專利名稱：確定化合物半導體層臨界薄膜厚度及制造半導體器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，以及一種采用上述確定方法來制造半導體器件的方法。
在一種非完全點陣匹配系統中，可以形成其厚度小于臨界薄膜厚度的層以及包含應變的器件。為了獲得為光學器件所需的發射波長，需要改變有源層的混合晶體比例和有源層的厚度。然而，為了改善基本性能，需要嚴格地約束載流子或光子，或者采用具有內部應變的薄膜來作為有源層或者與有源層相臨近的層，從而抑制缺陷和晶格位錯的擴散。
然而，通常需要采用電子顯微鏡來檢查晶格位錯，以便獲得臨界薄膜厚度。這樣的檢查工作需要耗費大量的人力，因此難于以優化方式來制造光學器件，并且不能獲得具有優良性能的半導體器件。
本發明的目的是提供一種用于確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，該方法在優化臨界薄膜厚度方面具有優良的性能，并提供一種采用上述方法的用于制造半導體器件的方法，該方法在優化光學半導體器件有源層的薄膜厚度方面具有優良的性能。
本發明提供了一種用于確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，以及一種采用上述確定方法來制造半導體器件的方法，以便實現上述目的。
本發明提供了一種用于確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，根據該方法，可以確定化合物半導體層的薄膜厚度與PL強度之間的關系，所述PL強度是通過測量與該薄膜厚度相對應的化合物半導體層的熒光(以下簡稱PL)而獲得的，PL強度達到峰值的薄膜厚度被定為臨界薄膜厚度。
上述半導體層由至少包含鎘的II—VI族化合物半導體層構成。當測量一種化合物半導體層的PL值時，所獲得的發射強度的最大峰值被稱之為PL強度，對于每一種鎘組分比例來說，求出其PL值被測量的化合物半導體層的薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的PL強度之間的關系，根據薄膜厚度與PL強度之間的上述關系，分別將PL強度達到峰值時的薄膜厚度定為相對于每一種鎘組分比例的臨界薄膜厚度。
對于每一種鎘組分比例，確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度，然后對一個用于估算與每一種鎘組分比例相對應的臨界薄膜厚度的方程進行計算，基于上述方程，確定具有所需鎘組分比例的化合物半導體層的臨界薄膜厚度。
當化合物半導體層由包括鋅、鎘、硒的N型導電II—VI族化合物半導體構成時，上述關系由下面的方程來表達Y＝150－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X40＜X≤35其中X表示鎘組分比例，Y表示臨界薄膜厚度。
當化合物半導體層由包括鋅、鎘、硒的P型導電II—VI族化合物半導體構成時，上述關系由下面的方程來表達
Y＝149－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X40＜X≤35其中X表示鎘組分比例，Y表示臨界薄膜厚度。
為了制造光學半導體器件，首先采用確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法來描述一個光學半導體器件的有源層的臨界薄膜厚度，然后通過在一層半導體基底上層迭包含一層有源層的II—VI族化合物半導體層來形成一個光學半導體器件，當形成上述有源層時，使得其厚度小于所述的臨界薄膜厚度。
