專利名稱：在基片上形成的光子器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由在已知半導(dǎo)體光子器件中使用的材料組成的基片上形成的包括氧化鉬的半導(dǎo)體光子器件。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光子器件發(fā)射或吸收具有短波長(zhǎng)的光。
更加具體地，本發(fā)明涉及由在已知半導(dǎo)體光子器件中使用的材料組成的基片上形成的發(fā)射藍(lán)或紫外光的新的發(fā)光二極管。根據(jù)本發(fā)明的光子器件具有克服由諸如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)之類的已知半導(dǎo)體制成的器件帶來的問題的可能性。此外，本發(fā)明涉及由在已知半導(dǎo)體光子器件中使用的材料組成的基片上形成的光子器件，其發(fā)射具有比GaN發(fā)光二極管能夠發(fā)射的361nm更短的波長(zhǎng)的光。另外，本發(fā)明涉及由在已知半導(dǎo)體光吸收器件中使用的材料組成的基片上形成的光吸收器件，其吸收具有短于361nm的波長(zhǎng)的光，并且轉(zhuǎn)換成電能。
本發(fā)明還涉及用于在由已在通常的電子和光子器件中使用的材料組成的基片上制造所述光子器件的新的方法。
背景技術(shù)：
近來已開發(fā)了發(fā)射藍(lán)光的發(fā)光二極管，以便實(shí)現(xiàn)光的三個(gè)基色，并且獲得具有用于數(shù)字視頻盤(DVD)的較短波長(zhǎng)的光。開發(fā)的藍(lán)光發(fā)射器件使用氮化鎵(GaN)作為對(duì)于發(fā)光非常重要的作用區(qū)。GaN的能帶隙大約為3.43eV，這對(duì)應(yīng)于361nm的波長(zhǎng)。盡管從GaN器件能夠獲得藍(lán)光，但是存在一些難題。首先，GaN的塊晶尚未獲得，因?yàn)榈钠胶庹羝麎合鄬?duì)于鎵的平衡蒸汽壓非常高。因此，使用由藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)組成的基片。在藍(lán)寶石基片上不能直接形成GaN，因?yàn)樵谒{(lán)寶石和GaN之間存在16％的晶格失配。因此在生長(zhǎng)GaN之前，在藍(lán)寶石基片上形成氮化鋁(AlN)的緩沖層。AlN是電阻性的，因?yàn)殡y以將雜質(zhì)摻入到AlN中。因此，結(jié)構(gòu)及其制造過程嚴(yán)重受限。另一方面，SiC基片非常昂貴，因?yàn)镾iC的塊晶要在2200-2400℃的非常高的溫度下生長(zhǎng)。
氧化鋅(ZnO)具有用于形成藍(lán)光發(fā)射器件的可能性。然而，它的能帶隙為3.2eV，其對(duì)應(yīng)于387nm的光波長(zhǎng)，這大于GaN器件發(fā)射的光波長(zhǎng)。此外，ZnO具有許多要解決的問題以實(shí)現(xiàn)實(shí)用的器件。
半導(dǎo)體光子器件目前能夠發(fā)射的光的最短波長(zhǎng)是GaN器件能夠發(fā)射的光波長(zhǎng)。DVD存儲(chǔ)器的最大密度由波長(zhǎng)決定。因此，能夠發(fā)射具有較短波長(zhǎng)的光的新的光子器件是所希望的，以便增加DVD存儲(chǔ)器的最大密度或替換諸如He-Cd激光器之類的氣體激光器。另外，由新的材料制成的新的藍(lán)光發(fā)射器件是所希望的，因?yàn)槟壳暗乃{(lán)光發(fā)射器件具有如上所述的許多問題。此外，能夠發(fā)射具有短于GaN器件能夠發(fā)射的361nm的波長(zhǎng)或例如250-350nm的深紫外線的較短波長(zhǎng)的光的新器件是所希望的。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)新器件要解決的問題是獲得替換諸如藍(lán)寶石或SiC之類的昂貴基片的新基片。
第二個(gè)問題是實(shí)現(xiàn)能夠在形成GaN或SiC層的更低溫度下生長(zhǎng)的新半導(dǎo)體。在高溫下形成半導(dǎo)體層需要大量能量。另外，存在原子在層之間移動(dòng)、成分被干擾或者摻雜物在層之間的界面附近移動(dòng)的可能性。有必要在高于1000℃的溫度下形成GaN或SiC的層。
