制造具有多个量子井的半导体结构的制作方法

背景技术：

1.量子井通常用于半导体结构中以提供电子局限。例如，在光电子装置中，量子井用于调谐电子带隙，借此调谐被发射(在发射器的情况下)或被吸收(在吸收器的情况下)的光子的能量(或频率)。
2.在诸多应用中，可以借由在一堆栈中提供多个量子井来增强一量子井的效应。在一发射器(诸如一激光)的情况下，此可以增加发射器中受激发射的速率，而在一吸收器的情况下，可以增加吸收速率。
3.用于光电子装置的一通常商用材料平台是磷化铟(inp)，其允许将光学主动和被动功能整合到所谓的光子集成电路(pic)中。
4.期望提供一种制造具有多个量子井的一半导体结构的更可靠方法。


技术实现要素：
附图说明
5.图1是图解说明根据实例的制造具有多个量子井的一半导体结构的一方法的一流程图；
6.图2是具有多个含inp的量子井的一半导体结构的一扫描电子显微照片，其示出了所得结构中的缺陷；
7.图3是具有不含inp的多个量子井的一半导体结构的一扫描电子显微照片；
8.图4是根据实例的一半导体结构的一示意图；及
9.图5是根据实例的具有多个含inp的量子井的一半导体结构的一扫描电子显微照片。
具体实施方式
10.本文描述的实例是关于制造半导体结构的方法。特定言的但非排他地，其等是关于制造具有多个量子井的半导体结构。
11.如下文将详细说明，至少在具有包括inp的量子井的一半导体结构的实例中，本文描述的实例提供了一种改良型半导体结构。因此，此一结构可减少透射穿过该结构的光的散射，可增加发光部分中的受激发射速率，且可增加光吸收部分中的吸收速率。此允许一更高效的光电子装置，且因此允许一更高效的pic。
12.图1是以一常见方式图解说明根据实例的制造具有多个量子井的一半导体结构的一方法100的一流程图。下面参考图5描述一对应实例半导体结构。
13.在方块102处，提供一基板。该基板包括具有一第一晶格常数的一种二元半导体化合物。
14.例如，该基板可为一inp基板。即，该基板主要包括inp。基板可为纯inp(在可接受的纯度容限范围内)，或者可包括其他材料，诸如掺杂剂或杂质，其中该材料包括至少99％的inp。例如，该基板被掺杂有一掺杂剂材料，使得该基板可被视为n掺杂的，或者该基板被掺杂有一掺杂剂材料，使得该基板可被视为p掺杂的。
15.在方块104处，方法100包括沉积至少：在基板上的一第一层及与第一层接触的一第二层，以在基板上形成实质上平面半导体层的一第一堆栈。第一层是包括inp的一第一半导体合金，且第二层是包括inp的一第二半导体合金。
16.第一堆栈包括多个层。第一堆栈中的层数小于一临限层数，超过该临限层数，堆栈中的一或多个层将展现一缺陷。第一堆栈的制造包括穿插地沉积若干层第一半导体合金以及对应层数的第二半导体合金。如下面参考图3所描述，至少在某些实例中，特定地在其中第一层和第二层包括inp的实例中，随着半导体的一数目的增加，在第一堆栈的半导体层中出现缺陷的一趋势上升。
17.借由认为该等层实质上是平面的，设想例如将该等层沉积在基板上，使得该等层中的每一者的上表面与在其上沉积有第一层的基板的表面平行。
18.在某些实例中，在第一层被沉积成与基板接触的意义上，第一层是在基板上。在其他实例中，第一层是在基板上，因为其由基板支撑但不直接与基板接触。例如，存在一或多个中间层，诸如不包括inp的材料，诸如砷化铟铝(inalas)。
19.作为与本文中使用的术语[在...上」有关的一般性评论，被指定为与一层(诸如下伏层)接触的一层与该层直接接触；而被指定为在一层(诸如一下伏层)上的一层可与该层直接接触或者可由该层支撑，其中该等层之间有一或多个中间层(诸如为不包括inp的一材料的层)。
[0020]
在某些实例中，该等层中的每一者实质上跨基板的整个表面区域(例如，基板的被其中正制造半导体的一反应器的一晶圆夹具夹持的区域除外)沉积。
[0021]
