TW201921709A - 具有稀釋氮化物層之短波紅外線光電裝置 - Google Patents

具有稀釋氮化物層之短波紅外線光電裝置

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Abstract

本發明提供一種具有稀釋氮化物主動層之半導體光電裝置。特別係，該半導體裝置具有帶隙為0.7eV至1eV之稀釋氮化物主動層。包含稀釋氮化物主動層之光探測器在1.3μm波長下具有大於0.6A/W之響應度。

Description

具有稀釋氮化物層之短波紅外線光電裝置
本發明內容係關於一種在0.9μm至1.8μm之波長範圍內操作之短波紅外線(SWIR)光電裝置，包含光探測器及光探測器陣列。
在0.9μm至1.8μm範圍之紅外線波長範圍中操作之光電裝置具有廣泛的應用，包含光纖通訊、感測及成像。通常，化合物III-V族半導體材料用於製造此類裝置。砷化銦鎵(InGaAs)材料通常生長在磷化銦(InP)基底上。InGaAs層之組成及厚度經選擇以提供所需之功能(例如光在所需光波長下之發射或吸收)，並且亦與InP基底晶格匹配或非常緊密地晶格匹配，以便產生具有低程度之結晶缺陷及高程度之性能的之高品質材料。
關於光探測器，可生產的裝置包含用於電信應用之高速光探測器及可用作用於軍事、生物醫學、工業、環境以及科學應用之感測器及成像器之光探測器陣列。在此類應用中，期望具有高響應度、低暗電流及低雜訊之光探測器。
儘管InP材料上之InGaAs目前在短波紅外線(SWIR)光探測器市場佔主導，惟該材料系統具有若干限制，包含InP基底之高成本、因InP基底之易碎性導致之低產率、以及有限的InP晶片直徑(及較大直徑 下相關品質問題)。從製造角度來看，並從經濟角度來看，砷化鎵(GaAs)呈現為較佳的基底選擇。然而，GaAs與紅外線裝置所需之InGaAs合金之間之大晶格失配產生損害電性能及光學性能之品質差的材料。過去已嘗試基於諸如GaInNAs及GaInNAsSb之稀釋氮化物材料在GaAs上產生用於光探測器之長波長(大於1.2μm)材料。然而，在已知裝置性能之情況下，其比InGaAs/InP裝置差劣，例如，基於稀釋氮化物之裝置具有非常低的響應度，其使得該裝置不適用於實際的感測及光探測應用。光探測器之其他考慮因素包含暗電流及特定的響應度。
例如，Cheah等人，「GaAs-Based Heterojunction p-i-n Photodetectors Using Pentenary InGaAsNSb as the Intrinsic Layer」，IEEE Photon.Technol.Letts.,17(9)，第1932-1934頁(2005)；以及Loke等人，「Improvement of GaInNAs p-i-n photodetector responsivity by antimony incorporation」，J.Appl.Phys.101,033122(2007)公開一種在1300nm波長處具有僅0.097 A/W之響應度之光探測器。
Tan等人，「GaInNAsSb/GaAs Photodiodes for Long Wavelength Applications」，IEEE Electron.Dev.Letts.,32(7)，第919-921頁(2011)描述一種在1300nm波長處具有僅0.18 A/W之響應度之光電二極管。
於第2016/0372624號美國公開申請案中，Yanka等人公開一種具有稀釋氮化物層(InGaAsSb)之光電探測器。儘管描述有關半導體材料品質的某些參數，惟在所揭示之廣泛組成範圍內沒有教示具有實際效率之工作探測器。
因此，為了利用GaAs基底之製造可擴展性與成本優勢，持續關注在開發具有改進的光電性能之GaAs上之長波長材料。
根據本發明，化合物半導體光電裝置包含：基底；在前述基底上之第一摻雜III-V族層；在第一摻雜III-V族層上之主動區，其中，前述主動區包含晶格匹配或假晶的稀釋氮化物層，且前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙；以及在前述主動區上之第二摻雜III-V族層。
根據本發明，形成半導體光電裝置之方法包含：形成基底；形成在前述基底上之第一摻雜III-V族層；形成在前述第一摻雜III-V族層上之主動區，其中，前述主動區包含假晶的稀釋氮化物層，且前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙；以及形成在前述主動區上之第二摻雜III-V族層。
態樣1.一種化合物半導體光電裝置，其特徵係包含：基底；在前述基底上之第一摻雜III-V族層；在第一摻雜III-V族層上之主動區，其中，前述主動區包含晶格匹配之稀釋氮化物層或假晶稀釋氮化物層，前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙，且前述稀釋氮化物層具有1ns或更大之少數載子壽命。前述少數載子壽命在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm；以及在前述主動區上之第二摻雜III-V族層。
態樣2.如態樣1所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有相對於前述基底為0%到0.4%之壓縮應變。使用X射線衍射測定前述壓縮應變。
態樣3.如態樣1至2中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有為2ns或更大之前述主動層之少數載子壽命。前述少數載子壽命在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm。
態樣4.如態樣1至3中任一項所記載之裝置，其中，前述基底包含GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝之Si。
態樣5.如態樣1至4中任一項所記載之裝置，其中，前述基底之晶格常數小於GaAs或Ge之晶格常數的3%。
態樣6.如態樣1至5中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi或GaInNAsSbBi。
態樣7.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且0x0.4、0<y0.07及0<z0.04。
態樣7A.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0x0.24、0.02y0.05及0.001z0.2。
態樣7B.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前 述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.12x0.24、0.03y0.07及0.005z0.04。
態樣7C.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.13x0.2、0.03y0.045和0.001z0.02。
態樣7D.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02。
態樣7E.如態樣1至6中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.18x0.24、0.04y0.07和0.01z0.04。
態樣8.如態樣1至7E中任一項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有0.2μm至10μm之厚度。
