專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括如激光二極管器件(LD)或發(fā)光二極管(LED)的光發(fā)射器件和如太陽(yáng)能電池的光接收器件的氮化物半導(dǎo)體器件，特別涉及氮化物半導(dǎo)體光發(fā)射器件。
根據(jù)其組成氮化物半導(dǎo)體可以有1.95到6.0eV的帶隙能量，因此它們作為如發(fā)光二極管(LED)器件和激光二極管(LD)器件等光發(fā)射器件的材料很受已引起人們的關(guān)注。最近，由于利用了這些氮化物半導(dǎo)體材料，高亮度藍(lán)光LED器件和綠光LED器件已投入實(shí)用中。這些LED器件具有含p-n結(jié)的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)且都有超過1mW的輸出功率。
常規(guī)LED器件基本上皆具有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中InGaN構(gòu)成的有源層夾在由AlGaN構(gòu)成的n型和p型覆蓋層之間。GaN構(gòu)成的n型接觸層形成在n型覆蓋層上，GaN構(gòu)成的p型接觸層形成在p型覆蓋層上。這種層疊結(jié)構(gòu)形成在如藍(lán)寶石構(gòu)成的基片上。
LD器件基本上可以具有和上述LED器件相似的結(jié)構(gòu)。但是，大多數(shù)LD器件具有光和載流子分別限制的分別限制結(jié)構(gòu)。例如在日本特許公開(JP-A)6-21511中公開了分別限制結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體LD器件。該文件中說明了其中InGaN有源層夾在如n型GaN和p型GaN波導(dǎo)層的兩個(gè)光波導(dǎo)層之間的分別限制結(jié)構(gòu)的光發(fā)射器件。n型AlGaN載流子限制層形成在n型光波導(dǎo)層上，另一p型AlGaN載流子限制層形成在p型光波導(dǎo)層上。
同時(shí)，常規(guī)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件具有有源層、所形成的與有源層接觸且具有比有源層大的帶隙能量的第一覆蓋層、所形成的與第一覆蓋層接觸且具有比第一覆蓋層大的帶隙能量的第二覆蓋層。根據(jù)各能級(jí)該結(jié)構(gòu)可用于向有源層有效地注入電子和空穴。
同樣常規(guī)氮化物半導(dǎo)體LD器件具有有源層和置于有源層之上的覆蓋層，所說覆蓋層包括例如由載流子限制層(光限制層)連接的光波導(dǎo)層，每層具有逐步增加的帶隙能量(例如，參見上述提到的公開申請(qǐng))。
但是，已發(fā)現(xiàn)具有含銦有源層的常規(guī)氮化物半導(dǎo)體器件特別是上述結(jié)構(gòu)的LD器件光發(fā)射效率較低。特別是，發(fā)現(xiàn)由于增加供給器件的電流而導(dǎo)致的器件的溫升使光發(fā)射效率嚴(yán)重降低。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有由含銦的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的有源層的氮化物半導(dǎo)體器件，其特征是該氮化物半導(dǎo)體器件光發(fā)射效率高。
本發(fā)明的另一目的是提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，當(dāng)器件溫度升高時(shí)其光發(fā)射效率只稍稍降低。
本發(fā)明的第一方案提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，該器件包括具有第一和第二表面且由含銦的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層；和有源層第一表面接觸且具有比有源層大的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層；第二氮化物半導(dǎo)體層，它位于有源層第一表面一側(cè)，比第一氮化物半導(dǎo)體層離有源層遠(yuǎn)，且具有比第一氮化物半導(dǎo)體層小的帶隙能量；第三氮化物半導(dǎo)體層，它位于有源層第一表面一側(cè)，比第二氮化物半導(dǎo)體層離有源層遠(yuǎn)，且具有比第二氮化物半導(dǎo)體層大的帶隙能量。
本發(fā)明的第二方案提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，該器件包括由n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一覆蓋層；在第一覆蓋層上的量子阱結(jié)構(gòu)有源層，所說有源層由含銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，且至少具有一個(gè)厚度不大于70埃的阱層，其中所說阱層以和下層晶格失配的狀態(tài)置于下層上，且包括多個(gè)富銦區(qū)和少銦區(qū)；由用受主雜質(zhì)摻雜的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、位于有源層上的第二覆蓋層。
