CN1497743A - 具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种容易实现具有在一个分子层水平上的平坦性的外延的氮化物系异质结构的器件及其制造方法。本发明的器件具有：表面氮化的c面兰宝石基片1，GaN缓冲层2，N极性GaN层3，N极性AlN层4，N极性InN/InGaN多重层器件结构5，Al极性AlN6和GaN盖层7。

Description

具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有氮化铟(InN)本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构的光学和/或电子器件(作为光通信用的光源的温度特性好的半导体激光二极管，发光二极管，毫微微秒领域的超高速光控制器件，共鸣隧道二极管，超高速超省电力器件等)及其制造方法。在本说明书中，所谓以InN为主要成分是指材料中含InN在50％以上。另外，所谓氮极性表面或具有与它同样特性的表面是指例如(001)面或(101)面等那样，以有极性作为氮极性的表面，和从该表面在10度以内倾斜的表面。
背景技术
以氮化镓(GaN)作为主要成分的氮化物半导体，可以利用作为从紫外光至可视光区域中的发光元件和超高速的电子器件用的材料。近年来，InN的能量带隙为0.7ev，比以前的报告值小得多，含有InN的氮化物系异质半导体可涵盖0.7ev以下的极广的能量带隙。因此，含有InN本身或以InN为主要成分的氮化物的器件，可在极广的温度范围内使用，可以利用作为必需有大量图象信息通信的近年来的超高速、超宽带光信息通信时代的光源或中继基地局的超高速大电力放大器等基干的光电子器件的材料。
氮化铝/氮化铟/氮化镓(AlN/GaN/InN)系氮化物系半导体具有六方晶体的结晶结构。在兰宝石或碳化硅(SiC)基片等上形成的多个器件，其结晶的c轴与基片表面大致垂直。其中，利用AlN或GaN的外延，Al或Ga的阳离子元素成长表面方向的结晶极性(+c极性)，在进行结晶成长控制和器件结构控制方面较好。然而，InN和以InN为主要成分的氮化物系结晶，对外延的结晶极性的影响还没有阐明，一般认为，与GaN等同样。通过氮化物半导体整体的+c极性较好。(例如参考非专利文献1、2)。
非专利文献1：
Y.Sa to et al.“Polarity of High-Quality Indium Nitride Grown byRF Molecular Beam Epitaxy”，phys.Stat.Sol.(b)228，No.1(2001)pp.13-16.
非专利文献2：
A.Yoslikawa et al.“In situ investigation for polarity-contorled epi taxy proces ses of GaN and AlN in MBE and MOVPF groth”，Optical Materials 23(2003)pp.7-14.
InN本身或以InN为主要成分的混晶的结晶成长，因InN本身的平衡蒸气压高，因此结晶成长(异质外延)极其困难。另外，设定光通信波长域的光器件和超高速，超省电力的高性能电子器件，都必须具有超薄膜和超陡峭异质界面。因此，目前要实现具有所谓步进式流动成长等的一个分子层水平的平坦性的外延很困难。而且，利用习知的成膜技术所制造的器件结晶品质不大好，必须大幅度地改善结晶性。
由此可见，上述现有的具有氮化物系异质结构的器件仍存在有诸多的缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的具有氮化物系异质结构的器件的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的具有氮化物系异质结构的器件存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新的具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法，能够改进一般现有的具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，着眼于对InN和以InN为主要成分的氮化物系半导体的外延的极性的影响，而提供一种具有能够容易地实现具有一个分子层水平的平坦性的外延的氮化物系异质结构的器件及其制造方法。
本发明的另一目的在于，提供一种通过提高外延的温度，实现提高氮化物系薄膜结晶本身及其异质器件结构的品质的制造方法。
本发明的再一目的在于，提供一种能够高速制造氮化物系薄膜及其异质接合器件结构和可增大基片尺寸面积的制造方法。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具有氮化物系异质结构的器件，其具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构，至少一部分上具有氮的极性表面或具有与它相同特性的表面的结晶。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有氮化物系异质结构的器件的制造方法，其是具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构的器件的制造方法，其特征在于：在上述器件的至少一部分上，形成氮的极性表面或具有与它同样的特性的表面的结晶。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：
