CN1581528A - 具有超晶格半导体层的半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有超晶格半导体层的半导体器件及其制造方法。该半导体器件包括其中交替堆叠由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层。在形成超晶格结构的第一材料层和第二材料层中形成有多个孔，该些孔填充有相邻材料层的材料。所提供的超晶格结构通过在保持预定光限制特性的同时经第一材料层和第二材料层中的孔输运电荷来降低驱动电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超晶格半导体层的半导体及其制造方法，并且更加特别地，涉及一种具有用于通过降低串联电阻来减小驱动电压的GaN超晶格半导体层的半导体器件及其制造方法。
背景技术
激光二极管(LD)具有其中堆叠不同材料以形成多层的超晶格结构。例如，GaN基LD具有图1所示的超晶格结构，其中在夹层结构中堆叠AlGaN和GaN。这种GaN基LD需要具有大量Al的AlGaN以改善光限制。然而，具有大量Al的AlGaN增大了LD的串联电阻，其导致LD的驱动电压增大。另外，LD驱动电压的增大减少了LD的寿命。
研究GaN基材料以应用于诸如发光二极管(LED)和LD的光学器件领域。振荡电流和驱动电压的降低减小了LD的输入功率，从而改善了耐用性。由于作为p型掺杂剂的Mg的掺杂效率低，因此驱动电压的增大通常发生在p型层中。参照日本专利公告第13-308458号和日本专利公告第14-111131号，GaN基LD中的p型层包括p-GaN光波导层、p-AlGaN/GaN光限制层、以及p-GaN接触层。
光限制层具有在AlGaN层之间插入GaN层的超晶格结构。光限制层中插在AlGaN层之间的GaN层防止了具有大量Al的AlGaN的破裂。另外，具有GaN和AlGaN的超晶格结构通过形成二维空穴气而增加了深受主的掺杂效率，并通过增大掺杂效率及产生比体AlGaN层更高的掺杂效率而提高了空穴浓度。
通过改变实验条件来进行优化p型层以防止GaN基LD的驱动电压升高的研究，例如改变超晶格厚度和掺杂剂流。然而，由于将包括大量Al的AlGaN用于光限制，因而这种方法遭遇到优化超晶格的限制。
于是，应降低串联电阻来提高LD的寿命，因此应降低Al的量来减小超晶格结构的电阻。然而，由于Al量的减小使光限制恶化，因此Al量的减小有一个限度。
发明内容
本发明提供了一种半导体器件及其制造方法，其具有用于降低串联电阻而不降低光限制的超晶格半导体层。
更具体而言，本发明提供了一种半导体器件及其制造方法，其具有超晶格半导体层，该超晶格半导体层由于串联电阻降低而降低了输入功率并改善了耐用性。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件，其具有超晶格半导体层，在该半导体层中交替堆叠由不同材料形成的并具有多个孔的第一材料层和第二材料层，该些孔填充有相邻材料层的材料。
根据本发明的另一方面，提供一种激光二极管(LD)，包括：激光共振层；第一半导体层，形成在激光共振层的一侧；以及第二半导体层，其形成在激光共振层的另一侧，其中该第二半导体层包括超晶格结构，在该超晶格结构中叠置第一材料的第一层和第二材料的第二层，并且在该超晶格结构的第一层和第二层中分别形成有多个孔，且该些孔分别填充有第二材料和第一材料。
根据本发明的又一方面，提供一种形成超晶格半导体层的方法，该超晶格半导体层中交替叠置由不同材料形成的第一材料层和第二材料层，该方法包括在生长第一材料层和第二材料层时，通过控制压强(pressure)在第一材料层和第二材料层中形成多个纳米孔(nano-hole)。
根据本发明的又一方面，提供一种制造半导体器件的方法，该半导体器件具有其中交替叠置有由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层，该方法包括在生长第一材料层和第二材料层时，通过暂时地停止生长材料的供给，在第一材料层和第二材料层中形成多个纳米孔。
