專(zhuān)利名稱(chēng)：化合物半導(dǎo)體層和發(fā)光元件的制造方法及汽相生長(zhǎng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III-IV族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法以及汽相生長(zhǎng)設(shè)備。
已有技術(shù)通常，作為在GaAs襯底上生長(zhǎng)具有結(jié)晶缺陷較少的III-IV族化合物半導(dǎo)體結(jié)晶的方法，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)8-203837公開(kāi)了如下方法。
圖9是按照日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)8-203837公開(kāi)的III-IV族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法，在整個(gè)生長(zhǎng)期間的襯底溫度和材料氣體引入的圖形曲線。
首先，將GaAs襯底放置在反應(yīng)容器(反應(yīng)室)中。反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛降低到要求的壓強(qiáng)。然后，將作為V族材料氣體的AsH3(砷)引入反應(yīng)容器。接著，把GaAs襯底襯底溫度提高到650℃。向反應(yīng)容器引入TMG(三甲基鎵)作為III族材料氣體，以便在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs緩沖層。然后，停止向反應(yīng)容器提供TMG，并且停止生長(zhǎng)GaAs緩沖層。在停止提供AsH3的同時(shí)，開(kāi)始作為V族材料的PH3(磷)的引入。在經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)間周期之后，向反應(yīng)容器提供TMG、TMA(三甲基鋁)和TMI(三甲基銦)作為III族材料氣體，開(kāi)始AlGaInP層的生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)工藝期間，將GaAs襯底的襯底溫度提高到750℃。在GaAs襯底的襯底溫度保持在750℃的同時(shí)，生長(zhǎng)AlGaInP層，直至其具有預(yù)定的厚度。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)8-203837公開(kāi)的III-IV族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法中，是在襯底溫度低于AlGaInP的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度的條件下進(jìn)行從AsH3到PH3的轉(zhuǎn)換。原因如下。
當(dāng)在高的襯底溫度下不存在AsH3時(shí)，砷趨向于從GaAs結(jié)晶中分離。于是，如果在高的襯底溫度下進(jìn)行從AsH3到PH3的轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換到PH3之后砷原子立即分離。這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶缺陷。如果為了抑制砷原子的分離，在轉(zhuǎn)換到PH3之后在短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始提供TMG、TMA和TMI，以便生長(zhǎng)AlGaInP，則氣體在反應(yīng)容器中不能從AsH3到PH3充分地交換。這樣，砷原子混合于AlGaInP之中。這會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶缺陷。
因此，在日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)8-203837公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)中，在低的襯底溫度下氣體從AsH3轉(zhuǎn)換到PH3。這樣，與在AlGaInP的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度下轉(zhuǎn)換的情形相比，能夠抑制從AsH3轉(zhuǎn)換到PH3之后砷原子立即泄漏或者砷原子嵌入AlGaInP。結(jié)果，獲得具有良好質(zhì)量的結(jié)晶成為可能。
作為在GaAs襯底上生長(zhǎng)具有結(jié)晶缺陷較少的III-IV族化合物半導(dǎo)體結(jié)晶的方法的另一實(shí)例，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496公開(kāi)了如下方法。


圖10是按照日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496公開(kāi)的III-IV族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法，在整個(gè)生長(zhǎng)期間的襯底溫度和材料氣體引入的圖形曲線。
首先，將n-GaAs襯底放置在反應(yīng)容器中。反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛降低到要求的壓強(qiáng)。然后，作為V族材料氣體，向反應(yīng)容器中引入AsH3。
接著，加熱第一GaAs襯底直至襯底溫度提高到770-830℃，即第一溫度，在此第一溫度下準(zhǔn)備生長(zhǎng)n-GaAs緩沖層。
然后，在襯底溫度保持在第一溫度的同時(shí)，向反應(yīng)容器引入TMG作為III族材料氣體，以便在n-GaAs襯底上生長(zhǎng)第一n-GaAs緩沖層直至其具有預(yù)定的厚度。之后，停止向反應(yīng)容器提供TMG，并且停止第一n-GaAs緩沖層的生長(zhǎng)。
而且，襯底溫度降低到第二溫度，680℃。向反應(yīng)容器引入TMG，以便生長(zhǎng)第二n-GaAs緩沖層。
然后，V族材料氣體從AsH3轉(zhuǎn)換到PH3。10秒之后，向反應(yīng)容器提供TMG、TMA和TMI作為III族材料氣體，開(kāi)始AlGaInP層的生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)工藝期間，將GaAs襯底的襯底溫度提高到760℃。在GaAs襯底的襯底溫度保持在760℃的同時(shí)，生長(zhǎng)AlGaInP層，直至其具有預(yù)定的厚度。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496公開(kāi)的III-IV族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法中，是在襯底溫度高于AlGaInP的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度的條件下生長(zhǎng)第一n-GaAs緩沖層。原因如下。
通過(guò)在生長(zhǎng)AlGaInP之前在較高的襯底溫度生長(zhǎng)第一n-GaAs緩沖層，在第一n-GaAs緩沖層的生長(zhǎng)期間能夠?qū)⒏街谝r底保持部件等上的氧蒸發(fā)掉。由于第二n-GaAs緩沖層和AlGaInP層是在低于第一n-GaAs緩沖層的襯底溫度下生長(zhǎng)，所以沒(méi)有氧從襯底保持部件等上蒸發(fā)掉。
因此，根據(jù)日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)，可以獲得形成不發(fā)光的復(fù)合中心的AlGaInP結(jié)晶，作為具有很少有氧混合其中的良好質(zhì)量AlGaInP結(jié)晶。
而且，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)6-244122公開(kāi)了一種在硅襯底上生長(zhǎng)GaAs緩沖層的方法。在該方法中，通過(guò)在升溫工序期間連續(xù)提供材料氣體，即使在升溫工序期間也生長(zhǎng)GaAs層，其中襯底溫度從材料氣體能夠分解的溫度提高到能夠生長(zhǎng)單晶的溫度。根據(jù)日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)6-244122公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)，能夠在硅襯底上生長(zhǎng)具有良好表面平坦度的GaAs層。
在上述日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)8-203837中公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)中，通過(guò)防止砷混入AlGaInP或者在GaAs與AlGaInP的界面分離，從而獲得具有良好質(zhì)量的結(jié)晶。在上述日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496中公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)中，通過(guò)防止氧在GaAs與AlGaInP的界面混入AlGaInP，從而獲得具有良好質(zhì)量的結(jié)晶。
但是，通過(guò)進(jìn)一步的研究，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了上述傳統(tǒng)技術(shù)未考慮的現(xiàn)象引起了AlGaInP的結(jié)晶性的惡化。
圖11A是生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體所用的汽相生長(zhǎng)設(shè)備1100的重要部分的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖11B是其平面圖。
汽相生長(zhǎng)設(shè)備1100包括反應(yīng)室(反應(yīng)容器或反應(yīng)器)501和設(shè)置在反應(yīng)室501內(nèi)的襯底保持部件(襯底接受器)502。襯底保持部件502保持GaAs襯底。從設(shè)置在反應(yīng)室501中的氣體入口501a提供材料氣體，并從設(shè)置在反應(yīng)室501中的氣體出口501b排出氣體，形成相對(duì)于GaAs襯底從一側(cè)流向另一側(cè)。當(dāng)向反應(yīng)室501提供氣體生長(zhǎng)結(jié)晶時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物不僅附著在襯底上，而且還附著在反應(yīng)室501的其它部位上，例如襯底保持部件502、與襯底相對(duì)置的反應(yīng)室501的表面等等。
附著在反應(yīng)室501上的反應(yīng)產(chǎn)物根據(jù)條件可能分解或者分離并且再次蒸發(fā)。再次蒸發(fā)的氣體可以混入材料氣體。在襯底的下游側(cè)(氣體出口501b的一側(cè))產(chǎn)生的再次蒸發(fā)的氣體直接排出反應(yīng)室501。在襯底的上游側(cè)(氣體入口501a的一側(cè))產(chǎn)生的再次蒸發(fā)的氣體混入材料氣體，并且到達(dá)襯底表面。
當(dāng)再次蒸發(fā)的氣體到達(dá)未生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的襯底表面時(shí)，例如生長(zhǎng)之前或者在半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)中斷期間，再次蒸發(fā)的氣體的影響是最強(qiáng)的。當(dāng)半導(dǎo)體層生長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)再次蒸發(fā)產(chǎn)生的元素(以下稱(chēng)為再次蒸發(fā)元素)均勻地混入生長(zhǎng)層。于是，再次蒸發(fā)元素的濃度相對(duì)較低。當(dāng)半導(dǎo)體層還沒(méi)有生長(zhǎng)或者生長(zhǎng)被中斷時(shí)，再次蒸發(fā)元素附著在襯底表面或者結(jié)晶表面并且積累，直至下一個(gè)生長(zhǎng)工序。因此，再次蒸發(fā)元素以較高的濃度積累在生長(zhǎng)界面。
例如，在生長(zhǎng)開(kāi)始之前，在升溫工序期間銦再次蒸發(fā)并且到達(dá)GaAs襯底的情形，銦與升溫工序期間提供的AsH3發(fā)生反應(yīng)并且生長(zhǎng)，在GaAs襯底表面形成InAs。由于InAs與GaAs具有大的晶格失配，所以不能正常地生長(zhǎng)結(jié)晶。因此，產(chǎn)生結(jié)晶缺陷。GaAs緩沖層和AlGaInP生長(zhǎng)在這種結(jié)晶缺陷上。于是，不能獲得具有良好質(zhì)量的結(jié)晶。
