用于制造半导体装置和光电装置的方法与流程

用于制造半导体装置和光电装置的方法
1.相关申请
2.本技术要求于2019年5月28日提交的ep申请第ep 19177113.8号的优先权，其全部内容并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及半导体装置——特别是光电半导体装置——的制造。本发明还涉及光电装置。


背景技术：

4.led应用——特别是用于如显示器的视觉设备——现在正面临越来越多的挑战要求。在一个方面，光电装置即led等中的电子效率——即对发射的整体产生有贡献的电子和空穴的部分——应当尽可能高。与非辐射复合过程(nrrp)相比，对电子效率有贡献的这样的过程被称为辐射复合过程(rrp)。非辐射复合过程和辐射复合过程通常都基于有源区的大小。特别地，rr过程集中在有源区的中央区域，而nrr过程主要发生在边缘并且由半导体结构中的干扰引起，即由边缘等引起。
5.此外，许多led需要在相对高的电流密度下工作。增加温度会降低辐射复合的效率并且增加电子泄漏。因此，需要获得提高电流效率并且减少电子泄漏的方法和装置。


技术实现要素：

6.在方面中，本技术提出了一种用于制造半导体装置特别是光电装置的方法。该方法包括：设置生长衬底，该生长衬底适用于在其上生长半导体材料。为了沉积半导体材料，可以使用几种不同的方法，包括但不限于cvd、movd、meb等。生长衬底可以包括与要生长的材料系统类似的晶格结构。在一些情况下，通过在顶部上生长牺牲层或生长晶格调整层来制备生长衬底。
7.在随后的步骤中，可以将一个或更多个半导体层沉积到生长衬底上，包括将n型掺杂的第一层沉积到衬底上。将有源区沉积到n型掺杂的第一层上。有源区被配置成：当完成的装置被操作时发射电磁辐射。
8.在一些情况下，有源区可以是本征的或者它可以是掺杂的。
9.然后，将第二层淀积在有源区之上。第二层也可以是本征的，但是将在稍后的阶段中是p型掺杂的。在一些情况下，第二层在被沉积时是p型掺杂的。为此，mg沉积在第二层中。mg或镁用作受体，从而形成p型掺杂剂。通过扩散掺杂进行沉积。在一些情况下，在沉积第二层期间进行扩散。在一些其他情况下，在沉积第二层之后执行mg的沉积。
10.主要有三个参数控制扩散过程，这三个参数包括掺杂剂浓度、扩散温度和扩散时间。这些参数影响mg在第二层中的扩散长度。因此，通过调整这些参数，可以控制扩散长度，从而控制第二层内掺杂剂的浓度分布。在一些情况下，这些参数被调整成使得第二层中mg的浓度在邻近或靠近有源区处相当低。换言之，扩散长度被设置成使得mg沉积在距有源区
一定距离处。
11.在沉积mg的随后的步骤中，将第二掺杂剂特别是zn沉积在第二层中。第二层中zn的浓度在第二层的与有源区相邻的第一区域中从第一值减小到第二值，所述第一区域在5nm至200nm的范围内，特别地小于50nm。在一些情况下，将zn沉积在第二层中，使得浓度分布具有靠近有源区急剧下降的边缘。
12.已经发现，第二层中mg掺杂剂和随后沉积的zn掺杂剂在晶格结构中交换它们的位置，从而引起mg的“踢出(kick
‑
out)”效应。该效应使zn的浓度分布显著下降并且在第二层中的第一掺杂剂与有源区之间的区域中具有陡峭的斜率。
13.因此，靠近有源区具有陡峭斜率的较高掺杂剂浓度将产生改善的电荷载流子限制，从而产生较高的电流密度。此外，在一些方面中，在沉积两种掺杂剂期间使用各自的掩模，可以利用位于半导体管芯的中央区域处的根据上述原理的分布来实现浓度分布的局部化。
14.在一些情况下，通过在zn沉积期间改变zn的扩散温度来调整zn掺杂剂边缘的斜率以及位置。也可以使用zn的浓度来调整斜率的陡度。在这点上，与沉积mg时的相应参数相比，zn的扩散时间、zn的浓度或zn的扩散时间可以不同。在一些方面，用于mg沉积的一个或更多个扩散参数可以被调整成使得mg的扩散长度与zn的扩散长度基本上相同。由于在沉积zn时的交换过程，mg掺杂剂被zn取代。