根据本发明的又一方面，提供一种制造半导体器件的方法，该半导体器件具有其中交替叠置有由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层，该方法包括通过控制第一材料层和第二材料层的生长速度，在第一材料层和第二材料层中形成多个纳米孔。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的示例性实施例，将使本发明的上述方面及优点更加明显易懂，附图中：
图1为示出根据本发明的半导体器件的截面图；
图2为示出根据本发明的半导体器件的超晶格结构的透视图；
图3为示出传统半导体器件的超晶格结构的透视图；
图4A和4B为曲线图，示出采用图3的传统超晶格结构和图2的根据本发明的超晶格结构的激光二极管(LD)样品上的(002)2θ-ω扫描结果；
图5为具有传统超晶格结构的LD样品的TEM图像；
图6A为具有根据本发明的、包括纳米孔的超晶格结构的LD样品的TEM图像；
图6B为图6A所示的TEM图像的方框部分的放大图；
图7A和7B分别是采用100Torr压强下获得的传统超晶格结构和根据本发明的200Torr压强下获得的纳米孔超晶格结构的LD样品，在50mA下的串联电阻和电压的曲线图；
图8A至8D是根据本发明的超晶格结构的各制造阶段的截面图；以及
图9为示出根据本发明的LD的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图更加全面地介绍本发明，其示例性实施例在附图中示出。附图中，为清楚起见夸大了层的厚度和区域。
图1为示出根据本发明的半导体激光二极管(LD)的截面图。参照图1，根据本发明的半导体LD包括衬底50和生长在衬底50上的第一半导体层61、激光共振层62、以及第二半导体层63。
作为下部材料层的第一半导体层61包括生长在衬底50上的缓冲层52和叠置在缓冲层52上的下包层(lower cladding layer)54。
用蓝宝石衬底或独立(free-standing)氮化镓(GaN)衬底作为衬底50。缓冲层52为n-GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，且优选缓冲层52为n-GaN层。然而，缓冲层52也可以是能够振荡激光(即产生激光(lasing))的其它III-V族化合物半导体层。优选的是，下包层54为具有预定折射率的n-GaN/AlGaN超晶格结构层，但也可由能够振荡激光的其它化合物形成。
共振层63包括顺序叠置在下包层54上的下波导层53、有源层56、以及上波导层55。上和下波导层55和53由折射率小于有源层56的材料形成。优选的是，上和下波导层55和53为GaN基III-V族化合物半导体层。下波导层53为n-GaN层，上波导层55为p-GaN层。有源层56由产生激光的材料(lasing material)形成，优选地由用于振荡具有小临界电流和稳定的横模特性的激光束的材料形成。有源层56可具有多量子阱结构或单量子阱结构，且有源层56的结构并不限制本发明的范围。
作为上部材料层的第二半导体层65叠置在上波导层55的上表面上。通常，在该上部材料层上形成脊58a，从而形成脊形波导(ridge waveguide)。由于脊形结构已广泛为人熟知，因此将省略对脊形结构的介绍。
第二半导体层65包括折射率小于上波导层55的上包层58、以及叠置在上包层58的上表面上的欧姆接触层64。当下包层54为n型化合物半导体层时，上包层58为p型化合物半导体层。当下包层54为p型化合物半导体层时，上包层58为n型化合物半导体层。换言之，当下包层54为n-GaN/AlGaN层时，上包层58为p-GaN/AlGaN层。类似地，当缓冲层52为n型化合物半导体层时，欧姆接触层64为p型化合物半导体层，且当缓冲层52由n-GaN形成时，欧姆接触层64由p-GaN形成。
作为钝化层的掩埋层68覆盖上包层58和在上包层58中心突出的脊58a的上边缘。在掩埋层68的上表面上形成保护层69，从而覆盖掩埋层68。掩埋层68由传统钝化材料形成，例如包括从Si、Al、Zr和Ta形成的组中选取的至少一种元素的氧化物。另一方面，保护层69由对钝化材料具有优异蚀刻选择性和粘接性的材料形成，例如Cr或TiO2。保护层69在蚀刻掩埋层68时起保护掩模(protective mask)的作用。当保护层69由具有优异热传导的金属形成时，激光器件工作时产生的热可以有效地排出。p型上电极57形成在具有掩埋层68和保护层69的脊形波导结构的顶部。上电极57的中心部分在脊58a的顶部与欧姆接触层64接触，且上电极57的边缘延伸至上包层58的边缘。
