CN1347582A - 利用第三族氮化物四元金属体系的半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种供半导体结构用的第III族氮化物四元材料体系,包括:激光二极管,晶体管,和光检测器,所述结构减少或消除相分离并提供增加的发射效率和可靠性。在举例性实施方案中,半导体结构包括:在基本没有相分离下形成的第一导电型的第一GaAlNAs层,基本没有相分离的GaAlNAs活性层,和基本没有相分离下形成的相反导电型的第三GaAlNAs层。
Description
相关申请
本申请与1999年3月26日以相同的发明人的名义提交并转让给相同的受让人的美国专利申请09/277,319相关联。
发明领域
本申请涉及半导体结构及其制备方法，特别是涉及第III族氮化物材料体系以及例如可能用于蓝或紫外激光二极管以及其它类似半导体的方法。
发明背景
蓝色激光源的开发成功宣告了下一代的高密度光学装置，包括磁盘存储器，DVD，等等的实现。图1示出了现有技术半导体激光装置的横截面图(S.Nakamura，MRS BULLETIN，Vol.23，No.5，pp.37-43，1998)。在蓝宝石基材5上，形成氮化镓(GaN)缓冲层10，然后形成n-型GaN层15，和0.1∏m厚的二氧化硅(SiO2)层20，使所述层20构图，以便形成4∏m宽的窗户25，其在GaN＜1-100＞方向上的周期性为12∏m。然后，形成n-型GaN层30，n-型氮化铟镓(In0.1Ga0.9N)层35，n-型氮化铝镓(Al0.14Ga0.86N)/GaN MD-SLS((调制掺杂应变层超晶格)Modulation Doped Stained-Layer Superlattices)包复层40，以及n型GaN包复层45。接着，形成In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NMQW(多量子阱(Multiple Quantum Well)活性层50，之后是p-型Al0.2Ga0.8N包复层55，p-型GaN包复层60，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层65，和p型GaN包复层70。在p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层55中形成脊形条结构，以便限制在侧向于脊形波导结构中传播的光场。在p-型GaN包复层70和n-型GaN层30上形成电极，以便提供电流注入。
在图1所示的结构中，n型GaN包复层45和p-型GaN包复层60是光导层。n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层65起包复层的作用，用于限制从InGaN MQW层50的活性区发射出的载流子和光线。n-型In0.1Ga0.9N层35起用于厚的AlGaN薄膜增长的缓冲层的作用，以便防止开裂。
通过利用图1所示的结构，通过电极将载流子注入InGaN MQW活性层50中，使得在400nm波长范围内进行光发射。由于在脊条区下的有效折射率大于脊条区外的有效折射率，因此，光场被限制在侧向的活性层中，这是由于在p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层65中形成的脊形波导结构所致。另一方面，由于活性层的折射率大于n型GaN包复层45和p-型GaN包复层60，n-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层40和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层60的折射率，因此，通过n型GaN包复层45，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40，p-型GaN包复层60，和p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层55，在横向将光场限制在活性层中。因此，获得了基本上横模的操作。
然而，对于图1所示的结构，难于使缺陷密度降低至低于10-8cm-2，这是因为AlGaN，InGaN，和GaN的晶格常数彼此完全不同，当n-型In0.1Ga0.9N层35，In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N MQW活性层50，n-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS包复层40，p-型Al0.14Ga0.86N/GaNMD-SLS包复层65，以及p-型Al0.2Ga0.8N包复层55超过临界厚度时，作为释放应变能量的一种方式，在结构中将产生缺陷。缺陷由相分离造成并且起激光吸收中心的作用，这将造成光辐射效率的降低并增加临阈电流。结果是：操作电流变大，这又将使得可靠性受损害。
此外，在图1所示的结构中，将InGaN的三元合金体系用作活性层。在这种情况下，带隙能量在1.9eV(InN)至3.5eV(GaN)之间改变。因此，能量值高于3.5eV的紫外光，通过利用InGaN活性层将不能获得。由于在例如更高密度光学磁盘存储系统和其它装置中，作为光学拾取装置的光源，紫外光是有吸引力的，因此，这将出现一些问题。
