專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及使用AlGaAsPSb的化合物半導(dǎo)體器件。
近年來，Al0.48In0.52As(以下簡(jiǎn)稱為AlInAs)作為一種晶格結(jié)構(gòu)與InP襯底匹配的化合物半導(dǎo)體受到矚目，為了提高器件的性能，由AlInAs和InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的一種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也被廣泛用于制作光學(xué)器件和電子器件。然而，n型AlInAs的熱穩(wěn)定性至今未被完滿解決。因此，使用n型AlInAs來實(shí)現(xiàn)高可靠性器件是困難的。
圖28表示一種現(xiàn)有技術(shù)中AlInAs/InGaAs高電子遷移率晶體管(以下稱為HEMT)的剖視圖。圖中，標(biāo)號(hào)1表示半絕緣InP襯底。低阻未摻雜AlInAs緩沖層2位于襯底1上。具有很低雜質(zhì)濃度的未摻雜AlInAs溝道層3位于緩沖層2上。具有很低雜質(zhì)濃度的未摻雜AlInAs隔離層4位于溝道層3上。具有比AlInAs溝道層3的電子親和力小且含有高濃度n型雜質(zhì)(如硅)的n型AlInAs電子供給層5位于隔離層4上。具有低雜質(zhì)濃度的未摻雜AlInAs肖特基層6位于電子供給層5上?？刂茰系缹?中電流流動(dòng)的柵極8位于肖特基層的一部分區(qū)域上。肖特基層6作為和柵極8相接觸的肖特基接觸區(qū)。具有高濃度n型雜質(zhì)的N型InGaAs接觸層7位于肖特基層6上柵極8的兩側(cè)，并且與柵極8離開一段距離。彼此隔開的源極9和漏極10位于各自的接觸層7上。接觸層7和源極9以及漏極10作成歐姆接觸。
由于柵極8位于具有很低雜質(zhì)濃度的未摻雜AlInAs肖特基層6的表面，柵極8與肖特基層6的接觸是良好的肖特基接觸。另外，由于源極9和漏極10位于高摻雜n型InGaAs接觸層7的表面，源極和漏極與接觸層的接觸是良好的歐姆接觸。而且，緩沖層2阻止了襯底與生長的半導(dǎo)體層之間界面處的漏電流。
圖29為圖28所示的AlInAs/InGaAs HEMT結(jié)構(gòu)的能帶圖。如圖29所示，由于InGaAS溝道層3的電子親和力大于AlInAs電子供給層5的電子親和力，由n型AlInAs電子供給層5中的離子化施主提供的電子向InGaAs溝道層3中轉(zhuǎn)移，在溝道層3中與電子供給層5交界處附近的區(qū)域形成了二維電子氣(以下稱為2-DEG)。由于電子移動(dòng)中穿過很低雜質(zhì)濃度InGaAs層，當(dāng)漏極10相對(duì)于源極9具有正電勢(shì)時(shí)，溝道層3中的電子以很高的速度從源極向漏極方向移動(dòng)，從而有電流從源極到漏極流動(dòng)。2-DEG的濃度通過改變柵極8的電壓進(jìn)行控制，以此控制源極和漏極之間的電流流動(dòng)。另外，隔離層4阻止電子供給層5中的雜質(zhì)擴(kuò)散到溝道層3，從而避免了溝道層3中電子遷移率發(fā)生不期望的降低。
在AlInAs/InGaAs HEMT的現(xiàn)有技術(shù)中，雖然n型AlInAs被用作電子供給層5的材料，但n型AlInAs的抗熱性很低。例如，對(duì)它進(jìn)行300℃的熱處理，載流子濃度降低到熱處理前載流子濃度的90％。另外，如果在450℃下進(jìn)行熱處理，載流子濃度可以顯著降低到30％。因此，當(dāng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的HEMT進(jìn)行諸如制作歐姆接觸的燒結(jié)，光刻中光致抗蝕劑的烘焙或者組裝中芯片的鍵合過程中施以300～450℃的熱處理時(shí)，n型AlInAs電子供給層的載流子濃度顯著降低。結(jié)果，便得HEMT的工作特性變壞。而且，工作特性又會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。
其中，AlInAs/InGaAs/InP HEMT結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性報(bào)道于AppliedPhysics Letters，Vol.66，No.7,1995，pp.863～865。依據(jù)這篇報(bào)道，當(dāng)退火溫度超過350℃時(shí)，n型AlInAs電子供給層的載流子濃度顯著降低，并且HEMT的電氣特性也變壞了。這是因?yàn)橥嘶疬^程中氟擴(kuò)散造成n型AlInAs電子供給層中的施主失去了活性。這種現(xiàn)象僅限于n型AlInAs。因此，在使用n型AlInAs的半導(dǎo)體器件中，電特性會(huì)因熱而發(fā)生不期望的變化。即當(dāng)在半導(dǎo)體器件中使用n型AlInAs時(shí)，電特性會(huì)因圓片在階段工序中的熱處理而發(fā)生不期望的變化，從而無法得到所期望的特性。另外，半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性和可靠性也降低了。
此外，當(dāng)AlxIn1-xAs的晶格與InP襯底匹配時(shí)，Al組分x唯一確定于0.48，從而能帶結(jié)構(gòu)也被唯一確定了。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件時(shí)，該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成于與InP晶格匹配的AlInAs和另一種材料的交界處，設(shè)計(jì)的自由度是很小的，從而限制了半導(dǎo)體器件性能的提高。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種制作于InP襯底上的半導(dǎo)體器件，具有熱穩(wěn)定性和高可靠性，并在設(shè)計(jì)上具有很高的自由度。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)可從以下詳細(xì)描述中明顯看出。詳細(xì)描述和特定的實(shí)施例只用于示意性的說明，因?yàn)閺倪@些詳細(xì)的描述中本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可容易進(jìn)行各種補(bǔ)充和變更。
依據(jù)本發(fā)明的第一方案，一種半導(dǎo)體器件，其包括半導(dǎo)體襯底，一個(gè)AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z(0≤x≤1，0≤y＜1，0＜z≤1)層位于半導(dǎo)體襯底上。在AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z層中，通過改變組分x，y和z，在其晶格與半導(dǎo)體襯底匹配的情況下可以在一個(gè)很寬的范圍里使這一層的能帶間隙Eg發(fā)生變化。另外，在使x和y或x和z維持合適關(guān)系的情況下，通過改變組分x，y和z可以改變形成于導(dǎo)帶底端的能量Ec和價(jià)帶頂端的能量Ev之間的異質(zhì)界面的能帶不連續(xù)性而不使能帶間隙Eg發(fā)生變化。因此，在高自由度的情況下容易制作具有期望的能帶結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)器件的自由度得到了顯著的提高。
