專利名稱：一種具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料，特別是涉及一種具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料。
背景技術(shù)：
90年代以來，AlAs氧化層作為半導(dǎo)體器件中的重要組成部分，引起了人們的廣泛注意。AlAs氧化層作為電流限制環(huán)和低指數(shù)反射層應(yīng)用于垂直腔表面發(fā)射激光器中，可以極大地降低激光器的閾值電流，提高激光器的效率。另外，由于Al2O3優(yōu)良的電絕緣性，AlAs氧化層還可作為GaAs基器件的SOI襯底，電流導(dǎo)流層等，在GaAs基金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管等微電子器件方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。
現(xiàn)在國際上普遍應(yīng)用的AlAs氧化層的結(jié)構(gòu)如文獻1Vertical-cavitysurface-emitting lasers，Technology and applications，ed.J.Cheng and N.K.Dutta，Gordonand Breach Science Publishers 2000，pp.63-108所述，從下至上依次在GaAs襯底上外延GaAs緩沖層，AlAs氧化層，GaAs蓋帽層，如圖1所示。最后在GaAs蓋帽層上再生長所需的器件結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過光刻，腐蝕后露出AlAs氧化層，在350℃-550℃，適量的氮氣流通過一定溫度的去離子水的條件下將其部分或全部氧化。
但是這種結(jié)構(gòu)的AlAs氧化層存在一系列明顯的缺點1.氧化層氧化時受反應(yīng)和擴散兩種機制同時控制，在短的時間內(nèi)，氧化深度和氧化時間成正比，但是隨氧化時間增長，擴散機制逐漸占主導(dǎo)地位，氧化深度與氧化時間的平方根成正比，而對于一個器件工藝而言，以氧化深度與時間成線性關(guān)系來精確控制器件的尺寸更為理想；2.當(dāng)AlAs氧化層的厚度小于100nm時，氧化速率易受影響，這種由于材料厚度的偏差引起的氧化深度的偏離給器件工藝帶來了另外一種不穩(wěn)定性；3.此氧化層的熱穩(wěn)定性非常差，在350℃以上的條件熱退火時，經(jīng)常發(fā)生氧化層和其上的器件結(jié)構(gòu)部分起皮，剝落與破碎的現(xiàn)象，不適用于器件的制作工藝所需的高溫退火過程。
人們曾在生長AlAs氧化層時摻入2-10％的Ga來改善其熱穩(wěn)定性，但是，這樣又會大大地降低AlAs氧化層的氧化速率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料存在氧化速率、氧化深度易受影響，熱穩(wěn)定性差的缺點，從而提供一種氧化速率不易受影響、氧化深度與氧化時間成線形關(guān)系、熱穩(wěn)定性高的AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明的目的由如下的技術(shù)方案實現(xiàn)本發(fā)明提供一種具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，包括蓋帽層、AlAs氧化層、緩沖層和襯底，其特征在于所述AlAs氧化層為三明治結(jié)構(gòu)，包括采用公知的外延手段在常規(guī)半導(dǎo)體緩沖層上依次外延的InAlAs底層，AlAs中間層和InAlAs頂層；所述的InAlAs底層和InAlAs頂層是由In、Ga、Al、As組成的三元或四元化合物；所述的AlAs中間層是由In、Al、Ga、As組成的二元，三元或四元化合物。
所述的InAlAs底層和InAlAs頂層包括InxAl1-xAs、InxGa1-xAs、InaAlbGa1-a-bAs，其中0＜x＜0.25，0＜a＜0.25，0＜b＜1-a。
所述的InAlAs底層和InAlAs頂層的厚度為1～500nm。
所述的AlAs中間層包括AlAs、InxAl1-xAs、InaAlbGa1-a-bAs，其中0＜x＜0.05，0＜a＜0.05，0.85＜b＜1-a。
所述的AlAs中間層其厚度為2～1000nm。
本發(fā)明所提供的具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，如圖2所示，其AlAs氧化層結(jié)構(gòu)具有類似“三明治”的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)點在于1.這種結(jié)構(gòu)的AlAs氧化層與已知技術(shù)的氧化層不同，由圖11所示的已知技術(shù)氧化層的Raman譜可見，其氧化層內(nèi)含有大量的氧化產(chǎn)物As2O3，會抑制水汽擴散到氧化界面，進而抑制氧化的進行，使氧化深度與氧化時間關(guān)系逐漸脫離線性關(guān)系；而本發(fā)明的三明治氧化層的Raman譜，如圖12所示，可以看出沒有As2O3，所以氧化劑可以輕易地擴散到氧化界面與AlAs進行反應(yīng)，因此其氧化深度與氧化時間關(guān)系成相當(dāng)好的線性關(guān)系，這樣可以根據(jù)時間來獲得所需要的氧化深度，從而來精確控制器件的尺寸；2.這種結(jié)構(gòu)還可以提高氧化速率，減低器件制作周期和成本；3.氧化速率受AlAs氧化層厚度的影響較小，如圖7所示，AlAs氧化層的厚度減少至20nm才會對氧化速率有明顯的影響，這樣可以減少由于材料厚度引起的偏差導(dǎo)致對器件尺寸精確控制的減弱；4.具有很高的熱穩(wěn)定性，可以提高器件的可靠性和成品率。


