半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。


背景技术：

2.以氮化物及其多元化合物为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、辐射复合效率高、热导率高和化学稳定性好等特点，其禁带宽度可以从0.67ev到6.2ev连续可调，并且作为直接带隙半导体，氮化物半导体是制作紫外和可见光波段光电器件的理想材料，目前基于gan基光电器件也已取得了很大的发展，其有源区主要采用ingan/gan多量子阱结构。
3.gan基半导体材料属于纤锌矿结构单轴晶体，其发光偏振会影响光电器件光的偏振特性以tm(transverse magntic，横磁波)偏振模式为主导，会导致较高的器件发热和低的lee(单位时间内溢出的光子数)。
4.gan基半导体光电器件已取得了很大的发展，但仍然存在着不少问题，比如green gap和droop问题，随着in组分的增加，ingan和gan之间晶格失配度增大，这不仅使得材料中产生较大的极化电场，导致严重的量子限制斯塔克效应，而且外延层中的位错密度也会增大，极大限制gan基光电器件的发光性能。
5.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。
7.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
8.一种半导体外延结构，所述半导体外延结构包括衬底及位于衬底上的有源区结构，所述有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层、第一势垒层、量子点层及第二势垒层，所述数字合金量子阱层为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6。
9.一实施例中，所述数字合金量子阱层的厚度为1～100nm。
10.一实施例中，所述量子点层为ingan量子点层，厚度为1～30nm；和/或，
11.所述第一势垒层为gan势垒层，厚度为1～50nm；和/或，
12.所述第二势垒层为gan势垒层，厚度为1～100nm。
13.一实施例中，所述衬底为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底中的任意一种；和/或，
14.所述衬底与有源区结构之间生长有gan缓冲层，厚度为10～500nm。
15.本发明另一实施例提供的技术方案如下：
16.一种半导体外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
17.s1、提供一衬底；
18.s2、在衬底上依次外延生长第一量子阱层和第二量子阱层，形成数字合金量子阱层，数字合金量子阱层为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6；
19.s3、在数字合金量子阱层上外延生长第一势垒层；
20.s4、在第一势垒层上外延生长量子点层；
21.s5、在量子点层上外延生长第二势垒层。
22.一实施例中，所述步骤s2具体为：
23.在衬底上依次外延生长aln层和gan层，形成(aln)m/(gan)n超晶格结构的数字合金量子阱层，aln的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，gan的生长时间为3～5s，生长温度为650～700℃；或，
24.在衬底上依次外延生长gan层和inn层，形成(gan)m/(inn)n超晶格结构的数字合金量子阱层，gan的生长时间为10～15s，生长温度为650～700℃，inn的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃；或，
25.在衬底上依次外延生长aln层和inn层，形成(aln)m/(inn)n超晶格结构的数字合金量子阱层，aln的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，inn的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃。
26.一实施例中，所述步骤s3中的第一势垒层为gan势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为1～50nm；和/或，
27.所述步骤s4中的量子点层为ingan量子点层，ingan量子点层采用sk自组装生长模式，生长温度为580～650℃，厚度为1～30nm；和/或，
28.所述步骤s4中的第二势垒层为gan势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为1～100nm。
29.一实施例中，所述步骤s1还包括：
30.对衬底进行超声清洗，去除衬底表面的有机物；
31.在外延装置中对衬底进行预除气和除气工艺；
32.对衬底进行烘烤，去除衬底表面的氧化层；
33.其中，所述衬底为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底中的任意一种。
34.一实施例中，所述步骤s1后还包括：
35.在衬底上外延生长gan缓冲层，生长温度为750～800℃，厚度为10～500nm。
36.本发明又一实施例提供的技术方案如下：
37.一种半导体光电器件，所述半导体光电器件包括上述的半导体外延结构。
38.本发明具有以下有益效果：
39.本发明中通过引入(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构作为数字合金量子阱层，并结合量子点层作为复合有源区结构，可以使正向的te模偏振光成为发光模式的主导，提高了lee并降低了器件发热；