依據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方案，一種半導(dǎo)體器件，包括具有晶格常數(shù)的InP襯底；具有電子親和力的位于InP襯底上的溝道層，其中的電子作為電荷載流子移動(dòng)；以及為溝道層提供電子的Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層，它使用n型施主雜質(zhì)來摻雜并具有比溝道層小的電子親和力。由于n型AlGaAsPSb是熱穩(wěn)定的，因此在大約350℃熱處理的情況下電子特性不會(huì)改變。因此，實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的、在制作和工作過程中特性幾乎不隨時(shí)間而改變的HEMT。而且，在Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1電子供給層中，通過改變組分x1，y1和z1，在晶格與InP襯底匹配的情況下，可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)使這一層的能帶間隙Eg發(fā)生變化。另外，在使x1和y1或x1和z1維持合適關(guān)系的情況下，通過改變組分x1，y1和z1可以改變形成于導(dǎo)帶底端的能量Ec和價(jià)帶頂端的能量Ev之間的異質(zhì)界面的能帶不連續(xù)性而不使能帶間隙Eg發(fā)生變化。因此，在高自由度的情況下容易制作具有期望的能帶結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)器件的自由度得到了顯著的提高。此外，由于使用AlGaAsPSb作電子供給層，在電子供給層和溝道層間的異質(zhì)界面處，與AlGaAsSb電子供給層相比，電子供給層的能帶間隙Eg和導(dǎo)帶底端的能量間距ΔEc之間的差別，即Eg-ΔEc增加了，因此異質(zhì)界面處電荷載流子的復(fù)合被抑制了。結(jié)果，溝道層載流子的濃度增加了，從而提供了一種具有改進(jìn)的工作特性的HEMT。
依據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方案，這種半導(dǎo)體器件還包括位于溝道層和電子供給層之間的、電子親和力小于溝道層的未摻雜的Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)間隔層。間隔層阻止電子供給層中的雜質(zhì)擴(kuò)散到溝道層，從而避免由于雜質(zhì)擴(kuò)散而造成溝道層中的電子遷移率發(fā)生不期望的降低。而且，由于使用AlGaAsPSb作間隔層，與使用AlInAs作間隔層的情況相比，提高了設(shè)計(jì)器件的自由度。
依據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方案，這種半導(dǎo)體器件還包括位于溝道層和電子供給層上的未摻雜的Alx3Ga1-x3Asy3Pz3Sb1-y3-z3(0≤x3≤1，0≤y3＜1，0＜z3≤1)肖特基層；以及位于肖特基層上的柵極。因此，在柵極和肖特基層間作成了良好的肖特基接觸。而且，由于使用AlGaAsPSb作肖特基層，與使用AlInAs作間隔層的情況相比，其提高了設(shè)計(jì)器件的自由度。
依據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方案，這種半導(dǎo)體器件還包括與InP襯底接觸的、位于溝道層和電子供給層下的未摻雜的Alx4Ga1-x4Asy4Pz4Sb1-y4-z4(0≤x4≤1，0≤y4＜1，0＜z4≤1)緩沖層。因此，抑制了InP襯底與生長于其上的半導(dǎo)體層之間界面處的漏電流，從而作成了一種具有改進(jìn)電氣特性的HEMT。
依據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體器件中，電子供給層包括摻有n型施主雜質(zhì)的平面區(qū)域。在這種結(jié)構(gòu)中，由于作為高濃度電子供給源的原子平面摻雜區(qū)域位于溝道層附近，在溝道層中制作了高濃度2-DEG，從而提高了溝道層中載流子的濃度，制成了一種高性能HEMT。
依據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體器件中，電子供給層包括由AlGaAsPSb作成的量子阱區(qū)域使用n型施主雜質(zhì)摻雜。在這種結(jié)構(gòu)中，量子阱區(qū)域中的離化施主產(chǎn)生一個(gè)次能帶，結(jié)果與在電子供給層中均勻摻雜n型施主雜質(zhì)的情況相比，可向溝道層中高效率地提供電子。因此，溝道層中作為電荷載流子的電子的濃度提高了，從而提高了HEMT的電氣特性。
依據(jù)本發(fā)明的第八個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體器件中，電子供給層位于溝道層上。因此，減小了源漏極和溝道層之間的電阻，從而源電阻和漏電阻減小了，就制成了一種具有改進(jìn)電氣特性的HEMT。
依據(jù)本發(fā)明的第九個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體器件中，電子供給層位于溝道層和InP襯底之間。在這種結(jié)構(gòu)中，只有未摻雜肖特基層存在于溝道層和柵極之間，并且通過n型施主雜質(zhì)高濃度摻雜的電子供給層位于溝道層的襯底一側(cè)。因此，與電子供給層位于溝道層?xùn)艠O一側(cè)的HEMT相比，提高了柵擊穿電壓。另外，抑制了器件上半導(dǎo)體層表面狀態(tài)特性變化的影響。
依據(jù)本發(fā)明的第十個(gè)方案，這種半導(dǎo)體器件包括分別位于溝道層上和溝道層與InP襯底間的兩個(gè)電子供給層。在這種結(jié)構(gòu)中，由于在溝道層的柵極一側(cè)和襯底一側(cè)都有電子供給層，進(jìn)一步提高了溝道層中2-DEG的濃度，結(jié)果制成了一種可用于需要高電流驅(qū)動(dòng)能力的高功率輸出控制的HEMT。
依據(jù)本發(fā)明的第十一個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體器件中，溝道層是由一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的形變晶格層，它具有與InP襯底不同的晶格常數(shù)。更明確地說，使用的是未摻雜的InxGa1-xAs(0.53＜x≤1)形變晶格溝道層。因此，與和InP晶格匹配的In0.5aGa0.47As溝道層相比，增加了溝道層和電子供給層間導(dǎo)帶間距ΔEc，從而在溝道層中產(chǎn)生了高濃度的2-DEG。而且，由于溝道層中In的組分大，因此提高了溝道層中的電子遷移率和飽和速度。結(jié)果改進(jìn)了HEMT的電氣特性。
依據(jù)本發(fā)明的第十二個(gè)方案，一種半導(dǎo)體激光器，包括發(fā)射激光并具有能帶間隙的有源層；具有第一導(dǎo)電類型的能帶間隙大于有源層能帶間隙的Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5(0≤x5≤1，0≤y5＜1，0＜z5≤1)下覆蓋層和具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的能帶間隙大于有源層能帶間隙的Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6(0≤x6≤1，0≤y6＜1，0＜z6≤1)上覆蓋層，下上覆蓋層將有源層夾在中間。在這種由下覆蓋層、有源層和上覆蓋層構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘，換句話說，導(dǎo)帶底端的能量間距ΔEc和價(jià)帶頂端的能量間距ΔEv，可以通過改變組成下覆蓋層和上覆蓋層的AlGaAsPSb的組分來改變，從而容易地制作出了一種具有期望的能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。另外，由于使用AlGaAs PSb作為覆蓋層，實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的半導(dǎo)體激光器，并且設(shè)計(jì)的自由度也得到了改進(jìn)。
依據(jù)本發(fā)明的第十三個(gè)方案，在這種半導(dǎo)體激光器件中，有源層由Alx7Ga1-x7Asy7Pz7Sb1-y7-z7(0≤x7≤1，0≤y7＜1，0＜z7≤1)構(gòu)成。AlGaAsPSb的能帶間源Eg可以在維持晶格常數(shù)，即維持與InP晶格匹配的情況下通過變換組分來改變。因此，通過適當(dāng)?shù)剡x擇AlGaAsPSb有源層的組分，在有源層與InP襯底晶格匹配的情況下，激光的振蕩波長可以在0.6μm至2μm的一個(gè)很寬的區(qū)域內(nèi)改變。當(dāng)有源層由AlGaAsSb構(gòu)成時(shí)，有源層中的能帶間距ΔEc減小了，電子限制效應(yīng)降低了，從而減小了激光發(fā)射效率。然而在使用AlGaAsPSb有源層的半導(dǎo)體激光器中，可以通過增加P組分來增加能帶間距ΔEc。因此，避免了有源層中電子限制效應(yīng)發(fā)生不期望的降低，從而作出了一種具有高發(fā)光效率的半導(dǎo)體激光器。另外，由于使用AlGaAsPSb作為有源層和上下覆蓋層，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的高可靠的半導(dǎo)體激光器，并且設(shè)計(jì)的自由度也得到了提高。