通過使用氧化鉬用于這樣的光子器件，能夠部分解決上述問題。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量氧化鉬晶體具有大于3.2eV的能帶隙，并且非常適用于在光子和電子器件中使用(美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/848,145和No.10/863,288)。
在上述專利申請(qǐng)中，描述了本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的事實(shí)和方法。它們被總結(jié)如下(i)高質(zhì)量氧化鉬晶體具有3.45～3.85eV的能帶隙。通過對(duì)具有大于10μm的厚度的氧化鉬層的實(shí)驗(yàn)獲得該結(jié)果，所述氧化鉬層通過在具有99.9995％的純度的氧氣中氧化具有99.99％的純度的鉬板生長(zhǎng)。例如，通過在550℃下氧化120分鐘形成的氧化鉬具有3.66eV的能帶隙。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)明的方法形成的氧化鉬具有大于以前報(bào)導(dǎo)的能帶隙的原因在于，它是具有大于以前報(bào)導(dǎo)的厚度的高質(zhì)量氧化鉬晶體。能帶隙受到層的結(jié)構(gòu)，亦即晶體或非晶體、層中的應(yīng)變以及純度的影響。(ii)可以證實(shí)，本發(fā)明人的方法形成的氧化鉬也是基于電子性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果的半導(dǎo)體。
然而，在上述專利申請(qǐng)中，通過氧化部分的金屬鉬板來形成氧化鉬晶體。因?yàn)殂f板不是晶體，所以不能使用諸如劈理之類的某些制造技術(shù)。進(jìn)而，當(dāng)通過氧化鉬板來形成時(shí)，精確控制氧化鉬層的厚度是困難的。
因此需要在新的基片上形成具有大于3.2eV的能帶隙的半導(dǎo)體晶體層，所述新的基片優(yōu)選地由在已知器件中使用的材料組成，并且優(yōu)選地是晶體。
因?yàn)檠趸f能夠在低于850℃的溫度下制造，所以通過在器件的主要部分中使用高質(zhì)量氧化鉬，能夠解決上述第二個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)由在基片上生長(zhǎng)的金屬氧化物組成的半導(dǎo)體光子器件及其制造方法。
金屬氧化物包含氧化鉬，其具有大于3.2eV的能帶隙，并且非常適用于制造光子器件。氧化鉬尤其適用于制造發(fā)射具有短于387nm的波長(zhǎng)的光的發(fā)光二極管或激光二極管。
本發(fā)明的重要方面在于，在由已在通常的光子和電子器件中傳統(tǒng)上使用的任何材料組成的基片上形成氧化鉬膜?？梢杂米鬟@樣的基片材料的最普遍的材料是硅。
本發(fā)明的另一個(gè)重要方面在于在基片上制造光子器件的新穎方法。根據(jù)這種新穎的方法，在基片上形成金屬氧化物的至少第一層，優(yōu)選地在基片上直接形成氧化鉬。本發(fā)明的新穎方法包括以下系列步驟。第一步，在生長(zhǎng)室中布置基片和源材料。典型的源材料是鉬板，并且典型的基片包含硅。第二步，在生長(zhǎng)室中形成溫度分布，以便源材料處的溫度高于基片處的溫度。第三步，在形成溫度分布之后，使氧氣流動(dòng)一段預(yù)定時(shí)間，這取決于形成特定器件所需的氧化鉬的厚度。
能夠通過使用包括和上述步驟類似的步驟的任何方法來形成光子器件中的(一個(gè)或多個(gè))氧化鉬層。在那些情況下，基片可以包括部分的器件。
任何適當(dāng)?shù)幕加上率霾牧辖M成，所述材料選擇來自諸如硅和鍺之類的IV單質(zhì)半導(dǎo)體、諸如砷化鎵和磷化鎵之類的III-V化合物半導(dǎo)體、諸如氧化鋅之類的II-IV化合物半導(dǎo)體、IV化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、金屬晶體或它們的衍生物或玻璃。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二極管的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的激光二極管的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例更加詳細(xì)地進(jìn)行參考。