圖1是已知技術(shù)的AlAs氧化層的結(jié)構(gòu)的剖面圖；其中5為襯底；6為緩沖層；7為AlAs氧化層；8為蓋帽層；圖2是本發(fā)明提供的AlAs氧化層的結(jié)構(gòu)的剖面圖；其中1為襯底；2為緩沖層；3為AlAs氧化層；4為蓋帽層；圖3是已知技術(shù)的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“▲▲▲”代表AlAs氧化層厚度為120nm的已知技術(shù)的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“★★★”代表AlAs氧化層厚度為50nm的已知技術(shù)的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“■■■”代表AlAs氧化層厚度為30nm的已知技術(shù)的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；圖4是已知技術(shù)的AlAs氧化層的氧化速率與AlAs厚度的關(guān)系圖；圖5是已知技術(shù)的AlAs氧化層在480℃熱退火后的Nomarski顯微鏡照片；圖6是本發(fā)明提供的具有不同厚度中間層的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“※※※”代表中間層厚度為5nm的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“▲▲▲”代表中間層厚度為10nm的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“★★★”代表中間層厚度為20nm的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“■■■”代表中間層厚度為100nm的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；圖7本發(fā)明提供的具有不同厚度中間層的AlAs氧化層的氧化速率與AlAs厚度的關(guān)系圖；圖8是本發(fā)明提供的AlAs氧化層在480℃熱退火后的Nomarski顯微鏡照片；圖9是本發(fā)明提供的具有不同厚度的底層和頂層的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；圖10是本發(fā)明提供的具有不同組分的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“●●●”代表底層和頂層為In0.1AlAs的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“■■■”代表底層和頂層為In0.25AlAs的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；其中曲線“”代表底層和頂層為In0.005AlAs的的AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖；圖11是已知技術(shù)的AlAs氧化層的Raman譜；圖12是是本發(fā)明提供的AlAs氧化層的Raman譜。
具體實施例方式
下面結(jié)合本發(fā)明提供的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的制備、氧化及對包含該三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的測試對本發(fā)明進行詳細地說明。
實施例1.在GaAs襯底上制備本發(fā)明提供的一種具有In0.01Al0.99As底層、AlAs中間層和In0.01Al0.99As頂層的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料1.GaAs襯底在1×10-10乇的本底真空中，在As分子束保護下，加熱到580℃脫去表面氧化膜，然后以Ga∶As束流比為1∶30，襯底溫度580℃的條件下，在其表面生長500nm的GaAs緩沖層；2.在步驟1得到的GaAs緩沖層的表面，以同樣的溫度和As分子束，生長10nm的In0.01Al0.99As底層；3.在步驟2得到的In0.01Al0.99As底層的表面，在Al∶As束流比為1∶5，襯底溫度660℃的條件下，生長5nm的AlAs中間層；4.在步驟3得到的AlAs中間層的表面，按步驟2的條件生長10nm的In0.01Al0.99As頂層；5.最后，以Ga∶As束流比為1∶30，襯底溫度580℃的條件下，生長50nm的GaAs蓋帽層；6.將步驟5得到的樣品通過普通的光刻技術(shù)刻成寬50μm，間隔為3μm的長條，使用檸檬酸∶雙氧水＝1∶1的混合液做選擇腐蝕劑，將3μm間隔處的表面GaAs蓋帽層腐蝕掉，露出待氧化的AlAs層；7.將光刻，腐蝕好的樣品置入氧化爐中，用氮氣通過盛水的容器后導(dǎo)入氧化爐中進行濕法氧化，氮氣流量為0.2-10升/分，水溫為20-99℃，氧化溫度為350-550℃，氧化完畢后，取出樣品。
表1.AlAs氧化層各層的組成及厚度

實施例2～27用同樣的方法制備表1中所列26種不同組成及厚度的AlAs氧化層半導(dǎo)體材料。
實施例28.熱穩(wěn)定性實驗將實施例2中制得的樣品置入480℃的退火爐中進行10分鐘退火，在Nomarski顯微鏡下觀察，如圖8所示，其表面如未退火樣品般平整。與之相對比的是已知技術(shù)中AlAs氧化層在同樣條件下熱退火后的Nomarski顯微鏡照片，如圖5所示，其表面在退火后起層，碎裂。由此可知，本發(fā)明所提供的AlAs氧化層具有相當(dāng)優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。
