专利名称：半导体器件中减少氧化引入缺陷的应变补偿结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，更具体地涉及一种具有应变补偿结构的半导体器件。
背景技术：
许多基于半导体的器件(诸如专用集成电路(ASIC))、晶体管以及发光器件(诸如激光器)采用氧化材料层作为它们结构的一部分。例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以包括氧化半导体层，以提供光学和/或电流约束。ASIC可以包括氧化物层，以在器件内提供电隔离。
基于半导体发光器件(诸如VCSL)是通过在衬底上方外延生长半导体材料层而形成的。在VCSL中，氧化物层可以通过氧化半导体材料层而形成，其中半导体材料层包括相当大数量易氧化的元素。例如，铝(Al)是经常加到半导体层以促进含铝层氧化的元素。一般地，为了形成氧化铝层，生长含铝半导体层，然后在氧化环境(诸如高水蒸汽含量的环境)中加热。氧化环境氧化具有相当大铝含量的任何材料的暴露区域。
当含铝层开始作为半导体材料层生长时，相对于在其上生长含铝层的衬底而言，含铝层一般地是晶格匹配或者假晶地(pseudomorphically)生长。就外延半导体层生长来说，假晶生长是指这样的半导体材料层，其发生压应变或拉应变，使得其晶格参数与衬底材料的晶格参数一致。无论含铝层是与衬底晶格匹配地生长还是假晶地生长，含铝层的晶格参数在该层氧化后将变化。不幸地，含铝层的晶格参数在氧化后的这种变化引起该层相对于衬底和相邻层发生应变。发生应变是因为半导体层之间的晶格参数中的差。应变引起在氧化的层中形成点缺陷以及其他晶格变形。这些缺陷可以迁移到晶体结构中。例如，在VCSEL的情况下，氧化的层中由应变引起的缺陷可以迁移到形成VCSEL的有源区的材料层中，由此使VCSEL的光学性能退化。此外，如在VCSEL情况中一样，当发光器件受到电偏压时，这些缺陷以更快的速率迁移。
因此，希望减少氧化半导体层时引起的缺陷。
发明内容
本发明提供一种用于氧化的半导体层的应变补偿结构。应变补偿结构包括与氧化物形成层相邻的应变补偿结构。应变补偿结构补偿由于至少部分氧化物形成层的氧化引起的晶格参数中的变化。
本发明还提供一种发光器件，该发光器件包括被构造成响应于注入电荷产生光的有源区以及被定位成引导电荷至有源区中的电流限制结构。电流限制结构包括与氧化物形成层相邻的应变补偿层。
本发明另外还提供一种作应变补偿结构的方法，其包括提供衬底，在衬底上方形成第一半导体材料的应变补偿层，在衬底上方形成与应变补偿层并置的第二半导体材料的氧化物形成层，以及氧化至少部分氧化物形成层。
参照附图可以更好的理解本发明。图中部件不一定要按比例绘制，而是将重点放置在清楚图示本发明的原理。此外，在图中，类似的标号在全部的这几个示图中指示相对应的部件。
图1是应变补偿结构的示意性侧视图。
图2是根据本发明的垂直腔表面发射结构的示意性侧视图。
图3是图示根据本发明用于制作应变补偿结构的方法的流程图。
图4是图示根据本发明用于发光的方法的流程图。
具体实施例方式
图1示出了包括应变补偿结构112的半导体器件100的示例的侧视图。应变补偿结构112包括应变补偿层104和氧化物形成层106，其中氧化物形成层106与应变补偿层104相邻，并形成于衬底102上方。应变补偿结构112可以选择性地包括与氧化物形成层106相邻的额外应变补偿层108。可以使用许多不同半导体材料形成应变补偿层104和氧化物形成层106。在图1中图示的半导体器件100中，衬底102的半导体材料是砷化镓(GaAs)，应变补偿层104的半导体材料是磷化铟镓(GaInP)，而氧化物形成层106的半导体材料是具有高铝百分率的铝砷化稼(AlGaAs)。层104和106的厚度应该足够小，因而不会超过临界厚度。临界厚度是由于材料晶格参数失配而开始形成晶格缺陷时的厚度。