態樣9.如態樣1至8中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置包含光探測器。
態樣10.如態樣9所記載之裝置，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.6 A/W之響應度。使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
態樣11.如態樣9所記載之裝置，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.8 A/W之響應度。使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
態樣12.如態樣1至11中任一項所記載之裝置，其中，前 述裝置包含發光二極管。
態樣13.一種形成半導體光電裝置之方法，其特徵係包含：形成基底；形成在前述基底上之第一摻雜III-V族層；形成在前述第一摻雜III-V族層上之主動區，其中，前述主動區包含假晶稀釋氮化物層；前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙，且前述稀釋氮化物層具有1ns或更大之少數載子壽命。前述少數載子壽命在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm；以及形成在前述主動區上的第二摻雜III-V族層。
態樣14.如態樣13所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi或GaInNAsSbBi。
態樣15.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且0x0.4、0<y0.07及0<z0.04。
態樣15A.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0x0.24、0.02y0.05及0.001z0.2。
態樣15B.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.12x0.24、0.03y0.07及0.005z0.04。
態樣15C.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.13x0.20、0.03y0.045及0.001z0.02。
態樣15D.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02。
態樣15E.如態樣13至14中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，且分別地0.18x0.24、0.04y0.07及0.01z0.04。
態樣16.如態樣13至15E中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層具有0.2μm至10μm之厚度。
態樣17.如態樣13至16中任一項所記載之方法，其中，前述基底包含GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝之Si。
態樣18.如態樣13至17中任一項所記載之方法，其中，前述基底之晶格常數小於GaAs或Ge之晶格常數的3%。
態樣19.如態樣13至18中任一項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層具有相對於前述基底為0%到0.4%之壓縮應變。使用X射線衍射測定前述壓縮應變。
態樣20.如態樣13至19中任一項所記載之方法，其中，前述裝置包含光探測器。
態樣21.如態樣20所記載之方法，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.6 A/W之響應度，且使用寬帶鹵素燈在用10nm波 長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
態樣22.如態樣20所記載之方法，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.8 A/W之響應度，且使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
態樣23.如態樣1至12中任一項所記載之裝置，其中，前述光探測器之側壁角度為70度至90度。
態樣24.如態樣1至12中任一項所記載之裝置，其中，前述基底為GaAs，且前述稀釋氮化物層為GaInNAsSb層。
態樣25.如態樣24所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有GaInNAsSb峰與GaAs基底峰之間之XRD峰裂縫(slitting)，其可為例如600弧秒(arcsec)至1,000弧秒、600弧秒至800弧秒、或650弧秒至750弧秒。
態樣26.如態樣24至25中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有相對於前述GaAs基底為0.2%至0.35%之壓縮應變。
態樣27.如態樣24至26中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層可具有相當於在室溫(25℃)下測量之小於5×1015cm-3之摻雜濃度的本質摻雜或非蓄意摻雜。
態樣28.如態樣24至27中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層可具有相當於在室溫(25℃)下測量之0.5×1014cm-3至1×1016cm-3之摻雜濃度的本質摻雜或非蓄意摻雜。
態樣29.如態樣24至28中任一項所記載之裝置，其中， 前述GaInNAsSb層具有1.0ns至3.0ns之少數載子壽命。前述少數載子壽命在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm。
態樣30.如態樣24至28中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有大於1.0ns之少數載子壽命。前述少數載子壽命在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm。
態樣31.如態樣24至30中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有例如0.9eV至0.92eV之帶隙。
態樣32.如態樣24至31中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有50nm至150nm之半高寬(full width at half maximum，FWHM)。藉由光致發光測定前述半高寬。
態樣33.如態樣24至32中任一項所記載之裝置，其中，前述GaInNAsSb層具有0.25μm至2.5μm之厚度。
態樣34.如態樣24至33中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置具有20μm至3mm之直徑。
態樣35.如態樣24至33中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置具有0.5mm至2.5mm之直徑。
態樣36.如態樣24至34中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置具有與前述基底垂直之70°至90°之側壁角度。