圖1示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二極管1的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，基片2由硅組成。然而其他材料能夠用作基片。最好基片是導(dǎo)電的。層3由硅基片2上形成的氧化鉬組成。通過以下步驟形成層3。在這個(gè)例子中，鉬(Mo)板用作源，并且使用硅(Si)基片。首先，漂洗并干燥源和硅基片2。然后，將它們放置在生長(zhǎng)室中。下一步，加熱生長(zhǎng)室，以便在氮保護(hù)氣氛下，源區(qū)的溫度為650℃，并且基片區(qū)的溫度為550℃。在將源和基片2分別加熱到所述溫度之后，將高純度氧流入到生長(zhǎng)室中并且保持6個(gè)小時(shí)。層3的厚度為6μm。盡管并未有意摻雜層3，但是它為n型?？梢哉J(rèn)為氧空位充當(dāng)施主。在層3上形成緩沖層4，以便限制因?yàn)閷?具有不同于基片2的成分而引起的層3中的無序。例如，層4由通過在下述生長(zhǎng)條件下的和用于形成層3類似的方法形成的氧化鉬組成，所述生長(zhǎng)條件為源溫度為700℃，并且基片溫度為630℃。它是具有3×1017cm-3的載流子濃度的n型。
層4的厚度為4.0μm。在層4上形成氧化鉬層5。例如通過和用于形成層3的方法類似的方法形成層5，其中源溫度為670℃，并且基片溫度為600℃。它是具有6×1016cm-3的電子濃度的n型。層5的結(jié)晶質(zhì)量好于層4的結(jié)晶質(zhì)量。層5的厚度為3.0μm。當(dāng)不必使發(fā)光二極管1的效率盡可能高時(shí)，不必形成層5。在層5上形成p型氧化鉬層6。例如用鋅將層6摻雜到1.0×1017cm-3的空穴濃度。通過和用于形成層3的方法類似的方法形成層6，其中，源溫度為650℃，基片溫度為550℃，并且在源和基片之間的區(qū)域中放置摻雜物源ZnO。摻雜物源的溫度為630℃。層6的厚度為2.0μm。在層6上形成電極7。電極7具有環(huán)形的形狀(環(huán)狀)，以便不阻擋光的發(fā)射。盡管在這個(gè)實(shí)施例中電極由金制成，但是能夠使用其他金屬用于電極。電極7是發(fā)光二極管的上電極，并且通過金的真空蒸發(fā)在硅基片的底面上形成底電極8。通過仿真獲得的發(fā)光二極管1的特性如下。當(dāng)電流為20mA時(shí)前向通道的電壓為10V，當(dāng)電流為20mA時(shí)光功率為60μw，并且峰值波長(zhǎng)為330nm。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的激光二極管100。盡管在這個(gè)實(shí)施例中基片101是硅，但是能夠使用其他材料。
基片101最好是導(dǎo)電的。層102由通過以下步驟在硅基片101上形成的氧化鉬組成。制備鉬板作為源。首先，鉬板和硅基片被漂洗、干燥并放置到生長(zhǎng)室中。然后，加熱生長(zhǎng)室，以便在氮保護(hù)氣氛下，源的溫度為650℃，并且基片的溫度為550℃。在將源和基片分別加熱到它們的溫度之后，將高純度氧引入到生長(zhǎng)室中，并且保持氧流4個(gè)小時(shí)。層102的厚度為4.0μm。盡管并未有意摻雜，但是層102是n型。如對(duì)于第一實(shí)施例描述的那樣，可以認(rèn)為氧空位充當(dāng)了施主。
