚度过大，会使得等效的量子阱宽度太宽，量子阱的限制效应减弱，不利于提高增益。

在一个实施例中，参考图3，所述第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407均位于所述复合有源层140中的驻波光场的波谷位置；所述量子阱层1401位于所述复合有源层140中的驻波光场的波峰位置。好处在于：进一步的提高光子与载流子的耦合作用强度最大化，使得增益得到提高。

本实施例中，还包括：位于所述半导体衬底层100上的缓冲层110；位于所述缓冲层110背离所述半导体衬底层100一侧的第一限制层120；位于所述第一限制层120背离所述半导体衬底层100一侧的第一波导层130。

所述复合有源层140位于所述第一波导层130背离所述半导体衬底层100的一侧。

本实施例中，还包括：位于所述复合有源层140背离所述半导体衬底层100一侧的第二波导层150；位于第二波导层150背离所述半导体衬底层100一侧的第二限制层160；位于所述第二限制层160背离所述第二波导层150一侧的欧姆接触半导体层170。

本发明还提供一种高应变半导体结构的制备方法，包括：

S1:提供半导体衬底层100；

S2:在所述半导体衬底层100上形成复合有源层140；

形成所述复合有源层140的方法包括：在所述半导体衬底层100上形成第一应力补偿层1406；在所述第一应力补偿层1406背离所述半导体衬底层100的一侧表面形成第一势垒层1404，所述第一势垒层1404的材料为In_x4Ga_1-x4As；在所述第一势垒层1404背离所述半导体衬底层100的一侧表面形成第一组分渐变层1402，形成所述第一组分渐变层1402的步骤包括形成若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层1402的材料为In_x1Ga_1-x1As；在所述第一组分渐变层1402背离所述第一势垒层1404的一侧表面形成量子阱层1401，所述量子阱层1401的材料为In_x3Ga_1-x3As；在所述量子阱层1401背离所述第一组分渐变层1402的一侧表面形成第二组分渐变层1403，形成所述第二组分渐变层1403的步骤包括形成若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层1403的材料为In_x2Ga_1-x2As；在所述第二组分渐变层1403背离所述量子阱层1401的一侧表面形成第二势垒层1405，第二势垒层1405的材料为In_x5Ga_1-x5As；在所述第二势垒层1405背离所述第二组分渐变层1403的一侧表面形成第二应力补偿层1407。

所述第一组分渐变层1402中的铟含量小于所述量子阱层1401中的铟含量且大于第一势垒层1404中的铟含量，所述第二组分渐变层1403中的铟含量小于所述量子阱层1401中的铟含量且大于第二势垒层1405中的铟含量；所述第一组分渐变层1402中若干第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加置满足高斯塔函数的递增区，所述第二组分渐变层1403中若干第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯塔函数的递减区；所述第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407中铟的含量为零；所述量子阱层1401、第一组分渐变层1402和第二组分渐变层1403用于激射光。

本实施例中，形成所述复合有源层140之前，还包括：在所述半导体衬底层100上形成缓冲层110；在所述缓冲层110背离所述半导体衬底层100的一侧形成第一限制层120；在所述第一限制层120背离所述半导体衬底层100的一侧形成第一波导层130。

本实施例中，还包括：在所述复合有源层140背离所述半导体衬底层100的一侧形成第二波导层150；在第二波导层150背离所述半导体衬底层100的一侧形成第二限制层160；在所述第二限制层160背离所述第二波导层150的一侧形成欧姆接触半导体层170。

量子阱层1401、第一组分渐变层1402、第二组分渐变层1403、第一势垒层1404、第二势垒层1405、第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407的材料参照前述描述的内容，不再重复。

本实施例中，量子阱层1401的应力相对较高，选择的较低的温度下生长，形成所述量子阱层1401采用的温度低于形成所述第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407采用的温度，有效的抑制量子阱层的材料因高温发生的弛豫。形成所述量子阱层1401采用气体包括镓源气体，镓源气体为TEGa（三乙基镓），三乙基镓的热分解温度较低，这样使得量子阱层的生长质量较高。高应变的量子阱层1401采用低温分解气源TEGa能够生长出高质量的量子阱层1401。