为更好地了解在常规三元材料体系中由相分离所造成的缺陷，必须理解InN，GaN和AlN之间晶格常数的失配。在InN和GaN，InN和AlN，以及GaN和AlN之间的晶格失配分别为11.3％，13.9％，和2.3％。因此，即使等效晶格常数与基材的等效晶格常数相同，但由于等效粘结长度在InN，GaN和AlN之间彼此不同，内部应变能量将积累在InGaN层中。为了降低内部应变能量，在InGaN晶格失配材料体系中，存在着发生相分离的组分范围，其中In原子，Ga原子，和Al原子不均匀地分布在所述层中。相分离的结果是：InGaN层中的In原子，Ga原子，和Al原子将不根据各组成层中的原子摩尔份数进行均匀地分布。这意味着，包括相分离的任何层的带隙能量分布也将变得不均匀。相分离部分的带隙区不成比例地起光学吸收中心的作用，或者使波导的光线产生光学散射。如上所述，解决这些问题的典型的现有技术的办法是增加驱动电流，因此将降低半导体装置的寿命。
因此，长期以来，一直需要一种半导体结构，该结构使由于相分离所致的晶格缺陷最少化，并且能够例如用作在高频发射蓝光或UV的激光二极管，以及用于其它半导体结构、如晶体管。
发明概述
通过实质上减少结构的层之间的相分离，通过提供明显减少缺陷密度的半导体结构，本发明基本克服了现有技术的限制。这又能够大大地改善发射效率。
为减少相分离，业已发现，可能提供带GaAlNAs层的半导体装置，其中在每层中Al成份以及As成份均匀分布。在光发射装置中，这使得光吸收损失和波导散射损失能够减少，从而形成高效率的光发射装置。通过仔细选择Al和As的用量，可以生产带至少两个通常带隙范围的装置，使得光发射装置不仅在红外而且在蓝/UV范围均得以开发。
在根据本发明的GaAlNAs四元材料体系的第一举例性实施方案中，当由x表示的Al含量，和由y表示的As含量满足条件3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于一恒定值时，找到了避免相分离充分的均匀性。由于在该结构中组成层的晶格常数相互很接近，在绝大多数情况下基本相等，因此抑制了缺陷的产生，将不会产生相分离。
根据本发明的装置通常包括：彼此顺序形成的第一导电型的GaAlNAs材料的第一层，GaAlNAs活性层和相反导电型的GaAlNAs材料的层。根据公式3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy约等于一常数，例如约等于3.18，维持所述摩尔份数，组成层的晶格常数将保持相互基本相等，这将减少缺陷的产生。
在另一实施方案中，利用四元材料体系，以便消除相分离并促进横跨层界面的均匀性，基本如上所述制备半导体结构。因此，如前所述，第一包复层是第一导电型的并且是GaAlNAs组分，活性层是第二组分的GaAlNAs，而第二包复层是相反导电型的、具有第一层组分的GaAlNAs。然而，除此之外，第二包复层具有脊结构。如前所述，减少了光吸收损失和波导散射损失，这将产生更高的效率，其中所增加的益处是：光场能够在侧向限制在脊结构下的活性层中。该结构也允许基本上横模操作。
在本发明的第三实施方案中，特别适合的装置是激光二极管，该半导体结构包含：第一导电型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包复层，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性层，和相反导电型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包复层，每层均顺序地形成在先前的层上。在这样的材料体系中，其中x1，x2，和x3限定Al成份，而y1，y2，和y3限定As成份，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的关系如下：0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分别为GaN，GaAs，AlN，和AlAs的带隙能量。
为提供根据上述材料体系的可再现的半导体结构，GaAlNAs层的举例性实施方案具有Al含量，x，和As含量，y；其满足如下关系：0＜x1＜1，0＜y1＜1和0.26x+37y＜＝1。如前所述，该材料体系能够降低光吸收损失和波导散射损失，从而形成高效率的光发射装置。此外，当x1，y1，x2，y2，x3，和y3具有如下关系：0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2时，活性层的GaAlNAs的带隙能量变得低于第一包复层和第二包复层的带隙能量。在这些条件下，注入的载流子将限制在活性层中。在至少某些实施方案中，优选的是，第三光发射装置具有GaAlNAs的单或多量子阱活性层，其中，所有组成层的Al含量，xw，和As含量，yw，满足如下关系：0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
前述结构的益处之一在于：降低了激光二极管的临阈电流密度。这能够通过利用单或多量子阱结构来实现，所述量子阱结构将降低活性层各状态的密度。这将使得粒子数反转所需的载流子密度变得更小，从而产生降低的或低的临阈电流密度的激光二极管。
优选的是，在第三光发射装置中，满足3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys约等于一常数--约等于3.18--这样的条件，其中，xs和ys分别为各组成层中Al含量和As含量。如前所述，这将使得各组成层的晶格常数相互基本相等，这又将大大地使相分离所致的缺陷最少化。