导致串联电阻增大的p-GaN/AlGaN包层的结构在根据本发明的LD中得到改善。图2为示出p包层的堆叠结构的透视图，图3为示出传统LD中超晶格层的堆叠结构的截面图。
参照图2，第一层581和第二层582交替叠置，且多个孔581a和582a分别形成在每一层中。例如，多个孔581a和582a分别形成在AlGaN第一层581和p掺杂GaN第二层582中。孔581a和582a填充有相邻层的材料。换言之，第一层581的孔581a填充有第二层材料，第二层582的孔582a填充有第一层材料。根据该结构，被其中不同材料层交替叠置的结构隔开的相同材料层通过形成在该相同材料层间的孔连接起来。因此，电阻比GaN第二层582低的AlGaN层彼此连接，从而与其中AlGaN层在超晶格结构中完全相连的结构相比，降低了电阻。
在上述结构中，孔581a和582a的数量很大，且孔581a和582a的尺寸在几纳米至几微米的范围内。提供本发明以降低诸如p包层的超晶格结构中的电阻，其通过在材料层中形成具有几微米至几纳米尺寸的孔而实现。孔连接了相同材料层，导致LD器件的驱动电压降低。
通过超晶格中形成的纳米孔迁移的空穴不可能迁移穿过具有大量Al的GaN与AlGaN之间的边界或势垒(barrier)，导致LD器件串联电阻的降低。已证实，当在实验中将具有纳米孔的超晶格用于LD时，驱动电压降低约1V。通过降低驱动电压，降低了输入功率，并且易于排出来自器件的热，使得LD的寿命增大。
对通过传统方法和应用具有纳米孔的超晶格的本发明制造的样品执行性能测试。
参照图4A，当通过DXRD 2θ-ω扫描分析图3所示的传统AlGaN/GaN超晶格的AlGaN-1st峰时，FWHM值在100至250角秒(arcsec)处非常尖锐。这样的界面起到势垒的作用，从而增大器件的电阻，导致驱动电压和输入功率的增大，使得器件寿命缩短。
图4A和4B分别为示出采用传统超晶格结构和根据本发明的超晶格的LD样品的(0002)2θ-ω扫描结果的曲线图。图4A和4B的曲线图示出了类似的结果，特别地，AlGaN 0th峰在该些曲线图中相同，这意味着包括在LD样品中的Al的组分相同。从而，这预示了样品的光限制是相同的。但是，根据本发明的样品的AlGaN-1st峰的强度和FWHM比通过传统方法制造的样品的大两倍，这意味着超晶格中AlGaN层与GaN层之间的界面不平坦。
图5为具有传统超晶格结构的样品的TEM图像。图6A为具有根据本发明的包括纳米孔的超晶格结构的样品的TEM图像，图6B为图6A的方框部分的放大图像。
图5至6B的TEM图像的明亮部分表示AlGaN区域，而图5至6B的TEM图像的阴暗部分表示GaN区域。在图5的TEM图像中，AlGaN区域与GaN区域之间的界面清晰划分。然而，在图6A和6B的TEM图像中，根据本发明的超晶格中的AlGaN区域与GaN区域之间的界面无法轻易区分。参照图6B，纳米孔形成在AlGaN和GaN之间的中间层(interlayer)与GaN和AlGaN之间的中间层中，垂直连接相同材料层。图6B中的箭头表示掺杂GaN区域沿着垂直连接的纳米孔前进。在表示AlGaN区域和GaN区域的图6B右上角处的明亮方块区域(b-3)中，AlGaN和GaN的纳米孔垂直形成在很大的面积上。
因此，当空穴迁移到有源层时，与通过势垒相比，空穴更加易于通过纳米孔迁移。由此，随着纳米孔数量增大，LD的串联电阻减小。
图7A和7B为曲线图，示出采用100Torr(乇)压强下获得的传统超晶格结构和200Torr压强下获得的纳米孔超晶格的样品，在50mA下的串联电阻和电压。此处，除压强外，用于制造样品的其它条件相同。具有根据本发明的纳米孔超晶格的样品具有传统样品的串联电阻的一半的串联电阻。结果，根据本发明的样品在50mA下的电压在每个腔长度下减小约1V。由此可知，可以通过在生长超晶格时控制压强，在超晶格中形成纳米孔。
对样品进行实验的结果在表1中示出。样品的临界电压几乎相同，因为没有光限制。根据本发明的样品的输入功率通过降低电压减小约20％。因此，可以改善LD器件的寿命。
表1
| 生长压强(Torr) | FWHM(arcsec) | Ith(mA，条测试600μm) | 50mA下的R串联(Ω) | 50mA下的电压(V) | |
| 传统的 | 100 | ～150 | 89.3 | 22.8 | 5.03 |