15.在这点上，沉积zn的步骤可以包括：调整温度，所述温度不同于mg的沉积步骤期间的温度；以及/或者调整扩散时间，所述扩散时间不同于mg的沉积步骤期间的扩散时间；以及/或者调整zn的浓度，相比于mg的浓度，zn的浓度不同。在这点上，调整这些参数之一还包括：设置和/或调整这样的参数的相应分布。在一些情况下，在沉积zn时的温度低于用于mg的扩散过程的温度。
16.在一些情况下，在zn扩散通过第二层之后，与第一区域相邻的第二区域中zn的浓度大于所述第二区域中mg的相应浓度。例如，与第一区域相邻的第二区域中zn的浓度可以大5倍至500倍。在一些情况下，在第一区域和/或第二区域中，zn掺杂剂完全取代mg掺杂剂。在一些其他情况下，取代几乎在第二层的大部分中完成。
17.在更靠近有源区的所述区域中zn的浓度的下降斜率可以大于mg的浓度的斜率。在一些其他方面，用于扩散的mg和zn的初始浓度可以相同，但是由于在沉积zn期间的取代过程，mg掺杂剂在第二层的大区域中被取代。mg浓度在第二层的表面上可能变大。在第一区域的一些部分中，例如在靠近第二区域的部分中，zn还可以包括比mg更高的浓度。
18.第二层的厚度可以为300nm至5μm，特别地大于500nm。
19.一些其他方面涉及阻挡层的生成。在一些方面中，在沉积第二层之前，将具有al的第三半导体层沉积到有源区上，其中al的浓度随着到有源区的距离的增加而增加。然后，将第二半导体层沉积到第三半导体层上。在一些情况下，al浓度可以从第一值增加至第二值，第二值浓度接近第二层。然后，第二层可以包括高于第二值浓度的al浓度。
20.在一些方面中，沉积有源区的步骤包括以下步骤：沉积具有不同材料组成的层以形成一个或更多个量子阱结构。
21.一些其他方面涉及光电装置。该光电装置包括n型掺杂的第一层、p型掺杂的第二层以及被布置在n型掺杂的第一层与p型掺杂的第二层之间的有源区，该有源区被配置成在
光电装置工作时发射辐射。p型掺杂的第二层包括作为p型掺杂剂的mg，作为p型掺杂剂的mg具有第一浓度分布，在第一浓度分布中，朝向有源区的浓度非常低，并且p型掺杂的第二层还包括作为p型掺杂剂的zn，作为p型掺杂剂的zn具有第二浓度分布，在第二浓度分布中，浓度朝向有源区减小；与第一浓度分布相比，第二浓度分布包括更大的下降斜率。
22.浓度从初始基本上恒定的值下降至较低的第二值的区域的厚度包括5nm至200nm的厚度，特别地5nm至25nm的厚度，更特别地低于10nm的厚度。
23.光电装置的第二层可以包括与有源区相邻的子层，子层具有变化的al浓度。特别地，al浓度可以从直接接近有源区的初始水平增加至第二较高水平。
24.第二浓度分布的下降斜率可以位于子层中，或者第二浓度分布的下降斜率可以位于子层与第二层的其余部分的界面上。
附图说明
25.在下文中，将使用附图更详细地说明所提出的解决方案，在附图中：
26.图1a至图1g示出了根据所提出的原理的用于制造半导体装置的若干处理步骤；
27.图2a至图2c示出了根据所提出的解决方案的一些方面的mg或zn的浓度分布；
28.图3示出了具有量子阱结构的半导体装置；
29.图4示出了半导体装置的制造步骤的更详细的视图；
30.图5示出了图4的结构的俯视图。
具体实施方式
31.图1a至图1g示出了根据所提出的原理的半导体装置的制造步骤。在图1a的第一步骤中，生长衬底10被设置。生长衬底可以包括在其顶部上生长后续的半导体层的合适的材料。在一些情况下，生长衬底10可以包括超晶格结构(未示出)，该超晶格结构沉积在衬底上以用作牺牲层以及/或者使半导体层的晶格结构与下面的衬底对准。