在本发明的第四实施方案中，半导体结构可以包含：第一导电型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包复层，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性层，和相反导电型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包复层，每层均顺序地形成在先前的层上。此外，第二包复层具有脊结构。对于前述材料体系，其中x1，x2，和x3限定Al的含量，而y1，y2，和y3限定As的含量，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的关系如下：0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分别为GaN，GaAs，AlN，和AlAs的带隙能量。
与前面的实施方案一样，每个GaAlNAs层均具有均匀的Al和As成份的分布，当每个GaAlNAs层的Al成份，x，As成份，y满足0＜x1＜1，0＜y1＜1和0.26x+37y＜＝1时，能够可再现地得到所述含量。当0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2时，GaAlNAs活性层的带隙能量变得低于第一包复层和第二包复层的带隙能量。与先前实施方案相同，注入的载流子被限制在活性层中，并且光场在侧向被限制在脊结构下的活性层中，这将产生基本横模的操作。
也与先前实施方案相同，第四实施方案通常包括：GaAlNAs的单或多量子阱活性层，其中，所有组成层的Al含量，xw，和As含量，yw，满足如下关系：0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。另外，通常也满足3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys约等于一常数--约等于3.18--这样的条件，其中，xs和ys分别为各组成层中Al和As的含量。类似的参数适用于其它基材，如蓝宝石，碳化硅等等。
利用常规的处理温度和时间，通常在500℃-1000℃，可以取得前述结果。参见“利用低压金属有机化学剂蒸汽沉积的、高光学和电学质量GaN层的增长”(应用物理通讯58(5)，1991年2月4日，第526页等)。
通过结合附图对本发明下面的详细说明，可以更好地理解本发明。
附图
图1示出了利用常规三元材料体系的、现有技术的激光二极管结构。
图2示出了根据本发明第一实施方案的半导体结构的横截面图。
图3示出了根据图1结构的激光二极管光-电流特性图。
图4示出了用于制备本发明第一实施方案的半导体结构的一系列举例性步骤。
图5示出了根据第二实施方案的半导体结构的横截面图。
图6示出了根据图4结构的激光二极管的光-电流特性图。
图7示出了用于制备本发明第一实施方案的半导体结构的一系列举例性步骤。
图8是第三实施方案的半导体激光二极管的横截面图。
图9示出了第三实施方案的激光二极管的光-电流特性图。
图10示出了第三实施方案的一试验例中的半导体激光二极管的一系列制备步骤。
图11是第四实施方案的半导体激光二极管的横截面。
图12示出了第四实施方案的激光二极管的光-电流特性图。
图13示出了第四实施方案的一试验例中的半导体激光二极管的一系列制备步骤。
图14以绘图形式示出了：在不同增长温度下相分离区和没有相分离的区之间的边界。
图15示出了在低于约1000℃的增长温度下，为避免相分离而对InGaAlN中的Ga含量和Al含量的含量选择线。
图16示出了：在低于约1000℃的增长温度下，同时使InGaAlN的晶格常数基本上等于GaN的晶格常数，为避免相分离而对InGaAlN中的Ga含量和Al含量的含量选择线。
图17A和17B示出了：根据本发明材料体系构成的双极和FET晶体管的示图。
图18示出了作为光电晶体管的本发明的装置。
图19示出了作为光电二极管的本发明的装置。
发明详述
首先参考图2，其中在横截面图中示出的是根据本发明第一实施方案的半导体结构。尽管本发明可用于许多形式的装置，但为进行说明，在许多图中示出的半导体结构将是激光二极管。特别是参考图2，提供n型GaN基材100并在其上形成n型GaN第一包复层105(通常为0.5微米厚)。然后，在其上形成约1.5微米厚的、通常是n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021材料的第二包复层110，之后是多量子阱活性层115，在举例性排列中，上述多量子阱活性层可以包含：三个厚度约35埃的、Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料的量子阱层以及以三对排列的、四个厚度约35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013材料的阻挡层。接着，形成p型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021(通常约1.5∏m厚)的第三包复层，之后是p型GaN第四包复层125(约0.5微米厚)。然后，在p型GaN第四包复层125上形成带有条状窗户区135(3.0微米宽)的SiO2层130。在n型GaN基材100上形成第一电极140，同时在SiO2层130和窗户区135上形成第二电极145。
为了从活性层115发射波长为360纳米的紫外光，使所有层的Al含量，x和As含量，y满足：3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys约等于一常数，至少对于第一实施方案，可以约等于3.18。为避免由相分离所致的缺陷，不同组成层的晶格常数通过对各层中Al含量，x，和As含量，y进行设置而相互匹配，以满足如下条件：3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys约等于一常数，至少对于第一实施方案，可以约等于3.18ρ0.05，以致使各层的等效晶格常数约等于GaN的晶格常数。