態樣37.如態樣24至35中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置例如在1300nm波長下具有0.55 A/W至0.90 A/W之響應度。使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
態樣38.如態樣24至37中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置具有0.75mm至1.25mm之直徑及在室溫(25℃)下測量，在1V偏置電壓下為2.5nA至4.5nA之暗電流。
態樣39.如態樣24至38中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置具有0.75mm至1.25mm之直徑及在室溫(25℃)下測量、在1V偏置電壓下為3.2nA至3.8nA之暗電流。
態樣40.如態樣24至39中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置包含在前述主動區域下並且在前述基底上之第一阻擋層；以及在前述主動區上之第二阻擋層。
態樣41.如態樣24至40中任一項所記載之裝置，其中，前述基底係半絕緣GaAs基底；前述第一阻擋層係厚度為0.05μm至0.15μm且摻雜程度為1×1017cm-3至1×1019cm-3之p摻雜GaAs層；前述第二阻擋層係厚度為0.05μm至0.15μm且摻雜程度為1×1017cm-3至1×1019cm-3之n摻雜GaAs層；並且前述主動層包含帶隙為0.9eV至0.92eV、FWHM為50nm至70nm且厚度為0.05μm至0.15μm之GaInNAsSb層。
態樣42.如態樣41所記載之裝置，其中，GaInNAsSb峰與前述GaAs基底之間之XRD裂縫可以600弧秒至1000弧秒。
態樣43.如態樣41至42中任一項所記載之裝置，其中， 前述GaInNAsSb層具有相對於前述GaAs基底為0.2%至0.35%之壓縮應變。
態樣44.如態樣41至43中任一項所記載之裝置，其中，前述裝置包含：0.75mm至1.25mm之直徑；垂直於前述基底為70°及90°之側壁角度；使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量的在1300nm波長下為0.6 A/W至0.85 A/W之響應度；以及在室溫(25℃)下測量、在1V偏置電壓下為2.5nA至4.5nA之暗電流。
100‧‧‧半導體光電裝置
102‧‧‧基底
104‧‧‧第一摻雜層
106‧‧‧主動層
108‧‧‧第二摻雜層
200‧‧‧半導體光電裝置
202‧‧‧基底
204‧‧‧第一摻雜層
206‧‧‧倍增層
208‧‧‧主動層
210‧‧‧第二摻雜層
300‧‧‧半導體光電裝置
302‧‧‧基底
304a‧‧‧第一接觸層
304b‧‧‧第一阻擋層
305‧‧‧第一摻雜層
306‧‧‧主動層
307‧‧‧第二摻雜層
308a‧‧‧第二阻擋層
308b‧‧‧第二接觸層
400‧‧‧光探測器
402‧‧‧基底
404a‧‧‧第一接觸層
404b‧‧‧第一阻擋層
406‧‧‧主動層
408a‧‧‧第二阻擋層
408b‧‧‧第二接觸層
410‧‧‧第一金屬觸點
412‧‧‧第二金屬觸點
414‧‧‧鈍化層
416‧‧‧抗反射塗層
604‧‧‧峰
606‧‧‧峰
704‧‧‧峰
706‧‧‧峰
804‧‧‧峰
904‧‧‧峰
1004‧‧‧峰
1100‧‧‧台面
1102‧‧‧頂部表面
1104‧‧‧底部表面
1106‧‧‧側壁
1150‧‧‧陣列
1152‧‧‧台面結構
1202‧‧‧響應度曲線
1204‧‧‧響應度曲線
1206‧‧‧響應度曲線
1208‧‧‧響應度曲線
1300‧‧‧半導體裝置
1302‧‧‧基底
1304‧‧‧半導體層
1320‧‧‧半導體裝置
1322‧‧‧基底
1324‧‧‧半導體層
1400‧‧‧半導體裝置
1402‧‧‧基底
1404‧‧‧緩衝層
1406‧‧‧半導體層
1408‧‧‧具有頂部表面之基底
1420‧‧‧半導體裝置
1422‧‧‧基底
1424‧‧‧緩衝層
1426‧‧‧半導體層
1428‧‧‧具有頂部表面之基底
1500‧‧‧半導體裝置
1502‧‧‧基底
1504‧‧‧緩衝層
1506‧‧‧半導體層
1508‧‧‧具有頂部表面之基底
本說明書中之圖式僅用於說明目的，其不旨在限制本發明內容之範圍。
【圖1】表示根據本發明之半導體光電裝置之實例之側視圖。
【圖2】表示根據本發明之半導體光電裝置之另一實例之側視圖。
【圖3】表示根據本發明之半導體光電裝置之另一實例之側視圖。
【圖4】表示根據本發明之光探測器之實例之側視圖。
【圖5A】及【圖5B】表示探測器陣列晶片與讀出積體電路(ROIC)晶片上之讀出電路陣列之混合集成之圖。
【圖6】表示根據本發明之在GaAs基底上形成之GaInNAsSb稀釋氮化物層之X射線衍射掃描。
【圖7】表示根據本發明之在GaAs基底上形成之另一個GaInNAsSb稀釋氮化物層之X射線衍射掃描。
【圖8】表示根據本發明之在GaAs基底上生長之GaInNAsSb層之光 致發光光譜。
【圖9】表示根據本發明之在GaAs基底上生長之另一個GaInNAsSb層之光致發光光譜。
【圖10】表示根據本發明之在GaAs基底上生長之另一個GaInNAsSb層之光致發光光譜。
【圖11A】表示GaInNAsSb稀釋氮化物光探測器之蝕刻台面之掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
【圖11B】表示根據本發明之光探測器陣列之掃描電子顯微鏡圖像。
【圖12】表示根據本發明之光探測器之所測量之響應度曲線。
【圖13A】表示具有在GaAs基底上生長之III-V族半導體層之裝置之示意圖。
【圖13B】表示在Ge基底上生長之具有III-V族半導體層之裝置之示意圖。
【圖14A】表示具有在矽基底上之經晶格設計之SiGe緩衝層之半導體裝置。
【圖14B】表示具有在矽基底上之經晶格設計之SiGeSn緩衝層之半導體裝置。
【圖15】表示具有在矽基底上之經晶格設計之含稀土之緩衝層之半導體裝置。
以下藉由圖式詳細描述本發明，前述圖式以示例方式示出 可實踐本發明之具體細節及實施型態。足夠詳細地描述此等實施型態以使得所屬技術領域中具有通常知識者能夠實踐本發明。在不背離本發明之範圍之情況下，可利用其他實施型態並且可進行結構、邏輯及電學之改變。本說明書所揭露的各種實施型態不必相互排斥，因部分揭露的實施型態可與一個或多個其他公開的實施型態組合以形成新的實施型態。因此，以下詳細描述不應視為限制意義，並且本發明實施型態之範圍僅由所附之申請專利範圍以及享有此等申請專利範圍之權利之均等物的全部範圍來限定。
如本說明書中所用之術語「晶格匹配」係意指兩種所提及之材料具有相同的晶格常數或相差小於+/-0.2%的晶格常數。例如，GaAs及AlAs係晶格匹配，晶格常數相差0.12%。
如本說明書中所用之術語「假晶應變」係意指可在晶格匹配層或應變層之頂部上生長由具有多至+/-2%的晶格常數差異之不同材料製成之層而不產生失配差排。晶格參數可相差例如至多+/-1%，至多+/-0.5%，或至多+/-0.2%。
如本說明書中所用之術語「層」係意指材料(例如合金)之連續區域，前述材料可被均勻地或非均勻地摻雜並且可在該區域內具有均勻或非均勻之組成。
如本說明書中所用之術語「帶隙」係材料之導帶與價帶之間的能量差。
如本說明書中所用之術語「響應度」係在給定波長下所產生之光電流與入射光功率之比率。
圖1表示根據本發明之半導體光電裝置100之實例之側視 圖。裝置100包含基底102、第一摻雜層104、主動層106及第二摻雜層108。為簡單起見，將各層顯示為單層。然而，應理解，各層可以包含具有不同組成、厚度及摻雜程度的一個或多個層，以提供適當之光學及/或電學功能，並且改善界面品質、電子傳輸、電洞傳輸及/或其他光電性質。