形成量子阱层1401采用的气体还包括：砷源气体和铟源气体，砷源气体包括TBAs，铟源气体包括TMIn。TBAs的热分解温度相对于AsH₃的热分解温度低，利于量子阱层1401在低温下进行生长。

在一个实施例中，形成所述量子阱层1401采用的温度为540摄氏度~560摄氏度。

第一势垒层1404和第二势垒层1405中的In组分较低，第一势垒层1404和第二势垒层1405的应力较小，形成第一势垒层1404和第二势垒层1405的温度相对较高，能保证第一势垒层1404和第二势垒层1405的生长质量。由于形成第一势垒层1404和第二势垒层1405的温度相对较高，因此选择形成所述第一势垒层1404和第二势垒层1405采用的镓源气体为TMGa（三甲基镓），三甲基镓的热分解温度较高。

形成第一组分渐变层1402采用的温度大于形成所述量子阱层1401采用的温度且小于形成第一势垒层1404采用的温度；形成第二组分渐变层1403采用的温度大于形成所述量子阱层1401采用的温度且小于形成第二势垒层1405采用的温度。

第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407中铟的含量为零，能采用较高的温度生长以保证第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407的质量。选择形成第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407采用的镓源气体为TMGa（三甲基镓），三甲基镓的热分解温度较高。形成第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407采用的温度均高于形成所述量子阱层1401采用的温度。

第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407的材料为GaAsP，第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407采用的镓源气体为TMGa，采用高温气源TMGa的生长机理较为简单，在高温下生长第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407容易使得第一应力补偿层1406和所述第二应力补偿层1407的生长质量提高。

本实施例中，形成所述第一组分渐变层1402采用的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第二组分渐变层1403的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第一组分渐变层1402的若干第一子渐变层的生长温度随着第一子渐变层中的铟组分含量的增加自600摄氏度降低至550摄氏度；形成所述第二组分渐变层1403的若干第二子渐变层的生长温度随着第二子渐变层中的铟组分含量的减少自550摄氏度线性升高至600摄氏度；形成所述第一组分渐变层1402的若干第一子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第一子渐变层的层数的增加自95%线性递减至5%；形成所述第二组分渐变层1403的若干第二子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第二子渐变层的层数的增加自5%线性递增至95%。

形成第一应力补偿层1406和第二应力补偿层1407采用的温度为600摄氏度~650摄氏度；形成第一势垒层1404和第二势垒层1405采用的温度为600摄氏度~650摄氏度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底层；

在所述半导体衬底层上形成复合有源层；

形成所述复合有源层的方法包括：在所述半导体衬底层上形成第一应力补偿层；在所述第一应力补偿层背离所述半导体衬底层的一侧表面形成第一势垒层，所述第一势垒层的材料为In_x4Ga_1-x4As；在所述第一势垒层背离所述半导体衬底层的一侧表面形成第一组分渐变层，形成所述第一组分渐变层的步骤包括形成若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层的材料为In_x1Ga_1-x1As；在所述第一组分渐变层背离所述第一势垒层的一侧表面形成量子阱层，所述量子阱层的材料为In_x3Ga_1-x3As；在所述量子阱层背离所述第一组分渐变层的一侧表面形成第二组分渐变层，形成所述第二组分渐变层的步骤包括形成若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层的材料为In_x2Ga_1-x2As；在所述第二组分渐变层背离所述量子阱层的一侧表面形成第二势垒层，第二势垒层的材料为In_x5Ga_1-x5As；在所述第二势垒层背离所述第二组分渐变层的一侧表面形成第二应力补偿层；

所述第一组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第一势垒层中的铟含量，所述第二组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第二势垒层中的铟含量；所述第一组分渐变层中若干层层叠的第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干层层叠的第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层中铟的含量为零；所述量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。

2.根据权利要求1所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，形成所述量子阱层采用的镓源气体为TEGa；形成所述量子阱层采用的温度为540摄氏度~560摄氏度。

3.根据权利要求1所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，形成所述第一组分渐变层采用的温度大于形成所述量子阱层采用的温度且小于形成所述第一势垒层采用的温度；形成所述第二组分渐变层采用的温度大于形成所述量子阱层采用的温度且小于形成所述第二势垒层采用的温度；形成第一子渐变层的温度随着第一子渐变层中的铟含量的递减而增加。