| 本发明 | 200 | ～300 | 90.0 | 14.3 | 4.23 |
现在，将介绍根据本发明的超晶格中的纳米孔的形成方法的示例。
首先，在生长晶体时提高生长压强(pressure)。当生长压强提高时，解吸附作用(desorption)由生长层增大，且Al和Ga的结合降低，导致界面处AlGaN层或GaN层的非均匀生长。当非均匀生长增大时，精细空心区域沿横向方向形成在AlGaN层和GaN层中。通过连续叠置AlGaN层和GaN层，AlGaN层和AlGaN层、以及GaN层和GaN层通过纳米孔(即纳米通道)连接。优选的是，反应器的压强从150Torr至常压，最优选地为150至400Torr。
第二，在生长AlGaN和GaN层时设置生长停止期。在生长超晶格时，向反应器供给NH3和H2。在此情况下，通过停止Ga和Al的供给，通过H2发生原位蚀刻以部分蚀刻生长的晶体层，导致纳米孔的形成。生长停止期为3至50秒，优选为3至15秒。
第三，增大生长速度从而非均匀地形成每一层，其与获得岛形生长模式所需的扩散时间相关。用于形成纳米孔的生长速度范围为1至10/s，优选地为2至6/s。
现在，将介绍在形成纳米孔的同时形成超晶格层的方法。
参照图8A，具有多个纳米孔的第一材料层(AlGaN)形成在下部材料层上，例如LD的p型波导层(WGL)。具有多个纳米孔的第一材料层(AlGaN)通过上述方法中的任何一种方法形成。
参照图8B，具有纳米孔的第二材料层(GaN)形成在第一材料层(AlGaN)上。此处，第二材料层(GaN)的材料填充第一材料层(AlGaN)的纳米孔。
参照图8C，在第二材料层(GaN)上形成第一材料层(AlGaN)。此处，第一材料层(AlGaN)的材料填充第二材料层(GaN)的纳米孔。
参照图8D，在第一材料层(AlGaN)上形成第二材料层(GaN)。此处，第二材料层(GaN)的材料填充第一材料层(AlGaN)的纳米孔。
当重复上述工艺预定次数时，第一材料层上下的第二材料层通过形成在第一材料层中的纳米孔连接，导致通过该些层连接相同的材料。
根据本发明的超晶格可应用于LD的包层、以及任何需要光限制和低串联电阻的超晶格结构。由于LD的p型层中串联电阻增大，所以优选的是将根据本发明的超晶格用于LD的p型结构。然而，根据本发明的超晶格可用于n型层。由于电子通过n型层流动，所以电子可以通过纳米孔引入共振层，而不通过具有高电阻的界面间的势垒。根据本发明的超晶格不仅可用于AlGaN/GaN，还可用于氮化物材料。换言之，根据本发明的超晶格可用于AlxInyGa1-x-yN/Alx’Iny’Ga1-x’-y’N，其中0＜x，x’，y，和y’＜1，因为超晶格可通过由于能带间隙产生的势垒而减小电阻。另外，根据本发明的超晶格可不考虑掺杂剂类型而应用，该掺杂剂例如诸如Si的n型、或诸如Mg的p型。此外，可以在AlxInyGa1-x-yN/Alx’Iny’Ga1-x’-y’N的两侧或该层的任何一侧上进行掺杂。
现在将介绍图9所示的LD的制造方法。图9为示出其上尚未形成脊形波导的所得结构的截面图。由于衬底上晶体层的生长工艺得以重复，且叠置层的数量未增加的外形(profile)的变化没有发生，所以参照图9介绍LD的制造方法。
在MOCVD设备中，在ELOG、GaN、或蓝宝石衬底50的表面上生长n-GaN接触层52。此处，通过使用TMG和氨作为源气体和将SiH4气作为掺杂气体，在1030℃的温度下，生长n-GaN接触层52至0.5μm的厚度。
n包层54在生长n-GaN接触层52的相同温度下，以传统超晶格结构或具有纳米孔的超晶格结构形成。
通过将TMG、氨和SiH4作为源气体，在生长n-GaN接触层52的相同温度下，生长n-GaN波导层53至0.1μm的厚度。
通过使用TMI、TMG和氨作为源气体、以及使用SiH4气作为掺杂气体，在870℃的温度下，生长由n-In0.02Ga0.98N形成的相位匹配层至280的厚度，并形成由n-In0.02Ga0.98N形成的势垒层至100的厚度。因此，由与势垒层相同的材料形成的相位匹配层成为势垒层的一部分。
通过使用TMI、TMG和氨作为源气体而不供给SiH4气，生长由In0.08Ga0.92N形成的阱层至40的厚度。通过重复阱层的生长三次和在阱层的顶上生长势垒层，形成多量子阱(MQW)56。
在MQW56上生长由In0.02Ga0.98N形成的扩散阻挡层至280的厚度。