在例如因組成等變化而使AlGaInP中斷生長(zhǎng)的情形，停止提供III族材料成分，以此停止利用提供的PH3的生長(zhǎng)。當(dāng)在提供PH3的同時(shí)從上游提供砷時(shí)，砷附著在AlGaInP的表面，或者AlGaInP中的部分磷被砷置換。于是，在生長(zhǎng)界面產(chǎn)生結(jié)晶缺陷。
本發(fā)明人進(jìn)行詳細(xì)的研究并且發(fā)現(xiàn)，可能附著在反應(yīng)室內(nèi)除襯底之外的其它部位的反應(yīng)產(chǎn)物可能以任何元素形式產(chǎn)生，但是砷和銦的附著和再次蒸發(fā)比其它元素更為顯著，并且可能對(duì)結(jié)晶質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。
日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)6-244122公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)，是通過(guò)在升溫的硅襯底上生長(zhǎng)GaAs層，改善硅襯底上的GaAs的表面平坦度。其目的不是防止雜質(zhì)混入III-V族化合物半導(dǎo)體層以改善結(jié)晶性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，包括以下工序在反應(yīng)室中在襯底上形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層；在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層形成工序之前或之后，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，通過(guò)提供III族材料氣體形成第一過(guò)渡III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第一襯底溫度形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選的溫度是結(jié)晶缺陷最少的襯底溫度，結(jié)晶缺陷包括因反應(yīng)室中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷以及因遷移不充分而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的形成工序完成之前，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的形成工序之前，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上同時(shí)襯底溫度提高到第一襯底溫度時(shí)，提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上同時(shí)襯底溫度提高到第一襯底溫度時(shí)，一起提供V族材料氣體與III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法還包括在反應(yīng)室中在第二襯底溫度下形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序，其中提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，一起提供V族材料氣體與III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，第一III族化合物半導(dǎo)體層包括銦和砷中的至少一種。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，襯底是GaAs襯底；形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第一襯底溫度下在GaAs襯底上形成GaAs緩沖層；提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度提高到第一襯底溫度，同時(shí)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，提供在形成GaAs緩沖層的工序中所使用的III族材料氣體作為III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，襯底是GaAs襯底；形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層工序包括，在第一襯底溫度下在GaAs襯底上形成第一GaAs緩沖層；形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第二襯底溫度下形成第二GaAs緩沖層；提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，提供III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供III族材料氣體的工序包括，提供在形成第一GaAs緩沖層的工序和形成第二GaAs緩沖層的工序中至少之一所使用的III族材料氣體作為III族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法還包括，在高于第一襯底溫度和第二溫度中的至少之一的襯底溫度下，在反應(yīng)室中形成第三III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在停止提供III族材料氣體10秒以?xún)?nèi)之后，使用III族材料氣體形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法還包括，在GaAs緩沖層上形成(AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1)。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，形成GaAs緩沖層的工序包括，在第一襯底溫度下使用第一V族材料氣體形成GaAs緩沖層；形成(AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1)的工序包括，在第二襯底溫度下使用第二V族材料氣體形成(AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1)，還包括在低于第二襯底溫度的襯底溫度下，將第一V族材料氣體轉(zhuǎn)換為第二V族材料氣體。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選溫度是600℃。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選溫度是630℃。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，包括以下工序制造III-V族化合物半導(dǎo)體層；使用III-V族化合物半導(dǎo)體層形成半導(dǎo)體發(fā)光元件；其中，制造III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括在反應(yīng)室中在襯底上形成III-V族化合物半導(dǎo)體層；在III-V族化合物半導(dǎo)體層形成工序之前或之后，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的工序包括，形成半導(dǎo)體發(fā)光二極管或者半導(dǎo)體激光器。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方案，提供一種汽相生長(zhǎng)設(shè)備，包括反應(yīng)室和材料氣體提供區(qū)，材料氣體提供區(qū)用于向反應(yīng)室提供氣體，以便在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置的襯底上形成III-V族化合物半導(dǎo)體層，其中，在III-V族化合物半導(dǎo)體層形成之前或之后，材料氣體提供區(qū)向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，汽相生長(zhǎng)設(shè)備還包括用于加熱襯底的襯底加熱區(qū)。
這樣，在此介紹的本發(fā)明所提供的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法、半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法和汽相生長(zhǎng)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)，能夠抑制因附著在除襯底之外的反應(yīng)室其它部位上的反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)而使III-V族半導(dǎo)體層的結(jié)晶性出現(xiàn)的惡化。
以下，對(duì)上述方案的效果予以說(shuō)明。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提供III族材料氣體可以防止III族材料氣體的再次蒸發(fā)。這樣就能夠獲得具有良好質(zhì)量的III-V族化合物半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明中，為了使III-V族化合物半導(dǎo)體層在預(yù)定襯底溫度下結(jié)晶生長(zhǎng)，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，向反應(yīng)室提供III族材料氣體直至生長(zhǎng)結(jié)束。在優(yōu)選溫度下(例如630℃)，因來(lái)自襯底周?chē)糠值你熁蛏榈脑俅握舭l(fā)而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷增加而因遷移不充分而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷減少。但是，在600℃能夠獲得抑制結(jié)晶缺陷的效果。
一般而言，為了防止砷泄漏或磷泄漏，在開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)和/或用于轉(zhuǎn)換成分的生長(zhǎng)中斷工序之前，在升溫工序期間向反應(yīng)室提供V族材料氣體。在本發(fā)明中，也向反應(yīng)室提供III族氣體，以便連續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)。這樣，再次蒸發(fā)的元素不會(huì)積累在襯底表面或生長(zhǎng)界面，不會(huì)形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。本發(fā)明能夠應(yīng)用于例如金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積，獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
具體地，砷和銦附著在襯底之外的其它部位，并比其它元素更為顯著地再次蒸發(fā)，對(duì)結(jié)晶質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。因此，本發(fā)明優(yōu)選應(yīng)用于包含銦和/或砷作為組成元素的III-V族化合物半導(dǎo)體層。例如，包含銦的III-V族化合物半導(dǎo)體層可以是包含(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0≤y＜1)的層。包含砷的半導(dǎo)體層可以是GaAs緩沖層。
并且，在本發(fā)明中，在升溫到預(yù)定襯底溫度的工序期間，當(dāng)襯底溫度達(dá)到630℃以上時(shí)，開(kāi)始向反應(yīng)室提供III族材料氣體，在此溫度下，因來(lái)自襯底周?chē)课坏你熁蛏榈脑俅握舭l(fā)而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷開(kāi)始增加，并且因遷移不充分而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷減少。在低的襯底溫度下開(kāi)始生長(zhǎng)，在此溫度下銦和砷的再次蒸發(fā)量較小。于是，在結(jié)晶生長(zhǎng)的初始階段，襯底表面不會(huì)積累銦和砷，不會(huì)形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，在本發(fā)明中，對(duì)于在不同的預(yù)定襯底溫度下，在半導(dǎo)體襯底上的至少兩層半導(dǎo)體層的結(jié)晶生長(zhǎng)，在升溫工序或者降溫工序期間在不同生長(zhǎng)層之間向反應(yīng)室提供III族材料氣體。由于在不同生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間不中斷生長(zhǎng)，所以銦和砷不會(huì)積累在生長(zhǎng)界面，不會(huì)形成高密度缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，在本發(fā)明中，對(duì)于在升溫到用于準(zhǔn)備首先生長(zhǎng)的GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度的工序，在GaAs襯底上的至少一層GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，開(kāi)始向反應(yīng)室提供III族材料氣體。在低的襯底溫度下開(kāi)始生長(zhǎng)，在此溫度下銦和砷的再次蒸發(fā)量較小。于是，在結(jié)晶生長(zhǎng)的初始階段，襯底表面不會(huì)積累銦和砷，不會(huì)形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