基底102之晶格常數可匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數。基底可係GaAs。基底102可係摻雜的p型或n型，亦可係半絕緣(semi-insulating，SI)基底。基底102之厚度可選擇為任何合適的厚度。基底102可包含一個或多個層，例如，基底可包含Si層，前述Si層具有位於上面之SiGeSn緩衝層、含稀土之層或被設計成晶格常數匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數之漸變SiGe層。晶格常數幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數之材料(諸如基底)係意指材料(諸如基底)之晶格常數不同於GaAs或Ge之晶格常數，與GaAs或Ge之晶格常數相差小於或等於3%、小於1%或小於0.5%。
第一摻雜層104可具有一種類型之摻雜，並且第二摻雜層108可具有相反類型之摻雜。若第一摻雜層104係摻雜的n型，則第二摻雜層108係摻雜的p型。相反，若第一摻雜層104係摻雜的p型，則第二摻雜層108係摻雜的n型。p型摻雜劑之實例包含C及Be。n型摻雜劑之實例包含Si及Te。摻雜層104及108被選擇為具有與基底晶格匹配或假晶應變之組成。摻雜層可包含任何合適的III-V族材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInPAs、GaInNAs或GaInNAsSb。摻雜層之帶隙可選擇為大於主動層106之帶隙。摻雜程度可為例如1×1015cm-3至2×1019cm-3。摻雜程度可在層內為恆定，及/或摻雜分佈可為漸變，例如， 隨著離第一摻雜層104與主動層106之間之界面之距離而變，摻雜程度可從最小值增加至最大值。摻雜層104及108可具有例如50nm至3μm之厚度。
主動層106可相對於基底及/或摻雜層為晶格匹配或假晶應變。主動層106之帶隙可比摻雜層104及108之帶隙低。主動層106包含可在期望的波長範圍內處理光之層。處理係定義為發光、光接收、光感測及光調變。
主動層106可包含稀釋氮化物材料。稀釋氮化物材料可係Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y及z可分別為0x0.4、0<y0.07及0<z0.04。x、y及z可分別為0.01x0.4、0.02y0.07及0.001z0.04。在其他實施型態中，稀釋氮化物材料可具有第8,962,993號美國專利中所公開之組成，其中x、y及z可以分別為0x0.24、0.02y0.05及0.001z0.2。稀釋氮化物材料可為Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，例如0.12x0.24、0.03y0.07及0.005z0.04；0.13x0.2、0.03y0.045及0.001z0.02；0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02；或0.18x0.24、0.04y0.07及0.01z0.024。主動層106可具有0.7eV至1.1eV之帶隙，使得主動層可吸收或發射波長高至1.8μm之光。鉍(Bi)可在稀釋氮化物材料之生長期間作為表面活性劑添加，提高材料品質(例如缺陷密度)及裝置性能。主動層106之厚度可為例如0.2μm至10μm。主動層106之厚度可為例如0.5μm至5μm。主動層106之厚度可為例如1μm至4μm、1μm至3μm或1μm至2μm。主動層106可相對於基底102為壓縮應變。應變可提高裝置性能。對於光探測器，與裝 置性能最相關的參數包含暗電流、操作速度、雜訊及響應度。
主動層106和摻雜層104及108形成p-i-n結或n-i-p結。此種結提供用於操作諸如光探測器或發光二極管之裝置之基本結構。對於光探測器，p-i-n磊晶結構可在裝置之本質區域(主動層)中具有低背景摻雜，前述裝置通常在0V或非常低之偏壓下操作。因此，主動層106可不被蓄意摻雜。主動層可為本質層或非蓄意摻雜層。非蓄意摻雜之半導體不具有蓄意添加之摻雜劑，而可包含用作摻雜劑之非零濃度之雜質。本質或非蓄意摻雜之主動層之背景載子濃度(其等同於摻雜劑濃度)可為例如小於1×1016cm-3(在室溫(25℃)下測量)、小於5×1015cm-3或小於1×1015cm-3。主動層內之少數載子壽命可為例如大於1ns、大於1.5ns或大於2ns。少數載子壽命可受半導體內有助於背景載子濃度之缺陷以及可充當復合中心但不貢獻載子之其他缺陷類型影響。
圖2表示具有p-i-n二極管及倍增層之半導體光電裝置200。裝置200類似於裝置100，但進一步包含倍增層。倍增層之目的為放大由光探測器裝置之主動區產生之光電流。裝置200之結構可提供雪崩光電二極體(APD)。APD將額外的p-n結引入結構中，以及引入額外的厚度。此允許向裝置施加較高的反向偏置電壓，此導致通過雪崩過程之載子倍增。
基底202之晶格常數可匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數。基底可係GaAs。基底202可係摻雜的p型或n型，亦可係半絕緣(SI)基底。基底202之厚度可選擇為任何合適的厚度。基底202可包含一個或多個層，例如，具有位於上面之SiGeSn緩衝層之Si層，前述Si層被 設計成晶格常數匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數。此可意味著基底之晶格參數不同於GaAs或Ge之晶格參數，與GaAs或Ge之晶格參數相差小於或等於3%、小於1%或小於0.5%。
第一摻雜層204可具有一種類型之摻雜，並且第二摻雜層210可具有相反類型之摻雜。若第一摻雜層204為摻雜的n型，則第二摻雜層210為摻雜的p型。相反，若第一摻雜層204為摻雜的p型，則第二摻雜層210為摻雜的n型。p型摻雜劑之實例包含C及Be。n型摻雜劑之實例包含Si及Te。摻雜層204及210可被選擇為具有與基底晶格匹配或假晶應變之組成。摻雜層可包含任何合適的III-V族材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInPAs、GaInNAs、GaInNAsSb。摻雜層之帶隙可選擇為大於主動層208之帶隙。摻雜程度可為例如1×1015cm-3至2×1019cm-3。摻雜程度可在層內為恆定，及/或摻雜分佈可為漸變，例如，隨著離第二摻雜層210與主動層208之間之界面之距離而變，摻雜程度可從最小值增加至最大值。摻雜層204及210可具有例如50nm至3μm之厚度。
主動層208可對於基底及/或摻雜層為晶格匹配或假晶應變。主動層208之帶隙可比摻雜層204及210之帶隙低。主動層208可包含能在期望的波長範圍內處理光之層。處理被定義為發光、光接收、光感測及光調變。
主動層208可包含稀釋氮化物材料。稀釋氮化物材料可係Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y及z可分別為0x0.4、0<y0.07及0<z0.04。x、y及z可分別為0.01x0.4、0.02y0.07及0.001z 0.04。在其他實施型態中，稀釋氮化物材料可具有第8,962,993號美國專利中所公開之組成，其中x、y及z可分別為0x0.24、0.02y0.05及0.001z0.2。稀釋氮化物材料可係Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，例如0.12x0.24、0.03y0.07及0.005z0.04；0.13x0.2、0.03y0.045及0.001z0.02；0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02；或0.18x0.24、0.04y0.07及0.01z0.04。主動層208可具有0.7eV至1.1eV之帶隙，使得主動層可吸收或發射波長高至1.8μm之光。鉍(Bi)可在稀釋氮化物之生長期間作為表面活性劑添加，提高材料品質(例如缺陷密度)及裝置性能。主動層208之厚度可為例如0.2μm至10μm、0.5μm至5μm或1μm至4μm。主動層208可相對於基底202為壓縮應變。應變亦可提高裝置性能。對於光探測器，最相關的裝置性能包含暗電流、操作速度、雜訊及響應度。