图2是包括包含inp的多个(总共32个)量子井的一半导体结构的扫描电子显微照片；在此实例中，量子井由磷化砷镓铟(ingaasp)的薄层形成，该等薄层经配置以借由晶格常数与基板的晶格常数匹配而不发生应变。如图2中所示，生长包括inp的诸多连续半导体量子井会导致半导体结构的层中产生形态缺陷，如下所述，此可表现为半导体的一或多层中的明显非平面性(例如，起伏)。此等缺陷可导致无法进行磊晶生长，或者导致并入有半导体结构的装置中的装置故障，此限制可在该结构中生长的量子井的数目。
[0022]
如图2中所示，自剖面看，起伏表现在结构的层中。此等起伏可能不会存在于经处理结构的表面处，该表面仍可能展现一平面表面；例如，此可能是归因于沉积在半导体结构的层上(例如，以形成一电接触)的一inp层的平面化效应。
[0023]
因此，发明人已经了解，当使用inp制造多个量子井时，会出现一问题，就目前而言，该问题在使用其他半导体材料平台制造多个量子井时并未出现。发明人判定，取决于处理条件(例如，压力和温度)，当在一堆栈中生长超过大约16个量子井时，观察到缺陷。
[0024]
因此，在某些实例中，第一半导体合金及第二半导体合金中的每一者的层数大于8且小于16，使得第一堆栈中的总层数小于32。
[0025]
相反地，图3是包括不包含inp的36个量子井的一半导体结构的一扫描电子显微照片；在此实例中，量子井是由砷化镓铝铟(inalgaas)形成。如所示，图2中所示的量子井是实
质上平面的；尽管可使用含inp的量子井制造更多量子井而不会形成如图2中所示的缺陷。
[0026]
为了解决上文参考图2描述的问题，在方块106处，与第一堆栈接触地沉积包括具有第一晶格常数的一种二元半导体材料的一第三层。例如，在基板是inp的情况下，第三层亦可为inp。
[0027]
此后，在方块108处，方法100包括沉积至少：与第三层接触的一第四层及与第四层接触的一第五层，以在第三层上形成实质上平面半导体层的一第二堆栈。第四层包括包含inp的一第三半导体合金，且第五层包括包含inp的一第四半导体合金。
[0028]
如技术人员将了解，根据本文描述的实例，可使用各种技术来沉积半导体材料层。此等技术可包含化学气相沉积技术，诸如金属有机气相磊晶(movpe)或分子束磊晶(mbe)。
[0029]
图4是根据实例的一半导体结构400的一示图。根据上文参考图1描述的方法来制造半导体结构。
[0030]
半导体结构400包括在其上生长有量子井的一基板402。
[0031]
半导体结构400包含量子井的一第一堆栈404。第一堆栈404包括一第一半导体合金406与一第二半导体合金408的多个交替层。如上文参考图1的方块104描述，为第一半导体合金406的一第一层被沉积在基板402上，且为第二半导体合金408的一第二层被沉积成与为第一半导体合金406的第一层接触。借由在用于沉积第一半导体合金406的沉积制程与用于沉积第二半导体合金408的沉积制程之间交替来制造多个量子井。
[0032]
由于上述原因，第一堆栈404包括少于32层。即，第一堆栈包括少于16层第一半导体合金406及少于16层第二半导体合金408。
[0033]
在某些实例中，第一半导体合金406及第二半导体合金408中的每一者包括一种三元半导体合金或一种四元半导体合金。例如，第一半导体合金406及第二半导体合金408中的每一者包括ingaasp，其中磷化铟(inp)、砷化镓(gaas)、砷化铟(inas)及磷化镓(gap)的相对量在第一半导体合金406与第二半导体合金408之间是不同的。第一半导体合金406及第二半导体合金408中的每一者可被掺杂(例如，p掺杂或n掺杂)。
[0034]
尽管在某些实例中设想第一半导体合金406及第二半导体合金408中的每一者不发生应变(例如，一个层的晶格常数与其中该层所接触的层匹配)，但期望选择引入应变的晶格常数以例如对半导体结构400的光学吸收或发射属性改性。
[0035]
在某些实例中，第一半导体合金406及第二半导体合金408中的每一者的层小于15纳米(nm)。
[0036]
一第三层410与第一堆栈404接触地沉积。第三层410是一个二元半导体，其一晶格常数实质上等于基板402的一晶格常数，如上面参考图1的方块106所描述的。[实质上相等」意味着引入第三层410不意图引发应变。