32.图1b示出了其中第一半导体层20沉积在生长衬底10上的下一步骤。半导体层是n型掺杂的。可以通过在生长该层之后进行扩散掺杂或离子掺杂来实现n型掺杂。替选地，在半导体层的生长期间提供n型掺杂剂，使得生长n型掺杂层。通过在生长期间改变掺杂剂的浓度，可以使浓度分布适于特定的需要和要求。可以使用用于生长这样的层的各种技术，例如但不限于mocvd、cvd、pvd、mbe等。这些技术中的一个或更多个也用于后续层。n型掺杂层可以具有各种电流分布子层以减小半导体中的局部电阻。
33.在沉积层20之后，设置图1c所示的有源区30。有源区30可以是作为未掺杂层的本征层。在该特定示例中，有源区30包括与层20相同的基础半导体材料，例如基于ingaalp的材料，有源区30的厚度在约100nm至300nm的范围内。
34.图1d示出了在沉积有源区之后的下一步骤。阻挡层40沉积在有源区30的顶部。阻挡层40具有变化的al浓度，从与有源区30中的al浓度相同的值开始到第二较高水平。例如，阻挡层40中的al浓度可以从40％增加至约95％或甚至100％，从而得到没有或几乎没有ga浓度的inalp。阻挡层40减少p掺杂剂如mg朝向有源区的扩散。
35.最后，如图1e和图1f所示，将第二半导体层50沉积到阻挡层40上。第二半导体层将利用mg原子进行p型掺杂。与上述类似，可以通过在生长该层之后进行扩散掺杂或离子掺杂
来实现p型掺杂。在扩散过程的情况下。在生长第二层之后沉积mg原子。可以调整mg原子的浓度、扩散温度和扩散时间，使得mg浓度在层50内具有特定的分布。由于阻挡层40，mg原子在扩散过程中在该位置处停止。继续扩散将产生第二层内的均匀分布(例如，更直接的浓度分布)。然而，越靠近阻挡层40，mg原子的浓度可能下降，但是下降的斜率不是很大。
36.在替选的解决方案中，也可以在沉积过程期间以气态形式添加mg原子。在这样的情况下，可以改变和调整mg的浓度以满足所需的要求。mg浓度在生长时间内可以是恒定的。与上述类似，可以使用若干技术，包括mocvd、cvd、pvd、mbe等。这些技术中的一个或更多个也用于后续层。
37.图1g示出了下一处理步骤。在利用mg原子对第二层50进行n型掺杂形成层50’之后，将zn沉积到第二层的表面上。通过将半导体装置的温度调整到适当的温度，发生zn到第二层的扩散过程。根据所提出的原理，已经发现zn取代了第二层的晶格结构内的mg原子。通过选择zn的相应量、温度和扩散时间，zn将扩散通过第二层，从而部分或全部取代mg原子。靠近mg的最大深度——即靠近阻挡层40的浓度斜率——变得非常陡峭。在扩散过程期间，第二层内的一部分中的mg浓度由于取代而降低，而zn浓度增加。在一些方面中，zn几乎完全取代mg。在一些其他方面中，zn的浓度比mg的相应浓度大5至500倍。取代mg和扩散的该过程可以被控制成使得zn浓度的斜率在靠近有源区处非常陡峭。因为zn像mg一样是p型掺杂剂，由于与有源区相邻的浓度边缘，可以实现强载流子限制。在扩散过程之后，层50”包括一定浓度分布的zn。然后，可以例如通过构造器件和/或形成接触元件来进一步处理半导体装置(本文中未示出)。
38.图2a至图2c示出了关于不同浓度分布的概况。图2a在其左侧部分示出了与关于图1说明的半导体装置类似的半导体装置。在n型掺杂的第一层20之上形成有源区30。将厚度约为200nm的阻挡层40沉积到有源区上，并且在阻挡层40的顶部上形成第二p型掺杂层50’。
39.在图2a的示例中，将mg用作p型掺杂层50’的掺杂剂。在进行扩散过程之后，层50中mg的浓度基本上是恒定的。在阻挡层40中，mg掺杂剂的浓度从约5x10^18cm^
‑
3的初始值下降至1x10^16cm^
‑
