CN115207776A - 一种半导体外延结构及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其生长方法。所述半导体外延结构包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的下波导层；位于所述下波导层上的有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层和势垒层，所述势垒层位于所述量子阱层的两侧，所述势垒层为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；位于所述有源区上的上波导层。本申请避免有源区在高温下铟偏析，提高了激光器的稳定性。

Description

一种半导体外延结构及其生长方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其生长方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低等优点，近些年在工业、农业、军事等领域都得到了广泛的研究和应用，其中近红外波段更是研究的重点。在近红外的940nm-1100nm波段，对于砷化镓（GaAs）基半导体激光器来说，需要采用铟镓砷（InGaAs）应变量子阱得以实现。
由于高温情况下铟镓砷材料存在铟的偏析、脱附和铟-镓互混等行为，所以在铟镓砷应变量子阱系列激光器外延生长多采用低温生长有源区，但低温生长时铟镓砷量子阱引入的碳沾污及铝镓砷（AlGaAs）势垒层引入的铝暗线等缺陷，会导致激光器性能的下降。此外，由于铝镓砷系列波导层/限制层需要高温生长提高晶体质量以得到更长的使用寿命，导致有源区和铝镓砷波导层之间存在一个升降温过程，在有源区到铝镓砷波导层的升温段，铟镓砷量子阱中的铟会在界面出现偏析导致量子阱中的铟分布不均，进而导致激光器性能下降。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于克服现有砷化镓（GaAs）基半导体激光器的铟镓砷应变量子阱在高温下不稳定的缺陷，进而提供一种半导体外延结构及其生长方法。
本申请提供一种半导体外延结构，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的下波导层；位于所述下波导层上的有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层和势垒层，所述势垒层位于所述量子阱层的两侧，所述势垒层为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；位于所述有源区上的上波导层。
可选的，所述铟镓铝砷量子阱层的材料为Inb（Ga1-aAla）1-bAs，其中0<a<0.2，0<b<0.35。
可选的，所述有源区包括N个铟镓铝砷量子阱层和N+1个势垒层，其中N为大于或等于1的整数。
可选的，还包括：位于所述半导体衬底层和所述下波导层之间的第一导电类型缓冲层和第一导电类型限制层，所述第一导电类型缓冲层位于所述半导体衬底层和所述第一导电类型限制层之间；位于所述上波导层上的第二导电类型限制层；位于所述第二导电类型限制层上的欧姆接触层。
可选的，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
可选的，所述第一导电类型限制层包括N型铝镓砷限制层，所述第二导电类型限制层包括P型铝镓砷限制层。
本申请提供一种半导体外延结构的生长方法，包括：提供半导体衬底层；在所述半导体衬底层上生长下波导层；在所述下波导层上生长有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层和势垒层，所述势垒层位于所述量子阱层的两侧，所述势垒层为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；在所述有源区上生长上波导层。
可选的，在所述半导体衬底层上生长下波导层的步骤之前，还包括：在所述半导体衬底层上生长第一导电类型缓冲层；在所述第一导电类型缓冲层上生长第一导电类型限制层；在所述有源区上生长上波导层的步骤之后，还包括：在所述上波导层上生长第二导电类型限制层；在所述第二导电类型限制层上生长欧姆接触层。
可选的，采用金属有机化学气相沉积工艺依次生长各结构层，其中反应室压力为50mbar-150mbar，以氢气为载气，以三甲基镓或三乙基镓为镓源，以三甲基铝为铝源，以三甲基铟为铟源，以砷烷为反应源气体，以乙硅烷或硅烷为N型掺杂源，以四溴化碳、二甲基锌或二茂镁为P型掺杂源进行生长。
可选的，金属有机化学气相沉积工艺的反应温度为650℃-850℃。
本申请技术方案，具有如下优点：