[0037]
第三层410的厚度可在4nm至100nm的范围内。
[0038]
包含具有实质上等于基板402的晶格常数的一晶格常数的一第三半导体层410意味着在制造第三层410之前可在不修改制造反应器或不对反应器的制程条件(诸如温度或压力)进行任何修改的情况下执行制造制程(例如，图2的方法)。在实例中，此可使得易于整合到现有制造制程中。
[0039]
此外，仅添加二元半导体材料的一单个薄层对半导体结构400的整体电光属性的影响可忽略不计，且因此并入有半导体结构400的装置的效能不会因包含第三层410而受到
不利影响。
[0040]
量子井的一第二堆栈412与第三层410接触地沉积。第二堆栈412包括一第三半导体合金414与一第四半导体合金416的多个交替层。如上文参考方块108所述，为第三半导体合金414的一层沉积在第三层410上，且为第四半导体合金416的一层沉积在与第三层410接触地沉积的第三半导体合金414的层上。借由在用于沉积第三半导体合金414的沉积制程与用于沉积第四半导体合金416的沉积制程之间交替来制造多个量子井。
[0041]
由于上述原因，第二堆栈412亦包括少于32层。即，第一堆栈包括少于16层第一半导体合金406及少于16层第二半导体合金408。
[0042]
在某些实例中，第三半导体合金414及第四半导体合金416中的每一者包括一种三元半导体合金或一种四元半导体合金。例如，第三半导体合金414及第四半导体合金416中的每一者包括ingaasp，其中磷化铟(inp)、砷化镓(gaas)、砷化铟(inas)及磷化镓(gap)的相对量在第三半导体合金与第四半导体合金(414、416)之间是不同的。第三半导体合金414及第四半导体合金416中的每一者可被掺杂(例如，p掺杂或n掺杂)。
[0043]
尽管设想在某些实例中第三半导体合金414及第四半导体合金416中的每一者不发生应变(例如，一个层的晶格常数与相邻层匹配)，但可能期望选择引入应变的晶格常数以例如对半导体结构400的光学吸收或发射属性改性。
[0044]
在某些实例中，可重复参考图1的方块106及108描述的制程，以进一步增加半导体结构400中的量子井的数目。
[0045]
尽管在图4中所示的实例中，第一堆栈404与第二堆栈412具有相等数目的层，使得第三层410在整体堆栈的中心，但在其他实例中，第一堆栈404与第二堆栈412具有不同数目的量子井层。即，第三层410可在半导体结构400内的其他地方，而不一定在量子井层的确切中间。例如，在包括25个量子井层的半导体结构400中，可在已经制造9个量子井之后沉积第三层410，且可在第三层410上方制造16个量子井。
[0046]
图5是包括包含inp的24个量子井的一半导体结构的一扫描电子显微照片；在此实例中，量子井由磷化砷镓铟(ingaasp)的薄层形成，该等薄层经配置以借由晶格常数与基板的晶格常数匹配而不发生应变。上述第三层410可识别为大约在较暗带(对应于量子井结构)的一堆栈的中心的亮带。如图2中所示，引入第三层410(其是一材料的一单个薄层)使得能够在诸如图2中所示的缺陷存在之前显著地增加可在半导体结构中制造的含inp的量子井层的数目。因此，上文参考图1描述的方法提供了一种简单有效的方法以允许生长包含inp的量子井的更厚堆栈。
[0047]
例如，借由增加半导体中的光学局限，增加重复磊晶量子井层的一堆栈的总厚度可能是有用的。例如，可产生一更有效的电致吸收或电致折射调变器，此乃因电致吸收和电致折射调变器的效率与光学局限有关。
[0048]
以上实例应被理解为说明性实例。应当理解，关于任何一个实例描述的任何特征皆可单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，且亦可与任何其他该等实例或者任何其他该等实例的任一组合的一或多个特征结合使用。此外，在不背离随附权利要求范围的范畴的情况下，亦可采用上面未描述的等效物及修改。