本發(fā)明的第三方案提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，該器件包括由n型含鋁氮化物半導(dǎo)體或n型氮化鎵構(gòu)成的第一n型層，和由n型含鋁氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二n型層，其中該器件具有由n型含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、位于第一n型層和第二n型層之間的第三n型層。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，有源層夾在最終與正電極接觸的層結(jié)構(gòu)和最終與負(fù)電極接觸的層結(jié)構(gòu)之間。下面，有時(shí)稱最終與正電極接觸的層結(jié)構(gòu)一端為p端，稱最終與負(fù)電極接觸的層結(jié)構(gòu)一端為n端。
另外，在本發(fā)明中，廣義的氮化物半導(dǎo)體是周期表中III族元素的氮化物，具體地是，由InxAlyGa1-x-yN表示的氮化物半導(dǎo)體，這里0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1。
從下面的說明中可看出本發(fā)明的另外的目的和優(yōu)點(diǎn)，一部分可以從說明中獲悉，或可以通過實(shí)現(xiàn)本發(fā)明獲悉。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過所附權(quán)利要求書中特別指出的手段和其組合來實(shí)現(xiàn)。
與說明書結(jié)合且構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，它們和上面的一般說明及下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明一起用來解釋本發(fā)明的原理。


圖1表示對(duì)應(yīng)于常規(guī)LD器件的層結(jié)構(gòu)的能帶；圖2表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的LD器件的剖面圖；圖3表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的LD器件的剖面圖；圖4表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的LD器件的剖面圖；圖5表示對(duì)應(yīng)于圖4器件結(jié)構(gòu)的能帶；圖6表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的LD器件的剖面圖。
本發(fā)明檢測(cè)了隨著具有含銦有源層的氮化物半導(dǎo)體器件溫度的升高光發(fā)射效率降低的機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種光發(fā)射效率降低主要是由于與含鋁的氮化物半導(dǎo)體或氮化鎵(GaN)相比含銦的氮化物半導(dǎo)體特別是InGaN更難生長(zhǎng)所導(dǎo)致的。即，構(gòu)成InGaN的InN和GaN的分解溫度彼此有很大的差異，這樣InGaN有相分離為InN和GaN的趨勢(shì)。因此，銦含量增加便更難得到均勻組成的有源層。正因如此，在常規(guī)半導(dǎo)體器件中，才將形成有源層的InGaN中銦含量控制在很低水平。
當(dāng)形成GaN光波導(dǎo)層與低銦含量的InGaN有源層接觸時(shí)，有源層和光波導(dǎo)層的帶差變得極小。這可以參照表示常規(guī)氮化物半導(dǎo)體光發(fā)射器件能帶的圖1來解釋。如圖1所示，在常規(guī)氮化物半導(dǎo)體器件中，直接夾住InGaN有源層的光波導(dǎo)層(GaN)的帶隙能量不比有源層(InGaN)的帶隙能量大多少(因?yàn)镮nGaN的In含量很低，InGaN接近GaN)。因此，當(dāng)所加電流增加器件溫度升高時(shí)，分別從n型層和p型層注入到有源層的電子和空穴復(fù)合發(fā)光(hν)之前，熱能使電子和空穴分別從有源層流出到達(dá)置于結(jié)對(duì)面的波導(dǎo)層(GaN)，即，電子到達(dá)p型光波導(dǎo)層，空穴到達(dá)n型光波導(dǎo)層。結(jié)果光發(fā)射效率降低，特別是隨著溫度升高效率降低。