倍增層206可被配置為藉由雪崩倍增來放大由主動層208產生之電流的p型III-V族層。因此，對於由主動層208產生之每個自由載子(電子或電洞)，倍增層206經由雪崩效應產生一個或多個載子。因此，倍增層206增加由半導體200產生之總電流。倍增層206可包含III-V族材料，例如GaAs或AlGaAs。
圖3表示根據本發明之半導體光電裝置300之實例之側視圖。裝置300類似於裝置100，惟每個摻雜層皆示有包含兩層。裝置300包含基底302、第一接觸層304a、第一阻擋層304b、主動層306、第二阻擋層308a及第二接觸層308b。
基底302之晶格常數可匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格 常數。基底可係GaAs。基底302可係摻雜的p型或n型，亦可係半絕緣(SI)基底。基底302之厚度可為任何合適的厚度。基底302可包含一個或多個層，例如，基底302可包含具有位於上面之SiGeSn緩衝層之Si層，前述Si層被設計成晶格常數匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數。此可意味著基底之晶格參數不同於GaAs或Ge之晶格參數，與GaAs或Ge之晶格參數相差小於或等於3%、小於1%或小於0.5%。
第一接觸層304a及第一阻擋層304b提供具有一種類型之摻雜的第一摻雜層305，並且第二阻擋層308a及第二接觸層308b提供具有相反類型之摻雜的第二摻雜層307。若第一摻雜層305為摻雜的n型，則第二摻雜層307為摻雜的p型。相反，若第一摻雜層305為摻雜的p型，則第二摻雜層307為摻雜的n型。p型摻雜劑之實例包含C及Be。n型摻雜劑之實例包含Si及Te。摻雜層305及307可被選擇為具有相對於基底係晶格匹配或假晶應變之組成。摻雜層可包含任何合適的III-V族材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInPAs、GaInNAs、GaInNAsSb。接觸層及阻擋層可具有不同的組成及不同的厚度。摻雜層之帶隙可選擇為大於主動層306之帶隙。第一接觸層304a之摻雜程度可選擇為比第一阻擋層304b之摻雜程度高。較高的摻雜促進與金屬觸點之電連接。類似地，第二接觸層308b之摻雜程度可選擇為比第二阻擋層308a之摻雜程度高。較高的摻雜程度促進與金屬觸點之電連接。摻雜程度可為例如1×1015cm-3至2×1019cm-3。摻雜程度可在層內為恆定，及/或摻雜分佈可為漸變，例如，隨著離摻雜層308a與主動層306之間之界面之距離而變，摻雜程度可從最小值增加至最大值。阻擋層及接觸層304a、304b、 308a及308b中之每一個皆可具有例如50nm至3μm之厚度。
主動層306可對於基底及/或摻雜層為晶格匹配或假晶應變。主動層306之帶隙可比阻擋層及接觸層304a、304b、308a及308b之帶隙低。主動層306可包含能在期望的波長範圍內處理光之層。處理被定義為發光、光接收、光感測及光調變。
主動層306可包含稀釋氮化物材料。稀釋氮化物材料可係Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y及z可分別為0x0.4、0<y0.07及0<z0.04。x、y及z可分別為0.01x0.4、0.02y0.07及0.001z0.04。在其他實施型態中，稀釋氮化物材料可具有第8,962,993號美國專利中所公開之組成，其中x、y及z可分別為0x0.24、0.02y0.05及0.001z0.2。稀釋氮化物材料可係Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，例如0.12x0.24、0.03y0.07及0.005z0.04；0.13x0.2、0.03y0.045及0.001z0.02；0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02；或0.18x0.24、0.04y0.07及0.01z0.04。主動層306可具有0.7eV至1.0eV之帶隙，使得主動層可吸收或發射波長高至1.8μm之光。鉍(Bi)可在稀釋氮化物之生長期間作為表面活性劑添加，提高材料品質(例如缺陷密度)及裝置性能。主動層306之厚度可為例如0.2μm至10μm或1μm至4μm。主動層之載子濃度可為例如小於1×1016cm-3(在室溫(25℃)下測量)、小於5×1015cm-3或小於1×1015cm-3。主動層306可相對於基底302為壓縮應變。應變亦可提高裝置性能。對於光探測器，與裝置性能最相關的參數包含暗電流、操作速度、雜訊及響應度。
圖4表示根據本發明之光探測器400之實例之側視圖。裝 置400類似於裝置300。與裝置300相比，附加的裝置層包含第一金屬觸點410、第二金屬觸點412、鈍化層414及抗反射塗層416。半導體層402、404a、404b、406、408a及408b分別對應於裝置300之層302、304a、304b、306、308a及308b。可使用多個光刻及材料沉積步驟以形成金屬觸點、鈍化層及抗反射塗層。前述裝置具有藉由蝕刻產生的台面結構。其暴露位於下面的層。提供鈍化層414，其覆蓋裝置之側壁及層之暴露表面，以便減少可能另外影響裝置性能的表面缺陷及懸空鍵。可使用諸如氮化矽、氧化矽或氧化鈦之介電材料來形成鈍化層。抗反射層416在第二接觸層408b之第一部分上。可使用諸如氮化矽、氧化矽及氧化鈦之介電材料來形成抗反射層。第一金屬觸點410在第一接觸層404a之一部分上。第二金屬觸點412在第二接觸層408b之第二部分上。用於接觸n摻雜及p摻雜之材料之金屬化方法為所屬技術領域中具有通常知識者所習知者。可從裝置之頂部表面照射光探測器400，即通過抗反射塗層416與空氣之間之界面。可經由底部表面照射光探測器，前述底部表面即為基底402之下表面與空氣之間之界面。基底之底部表面可塗佈抗反射塗層。探測器上之入射光輻射將在探測器處產生電子訊號。
對於探測器陣列，所收集之訊號可由包含電晶體或轉阻放大器之讀出積體電路(readout integrated circuit，ROIC)放大，以形成焦平面陣列(focal plane array，FPA)。光探測器陣列之實例示於圖5A及圖5B中。
為了製造由本發明提供之光電裝置，於材料沉積室中將多個層沉積在基底上。前述多個層可包含主動層、摻雜層、接觸層、蝕刻停 止層、釋放層(即，被設計為當施加諸如化學蝕刻之特定技術程序時從基底釋放半導體層之層)、緩衝層或其他半導體層。
可以例如藉由分子束磊晶(molecular beam epitaxy、MBE)或藉由有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition、MOCVD)來沉積多個層。亦可使用沉積方法之組合。
半導體光電裝置可在生長後經受一個或多個熱退火處理。例如，熱退火處理可包含施加400℃至1000℃之溫度，持續10秒至10小時。熱退火處理可在包含空氣、氮、砷、砷化氫、磷、膦、氫、合成氣體(forming gas)、氧、氦及前述材料之任意組合之環境中進行。