依據(jù)本發(fā)明的第十四方案，在這種半導(dǎo)體激光器件中，有源層由InGaAsSb或InGaPSb構(gòu)成。因此在有源層與InP襯底晶格匹配的情況下，激光的振蕩波長可以在2μm至4μm的一個(gè)很寬的區(qū)域內(nèi)改變。


圖1示出了按照本發(fā)明第一實(shí)施例的HEMT的剖視圖。
圖2(a)至圖2(k)示出了一種制作圖1所示的HEMT的方法的各工藝步驟的剖視圖。
圖3(a)是表示能帶間隙(Eg)和AlxGa1-xAs1-ySby中的組分(x，y)之間關(guān)系的示意圖，圖3(b)是表示晶格常數(shù)(a)和AlxGa1-xAs1-ySby中的組分(x，y)之間關(guān)系的示意圖。
圖4(a)是表示能帶間隙(Eg)和AlxGa1-xSbzP1-z中的組分(x，z)之間關(guān)系的示意圖，圖4(b)是表示晶格常數(shù)(a)和AlxGa1-xSbzP1-z中的組分(x，z)之間關(guān)系的示意圖。
圖5(a)是表示n型GaAs0.5Sb0.5層和未摻雜In0.53Ga0.47As層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖5(b)是表示n型GaAsPSb層和未摻雜In0.53Ga0.47As溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖6示出了按照本發(fā)明第二實(shí)施例的HEMT的剖視圖。
圖7(a)和圖7(b)示出了一種制作圖6所示的HEMT的方法的各工藝步驟的剖視圖。
圖8示出了按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的一個(gè)變形的HEMT的剖視圖。
圖9示出了按照本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的HEMT剖視圖。
圖10示出了按照本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的一個(gè)HEMT在電子供給層附近部分的剖視圖。
圖11示出了按照本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例的HEMT的剖視圖。
圖12示出了按照本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例的一個(gè)HEMT電子供給層附近部分的剖視圖。
圖13(a)示出了按照本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施例的一個(gè)HEMT包括n型AlGaAsPSb量子阱區(qū)域的電子供給層附近部分的剖視圖，圖13(b)是表示電子供給層和未摻雜InGaAs溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖13(c)是表示用n型施主雜質(zhì)均勻摻雜的AlGaAsPSb電子供給層和未摻雜InGaAs溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖14示出了按照本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例的HEMT的剖視圖。
圖15(a)是表示按照本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施例的n型AlGaAsPSb電子供給層和未摻雜InxGa1-xAs(0.53＜x≤1)形變晶格溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖15(b)是表示n型AlGaAsPSb電子供給層和未摻雜In0.53Ga0.47As溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖16示出了按照本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例的一個(gè)變形的HEMT的剖視圖。
圖17示出了按照本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)變形的HEMT的剖視圖。
圖18示出了按照本發(fā)明第八個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。
圖19(a)至圖19(d)示出了一種制作圖18所示的半導(dǎo)體激光器的方法的各工藝步驟的剖視圖。
圖20示出了按照本發(fā)明的第九個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。
圖21示出了一種制作圖20所示的半導(dǎo)體激光器的方法的工藝步驟的剖視圖。
圖22是表示化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)、能帶間隙以及波長特性之間關(guān)系曲線的示意圖。
圖23(a)是表示包括AlGaAsPSb有源層的半導(dǎo)體激光器的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖，圖23(b)是表示包括AlGaAsSb有源層的半導(dǎo)體激光器的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖24示出了按照本發(fā)明的第十實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。
圖25示出了制作圖24所示半導(dǎo)體激光器工藝步驟的剖視圖。
圖26示出了按照本發(fā)明的第十一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。
圖27示出了制作圖26所示半導(dǎo)體激光器工藝步驟的剖視圖。
圖28示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的HEMT的剖視圖。
圖29是表示按照現(xiàn)有技術(shù)的n型AlInAs電子供給層和未摻雜InGaAs溝道層間的異質(zhì)界面處的能帶結(jié)構(gòu)的示意圖。
實(shí)施例1圖1示出了按照本發(fā)明第一實(shí)施例的用n型AlGaAsPSb作為電子供給層的HEMT的剖視圖。圖中，標(biāo)號(hào)1表示半絕緣InP襯底。厚度為250nm的高阻未摻雜AlInAs緩沖層2位于襯底1上，這一緩沖層2阻止電流流入襯底1。厚度為50nm的具有很低雜質(zhì)濃度的未摻雜InGaAs溝道層3位于緩沖層2上，Te摻雜的n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層55位于溝道層3上。這一電子供給層55的電子親和力小于InGaAs溝道層3的電子親和力，摻雜濃度高達(dá)4×1018cm-3的n型施主雜質(zhì)，厚度為10～30nm。由Ti/Pt/Au構(gòu)成的T型柵極8位于電子供給層55上。N型InGaAs接觸層7位于電子供給層55上柵極8的兩側(cè)，并且與柵極8離開一段距離。接觸層7具有濃度高達(dá)4×1018cm-3的n型施主雜質(zhì)，厚度為50nm。彼此隔開的源極9和漏極10分別位于接觸層7上。源極9和漏極10最好由AuGe或WSi構(gòu)成。由于源極9和漏極10位于使用n型施主雜質(zhì)高度摻雜的n型InGaAs接觸層7上，從而在源漏電極與接觸層之間形成了良好的歐姆接觸。
下面對(duì)這種HEMT的工作過程加以說明。由于電子供給層55包含了溝道層3中電子供給層界面附近的2-DEG，因此電荷載流子即電子被提供給溝道層3。當(dāng)漏相對(duì)于源具有正電位時(shí)，溝道層3中源區(qū)的電子向漏的方向轉(zhuǎn)移，從而在源漏之間有電流流動(dòng)。2-DEG的濃度由提供給柵極的電壓來控制，從而控制了源漏之間的電流流動(dòng)。