在確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法中，利用化合物半導體層的薄膜厚度與PL強度之間的關系來確定臨界薄膜厚度，也就是說，將PL強度達到峰值時的薄膜厚度定為臨界薄膜厚度。PL強度隨著薄膜厚度的增大而增大，相應地在化合物半導體層中由穩定的應變狀態變為非穩定應變狀態，在后一狀態下會出現晶格失配位錯。此時，應變被釋放，從而導致了晶格失配位錯。該晶格失配位錯導致了非輻射性躍遷，從而使得PL強度迅速減小。上述現象被用于確定臨界薄膜厚度，亦即由于晶格失配位錯而使得應力保持狀態變為應變釋放狀態的那一化合物半導體層薄膜厚度被定為臨界薄膜厚度。
在確定臨界薄膜厚度的方法中，以鎘組分比例作為參數，確定出化合物半導體層的薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的PL強度之間的關系，將PL強度達到峰值時的薄膜厚度定為臨界薄膜厚度，化合物半導體層的臨界薄膜厚度是根據該化合物半導體層中鎘組分含量來確定的。
在確定臨界薄膜厚度的方法中，以鎘組分比例作為變量，求出一個關于臨界薄膜厚度與每一鎘組分比例之間對應關系的近似方程，采用該方程確定具有所需鎘組分比例的化合物半導體層的臨界薄膜厚度，該方程表示了化合物半導體層中鎘組分比例與通過測量熒光以試驗方式所確定的臨界薄膜厚度之間的關系。因此，根據化合物半導體層中的所需鎘組分比例，就能夠精確地確定具有該特定鎘組分比例的化合物半導體層的臨界薄膜厚度。
在本發明的方法中，根據下述方程所表示的關系來確定臨界薄膜厚度對于N型導電來說，Y＝150－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4對于P型導電來說，Y＝149－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4其中X表示鎘組分比例，Y表示臨界薄膜厚度，如果鎘組分比例是已知的，就可以通過計算來確定臨界薄膜厚度。該方程是用于含有鎘的化合物半導體層的方程，因此需要排除鎘組分比例X＝0的情況。當X＞35時，根據上述方程計算出的臨界薄膜厚度Y會顯著地偏離試驗數據，因此X的范圍應是0＜X≤35。
在用于制造半導體器件的方法中，采用上述確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法來確定光學半導體器件的有源層的臨界薄膜厚度，然后通過在一個半導體基片上層疊包含上述有源層的II—VI族化合物半導體層來形成一個光學半導體器件，在形成上述有源層時，使得其厚度小于上述臨界薄膜厚度。這樣，由于在有源層中不會出現晶格失配位錯，因此該器件就會在不出現非輻射躍遷的情況下從激發狀態躍遷到原始狀態并且發光。


圖1是曲線圖，用于說明根據本發明的一個實施例來確定臨界薄膜厚度的方法；圖2是一種鋅/硒半導體激光器件的結構示意圖；圖3是用于測量PL的光學半導體器件的結構示意圖；圖4是測量PL的流程圖；圖5是表述薄膜厚度與PL強度之間的關系的曲線圖；附圖6是表示鎘組分比例與臨界薄膜厚度之間的關系的曲線圖。
首先，對于其臨界薄膜厚度需要予以確定的化合物半導體層來說，測量與該化合物半導體層的每一種薄膜厚度相對應的熒光(以下簡稱PL)。測量與該化合物半導體層的薄膜厚度相對應的PL強度。
上述測量結果如圖1所示。圖1的曲線表示了確定臨界薄膜厚度的方法，其中的縱軸表示化合物半導體層的PL強度，橫軸表示化合物半導體層的薄膜厚度。
如圖1所示，其中的彎折曲線表示了通過觀察與薄膜厚度相對應的化合物半導體層的PL所獲得的化合物半導體層薄膜厚度與PL強度之間的關系。在一定的薄膜厚度范圍之內，PL強度隨著薄膜厚度的減小而減小，隨著薄膜厚度的增大而增大。在某一薄膜厚度上，PL強度達到其最大值，超過該峰值之后，PL強度隨著薄膜厚度的增大而迅速減小。根據這一現象，對于一種化合物半導體層來說，將其PL強度達到峰值Ip的薄膜厚度定為該化合物半導體層的臨界厚度hPL。