由本發明內容提供之裝置可包含在GaAs基底上之GaInNAsSb主動區。GaInNAsSb層可相對於GaAs基底為壓縮應變。例如，GaInNAsSb峰與GaAs基底峰之間之XRD峰裂縫(slitting)可為例如600弧秒(arcsec)至1,000弧秒、600弧秒至800弧秒、或650弧秒至750弧秒。XRD裂縫對應於0.2%至0.35%之壓縮應變。
諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有相當於摻雜濃度之本質摻雜或非蓄意摻雜，例如，小於1×1016cm-3、小於5×1015cm-3或小於1×1015cm-3，在室溫(25℃)下測量。諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有相當於摻雜濃度之本質摻雜或非蓄意摻雜，例如，0.5×1014cm-3至1×1016cm-3或1×1015cm-3至5×1015cm-3，在室溫(25℃)下測量。
諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有少數載子壽命，例如1.0ns至3.0ns、1.5ns至2.5ns或1.5ns至2.0ns。諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有少數載子壽命，例如大於1.0ns、大於1.5ns、大 於2.0ns或大於2.5ns。TRPL動力學在以下條件測量：在970nm之激發波長，以及0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生，脈衝重複率為250kHz且在樣品上之雷射光束直徑為1mm。
諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有例如0.9eV至0.92eV之帶隙。
諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有例如50nm至150nm、50nm至125nm、50nm至70nm或75nm至125nm之半高寬，如藉由光致發光測定。
諸如GaInNAsSb層之稀釋氮化物層可具有例如0.25μm至2.5μm、5μm至2.0μm或0.5μm至1.5μm之厚度。
諸如光探測器之裝置可具有圖4之結構。
諸如光探測器之裝置可具有例如20μm至3mm、0.5mm至2.5mm或1mm至2mm之直徑。諸如光探測器之裝置可具有例如大於20μm、大於100μm、大於500μm、大於1mm或大於2mm之直徑。
諸如光探測器之裝置可具有約70°至90°之側壁角度(垂直於基底)，例如約80°至90°。
諸如光探測器之裝置可具有在1300nm波長下之例如0.55 A/W至0.90 A/W、0.6 A/W至0.85 A/W、0.65 A/W至0.85 A/W之響應度，其中使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量響應度。
諸如光探測器之裝置可具有0.75mm至1.25mm、例如0.9 mm至1.1mm之直徑，其可表現出例如2.5nA至4.5nA、2.7nA至4.3nA、2.9nA至4.1nA、3.1nA至3.9nA、或3.2nA至3.8nA之暗電流，在室溫(25℃)下測量。
具有稀釋氮化物主動層之光探測器可具有圖4所示之結構。基底可係半絕緣GaAs基底，第一阻擋層可係厚度為0.05μm至0.15μm且摻雜程度為1×1017cm-3至1×1019cm-3之p摻雜GaAs層，第二阻擋層可係厚度為0.05μm至0.15μm且摻雜程度為1×1017cm-3至1×1019cm-3之n摻雜GaAs層，並且主動層可係帶隙為0.9eV至0.92eV、FWHM為50nm至70nm且厚度為0.05μm至0.15μm之GaInNAsSb層。GaInNAsSb峰與GaAs基底之間之XRD裂縫可為600弧秒至1000弧秒，對應於0.2%至0.35%之壓縮應變。
光探測器可具有圖4之結構之直徑，其可具有0.75mm至1.25mm之直徑、70°至90°之側壁角度(垂直於基底)、使用寬帶鹵素燈在用10nm波長帶對光進行單色化之情況下測量之0.6 A/W至0.85 A/W之響應度(在1300nm波長下)，以及在室溫(25℃)下測量、在1V偏置電壓下為2.5nA至4.5nA之暗電流。
【實施例】
以下實施例詳細地描述本發明內容提供之化合物、裝置及方法之實例。所屬技術領域中具有通常知識者可容易理解，在不背離本發明內容範圍之情況下，可實踐對材料及方法二者之許多修改。
實施例1
GaInNAsSb層之X射線及光致發光表徵
具有約0.8eV至0.92eV之帶隙、適用於併入光探測器之稀釋氮化物GaInNAsSb材料已經由X射線衍射(XRD)及光致發光(PL)光譜表徵。此等樣品之稀釋氮化物吸收劑層之厚度為約0.5μm。圖6及圖7示出在GaAs基底上使用MBE磊晶形成之GaInNAsSb層之XRD掃描，前述GaInNAsSb層之帶隙分別為約0.855eV及0.912eV。GaInNAsSb層係假晶層(非弛豫)。
如圖6所示，用於0.855eV材料之掃描602具有兩個峰604及606，顯示存在兩個不同的晶格參數。峰604對應於GaAs基底之晶格參數，並且峰606對應於GaInNAsSb層之晶格參數。峰606從峰608偏移約-820弧秒，顯示GaInNAsSb層相對於GaAs為壓縮應變。
如圖7所示，用於0.912eV材料之掃描702具有兩個峰704及706，顯示存在兩個不同的晶格參數。峰704對應於GaAs基底之晶格參數，並且峰706對應於GaInNAsSb層之晶格參數。峰706從峰708偏移約-780弧秒，顯示GaInNAsSb層相對於GaAs為壓縮應變。
峰604、606、704及706之狹窄度顯示GaInNAsSb層具有高結晶度及低缺陷程度。
圖8、圖9及圖10示出具有約0.8eV至0.92eV之帶隙的不同GaInNAsSb材料樣品之PL光譜。
如圖8所示，掃描802包含在1370.2nm波長處之峰804，其對應於約0.905eV之能量。掃描802包含97.8nm之半高寬(FWHM)806。此種窄的FWHM顯示出良好的材料品質。
如圖9所示，掃描902包含在1447.2nm波長處之峰904，其對應於約0.857eV之能量。掃描902包含102.4nm之半高寬(FWHM)906。此種窄的FWHM顯示出良好的材料品質。
如圖10所示，掃描1002包含在1543.3nm波長處之峰1004，其對應於約0.803eV之能量。掃描1002包含125.4nm之半高寬(FWHM)1006。此種窄的FWHM亦顯示出良好的材料品質。
實施例2
在GaAs上生長之基於GaInNAsSb之光探測器
製造包含稀釋氮化物層之光探測器，前述稀釋氮化物層包含GaInNAsSb並具有0.9eV至0.92eV之帶隙。Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz具有其中0.12x0.24、0.03y0.07及0.001z0.02之組成，例如0.13x0.2、0.03y0.045及0.001z0.02，或0.13x0.18、0.03y0.04及0.001z0.02。圖4中示出光探測器之結構。稀釋氮化物層之光致發光(PL)測量顯示出在50nm至70nm之半高寬。稀釋氮化物層之厚度為0.5μm至1.5μm。光探測器結構包含半絕緣(SI)GaAs基底。第一接觸層係厚度為1μm且摻雜程度為5×1018cm-3之p摻雜GaAs層。第一阻擋層係厚度為0.1μm且摻雜程度為1×1018cm-3之p摻雜GaAs層。主動層係本質(或非蓄意摻雜)GaInNAsSb層。第二阻擋層係厚度為0.1μm且摻雜程度為1×1018cm-3之n摻雜GaAs層。第二接觸層係厚度為50nm且摻雜程度為1×1019cm-3之n摻雜GaAs層。使用高解析度X射線衍射(XRD)表徵稀釋氮化物層之應變，並且顯示出-600弧秒至-1000弧秒之基底與稀釋氮化物層之間之峰裂縫，其對應於0.2%至0.35%之壓縮應變。具有壓縮應變高至0.4%之主動層之裝置 亦可能。亦製造直徑為20μm至3mm之光探測器。