本申请的半导体外延结构的生长方法在铟镓砷应变量子阱层中引入铝掺杂形成铟镓铝砷量子阱层可以提升整个III族元素（铝、镓或铟）与V族元素（砷）之间的键能，避免高温下III-V键断裂从而导致砷与反应腔室内的氢离子复合后导致的铟偏析。同时根据不同的铟镓铝砷量子阱的应力搭配使用砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合作为势垒层材料，进行应力补偿，得到更好的载流子限制，提升内量子效率，提高激光器性能。这是由于铝镓砷相比于镓砷磷具有更大的禁带宽度，因此铝镓砷势垒层就比镓砷磷势垒层具有更好的对载流子的限制效果，提升了复合效率也即提升内量子效率。
本申请的半导体外延结构的生长方法可以全过程在高温下生长半导体外延结构，得到了更好的晶体质量，同时有源区的碳沾污和铝暗线现象也会得到有效降低，从而获得更好的光学性能和更高的使用寿命。
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，为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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为本申请一个实施例的半导体外延结构的剖面示意图；
图2为本申请另一个实施例的有源区的剖面示意图；
图3为本申请另一个实施例的半导体外延结构的剖面示意图；
图4为本申请实施例2的半导体外延结构的生长方法的流程示意图。
附图标记说明：
1-半导体衬底层；21-下波导层；22-上波导层；3-有源区；31-量子阱层；32-势垒层；4-第一导电类型缓冲层；51-第一导电类型限制层；52-第二导电类型限制层；6-欧姆接触层。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请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。
本申请的技术构思包括：在铟镓砷应变量子阱层中引入铝掺杂形成铟镓铝砷量子阱层可以提升整个III族元素（铝、镓或铟）与V族元素（砷）之间的键能，避免高温下III-V键断裂从而导致砷与反应腔室内的氢离子复合后导致的铟偏析。但是铝掺杂到铟镓砷材料中会导致波长变短，为了得到合适的波长，需要引入更多的铟，铟（离子半径80×10-12m）相对于镓（离子半径62×10-12m）更大的离子半径导致铝掺杂的铟镓绅材料的晶格应力变大，再通过势垒层对量子阱层进行应力调制，得到更高的限制效果和更好的晶体质量。
实施例1
本实施例提供一种半导体外延结构，如图1所示，包括：
半导体衬底层1；
位于所述半导体衬底层1上的下波导层21；
位于所述下波导层21上的有源区3，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层31和势垒层32，所述势垒层32位于所述量子阱层31的两侧，所述势垒层32为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；
位于所述有源区上的上波导层22。
本申请的半导体外延结构的生长方法在铟镓砷应变量子阱层31中引入Al掺杂形成铟镓铝砷量子阱层31可以提升整个III族元素（铝、镓或铟）与V族元素（砷）之间的键能，避免高温下III-V键断裂从而导致砷与反应腔室内的氢离子复合后导致的铟偏析。同时根据不同的铟镓铝砷量子阱的应力搭配使用砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合作为势垒层32材料，进行应力补偿，得到更好的载流子限制，提升内量子效率，提高激光器性能。这是由于铝镓砷相比于镓砷磷具有更大的禁带宽度，因此铝镓砷势垒层就比镓砷磷势垒层具有更好的对载流子的限制效果，提升了复合效率也即提升内量子效率。
具体的，所述铟镓铝砷量子阱层31的材料为Inb（Ga1-aAla）1-bAs，其中0<a<0.2，0<b<0.35。优选的a<0.1，0.1<b<0.25，b的选取应综合考虑应力、临界应变厚度、波长等需求。
本实施例中，半导体衬底层1的材料为砷化镓，下波导层21的材料为铝镓砷，上波导层22的材料为铝镓砷。
在可选的实施例中，所述有源区包括N个铟镓铝砷量子阱层31和N+1个势垒层32，其中N为大于或等于1的整数。示意性的，参考图2，图中有四个铟镓铝砷量子阱层31和五个势垒层32。
本实施例中，如图3所示，还包括：位于所述半导体衬底层1和所述下波导层21之间的第一导电类型缓冲层4和第一导电类型限制层51，所述第一导电类型缓冲层4位于所述半导体衬底层1和所述第一导电类型限制层51之间；位于所述上波导层22上的第二导电类型限制层52；位于所述第二导电类型限制层52上的欧姆接触层6。