通过对材料适当的选择，使n型第二包复层110和p型第三包复层120的带隙能量大于3对多量子阱活性层115的带隙能量。这将来自n型第二包复层110和p型第三包复层120的注入载流子限制在活性层115中，在其中，载流子再结合而发射紫外光。此外，n型第二包复层110和p型第三包复层120的折射率小于多量子阱活性层115的折射率，这将使光场限制在横向。
由于对从电极145注入的电流进行限制而流经窗户区135，因此，在窗户区下活性层115中的区域将被强力激活。这将使得窗户区6a下的活性层中的局部模态增益大于SiO2层下的活性层中的局部模态增益。因此，导致激光振荡、由波导机械引导的增益能够在第一实施方案的结构中形成。
图3示出了发射光对根据第一实施方案构成的激光二极管的驱动电流的作图。激光二极管通过有荷因数为1％的脉冲电流驱动。临阈电流密度为6.0kA/cm2。
图4A-4D顺序示出了：构成根据第一实施方案举例性激光二极管所需制备步骤的概要。由于由图4A-4D得到的结构与图2中的结构类似，因此，当可能时将相同的参考号用于各元件。首先参考图4A，首先提供n型GaN基材100，然后在其上增加n型GaN第一包复层105。所述第一包复层105的厚度通常为0.5微米。然后，形成厚度通常为1.5微米的、n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第二包复层110。
接着，通过形成由三层每层厚度约35埃的、Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料组成的三个量子阱，以及每层厚度约35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013材料的四个阻挡层，而形成多量子阱活性层115。接着，形成p型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021(通常约1.5微米厚)的第三包复层120，之后形成p型GaN第四包复层125(约0.5微米厚)。其中各层通常通过金属有机化学剂蒸汽沉积法(MOCVD)或分子束外延(MBE)法形成。
然后，如图4B中所示，例如通过化学剂蒸汽沉积(CVD)法，在p型GaN第四包复层125上形成SiO2层130。利用光刻法和蚀刻法或任何其它合适的方法，如图4C中所示，形成窗户区135。在至少某些实施方案中，窗户区135可以是条状的。最后，如图4D中所示，通过蒸发或任何其它合适的方法，分别在n型GaN基材100上和在SiO2层130上形成第一电极140和第二电极145。
接着参考图5，本发明半导体结构的第二实施方案将更易理解。与第一实施方案一样，第二实施方案的举例性应用是形成激光二极管。第二实施方案的结构使波导机械能够建立在带实际折射率引导的该结构中。本实施方案提供低临阈电流密度的激光二极管，它能够利用基本上横模进行操作。
继续参考图5，为参考方便，将相同的元件用相同的参考号表示。在n型GaN基材100上，形成约0.5微米厚、n型GaN的第一包复层105。顺序地形成1.5微米厚、材料的、n型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第二包复层110。然后，形成多量子阱活性层115，该层包含：约35埃厚的Ga0.95Al0.05N0.996As0.004材料的三个量子阱层以及厚度也是约35埃的、Ga0.85Al0.15N0.987As0.013的四个阻挡层。接着，形成约1.5微米厚、Ga0.75Al0.25N0.979As0.021材料的第三p型包复层120。然后，在第三包复层120的脊结构500上面形成约0.5微米厚的、p型GaN第四包复层125。然后，部分除去第三和第四包复层，从而产生脊结构500。然后，在第四包复层125以及第三包复层120的剩余暴露部分上形成二氧化硅(SiO2)层130。分别通过第四和第三包复层125和120上的二氧化硅层，而形成可以是条状的、宽度约2.0微米的窗户区135。与第一实施方案一样，在n型GaN基材100上形成第一电极140，并在二氧化硅层130上和窗户区135上形成第二电极145。
与第一实施方案一样，为了从活性层14发射波长为350纳米的紫外光，将量子阱层中Al的含量，x，和As的含量，y分别设置在0.05，和0.04。同样地，为了使不同组成层的晶格常数匹配，以避免由应变所致的缺陷，使各层中Al含量，x，和As的含量，y满足如下条件：3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsys约等于一常数，例如可以约等于3.18ρ0.05。同样地，将各包复层的带隙能量保持在大于活性层的带隙能量，以便能够发射紫外光。同样地，材料的折射率如第一实施方案中所讨论的那样，这使得光场被限制在横向。
类似于第一实施方案的操作，在窗户区135下的活性层115的区域，由于通过二氧化硅层对注入电流进行约束，因此被强力激活。该结果又将使得：窗户区135下的活性层中的局部模态增益大于SiO2层下的活性层中的局部模态增益。结合在脊条区内在横向相对更高有效折射率(与脊条区外的折射率相比)，这将提供有效的折射率跃变(эn)。这将形成具有实际折射率引导的内置波导机械的结构。因此，第二实施方案的设计提供了：能够利用基本横模进行操作的、低临阈电流的激光二极管。
图6示出了发射光与根据第二实施方案的激光二极管的驱动电流特性的图。该激光二极管利用cw电流驱动。发现，临阈电流为38.5mA。
接着参考图7A-7E，其中示出了：根据第二实施方案半导体激光二极管的举例性装置关键制备步骤的概要。