因此，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件中，鄰接和夾住含銦的氮化物半導(dǎo)體有源層的兩個(gè)第一層(第一p端層和第一n端層)由比有源層帶隙能量大的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。較好是，兩個(gè)第一層具有比有源層大0.01-4.05eV的帶隙能量。由于有這樣大的帶隙能量的第一層的存在，注入到有源層的電子和空穴不會(huì)流出有源層。在每個(gè)第一層上，具有最好鄰接第一層的第二層(第二p端層和第二n端層)。第二層具有比第一層小但最好比有源層大的帶隙能量。第二層最好具有比第一層小0.01-4.05eV的帶隙能量。在每個(gè)第二層上，具有最好鄰近第二層的第三層(第三p端層和第三n端層)。第三層具有比第二層大的帶隙能量。第三層最好具有比第二層大0.01-4.05eV的帶隙能量。從第三層端注入的電子和空穴將有效地注入到具有較小帶隙能量的第二層，但因?yàn)榈谝粚拥妮^大帶隙能量而不大可能注入到有源層。因此，在本發(fā)明中，最好是第一層足夠薄使電子或空穴即載流子由于隧穿效應(yīng)(隧穿)而可以通過。因此，使電子或空穴有效地從第三層注入到有源層。結(jié)果，在本發(fā)明的器件中，電子或空穴將有效地從第三層注入到有源層，且由于結(jié)對(duì)面的第一層的存在而被限制住，即使溫度升高也不會(huì)流出有源層。
從上面的說明可以看出，如果有源層的p端和n端之一具有三層結(jié)構(gòu)，則包括第一、第二和第三層的三層結(jié)構(gòu)可以防止載流子即電子或空穴流出。最好是在有源層兩端(p端和n端)都具有三層結(jié)構(gòu)。
下面將參照?qǐng)D2到6解釋本發(fā)明。所有這些附圖中，皆用相同的數(shù)字表示相同的元件或部件。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的LD器件的剖面圖。在該LD器件中，在有源層的p端有本發(fā)明的三層結(jié)構(gòu)。
圖2的LD器件有通過緩沖層12在基片11上的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)。層疊結(jié)構(gòu)包括在緩沖層12上的n型接觸層13、n型載流子限制層(光限制層)14、n型光波導(dǎo)層15、有源層16、具有比有源層16大的帶隙能量的第一p端氮化物半導(dǎo)體層101、具有比第一p端氮化物半導(dǎo)體層小的帶隙能量的第二p端氮化物半導(dǎo)體層102、具有比第二p端氮化物半導(dǎo)體層大的帶隙能量的第三p端氮化物半導(dǎo)體層103、和p型接觸層17。在p型接觸層17上具有含接觸孔18a于其中的電流限制層18。在n型接觸層13的暴露表面上有負(fù)電極19，而在電流限制層18上有正電極20。正電極20通過電流限制層18的接觸孔18a與p型接觸層17接觸。
基片11可以由適于在其上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的普通材料制成，包括尖晶石(MgAl2O4)、藍(lán)寶石(Al2O3，包括A、R和C表面)、SiC(包括6H、4H、和3C)、ZnS、ZnO、GaAs和GaN。
緩沖層12可以由AlN、GaN、AlGaN等形成?？梢栽诓桓哂?00℃的溫度形成具有幾十埃到幾百埃范圍的厚度。形成緩沖層是為了減輕基片11與要形成于其上的氮化物半導(dǎo)體層之間的晶格失配。因此，當(dāng)使用和氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的基片時(shí)、或使用具有和氮化物半導(dǎo)體接近的晶格常數(shù)的基片時(shí)、或根據(jù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的方法可以省略緩沖層12。
由氮化物半導(dǎo)體、較好是由GaN或InaGa1-aN(0＜a＜1)形成n型接觸層13。(在該說明書中，有時(shí)簡(jiǎn)單稱由InaGa1-aN(0＜a＜1)或類似表達(dá)式表示的氮化物半導(dǎo)體為InGaN。)用Si摻雜GaN作為n型接觸層13，它具有高載流子濃度，且能和負(fù)電極19形成良好的歐姆接觸，這樣便可降低激光器件的閾值電流。盡管沒有特別限制n型接觸層13的厚度，但該厚度通常為0.1到5μm。
形成在腐蝕暴露的n型接觸層13表面上的負(fù)電極較好由如Al、Ti、W、Cu、Zn、Sn、或In等金屬材料和其合金形成。這些金屬材料可以和n型接觸層13形成良好的歐姆接觸。
由n型氮化物半導(dǎo)體形成n型載流子限制層14和在層14上的n型光波導(dǎo)層15。在圖2的實(shí)施例中，n型載流子限制層14較好由含鋁氮化物半導(dǎo)體形成，最好由AlbGa1-bN(0＜a＜1)形成，而n型光波導(dǎo)層15較好由含銦n型氮化物半導(dǎo)體即IncGa1-cN(0＜c＜1)或GaN形成。n型載流子限制層14的優(yōu)選厚度通常為0.1到1μm，而n型光波導(dǎo)層15的優(yōu)選厚度通常為100埃到1μm。
n型光波導(dǎo)層15上的有源層16具有量子阱結(jié)構(gòu)(如單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu))。量子阱結(jié)構(gòu)具有由含銦的氮化物半導(dǎo)體即IndAleGa1-d-eN(0＜d≤1，0≤e≤1，且0＜d+e≤1)形成的阱層，該阱層具有比n型光波導(dǎo)層15和第一p端氮化物半導(dǎo)體層101小的帶隙能量。較好的是，由三元混晶InfGa1-fN形成阱層。三元混晶InGaN具有結(jié)晶度比四元混晶好且由此可增強(qiáng)光發(fā)射輸出功率的層。