在本实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。具体的，所述第一导电类型限制层51包括N型铝镓砷限制层，所述第二导电类型限制层52包括P型铝镓砷限制层。在其他实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
实施例2
本实施例提供一种半导体外延结构的生长方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1：提供半导体衬底层1；
步骤S2：在所述半导体衬底层1上生长下波导层21；
步骤S3：在所述下波导层21上生长有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层31和势垒层32，所述势垒层32位于所述量子阱层31的两侧，所述势垒层32为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；
步骤S4：在所述有源区上生长上波导层22。
本申请的半导体外延结构的生长方法可以全过程在高温下生长半导体外延结构，得到了更好的晶体质量，同时有源区的碳沾污和铝暗线现象也会得到有效降低，从而获得更好的光学性能和更高的使用寿命。
本实施例中，在所述半导体衬底层1上生长下波导层21的步骤之前，还包括：在所述半导体衬底层1上生长第一导电类型缓冲层4；在所述第一导电类型缓冲层4上生长第一导电类型限制层51；在所述有源区上生长上波导层22的步骤之后，还包括：在所述上波导层22上生长第二导电类型限制层52；在所述第二导电类型限制层52上生长欧姆接触层6。
在可选的实施例中，采用金属有机化学气相沉积（metal-organic chemicalvapor deposition，MOCVD）工艺依次生长各结构层，其中反应室压力为50mbar-150mbar，例如50mbar、75mbar、100mbar、120mbar或150mbar。本实施例中以氢气为载气，以三甲基镓或三乙基镓为镓源，以三甲基铝为铝源，以三甲基铟为铟源，以砷烷为反应源气体，以乙硅烷或硅烷为N型掺杂源，以四溴化碳、二甲基锌或二茂镁为P型掺杂源进行生长。
进一步的，金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺的反应温度为650℃-850℃。优选的，反应温度≥700℃，例如700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃或850℃。
实施例3
本实施例中，采用金属有机化学气相沉积工艺依次生长各结构层，MOCVD的反应室压力为50mbar-150mbar，以氢气为载气，三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）等作为生长源材料，砷烷（AsH3）为反应源气体，以乙硅烷（Si2H6）或硅烷（SiH4）为N型掺杂源，以四溴化碳(CBr4)、二甲基锌（DMZn）或二茂镁（Cp2Mg）为P型掺杂源材料进行生长。
具体包括以下步骤：
步骤S301：提供半导体衬底层，在砷烷气氛下，将MOCVD反应室温度升高到650℃-850℃。优选的，反应温度≥700℃。
步骤S302：根据各外延层的材料不同，按比例通入镓源、铝源及掺杂源气体，依次形成第一导电类型缓冲层、第一导电类型限制层和下波导层。
步骤S303：关闭掺杂源气体，通入满足势垒层比例的镓源和铝源，在下波导层上生长砷化镓/铝镓砷势垒层。
步骤S304：在砷化镓/铝镓砷势垒层生长完成后，通入设定好的铟源、镓源和铝源，在砷化镓/铝镓砷势垒层上生长铟镓铝砷量子阱层。
步骤S305：关闭铟源，通入设定好的镓源和铝源，在铟镓铝砷量子阱层上生长势垒层。
步骤S306：在生长完成的势垒层上依次形成上波导层、第二导电类型限制层和欧姆接触层。
实施例4
本实施例中，采用金属有机化学气相沉积工艺依次生长各结构层，MOCVD的反应室压力为50mbar-150mbar，以氢气为载气，三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）等作为生长源材料，砷烷（AsH3）为反应源气体，以乙硅烷（Si2H6）、硅烷（SiH4）为N型掺杂源，以四溴化碳(CBr4) 、二甲基锌（DMZn）或二茂镁（Cp2Mg）为P型掺杂源材料进行生长。具体包括以下步骤：
步骤S401：提供半导体衬底层，在砷烷气氛下，将MOCVD反应室温度升高到650℃-850℃。优选的，反应温度≥700℃。
步骤S402：按照各层材料不同，按比例通入镓源、铝源及N型掺杂源气体，依次形成第一导电类型缓冲层、第一导电类型限制层和下波导层。
