[发明专利]具有内场防护有源区的半导体器件

说明书

一种半导体器件包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向晶体极性方向和层序列堆叠方向的晶轴。芯层序列由有源区形成，有源区由有源层堆叠体或复数个重复的有源层堆叠体制成。有源层堆叠体具有有源层和在有源层的至少两个相反侧上包埋有源层的载流子限制层，有源层具有与第一带隙能量相关的第一材料组成，载流子限制层具有与大于第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成。一对极化防护层被布置成与有源区相邻并且在其相反侧上包埋有源区。两个极化防护层都具有第一材料组成。

本发明涉及一种半导体器件。

半导体材料中的极性来源于其晶体结构，并且潜在地来源于特别是由半导体异质结构中的应变晶格引起的晶格的晶格畸变。

极性半导体的实例是六方晶体结构的化合物半导体(其具有沿其c方向的极性轴)和闪锌矿结构的化合物半导体(其具有沿其[111]方向的极性轴)。以下介绍将集中在六方极性半导体上作为非限制性实例。

六方晶体结构的化合物半导体具有以纤锌矿结构排列的组成原子。极性半导体材料组中的一个非限制性实例是六方晶体结构的化合物半导体，例如III族氮化物半导体，例如GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN或InGaAlN。在本文中，他们也被简称为III族氮化物和氮化物半导体。III族原子和氮原子排列在相应的六方次晶格中。这样的材料的延伸晶胞是六方的，并且具有与晶格的c方向平行的极性晶轴，其被称为c轴。c轴指向与六方晶格的(0001)面垂直的方向。(0001)面被称为C面。由于六方晶体结构，III族氮化物半导体材料的C面可以以两种不同配置中之一终止。第一种配置被称为III族面(或者根据材料为Ga面、Al面)，并且具有与朝向表面的三个III族原子结合的氮(N)原子。其也被称为III极性配置。第二种配置，被称为N面，并且具有与朝向表面的单个III族原子结合的相应氮原子。其也被称为N极性配置。这两种配置不应与表面终止模式(modes of surface termination)混淆。两种配置都可以在具有III族原子或氮原子的表面上终止。

六方氮化物半导体材料具有沿c轴的强的电极化场。这样的自发极化场甚至存在于松弛层中。在不同材料组成的层之间的界面处的电极化的不连续导致巨大的电场，已知这对器件性能的特性产生强烈影响。在异质外延层中通过应变晶格产生另外的极化。特别地，数MV/cm范围内的强电场是显著的能带弯曲效应的原因，并且是量子限制结构(例如量子阱、量子线和量子点)中电子和空穴的波函数的空间分离的原因。电子和空穴的波函数的交叠减少是基于氮化物半导体的半导体发光器件中发光效率降低的原因。此外，与所谓的平带情况(其中不存在电场)相比，能带弯曲和所导致的电子和空穴的空间分离导致发光的红移。

DE 199 53 839 A1涉及克服六方氮化物半导体材料具有的沿c轴的强电极化场的这种缺点。DE 199 53 839 A1提出的方案是生长具有六方晶体结构的氮化物半导体材料使得六方晶体结构的c轴平行于基底表面取向。该概念需要使用在半导体技术中不常用的“外来”基底材料。

根据本发明，提供了一种半导体器件。半导体器件包括由复数个极性单晶半导体材料层形成的层序列，所述复数个极性单晶半导体材料层各自具有指向与晶体极性方向和层序列堆叠方向一致的方向的晶轴。层序列由芯层序列和沿堆叠方向在芯层序列的相反侧上的壳层形成。芯层序列由以下构成：

-有源区，有源区由有源层堆叠体或复数个重复的有源层堆叠体制成，有源层堆叠体由具有与第一带隙能量相关的第一材料组成的有源层和载流子限制层形成，载流子限制层在有源层的至少两个相反侧上包埋该有源层并且具有与大于第一带隙能量的第二带隙能量相关的第二材料组成，其中有源层和载流子限制层被配置成在一个、两个或三个空间维度上实现对有源层中的电荷载流子的量子限制；以及

-一对极化防护层，极化防护层相邻于有源区并且在有源区的相反侧上包埋有源区，两个极化防护层中都具有第一材料组成。