首先参考图7A和7B，首先，在n型GaN基材100上形成第一和第二包复层105和110，以及与第一实施方案相同的三对多量子阱活性层115。然后，形成第三和第四包复层120和125，再部分地除去--通常通过蚀刻--以便形成脊结构500。如前所述，在举例性实施方案中，通过MOCVD或MBE法顺序地形成各层。
然后，如图7C-7E所示，通常通过CVD法，分别在第四和第三包复层125和120上形成二氧化硅层130，然后，与第一实施方案一样形成窗户区135。然后蒸发电极140和145，或另外粘结至结构上。
接着参考图8，本发明第三实施方案将更易理解。第三实施方案提供稍稍不同的摩尔份数，以便能够发射蓝光，但其它与第一实施方案相同。因此，继续使用n型GaN基材100，以及n型GaN第一包复层105。然而，第二包复层810通常是约1.5微米厚的、n型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料，而三对量子阱活性层815通常包括：Ga0.78Al0.22N0.999As0.001材料的三个阻挡层，以及Ga0.73Al0.27N0.995As0.005材料的四个阻挡层。第三包复层820通常是p型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料，而第四包复层125，与第一实施方案相同，是p型GaN材料。各层的厚度与第一实施方案基本相同。二氧化硅层130，窗户区135，以及第一和第二电极140和145完成所述结构。
为了从活性层815发射波长为410纳米波长范围的蓝光，将量子阱层815内Al的含量和As的含量分别设置在0.22和0.001。为了匹配组成层的晶格常数，以避免由应变所致的缺陷，使各层中Al的含量，x，和As的含量，y满足如下条件：3.18(1-x)(1-ys)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy约等于一常数。对于举例性的第三实施方案，该恒定值可以约等于3.17ρ0.05。
尽管第三实施方案发射蓝光，而第一实施方案发射紫外光，但继续将包复层的带隙能量设置成大于三对多量子阱活性层815的带隙能量。如前所述，允许载流子在活性层815中进行限制和再结合。另外，也与第一实施方案一样的是，通过设计，使第二和第三包复层的折射率小于活性层的折射率，这将使得光场被限制在横向。同样地，与二氧化硅层130下的活性层部分相比，窗户区135下的强的电流注入，将在活性层中得到相对更高的局部模态增益，这又将产生导致激光振动的、引导的波导机械。
图9示出了发射光与根据第三实施方案激光二极管的驱动电流特性的作图。激光二极管通过有荷因数为1％的脉冲电流驱动。临阈电流密度为5.7kA/cm2。
图10A-10D示出了：第三实施方案一实施例中的半导体激光二极管的一系列制备步骤。可以理解的是，这些制备步骤与图4A-4D中所述的步骤相同，并因此不进一步描述。
接着参考图11，将更容易理解本发明的第四实施方案。与第三实施方案一样，将第四实施方案设计成发射蓝光并因此具有与第三实施方案相同的摩尔份数。然而，与第二实施方案一样，构成第四实施方案，以便提供起波导作用的脊结构。由于摩尔份数与图8的相同，因此，相同的元件将利用图8中所用的参考号进行描述。
继续参考图11，可以看出，第四实施方案的结构具有：在其上形成第一包复层105然后形成第二包复层810的GaN基材100。然后在其上形成三对多量子阱活性层815，之后是第三包复层820。第四包复层125，二氧化硅层130，窗户区135和电极140和145均如前所述形成。如图8所示，保持材料中Al的含量和As的含量，或分别将其保持在0.22和0.001。同样地，与第三实施方案一样，将各层的Al含量，x，和As含量，y设置成满足如下条件：3.18(1-x)(1-ys)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy约等于3.17的常数。用于电流注入的带隙能量，折射率和模态增益基本上与第三实施方案中讨论的相同，并因此不进一步进行讨论。
图12是驱动电流对根据第四实施方案构成的激光二极管的发射光的作图。临阈电流为33.0mA。
图13示出了根据第四实施方案的半导体激光二极管制备步骤的概要。这些步骤基本上与图7A-7E中讨论的步骤相同，因此不进一步进行讨论。
接着参考图14，可以更好的理解对Al含量，x，和As含量，y的选择，以及GaAlNAs组成层之间的关系。特别是，要求Al和As含量满足如下关系：0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。
在GaAlNAs材料体系中，GaN，AlN，GaAs和AlAs的晶格常数各不相同。例如，在GaN和GaAs之间，AlN和AlAs之间，以及在GaN和AlN之间的晶格失配分别为25.4％，28.6％，和2.3％。因此，内部应变能量将积累在GaAlNAs层内，即使由于在GaN，AlN，GaAs和AlAs之间的等效粘结长度各不相同而使等效晶格常数与基材相同时也是如此。图14示出了相分离区的边界对不同增长温度的作图。图14中的线示出了相对于不同温度组分不稳定(相分离)区和稳定区之间的边界。在发生相分离的情况下，根据各组成层中的原子含量，在GaAlNAs层中的Ga原子，Al原子，N原子，和As原子不均匀地分布。与所述的不同的是，在层中，相分离层的带隙能量分布也将变得不均匀。在相分离层中相对小带隙能量区的区域将起光学吸收中心的作用，或使波导光产生光学散射。这意味着，为得到高效光发射装置，应当避免相分离现象。