作為在升溫到用于準(zhǔn)備首先生長(zhǎng)的GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度的工序中，向反應(yīng)室提供的III族材料氣體，優(yōu)選使用用于GaAs緩沖層生長(zhǎng)的III族材料氣體。如果使用不同的材料氣體，則為了防止材料氣體混合，在轉(zhuǎn)換氣體時(shí)，必須為中斷生長(zhǎng)提供等待時(shí)間周期，以便在開(kāi)始提供下一種材料氣體之前，排出在先已使用的氣體。如果使用相同的材料氣體，則可以在升溫工序期間采用提供的III族材料氣體繼續(xù)生長(zhǎng)。由于不中斷生長(zhǎng)，所以可生長(zhǎng)質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，在本發(fā)明中，對(duì)于在GaAs襯底上生長(zhǎng)兩層具有不同生長(zhǎng)溫度的GaAs緩沖層，在升溫工序或者降溫工序期間，在不同生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間，向反應(yīng)室提供III族材料氣體。由于在兩層GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間不中斷生長(zhǎng)，所以銦和砷不會(huì)積累在兩層之間的界面上，不會(huì)形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
作為在升溫工序或者降溫工序向反應(yīng)室提供的III族材料氣體，優(yōu)選使用用于至少一層GaAs緩沖層結(jié)晶生長(zhǎng)的III族材料氣體。如果使用不同的材料氣體，則為了防止材料氣體混合，在轉(zhuǎn)換氣體時(shí)，必須為中斷生長(zhǎng)提供等待時(shí)間周期，以便在開(kāi)始提供下一種材料氣體之前，排出在先已使用的氣體。如果使用相同的材料氣體，則可以在升溫工序或者降溫工序期間采用提供的III族材料氣體繼續(xù)生長(zhǎng)。由于不中斷生長(zhǎng)，所以可生長(zhǎng)質(zhì)量良好的結(jié)晶。
用于至少一層GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度可以設(shè)定為高于準(zhǔn)備在GaAs緩沖層上生長(zhǎng)的III-V族化合物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度。于是，正如在日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2000-216496所公開(kāi)的傳統(tǒng)技術(shù)，附著在襯底保持部件等上的氧在GaAs緩沖層生長(zhǎng)時(shí)被蒸發(fā)。于是，能夠防止在準(zhǔn)備在其上生長(zhǎng)的III-V族化合物半導(dǎo)體層中形成不發(fā)光的復(fù)合中心。
如上所述，如果至少一層的GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為高于形成在其上的III-V族化合物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度，則在GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之前或者之后，淀積在襯底周?chē)课簧系你熀蜕楦子谠俅握舭l(fā)。即使在這種情況，通過(guò)向反應(yīng)室內(nèi)提供III族材料氣體，可以將襯底表面上和/或生長(zhǎng)界面的銦和砷的積累量降至很少。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
在轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，為了防止III族材料氣體在反應(yīng)室混合，可以停止全部III族材料氣體的提供，暫時(shí)停止生長(zhǎng)。在包括暫時(shí)停止提供III族材料氣體的工藝情況，通過(guò)將中斷的時(shí)間周期設(shè)定得較短，例如10秒以?xún)?nèi)，可以將在生長(zhǎng)中斷期間銦和砷在界面表面的積累量降至最小。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
在制造電子器件例如半導(dǎo)體激光器、HEMT、HBT等的結(jié)晶生長(zhǎng)中，生長(zhǎng)相對(duì)較薄的薄膜，其具有約2-3μm以下的厚度。在此情形，附著在襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物的量較少。于是，再次蒸發(fā)的元素對(duì)結(jié)晶性的影響較小。另一方面，在制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)晶生長(zhǎng)中，經(jīng)常形成厚度在3μm以上的厚膜。因此，附著在襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物的量較多，再次蒸發(fā)的元素對(duì)結(jié)晶性的影響顯著。因此，使用由本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法所形成的III-V族化合物半導(dǎo)體層來(lái)制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管是特別有效的。
通過(guò)參考附圖來(lái)閱讀和理解以下的詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可了解本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1A是本發(fā)明實(shí)施例所使用的汽相生長(zhǎng)設(shè)備的重要部分的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖1B是圖1A的汽相生長(zhǎng)設(shè)備的平面圖。
圖2A是針對(duì)III-V族化合物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)的生長(zhǎng)溫度(襯底溫度)與再次蒸發(fā)元素的量之間的關(guān)系曲線圖。
圖2B是生長(zhǎng)溫度與結(jié)晶缺陷數(shù)量之間的關(guān)系曲線圖。
圖2C是生長(zhǎng)溫度與通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的銦結(jié)晶缺陷數(shù)量之間關(guān)系曲線圖。
圖3A是本發(fā)明的實(shí)施例所制造的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3B是本發(fā)明的實(shí)施例所制造的半導(dǎo)體激光器的典型結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖4是按實(shí)施例1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖5是按實(shí)施例2的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖6是按實(shí)施例3的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖7是按實(shí)施例4的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖8是按實(shí)施例5的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖9是按III-V族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖10是按III-V族化合物半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)制造方法在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度與材料氣體引入之間的關(guān)系圖形。
圖11A是生長(zhǎng)III-V族化合物半導(dǎo)體層所使用的汽相生長(zhǎng)設(shè)備的重要部分的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖11B是圖11A的汽相生長(zhǎng)設(shè)備的平面圖。
優(yōu)選實(shí)施例以下將對(duì)使用根據(jù)本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法來(lái)制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法的實(shí)施例1到5予以說(shuō)明。首先，說(shuō)明本發(fā)明的原理。
圖1A是用于本發(fā)明的實(shí)施例1到5的化合物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)所用的汽相生長(zhǎng)設(shè)備100的重要部分結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖1B是其平面圖。
汽相生長(zhǎng)設(shè)備100包括反應(yīng)室1，用于向反應(yīng)室1提供材料氣體的材料氣體提供區(qū)102，和用于將反應(yīng)室1中的氣體排出的排出區(qū)106。
參見(jiàn)圖1A和1B，本發(fā)明實(shí)施例中所用的汽相生長(zhǎng)設(shè)備100包括反應(yīng)室(反應(yīng)器)1和設(shè)置在反應(yīng)室1中的碳制襯底保持部件(襯底接受器)2。襯底保持部件2保持GaAs襯底。氣體入口1a和氣體出口1b設(shè)置在反應(yīng)室1中。來(lái)自材料氣體提供區(qū)102的材料氣體被由氣體入口1a提供，并且被排出區(qū)106從氣體出口1b排出。因此，能夠在反應(yīng)室1中獲得要求的氣氛。
用做襯底加熱裝置的射頻線圈(RF線圈)3設(shè)置在襯底保持部件2之下。射頻電流流過(guò)RF線圈3，使襯底保持部件2產(chǎn)生感應(yīng)加熱。于是，GaAs襯底的襯底溫度提高。此外，在襯底保持部件2之下設(shè)置輻射溫度計(jì)(未示出)，測(cè)量襯底保持部件2的溫度(襯底溫度)，從而控制溫度。
可以通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積來(lái)生長(zhǎng)III-V族化合物半導(dǎo)體層。作為III族材料，使用三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵(TMG)、和三甲基銦(TMI)。作為V族材料，使用砷(AsH3)和磷(PH3)。而且，作為摻雜材料，可以使用二乙基鋅(DEZn)、環(huán)戊二稀基鎂(Cp2Mg)、硒化氫(H2Se)、硅烷(SiH4)等。使用按鋁的熔點(diǎn)定標(biāo)的輻射溫度計(jì)測(cè)量襯底表面溫度。
使用上述汽相生長(zhǎng)設(shè)備100和材料，生長(zhǎng)形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的III-V族化合物半導(dǎo)體層，并且進(jìn)行分別要求的各種處理，例如腐蝕、光刻、金屬蒸發(fā)淀積、切割等，可以制造期望的半導(dǎo)體發(fā)光元件，例如半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等。