藉由蝕刻穿過稀釋氮化物材料以形成台面結構來製造探測器及探測器陣列，其中裝置直徑高至約1mm。蝕刻稀釋氮化物材料之方法包含濕蝕刻技術及例如使用電感耦合電漿(ICP)之乾蝕刻技術，前述濕蝕刻技術例如在美國專利US9263611及美國專利US9627561中所描述者，每一篇專利皆藉由援引整體併入。蝕刻技術可配置為提供平滑側壁，並且側壁角度為約80°至90°(垂直於基底)、或約70°至90°。
圖11A示出使用ICP蝕刻所蝕刻之GaInNAsSb稀釋氮化物材料之掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，形成台面1100。台面1100具有頂部表面1102、底部表面1104及相對於表面具有側壁角度之側壁1106。側壁角度小於90°但大於80°。使用所屬技術領域中習知之標準鈍化及金屬化步驟來完成裝置。
圖11B示出GaInNAsSb稀釋氮化物光探測器陣列1150之一部分之掃描電子顯微鏡圖像。藉由光探測器台面結構1152之二維陣列形成陣列1150。已製造320×256個探測器元件或像素之陣列。側壁角度允許緊密間隔之光探測器。在部分實施型態中，台面1100之長度及寬度可各自大約為6μm。在部分實施型態中，最小台面間距可為30μm。在其他實施型態中，最小台面間距可為12μm。
圖12示出根據本發明製造之四(4)個光探測器之響應度曲線。藉由MBE在GaAs基底上生長GaInNASSb來製造裝置。GaInNAsSb層係壓縮應變，在GaInNAsSb稀釋氮化物峰與GaAs基底峰之間具有600弧秒或800弧秒之XRD峰裂縫。
對於此等光探測器，測量出0.6 A/W至0.85 A/W(在1300nm之波長下)之響應度。響應度曲線1202針對具有0.5μm厚之GaInNAsSb稀釋氮化物層並具有600弧秒之XRD峰裂縫之裝置。響應度曲線1204針對具有1μm厚之GaInNAsSb稀釋氮化物層並具有600弧秒之XRD峰裂縫之裝置。響應度曲線1206針對具有1.5μm厚之GaInNAsSb稀釋氮化物層並具有600弧秒之XRD峰裂縫之裝置。響應度曲線1208針對具有0.5μm厚之稀釋氮化物層並具有800弧秒之XRD峰裂縫之裝置。使用寬帶鹵素燈在用10nm波長階梯對光線進行單色化之情況下測量響應度，並且使用NIST可追蹤之InGaAs探測器進行校準。
具有1mm直徑之光探測器在1V偏置電壓下表現出低至3.6nA之暗電流，在室溫(25℃)下測量。
為評估GaInNAsSb材料品質，在未摻雜的GaAs上生長厚度為250nm至2μm之GaInNAsSb層。用GaAs覆蓋GaInNAsSb層。進行時間解析光致發光(TRPL)測量以測定GaInNAsSb層之少數載子壽命。TRPL係用於表徵光伏材料中之複合及載子傳輸之非接觸方法。材料之少數載子壽命可受包含背景載子濃度之參數以及可引起非輻射效應及載子捕捉之缺陷影響。較低的背景載子濃度及/或較低數量之缺陷可導致較長的少數載子壽命，此表示高品質的半導體材料。在970nm之激發波長，以及由Ti：藍寶石：OPA雷射器產生之0.250mW之平均CW功率及200fs之脈衝持續時間，測量TRPL動力學。脈衝重複率為250kHz。在樣品處之雷射光束直徑為約1mm。雖已揭露少數載子壽命低於1ns之典型稀釋氮化物材料，惟根據本發明之材料具有較高的載子壽命值，並且載子壽命為約1.1 ns至2.5ns。部分GaInNAsSb層表現出大於2ns之少數載子壽命。
雖然例如在第2009/0014061號美國公開中已揭露小於約1016cm-3且低至約1015cm-3之背景載子濃度，惟此等材料表現出小於1ns之少數載子壽命。此顯示出僅背景載子濃度不能決定少數載子壽命，但材料內缺陷之數量或濃度可用作複合中心。儘管對背景載子濃度沒有貢獻，但此等缺陷會降低材料之電學及光學性質，導致載子壽命降低及較差的裝置性能。因此，大於1ns之少數載子壽命顯示出此等缺陷的程度較低，並且據信本說明書所揭露之GaInNAsSb材料之低缺陷密度貢獻出比先前認為基於稀釋氮化物之光探測器可實現之響應度明顯更高的響應度。
可在GaAs基底或Ge基底上生長本發明內容之半導體裝置，例如包含III-V族半導體層之光探測器。GaAs及Ge之晶格常數分別為5.65Å及5.66Å，並且可在任一基底上生長具有類似組成而沒有缺陷的III-V族材料。Ge及GaAs之晶格常數之緊密匹配允許例如高品質GaAs在Ge表面上磊晶生長。
圖13A及圖13B分別描述半導體裝置1300及1320。半導體裝置1300包含在GaAs基底1302上磊晶形成之III-V族化合物半導體層1304，並且半導體裝置1320包含在Ge基底1322上形成之半導體層1324。半導體層1304及1324晶格匹配或假晶應變地生長至基底，確保形成高品質III-V族層。
III-V族材料亦可生長在晶格常數與GaAs或Ge之晶格常數緊密匹配之基底上，例如緩衝基底。可提供晶格常數約等於GaAs或Ge之晶格常數之緩衝矽基底之實例包含SiGe緩衝的Si、SiGeSn緩衝的Si及 稀土(Re)緩衝的Si，例如稀土氧化物(REO)緩衝的Si。所屬技術領域中具有通常知識者應理解，諸如SiGe、SiGeSn或含RE的層之層可形成在基底上生長之緩衝層(或晶格設計層)，例如在晶格設計層中具有少量缺陷及/或錯位的Si。緩衝層可在緩衝層之頂部提供約等於GaAs或Ge基底之晶格常數之晶格常數，促進在緩衝層之頂部形成高品質III-V族層之能力，並且在III-V族半導體層及/或稀釋氮化物層中具有少量缺陷及/或錯位。少量缺陷可包含與在InP基底上生長之In0.53Ga0.47As層中所出現之缺陷相當或更少的缺陷。
圖14A、圖14B及圖15示出III-V族材料之實例，例如在晶格參數匹配或幾乎匹配GaAs或Ge之晶格常數之緩衝基底上形成之光伏電池、光探測器及功率轉換器。
圖14A及圖14B分別描述包含在矽基底上之晶格設計緩衝層之半導體裝置1400及1420。裝置1400包含矽基底1402、在Si基底上之漸變的SixGe1-x(0≦x≦1)緩衝層1404及在SiGe緩衝層1404上之III-V族化合物半導體層1406。漸變的SixGe1-x層1404之Si分數x在層厚度中從0變化至1。在與Si基底1402之界面處，x=1並且漸變的SixGe1-x層1404基本上僅包含Si。在與III-V族層1406之界面處，x=0並且漸變的SixGe1-x層1404基本上僅包含Ge。因此，漸變的SixGe1-x層1404提供晶格參數從Si基底(5.43Å)之晶格參數至Ge之晶格參數(5.66Å)之過渡，其幾乎匹配GaAs(5.65Å)之晶格參數。因此，漸變的SixGe1-x層1404允許在Si基底上生長GaAs層。總之，漸變的SixGe1-x層1404及矽基底1402包含具有頂部表面之基底1408，前述頂部表面之晶格參數幾乎匹配GaAs或Ge 之晶格參數。
如圖14B所示，裝置1420包含矽基底1422、在Si基底上之SiGeSn緩衝層1424及在緩衝層1424上之III-V族化合物半導體層1426。可根據第8,029,905號美國專利中描述之方法形成SiGeSn緩衝層1424，並且可在與位於上面之III-V族層1426之界面處提供與GaAs或Ge之晶格常數大約相等的晶格常數，由此使得在Si基底上生長GaAs層。總之，SiGeSn層1424及矽基底1432包含具有頂部表面之基底1428，前述頂部表面之晶格參數幾乎匹配GaAs及Ge之晶格參數。
