半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器与流程

本发明属于半导体微电与光电器件制造，具体涉及一种半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器（vertical-cavitysurface-emittinglaser，vcsel）的电流限制技术是决定器件性能的关键工艺。在gaas基vcsel中，主流方案为湿法氧化高铝组分层形成绝缘孔径，但氧化工艺存在可靠性隐患且不利于器件小型化；而在缺乏稳定氧化工艺的inp基长波长vcsel中，掩埋隧道结（btj）技术成为主要电流限制方案。

2、常规btj工艺需经选择性刻蚀和外延再生长形成横向隧道结，工艺复杂且对层厚控制、刻蚀侧壁质量及再生长界面要求极为苛刻，微小的工艺偏差即可引入漏电路径，劣化器件电热性能甚至导致隧道结失效。离子注入隧道结（itj）虽可避免外延再生长，但在iii-v族化合物半导体上形成超浅结（<100nm）时，需要在注入损伤修复、杂质激活与扩散抑制三者之间实现精准平衡，工艺窗口狭窄。此外，传统热扩散工艺中iii-v族材料掺杂剂（如zn）扩散系数高且浓度依赖性强，长时间高温退火难以将结深精确控制在100nm以内，且易产生扩散拖尾导致结特性退化。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，其能够实现无需复杂刻蚀与再生长工艺的超浅平面隧道结的制备，在保证高掺杂浓度（>1e19cm-3）与超浅结深（<100nm）的同时保持表面平坦化，有效抑制材料损伤与漏电路径，工艺简单、成本低且兼容性广。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：

3、一种半导体隧道结的制备方法，包括：

4、提供一外延结构，所述外延结构包括具有第一导电类型的半导体层；

5、在所述外延结构表面形成介质层；

6、对所述介质层进行图形化，以在所述介质层上形成至少一个扩散窗口，所述扩散窗口暴露出所述外延结构表面的目标掺杂区域；

7、在所述外延结构形成有介质层的一侧制备扩散源层，所述扩散源层包括具有第二导电类型的掺杂元素，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；

8、在所述扩散源层上形成光热转换层；

9、采用激光束照射所述光热转换层，使所述扩散源层中的掺杂元素被热激活，经由所述开口扩散进入所述外延结构，形成具有第二导电类型的第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述半导体层构成隧道结；

10、去除所述光热转换层、残余所述扩散源层以及所述介质层。

11、在本发明的一个或多个实施例中，采用原子层沉积或磁控溅射工艺制备所述扩散源层，所述扩散源层的厚度控制精度小于1nm。

12、在本发明的一个或多个实施例中，所述光热转换层被配置为对特定波长的激光具有吸收特性；

13、采用激光束照射所述光热转换层，包括：

14、采用与所述光热转换层的吸收特性相匹配的激光束照射所述光热转换层，所述光热转换层通过光热效应在纳秒至微秒级时间内将激光能量转换为热能并传导至所述扩散源层，以激活所述扩散源层中的掺杂元素。

15、在本发明的一个或多个实施例中，采用单次脉冲、多次脉冲的照射方式，或光斑扫描方式对所述光热转换层进行激光束照射；

16、其中，脉冲宽度为1ns-1000ns，能量密度为0.05j/cm2-0.5j/cm2。

17、在本发明的一个或多个实施例中，所述脉冲宽度为10ns-100ns，能量密度为0.2j/cm2-0.3j/cm2。

18、在本发明的一个或多个实施例中，所述光热转换层的材料选自非晶硅、锗、非晶碳、类金刚石碳、石墨碳、金属氧化物或金属氮化物中的至少一种。

19、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于1e19cm-3；和/或，

20、所述第一掺杂区的结深为10nm-100nm。

21、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构为具有第一导电类型的半导体层，所述半导体层为重掺杂外延层，其掺杂浓度大于1e19cm-3，所述第一掺杂区形成于所述重掺杂外延层内。

22、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构包括具有第一导电类型的半导体层以及位于所述半导体层上的顶层外延层，所述顶层外延层为非故意掺杂外延层或本征外延层或高阻外延层，所述第一掺杂区形成于所述非故意掺杂外延层或本征外延层或高阻外延层内。

23、在本发明的一个或多个实施例中，所述半导体层为重掺杂外延层，其掺杂浓度大于1e19cm-3；和/或；

24、所述非故意掺杂外延层或所述本征外延层的载流子浓度低于1e16cm-3，所述高阻外延层的电阻率高于1e3ω·cm。

25、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构的材料选自含有as、p、sb元素的iii-v族二元化合物半导体，或与所述iii-v族二元化合物半导体晶格匹配或晶格失配小于1.5%且含有in、al、ga、n元素的三元及以上多元合金；和/或，

26、所述介质层的厚度为10nm-500nm；和/或，

27、所述介质层的材料选自氧化铝、氧化硅或氮化硅；和/或，

28、所述扩散窗口的尺寸为0.5μm-100μm；和/或，

29、所述扩散源层为固态化合物扩散源薄膜；和/或，

30、所述扩散源层的厚度为5nm-300nm；和/或，

31、当第一导电类型为n型时，所述扩散源层包含p型掺杂元素，当第一导电类型为p型时，所述扩散源层包含n型掺杂元素，所述p型掺杂元素选自zn、mg或cd中的至少一种，所述n型掺杂元素选自s、se或te中的至少一种。