所形成的应变补偿层104相对于衬底102和氧化物形成层106具有晶格失配，即在受压或受拉方向上发生应变。至少部分氧化物形成层106氧化引起晶格参数变化而引发的应变，能够由应变补偿层104中的晶格失配补偿。通过认真选择应变补偿层104的材料成分，成品半导体器件100中的最终应变被设计成为由至少部分氧化物形成层106氧化所引起的最小缺陷。例如，应变补偿层104可以按着沿着受压或受拉的状态形成，以补偿由至少部分氧化物形成层106的氧化而在器件100中所引起的应变。
由III族亚晶格的48％铟和52％镓的GaInP形成的应变补偿层104与GaAs衬底102晶格匹配。如果应变补偿层104中铟的量增加到例如约50％，而镓的量减少到例如约50％，则GaInP的晶格常数变得比GaAs的晶格常数大。这样的成分将具有50％铟的应变补偿层104置于压应变状态下。类似地，具有例如大于约52％的镓百分率和例如小于约48％的铟百分率并生长于GaAs衬底上的应变补偿层104将被置于拉应变状态下。通过控制形成GaInP应变补偿层104的铟和镓的相对量，可以控制应变类型和程度。如此可以补偿由至少部分氧化物形成层106的氧化所引起的应变。
发生应变的层通常可以阻止点缺陷的迁移。因此，应变补偿层104又可以抑制由于氧化至少部分氧化物形成层106而可能发生的点缺陷迁移到半导体器件100的其它层中。如此，点缺陷可以被限制到应变补偿层104，并被阻止迁移到半导体器件100中的活性光产生部分(未示出)。
可以形成额外应变补偿层108，以进一步地控制成品器件100中的应变。此外，虽然图1中图示的应变补偿层104是在生长氧化物形成层106之前生长，但是层104和106可以以相反次序生长。生长的次序取决于最终器件中所希望的特性。取决于生长应变补偿层104和108以及氧化物形成层106的材料，应变补偿层104和氧化物形成层106之间的界面110将具有与氧化物形成层106和应变形成层108之间界面114的特性不同的特性。在形成氧化物形成层106之前形成应变补偿层104对成品器件100的影响会不同于在形成氧化物形成层106之后形成应变补偿层104。这是因为，应变补偿层104和氧化物形成层106之间的界面110不同于氧化物形成层106和应变补偿层108之间的界面114。
例如，当与基于磷化物的半导体层相邻地生长基于砷化物的半导体层时，它们之间的界面在使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行生长时，通常都包含有一定程度地相互混合的基于砷化物材料和基于磷化物材料。不同材料的这种混合在界面处可以导致四元材料的形成。四元界面层的成分和厚度取决于基于砷化物和磷化物的半导体层的生长和转变顺序。例如，如果发生轻微应变的Ga1-XInXP(X～0.5)被用于应变补偿AlXGaXAs(X＞0.8)氧化物层，则在InGaP/AlGaAs界面可以导致中间AlInGaAsP层。在AlGaAs层夹于两个GaInP层之间的结构中，底部GaInP(生长于AlGaAs层之前)和AlGaAs层之间的界面比AlGaAs和顶部GaInP(生长于AlGaAs之后)之间的界面具有更厚的AlInGaAsP层。这个原因是GaInP在通常的MOCVD生长温度下具有比AlGaAs较高的离解速率。结果，顶部少数单层中的部分磷原子可以由(来自上面的AlGaAs层的)砷原子取代，这倾向于和In和Ga原子形成更稳定和更强的键。
现在将参考图2描述包括本发明应变补偿结构的示例性发光器件。图2中所示的发光器件是VCSEL。然而，其它发光器件和非发光器件可以包括应变补偿结构。VCSEL包括夹于垂直堆叠镜(通常称作分布式布拉格反射器(DBR)或布拉格镜)之间的有源区。有源区通常包括生成光的量子阱。量子阱包括带隙能量不同的半导体材料薄层。为了获得必需的反射率，构成每个DBR的半导体或电介质层的数量可以是非常大的。VCSEL通过这些镜中反射率小于其他镜的一个镜，将有源区中生成的光发射出去。从半导体表面上直接位于有源区之上或之下的一个较小的区域，光从VCSEL输出。