圖15描述包含在矽基底上之晶格設計緩衝層之半導體裝置1500。裝置1500包含矽基底1502、在Si基底上磊晶形成之含稀土(RE)的緩衝層1504及在緩衝層1504上之III-V族化合物半導體層1506。含RE之層1504係晶格設計層。稀土元素係週期表上之特定種類的元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。含RE之層可包含一種或多種稀土元素。通常，含RE之層可係稀土氧化物(REO)、稀土矽化物(RESi)或磷族元素化合物(RE-V，其中V代表來自週期表之V族元素，即N、P、As、Sb或Bi)或REO、RESi及/或磷族元素化合物之任意組合。可選擇含RE之層之組成以在其與位於上面之III-V族層1506之界面處產生匹配或幾乎匹配GaAs之晶格參數。例如，界面處之層可為ErAsxN1-x，其中x為約0.9，其與GaAs晶格匹配或幾乎晶格匹配。含RE之層可在層厚度上具有恆定組成或漸變組成。當漸變時，可設計含RE之層，使得最接近Si之部分與矽在化學及機械方面相容。例如，可在矽與含稀土之層之間之界面處或界面附近使用氧化釓，此歸因於 其與矽之晶格匹配。因此，含RE之層1504可提供用於III-V族層1506磊晶生長之模板。總之，含RE之層1504及矽基底1502包含具有頂部表面之基底1508，前述頂部表面之晶格參數匹配或幾乎匹配GaAs及Ge之晶格參數。
圖13A至圖15中所示之基底可用於圖1至圖4中所示之任一半導體裝置。
本申請根據35 U.S.C.§ 119(e)要求2017年9月27日提交之第62/564,124號美國臨時申請之權益，前述申請藉由引用整體併入本發明中。
最終，應注意，存在實施本發明公開之實施型態之替代方式。因此，本發明之實施型態被認為是示例性而非限制性。此外，申請專利範圍不侷限於本說明書所列出之細節，而是享有其全部範圍及其均等物之權利。

Claims (24)

  1. 一種化合物半導體光電裝置，其特徵係包含：基底；在前述基底上之第一摻雜III-V族層；在前述第一摻雜III-V族層之主動區，其中，前述主動區包含晶格匹配之稀釋氮化物層或假晶稀釋氮化物層，前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙，及前述稀釋氮化物層具有1ns或更大的少數載子壽命；以及在前述主動區上之第二摻雜III-V族層。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有相對於前述基底為0%至0.4%之壓縮應變。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有2ns或更大的少數載子壽命。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述基底包含GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝的Si。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述基底之晶格常數小於GaAs或Ge之晶格常數的3%。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi或GaInNAsSbBi。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga 1-xIn xN yAs 1-y-zSb z，且，0 x 0.4、0<y 0.07及0<z 0.04。
  8. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga 1-xIn xN yAs 1-y-zSb z，且，0.12 x 0.24、0.03 y 0.07及0.001 z 0.02；0.12 x 0.24、0.03 y 0.07及0.005 z 0.04；0.13 x 0.20、0.03 y 0.045及0.001 z 0.02；0.13 x 0.18、0.03 y 0.04及0.001 z 0.02；或0.18 x 0.24、0.04 y 0.07及0.01 z 0.04。
  9. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述稀釋氮化物層具有0.2μm至10μm之厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述裝置包含光探測器。
  11. 如申請專利範圍第10項所記載之裝置，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.6 A/W之響應度。
  12. 如申請專利範圍第10項所記載之裝置，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.8 A/W之響應度。
  13. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中，前述裝置包含發光二極管。
  14. 一種形成半導體光電裝置之方法，其特徵係包含：形成基底；形成在前述基底上之第一摻雜III-V族層；形成在前述第一摻雜III-V族層上之主動區，其中，前述主動區包含假晶稀釋氮化物層，前述稀釋氮化物層具有0.7eV至1.0eV之帶隙，及 前述稀釋氮化物層具有1ns或更大的少數載子壽命；以及形成在前述主動區上之第二摻雜III-V族層。
  15. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi或GaInNAsSbBi。
  16. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga 1-xIn xN yAs 1-y-zSb z，且，0 x 0.4、0<y 0.07及0<z 0.04。
  17. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層包含Ga 1-xIn xN yAs 1-y-zSb z，且，0.12 x 0.24、0.03 y 0.07及0.001 z 0.02；0.12 x 0.24、0.03 y 0.07及0.005<z 0.04；0.13 x 0.2、0.03 y 0.045及0.001 z 0.02；0.13 x 0.18、0.03 y 0.04及0.001 z 0.02；或0.18 x 0.24、0.04 y 0.07及0.01 z 0.04。
  18. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層具有0.2μm至10μm之厚度。
  19. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述基底包含GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝的Si。
  20. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述基底之晶格常數小於GaAs或Ge之晶格常數的3%。
  21. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述稀釋氮化物層具有相對於前述基底為0%至0.4%之壓縮應變。
  22. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中，前述裝置包含光探測器。
  23. 如申請專利範圍第21項所記載之方法，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.6 A/W之響應度。
  24. 如申請專利範圍第21項所記載之方法，其中，前述光探測器在1300nm下具有大於0.8 A/W之響應度。
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