圖2(a)至圖2(k)示出了制作按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的HEMT的各工藝步驟的剖視圖。最初，如圖2(a)所示，未摻雜AlInAs緩沖層2、未摻雜InGaAs溝道層3、Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1電子供給層55和n型InGaAs接觸層7順序生長于半絕緣InP襯底1上。最好使用MBE(分子束外延) 生長這些層，其中使用的III、V族材料為固態(tài)。另外，可以使用MOMBE(金屬有機(jī)物分子束外延)、氣體源MBE或者M(jìn)OCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積)來生長這些層。在這些情況下，使用三乙基鎵(TEG)和三甲胺鋁烷(TMAAl)作為有機(jī)金屬材料(III族材料)，使用銻化三氫(SbH3)、三(二甲胺基)(TDMASb)、PH3和AsH3作為V族材料。生長溫度約為500℃。
圖2(b)所示的這一步中，腐蝕除去生長層的一部分以在制作HEMT的區(qū)域中形成一個(gè)臺(tái)面結(jié)構(gòu)。之后，源極9和漏極10制作于接觸層7上(圖2(c))。然后位于源極9和漏極10之間的接觸層7部分被腐蝕除去，以暴露出電子供給層55的表面(圖2(d))。
在圖2(e)所示的這一步中，將EB(電子束)抗蝕劑160和光致抗蝕劑161覆蓋于這一結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面，除了以后將制作的T型柵極頂部的區(qū)域外，用光照射光致抗蝕劑161的其余部分，在通過顯影制作光致抗蝕劑161上的開口163的過程中，除去位于以后制作的柵極頂部區(qū)域部分的光致抗蝕劑161。
此后，EB抗蝕劑160位于以后制作的柵極底部區(qū)域的部分，用電子束164通過開口163進(jìn)行照射(圖2(f))，通過顯影除去EB抗蝕劑160被照射的部分以形成開口165(圖2(g))。
在圖2(h)所示的這一步中，使用EB抗蝕劑160作為掩膜，將電子供給層55表面腐蝕到一定深度，在EB抗蝕劑的開口165的下面制作凹口111。之后，在整個(gè)表面真空蒸鍍Ti/Pt/Au(圖2(i))，使用剝離(lift-off)工藝除去抗蝕劑160和161以及Ti/Pt/Au不需要的部分，從而制作出具有較寬上部和較窄下部的T型柵極8。最后，如圖2(k)所示，在整個(gè)表面淀積一層用于鈍化的SiON膜120，除去SiON膜120中與源極9和漏極10對(duì)應(yīng)的部分形成開口121，這樣就制成了圖1所示的HEMT。但在圖1中沒有表示出用于鈍化的SiON膜120。而且，在圖2(e)至圖2(i)中，只顯示了以后制作柵極處的結(jié)構(gòu)的中心部分，而未示出臺(tái)面結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述第一實(shí)施例中，電子供給層55由具有高度熱穩(wěn)定性的n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)構(gòu)成。因此，350℃左右的熱處理不會(huì)改變HEMT的電氣特性。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的高可靠的HEMT，并且在制作和工作過程中這種HEMT的特性幾乎不隨時(shí)間而變化。
此外，在本發(fā)明所述第一實(shí)施例中，通過以下的描述可以看出設(shè)計(jì)器件的自由度提高了。圖3(a)和圖3(b)分別示出了n型AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z(z＝0)的能帶間隙(Eg)與組分關(guān)系以及晶格常數(shù)(a)與組分關(guān)系的曲線圖。圖4(a)和圖4(b)分別示出了n型AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z(y＝0)的能帶間隙(Eg)與組分關(guān)系以及晶格常數(shù)(a)與組分關(guān)系的曲線圖。在圖3(a)和3(b)中，組分y用1-y來代替。在圖4(a)和4(b)中，組分z用1-z來代替。如圖所示，在AlGaAsPSb中，保持與InP襯底晶格匹配的前提下，通過改變組分x、y和z，可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)改變能帶間隙Eg。另外，在適當(dāng)保持y和x或者z和x之間關(guān)系的前提下，當(dāng)組分發(fā)生變化時(shí)，可以不用改變能帶間隙Eg而使導(dǎo)帶底能量Ec和價(jià)帶頂能量Ev間異質(zhì)界面處的能帶間距發(fā)生變化。由此可見，使用AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z時(shí)，容易高自由度地制作出一個(gè)具有期望能帶結(jié)構(gòu)的電子供給層/溝道層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，從而可以大幅度地提高設(shè)計(jì)器件的自由度。
日本公開的專利申請(qǐng)?zhí)枮槠?-88340的專利文獻(xiàn)公開了一種使用AlGaAsSb作為電子供給層的HEMT。但這種HEMT具有以下的缺點(diǎn)。
為了說明現(xiàn)有技術(shù)的HEMT的缺點(diǎn)，我們將描述一種使用GaAsSb作為電子供給層的HEMT，因?yàn)檫@些HEMT是基本相同的。圖5(a)是用GaAs0.5Sb0.5作為電子供給層的HEMT的能帶圖。圖中，標(biāo)記Ec表示導(dǎo)帶底的能量，Ev表示價(jià)帶頂?shù)哪芰浚珽f表示費(fèi)米能級(jí)，Eg表示能帶間隙，ΔEc表示GaAsSb電子供給層和InGaAs溝道層間異質(zhì)界面處的導(dǎo)帶間距，ΔEv表示異質(zhì)界面處的價(jià)帶間距。在這一結(jié)構(gòu)中，GaAs0.5Sb0.5與InP的晶格匹配，如圖5(a)所示，在GaAsSb電子供給層和InGaAs溝道層間的異質(zhì)界面處，導(dǎo)帶間距ΔEc為0.5eV，價(jià)帶間距ΔEv為0.6eV。這時(shí)，Eg-ΔEc小至0.3eV，因此，在異質(zhì)界面處容易發(fā)生電子和空穴的復(fù)合，并且電荷載流子因復(fù)合而減少。結(jié)果，溝道層中無法得到高濃度的電子。當(dāng)P加入到GaAsSb中時(shí)，換句話說，當(dāng)GaAsPSb被用作電子供給層時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如圖5(b)所示。即能帶間隙Eg增加并且導(dǎo)帶間距ΔEc減小，以使Eg-ΔEc變成大于0.3eV。從而，抑制了異質(zhì)界面處電荷載流子的復(fù)合，因而使HEMT的工作特性得到了提高。當(dāng)使用AlGaAsPSb作為電子供給層時(shí)，可獲得如GaAsPSb電子供給層所提供的同樣的效果。即由于依據(jù)所述本發(fā)明的第一實(shí)施例的HEMT，用AlGaAsPSb作為電子供給層55與現(xiàn)有技術(shù)的HEMT使用AlGaAsSb相比較，抑制了異質(zhì)界面處電荷載流子的復(fù)合。因此，增加了溝道層中的載流子濃度，從而提高了HEMT的工作特性。實(shí)施例2圖6示出了按照本發(fā)明第二實(shí)施例的用n型AlGaAsPSb作為電子供給層的HEMT的剖視圖。圖6中，和圖1所示的相同標(biāo)號(hào)代表相同的或?qū)?yīng)的部分。按照所述第二實(shí)施例的HEMT除以下幾點(diǎn)外與所述第一實(shí)施例基本相同，不同之處在于具有很低異質(zhì)濃度的、厚度為5nm的未摻雜AlInAs隔層4被插入到n型AlGaAsPSb電子供給層55和InGaAs溝道層3之間，具有很低雜質(zhì)濃度的、厚度為20nm的未摻雜AlInAs肖特基層6位于電子供給層55上。柵極8位于肖特基層6上。
圖7(a)和圖7(b)示出了一種制作圖6所示的HEMT的方法的各工藝步驟的剖視圖。
開始，如圖7(a)所示，最好使用MBE、MOMBE、氣體源MBE或MOCVD等方法將未摻雜AlInAs緩沖層2、未摻雜InGaAs溝道層3、未摻雜AlInAs間隔層4、Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1電子供給層55、未摻雜AlInAs肖特基層6和n型InGaAs接觸層7順序生長于半絕緣InP襯底1上。之后，對(duì)生長層進(jìn)行對(duì)應(yīng)于圖2(b)至圖2(g)所描述的同樣的工藝處理過程。