32、在本发明的一个或多个实施例中，所述制备方法还包括：

33、在所述外延结构表面重复进行形成外延结构、形成介质层、形成扩散源层、形成光热转换层及激光照射的步骤，在已形成的隧道结上继续形成至少一个附加隧道结，以构成垂直堆叠的多级隧道结结构。

34、在本发明的一个或多个实施例中，所述制备方法还包括：

35、在所述外延结构表面重复进行形成介质层、开窗、形成扩散源层、形成光热转换层及激光照射的步骤，以在与所述第一掺杂区相邻的水平位置形成具有第三导电类型的第二掺杂区，所述第三导电类型与所述第二导电类型相反，构成横向隧道结结构。

36、一种半导体隧道结，包括：

37、外延结构，所述外延结构包括具有第一导电类型的半导体层；

38、位于所述外延结构中的具有第二导电类型的第一掺杂区，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，所述第一掺杂区与所述半导体层构成隧道结；

39、其中，所述第一掺杂区的结深为10nm-100nm，掺杂浓度高于1e19cm-3。

40、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构为具有第一导电类型的半导体层，所述半导体层为重掺杂外延层，其掺杂浓度大于1e19cm-3，所述第一掺杂区形成于所述重掺杂外延层内。

41、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构包括具有第一导电类型的半导体层以及位于所述半导体层上的顶层外延层，所述顶层外延层为非故意掺杂外延层或本征外延层或高阻外延层，所述第一掺杂区形成于所述非故意掺杂外延层或本征外延层或高阻外延层内。

42、在本发明的一个或多个实施例中，所述半导体层为重掺杂外延层，其掺杂浓度大于1e19cm-3；和/或；

43、所述非故意掺杂外延层或所述本征外延层的载流子浓度低于1e16cm-3，所述高阻外延层的电阻率高于1e3ω·cm。

44、在本发明的一个或多个实施例中，所述外延结构的材料选自含有as、p、sb元素的iii-v族二元化合物半导体，或与所述iii-v族二元化合物半导体晶格匹配或晶格失配小于1.5%且含有in、al、ga、n元素的三元及以上多元合金；和/或，

45、所述第一掺杂区的横向尺寸为0.5μm-100μm；和/或，

46、当第一导电类型为n型时，所述扩散源层包含p型掺杂元素，当第一导电类型为p型时，所述扩散源层包含n型掺杂元素，所述p型掺杂元素选自zn、mg或cd中的至少一种，所述n型掺杂元素选自s、se或te中的至少一种。

47、在本发明的一个或多个实施例中，所述半导体隧道结还包括：

48、位于所述外延结构上的至少一个附加隧道结，所述附加隧道结与所述隧道结在垂直方向上堆叠，构成多级隧道结结构。

49、在本发明的一个或多个实施例中，所述半导体隧道结还包括：

50、位于所述外延结构中、与所述第一掺杂区在水平方向上相邻的具有第三导电类型的第二掺杂区，所述第三导电类型与所述第二导电类型相反，所述第二掺杂区与所述第一掺杂区构成横向隧道结结构。

51、一种激光器，包括上述的半导体隧道结。

52、与现有技术相比，本发明的半导体隧道结及激光器，采用扩散源层沉积配合光热转换层以及激光退火工艺，实现无需复杂刻蚀与再生长工艺的超浅（结深小于100nm）平面隧道结的制备。同时，整个热扩散工艺的热预算被限制在实现浅结所必需的最低水平，有效避免了传统热扩散工艺中因掺杂元素浓度依赖性异常扩散而导致的浓度扭结与扩散拖尾问题。

53、本发明的半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，通过精确控制扩散源层的厚度（结合原子级沉积工艺）、光热转换层的能量转换效率以及脉冲激光退火的能量密度和脉冲宽度，将扩散掺杂结深稳定控制在100nm以内。

54、本发明的半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，采用纳秒级脉冲激光退火，其快速熔融-急冷过程使掺杂元素在化合物半导体外延层中的固溶度远超平衡固溶度，掺杂峰值浓度可达1e19cm-3以上，充分满足隧道结对高掺杂浓度的需求。

55、本发明的半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，仅对扩散窗口区域进行选区掺杂，无需刻蚀微台面，去除介质层后外延结构表面保持高度平坦，无台阶或凹陷，避免了传统btj工艺中因刻蚀微台面而引入的表面形貌起伏，平坦化的表面与后续的外延再生长、晶圆级键合等平面工艺无缝兼容。

56、本发明的半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，避免了传统btj工艺中选择性刻蚀和外延再生长带来的侧壁粗糙、界面沾污及晶格缺陷等问题，也避免了离子注入工艺中因高能离子轰击引起的晶格损伤，除掺杂引入的点缺陷外不产生其他材料损伤和工艺失效模式，有效降低了器件漏电风险，提高了隧道结的电学性能和可靠性。

57、本发明的半导体隧道结的制备方法、半导体隧道结及激光器，无需昂贵的离子注入设备、复杂的选择性刻蚀台面制备及外延再生长工艺，工艺流程简洁，与传统半导体平面工艺兼容性好，可广泛应用于含as、p、sb元素的各类iii-v化合物半导体表面发射激光器与边缘发射激光器中，同时也可拓展至其他需要陡峭突变掺杂的微电与光电器件领域，具有良好的通用性和推广价值。