如上所述，確定臨界薄膜厚度hPL。
在如上所述的確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法中，利用化合物半導體層的PL強度隨著薄膜厚度變化的現象，將其PL強度達到峰值的薄膜厚度定為臨界薄膜厚度hPL。PL強度隨著薄膜厚度的增大而增大是由于化合物半導體層中載流子的增多而造成的。在某一薄膜厚度上，化合物半導體層中應變的松弛導致了晶格失配位錯。該晶格失配位錯導致了非輻射躍遷，從而也就導致了PL強度的降低。在本發明中，其應變條件由保持型變為松弛型、從而導致晶格失配位錯的薄膜厚度被定為該化合物半導體層的臨界薄膜厚度hPL。
作為一個例子，下面介紹確定鋅/硒半導體激光器件的有源層臨界薄膜厚度的方法，該激光器件是一種藍綠色光發射器件，可用作一種半導體器件，特別是一種光學半導體器件。這種半導體激光器件具有諸如圖2所示的結構。
更具體地說，這一層迭結構從下到上包括一層砷化鎵(GaAs)基底11，一層砷化鎵(GaAs)緩沖層12(薄膜厚度為0.3μM)，一層鋅硒(ZnSe)緩沖層13(薄膜厚度為20nm)，一層鋅鎂硫硒(ZnMgSSe)N—覆蓋層14(薄膜厚度為0.8μm)，一層鋅硫硒(ZnSSe)引導層15，一層鋅鎘硒(ZnCdSe)有源層16，一層鋅硫硒(ZnSSe)引導層17，一層鋅鎂硫硒(ZnMgSSe)P—覆蓋層18(薄膜厚度為0.8μM)，一層鋅硫硒(ZnSSe)P—覆蓋層19(薄膜厚度為0.8μM)，一層鋅硒—鋅碲超晶格接觸層20，以及一層鋅碲(ZnTe)頂層21(薄膜厚度為80nm)。
在本發明中，具體涉及的是ZnCdSe有源層以及接近該有源層的外延生長層。采用具有如圖3所示結構的光學半導體器件30對PL進行測量，所述結構是如圖2所示半導體器件的簡化結構。該光學半導體器件30具有下面所述的結構。
該層迭而成的器件如圖3所示由下至上包括一層(100)砷化鎵(GaAs)基底31、一層鋅硒(ZnSe)緩沖層32(薄膜厚度為20nm)、一層鋅硫硒(ZnSySe1－y)引導層33(薄膜厚度為1μM)、一層鋅鎘硒(Zn1－xCdxSe)有源層34(薄膜厚度在2.3—14.9nm的范圍之內)、以及一層鋅硫硒(ZnSySe1－y)引導層35(薄膜厚度為100nm)，其中每一層都通過分子束外延技術來形成。
通過摻氯(Cl)使上述每一層成為N型半導體，或者通過摻氮(N)使上述每一層成為P型半導體。
上述每一層的薄膜厚度僅僅是舉例性的，其實際厚度并不限于上述薄膜厚度。
對N型ZnCdSe層的臨界薄膜厚度以及P型ZnCdSe層的臨界薄膜厚度進行測量，其中N型層是通過對Zn1－xCdxSe有源層34進行摻氯(Cl)而獲得的；P型層是通過對Zn1－xCdxSe有源層34進行摻氮(N)而獲得的。在這種情況下，有源層中的鎘含量對于Zn1－xCdxSe層中的應變來說是起決定性作用的，因此應進行檢驗，對于N型層和P型層來說，鎘的含量范圍應分別為28.5—34.3％和26.5—31.5％。
下面將結合圖4說明測量PL的實例。
在第一個步驟S1中所進行的是“制備用于測量PL的樣品”。在該步驟中，將如圖3所示的結構切成適當的小塊(例如5mm×5mm)，用于制備樣品。將上述樣品放在惰性氣體中，以便保持其清潔。
在室溫或者低溫空氣中測量樣品的PL，以便能夠精細地分辨和準確地識別頻譜峰值。當在低溫空氣中進行測量時，采用液氮或液氦低溫恒溫器。
在第二個步驟S2中所進行的是“樣品的放置”。在這一步驟中，將樣品置于上述低溫恒溫器中。
在第三個步驟S3中所進行的是“PL的測量”。在這一步驟中，將例如由氦—鎘(He—Cd)激光器發出的激光照射在樣品上，以便測量PL。換句話說，當有源層和覆蓋層中的載流子受到照射激光的激發而躍遷到基態時，將會發射出光，對上述光的頻譜進行測量。在上述測量中也可以采用氬(Ar)激光器、氦(He)—氖(Ne)激光器、以及染料激光器。