圖7(b)所示的這一步驟中，用EB抗蝕劑160和光致抗蝕劑161作為掩膜，將肖特基層6的表面刻蝕到一個(gè)特定的深度，從而作出與EB抗蝕劑160的開口相對(duì)的凹槽111。經(jīng)過對(duì)應(yīng)于圖2(i)至圖2(k)所述的同樣的工藝處理就完成了圖6所示的HEMT的制作。圖6中未示出鈍化膜。
在所述的本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，間隔層4阻止電子供給層55中的雜質(zhì)擴(kuò)散到溝道層3中，從而避免了因雜質(zhì)擴(kuò)散引起溝道層3中的電子遷移率產(chǎn)生不希望的降低。另外，間隔層4使溝道層3遠(yuǎn)離雜質(zhì)摻雜的電子供給層55，以抑制2-DEG的庫侖散射而得到高的電子遷移率。
在所述的本發(fā)明的第一實(shí)施例中，柵極8位于用n型施主雜質(zhì)高濃度摻雜的電子供給層55的表面，但在所述的本發(fā)明第二實(shí)施例中，柵極8位于具有很低雜質(zhì)濃度的未摻雜AlInAs肖特基層6的表面。因此，柵極8和肖特基層6之間具有良好的肖特基接觸。
另外，由于使用n型AlGaAsPSb作為電子供給層55，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且設(shè)計(jì)的自由度也提高了。而且，抑制了溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處的電荷載流子的復(fù)合，從而提高了溝道層的載流子濃度。
雖然隔離層4和肖特基層6由AlInAs構(gòu)成，但由于這些層未被摻雜，與n型AlInAs相比，電荷濃度不會(huì)因熱而改變。然而，仍然存在著設(shè)計(jì)自由度低的問題。
一種示于圖8的依據(jù)所述本發(fā)明第二實(shí)施例的一種變形的HEMT解決了這一問題。這種HEMT包括未摻雜Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)隔層44和未摻雜Alx3Ga1-x3Asy3Pz3Sb1-y3-z3(0≤x3≤1，0≤y3＜1，0＜z3≤1)肖特基層66。隔層和肖特基層中的一個(gè)可以由AlGaAsPSb構(gòu)成，而另一個(gè)由AlInAs構(gòu)成。另外，可以使用未摻雜Alx4Ga1-x4Asy4Pz4Sb1-y4-z4(0≤x4≤1，0≤y4＜1，0＜z4≤1) 緩沖層22來代替未摻雜AlInAs緩沖層2。因此，當(dāng)構(gòu)成HEMT的半導(dǎo)體層生長時(shí)，供應(yīng)材料的互換變得更為方便。實(shí)施例3圖9示出了按照本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的用n型AlGaAsPSb作為電子供給層的HEMT的剖視圖。圖9中，與圖8中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的或相應(yīng)的部分。依據(jù)所述第三實(shí)施例的HEMT與依據(jù)第二實(shí)施例的變形的示于圖8的HEMT基本相同，不同之處在于電子供給層位于溝道層的襯底一側(cè)，而在第二個(gè)實(shí)施例中，電子供給層位于溝道層的柵極一側(cè)。這一結(jié)構(gòu)稱作反HEMT結(jié)構(gòu)。更準(zhǔn)確地說，圖9所示的HEMT中，厚度為7nm摻雜濃度為4×1018cm-3的Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層155位于緩沖層22上，厚度為5nm的極低雜質(zhì)濃度的未摻雜Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)隔離層14位于電子供給層155上，厚度為30nm的InGaAs溝道層3位于隔層14上。雖然隔層14、緩沖層22和肖特基層66由未摻雜的AlGaAsPSb構(gòu)成，但這些層也可以由未摻雜的AlInAs構(gòu)成。隔離層14可以省去。
下面給出圖9所示的HEMT的制作方法。開始，最好使用MBE，MOMBE、氣體源MBE或MOCVD等方法將未摻雜AlGaAsPSb緩沖層22、Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1電子供給層155、未摻雜AlGaAsPSb隔離層14、未摻雜InGaAs溝道層3、未摻雜AlGaAsPSb肖特基層66和n型InGaAs接觸層7順序生長于半絕緣InP襯底1上。之后，通過與圖2(b)至圖2(k)對(duì)應(yīng)的已描述的工藝步驟來完成這種HEMT。圖9中未示出鈍化膜。
在所述的本發(fā)明第三實(shí)施例中，在溝道層3和柵極8之間只有未摻雜肖特基層66，用n型施主雜質(zhì)高濃度摻雜的電子供給層155位于溝道層3的襯底一側(cè)。因此，與依據(jù)所述的第一和第二實(shí)施例的HEMT相比，柵擊穿電壓提高了。另外，減小了半導(dǎo)體層表面狀態(tài)的改變對(duì)器件特性所造成的影響。
此外，由于使用n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)作為電子供給層155，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且設(shè)計(jì)的自由度也提高了。而且，抑制了溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處的電荷載流子的復(fù)合，從而提高了溝道層中載流子的濃度。實(shí)施例4圖10示出了按照本發(fā)明第四實(shí)施例的HEMT的電子供給層附近部分的剖視圖。圖中，與圖9中相同的哪些標(biāo)號(hào)代表相同的或相應(yīng)的部分。依據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的HEMT與依據(jù)所述第三實(shí)施例的HEMT基本相同，不同之處在于由具有一個(gè)薄層Te摻雜區(qū)域即一個(gè)原子平面Te摻雜區(qū)域157的未摻雜Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)層156構(gòu)成的電子供給層155a來代替n型AlGaAsPSb電子供給層155，其中的n型施主雜質(zhì)Te是均勻摻雜的。所希望的原子平面Te摻雜區(qū)域157與溝道層3位于電子供給層一側(cè)的距離為0～10nm。所希望的原子平面Te摻雜區(qū)域157的平面載流子濃度的數(shù)量級(jí)為1012cm-2。例如，摻雜的濃度為3×1012cm-2。
雖然在所述第四實(shí)施例中原子平面摻雜電子供給層155a用來代替對(duì)應(yīng)于第三實(shí)施例載流子層襯底一側(cè)的電子供給層155，但也可用它來代替對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的載流子層?xùn)艂?cè)的電子供給層55。在這種情形下，原子平面Te摻雜區(qū)域157與溝道層3之間的距離約為5nm，原子平面Te摻雜區(qū)域157的平面載流子濃度約為5×1012cm-2。
下面給出生長電子供給層155a的方法。開始，生長未摻雜AlGaAsPSb層156到一個(gè)規(guī)定的厚度。然后，在AlGaAsPSb層156上摻雜Te到一個(gè)規(guī)定的表面密度，從而作出一個(gè)原子平面Te摻雜區(qū)域157。此外，一個(gè)具有規(guī)定厚度的未摻雜AlGaAsPSb層156生長于這一區(qū)域上。除了電子供給層155a使用上述摻雜方法制作外，按照所述第四實(shí)施例制作HEMT的工藝步驟與制作對(duì)應(yīng)于第一至第三實(shí)施例的HEMT的工藝步驟相同。
在所述第四實(shí)施例中，由于具有高摻雜濃度并且作為電子供給源的原子平面Te摻雜區(qū)域157位于溝道層3的附近，在溝道層3中產(chǎn)生了高濃度的2-DEG，從而增加了溝道層3的載流子濃度，結(jié)果得到了一種高性能的HEMT。