特別地，較好是有源層16是由交替層疊InGaN阱層和具有比阱層大的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體勢(shì)壘層構(gòu)成的MQW結(jié)構(gòu)(MQW結(jié)構(gòu)最少有3層)。在本發(fā)明中，MQW結(jié)構(gòu)可以是具有與如n型光波導(dǎo)層15等n型層接觸的、作為結(jié)構(gòu)最下層的阱層的結(jié)構(gòu)，和具有與如第一p端層101等p型層接觸的、作為結(jié)構(gòu)最上層的阱層的結(jié)構(gòu)；或者可以是具有與如n型光波導(dǎo)層15等n型層接觸的、作為結(jié)構(gòu)最下層的勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)，和具有與如第一p端層101等p型層接觸的、作為結(jié)構(gòu)最上層的勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)。形成勢(shì)壘層的氮化物半導(dǎo)體包括GaN、AlGaN等。但是，特別優(yōu)選的是和阱層一樣由三元混晶InfGa1-fN(0＜f’＜1，f’＜f)形成勢(shì)壘層。如果有源層16是由不同帶隙能量的InGaN層層疊構(gòu)成的MQW結(jié)構(gòu)，則可以實(shí)現(xiàn)高輸出功率的LD器件，通過改變有源層銦的摩爾百分比和/或改變第一或第三n端或p端氮化物半導(dǎo)體層的鋁摩爾百分比，按照量子阱能級(jí)之間發(fā)射，該器件能發(fā)射365nm到660nm的光。此外，層疊在阱層的InGaN勢(shì)壘層有比AlGaN層軟的晶體，因此可以在其上形成覆蓋層，例如，AlGaN層，它疊置于其上，較厚且不破裂，這便可能實(shí)現(xiàn)極好的激光振蕩。
在MQW結(jié)構(gòu)的情況下，最好阱層的厚度不大于70埃，勢(shì)壘層的厚度不大于150埃。同時(shí)，最好是由單量子阱層形成的SQW結(jié)構(gòu)的有源層的厚度的不大于70埃。最好阱和勢(shì)壘層的厚度皆為5埃以上。
有源層16可以是沒用雜質(zhì)或摻雜物摻雜(不摻雜)的類型，或者可以是具有用雜質(zhì)或摻雜物即受主雜質(zhì)和/或施主雜質(zhì)摻雜的阱和/或勢(shì)壘層的類型。對(duì)摻雜有源層，特別優(yōu)選硅摻雜的。當(dāng)硅摻雜有源層時(shí)，LD器件的閾值電流有降低的趨勢(shì)?？梢园讶缢囊一璧挠袡C(jī)硅氣體、如硅烷的氫化硅氣體、和/或如四氯化硅的鹵化硅氣體等加入生長(zhǎng)形成有源層的氮化物半導(dǎo)體的原材料氣體中進(jìn)行Si摻雜。
由具有比有源層16(更嚴(yán)格說是阱層)大的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體層形成和有源層16鄰接的第一p端氮化物半導(dǎo)體層101。較好是由含鋁氮化物半導(dǎo)體即IngAlhGa1-g-hN(0≤g≤1，0＜h≤1，且0＜g+h≤1)且最好是由三元混晶AljGa1-jN(0≤j≤1)形成第一氮化物半導(dǎo)體層。(在本說明書中，有時(shí)簡(jiǎn)稱由AljGa1-jN(0＜j＜1)或類似表達(dá)式表示的氮化物半導(dǎo)體為AlGaN。)第一p端氮化物半導(dǎo)體層101較好是i型或p型。特別是用AlGaN，很容易得到高載流子濃度的p型。另外，形成連接由含InGaN阱層構(gòu)成的有源層16的AlGaN層，可能得到高發(fā)射輸出功率的器件。
在本發(fā)明中，在晶體生長(zhǎng)過程中，可以用如Mg、Zn、C、Be、Ca或Ba等受主雜質(zhì)或其混合物摻雜得到包括一個(gè)形成有源層16的p型氮化物半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)的濃度較好為1×1017到1×1022/cm3。當(dāng)受主雜質(zhì)為鎂時(shí)，摻雜的濃度較好為1×1018到1×1020/cm3，更好是1×1019到1×1020/cm3。任何情況下，為了得到高載流子濃度的p型層，用受主雜質(zhì)摻雜后，需要以不低于400℃的溫度在惰性氣體氣氛中進(jìn)行退火處理。通常，在Mg摻雜p型AlGaN情況下，可以得到1×1017到1×1019/cm3的載流子濃度。同時(shí)可以進(jìn)行i型氮化物半導(dǎo)體的制備，例如，生長(zhǎng)不摻受主雜質(zhì)的ALjGa1-jN，這里j不小于0.5。另外，可以用補(bǔ)償空穴載流子濃度的量的施主雜質(zhì)摻雜p型氮化物半導(dǎo)體、或用補(bǔ)償電子載流子濃度的量的受主雜質(zhì)摻雜n型氮化物半導(dǎo)體來制備I型氮化物半導(dǎo)體。
特別優(yōu)選的是第一p端氮化物半導(dǎo)體層101足夠薄可使載流子(空穴載流子)能隧穿通過它，更具體地，第一p端氮化物半導(dǎo)體層101的厚度不大于0.1μm，較好不大于0.05μm(不大于500埃)，最好不大于0.03μm(不大于300埃)。如果第一p端氮化物半導(dǎo)體層101的厚度在上述范圍內(nèi)，則可以防止第一p端氮化物半導(dǎo)體層101形成裂紋，且可以生長(zhǎng)具有極好結(jié)晶度的氮化物半導(dǎo)體層。此外，隨著Al含量的增加和AlGaN厚度的減小，容易實(shí)現(xiàn)激光振蕩。例如，當(dāng)使用ALjGa1-jN時(shí)，這里j不小于0.2，第一p端氮化物半導(dǎo)體層101的厚度較好不大于500埃。盡管對(duì)第一p端氮化物半導(dǎo)體層101的厚度不設(shè)下限，但最好不小于10埃。