在第四個步驟S4中所進行的是“薄膜厚度的測量”。在這一步驟中，對覆蓋層的薄膜厚度進行測量，以便確定有源層的薄膜厚度。
在第五個步驟S5中所進行的是“采用標準光源進行PL測量和校正”。在這一步驟中，采用諸如氬(Ar)激光器之類的標準光源來測量PL。當采用標準光源時，根據PL的發射波長的頻譜，對前面所確定的發射波長的頻譜進行校正，校正時需要考慮的因素包括由砷化鎵(GaAs)基底和覆蓋層的晶格常數的差別所造成的晶格偏差、載流子濃度的差別、以及譜儀的效果等等，從而確定真實的PL強度。
在第六個步驟S6中所進行的是“確定薄膜厚度與PL強度之間的關系，并確定臨界薄膜厚度”。在這一步驟中，以有源層中鎘組分比例作為參數，確定有源層的薄膜厚度與真實PL強度之間的關系。當PL強度達到峰值時的薄膜厚度被定為臨界薄膜厚度。
所獲得的結果如圖5所示，它表明了薄膜厚度與PL強度之間的關系。
參見圖5，可以看出N型ZnCdSe層的臨界薄膜厚度大于P型ZnCdSe層的臨界薄膜厚度。
P型層臨界薄膜厚度較小的原因主要在于作為P型摻雜物的氮(N)被II—VI族化合物半導體層的晶格捕獲，P型化合物半導體層的活性降低，因此這種化合物半導體層較為容易產生應變。
如圖5所示，P型ZnCdSe層的臨界薄膜最度為4.5nm，N型ZnCdSe層的臨界薄膜厚度為5.5nm。
在上述Zn1－xCdxSe混合晶體系統中，應變的變化取決于鎘組分比例。
例如，臨界薄膜厚度隨著鎘組分比例的增大而減小，隨著鎘組分比例的減小而增大。
因此，需要確定與化合物半導體層中鎘組分比例相對應的臨界薄膜厚度。
首先，以化合物半導體層中的鎘含量作為參數來測量PL。測量與化合物半導體層的薄膜厚度相對應的化合物半導體層的PL，以化合物半導體層的薄膜厚度為橫座標，繪出所獲得的與該薄膜厚度相對應的最大峰值發射強度，亦即PL強度。隨后，根據薄膜厚度與PL強度之間的關系，求出PL強度達到峰值時的薄膜厚度。然后再求出鎘組分比例與按照上述方式所確定的臨界薄膜厚度之間的關系。所獲得的結果如圖6所示。
在圖6中，縱軸表示臨界薄膜厚度，橫軸表示鎘組分比例。
根據圖6所示的化合物半導體層的臨界薄膜厚度與鎘含量之間的關系可以看出，臨界薄膜厚度隨著鎘含量的增大而減小。臨界薄膜厚度的減小是因為隨著鎘含量的增大，化合物半導體層中的應變將增大。由于臨界薄膜厚度如上面所述隨著鎘含量而變化，因此在表述有源層的臨界薄膜厚度時必須考慮該半導體層的鎘含量。有源層的薄膜厚度必須小于臨界薄膜厚度。如果有源層的薄膜厚度大于臨界薄膜厚度，就會降低該器件的基本性能，例如降低壽命、由于有源層中的應變松弛而降低可靠性、并導致晶格失配位錯。
經研究發現，對于相同的鎘含量來說，N型導電的臨界薄膜厚度和P型導電的臨界薄膜厚度是不同的。
根據所述的化合物半導體(ZnCdSe)層的臨界薄膜厚度與這一ZnCdSe層中的鎘含量之間的關系，可以得出與ZnCdSe層的鎘含量相對應的臨界薄膜厚度。鎘含量與ZnCdSe層中的應變成正比，因此根據鎘含量來確定ZnCdSe層的薄膜厚度。
如圖6所示的ZnCdSe層中的鎘含量與臨界薄膜厚度之間的關系可以用一個方程來近似地予以表達。
鎘組分比例用X來表示(其單位為％)，ZnCdSe層的臨界薄膜厚度用Y來表示(其單位為nm)。對N型導電的ZnCdSe層來說(如圖6中的實線所示)，上述關系可用下述方程(1)來表示。在這種情況下，N型導電是通過摻氯(Cl)來實現的。
Y＝150－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4(1)對于P型導電ZnCdSe層來說(如圖6中的虛線所示)，上述關系可用下述方程(2)來表示。在這種情況下，P型導電是通過摻氮(N)來實現的。