在上述汽相生長(zhǎng)設(shè)備100中，當(dāng)采用提供給反應(yīng)室1的材料氣體進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物不僅附著在襯底上，而且還附著在反應(yīng)室1的其它部位，例如襯底保持部件2的周?chē)课?、反?yīng)室1與襯底相對(duì)置的部位等。在隨后的結(jié)晶生長(zhǎng)工藝中反應(yīng)產(chǎn)物被加熱時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物被再次蒸發(fā)，并且會(huì)對(duì)生長(zhǎng)層的結(jié)晶質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明的目的在于將反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)對(duì)結(jié)晶質(zhì)量的不利影響抑制到最小程度。
本發(fā)明人已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)因反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)產(chǎn)生的結(jié)晶缺陷與生長(zhǎng)溫度之間的關(guān)系如下。
采用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)測(cè)量混入結(jié)晶的元素(銦)雜質(zhì)的量(銦濃度)。獲得生長(zhǎng)溫度(襯底溫度)與再次蒸發(fā)的元素量之間的關(guān)系。結(jié)果如圖2A的曲線所示。正如從圖2A可見(jiàn)，在生長(zhǎng)溫度約為400℃以上的區(qū)域，再次蒸發(fā)的元素量(銦濃度)增加，并且隨著生長(zhǎng)溫度的提高，再次蒸發(fā)的元素量開(kāi)始增加。關(guān)于再次蒸發(fā)的元素量(砷濃度)(未示出)，在生長(zhǎng)溫度為300℃左右再次蒸發(fā)開(kāi)始增加。
同時(shí)，400℃作為生長(zhǎng)溫度是過(guò)低的，可以因不充分的遷移而引起結(jié)晶缺陷。圖2B是生長(zhǎng)溫度與結(jié)晶缺陷數(shù)量之間關(guān)系曲線圖。正如從圖2B可見(jiàn)，隨著襯底溫度的提高，因遷移不充分導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷減少。
因此，III-V族化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性取決于再次蒸發(fā)量與遷移之間的權(quán)衡。具體地，如果在過(guò)低的溫度開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)，則結(jié)晶缺陷增加，因?yàn)檫w移不充分。如果生長(zhǎng)溫度過(guò)高，則結(jié)晶生長(zhǎng)之前和生長(zhǎng)之間的中斷期間的反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)量增加，從而增加了結(jié)晶缺陷。
圖2C是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的生長(zhǎng)溫度與銦結(jié)晶缺陷數(shù)量之間的關(guān)系曲線。當(dāng)開(kāi)始生長(zhǎng)的溫度是630℃時(shí)，在半導(dǎo)體層表面觀察到的缺陷數(shù)量是最少的。
一旦開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)，則隨著結(jié)晶的繼續(xù)生長(zhǎng)，存在于襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物通過(guò)再次蒸發(fā)而緩慢減少。于是，上述優(yōu)選溫度630℃不同于所謂的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度。
因此，在本實(shí)施例中，對(duì)于在預(yù)定襯底溫度的III-V族化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶生長(zhǎng)，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，隨著向反應(yīng)室提供III族材料氣體，進(jìn)行III-V族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶生長(zhǎng)。優(yōu)選溫度是這樣一種溫度，在此溫度下，來(lái)自襯底周?chē)课坏你熁蛏榈脑俅握舭l(fā)開(kāi)始增加，而遷移的不充分減少，直至完成結(jié)晶生長(zhǎng)(例如630℃)。但是，在600℃可以獲得抑制結(jié)晶缺陷的效果。
例如，在升溫到預(yù)定襯底溫度的工序中，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，開(kāi)始向反應(yīng)室提供III族材料氣體，進(jìn)行III-V族化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶生長(zhǎng)。而且，在生長(zhǎng)層之間的升溫工序或者降溫工序中，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，繼續(xù)生長(zhǎng)III-V族化合物半導(dǎo)體層。當(dāng)暫時(shí)中斷III族材料氣體的提供時(shí)，停止的時(shí)間周期設(shè)定為10秒以?xún)?nèi)。
與結(jié)晶生長(zhǎng)和結(jié)晶生長(zhǎng)中斷之前的升溫工序相比，由于結(jié)晶生長(zhǎng)界面上淀積的再次蒸發(fā)的元素混入隨著結(jié)晶生長(zhǎng)的層中，所以濃度降低。于是，隨著結(jié)晶生長(zhǎng)的層中的結(jié)晶缺陷降低，獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
關(guān)于砷濃度，在約300℃的襯底溫度左右開(kāi)始再次蒸發(fā)。540℃的襯底溫度是優(yōu)選溫度。因此，當(dāng)襯底溫度是優(yōu)選溫度(例如540℃)以上時(shí)，可以向反應(yīng)室提供III族材料氣體，進(jìn)行III-V族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶生長(zhǎng)(在500℃可以獲得抑制結(jié)晶缺陷的效果)。
圖3A是利用根據(jù)本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法所制造的半導(dǎo)體發(fā)光二極管300的典型疊層結(jié)構(gòu)的剖面圖。
參見(jiàn)圖3A，半導(dǎo)體發(fā)光二極管300包括GaAs襯底11，GaAs緩沖層12，發(fā)光部分13和電流擴(kuò)散層15。按照GaAs緩沖層12，發(fā)光部分13和電流擴(kuò)散層15的順序?qū)盈B在GaAs襯底11上。電極16相對(duì)于寬度方向位于電流擴(kuò)散層15的中心。
GaAs緩沖層12包括第一GaAs緩沖層12a和第二GaAs緩沖層12b，按照上述順序從襯底側(cè)層疊。在比形成發(fā)光部分13的AlGaInP層((AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1))更高的襯底溫度下，進(jìn)行第一GaAs緩沖層12a的結(jié)晶生長(zhǎng)。
另外，緩沖層也可以具有單層結(jié)構(gòu)。
發(fā)光部分13包括AlGaInP下包覆層13a、有源層13b和AlGaInP上包覆層13c。AlGaInP上包覆層13c和AlGaInP下包覆層13a分別層疊在有源層13b的上下表面。
電流阻斷層14設(shè)置在電流擴(kuò)散層15中，位于寬度方向的中心，以便通過(guò)部分電流擴(kuò)散層15與電極16對(duì)置，并且在厚度方向與發(fā)光部分13相隔預(yù)定的距離。從電極16提供的電流流過(guò)電流擴(kuò)散層15，比流過(guò)電流阻斷層14更為容易。因此，電流在電流擴(kuò)散層15中被擴(kuò)展，并且提供到發(fā)光部分13。
圖3B是采用根據(jù)本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法所制造的半導(dǎo)體激光器350的典型疊層結(jié)構(gòu)的剖面圖。
在圖3B中，半導(dǎo)體激光器350包括GaAs襯底11，GaAs緩沖層12，發(fā)光部分13和GaAs接觸層18。按照GaAs緩沖層12，發(fā)光部分13和GaAs接觸層18的順序?qū)盈B在GaAs襯底11上。
GaAs緩沖層12包括第一GaAs緩沖層12a和第二GaAs緩沖層12b，按照上述順序從襯底側(cè)層疊。在比形成發(fā)光部分13的AlGaInP層((AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1))更高的襯底溫度下，進(jìn)行第一GaAs緩沖層12a的結(jié)晶生長(zhǎng)。
另外，緩沖層也可以具有單層結(jié)構(gòu)。
發(fā)光部分13包括AlGaInP下包覆層13a、AlGaInP有源層13b和AlGaInP上包覆層13c。AlGaInP上包覆層13c和AlGaInP下包覆層13a分別層疊在有源層13b的上下表面。
上包覆層13c的端部相對(duì)于有源層13b被去除預(yù)定厚度，以使上包覆層13c在上包覆層13c的中心部位具有梯形剖面。設(shè)置GaAs電流阻斷層17，填充梯形部分。
設(shè)置GaAs接觸層18，越過(guò)AlGaInP上包覆層13c的梯形部分的上表面和GaAs電流阻斷層17的上表面。從GaAs接觸層18提供的電流流過(guò)AlGaInP上包覆層13c，比流過(guò)GaAs電流阻斷層17更為容易。因此，通過(guò)設(shè)置在AlGaInP上包覆層13c中心的梯形部分，電流被聚集在中心，并提供給AlGaInP有源層13b。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以制造具有如圖3A和3B所示層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。但是，本發(fā)明可以應(yīng)用于包括具有這種層結(jié)構(gòu)的任何半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。
以下，將說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例1到5。
(實(shí)施例1)在實(shí)施例1中，在形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光部分13的AlGaInP層層疊之前，在650℃的襯底溫度下，在GaAs襯底11上生長(zhǎng)GaAs緩沖層12，該襯底溫度低于用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃。
圖4是實(shí)施例1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法中，在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度和材料氣體引入的關(guān)系圖形。
參見(jiàn)圖4，首先，在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2上放置GaAs襯底11。將反應(yīng)室1的氣氛降低到要求的壓力。然后，向反應(yīng)室1引入AsH3作為V族材料氣體。接著，在GaAs襯底11的襯底溫度升高到GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)溫度650℃的工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)的點(diǎn)時(shí)，將TMG引入反應(yīng)室1作為III族材料氣體，生長(zhǎng)過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著GaAs緩沖層12的繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，GaAs襯底11的襯底溫度提高到650℃。襯底溫度保持在用于形成GaAs緩沖層的650℃，生長(zhǎng)主GaAs緩沖層12，直至其具有預(yù)定厚度。GaAs緩沖層12包括過(guò)渡GaAs緩沖層和主GaAs緩沖層。
接著，在用于GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)溫度650℃，該溫度低于AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度，將用于GaAs緩沖層12的V族材料氣體AsH3和III族材料氣體TMG轉(zhuǎn)換為用于AlGaInP層的V族材料氣體PH3和III族材料氣體TMG、TMA和TMI，該AlGaInP層形成發(fā)光部分13。隨著AlGaInP層的連續(xù)生長(zhǎng)而不中斷，溫度提高到用于AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。GaAs襯底11的襯底溫度保持在730℃，生長(zhǎng)形成發(fā)光部分13的AlGaInP層，直到其具有預(yù)定的厚度。