在層102上形成緩沖層103，以便限制層102中的無序。因?yàn)閷?02具有不同于基片101的成分，所以引入了無序。層103由通過和第一實(shí)施例中的用于形成層3的方法類似的方法形成的氧化鉬組成，其中，源的溫度為700℃，并且基片的溫度為630℃。層103是具有3×1017cm-3的載流子濃度的n型。層103的厚度為3.0μm。在層103上形成鉻鉬氧化物(Cr0.1Mo0.9O3)的層104。鉻鉬氧化物層104具有比氧化鉬更大的能帶隙，并且充當(dāng)覆層，其將載流子和光限制在激光二極管的活性層中。盡管并未有意摻雜層104，但是它是具有6×1016cm-3的載流子濃度的n型。它通過和第一實(shí)施例中的用于形成層3的方法類似的方法形成，其中，基片101的溫度為600℃，并且源、亦即鉬板的溫度為670℃。氧化鉻用作另一個(gè)源，并且它的溫度也為670℃。生長(zhǎng)時(shí)間為3個(gè)小時(shí)，并且層104的厚度為3.0μm。在層104上形成p型氧化鉬層105，作為激光二極管100的活性層。用鋅摻雜層105，并且空穴濃度為1×1017cm-3。通過和第一實(shí)施例中的用于形成層3的方法類似的方法形成層105，其中，在其上已形成了層102、103和104的基片101的溫度為550℃，并且鉬源的溫度為650℃。氧化鋅用作摻雜物源，并且被放置在源和基片之間，其中溫度為630℃。層105的厚度為0.5μm。在層105上形成鉻鉬氧化物(Cr0.1Mo0.9O3)的層106。層106具有比氧化鉬的活性層105更大的能帶隙，并且充當(dāng)激光二極管100的覆層。通過和第一實(shí)施例中的用于形成層3的方法類似的方法形成層106，其中，鉬和鉻源的溫度為670℃，并且在其上已形成了層102、103、104和105的基片101的溫度為570℃。氧化鋅用作摻雜物源，并且被放置在源和基片之間，其中溫度為650℃。層106是具有4.0×1017cm-3的空穴濃度的p型，并且具有3.0μm的厚度。在除了中央長(zhǎng)條區(qū)108之外的層106上形成二氧化硅層107。因?yàn)槎趸枋请娮栊缘?，所以電流被限制到只在長(zhǎng)條區(qū)108中流動(dòng)。二氧化硅層107例如通過濺射形成，并且具有100nm的厚度。在層107上并且在長(zhǎng)條區(qū)108中形成電極層109。盡管在實(shí)施例中通過金的真空沉積形成電極層109，但是能夠使用其他材料和其他沉積方法。層109是激光二極管100的上電極，而基片101充當(dāng)?shù)纂姌O，因?yàn)榛菍?dǎo)電的。在這個(gè)實(shí)施例中，長(zhǎng)條區(qū)108的寬度和長(zhǎng)度分別為20和500μm。圖2顯示了激光二極管100的一個(gè)邊緣面，并且另一個(gè)邊緣面平行于該邊緣面，與其相隔長(zhǎng)條108的長(zhǎng)度。一對(duì)平行的表面形成了激光二極管100的Fabry-Perot諧振器。激光二極管中的Fabry-Perot諧振器的功能在本領(lǐng)域中是眾所周知的。兩個(gè)邊緣面是半反射鏡(half mirror)，以便形成Fabry-Perot諧振器。在這個(gè)實(shí)施例中，通過劈(cleavage)形成邊緣面，因?yàn)榛?01是晶體硅。劈理在本領(lǐng)域中是眾所周知的。諸如活性離子蝕刻之類的其他方法能夠用于形成邊緣面。通過仿真顯示的激光二極管100的特性如下。在5μs/1kHz的脈沖振蕩下，閾電流密度和閾電壓分別為5.05kA/cm2和16.2V。峰值波長(zhǎng)為330nm。
圖2僅僅顯示了激光二極管的主要元素，并且能夠添加其他元素以改善激光二極管的特性。例如，在一個(gè)覆層106上形成低電阻p型層，以便改善電極的特性。
盡管在圖2顯示的實(shí)施例中，覆層104和106由鉻鉬氧化物(Cr0.1Mo0.9O3)組成，但是能夠使用具有其他組分的鉻鉬氧化物(CrxMo1-xO3，X＞0.1)或其他材料，只要它們具有比氧化鉬的能帶隙更大的能帶隙。
已參考發(fā)光二極管和激光二極管的實(shí)施例說明了本發(fā)明的細(xì)節(jié)。從高純度氧化鉬具有大能帶隙的事實(shí)中獲得的優(yōu)點(diǎn)，在基于本發(fā)明的原理的其他光子器件中是適用的。另外，能夠在由在已知半導(dǎo)體光子器件中使用的材料組成的基片上形成氧化鉬的事實(shí)，使得它們?cè)谄渌庾悠骷懈佑杏?。在本領(lǐng)域中很容易推導(dǎo)出本發(fā)明的這樣的應(yīng)用，并且它們都包括在本發(fā)明的范圍中。