Y＝149－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4(2)按照上面所述的以鎘組分比例為變量所獲得的用于近似地表述與每一種鎘組分比例相對應的臨界薄膜厚度的方程(1)、(2)的方法，并根據上述方程，可以求出具有所需鎘組分比例的化合物半導體層的臨界薄膜厚度，上述方程近似地表述了通過測量熒光以試驗方式所確定的化合物半導體層中的鎘組分比例與臨界薄膜厚度之間的實際關系。因此，根據化合物半導體層中的所需鎘組分比例，就可以精確地確定具有該組分比例的化合物半導體層中的臨界薄膜厚度。
如上所述，采用用于N型導電的方程(1)和用于P型導電的方程(2)，在上述方程中，鎘組分比例用X來表示(單位為％)，臨界薄膜厚度用Y來表示(單位為nm)，就能夠很容易地計算出對應于某一鎘組分比例的臨界薄膜厚度。上述方程(1)和(2)所針對的是含有鎘的化合物半導體層，因此就必須排除鎘組分比例X＝0的情況。在X＞35的范圍內，臨界薄膜厚度Y急劇增大，與試驗值之間的偏差增大。由于上述偏差，X的取值范圍應是0＜X≤35。
下面將結合圖3，對圖3中所示的光學半導體器件的制造方法進行說明，在圖3中采用的是包括一層由II—VI族化合物半導體層構成的有源層的經層迭而成的II—VI族化合物半導體層。
采用上述用于確定化合物半導體層臨界薄膜厚度的方法來確定用作光學半導體器件的有源層的II—VI族化合物半導體層的臨界薄膜厚度。
此后，采用分子束外延附生技術在砷化鎵(GaAs)基底上沉積II—VI族化合物半導體層，以便形成一個層迭結構。在形成ZnCdSe有源層16時，該有源層16的薄膜厚度不應超過其臨界薄膜厚度。
如上所述，形成一個光學半導體器件10。
在上述光學半導體器件10的制造方法中，采用確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法來確定一個光學半導體器件的ZnCdSe有源層的臨界薄膜厚度。此后，通過在砷化鎵(GaAs)基底11上層迭II—IV族化合物半導體層來形成一個光學半導體器件。此時，所形成的ZnCdSe層的薄膜厚度應小于所確定的臨界薄膜厚度。
這樣，該光學半導體器件的ZnCdSe層(有源層)中的應變將不會松弛，因此不會發生晶格失配位錯。在這樣的光學半導體器件10中，受激狀態不會在發生非輻射躍遷的情況下躍遷到基態，因此該器件將能發射出光。
如上所述，通過采用本發明的確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，PL強度隨著化合物半導體層的薄膜厚度而變化的現象被用于確定臨界薄膜厚度，亦即PL強度達到峰值時的薄膜厚度。因此，采用僅僅對PL進行測量的簡單方法，就能夠確定II—VI族化合物半導體層的臨界薄膜厚度，以前是不可能如此簡便地確定臨界薄膜厚度。這一方法使得人們能夠容易地設計一個半導體器件，尤其是光學半導體器件，同時也使得人們能夠設計一個半導體器件，尤其是光學半導體器件，同時也使得人們能夠設計具有優良發射性能的器件。
根據這樣一種方法，即以鎘組分比例作為參數來確定化合物半導體層的薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的PL強度之間的關系，將PL強度達到峰值時的薄膜厚度作為臨界薄膜厚度，就獲得了對應于一種鎘組分比例的臨界薄膜厚度。
根據這樣一種方法，即采用一個以鎘組分比例作為變量的方程來近似地表達與每一種鎘組分比例相對應的臨界薄膜厚度，并采用上述方程來確定與具有所需鎘組分比例的化合物半導體層相對應的臨界薄膜厚度，該方程近似地表述了通過試驗所得到的臨界薄膜厚度，因此對應于化合物半導體層的一種鎘組分比例，就能夠精確地確定具有該組分比例的該化合物半導體層的臨界薄膜厚度。