步骤S403：关闭掺杂源、镓源和铝源气体，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s。在这段时间将砷烷的流量逐渐降低到下波导层的5%-30%，优选为10%。
步骤S404：关闭砷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s。在这段时间设置镓砷磷势垒层的砷烷流量。
步骤S405：在0.5s-5s内，打开生长镓砷磷势垒层需要的砷烷、磷烷，然后通入生长镓砷磷势垒层需要的镓源，在下波导层上生长镓砷磷势垒层。
步骤S406：在镓砷磷势垒层生长完成后，关闭镓源，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s。
步骤S407：关闭砷烷，磷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s，在这段时间设置铟镓铝砷量子阱层的砷烷流量。
步骤S408：在0.5s-5s内，打开生长铟镓铝砷量子阱层需要的砷烷，然后通入生长铟镓铝砷量子阱层需要的镓源、铝源和铟源，在镓砷磷势垒层上生长铟镓铝砷量子阱层。
步骤S409：关闭镓源、铝源和铟源，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s，在这段时间将砷烷流量逐渐降低到铟镓铝砷量子阱层的5%-30%，优选为10%。
步骤S410：关闭砷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s，在这段时间设置镓砷磷势垒层的砷烷流量。
步骤S411：在0.5s-5s内，打开生长镓砷磷势垒层需要的砷烷、磷烷，然后通入生长镓砷磷势垒层需要的镓源，在铟镓铝砷量子阱层上生长镓砷磷势垒层。
步骤S412：在镓砷磷势垒层生长完成后，关闭镓源，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s。
步骤S413：关闭砷烷，磷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s，在这段时间设置上波导层的砷烷流量。
步骤S414：在0.5s-5s内，打开生长上波导层需要的砷烷，然后通入生长上波导层需要的镓源、铝源及P型掺杂源，在镓砷磷势垒层上生长上波导层。
步骤S415：在生长完成上波导层后依次形成第二导电类型限制层和欧姆接触层。
实施例5
本实施例中，采用金属有机化学气相沉积工艺依次生长各结构层，MOCVD的反应室压力为50mbar-150mbar，以氢气为载气，三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）等作为生长源材料，砷烷（AsH3）为反应源气体，以乙硅烷（Si2H6）或硅烷（SiH4）为N型掺杂源，以四溴化碳(CBr4) 、二甲基锌（DMZn）或二茂镁（Cp2Mg）为P型掺杂源材料进行生长。
具体包括以下步骤：
步骤S501：提供半导体衬底层，在砷烷气氛下，将MOCVD反应室温度升高到650℃-850℃。优选的，反应温度≥700℃。
步骤S502：按照各层材料不同，按比例通入镓源、铝源及N型掺杂源气体，依次形成第一导电类型缓冲层、第一导电类型限制层和下波导层。
步骤S503：关闭掺杂源、镓源和铝源气体，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s。在这段时间将砷烷的流量逐渐降低到下波导层的5%-30%，优选为10%。
步骤S504：关闭砷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s。在这段时间设置镓砷磷势垒层的砷烷流量。
步骤S505：在0.5s-5s内，打开镓砷磷势垒层需要的砷烷、磷烷，然后通入生长镓砷磷势垒层需要的镓源，在下波导层上生长镓砷磷势垒层。
步骤S506：在镓砷磷势垒层生长完成后，关闭镓源，持续1s-60s，优选的，持续时间为5s-15s。
步骤S507：关闭砷烷，磷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s，在这段时间设置砷化镓/铝镓砷势垒层的砷烷流量。
步骤S508：在0.5s-5s内，打开砷化镓/铝镓砷势垒层所需要的砷烷，然后通入生长砷化镓/铝镓砷势垒层所需要的镓源和铝源，在镓砷磷势垒层上生长砷化镓/铝镓砷势垒层。
步骤S509：在砷化镓/铝镓砷势垒层生长完成后，通入设定好的铟源、镓源和铝源，在砷化镓/铝镓砷势垒层上生长铟镓铝砷量子阱层。
步骤S510：在铟镓铝砷量子阱层生长完成后，关闭铟源，通入生长砷化镓/铝镓砷势垒层所需要的砷烷、镓源和铝源，在铟镓铝砷量子阱层上生长砷化镓/铝镓砷势垒层。