另外，由于n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)被用作電子供給層155a，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且設(shè)計(jì)的自由度也提高了。并且，抑制了溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處電荷載流子的復(fù)合，從而增加了溝道層中載流子的濃度。實(shí)施例5
圖11示出了一種依據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的HEMT的剖視圖。圖11中，那些與圖8和圖9中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的或相應(yīng)的部分。依據(jù)所述第五實(shí)施例的這種HEMT既包括依據(jù)第一和第二實(shí)施例的柵側(cè)的電子供給層55，又包括依據(jù)所述第三實(shí)施例的襯底一側(cè)的電子供給層155。更準(zhǔn)確地說，Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層55位于InGaAs溝道層3的柵側(cè)表面上，未摻雜Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)隔離層44位于溝道層3和柵側(cè)的電子供給層55之間。另外，Te摻雜n型Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層155位于溝道層3的襯底一側(cè)，未摻雜Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)隔離層14位于溝道層3和電子供給層155襯底一側(cè)表面之間。這一結(jié)構(gòu)稱作雙摻雜HEMT結(jié)構(gòu)。仍在所述第五實(shí)施例中，隔離層14和44、緩沖層22和肖特基層66可以由未摻雜AlInAs構(gòu)成。隔離層14和44可以省去。
柵側(cè)電子供給層55和襯底側(cè)電子供給層155既可以具有依據(jù)第一至第三實(shí)施例的均勻Te摻雜結(jié)構(gòu)，也可具有依據(jù)所述第四實(shí)施例的原子平面Te摻雜結(jié)構(gòu)。圖12示出了一種包括均由原子平面Te摻雜AlGaAsPSb構(gòu)成的柵側(cè)電子供給層55a和一襯底側(cè)電子供給層155a的HEMT的一部分的示意圖。圖中，標(biāo)號(hào)156和157分別表示未摻雜AlGaAsPSb層和原子平面Te摻雜區(qū)域。
下面給出制作圖11所示的HEMT的制作方法。開始，最好使用MBE、MOMBE、氣體源MBE或MOCVD等方法將未摻雜AlGaAsPSb緩沖層22、Te摻雜n型A1GaAsPSb襯底側(cè)電子供給層155、未摻雜AlGaAsPSb隔離層14、未摻雜InGaAs溝道層3、未摻雜AlGaAsPSb隔離層44、Te摻雜n型AlGaAsPSb柵側(cè)電子供給層55、未摻雜AlGaAsPSb肖特基層66和n型InGaAs接觸層7順序生長于半絕緣InP襯底1上。通過對(duì)應(yīng)于圖2(b)至圖2(k)中已描述的那些工藝步驟來完成這種HEMT。圖11中未示出鈍化膜。
制作示于圖12的均由原子平面Te摻雜AlGaAsPSb構(gòu)成的柵側(cè)電子供給層55a和襯底側(cè)電子供給層155a的這種結(jié)構(gòu)的方法，除這些電子供給層使用所述第四實(shí)施例中描述的Te摻雜方法制作外，其他步驟與前述方法相同。
在所述本發(fā)明的第五實(shí)施例中，由于電子供給層55(55a)和155(155a)位于溝道層3的柵側(cè)和襯底一側(cè)，在溝道層中會(huì)產(chǎn)生高濃度的2-DEG，從而作出了一種適于需要高電流驅(qū)動(dòng)能力的高功率輸出操作的HEMT。
此外，由于使用Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)作為電子供給層，實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且設(shè)計(jì)的自由度也提高了。而且，抑制了溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處的電荷載流子的復(fù)合，增加了溝道層中的載流子濃度。實(shí)施例6圖13(a)示出了一種依據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的HEMT位于電子供給層附近部分的剖視圖。依據(jù)所述第六實(shí)施例的HEMT與圖8所示的依據(jù)所述第二實(shí)施例的HEMT基本相同，不同之處在于電子供給層55b包括上、下未摻雜Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)層156，用一個(gè)介于二者之間的n型AlGaAsPSb量子阱層158來代替其中均勻摻雜有n型施主雜質(zhì)Te的n型AlGaAsPSb電子供給層55。選擇n型AlGaAsPSb量子阱層158的組成以便使量子阱層158的能帶間隙Eg小于未摻雜AlGaAsPSb層156的能帶間隙。更準(zhǔn)確地說，用n型施主雜質(zhì)對(duì)量子阱層158進(jìn)行高濃度摻雜，使其濃度超過1018cm-3。量子阱層158的厚度為1～5nm。雖然此處示于圖13(a)的HEMT中量子阱層158位于電子供給層的柵側(cè)，但它也可位于電子供給層的襯底一側(cè)。
制作示于圖13(a)的HEMT的工藝步驟與對(duì)應(yīng)于第一至第五實(shí)施例中已描述的工藝步驟基本相同，不同之處在于順序生長底部未摻雜AlGaAsPSb層156、量子阱層158和頂部未摻雜AlGaAsPSb層156來制作電子供給層55b。
圖13(b)是依據(jù)所述第六實(shí)施例包括電子供給層55b的HEMT的能帶示意圖，圖13(c)是包括用n型施主雜質(zhì)均勻摻雜的電子供給層55的HEMT的能帶示意圖。在圖13(b)所示的HEMT中量子阱層158的量子阱中的電離雜質(zhì)導(dǎo)致了次能級(jí)E1。因此，與圖13(c)中所示的HEMT相比，電子被高效率地提供到溝道層3中，從而提高了溝道層3中作為電荷載流子的電子的濃度。結(jié)果HEMT的電氣特性得到了改進(jìn)。
此外，由于使用AlGaAsPSb作為電子供給層55b，實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且提高了設(shè)計(jì)的自由度。而且，抑制了溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處電荷載流子的復(fù)合，增加了溝道層中載流子的濃度。實(shí)施例7圖14示出了一種依據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的HEMT的剖視圖。圖14中，那些與圖8中所示標(biāo)號(hào)相同的標(biāo)號(hào)代表相同的或相應(yīng)的部分。雖然在第一至第六實(shí)施例中使用的是一個(gè)與InP襯底晶格匹配的未摻雜In0.53Ga0.47As溝道層3，但在第七實(shí)施例中使用的是未摻雜InxGa1-xAs(0.53＜x≤1)溝道層33。即使用組成不與襯底晶格匹配的材料來構(gòu)成溝道層，如果溝道層的厚度小于臨界厚度，溝道層也可以成為與襯底晶格匹配的形變晶格層。含有這種形變晶格層的結(jié)構(gòu)稱為假晶結(jié)構(gòu)。圖14中，在一種包括柵側(cè)電子供給層55的HEMT中使用了形變晶格溝道層33。圖16給出了一種包括襯底側(cè)電子供給層155和依據(jù)所述第七實(shí)施例的形變晶格溝道層33的HEMT。圖17給出了一種不僅包括柵側(cè)電子供給層55和襯底側(cè)電子供給層155，而且還包括依據(jù)所述第七實(shí)施例的形變晶格溝道層33的HEMT。
按照所述第七實(shí)施例制作HEMT的各工藝步驟與第一至第六實(shí)施例中所描述的那些工藝步驟基本相同，不同之處在于這一未摻雜InxGa1-xAs(0.53＜x≤1)溝道層33的生長。