根據采用上述方程來確定臨界薄膜厚度的方法，對于N型導電化合物半導體層來說Y＝150－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4對于P型導電化合物半導體層來說Y＝149－21.6X＋1.24X2－3.18×10-2X3＋3.03×10-4X4其中X表示鎘組分比例，Y表示臨界薄膜厚度，這樣僅僅通過給定一個鎘組分比例，就能夠容易地計算出臨界薄膜厚度。
根據本發明的化合物半導體層的制造方法，采用確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法來確定一種光學半導體器件的有源層的臨界薄膜厚度，使得有源層的實際厚度小于所確定的臨界薄膜厚度，并按照設計來形成該光學半導體器件的有源層，因此光學半導體器件就能夠在不產生非輻射性躍遷的情況下由受激狀態躍遷到基態，從而發光。這種發光機制改善了半導體器件的光發射性能。
權利要求
1.一種確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度的方法，包括如下步驟通過測量與薄膜厚度相對應的一種化合物半導體層的熒光，得到該化合物半導體層的薄膜厚度與測得的熒光強度之間的關系；將在所述關系中所述熒光強度達到峰值時的所述薄膜厚度定為臨界薄膜厚度。
2.如權利要求1所述的確定化合物半導體層薄膜厚度的方法，其中所述化合物半導體層由至少包含鎘的II—VI族化合物半導體構成。
3.如權利要求2所述的確定化合物半導體層薄膜厚度的方法，進一步包括如下步驟對于所述鎘組分比例來說，分別確定所述化合物半導體層的薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的熒光強度之間的關系；將上述關系中熒光強度達到峰值時的薄膜厚度定為相對于每一種鎘組分比例的臨界薄膜厚度。
4.如權利要求3所述的確定化合物半導體層薄膜厚度的方法，進一步包括如下步驟通過測量各個不同鎘組分比例下的熒光強度，確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度；和確定出一個方程，該方程以鎘組分比例為變量，近似地表述了與每一種鎘組分比例相對應的臨界薄膜厚度。
5.一種用于制造半導體器件的方法，該半導體器件具有在一個半導體基底上形成的迭層，該迭層由至少包含鎘的II—VI族化合物半導體層構成，所述方法包括如下步驟確定薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的化合物半導體層的熒光之間的關系；和將上述關系中所述熒光達到峰值時的薄膜厚度定為臨界薄膜厚度，當通過在所述半導體基底上層迭II—VI族化合物半導體層來制造所述半導體器件時，使得所述化合物半導體層的厚度等于或小于所述臨界薄膜厚度。
6.如權利要求5所述的制造半導體器件的方法，其中所述半導體器件為光學半導體器件。
7.如權利要求6所述的制造半導體器件的方法，其中所述II—VI族化合物半導體層是一種半導體激光器件的有源層。
全文摘要
通過采用本發明方法可確定化合物半導體層的臨界薄膜厚度，并能夠制造一種具有最佳薄膜厚度的化合物半導體層的半導體器件，該半導體器件具有優良的發射性能。通過測量來確定化合物半導體層的薄膜厚度與對應于該薄膜厚度的熒光(PL)之間的關系，將PL達到峰值時的薄膜厚度定為臨界薄膜厚度。所述化合物半導體層由至少包括鎘的Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體層構成。
文檔編號C30B25/16GK1134606SQ9512153
公開日1996年10月30日 申請日期1995年11月14日 優先權日1994年11月14日
發明者玉村好司, 塚本弘范, 長井政春, 池田昌夫 申請人:索尼株式會社