在實(shí)施例1中，正如圖4中◎所示的，在形成主GaAs緩沖層之前，在升溫工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)的點(diǎn)，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG，進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。繼續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)溫度650℃。
如果在主GaAs緩沖層生長(zhǎng)之前，在升溫工序中未生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，則附著在襯底保持部件2周?chē)脑匾蛞r底溫度的升高而被再次蒸發(fā)。再次蒸發(fā)的元素附著在GaAs襯底11表面。這些元素可能成為結(jié)晶缺陷的晶核，并且可以明顯地降低結(jié)晶質(zhì)量，包括后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光部分13。
在實(shí)施例1中，在采用在升溫工序中提供的III族材料氣體生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的同時(shí)，產(chǎn)生再次蒸發(fā)的元素。但是，在生長(zhǎng)工藝期間再次蒸發(fā)的元素混入結(jié)晶，但不聚集和積累在一個(gè)界面上。因此，再次蒸發(fā)的元素的濃度低，于是它們對(duì)結(jié)晶性的影響小。
使用實(shí)施例1形成的III-V族半導(dǎo)體層，制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，并評(píng)價(jià)其性能。結(jié)果表明，與在升溫工序期間不提供III族材料氣體、因而無(wú)結(jié)晶生長(zhǎng)所制造的產(chǎn)品相比，亮度提高了約10％。使用這種半導(dǎo)體層制造的圖3B所示的半導(dǎo)體激光器也具有改善了的結(jié)晶性和性能。
(實(shí)施例2)在實(shí)施例2中，與實(shí)施例1不同，在630℃生長(zhǎng)第二GaAs緩沖層12b之前，該溫度低于AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃，在780℃下在GaAs襯底11上生長(zhǎng)第一GaAs緩沖層12a，該溫度高于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃。在實(shí)施例2中，在第二主GaAs緩沖層形成之前，在降溫工序期間，采用提供的III族材料氣體繼續(xù)GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。雖然產(chǎn)生了再次蒸發(fā)的元素，它們?cè)谏L(zhǎng)工藝期間混入結(jié)晶，但不聚集和積累在一個(gè)界面上。因此，能夠抑制結(jié)晶性的劣化。
圖5是實(shí)施例2的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法中，在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度和材料氣體引入的關(guān)系圖形。
參見(jiàn)圖5，首先，在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2上放置GaAs襯底11。將反應(yīng)室1的氣氛降低到要求的壓力。然后，向反應(yīng)室1引入AsH3作為V族材料氣體。接著，GaAs襯底11的襯底溫度升高到第一GaAs緩沖層12a的生長(zhǎng)溫度780℃。將TMG引入反應(yīng)室1作為III族材料氣體。襯底溫度保持在780℃，形成第一GaAs緩沖層12a作為第一主GaAs緩沖層，直至其具有預(yù)定厚度。
在GaAs襯底11的襯底溫度降低到第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃的工序中，不停止向反應(yīng)室1提供TMG，繼續(xù)生長(zhǎng)GaAs緩沖層，形成過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著結(jié)晶生長(zhǎng)繼續(xù)而不中斷，GaAs襯底11的襯底溫度降低到630℃。襯底溫度保持在形成第二主GaAs緩沖層的630℃，生長(zhǎng)第二GaAs緩沖層12b，直至其具有預(yù)定的厚度。第二GaAs緩沖層12b包括過(guò)渡GaAs緩沖層和第二主GaAs緩沖層。
接著，在低于AlGaInP層生長(zhǎng)溫度的第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃，將用于GaAs緩沖層12的V族材料氣體AsH3轉(zhuǎn)換為用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的V族材料氣體PH3。停止提供用于GaAs緩沖層12的III族材料氣體TMG。GaAs襯底11的襯底溫度提高到用于AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。在升溫工序期間，在從AsH3轉(zhuǎn)換到PH3之后的1秒，開(kāi)始提供用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的III族材料氣體TMG、TMA和TMI。隨著AlGaInP層的生長(zhǎng)，溫度升高到AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。GaAs襯底11的襯底溫度保持在730℃，生長(zhǎng)形成發(fā)光部分13的AlGaInP層，直至其具有預(yù)定的厚度。
在實(shí)施例2中，正如圖5中◎所示的，在第一主GaAs緩沖層與第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間的降溫工序期間，不停止提供III族材料氣體TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃。
如果在第一主GaAs緩沖層與第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間的降溫工序期間，停止提供III族材料氣體，因而中斷生長(zhǎng)，則附著在襯底保持部件2周?chē)脑卦谥袛嗥陂g被再次蒸發(fā)。再次蒸發(fā)的元素附著在第一GaAs緩沖層12a表面。這些元素可能成為結(jié)晶缺陷的晶核，并且可以明顯地降低結(jié)晶質(zhì)量，包括后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光部分13。
在實(shí)施例2中，在采用在降溫工序中提供的III族材料氣體生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的同時(shí)，產(chǎn)生再次蒸發(fā)的元素。但是，在生長(zhǎng)工藝期間再次蒸發(fā)的元素混入結(jié)晶，但不聚集和積累在一個(gè)界面上。因此，再次蒸發(fā)的元素的濃度低，于是它們對(duì)結(jié)晶性的影響小。
使用實(shí)施例2形成的III-V族半導(dǎo)體層，制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，并評(píng)價(jià)其性能。結(jié)果表明，與在降溫工序期間不提供III族材料氣體、因而無(wú)結(jié)晶生長(zhǎng)所制造的產(chǎn)品相比，亮度提高了約10％。使用這種半導(dǎo)體層制造的圖3B所示的半導(dǎo)體激光器也具有改善了的結(jié)晶性和性能。
(實(shí)施例3)在實(shí)施例3中，如同實(shí)施例2，在低于AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃的630℃下生長(zhǎng)第二GaAs緩沖層12b之前，在780℃下在GaAs襯底11上生長(zhǎng)第一GaAs緩沖層12a，該溫度高于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃。
圖6是實(shí)施例3的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法中，在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度和材料氣體引入的關(guān)系圖形。
參見(jiàn)圖6，首先，在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2上放置GaAs襯底11。將反應(yīng)室1的氣氛降低到要求的壓力。然后，向反應(yīng)室1引入AsH3作為V族材料氣體。接著，在GaAs襯底11的襯底溫度升高到第一GaAs緩沖層12a的生長(zhǎng)溫度780℃的工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)的點(diǎn)，將TMG引入反應(yīng)室1作為III族材料氣體，進(jìn)行GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)，形成第一過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著GaAs緩沖層12的繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，GaAs襯底11的襯底溫度提高到780℃。襯底溫度保持在形成第一主GaAs緩沖層的780℃，進(jìn)行第一主GaAs緩沖層12a的結(jié)晶生長(zhǎng)，直至其具有預(yù)定厚度。第一主GaAs緩沖層12a包括第一過(guò)渡GaAs緩沖層和第一主GaAs緩沖層。
在GaAs襯底11的襯底溫度降低到第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃的工序中，不停止向反應(yīng)室1提供TMG，繼續(xù)生長(zhǎng)GaAs緩沖層，形成第二過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著結(jié)晶生長(zhǎng)繼續(xù)而不中斷，GaAs襯底11的襯底溫度降低到630℃。襯底溫度保持在形成第二主GaAs緩沖層的630℃，生長(zhǎng)第二GaAs緩沖層12b，直至其具有預(yù)定的厚度。第二GaAs緩沖層12b包括第二過(guò)渡GaAs緩沖層和第二主GaAs緩沖層。
接著，在低于AlGaInP層生長(zhǎng)溫度的第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃，將用于GaAs緩沖層12的V族材料氣體AsH3轉(zhuǎn)換為用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的V族材料氣體PH3。停止提供用于GaAs緩沖層12的III族材料氣體TMG。GaAs襯底11的襯底溫度提高到AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。在升溫工序期間，在從AsH3轉(zhuǎn)換到PH3之后的2秒，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG、TMA和TMI，用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層。隨著AlGaInP層的生長(zhǎng)，溫度升高到AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。GaAs襯底11的溫度保持在730℃，生長(zhǎng)形成發(fā)光部分13的AlGaInP層，直至其具有預(yù)定的厚度。
在實(shí)施例3中，正如圖6中左側(cè)的◎所示，在形成第一主GaAs緩沖層之前的升溫工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)的點(diǎn)，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG，進(jìn)行第一GaAs緩沖層12a的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)生長(zhǎng)第一GaAs緩沖層12a，直到溫度達(dá)到第一GaAs緩沖層12a的生長(zhǎng)溫度780℃。
此外，在實(shí)施例3中，正如圖6中右側(cè)的◎所示，在第一主GaAs緩沖層與第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間的降溫工序期間，不停止提供III族材料氣體TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃。