40.量子点结构具有很强的强局域态效应，能够有效束缚载流子，增加其辐射复合系
数，从而提高发光性能和发光效率。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，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。
42.图1为本发明一具体实施例中半导体外延结构的结构示意图；
43.图2为本发明一具体实施例中半导体外延结构制备方法的流程示意图；
44.图3为(aln)6超晶胞和(aln)5/(gan)1超晶格结构的介电响应函数ε2；
45.图4为(aln)5/(gan)1超晶格结构和aln材料的能带图；
46.图5为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的晶胞结构示意图；
47.图6为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的超晶格能带图；
48.图7为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的超晶格晶体场分裂能δ
cr
；
49.图8为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)的晶胞结构示意图；
50.图9为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)的超晶格能带图；
51.图10为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)超晶格晶体场分裂能δ
cr
。
具体实施方式
52.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
53.本发明公开了一种半导体外延结构，包括衬底及位于衬底上的有源区结构，有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层、第一势垒层、量子点层及第二势垒层，数字合金量子阱层为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6。
54.本发明还公开了一种半导体外延结构的制备方法，包括：
55.s1、提供一衬底；
56.s2、在衬底上依次外延生长第一量子阱层和第二量子阱层，形成数字合金量子阱层，数字合金量子阱层为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6；
57.s3、在数字合金量子阱层上外延生长第一势垒层；
58.s4、在第一势垒层上外延生长量子点层；
59.s5、在量子点层上外延生长第二势垒层。
60.本发明还公开了一种半导体光电器件，包括上述的半导体外延结构。
61.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
62.参图1所示，本发明一具体实施例中的半导体外延结构包括衬底10及位于衬底上
的有源区结构，有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层31、第一势垒层32、量子点层33及第二势垒层34，数字合金量子阱层31为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6。优选地，本实施例中的衬底与有源区结构之间生长有缓冲层20。
63.其中：
64.衬底10为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底等中的任意一种；
65.缓冲层20为gan缓冲层，厚度为10～500nm。
66.数字合金量子阱层的厚度为1～100nm；
67.量子点层为ingan量子点层，厚度为1～30nm；
68.第一势垒层为gan势垒层，厚度为1～50nm；
69.第二势垒层为gan势垒层，厚度为1～100nm。
70.如本实施例中衬底选用硅衬底，gan缓冲层的厚度为～80nm，数字合金量子阱层中的aln、gan、inn均为单原子层，ingan量子点层的厚度为～4nm，第一势垒层的厚度为～8nm，第二势垒层的厚度为～12nm。
71.参图2所示，本发明一具体实施例中半导体外延结构的制备方法，包括：
72.s1、提供一衬底。
73.首先需对衬底进行预处理，具体步骤如下：
74.对衬底进行超声清洗，去除衬底表面的有机物；
75.在外延装置中对衬底进行预除气和除气工艺；
76.对衬底进行烘烤，去除衬底表面的氧化层。
77.本实施例中首先对衬底进行丙酮、异丙醇超声清洗5分钟，而后用去离子水清洗衬底，并用氮气吹干，以去除衬底表面的有机物；然后将经清洗后的衬底送入外延装置的进样室中预除气15～30分钟，然后再送入外延装置的预处理室中在200℃的温度下除气1～2小时，完成除气后送入外延装置的生长室；使衬底的温度为650℃，并高温烘烤20～40分钟，以除去衬底的表面的氧化层。
78.优选地，为了保证衬底表面粗糙度降低保证后续外延层质量，本实施例中首先在衬底上外延生长gan缓冲层，生长温度为750～800℃，厚度为～80nm。
79.s2、在衬底上依次外延生长第一量子阱层和第二量子阱层，形成数字合金量子阱层，数字合金量子阱层为(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构，其中，m+n＝6。
