[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法

有效

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• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN103187498A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳飛
• 申請（專利權(quán)）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/18;H01L33/32;H01L33/00;H01S5/343
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。

背景技術(shù)

近年來，由于在高亮度發(fā)光二極管和激光二極管等光電子器件上的廣泛應(yīng)用，以InGaN/GaN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為基的寬禁帶氮化物量子結(jié)構(gòu)的研究引起了人們的關(guān)注。目前的實驗和理論結(jié)果顯示III-V族氮化物通常生長成穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。研究也已發(fā)現(xiàn)纖鋅礦InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的光學特性受到由于自發(fā)極化和壓電極化所引起的強內(nèi)建電場的影響，該內(nèi)建電場的強度大約為幾個MV/cm的數(shù)量級。

而量子點材料其實質(zhì)為原子團簇，尺寸為納米量級，大小和激子波爾半徑或電子的德布羅意波長相比擬(＜100nm)。由于量子點中的載流子的能量狀態(tài)密度呈現(xiàn)出類似原子的分立“量化”能級結(jié)構(gòu)，且與之相關(guān)的量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)以及多體關(guān)聯(lián)和非線性光學效應(yīng)在量子點中表現(xiàn)特別明顯，因此量子點的研究備受重視。在器件應(yīng)用方面，量子點比量子阱、線更易達到光學激發(fā)所必需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，以其制備的量子點激光器具有低閾值電流密度、高調(diào)制速度和高特征溫度系數(shù)等優(yōu)良性能。此外在新量子器件方面量子點也有巨大的潛在應(yīng)用如超高速、高性能的單電子晶體管(SET)和可用于下一代光學計算機的光存儲器件等。目前的理論和實驗結(jié)果顯示氮化物量子點材料可以具有兩種晶體結(jié)構(gòu)：六方晶系的穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和立方晶系的亞穩(wěn)態(tài)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)行半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的氮化物量子結(jié)構(gòu)，多為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物量子阱。由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)材料的對稱性比較低，故纖鋅礦氮化物材料在內(nèi)部會產(chǎn)生自發(fā)極化和壓電極化，引起強內(nèi)建電場(強度大約為幾個MV/cm的數(shù)量級)，從而對基于纖鋅礦氮化物異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體器件的光學特性產(chǎn)生不利影響；二維量子阱結(jié)構(gòu)，僅在兩個方向上限制載流子的運動，故器件的量子效率還有可能進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括閃鋅礦氮化物量子點結(jié)構(gòu)，消除了極化效應(yīng)，提高了量子效率。

本發(fā)明的另一個目的在于提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法制備的工藝簡單通用，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，制備的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)發(fā)光效率較高。

根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；形成在所述襯底之上的緩沖層；形成在所述緩沖層之上的第一類型氮化物層；形成在所述第一類型氮化物層之上的量子點結(jié)構(gòu)，其中，所量子點結(jié)構(gòu)包括閃鋅礦In_xGa_(1-x)N量子點，其中，0≤x≤1；以及形成在所述量子點結(jié)構(gòu)之上的第二類型氮化物層。

根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點：

1、利用閃鋅礦氮化物取代纖鋅礦氮化物，由于閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)的強對稱性，閃鋅礦氮化物中并不存在自發(fā)極化場，而閃鋅礦氮化物晶格(001)方向的壓電極化場也可以忽略，從而消除了晶格失配而產(chǎn)生的極化場形成的內(nèi)建電場。

2、利用零維量子點取代傳統(tǒng)二維量子阱，可以在三個方向上限制電子的運動，量子點比量子阱、線更易達到光學激發(fā)所必需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，因此可以提高電子的利用率，增加器件的發(fā)光的效率。

3、量子點為球形，球形的量子點較其他形狀量子點的發(fā)光面積更大，更有利于提高發(fā)光效率。

根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括以下步驟：提供襯底；在所述襯底之上形成緩沖層；在所述緩沖層之上形成第一類型氮化物層；在所述第一類型氮化物層之上形成氮化物過渡層；在所述氮化物過渡層之上形成In_xGa_(1-x)N層，其中，0≤x≤1；在所述In_xGa_(1-x)N層之上形成氮化物覆蓋層；退火以使所述In_xGa_(1-x)N層形成閃鋅礦In_xGa_(1-x)N量子點層；以及在所述氮化物覆蓋層之上形成第二類型氮化物層。

根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法制備的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括閃鋅礦氮化物量子點結(jié)構(gòu)，消除了極化效應(yīng)，提高了量子效率，從而可以提高器件發(fā)光效率。

2、本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法采用了退火工藝，可以使得生長形成的量子點分布更加均勻，密度可達5×10¹⁴cm^-2。