第二p端氮化物半導(dǎo)體層102具有比第一p端氮化物半導(dǎo)體層101小的帶隙能量，但較好具有大于有源層16的帶隙能量，將它置于比第一p端氮化物半導(dǎo)體層101離有源層更遠(yuǎn)的位置。最好是，如圖2所示，形成第二p端氮化物半導(dǎo)體層102連接第一p端氮化物半導(dǎo)體層101。較好由InkGa1-kN(0≤k≤1且最好由GaN或InGaN形成第二p端氮化物半導(dǎo)體層102。如果第二p端氮化物半導(dǎo)體層102由GaN或InGaN形成，即使該層較厚時(shí)，所得第二p端氮化物半導(dǎo)體層102也幾乎無裂紋，且具有極好的結(jié)晶度。第二p端氮化物半導(dǎo)體層102的厚度較好為0.01到5μm，最好為0.02到1μm，該范圍使第二p端氮化物半導(dǎo)體層102起例如希望有的光波導(dǎo)層的作用。此外，第二p端氮化物半導(dǎo)體層102包含受主雜質(zhì)且較好是p型。
另外，如下所述，第二p端氮化物半導(dǎo)體層102，特別是由GaN或InGaN形成的該層，還起對(duì)在其上生長(zhǎng)第三p端氮化物半導(dǎo)體層103有用的緩沖層的作用。與AlGaN相比，InGaN或GaN為較軟的晶體。因此，在具有比有源層16大的帶隙能量的第一p端氮化物半導(dǎo)體層101和第三p端氮化物半導(dǎo)體層103之間，由于由InGaN或GaN形成的第二p端氮化物半導(dǎo)體層102的存在，可以使第三p端氮化物半導(dǎo)體層103無裂紋，且因此其厚度厚于第一p端氮化物半導(dǎo)體層101。
第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103具有一個(gè)大于第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102的帶隙能量并且形成在離相對(duì)于第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102的有源層更大距離的的位置上。最好，第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103形成為貼近第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102，如圖2所示的那樣。第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103由含鋁氮化物半導(dǎo)體即InmAlnGa1-m-nN(0≤m≤1，0＜n≤1，0＜m+n≤1)形成為好，最好由AlGaN三元混合晶體形成。
第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103被要求具有大于第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102的帶隙能量。這是因?yàn)榈谌齪-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103作為載流子限制和光限制層。第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103的厚度在0.01至2μm的范圍為好，最好在0.05至2μm的范圍內(nèi)，該范圍使第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103能夠作為具有優(yōu)良結(jié)晶性的載流子限制層。此外，第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103包括一受主雜質(zhì)并以p-型為好。
p-型接觸層17由p-型氮化物半導(dǎo)體形成，置于第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103上。特別是，使用InGaN或GaN尤其是摻Mg的p-型GaN作為p-型接觸層17，產(chǎn)生了具有最好載流子集中并建立同正電極20的良好電阻性接觸的p-型層，這樣就能降低閾值電流。
為了獲得電阻性接觸，正電極20以由具有相對(duì)高的工作函數(shù)的金屬材料例如Ni、Pd、Rh、Pt、Ag或Au及其合金所形成為好。
電流限制層18由電絕緣材料形成，以二氧化硅為好。該電流限制層18可以省略。
在圖2中，n-型載流子限制層14通過防裂層30設(shè)在n-型接觸層13上。
即，當(dāng)晶體成長(zhǎng)到具有較大厚度時(shí)，含鋁氮化物半導(dǎo)體就會(huì)在晶體中形成裂縫。尤其是，在n-型GaN或AlGaN層上直接成長(zhǎng)出n-型含鋁氮化物半導(dǎo)體的厚層而沒有裂縫的形成是困難的。例如，在由如n-型GaN等所形成的n-型接觸層13上形成n-型層是困難的，該n-型層由含鋁氮化物半導(dǎo)體特別是AlGaN構(gòu)成并是由需要0.1μm或以上的大的厚度的n-型載流子限制層14為例。因而，首先在n-型接觸層13上形成一由含銦氮化物半導(dǎo)體如n-型層InpGa1-pN(0＜p≤1)所構(gòu)成的n-型層以作為防裂層30，然后才形成由n-型含鋁氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的n-型載流子限制層14。由于防裂層30的存在，n-型載流子限制層14就能成長(zhǎng)到所需的厚度(例如0.1μm或更高)。防裂層30的厚度以100埃至0.5μm的范圍內(nèi)為好。