正如針對(duì)實(shí)施例1和2所述的，如果在形成第一主GaAs緩沖層之前的升溫工序中，以及在第一主GaAs緩沖層與第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間的降溫工序期間，不提供III族材料氣體，結(jié)果不生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，則附著在襯底保持部件2周?chē)脑乇辉俅握舭l(fā)。再次蒸發(fā)的元素附著在GaAs襯底11和第一GaAs緩沖層12a的表面。這些元素可能成為結(jié)晶缺陷的晶核，并且可以明顯地降低結(jié)晶質(zhì)量，包括后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光部分13。
在實(shí)施例3中，在采用在升溫工序和降溫工序中提供的III族材料氣體生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的同時(shí)，產(chǎn)生再次蒸發(fā)的元素。但是，在生長(zhǎng)工藝期間再次蒸發(fā)的元素混入結(jié)晶，但不聚集和積累在一個(gè)界面上。因此，再次蒸發(fā)的元素的濃度低，于是它們對(duì)結(jié)晶性的影響小。
使用實(shí)施例3形成的III-V族半導(dǎo)體層，制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，并評(píng)價(jià)其性能。結(jié)果表明，與在降溫工序期間不提供III族材料氣體、因而無(wú)結(jié)晶生長(zhǎng)所制造的產(chǎn)品相比，亮度提高了約20％。使用這種半導(dǎo)體層制造的圖3B所示的半導(dǎo)體激光器也具有改善了的結(jié)晶性和性能。
(實(shí)施例4)在實(shí)施例4中，與實(shí)施例1不同，在GaAs緩沖層12與形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光部分13的AlGaInP層之間設(shè)置DBR層(反光層)。DBR層將來(lái)自發(fā)光部分13的部分光反射到襯底，將該光引導(dǎo)向與襯底對(duì)置的光輸出表面，以便提高光的輸出效率。在與AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃相同的襯底溫度，交替進(jìn)行AlAs層和AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，重復(fù)20次，可以形成主DBR層。
圖7是實(shí)施例4的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法中，在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度和材料氣體引入的關(guān)系圖形。
參見(jiàn)圖7，首先，在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2上放置GaAs襯底11。將反應(yīng)室1的氣氛降低到要求的壓力。然后，向反應(yīng)室1引入AsH3作為V族材料氣體。接著，在GaAs襯底11的襯底溫度升高到GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)溫度670℃的工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)時(shí)的點(diǎn)，將TMG引入反應(yīng)室1作為III族材料氣體，形成第一過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著GaAs緩沖層12的繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，GaAs襯底11的襯底溫度提高到670℃。襯底溫度保持在形成主GaAs緩沖層的670℃。
在GaAs襯底11的襯底溫度升高到DBR層的生長(zhǎng)溫度730℃的工序期間，繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)而不停止向反應(yīng)室1提供TMG。進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)，形成第二過(guò)渡GaAs緩沖層。GaAs緩沖層12包括第一過(guò)渡GaAs緩沖層、主GaAs緩沖層和第二過(guò)渡GaAs緩沖層。
接著，在DBR層的生長(zhǎng)溫度730℃，提供TMA作為III族材料氣體，生長(zhǎng)具有預(yù)定厚度的AlAs層，提供TMA和TMG生長(zhǎng)具有預(yù)定厚度的AlGaAs層。通過(guò)交替重復(fù)這種工序，形成主DBR層。在GaAs襯底11的襯底溫度暫時(shí)降低到630℃期間，該溫度低于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃，不停止提供用于DBR層的V族材料氣體AsH3、III族材料氣體TMG和TMA，繼續(xù)AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，將其形成過(guò)渡DBR層。
接著，在低于AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度的襯底溫度630℃，將用于DBR層的V族材料氣體AsH3轉(zhuǎn)換為用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的V族材料氣體PH3。停止提供用于DBR層的III族材料氣體TMG和TMA。GaAs襯底11的襯底溫度提高到用于AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。在升溫工序期間，在從AsH3轉(zhuǎn)換為PH3之后的5秒，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG、TMA和TMI，用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層。隨著AlGaInP層的生長(zhǎng)，溫度提高到AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。GaAs襯底11的襯底溫度保持在730℃，進(jìn)行形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到其具有預(yù)定的厚度。
在實(shí)施例4中，正如圖7中左側(cè)的◎所示，在形成主GaAs緩沖層之前的升溫工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)的點(diǎn)，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG，生長(zhǎng)GaAs緩沖層12。連續(xù)生長(zhǎng)GaAs緩沖層12，直到溫度達(dá)到GaAs緩沖層12的生長(zhǎng)溫度670℃。
此外，在實(shí)施例4中，正如圖7中央的◎所示，在主GaAs緩沖層與DBR層的生長(zhǎng)之間的升溫工序期間，不停止提供用于GaAs緩沖層的III族材料氣體TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到DBR層的生長(zhǎng)溫度730℃。
并且，在實(shí)施例4中，正如圖7右側(cè)的◎所示，在主DBR層與發(fā)光部分13之間的轉(zhuǎn)換材料氣體的降溫工序期間，不停止提供用于生長(zhǎng)AlGaAs層從而形成主DBR層的最終層的III族材料氣體TMG和TMA，繼續(xù)AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到襯底溫度630℃。
如上所述，作為準(zhǔn)備在升溫工序和降溫工序提供的材料氣體，使用與在先已經(jīng)提供的一種氣體相同的氣體。因此，可以避免材料氣體轉(zhuǎn)換的不方便以及因氣體的轉(zhuǎn)換而在界面產(chǎn)生的不規(guī)則結(jié)晶。
為了生長(zhǎng)DBR層，需要在AlAs層與AlGaAs層之間轉(zhuǎn)換材料氣體。通常，當(dāng)轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，結(jié)晶生長(zhǎng)被中斷，以便有時(shí)間從反應(yīng)室1排空材料氣體。在實(shí)施例4中，為了在生長(zhǎng)中斷期間防止再次蒸發(fā)的元素的附著，不中斷結(jié)晶生長(zhǎng)。如果在反應(yīng)室1中的材料氣體的流動(dòng)無(wú)擾動(dòng)，并且平穩(wěn)地排出材料氣體，則不必中斷結(jié)晶生長(zhǎng)。
當(dāng)中斷生長(zhǎng)以便轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，使生長(zhǎng)中斷時(shí)間較短，以使其對(duì)結(jié)晶性的影響相應(yīng)地較小。因此，最好將生長(zhǎng)中斷時(shí)間設(shè)定為10秒以?xún)?nèi)。
在實(shí)施例4中，為了在DBR層與發(fā)光部分13之間轉(zhuǎn)換材料氣體，在升溫工序期間的生長(zhǎng)中斷時(shí)間應(yīng)盡可能地短至5秒。因此，后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光部分13的結(jié)晶性得以改善。
使用在實(shí)施例4形成的III-V族半導(dǎo)體層，制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，并評(píng)價(jià)其性能。結(jié)果表明，與在降溫工序期間不提供III族材料氣體、因而無(wú)結(jié)晶生長(zhǎng)的所制造的產(chǎn)品相比，亮度提高了約25％。使用這種半導(dǎo)體層制造的圖3B所示的半導(dǎo)體激光器也具有改善了的結(jié)晶性和性能。
(實(shí)施例5)在實(shí)施例5中，與實(shí)施例2和3不同，在第二GaAs緩沖層12b與形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光部分13的AlGaInP層之間設(shè)置DBR層(反光層)。DBR層將來(lái)自發(fā)光部分13的部分光反射到襯底，將該光引導(dǎo)向與襯底對(duì)置的光輸出表面，以便提高光的輸出效率。在與AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃相同的襯底溫度，交替進(jìn)行AlAs層和AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，重復(fù)20次，可以形成主DBR層。
圖8是實(shí)施例5的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法中，在整個(gè)生長(zhǎng)期間襯底溫度和材料氣體引入的關(guān)系圖形。
參見(jiàn)圖8，首先，在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2上放置GaAs襯底11。將反應(yīng)室1的氣氛降低到要求的壓力。然后，向反應(yīng)室1引入AsH3作為V族材料氣體。接著，在GaAs襯底11的襯底溫度升高到第一GaAs緩沖層12a的生長(zhǎng)溫度780℃的工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)時(shí)的點(diǎn)，將TMG引入反應(yīng)室1作為III族材料氣體，形成第一過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著GaAs緩沖層12的繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，GaAs襯底11的襯底溫度提高到780℃。襯底溫度保持在形成第一主緩沖層的780℃。
在GaAs襯底11的襯底溫度降低到第二GaAs緩沖層12b的生長(zhǎng)溫度630℃期間，不停止向反應(yīng)室1提供TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)，形成第二過(guò)渡GaAs緩沖層。隨著繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)而不中斷，GaAs襯底11的襯底溫度降低到630℃。襯底溫度保持在630℃，形成第二主GaAs緩沖層。
在GaAs襯底11的襯底溫度升高到DBR層的生長(zhǎng)溫度730℃的工序中，繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，而不停止向反應(yīng)室1提供TMG，形成第三過(guò)渡GaAs緩沖層。進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。GaAs緩沖層12包括第一過(guò)渡GaAs緩沖層、第一主GaAs緩沖層、第二過(guò)渡GaAs緩沖層、第二主GaAs緩沖層和第三過(guò)渡GaAs緩沖層。