3。尽管在该示例中，在阻挡层40中发生浓度分布的下降，但是该下降也取决于初始浓度、扩散温度和扩散时间。在一些情况下，mg浓度可能已经在靠近阻挡层40的层50’中显著下降，使得阻挡层40有效地防止mg扩散到有源区中。
40.图2b示出了不同的示例，其中在mg的沉积和扩散之后，zn已经扩散到层50中。zn在层50中已经取代了mg，并且随着其浓度分布的强烈减少而在阻挡层40中下降。与图2a中的mg浓度相比，zn的浓度在仅20nm中从约5x10^18cm^
‑
3下降至1x10^16cm^
‑
3。浓度的这种强烈下降使p型载流子的边缘靠近有源区，从而产生良好的载流子限制。该结构减少了载流子泄漏并且提高了高电流效率。与前面类似，zn的初始p型掺杂剂浓度可以被调整并且被设置为高值。即使在允许高电流的这样的高值下，浓度分布的强烈下降以及朝向有源区的载流子浓度的陡峭侧面也提供良好的载流子限制。
41.在zn沉积和扩散到第二层中期间，zn取代先前掺杂的mg。因此，第二层中zn的浓度在第一区域中——即与有源区相邻的阻挡层中——从第一值降低到第二值，所述第一区域在5nm至200nm特别是小于50nm的范围内。在一些情况下，阻挡层可以是第二层的一部分。第二层中zn的浓度可以大于所述层或其区域中mg的浓度。
42.图2c示出了在靠近有源区的载流子浓度中具有陡峭侧面的类似示例。然而，相比
于前面的示例，第二p型掺杂层在没有任何附加的阻挡层的情况下被直接形成到有源区上。如前所述，由于随后的掺杂和扩散步骤，作为p型掺杂剂的初始mg已经被zn取代。在本示例中，zn的初始浓度、扩散时间和温度已经被设置成使得在距有源区100nm的距离附近形成zn浓度的陡峭边缘。浓度的下降发生在约10nm的距离上，从约10^19cm^
‑
3的初始值下降到小于10^17cm^
‑
3。
43.图3示出了作为有源区的量子阱结构的示例。类似的结构具有与前述示例中相同的附图标记。具有其量子阱结构的有源区30包括若干子层30a和30b，若干子层30a和30b包括不同的al部分。例如，从子层30a中的inga
0,55
al
0,45
p到子层30b中的inga
0,45
al
0,55
p变化，ingaalp结构的al部分中的差为10％。与最上子层30b相邻，形成阻挡层40，其中al浓度从inga
0,45
al
0,55
p增加到inalp。
44.图4更详细地示出了制造半导体装置特别是光电装置的处理步骤的侧视图。在制造步骤期间，将光掩模层60沉积到第二层50上。然后，随后构造掩模以形成一个或更多个开口70。然后，mg被沉积到掩模上并且被沉积到开口70中，随后扩散至第二层中。如所示的，浓度分布被设置成使得第二层50内的大部分mg形成p型掺杂区80。在随后的步骤中，zn被沉积到掩模上并且被沉积到开口中。然后，zn扩散到第二层中，取代该区域中的mg原子。zn在稍小但到达第二层50中靠近有源区30的深度的区域中形成具有较高浓度的第二浓度分布。设置扩散温度和时间以及zn浓度，可以实现各种分布。在这方面，图5示出了图4的结构的俯视图。第二层的顶部上的示例性掩模60用于构造光电装置。
45.技术人员可以在不背离本发明的主旨和范围的情况下以各种方式组合以上示例。mg和zn作为两种不同的p型掺杂剂的随后沉积导致第二层内zn的陡峭侧面。通过调整扩散参数，可以将侧面定位成靠近势垒或有源区。陡峭的侧面使得能够增加通过装置的电流，从而提高其效率。
46.附图标记列表
47.10生长衬底
48.20第一n型掺杂层
49.30有源区
50.30a、30b量子阱子层
51.40阻挡层
52.50第二层
53.50’第二p型掺杂层(mg)
54.50”第二p型掺杂层(zn)
55.60掩模
56.70开口
57.80浓度分布mg
58.90浓度分布zn