仍然参考图14，可以看出，相分离随温度而改变。图14中的线示出了相对于不同温度组成不稳定区域--即导致相分离的区域--和稳定区域之间的边界。被GaAs-GaN线，AlAs-AlN线和边界线包围的区域示出了相分离中心区。业已发现，三元合金AlNAs和GaNAs，由于在AlN和AlAs，以及在GaN和GaAs之间严重的晶格失配，因此具有大的相分离区域。另一方面，已发现，三元合金GaAlN和GaAlAs在约1000℃的结晶增长温度下没有相分离区，这是由于在AlN和GaN之间，以及在AlAs和GaAs之间小的晶格失配所致。
因此，已发现，能够提供：其中通常的结晶增长温度在约600℃至约1000℃范围内的GaAlNAs材料体系。同样地，业已发现，在约600℃和约1000℃之间的处理温度时，不会明显地发生GaAlNAs的Al成份，和As成份的相分离。最后，通过将两个区与分离这两个区的线相结合，所述两个区由关系式0.26x+37y＝1来确定；其中发现，在低于约1000℃的结晶增长温度下，为避免相分离对GaAlNAs中Al成份和As成份的成份选择区(即所述的两个区)是图15中的阴影区。
因此，当使激光二极管的所有组成层中Ga摩尔份数，x，和AlN摩尔份数，y满足关系式，0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1时，对于上述第四结构实施方案的每一个，通过在约600℃和约1000℃之间的结晶增长温度下进行操作，将能够避免InGaAlN材料体系中的相分离现象。结果是：根据原子摩尔份数，在每个组成层中Ga原子，Al原子，N原子和As原子基本均匀的分布。
图16示出了：在GaAlNAs体系中Al成份，x，As成份，y的成份选择线，以避免在低于约1000℃的增长温度下的相分离并仍然保证与GaN合理的晶格匹配。图16中的线示出了：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18的举例线。因此，通过保证：在GaN基材上形成的激光二极管的GaAlNAs组成层的Al含量和As含量具有如下关系：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy约等于1并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1，将能够得到在GaN基材上的激光二极管，该二极管具有低的缺陷密度并且没有或几乎没有相分离。
此外，利用上述材料体系，能够制备其它的半导体结构。第III族氮化物材料，尤其是GaN和AlN适用于能够在高功率和高温条件下操作的电子装置，例如微波功率晶体管。这部分是由其宽带隙(GaN为3.5eV，AlN为6.2eV)，高击穿电场，以及高饱和速度所造成的。通过对比，AlAs，GaAs，和Si的带隙分别为2.16eV，1.42eV，和1.12eV。这已引起了将AlGaN/GaN材料用于这样的场效应晶体管(FETs)的重大探索。然而，如前所述，AlGaN和GaN不同的晶格常数将产生明显的缺陷，限制电子在最终结构中的移动性和所述材料体系用于FET的用途。
本发明基本克服了现有技术的限制，其中，本发明的GaAlNAs材料的晶格常数等于GaN的晶格常数。如上所述，Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料体系不仅具有大于3.5eV的带隙，而且还具有基本上等于GaN的晶格常数；其中Al含量(x)和As含量(y)满足如下关系：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy约等于1并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。这将能够制备如FETs这样的半导体结构，所述结构在不同层中具有基本均匀的原子含量分布。因此，通过使用本发明的GaAlNAs材料体系，将能够实现具有低缺陷密度的、高功率和高温晶体管；其中所述材料中Al的摩尔份数(x)，和As的摩尔份数(y)满足上述关系。
参考图17A，其中示出了：利用本发明的GaAlNAs/GaN材料的异质结场效应晶体管(HFET)的一举例性实施方案。在GaN基材520上形成0.5微米的i-GaN层525，然后形成一约10纳米厚的GaN传导通道层530和10纳米厚的GaAlNAs层535。源电极和漏极540A-B，以及栅极545以常规方式形成。在该结构中，将GaAlNAs层中的Al含量(x)和As含量分别设置为0.25和0.021。在这种情况下，x和y值满足如下关系：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy约等于3.18并且0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。这将使得GaAlNAs层中基本上没有相分离并且晶格常数等于GaN。由于在GaAlNAs和GaN层的异形界面中形成的二维电子气不会由于GaAlNAs层原子含量的波动(如可能是在存在缺陷下引起的)而散射，因此，这又将能够实现高的电子速度。此外，GaAlNAs的带隙大于4eV，因此，通过利用图17A所示的结构，能够实现可靠的高温操作。
同样地，图17B示出了：本发明异质结双极晶体管(HBT)的实施方案。首先在GaN基材550上形成400纳米厚的n型GaAlNAs集电极层555，然后形成50纳米厚的p型GaN基极层560，和300纳米厚的发射极层565。基极570，集电极575和发射极580按常规方式形成。与图17A一样，对于图17B的举例性实施方案，将GaAlNAs层中Al的含量(x)和As的含量(y)分别设置为0.25和0.021，并且要求x和y值满足如上所述相同的关系。与图17A一样，实现了：GaAlNAs层没有明显的相分离并且晶格常数等于GaN，结果形成了很高质量异质结的GaAlNAs/GaN。此外，GaAlNAs发射极层的带隙(4eV)大于GaN基极层(3.5eV)，因此，在p型基极层中产生的空穴被很好地限制在基极层中。由于GaN和GaAlNAs之间的价带不连续性大于在GaN异质结双极晶体管中可能产生的价带不连续性，因此，造成了所述的结果。这将具有相对于基极电流获得集电极电流大幅增大的益处。此外，如上所述，GaAlNAs和GaN层的带隙较大，结果是，晶体管能够在高温应用中可靠地使用。