接著，在DBR層的生長(zhǎng)溫度730℃，提供TMA作為III族材料氣體，生長(zhǎng)具有預(yù)定厚度的AlAs層，提供TMA和TMG，生長(zhǎng)具有預(yù)定厚度的AlGaAs層。通過(guò)交替重復(fù)此工序，形成主DBR層。在GaAs襯底11的襯底溫度暫時(shí)降低到比形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃要低的630℃的工序期間，不停止提供用于DBR層的V族材料氣體AsH3、III族材料氣體TMG和TMA，繼續(xù)作為過(guò)渡DBR層的AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)。
接著，在低于AlGaInP層的生長(zhǎng)溫度730℃的襯底溫度630℃，將用于DBR層的V族材料氣體AsH3轉(zhuǎn)換為用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的V族材料氣體PH3。停止提供用于DBR層的III族材料氣體TMG和TMA。GaAs襯底11的襯底溫度提高到用于AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。在升溫工序期間，在從AsH3轉(zhuǎn)換為PH3之后的1秒，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG、TMA和TMI，用于形成發(fā)光部分13的AlGaInP層。隨著AlGaInP層的繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)，溫度提高到AlGaInP層的優(yōu)選生長(zhǎng)溫度730℃。GaAs襯底11的襯底溫度保持在730℃，進(jìn)行形成發(fā)光部分13的AlGaInP層的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到其具有形成AlGaInP層的預(yù)定厚度。
在實(shí)施例5中，正如圖8中最左側(cè)的◎所示，在形成第一主GaAs緩沖層之前的升溫工序期間，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)的點(diǎn)，開(kāi)始提供III族材料氣體TMG，影響GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)生長(zhǎng)第一主GaAs緩沖層，直到溫度達(dá)到第一主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度780℃。
此外，在實(shí)施例5中，正如圖8中左的◎所示，在第一主GaAs緩沖層與第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)之間的降溫工序期間，不停止提供III族材料氣體TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到第二主GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度630℃。
此外，在實(shí)施例5中，正如圖8中右的◎所示，在第二主GaAs緩沖層與DBR層的生長(zhǎng)之間的升溫工序期間，不停止提供用于GaAs緩沖層的III族材料氣體TMG，繼續(xù)GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)。連續(xù)進(jìn)行GaAs緩沖層12的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到DBR層12b的生長(zhǎng)溫度730℃。
并且，在實(shí)施例5中，正如圖8最右側(cè)的◎所示，在主DBR層與發(fā)光部分13之間的轉(zhuǎn)換材料氣體的降溫工序期間，不停止提供用于生長(zhǎng)AlGaAs層從而形成主DBR層的最終層的III族材料氣體TMG和TMA，繼續(xù)AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，形成過(guò)渡DBR層。連續(xù)進(jìn)行AlGaAs層的結(jié)晶生長(zhǎng)，直到溫度達(dá)到襯底溫度630℃。
如上所述，作為準(zhǔn)備在升溫工序和降溫工序提供的材料氣體，使用與在先已經(jīng)提供的一種氣體相同的氣體。因此，可以避免材料氣體轉(zhuǎn)換的不方便以及因氣體的轉(zhuǎn)換而在界面產(chǎn)生的不規(guī)則結(jié)晶。
為了生長(zhǎng)DBR層，需要在AlAs層與AlGaAs層之間轉(zhuǎn)換材料氣體。通常，當(dāng)轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，生長(zhǎng)被中斷，以便有時(shí)間從反應(yīng)室1排空材料氣體。在實(shí)施例5中，為了在生長(zhǎng)中斷期間防止再次蒸發(fā)的元素的附著，不中斷結(jié)晶生長(zhǎng)。如果在反應(yīng)室1中的材料氣體的流動(dòng)無(wú)擾動(dòng)，并且平穩(wěn)地排出材料氣體，則不必中斷結(jié)晶生長(zhǎng)。
當(dāng)中斷生長(zhǎng)以便轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，使生長(zhǎng)中斷時(shí)間較短，以使其對(duì)結(jié)晶性的影響相應(yīng)地較小。因此，最好將生長(zhǎng)中斷時(shí)間設(shè)定為10秒以?xún)?nèi)。
在實(shí)施例5中，為了在DBR層與發(fā)光部分13之間轉(zhuǎn)換材料氣體，在升溫工序期間的生長(zhǎng)中斷時(shí)間應(yīng)盡可能地短至1秒。因此，后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光部分13的結(jié)晶性得以改善。
使用在實(shí)施例5形成的III-V族半導(dǎo)體層，制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，并評(píng)價(jià)其性能。結(jié)果表明，與在降溫工序期間不提供III族材料氣體、因而無(wú)結(jié)晶生長(zhǎng)的所制造的產(chǎn)品相比，亮度提高了約25％。使用這種半導(dǎo)體層制造的圖3B所示的半導(dǎo)體激光器也具有改善了的結(jié)晶性和性能。
如上所述，為了采用向反應(yīng)室1提供的材料氣體來(lái)生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，當(dāng)在后續(xù)工序加熱襯底時(shí)，附著在襯底上的反應(yīng)產(chǎn)物被再次蒸發(fā)并且混入材料氣體，從而導(dǎo)致對(duì)結(jié)晶性的不利影響。再次蒸發(fā)量隨著生長(zhǎng)溫度的提高而增加。另一方面，如果生長(zhǎng)溫度過(guò)低，則因遷移不充分而產(chǎn)生結(jié)晶缺陷。在優(yōu)選溫度(例如630℃)，結(jié)晶缺陷的數(shù)量可以最少。因此，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1到5的預(yù)定襯底溫度的ITI-V族化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶生長(zhǎng)中，在開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)之前的升溫工序和/或?yàn)檗D(zhuǎn)換成分而中斷生長(zhǎng)的工序期間，當(dāng)襯底溫度是優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，向反應(yīng)室1提供III族材料氣體，繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng)。因此，可以抑制因附著在反應(yīng)室1中的襯底保持部件2周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)，而導(dǎo)致的III-V族化合物半導(dǎo)體層結(jié)晶性的劣化。
正如從上述說(shuō)明可見(jiàn)的，根據(jù)本發(fā)明，在預(yù)定襯底溫度的III-V族化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶生長(zhǎng)中，當(dāng)襯底溫度是優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，采用向反應(yīng)室提供的III族材料氣體繼續(xù)生長(zhǎng)而不中斷。因此，可以防止從襯底保持部件周?chē)街姆磻?yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)的元素例如砷、銦等積累在襯底表面和生長(zhǎng)界面上并混入其中。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，根據(jù)本發(fā)明，在生長(zhǎng)半導(dǎo)體層之前的升溫工序期間，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，開(kāi)始向反應(yīng)室提供III族材料氣體。因此，可以防止在生長(zhǎng)的初始階段從襯底保持部件周?chē)街姆磻?yīng)產(chǎn)物再次蒸發(fā)的元素例如砷、銦等積累在襯底表面和生長(zhǎng)界面上并混入其中。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，根據(jù)本發(fā)明，在不同的生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間的升溫工序或降溫工序期間，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，在不同的生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間繼續(xù)生長(zhǎng)而不中斷。因此，銦、砷等不積累在生長(zhǎng)層之間的界面上，不形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，根據(jù)本發(fā)明，為了在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs緩沖層，在溫度升高到GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度的工序期間，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度(例如630℃)以上時(shí)，開(kāi)始向反應(yīng)室提供III族材料氣體。因此，可以防止在生長(zhǎng)的初始階段從襯底保持部件周?chē)街姆磻?yīng)產(chǎn)物再次蒸發(fā)的元素例如砷、銦等積累在襯底表面和生長(zhǎng)界面上并混入其中。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
此外，作為在溫度升高到首先生長(zhǎng)的GaAs緩沖層的生長(zhǎng)溫度的工序中，向反應(yīng)室提供的III族材料氣體，使用與GaAs緩沖層的生長(zhǎng)所用的III族材料氣體相同的氣體。因此，消除了轉(zhuǎn)換材料氣體的不方便。而且，可以防止因材料氣體的轉(zhuǎn)換而在界面產(chǎn)生的結(jié)晶紊亂。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，根據(jù)本發(fā)明，為了在GaAs襯底上生長(zhǎng)具有不同的生長(zhǎng)溫度的兩種GaAs緩沖層，在不同生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間的升溫工序或降溫工序期間，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，在不同生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)之間連續(xù)生長(zhǎng)而不中斷。因此，銦、砷等不積累在生長(zhǎng)層之間的界面上，不形成高密度的缺陷。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，作為在升溫工序或降溫工序向反應(yīng)室提供的III族材料氣體，使用與GaAs緩沖層的生長(zhǎng)所用的III族材料氣體相同的氣體。因此，消除了轉(zhuǎn)換材料氣體的不方便。而且，可以防止因材料氣體的轉(zhuǎn)換而在界面產(chǎn)生的結(jié)晶紊亂。因此，可以獲得質(zhì)量良好的結(jié)晶。