图2是VCSEL 200的示意性侧视图，其包括依次外延生长于衬底220上的衬底侧分布式布拉格反射器(DBR)230、有源层212和远侧DBR232组成。在一个实施例中，远侧DBR232包括应变补偿结构112，并且衬底的半导体材料是单晶砷化镓。作为另外的方案，图2中示出的结构可以在改变磷化铟(InP)衬底上某些层的材料的情况下生长。此外，作为另外的方案或者补充，应变补偿结构112可以位于远侧DBR 232中。
每个DBR 230和232都包括若干层对。每个层对都包括高折射率材料层和低折射率材料层。这些层的材料在有源区212中生成的光的波长处是光学透明的。图中示出了更高折射率材料的示例层234和更低折射率材料层236构成了衬底侧DBR230的示例层对。每一层的厚度都等于该层材料中有源区212中生成的光的四分之一波长，即，tb＝λ/4nb，其中tb是该层的厚度，λ是有源区中生成的光的真空波长，而nb是该层材料的折射率。
在所示实施例中，DBR 230和DBR 232都由掺杂半导体材料制成，因此是导电性的。在包括非导电DBR的实施例中，这些DBR可以由电介质材料制成。还在示出的实施例中，层236的更低折射率半导体材料是铝含量高的铝砷化镓，而层234的更高折射率半导体材料是铝含量低的铝砷化镓。图2中示出的层对的数量被极大地减少，以简化图。在工作的VCSEL中，对于有源区212生成光的波长，层对的数量足以在衬底侧DBR 230和远侧DBR 232分别提供有源区大于约99％和约95％的反射率。而且，除层对之外，每个DBR还包括由低折射率材料制成的额外层。
有源层212包括夹于衬底侧覆层216和远侧覆层218之间的量子阱结构214。量子阱结构214包括夹于阻挡层(未示出)之间的量子阱层，量子阱层的材料不同于相应阻挡层的材料。掺杂剂可以加到有源层的材料中，以增强微分增益。
衬底侧覆层216和远侧覆层218是铝砷化镓(AlGaAs)层，其中，铝百分率在约0.2到约0.8范围内，即在AlxGa1-xAs中，～0.2≤x≤～0.8。x的通常值是约0.4。覆层加上有源区层的厚度大致是覆层的材料中量子阱结构214中生成光的一个波长，即，tc＝λ/nc，其中tc是腔(覆层加上有源层)的厚度，λ是量子阱结构中生成光的波长，而nc是包括了有腔的层的AlGaAs的有效折射率。覆层被掺杂，以具有相反的导电类型。
一般地，与掺杂n型覆层相邻的DBR的半导体材料为掺杂n型，而与掺杂p型覆层相邻的DBR的半导体材料为掺杂p型，即，DBR的材料与相邻覆层具有相同的导电型。在感兴趣的某些波长处，由p型材料制成的DBR具有次于由n型材料制成的DBR的自由载流子损耗特性。在这样的结构中，可以包括隧道结结构(未示出)，以使DBR 230和232两者的半导体材料具有彼此相同的导电型，即n型，这样这两种DBR都具有优秀的光学和电学特性。或者，如果n型自由载流子损耗次于p型自由载流子损耗，本情况可以反过来。
衬底侧DBR230、有源区212和远侧DBR 232共同地形成光腔250，该光腔250在有源层212中生成的光的波长处是谐振的。
远侧DBR232包括氧化物形成层106，在本示例中，氧化物形成层包括高铝含量。氧化物形成层106夹于应变补偿层104和108之间，形成应变补偿层112。在这个示例中，图示了两个应变补偿层。然而，取决于器件的特性，可形成更多或更少的应变补偿层。在这个示例中，每个应变补偿层104和108都包括磷化铟镓(Ga1-xInxP)，其中x～5，而氧化物形成层106包括具有高铝含量的铝砷化镓(AlGaAs)。通常，x～0.96的AlxGa1-xAs用于氧化物形成层，然而，这些成分可以变化。例如，应变补偿层104和108中的铟含量大致可以是0.45-0.55；而氧化物形成层106的铝含量大致可以是0.90-0.98。此外，取决于器件设计参数，应变补偿层104和108可以在受压或受拉状态下生长。应变补偿层104和108提供补偿，以抵消当氧化物形成层106被氧化以形成电流限制结构时引起的应变的影响。