實施例29.本發(fā)明提供的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層半導(dǎo)體材料的氧化層組成、厚度及其氧化時間與氧化深度的關(guān)系實驗按實施例1步驟7的方法，對已知技術(shù)AlAs氧化層和本發(fā)明制備的三明治結(jié)構(gòu)AlAs氧化層用相襯顯微鏡測量其氧化深度，考察不同厚度，不同組成，不同氧化時間對其氧化深度的影響，實驗結(jié)果分別繪于圖3、圖4、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10。
圖6是本發(fā)明實施例2、3、4、5提供的樣品的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖，可以看出，這些具有不同厚度中間層的樣品的氧化深度與氧化時間均成線形關(guān)系，這樣可以根據(jù)時間來獲得所需要的氧化深度，從而來精確控制器件的尺寸。而已知技術(shù)AlAs氧化層的氧化深度和氧化時間的關(guān)系，如圖3所示，在短時間內(nèi)，氧化深度和與氧化時間成正比，但是隨氧化時間增長，氧化深度與氧化時間不成正比，這對于一個器件工藝而言顯然是不理想。
圖7是本發(fā)明實施例2、3、4、5提供的樣品的氧化速率與厚度的關(guān)系圖，可以看出，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的AlAs厚度到了20nm以下才對氧化速率有明顯的影響，從而大大減輕了由于AlAs厚度的偏差而引起的工藝不穩(wěn)定性。而已知技術(shù)AlAs氧化層的氧化速率與AlAs厚度的關(guān)系，如圖4所示，當(dāng)AlAs氧化層的厚度小于100nm時，氧化速率均易受影響，這種由于材料厚度的偏差引起的氧化深度的偏離給器件工藝帶來了另外一種不穩(wěn)定性。
圖9是本發(fā)明實施例7、8、9、10提供的樣品的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖，由圖可知，具有不同厚度的底層和頂層的AlAs氧化層的氧化深度與氧化時間成線形關(guān)系，其氧化速率不受三明治結(jié)構(gòu)的InAlAs底層和頂層的影響，可以使工藝不受材料厚度的偏差而影響。
圖10是本發(fā)明實施例11、12、13提供的樣品的氧化深度和氧化時間的關(guān)系圖，由圖可知，具有不同組份的底層和頂層的AlAs氧化層的氧化深度與氧化時間成線形關(guān)系，其氧化速率幾乎不受三明治結(jié)構(gòu)的InAlAs底層和頂層的In組分影響，可以使工藝不受材料組分的偏差而影響。
權(quán)利要求
1.一種具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，包括蓋帽層、AlAs氧化層、緩沖層和襯底，其特征在于所述AlAs氧化層為三明治結(jié)構(gòu)，包括采用公知的外延手段在常規(guī)半導(dǎo)體緩沖層上依次外延的InAlAs底層，AlAs中間層和InAlAs頂層；所述的InAlAs底層和InAlAs頂層是由In、Ga、Al、As組成的三元或四元化合物；所述的AlAs中間層是由In、Al、Ga、As組成的二元，三元或四元化合物。
2.按權(quán)利要求1所述的具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，其特征在于所述的InAlAs底層和InAlAs頂層包括InxAl1-xAs、InxGa1-xAs、InaAlbGa1-a-bAs，其中0＜x＜0.25，0＜a＜0.25，0＜b＜1-a。
3.按權(quán)利要求1所述的具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，其特征在于所述的InAlAs底層和InAlAs頂層的厚度為1～500nm。
4.按權(quán)利要求1所述的具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，其特征在于所述的AlAs中間層包括AlAs、InxAl1-xAs、InaAlbGa1-a-bAs，其中0＜x＜0.05，0＜a＜0.05，0.85＜b＜1-a。
5.按權(quán)利要求1所述的具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，其特征在于所述的AlAs中間層其厚度為2～1000nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有AlAs氧化層的半導(dǎo)體材料，包括蓋帽層、AlAs氧化層、緩沖層和襯底，其特征在于所述AlAs氧化層為三明治結(jié)構(gòu)，包括采用公知的外延手段在常規(guī)半導(dǎo)體緩沖層上依次外延的InAlAs底層，AlAs中間層和InAlAs頂層；所述的InAlAs底層和InAlAs頂層是由In、Ga、Al、As組成的三元或四元化合物；所述的AlAs中間層是由In、Al、Ga、As組成的二元，三元或四元化合物。該結(jié)構(gòu)的AlAs氧化層可以有效地增加AlAs氧化層的氧化速率，提高氧化深度對時間關(guān)系的線性度，減少AlAs厚度對氧化速率的影響；另外，此結(jié)構(gòu)的AlAs氧化層還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可應(yīng)用于表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)氧化精確控制和制作更大尺寸的器件結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/02GK1536610SQ0312182
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者周均銘, 陳弘, 王文沖, 賈海強, 黃綺 申請人:中國科學(xué)院物理研究所