接著，本發(fā)明提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括第一n-型層，由n-型含鋁氮化物半導(dǎo)體或n-型氮化鎵所形成；第二n-型層，由含鋁n-型氮化物半導(dǎo)體所形成，其中，該器件具有由含銦n-型氮化物半導(dǎo)體所形成的第三n-型層并被設(shè)在第一n-型層和第二n-型層之間。第三n-型層可以設(shè)在第一n-型層和第二n-型層之間的任何地方，而不需要貼近第一n-型層和第二n-型層中的任何一個(gè)。
圖3是表示本發(fā)明的第二實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體LD器件的截面圖，其中用與圖2中的相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件或部件。參照?qǐng)D3，該LD器件具有一個(gè)通過緩沖層12形成在襯底11上的氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括n-型接觸層13、防裂層30、第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203、第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202、第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201、有源層16、p-型光導(dǎo)層31、p-型載流子限制層(光限制層)32、p-型接觸層17和電流限制層18。如圖2所示，負(fù)電極19被電連接到n-型接觸層13上而正電極20被電連接到p-型接觸層17上。
在圖3的LD器件中，第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201、第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202、和第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203，除導(dǎo)電類型以外，基本上分別與相應(yīng)的第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101、第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102和第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103相同，如參照?qǐng)D2所述的那樣，根據(jù)帶隙能量、所使用的氮化物半導(dǎo)體材料和厚度，但除導(dǎo)電類型外。
另外，關(guān)于第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101、第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102和第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103所涉及的優(yōu)選材料、優(yōu)選厚度等可以分別應(yīng)用于第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201、第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202和第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203。
為了簡(jiǎn)化重復(fù)，被設(shè)置成與有源層16相鄰的第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201由具有大于有源層16(更嚴(yán)格地說，其阱層)的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體層所形成。最好，第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201由含鋁氮化物半導(dǎo)體層所形成，尤其是由AlGaN三元混合晶體形成更好。
第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201還是足夠的薄以使載流子(電子載流子)能夠通過其。特別是，第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201的厚度不大于0.1μm，不大于0.05μm(不大于500埃)更好，最好不大于0.03μm(不大于300埃)。但第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201的厚度也不能小于10埃。