例如，在諸如光電導(dǎo)器件、光電二極管、光電晶體管、CCD和太陽能電池之類的器件中使用氧化鉬。在這樣的器件的光吸收區(qū)中使用氧化鉬。特別地，因?yàn)樵诠庾悠骷惺褂糜稍谝阎雽?dǎo)體器件中使用的材料組成的基片上形成的氧化鉬，所以能夠使用光子器件的各種制造技術(shù)。因此，根據(jù)本發(fā)明，顯著擴(kuò)大了將氧化鉬應(yīng)用到光子器件的可能性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體光子器件，其具有在基片上形成的氧化鉬層，所述基片由從以下選擇的材料組成IV單質(zhì)半導(dǎo)體、III-V或II-IV化合物半導(dǎo)體、IV化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、金屬晶體或它們的衍生物或玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，所述光子器件是光電導(dǎo)器件、光電二極管、光電晶體管、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、太陽能電池或CCD。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，所述光子器件是發(fā)光二極管，其包含所述基片上的氧化鉬層、n型氧化鉬層以及p型氧化鉬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，氧化鉬緩沖層夾在所述基片上的所述氧化鉬層和所述n型氧化鉬層之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，所述光子器件是激光二極管，其包含具有比所述氧化鉬的能帶隙更大的能帶隙的在所述氧化鉬層上的n型半導(dǎo)體的第一覆層；在所述第一覆層上的p型氧化鉬的活性層；以及具有比所述氧化鉬的能帶隙更大的能帶隙的在所述活性層上的p型半導(dǎo)體的第二覆層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，氧化鉬緩沖層夾在所述基片上的所述氧化鉬層和所述第一覆層之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任何一個(gè)所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，所述基片包含硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一個(gè)所述的半導(dǎo)體光子器件，其中，所述第一和第二覆層中的每一個(gè)都包含鉻鉬氧化物層。
9.一種制造半導(dǎo)體光子器件的方法，所述方法包含以下步驟制備源金屬板和基片，所述基片由從以下選擇的材料組成IV單質(zhì)半導(dǎo)體、III-V或II-IV化合物半導(dǎo)體、IV化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、金屬晶體或它們的衍生物或玻璃；漂洗所述源和所述基片；將所述源和所述基片布置在生長(zhǎng)室中；在惰性氣體的氣氛中，將所述源加熱到500℃和850℃之間的溫度，并且將所述基片加熱到350℃和650℃之間的溫度；以及在將所述源和所述基片加熱到各自的溫度之后，將氧流入到所述生長(zhǎng)室中，并且在所述生長(zhǎng)室中保持條件達(dá)到生長(zhǎng)具有希望厚度的金屬氧化物層所需的一段預(yù)定時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)發(fā)射或吸收具有短波長(zhǎng)的光的光子器件，其通過使用基片上生長(zhǎng)的氧化鉬形成，所述基片由從以下選擇的材料組成單質(zhì)半導(dǎo)體、III－V或II－IV化合物半導(dǎo)體、IV化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、金屬晶體以及它們的衍生物或玻璃。實(shí)現(xiàn)了發(fā)射具有從藍(lán)到深紫外線的波長(zhǎng)的光的新的便宜的光子器件。
文檔編號(hào)H01L31/0256GK1828953SQ20061000508
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者河?xùn)|田隆 申請(qǐng)人:河?xùn)|田隆