本发明提出一种具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法，
具有本发明氮化物系异质结构的器件，其特征为，它具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构，至少一部分上具有氮的极性表面或具有与它相同特性的表面的结晶。
另外，具有本发明的氮化物系异质结构的器件的制造方法，它是具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构的器件的制造方法，其特征为，在上述器件的至少一部分上，形成氮的极性表面或具有与它同样的特性的表面的结晶。
采用本发明，通过至少在一部分上形成氮极性表面或具有与它同样特性的表面(例如，对表面有10°以内的倾斜表面)的结晶，由于可以在外延和器件制造时，即使在例如氮过剩的条件下，也可提高外延的温度，容易得到如步进式流动二维成长一样的平坦性好的表面，因此可以实现提高薄膜结晶品质和容易实现具有一个分子层水平的平坦性的外延的氮化物系异质结构的器件及其制造方法。另外，InN本身或以InN为主要万分的外延本身困难，因此除了本发明以外，不可能实现步进式流动二维成长。
综上所述，本发明特殊结构的具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法，具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及制造方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体结构及其制造方法由以下实施例及附图详细给出。
附图说明
图1是具有本发明的氮化物系异质结构的器件的截面示意图。
图2是制造具有本发明的氮化物系异质结构的器件的外延系统示意图。
图3是在N极性GaN模板上的InN成长顺序的例子示意图。
图4是在相同的成长条件(In和N的供给原料电子束比率根据化学计算法条件，设定在N过剩侧的情况)下，对In极性和N极性情况下的InN成膜速度对温度的依存性的比较图。
图5是表示在GaN上的InN成长的用分光椭圆对称(SE)进行的现场观察的示意图。
图6是利用直冲突同轴离子散乱分光装置解析的InN的极性的示意图。
图7A是InN外延膜的扫描电子显微镜图象的表面照片示意图。
图7B是InN外延膜的原子间力的显微镜图象的表面照片示意图。
图8是InN外延膜的χ射线绕射评价：(002)和(102)面的摇摆曲线的半值宽度分别为233和970角度秒；电子移动度为2000cm2/V.sec的示意图。
图9是表示本发明的器件的第一个实施例的示意图。
图10是表示本发明的器件的第二个实施例的示意图。
图11是表示本发明的器件的第三个实施例的示意图。
图12是表示本发明的器件的第四个实施例的示意图。
图13是表示本发明的器件的第五个实施例的示意图。
图14是表示本发明的器件的第六个实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法其具体结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
现参照附图来详细说明具有本发明的氮化物系异质结构的器件及其制造方法的实施例。
请参阅图1所示，是具有本发明的氮化物系异质结构的器件的截面图。该器件具有表面氮化的c面兰宝石基片1；GaN缓冲层、InN缓冲层或AlGaInN混晶缓冲层2；N极性GaN层3；N极性AlN层4；N极性InN/InGaN多重层器件结构5；Al极性AlN6；GaN盖层7。
请参阅图2、图3所示，图2是制造具有本发明的氮化物系异质结构的器件的外延系统，图3是在N极性GaN模板上的InN成长顺序的例子。图2的外延系统具有主腔11，负载锁紧腔12，直冲突同轴离子散乱分光装置(CAICISS)13，氮源用的高频等离子体单元14，分光椭圆率测量仪(SE)15，超高真空扫描隧道显微镜/原子间力显微镜16和高能反射电子线绕射装置17。
请参阅图4所示，是在同一成长条件(In和N的供给原科电子束比率，根据化学计算法条件，设定在N过剩一侧的情况)下，分别在In极性和N极性的情况下的InN成膜速度对温度的依存性的比较。在N极性和In极性的情况下，在成膜速度不降低的高温区域附近，用斜线打阴影的纵长的带，表示在二种极性情况下的最优的外延温度。N极性时的成膜温度，与IN极性时比较，约高100°左右。当在InN成膜在一次成长表面上出现InN液滴(小滴)时，由于液滴阻害成膜，必须在外延中避免出现In液滴。N极性时成膜温度可提高，在抑制In液滴和促进成膜原料种的表面迁移，提高薄膜品质方面极有效。在两个极性的情况下，增加供给原料的总量，可以提高外延的温度。而即使在这种情况下，氮的极性的情况非常有利，这点也不会改变。
请参阅图5所示，是表示在GaN上的N极性InN成长利用分光椭圆率测量仪(SE)的现场观察的图。
请参阅图6所示，是表示利用直冲突或同轴离子散乱分光装置解析的InN极性的图。在图6中，表示GaN基片和InN外延膜都为氮极性。
请参阅图7所示，图7A是N极性InN外延膜的扫描电子显微镜图象的表面照片。图7B是InN外延膜的原子间力的显微镜图象的表面照片。在图7A和图7B中都表示了由于步进式流动二维成长，使表面非常平坦。
请参阅图8所示，为InN外延膜的χ射线绕射评价：它表示(002)和(102)面的摇摆曲线的半值宽度的图。其半值宽度均为233和970角度秒。另外，在室温下可得到2000cm2/vsec大的电子移动度。