在包括衬底220、衬底侧DBR 230、有源层212和远侧DBR 232的层结构已经制成之后，部分远侧BDR 232和部分应变补偿结构112被刻蚀掉，以形成台面238。使用注入或底切上面层中的一层，可以在台面238中形成额外电流限制结构。例如，离子可以被选择性地注入到台面238中，以减小除小部分基本中心的导电区域之外的总台面导电性。台面238的导电性在导电区域中保持基本不变。
在已经形成台面238之后，VCSEL在氧化环境下(诸如具有高水蒸汽含量)被加热。氧化环境氧化所有的AlGaAs层的暴露区域，这种氧化处理从台面的侧面沿径向向内地进行。然而，在氧化物形成层106中的氧化过程比在其余AlGaAs层中的氧化过程快很多。在氧化过程结束时，氧化物形成层106的重要部分被氧化，形成了围绕导电区域248的氧化铝的宽环形区域。氧化铝比掺杂AlGaAs具有低得多的导电性。高铝AlGaAs在导电区域248中保持未被氧化，使得导电区域的光学和电学性能保持基本未变。其余的AlGaAs层仅在其周边的窄环区域内被氧化。
由氧化物形成层的氧化所限定的导电区域(例如，248)的面积比台面238的面积小。在VCSEL 200的操作期间，激光电流被限制于导电区域248中。激光电流从导电区域进入有源区212。电流的扩散相当小，使电流密度在有源区中很高。非常高的电流密度降低了VCSEL的阈值电流。
VCSEL 200的所有层都在热力学稳定条件下生长，并且相互晶格匹配。这个状态是指热力学平衡。然而，当氧化物形成层106如上所述被氧化时，氧化步骤通过改变层106的被氧化材料的晶体属性而引起层106离开热力学平衡状态，并且还导致层106的被氧化材料的晶格参数相对于邻近层的变化。层106被氧化部分的晶格参数变化引起点缺陷和晶格变形形成并迁移通过VCSEL结构。取决于组成VCSEL 200的晶体结构的不同层的成分和化学性质，点缺陷浓度具有不同的平衡值。应变补偿层104和108以及应变的氧化物层的成分决定了在氧化物形成层106氧化之后的成品器件的净应变状态。应变补偿层104和108通过减少氧化后的净应变而减少由氧化引起发生的点缺陷的数量。应变补偿层104和106使氧化物形成层106遭受到应变，这样，与没有应变补偿层104和108的情况相比，氧化物层在其形成之后处于应变更小的状态下。结果，应变补偿层104和108减少了由氧化引起的点缺陷的数量，还限制了所产生的那些点缺陷的迁移。
为了制作顶部发射器件，由至少一层金属组成的衬底侧接触层240通过刻蚀台面而沉积于衬底220的表面上或衬底侧DBR 230的顶部上。远侧接触层242沉积于远侧DBR 232的暴露表面上，并被图案化，以限定光出口244。光出口244在径向上与导电区域248对齐。远侧接触层244由至少一层金属组成，并可以还包括至少一层具有高掺杂浓度的p型半导体材料，以减少金属层和远侧DBR 232之间的接触阻抗。如前面所提及的，VCSEL可以制成n型在顶部，而p型在底部。此外，光出口可以制成在底部接触层240，以制作底部发射器件。或者，在刻蚀台面之后，可以在底部DBR 230的顶部上形成金属，以消除对光开口的需要，因为在这样的构造中，金属不再位于光路中。
现在将在下文参考图3和4来描述根据本发明用于制作应变补偿结构和用于产生光的方法。在这些方法的描述中，应当理解，虽然描述了处理中的具体阶段，但是其他实施方式也是可行的。此外，可以按照与示出的次序不同的次序来执行一些处理。例如，处理可以基本同时或以相反次序执行。
图3图示了根据本发明用于制作应变补偿结构的方法300。在框302中，提供衬底。在框304中，在衬底上方形成第一半导体材料的应变补偿层。这可以通过在衬底上或上方沉积第一半导体材料层来实现。
在框306中，形成与应变补偿层并置的第二半导体材料的氧化物形成层。应变补偿层和氧化物形成层共同形成应变补偿结构。应变补偿层的第一半导体材料可以是例如磷化铟镓，而氧化物形成层的第二半导体材料可以是例如具有约0.90-0.98的高铝含量的铝砷化镓。
应变补偿层可以形成受压状态或受拉状态的应变，以补偿由于至少部分氧化物形成层的氧化而发生的晶格参数变化。