4.根据权利要求1或3所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，形成所述第一组分渐变层采用的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第二组分渐变层的镓源气体为TEGa与TMGa的混合气体；形成所述第一组分渐变层的若干层层叠的第一子渐变层的生长温度随着第一子渐变层中的铟组分含量的增加自600摄氏度降低至550摄氏度；形成所述第二组分渐变层的若干层层叠的第二子渐变层的生长温度随着第二子渐变层中的铟组分含量的减少自550摄氏度线性升高至600摄氏度；形成所述第一组分渐变层的若干层层叠的第一子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第一子渐变层的层数的增加自95%线性递减至5%；形成所述第二组分渐变层的若干层层叠的第二子渐变层采用的TMGa在镓源气体的摩尔占比随着第二子渐变层的层数的增加自5%线性递增至95%。

5.根据权利要求1所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，形成所述第一应力补偿层和第二应力补偿层的镓源气体为TMGa，形成所述第一势垒层和第二势垒层采用的镓源气体为TMGa；

形成所述第一应力补偿层和第二应力补偿层采用的温度均高于形成所述量子阱层采用的温度。

6.根据权利要求5所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，形成第一应力补偿层和第二应力补偿层采用的温度为600摄氏度~650摄氏度；形成第一势垒层和第二势垒层采用的温度为600摄氏度~650摄氏度。

7.根据权利要求1所述的高应变半导体结构的制备方法，其特征在于，所述高应变半导体结构为边发射半导体发光器件或面发射半导体发光器件。

8.一种高应变半导体结构，其特征在于，包括：

半导体衬底层；

位于所述半导体衬底层上的复合有源层；

所述复合有源层包括：量子阱层，所述量子阱层的材料为In_x3Ga_1-x3As；位于所述量子阱层一侧的第一势垒层，所述第一势垒层的材料为In_x4Ga_1-x4As；位于所述量子阱层另一侧的第二势垒层，第二势垒层的材料为In_x5Ga_1-x5As；位于所述第一势垒层和所述量子阱层之间的第一组分渐变层，所述第一组分渐变层包括若干层层叠的第一子渐变层，所述第一组分渐变层的材料为In_x1Ga_1-x1As；位于所述第二势垒层和所述量子阱层之间的第二组分渐变层，所述第二组分渐变层包括若干层层叠的第二子渐变层，所述第二组分渐变层的材料为In_x2Ga_1-x2As；第一应力补偿层，所述第一应力补偿层位于所述第一势垒层背离所述第一组分渐变层的一侧表面；第二应力补偿层，所述第二应力补偿层位于所述第二势垒层背离所述第二组分渐变层的一侧表面；

所述第一组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第一势垒层中的铟含量，所述第二组分渐变层中的铟含量小于所述量子阱层中的铟含量且大于第二势垒层中的铟含量；所述第一组分渐变层中若干层层叠的第一子渐变层中的铟组分含量随着第一子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递增区，所述第二组分渐变层中若干层层叠的第二子渐变层中的铟组分含量随着第二子渐变层的层数的增加满足高斯函数的递减区；所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层中铟的含量为零；所述量子阱层、第一组分渐变层和第二组分渐变层用于激射光。

9.根据权利要求8所述的高应变半导体结构，其特征在于，

x1大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%；

x2大于0.1且小于a，（x3-a）/x3的取值为5%~15%；

x3大于等于0.3且小于等于0.6；

x4为0.01~0.1；

x5为0.01~0.1。

10.根据权利要求8所述的高应变半导体结构，其特征在于，

所述第一组分渐变层的总厚度为2nm~5nm；

所述第二组分渐变层的总厚度为2nm~5nm。

11.根据权利要求8所述的高应变半导体结构，其特征在于，所述第一应力补偿层和第二应力补偿层的总应力等于所述量子阱层、第一组分渐变层、第二组分渐变层、第一势垒层和第二势垒层的总应力。

12.根据权利要求8所述的高应变半导体结构，其特征在于，所述第一应力补偿层和所述第二应力补偿层均位于所述复合有源层中的驻波光场的波谷位置；所述量子阱层位于所述复合有源层中的驻波光场的波峰位置。

13.根据权利要求8所述的高应变半导体结构，其特征在于，所述高应变半导体结构为边发射半导体发光器件或面发射半导体发光器件。

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