步骤S511：在砷化镓/铝镓砷势垒层生长完成后，关闭镓源、铝源，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s，在这段时间将砷烷流量逐渐降低到砷化镓/铝镓砷势垒层的5%-30%，优选为10%。
步骤S512：关闭砷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-30s，在这段时间设置镓砷磷势垒层的砷烷流量。
步骤S513：在0.5s-5s内，打开镓砷磷势垒层需要的砷烷、磷烷，然后通入生长镓砷磷势垒层需要的镓源，在砷化镓/铝镓砷势垒层上生长镓砷磷势垒层。
步骤S514：在镓砷磷势垒层生长完成后，关闭镓源，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s。
步骤S515：关闭砷烷，磷烷，持续1s-60s。优选的，持续时间为5s-15s，在这段时间设置上波导层的砷烷流量。
步骤S516：在0.5s-5s内，打开生长上波导层需要的砷烷，然后通入生长上波导层需要的镓源、铝源及P型掺杂源，在镓砷磷势垒层上生长上波导层。
步骤S517：在生长完成上波导层后，依次形成第二导电类型限制层和欧姆接触层。
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申请创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种半导体外延结构，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下波导层；
位于所述下波导层上的有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层和势垒层，所述势垒层位于所述量子阱层的两侧，所述势垒层为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；
位于所述有源区上的上波导层。
2.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述铟镓铝砷量子阱层的材料为Inb（Ga1-aAla）1-bAs，其中0<a<0.2，0<b<0.35。
3.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述有源区包括N个铟镓铝砷量子阱层和N+1个势垒层，其中N为大于或等于1的整数。
4.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，还包括：
位于所述半导体衬底层和所述下波导层之间的第一导电类型缓冲层和第一导电类型限制层，所述第一导电类型缓冲层位于所述半导体衬底层和所述第一导电类型限制层之间；
位于所述上波导层上的第二导电类型限制层；
位于所述第二导电类型限制层上的欧姆接触层。
5.根据权利要求4所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
6.根据权利要求4所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一导电类型限制层包括N型铝镓砷限制层，所述第二导电类型限制层包括P型铝镓砷限制层。
7.一种半导体外延结构的生长方法，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生长下波导层；
在所述下波导层上生长有源区，所述有源区包括铟镓铝砷量子阱层和势垒层，所述势垒层位于所述量子阱层的两侧，所述势垒层为砷化镓、铝镓砷或镓砷磷中的一种或多种组合；
在所述有源区上生长上波导层。
8.根据权利要求7所述的半导体外延结构的生长方法，其特征在于，在所述半导体衬底层上生长下波导层的步骤之前，还包括：
在所述半导体衬底层上生长第一导电类型缓冲层；
在所述第一导电类型缓冲层上生长第一导电类型限制层；
在所述有源区上生长上波导层的步骤之后，还包括：
在所述上波导层上生长第二导电类型限制层；
在所述第二导电类型限制层上生长欧姆接触层。
9.根据权利要求7或8所述的半导体外延结构的生长方法，其特征在于，采用金属有机化学气相沉积工艺依次生长各结构层，其中反应室压力为50mbar-150mbar，以氢气为载气，以三甲基镓或三乙基镓为镓源，以三甲基铝为铝源，以三甲基铟为铟源，以砷烷为反应源气体，以乙硅烷或硅烷为N型掺杂源，以四溴化碳、二甲基锌或二茂镁为P型掺杂源进行生长。
10.根据权利要求9所述的半导体外延结构的生长方法，其特征在于，金属有机化学气相沉积工艺的反应温度为650℃-850℃。
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