圖15(a)是包括相應(yīng)于所述第七實(shí)施例的形變晶格有源層33的HEMT的能帶示意圖，圖l5(b)為包括與InP襯底晶格匹配的In0.53Ga0.47As溝道層3的HEMT的能帶示意圖。在所述第七實(shí)施例中，如圖15(a)所示，使用了具有In組分x大于0.53的未摻雜InxGa1-xAs形變晶格溝道層33。因此，與圖15(b)所示的HEMT相比，溝道層和電子供給層在導(dǎo)帶中的能帶間距ΔEc增大了(ΔEc1＞ΔEc2)，從而獲得了高2-DEG濃度。由于InGaAs中電子的遷移率和飽和速度隨In組分的增加而增加，從而與In0.53Ga0.47As溝道層3相比，InxGa1-xAs(0.53＜x≤1)形變晶格溝道層33電子的遷移率和飽和速度更高。因此，在形變晶格溝道層33中獲得了高2-DEG濃度，并且電子的遷移率和飽和速度也得到了提高，從而改進(jìn)了HEMT的電氣特性。
另外，由于使用AlGaAsPSb作為電子供給層55和155，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的HEMT，并且設(shè)計(jì)的自由度也提高了。此外，溝道層和電子供給層間異質(zhì)界面處的電荷載流子的復(fù)合也得到了抑制，溝道層中的載流子濃度得到了提高。實(shí)施例8依據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例，圖18示出了一種半導(dǎo)體激光器件的剖視圖，這種半導(dǎo)體激光器件包括一個(gè)由InGaAs或InGaAsP構(gòu)成的有源層，可發(fā)射波長為1.33μm或1.55μm的激光。在所述第八實(shí)施例中，用AlGaAsPSb制作半導(dǎo)體激光器的上、下覆蓋層。圖18中，標(biāo)號(hào)201代表n型InP襯底。厚度為0.5μm、摻雜濃度為2×1018cm-3的n型InP緩沖層202位于n型InP襯底201上。厚度為1.5μm、摻雜濃度為1.5×1018cm-3的n型Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5(0≤x5≤1，0≤y5＜1，0＜z5≤1)下覆蓋層203位于緩沖層202上，厚度為0.1μm的未摻雜InGaAs或者InGaAsP有源層204位于下覆蓋層203上。具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的P型Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6(0≤x6≤1，0≤y6＜1，0＜z6≤1)上覆蓋層205位于有源層204上。上覆蓋層205的厚度為1.5μm，摻雜濃度為1.5×1018cm-3。厚度為0.05μm、摻雜濃度為1×1019cm-3的P型InGaAs覆蓋層206位于上覆蓋層205臺(tái)面結(jié)構(gòu)的頂部。N型Alx8Ga1-x8Asy8Pz8Sb1-y8-z8(0≤x8≤1，0≤y8＜1，0＜z8≤1)電流阻擋層207位于上覆蓋層205上并且與臺(tái)面結(jié)構(gòu)的兩側(cè)相接觸。P型GaAsSb接觸層208位于覆蓋層206和電流阻擋層207上。n側(cè)電極209位于InP襯底201的背面并與襯底201形成歐姆接觸。P側(cè)電極210位于接觸層208之上并與之形成歐姆接觸。
圖19(a)至圖19(d)示出了圖18所示的一種制造半導(dǎo)體激光器件方法的各工藝步驟的剖視圖。開始，如圖19(a)所示，依序?qū)型InP緩沖層202。n型Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5下覆蓋層203、未摻雜InGaAs或InGaAsP有源層204、P型Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6上覆蓋層205和P型InGaAs覆蓋層206外延生長于n型InP襯底201上。最好使用MBE、MOMBE、氣體源MBE或者M(jìn)OCVD等方法來生長這些層。
以后，SiN膜淀積于覆蓋層206的整個(gè)表面，用光刻工藝在SiN膜上形成抗蝕劑。用抗蝕劑作為掩膜，刻蝕SiN膜形成一個(gè)條狀的SiN膜300。圖19(b)所示的一步中，用SiN膜作為掩膜，刻蝕覆蓋層206并進(jìn)一步將上覆蓋層205刻蝕到規(guī)定深度，從而形成一臺(tái)面結(jié)構(gòu)。除掉抗蝕劑后，用SiN膜300作為掩膜，將AlGaAsPSb電流阻擋層207生長于上覆蓋層205上并與臺(tái)面結(jié)構(gòu)的兩側(cè)相接觸。電流阻擋層207是通過一種用絕緣膜作為掩膜進(jìn)行選擇生長的外延生長方法來生長的，如MOCVD方法。
刻蝕掉SiN膜300后，如圖19(d)所示，最好使用MOCVD方法在整個(gè)表面生長P型GaAsSb接觸層208。在n型InP襯底201的背面形成n側(cè)電極209，在接觸層208的表面上制作P側(cè)電極210，就完成了圖18所示的半導(dǎo)體激光器。
在所述本發(fā)明的第八實(shí)施例中，在由下覆蓋層203、有源層204和上覆蓋層205構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，每一異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘，換句話說，導(dǎo)帶底的能帶間距ΔEc和價(jià)帶頂?shù)哪軒чg距ΔEv可以通過改變構(gòu)成下覆蓋層203和上覆蓋層205的AlGaAsPSb的組分來改變，從而容易制出一種具有期望的能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。
此外，由于使用AlGaAsPSb作為覆蓋層203和205，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的半導(dǎo)體激光器，并且設(shè)計(jì)的自由度也得到了提高。實(shí)施例9圖20示出了一種按照本發(fā)明第九實(shí)施例的用AlGaAsPSb作為有源層和上、下覆蓋層的半導(dǎo)體激光器。除有源層由AlGaAsPSb構(gòu)成外，圖20所示的半導(dǎo)體激光器與圖18所示的半導(dǎo)體激光器基本相同。
圖20中，標(biāo)號(hào)214表示未摻雜的或P型的Alx7Ga1-x7Asy7Pz7Sb1-y7-z7(0≤x7≤1，0≤y7＜1，0＜z7≤1)有源層。A1GaAsPSb有源層214的組分可選以便與InP襯底201晶格匹配，并且與上、下覆蓋層205和203相比具有較小的能帶間隙。組分的選取最好使得激光的振蕩波長位于0.6μm～2μm的范圍內(nèi)。
下面對(duì)制作方法加以說明。開始，如圖21所示，依序?qū)型InP緩沖層202、n型Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5下覆蓋層203、未摻雜的P型Alx7Ga1-x7Asy7Pz7Sb1-y7-z7有源層214、P型Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6上覆蓋層205和P型InGaAs覆蓋層206外延生長于n型InP襯底201上。外延生長后的工藝步驟與那些已描述于圖19(b)至圖19(d)中的對(duì)應(yīng)步驟相同。
在所述第九實(shí)施例中，有源層214由AlGaAsPSb構(gòu)成。如圖22所示，在保持晶格常數(shù)，即保持與InP晶格匹配的前提下，AlGaAsPSb的能帶間隙Eg可以通過變換組分來改變。因此，圖9所示的半導(dǎo)體激光器中，通過適當(dāng)?shù)剡x擇AlGaAsPSb有源層214的組分，激光的振蕩波長可以在0.6μm～2μm的較寬范圍內(nèi)變動(dòng)而保持有源層與InP襯底的晶格匹配。在有源層由AlGaAsSb構(gòu)成時(shí)，有源層中的能帶間距產(chǎn)生如圖23(b)所示的下降，并且電子限制效應(yīng)下降，從而降低了激光的發(fā)射效率。然而，在依據(jù)所述第九實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器中，由于使用了AlGaAsPSb有源層214，可以通過增加P的組分來增加能帶間隙ΔEc，從而實(shí)現(xiàn)了圖23(a)所示的能帶結(jié)構(gòu)。因此，避免了有源層中電子限制效應(yīng)發(fā)生不期望的降低，結(jié)果制作出一種具有高度光發(fā)射效率的半導(dǎo)體激光器。