80.数字合金量子阱层的外延生长可以采用mocvd(金属有机化学气相淀积)工艺以及mbe(分子束外延)工艺等，考虑到超薄量子阱结构的因素，必须实现生长速度慢的量子阱生长，mbe工艺能够达到单原子层的生长精度，因此优先选择mbe工艺进行的量子阱层外延生长。
81.针对(aln)m/(gan)n超晶格结构，该步骤具体为：
82.采用分子束外延工艺，在衬底上依次外延生长aln层和gan层，形成(aln)m/(gan)n超晶格结构的数字合金量子阱层，aln的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，gan的生长时间为3～5s，生长温度为650～700℃。
83.针对(gan)m/(inn)n超晶格结构，该步骤具体为：
84.采用分子束外延工艺，在衬底上依次外延生长gan层和inn层，形成(gan)m/(inn)n超晶格结构的数字合金量子阱层，gan的生长时间为10～15s，生长温度为650～700℃，inn的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃。
85.针对(aln)m/(inn)n超晶格结构，该步骤具体为：
86.采用分子束外延工艺，在衬底上依次外延生长aln层和inn层，形成(aln)m/(inn)n超晶格结构的数字合金量子阱层，aln的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，inn的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃。
87.s3、在数字合金量子阱层上外延生长第一势垒层。
88.本实施例中的第一势垒层为低温gan势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为～8nm。
89.s4、在第一势垒层上外延生长量子点层。
90.本实施例中的量子点层为ingan量子点层，其采用sk自组装生长模式，要保证富氮的条件下，生长温度为580～650℃，厚度为～4nm。
91.s5、在量子点层上外延生长第二势垒层。
92.本实施例中的第二势垒层为低温gan势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为～12nm。
93.以(aln)m/(gan)n超晶格结构的数字合金量子阱层为例对本发明的原理进行详细说明。
94.图3所示为(aln)6超晶胞和(aln)5/(gan)1超晶格结构的介电响应函数ε2；
95.图4所示为(aln)5/(gan)1超晶格结构和aln材料的能带图，其中，hh为重空穴带，lh为轻空穴带，ch为晶体场分裂带；
96.图5所示为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的晶胞结构示意图，其中，浅色大球为ga原子，小球为n原子，深色大球为al原子；
97.图6所示为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的超晶格能带图；
98.图7所示为(aln)m/(gan)n(m+n＝6)的超晶格晶体场分裂能δ
cr
；
99.图8所示为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)的晶胞结构示意图，其中，浅色大球为ga原子，小球为n原子，深色大球为al原子；
100.图9所示为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)的超晶格能带图；
101.图10所示为(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)超晶格晶体场分裂能δ
cr
，其中，(a)为δ
cr
随ga单原子层数变化，(b)为δ
cr
随ga组分含量变化。
102.结合图3至图10可以看出，基于密度泛函理论(dft)，对(aln)m/(gan)n(m+n＝6)超晶格结构和(aln)m/(gan)1(m＝1,3,5,7)超晶格结构的能带及偏振光学特性进行讨论分析，两者之间的阈值变化非常大，特殊的超晶格结构，即(aln)m/(gan)n(m+n＝6)，能使材料中的δ
cr
由-231.8mev转变为202.5mev，正向的te模偏振光成为发光模式的主导。
103.应当理解的是，上述实施例中以(aln)m/(gan)n超晶格结构为例进行说明，(gan)m/(inn)n超晶格结构及(aln)m/(inn)n超晶格结构的能带及偏振光学特性与(aln)m/(gan)n超晶格结构类似，此处不再一一进行赘述。
104.本发明中采用量子点结构代替传统量子阱有源区，可以通过释放ingan外延层中
的应力而降低位错密度，并且能够减小ingan/gan异质结构中的压电极化而显著抑制量子限制斯塔克效应的影响。此外，量子点结构具有很强的强局域态效应，能够有效束缚载流子，增加其辐射复合系数，从而大幅度提高高in组分ingan发光器件的发光效率。
105.引入(aln)m/(gan)n超晶格结构、或(gan)m/(inn)n超晶格结构、或(aln)m/(inn)n超晶格结构的数字合金量子阱层，结合量子点结构作为复合有源区结构，数字合金量子阱层可以作为量子点层的电子储存区。该复合有源区结构可以改善纤锌矿结构单轴晶体中发光特性以tm偏振模式为主导的偏振特性，使正向的te模偏振光成为发光模式的主导，提高了lee并降低了器件发热，并且有利于实现长波长半导体光电器件。
106.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
107.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。