采用本实施例，利用分子线外延法(MBE)等在制造上述InN系氮化物半导体器件时，与氮极性表面或与它有同等特征和作用的表面一样，形成结晶；或者通过实现这种结晶形成条件，可以与其他形成情况比较，非常容易实现高品质的超薄膜，超陡峭异质接合器件。
请参阅图9所示，是表示本发明的器件的第一个实施例的图。这个器件一般作为量子异质结构激光二极管实现，也可作为发光二极管实现。这种器件具有以下(1)-(5)的特征。
(1)具有使兰宝石基片氮化，形成N极性的AlN和堆积在其上的N极性GaN缓冲层和GaN基底层。
(2)具有由AlGaN层造成的载流子封闭结构。(该层可以为能量带隙比活性层大的任意组成的AlGaNInN层)
(3)具有N极性的InN/InGaN等量子井层作为活性层。另外，活性层为InN/InGaN量子井结构为主的层，活性层中的井层和障壁层的层厚及组成。根据发光波长，可从一个分子层成为大约为10nm的InGaN和AlGaInN层。而且，其周期数为1-20。发光波长可控制至大约0.8-1.8微米。
(4)由于用+c极性(即阳离子元素的Al，Ga或In极性)进行活性层以下的GaN和AlGaN的成膜过程，因此具有极性反转的AlN层(从N极性转换至Al极性)。由于这个层是为了增加P型AlGaN或GaN层的掺杂效率和容易形成平坦性好的成膜而插入的，因此在用-c极性(阴离子元素的N极性)充分的情况下，不一定必要这个层。
(5)在具有高浓度的P型掺杂的Ga极性GaN的同时，表面上具有P型触点。
请参阅图10所示，是表示本发明的器件的第二个实施例的图。这个器件是作为活性层上有量子点的激光二极管实现的，但也可作为发光二极管实现。这种器件具有以下(1)-(3)的特征。
(1)具有在活性层上含有InN量子点的InN/GaN超格子层。活性层的量子点的组成，根据发光波长的不同，可视为含有阻挡和基底层的InGaN。另外，点的尺寸和各层的厚度为数个nm-10nm左右。
(2)在活性层的两端有AlGaN层作为载流子封闭层。
(3)将活性层作成量子点超格子以外的器件设计指导思想基本上与图9的情况相同。
请参阅图11所示，是表示本发明的器件的第三个实施例的图。这个器件是作为以InN为基础的HEMT(高电子移动度晶体管)实现的。这个器件具有以下(1)-(3)的特征。
(1)具有HEMT结构，该结构利用N极性高电阻的GaN或在其上形成的InN/GaN(InGaN/AlGaN结构也可以)的异质质界面上的压电效果产生的二维电子气体层。
(2)具有在控制极电极下，以薄的高电阻性AlGaN层作为控制极绝缘膜的控制极结构。
(3)当堆积控制极绝缘膜时，为了极性转换，如果先堆积极薄的Al极性AlN，则AlGaN层的极性为+c，通过该层和InN层的变形控制可在控制极绝缘膜下面形成二维电子层。
请参阅图12所示，是表示本发明的器件的第4个实施例的图。这个器件可作为电场调制型光调制器实现。这个器件具有以下(1)-(3)的特征。
(1)器件的结构，除了光的输入输出部分以外，按照与图9相同的设计指导思想制造。
(2)利用从外部施加的电压和电场来调制光。
(3)光的入射和出射方向原则上为与量子井结构平行或垂直的方向。
请参阅图13所示，是表示本发明的器件第5个实施例的图。这个器件可作为光和电子控制的光调制器(利用量子井结构中的带内和带间的电子迁移)实现。这个器件具有以下(1)-(2)的特征。
(1)具有InN/GaN量子井结构。在光通信波长带的情况下，被控制光(被调制光)的波长，可利用控制光(调制光)引起量子井内的子带间的电子迁移，可超高速地调制带间的迁移吸收，使控制光和被控制光的关系逆转，因此可作为光调制器使用。
(2)以InGaN/AlGaInN作为量子井的组成，通过控制量子井中的活性层的厚度，可使波长在0.8-1.8微米范围内变化。
请参阅图14所示，是表示本发明的器件的第6个实施例的图。这个器件可作为光及电子控制的光调制器(利用包含活性层和量子点的结构中的带内和带间的电子迁移)实现。这个器件上有以下(1)-(2)的特征。
(1)与图13情况下的光调制器比较，活性层中有量子点结构。这样，对光的入射方向没有限制。
(2)其他的器件结构设计指导思想与图12相同，可以控制控制光和被控制光的关系与波长范围。
本发明不是仅限于上述实施例，可以有多种变更和变形。
例如，在N极性表面或发现同样的特征和优点的表面上形成外延和器件时，改变成膜条件可以形成一部分中含有量子点结构的器件(量子点激光二极管等)。这时，例如在堆积含有量子点的活性层，形成全部活性层或金属包层等提高器件品质方面，本发明是必要的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1、一种具有氮化物系异质结构的器件，其特征在于：其具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构，至少一部分上具有氮的极性表面或具有与它相同特性的表面的结晶。
2、一种具有氮化物系异质结构的器件的制造方法，其是具有InN本身或以InN为主要成分的氮化物系异质结构的器件的制造方法，其特征在于：在上述器件的至少一部分上，形成氮的极性表面或具有与它同样的特性的表面的结晶。
CNB031574971A 2002-09-25 2003-09-22 具有氮化物系异质结构的器件及其制造方法 Expired - Fee Related CN1282257C (zh)

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