此外，由于使用AlGaAsPSb作為覆蓋層203和205以及有源層214，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的半導(dǎo)體激光器。并且設(shè)計(jì)的自由度也得到了提高。實(shí)施例10
圖24示出了按照本發(fā)明第十實(shí)施例的一種使用InGaAsSb作有源層和使用AlGaAsPSb作上、下覆蓋層的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。除有源層由InGaAsSb構(gòu)成外，圖24所示半導(dǎo)體激光器與圖18所示半導(dǎo)體激光器相同。圖24中，標(biāo)號(hào)224代表未摻雜的或P型的InGaAsSb有源層。InGaAsSb有源層224的組分可選以便與InP襯底201晶格匹配并且與上、下覆蓋層205和203相比，具有較小的能帶間隙。最好將組分選擇到使激光的振蕩波長位于2μm～4μm的范圍。
下面對(duì)制作方法加以說明。開始，如圖25所示，依序?qū)型InP緩沖層202、n型Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5下覆蓋層203、未摻雜的或P型的InGaAsSb有源層224、P型Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6上覆蓋層205和P型InGaAs覆蓋層206外延生長于n型InP襯底201上。外延生長后的工藝步驟與那些已在圖19(b)至圖19(d)中描述的對(duì)應(yīng)的步驟相同。
在所述第十實(shí)施例中，由于有源層224由InGaAsSb構(gòu)成，激光的振蕩波長可以在2μm～4μm的較寬范圍內(nèi)改變。
此外，由于使用AlGaAsPSb作為覆蓋層203和205，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的半導(dǎo)體激光器。并且設(shè)計(jì)的自由度也得到了提高。實(shí)施例11圖26示出了按照本發(fā)明第十一實(shí)施例的一種用InGaPSb作有源層和用AlGaAsPSb和上、下覆蓋層的半導(dǎo)體激光器的剖視圖。除有源層由InGaPSb構(gòu)成外，圖26所示半導(dǎo)體激光器與圖18所示半導(dǎo)體激光器相同。圖26中，標(biāo)號(hào)234表示未摻雜的或P型的InGaPSb有源層。InGaPSb有源層234的組分可選以便與InP襯底201晶格匹配并且與上、下覆蓋層205和203相比，具有較小的能帶間隙。把組分最好選擇在使激光的振蕩波長位于2μm～4μm的范圍內(nèi)。
下面對(duì)制作方法加以說明。開始，如圖27所示，依序?qū)型InP緩沖層202、n型Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5下覆蓋層203、未摻雜的或P型的InGaPSb有源層234、P型Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6上覆蓋層205和P型InGaAs覆蓋層206外延生長于n型InP襯底201上。外延生長后的工藝步驟與那些已描述于圖19(b)至圖19(d)中的對(duì)應(yīng)步驟相同。
在所述第十一實(shí)施例中，由于有源層234由InGaPSb構(gòu)成，激光的振蕩波長可以在2μm～4μm的一個(gè)較寬范圍內(nèi)改變。
此外，由于用AlGaAsPSb制作覆蓋層203和205，從而實(shí)現(xiàn)了一種熱穩(wěn)定的、高可靠的半導(dǎo)體激光器。而且設(shè)計(jì)的自由度也得到了提高。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底；以及位于該半導(dǎo)體襯底上的AlxGa1-xAsyPzSb1-y-z(0≤x≤1，0≤y＜1，0＜z≤1)層。
2.一種半導(dǎo)體器件，包括具有晶格常數(shù)的InP襯底；具有電子親合力的溝道層，電子作為電荷載流子在該溝道層中遷移；以及Alx1Ga1-x1Asy1Pz1Sb1-y1-z1(0≤x1≤1，0≤y1＜1，0＜z1≤1)電子供給層，用于向該溝道層中提供電子，與該溝道層相比，該電子供給層的電子親和力較小并且摻雜有n型施主雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它還包括位于該溝道層和該電子供給層之間的未摻雜Alx2Ga1-x2Asy2Pz2Sb1-y2-z2(0≤x2≤1，0≤y2＜1，0＜z2≤1)隔離層，與該溝道層相比，該隔層具有較小的電子親和力。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它還包括位于該溝道層和該電子供給層上的未摻雜Alx3Ga1-x3Asy3Pz3Sb1-y3-z3(0≤x3≤1，0≤y3＜1，0＜z3≤1)肖特基層；以及位于該肖特基層上的柵極。
5.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它還包括未摻雜Alx4Ga1-x4Asy4Pz4Sb1-y4-z4(0≤x4≤1，0≤y4＜1，0＜z4≤1)緩沖層，該緩沖層與InP襯底接觸并位于該溝道層和該電子供給層之下。
6.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，該電子供給層包括摻雜有n型施主雜質(zhì)的平面區(qū)域。
7.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，該電子供給層包括量子阱區(qū)域，該量子阱區(qū)域由AlGaAsPSb構(gòu)成并摻雜有n型施主雜質(zhì)。
8.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它包括位于該溝道層上的電子供給層。
9.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它包括位于該溝道層和該InP襯底之間的電子供給層。
10.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，它分別包括位于該溝道層上和位于該溝道層與該InP襯底之間的電子供給層。
11.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于所述溝道層為形變晶格層并由具有與該InP襯底不同晶格常數(shù)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
12.一種半導(dǎo)體激光器件，它包括具有能帶間隙的、發(fā)射激光的有源層；以及能帶間隙大于該有源層能帶間隙的、具有第一導(dǎo)電類型的Alx5Ga1-x5Asy5Pz5Sb1-y5-z5(0≤x5≤1，0≤y5＜1，0＜z5≤1)下覆蓋層和能帶間隙大于該有源層能帶間隙的，具有與該第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的Alx6Ga1-x6Asy6Pz6Sb1-y6-z6(0≤x6≤1，0≤y6＜1，0＜z6≤1)上覆蓋層，所述的下覆蓋層和所述的上覆蓋層將所述有源層夾在中間。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述有源層由Alx7Ga1-x7Asy7Pz7Sb1-y7-z7(0≤x7≤1，0≤y7＜1，0＜z7≤1)構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述有源層由InGaAsSb構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述有源層由InGaPSb構(gòu)成。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，包括InP襯底；溝道層以及Al
文檔編號(hào)H01L21/18GK1155774SQ9612262
公開日1997年7月30日 申請(qǐng)日期1996年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月10日
發(fā)明者山本佳嗣, 早藤紀(jì)生 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社