接着，通过在1030℃的温度下交替叠置AlGaN层和p-GaN层，并通过使用作为源气体的TMA、TMG和氨、以及作为掺杂气体的Cp2Mg，生长多量子势垒(multi-quantum barrier，MQB)55a至200厚。
通过使用TMG和氨作为源气体、以及使用Cp2Mg作为掺杂气体，形成p-GaN波导层55至0.1μm的厚度。
按具有纳米孔的AlGaN/p-GaN超晶格结构的方式生长p包层58。
通过使用TMG、氨、以及Cp2Mg，在p包层58上生长p接触层64至300的厚度。
其后，在激光的共振方向上蚀刻晶体表面，并在钝化层中限定出电流通道，形成脊形结构。然后，在n-GaN层的上表面上形成n型电极，并且在脊上形成p型电极，从而制造LD。其后，进行易于从GaN半导体LD排热的芯片倒装焊方法。
根据本发明，具有优异光限制特性和低驱动电压的LD可以通过有效地经纳米孔传输电荷同时保持超晶格结构中的光限制特性而获得。
这种LD可以解决生长AlGaN/GaN超晶格结构时的驱动电压和光限制的问题。因此，根据本发明的超晶格结构可应用于发光器件(LED)和LD。另外，在驱动使用根据本发明的超晶格结构的器件时减小了输入功率，由此提高了器件的寿命。
虽然已参照本发明的示例性实施例具体示出和介绍了本发明，但是本领域技术人员可理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精髓和范围的基础上对其形式和细节作各种改动。
Claims (14)
1.一种半导体器件，具有其中交替堆叠由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层，该半导体器件包括：
由该第一材料层和该第二材料层形成的超晶格结构，该第一材料层和第二材料层具有分别填充有相邻材料层的材料的多个孔。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中该超晶格结构由p型半导体层形成。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其中该超晶格结构以GaN/AlGaN结构形成。
4.如权利要求2所述的半导体器件，其中该超晶格结构以GaN/AlGaN结构形成。
5.一种激光二极管，包括：
激光共振层；
第一半导体层，形成在该激光共振层的一侧；以及
第二半导体层，形成在该激光共振层的另一侧，
其中，该第二半导体层包括其中叠置第一材料的第一层和第二材料的第二层的超晶格结构，并且在该超晶格结构的所述第一层和所述第二层中形成有多个孔，且所述孔分别填充有该第二材料和该第一材料。
6.如权利要求5所述的激光二极管，其中该第一半导体层为n-GaN基III-V族氮化物半导体层。
7.如权利要求5所述的激光二极管，其中该共振层还包括：
下波导层，其叠置在该第一半导体层上，并具有比下包层更大的折射率；
有源层，其叠置在该下波导层的上表面上，并产生激光束；以及
上波导层，其叠置在该有源层上。
8.如权利要求5所述的激光二极管，其中该第二半导体层由p-GaN/AlGaN形成。
9.一种形成超晶格半导体层的方法，该超晶格半导体层中交替叠置由不同材料形成的第一材料层和第二材料层，该方法包括：
通过在生长该第一材料层和该第二材料层时控制压强至150乇以上，在该第一材料层和该第二材料层中形成多个纳米孔。
10.如权利要求9所述的方法，其中该压强被控制为150至400乇。
11.一种制造半导体器件的方法，该半导体器件具有其中交替叠置由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层，该方法包括：
通过在生长该第一材料层和该第二材料层时暂时地停止生长材料的供给3至50秒，在该第一材料层和该第二材料层中形成多个纳米孔。
12.如权利要求11所述的方法，其中停止生长材料的供给3至15秒。
13.一种制造半导体器件的方法，该半导体器件具有其中交替叠置由不同材料形成的第一材料层和第二材料层的超晶格半导体层，该方法包括：
通过控制该第一材料层和该第二材料层的生长速度至1至10/s，在该第一材料层和该第二材料层中形成多个纳米孔。
14.如权利要求13所述的方法，其中该生长速度为2至6A/s。
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