接着参考图18，其中示出了作为光电晶体管的本发明的装置。在这点上，由于GaN和AlN均具有宽的带隙(对于GaN为3.5eV，这相当于350纳米的光波长，对于AlN为6.2eV，这相当于200纳米的光波长)，因此，GaN和GaAlN对于在紫外(UV)范围内的光检测器是有吸引力的材料。由于直接带隙和AlGaN在整个AlN合金组分范围内的有效性，因此，AlGaN/GaN基UV光检测器具有高量子效率这样的优点，以及高截止波长的可调谐性。然而，AlGaN的晶格常数明显不同于GaN，因此往往会形成缺陷，这将使漏电电流增加。Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料体系不仅提供大于2.8eV的带隙，而且还能够以相同原子含量分布的层的形式来制备，因此，GaAlNAs材料也能够用于UV光检测器的应用；其中Al含量(x)和As含量(y)满足如下关系：0＜x＜1，0＜y＜1，0.26x+37y＜＝1。此外，Al含量(x)和As含量(y)满足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18的Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料的晶格常数等于GaN并且带隙大于3.5eV。因此，通过使用本发明的GaAlNAs/GaN材料，将能够实现具有低缺陷密度的、UV光检测器；其中所述材料中Al的含量(x)，和As的含量(y)满足上述关系。在希望对其它频率进行检测的情况下，例如对蓝光进行检测，仅需要稍稍的进行变更。
如图18所示，利用GaAlNAs/GaN材料，本发明的半导体装置能够以异质结光电晶体管的形式实施。首先在GaN基材700上形成约500纳米厚、n型的GaAlNAs集电极层705，然后形成200纳米厚的p型GaN基极层710。然后，形成约500纳米厚的GaAlNAs发射极层715。在发射极层上，形成一脊形电极720，以便使光线能够射到基极层上。
在举例性结构中，将GaAlNAs层中的Al含量(x)和As含量分别设置为0.25和0.021。在这种情况下，x和y值满足如下关系：0＜x＜1，0＜y＜1和0.26x+37y＜＝1，并且3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11(1-y)x+4xy＝3.18，结果是，GaAlNAs层能够在基本上没有相分离同时晶格常数等于GaN下形成，因此能够形成高质量异质结的GaAlNAs/GaN。GaAlNAs发射极层的带隙(4eV，相当于307纳米的波长)大于GaN基极层的带隙(3.5eV，相当于350纳米的波长)。光线射在发射极侧。对于所示出的实施方案，对于发射极层，307纳米和350纳米间波长范围内的的入射光是可穿透的，因此，该范围内的光线被吸收在GaN基极层中，并产生电子对和空穴对。由于GaN和GaAlNAs之间的价带不连续性大于常规GaN同质结光电晶体管的价带不连续性，因此，在p型基极层中的光吸收所产生的空穴被很好地限制在基极层内。这将诱导出更大的发射极电流，与同质结光电晶体管相比，这又将在基极区中提供更好的电子补偿。因此，得到了：高量子效率和高灵敏度、以及从输入光至集电极电流最终的高转换效率的光检测器。在须检测其它频率的情况下，例如检测蓝光，可以用InGaN替代GaN基极层。
除图18的光电晶体管实施方案以外，另外还可能完成本发明的发光二极管。参考图19，首先提供n型基材900，并在基材上形成n型GaN第一包复层905。再在该包复层上形成Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料或等同物的n型层910，这符合图18中所述的关系。然后形成活性层915，并在该层上形成p型Ga1-xAlxN1-yAsy四元材料层920。然后，在层920上形成p型第二包复层925，并在其中形成窗户930，以便暴露部分层920。窗户930提供开口，由此光线能够射至层920上，产生空穴。可以常规的方式制备一对电极935和940，其中电极935通常是环绕窗户930的环形电极。可以理解的是，第二包复层925的带隙优选大于层920的带隙，而层920的带隙依次优选大于活性层915的带隙；这样的方法给宽范围波长的光线提供了灵敏度。如果希望窄波长范围，可以将低于层920带隙的材料用于层925。此外，由于在至少某些场合下层910，915和920提供适当的光敏pn-结，因此，也不需要在所有实施方案中包括层925。
业已充分描述了本发明的优选实施方案和各种变更，但本领域普通技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的情况下尚存在许多变更和等同物。因此，本发明不被前述说明限定，而是由所附的权利要求书来限定。
Claims (15)
1.一种半导体结构，包含：
具有第一导电型的、GaAlNAs材料的第一包复层，
GaAlNAs活性层，和
与第一导电型相反导电型的GaAlNAs材料的第二包复层，对各层组成部分的摩尔份数进行选择，以使相分离最小化。
2.一种半导体结构，包含：
具有第一导电型的、GaAlNAs材料的第一包复层，
GaAlNAs活性层，和