而且，將用于GaAs緩沖層至少之一的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為高于在GaAs緩沖層上要生長(zhǎng)的III-V族化合物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)溫度。因此，可以在GaAs緩沖層的生長(zhǎng)期間，蒸發(fā)附著在襯底保持部件等上的氧。在此情形，由于生長(zhǎng)溫度高，所以附著在襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)量變大。如果在這種再次蒸發(fā)之前或之后中斷生長(zhǎng)，則對(duì)結(jié)晶性的不利影響變得顯著。因此，在高溫生長(zhǎng)至少一種GaAs緩沖層的情形，優(yōu)選在繼續(xù)生長(zhǎng)之前和之后進(jìn)行升溫工序或降溫工序中，向反應(yīng)室提供III族材料氣體。
而且，為了改變生長(zhǎng)層的成分而轉(zhuǎn)換材料氣體時(shí)，可以暫時(shí)停止提供III族材料氣體中斷生長(zhǎng)。在此情形，優(yōu)選將中斷設(shè)定為10秒以?xún)?nèi)?？梢圆恢袛喟雽?dǎo)體層的生長(zhǎng)。但是，在必須提供生長(zhǎng)中斷的情形，通過(guò)將時(shí)間設(shè)定為10秒以?xún)?nèi)，可以使銦、砷等在在生長(zhǎng)中斷期間在生長(zhǎng)界面的積累抑制在最小程度。
當(dāng)III-V族化合物半導(dǎo)體包含(AlxGa1-x)yIn1-yP層((0≤x≤1，0≤y＜1))時(shí)，本發(fā)明特別有效。通常，為了生長(zhǎng)AlGaInP族半導(dǎo)體層，在GaAs襯底上設(shè)置GaAs緩沖層，然后在其上生長(zhǎng)AlGaInP層。這樣，砷和銦包含在反應(yīng)產(chǎn)物中。因此，通過(guò)使用本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，可以改善結(jié)晶質(zhì)量而且，在使用金屬有機(jī)汽相淀積作為制造方法的情形，由于要提供的材料的是氣體，所以本發(fā)明的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法是有效的，可以改善結(jié)晶質(zhì)量。
附著在襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物量越多，本發(fā)明就越有效。具體地，為了制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在每個(gè)工序生長(zhǎng)的層的厚度比制造其它類(lèi)型半導(dǎo)體發(fā)光元件例如半導(dǎo)體激光器的更厚。于是，附著在襯底保持部件周?chē)姆磻?yīng)產(chǎn)物的量就更多。因此，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造時(shí)，本發(fā)明就特別有效，并且實(shí)現(xiàn)更大的效果，例如通過(guò)改善結(jié)晶質(zhì)量而使亮度提高。
在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下，各種其它的改變對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的并且易于做出。因此，不應(yīng)將權(quán)利要求書(shū)的范圍局限于在此給出的說(shuō)明，而應(yīng)對(duì)權(quán)利要求書(shū)做廣泛地的解釋。
權(quán)利要求
1.一種III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，包括以下工序在反應(yīng)室中的襯底上形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層；在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層形成工序之前或之后，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，通過(guò)提供III族材料氣體形成第一過(guò)渡III-V族化合物半導(dǎo)體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第一襯底溫度形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)提供III族材料氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，優(yōu)選的溫度是結(jié)晶缺陷最少的襯底溫度，結(jié)晶缺陷包括因反應(yīng)室中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物的再次蒸發(fā)而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷以及因遷移不充分而導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的形成工序完成之前，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，提供III族材料氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，在第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的形成工序之前，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上同時(shí)襯底溫度提高到第一襯底溫度時(shí)，提供III族材料氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，當(dāng)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上同時(shí)襯底溫度提高到第一襯底溫度時(shí)，一起提供V族材料氣體與III族材料氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，還包括在反應(yīng)室中在第二襯底溫度下形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序，其中提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，提供III族材料氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，一起提供V族材料氣體與III族材料氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，第一III-V族化合物半導(dǎo)體層包括銦和砷中的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求5的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，襯底是GaAs襯底；形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第一襯底溫度下在GaAs襯底上形成GaAs緩沖層；提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度提高到第一襯底溫度，同時(shí)襯底溫度達(dá)到優(yōu)選溫度以上時(shí)，提供III族材料氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，提供在形成GaAs緩沖層的工序中所使用的III族材料氣體作為III族材料氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，襯底是GaAs襯底；形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層工序包括，在第一襯底溫度下在GaAs襯底上形成第一GaAs緩沖層；形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在第二襯底溫度下形成第二GaAs緩沖層；提供III族材料氣體的工序包括，在襯底溫度從第一襯底溫度改變到第二襯底溫度的同時(shí)，提供III族材料氣體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，提供III族材料氣體的工序包括，提供在形成第一GaAs緩沖層的工序和形成第二GaAs緩沖層的工序中至少之一所使用的III族材料氣體作為III族材料氣體。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，還包括，在高于第一襯底溫度和第二溫度中的至少之一的襯底溫度下，在反應(yīng)室中形成第三III-V族化合物半導(dǎo)體層。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，在停止提供III族材料氣體10秒以?xún)?nèi)之后，使用III族材料氣體形成第二III-V族化合物半導(dǎo)體層。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，還包括，在GaAs緩沖層上形成(AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x＜1，0≤y＜1)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，形成GaAs緩沖層的工序包括，在第一襯底溫度下使用第一V族材料氣體形成GaAs緩沖層；形成(AlxGa1-x)yIn1-yP層(0≤x≤1，0≤y＜1)的工序包括，在第二襯底溫度下使用第二V族材料氣體形成(AlxGa1-x)yIn1-xP層(0≤x≤1，0≤y＜1)，還包括在襯底溫度低于第二襯底溫度時(shí)，將第一V族材料氣體轉(zhuǎn)換為第二V族材料氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括，采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積形成第一III-V族化合物半導(dǎo)體層。
21.根據(jù)權(quán)利要求4的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，優(yōu)選溫度是600℃。
22.根據(jù)權(quán)利要求4的III-V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，其中，優(yōu)選溫度是630℃。
23.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，包括以下工序制造III-V族化合物半導(dǎo)體層；使用III-V族化合物半導(dǎo)體層形成半導(dǎo)體發(fā)光元件；其中制造III-V族化合物半導(dǎo)體層的工序包括在反應(yīng)室中在襯底上形成III-V族化合物半導(dǎo)體層；在III-V族化合物半導(dǎo)體層形成工序之前或之后，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的I半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其中，形成半導(dǎo)體發(fā)光元件的工序包括，形成半導(dǎo)體發(fā)光二極管或者半導(dǎo)體激光器。
25.一種汽相生長(zhǎng)設(shè)備，包括反應(yīng)室和材料氣體提供區(qū)，材料氣體提供區(qū)用于向反應(yīng)室提供氣體，以便在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置的襯底上形成III-V族化合物半導(dǎo)體層，其中，在III-V族化合物半導(dǎo)體層形成之前或之后，材料氣體提供區(qū)向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的汽相生長(zhǎng)設(shè)備，還包括用于加熱襯底的襯底加熱區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化合物半導(dǎo)體層和發(fā)光元件的制造方法及汽相生長(zhǎng)設(shè)備。III－V族化合物半導(dǎo)體層的制造方法，包括以下工序在反應(yīng)室中的襯底上形成第一III－V族化合物半導(dǎo)體層；在第一III－V族化合物半導(dǎo)體層形成工序之前或之后，向反應(yīng)室提供III族材料氣體，防止反應(yīng)室內(nèi)的III族氣體的再次蒸發(fā)。
文檔編號(hào)C30B29/40GK1531022SQ20041000299
公開(kāi)日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2004年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月8日
發(fā)明者中村淳一, 佐佐木和明, 和明 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社