在框308中，选择性地在氧化物形成层上方形成额外应变补偿层。额外应变补偿层可以使用形成第一应变补偿层的第一半导体材料形成。额外应变补偿层可以使用与第一应变偿层相同或者不同的成分形成。
在框310中，至少部分氧化物形成层被氧化，引起氧化物形成层的晶格参数变化。(多个)应变补偿层提供拉或压应变，使得(多个)应变补偿层在氧化物形成层氧化之后补偿氧化物形成层的晶格参数变化并充当点缺陷的阻挡层。
图4图示了根据本发明用于产生光的方法400。在框402中，形成光腔。在框404中，在光腔中定位有源区。在框406中，形成应变补偿结构。框406包括框408、410、412和414。在框408中，形成第一半导体材料的应变补偿层。
在框410中，在应变补偿层上方形成氧化物形成层。在框412中，在氧化物形成层上方形成额外应变补偿层。在框414中，至少部分氧化物形成层被氧化，以形成电流限制结构。
在框416中，电流通过电流限制结构被注入到有源区，以引起有源区产生光。
本公开使用示例性实施例详细描述了本发明。然而，应当理解，由权利要求限定的本发明并不局限于所描述的精确实施例。
权利要求
1.一种发光器件(200)，包括有源区(212)，被构造成响应注入的电荷产生光；电流限制结构(248)，被定位成引导电荷进入所述有源区域(212)中，其包括与氧化物形成层(106)相邻的应变补偿层(104)。
2.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中，所述电流限制结构(248)包括与所述氧化物形成层(106)相邻的额外应变补偿层(108)，其中，所述氧化物形成层(106)夹于应变补偿层(104、108)之间。
3.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中，所述应变补偿层(104)包括镓、铟以及磷。
4.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中，所述氧化物形成层(106)包括铝、镓以及砷。
5.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中，所述应变补偿层(104)实质上包括Ga1-xInxP，其中x≤0.5。
6.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中，所述氧化物形成层(106)实质包括AlxGa1-xAs，其中x≥0.96。
7.如权利要求1所述的发光器件(200)，其中所述应变补偿层(104)实质上包括磷化铟镓GaInP；并且所述氧化物形成层(106)实质上包括铝砷化镓AlGaAs。
8.如权利要求7所述的发光器件(200)，其中所述应变补偿层(104)实质上包括磷化铟镓Ga1-xInxP，其中x≤0.5；并且所述氧化物形成层(106)实质上包括铝砷化镓AlxGa1-xAs，其中x≥0.96。
9.如权利要求1所述的发光器件(200)，被构造成产生具有620nm和1650nm之间波长的光。
10.一种用于制作应变补偿结构(112)的方法，所述方法包括提供衬底(102)(302)；在所述衬底上方形成第一半导体材料的应变补偿层(104)(304)；形成与所述应变补偿层(104)并置的、第二半导体材料的氧化物形成层(106)，以形成应变补偿结构(112)(306)；并且氧化至少部分所述氧化物形成层(310)。
全文摘要
一种应变补偿结构(112)，包括与氧化物形成层(106)相邻的应变补偿层(104)。应变补偿层(104)补偿由于至少部分氧化物形成层(106)氧化所引起的晶格参数的变化。
文档编号H01L29/22GK1998116SQ200580001466
公开日2007年7月11日 申请日期2005年2月24日 优先权日2004年2月25日
发明者阿施史·唐顿, 迈克尔·霍华德·利里, 迈克尔·赖奈·梯·泰恩, 英－兰·昌 申请人:安捷伦科技有限公司