与第一导电型相反导电型的GaAlNAs材料的第二包复层，对各层组成部分的结晶增长温度和摩尔份数进行选择，以使相分离最小化。
3.根据权利要求1的光发射装置，其中，所有组成层的Al含量，x，和As含量，y，满足如下条件：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于一恒定值。
4.根据权利要求1的光发射装置，其中，所有组成层的Al含量，x，和As含量，y，满足如下条件：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于3.18。
5.一种光发射装置，包含：
没有相分离的、第一导电型的、GaAlNAs材料的第一包复层，没有相分离的、GaAlNAs活性层，和没有相分离的、第二导电型的、GaAlNAs材料的第二包复层，所述GaAlNAs第二包复层具有脊结构，所有层均顺序形成。
6.根据权利要求4的光发射装置，其中，所有组成层的Al含量，x，和As含量，y，满足如下条件：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于一恒定值。
7.根据权利要求4的光发射装置，其中，所有组成层的所有组成层的Al含量，x，和As含量，y，满足如下条件：3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于3.18
8.一种光发射装置，包含：
第一导电型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包复层，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性层，和相反导电型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包复层，每层均顺序地形成在先前的层上。在这样的材料体系中，其中x1，x2，和x3限定Al成份，而y1，y2，和y3限定As成份，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的关系如下：0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分别为GaN，GaAs，AlN，和AlAs的带隙能量。
9.根据权利要求8的光发射装置，其中所述活性层为GaAlNAs单或多量子阱活性层，其Al含量，xw，和As含量，yw，满足如下关系：0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
10.根据权利要求8的光发射装置，其中，满足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于一常数这样的条件，其中，xs和ys分别为各GaAlNAs组成层中Al的含量，和As的含量。
11.根据权利要求8的光发射装置，其中，满足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于3.18这样的条件，其中，xs和ys分别为各GaAlNAs组成层中Al的含量，和As的含量。
12.一种光发射装置，包含：
第一导电型的Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料的第一包复层，Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料的活性层，和相反导电型的Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料的第二包复层，每层均顺序地形成在先前的层上，此外，第二包复层具有脊结构，对于前述材料体系，其中x1，x2，和x3限定Al的含量，而y1，y2，和y3限定As的含量，并且x1，y1，x2，y2，x3，和y3的关系如下：0＜x1＜1，0＜x2＜1，0＜x3＜1，0＜y1＜1，0＜y2＜1，0＜y3＜1，0.26x1+37y1＜＝1，0.26x2+37y2＜＝1，0.26x3+37y3＜＝1，EgGaN(1-x1)(1-y1)+EgGaAs(1-x1)y1+EgAlNx1(1-y1)+EgAlAsx1y1＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，而，EgGaN(1-x3)(1-y3)+EgGaAs(1-x3)y3+EgAlNx3(1-y3)+EgAlAsx3y3＞EgGaN(1-x2)(1-y2)+EgGaAs(1-x2)y2+EgAlNx2(1-y2)+EgAlAsx2y2，式中，EgGaN，EgGaAs，EgAlN，和EgAlAs分别为GaN，GaAs，AlN，和AlAs的带隙能量。
13.根据权利要求12的光发射装置，其中，所述活性层是GaAlNAs的单或多量子阱活性层，其中，所有组成层中Al含量，xw，和As含量，yw，满足如下关系：0＜xw＜1，0＜yw＜1和0.26xw+37yw＜＝1。
14.根据权利要求12的光发射装置，其中，满足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于一常数这样的条件，其中，xs和ys分别为各GaAlNAs组成层中Al的含量，和As的含量。
15.根据权利要求11的光发射装置，其中，满足3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x((1-y)+4xy约等于3.18这样的条件，其中，xs和ys分别为各GaAlNAs组成层中Al的含量，和As的含量。
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