第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201為n-型或i-型較好。
在本發(fā)明中，雖然可以不用摻入雜質(zhì)來獲得n-型氮化物半導(dǎo)體，即在不摻雜的狀態(tài)下，但是，可以在晶體的成長(zhǎng)過程中通過摻入施主雜質(zhì)如Si、Ge、Sn、S或其組合來獲得所需的n-型。在此情況下，施主雜質(zhì)的集中以1×1016到1×1022/cm3。特別是，以1×1017到1×1021/cm3的集中來?yè)饺隨i為好，最好是1×1018到1×1020/cm3。
第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202具有小于第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201的帶隙能量，當(dāng)以大于有源層16的為好，并且形成在離相對(duì)于第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201的有源層更大距離的的位置上。最好，如圖3所示的那樣，第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202以由InkGa1-kN(0＜k≤1)所形成為好，并最好由GaN或InGaN所形成。第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202的厚度在0.01至5μm的范圍為好，最好在0.02至1μm的范圍內(nèi)，該范圍使第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202能夠被用于例如所需的光導(dǎo)層。第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202是n-型的。如參照?qǐng)D2所述的那樣，第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102作為緩沖層以使第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103在其上成長(zhǎng)而形成為相對(duì)薄的層。同樣，第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202作為緩沖層以成長(zhǎng)第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201，但作為緩沖層不是很重要的，因?yàn)榈谝籲-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201是薄的。
為了作為一個(gè)載流子限制和光限制層，第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203也具有大于第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202的帶隙能量，并形成在離相對(duì)于第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202的有源層16更大距離的的位置上。最好，如圖3所示的那樣，第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203形成為貼近于第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202。第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203以由含鋁氮化物半導(dǎo)體所形成為好，最好由AlGaN三元混合晶體形成。第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203的厚度在0.01至2μm的范圍為好，最好在0.05至2μm的范圍內(nèi)，該范圍使第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203能夠具有優(yōu)良結(jié)晶性并作為一個(gè)載流子限制和光限制層。第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203是n-型的，其以由含鋁氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成為好，并通過防裂層30而形成在由GaN所構(gòu)成的n-型接觸層13上。
p-型光導(dǎo)層31和p-型載流子限制層(光限制層)32都是由p-型氮化物半導(dǎo)體所形成。p-型載流子限制層(光限制層)32具有大于p-型光導(dǎo)層31的帶隙能量，而p-型光導(dǎo)層31具有大于有源層16的帶隙能量。
圖4表示一種氮化物半導(dǎo)體LD器件，其在有源層的每個(gè)p-側(cè)和n-側(cè)上具有本發(fā)明的三層層疊結(jié)構(gòu)，并且其是最佳實(shí)施例。參照?qǐng)D4，該LD器件具有一個(gè)通過緩沖層12形成在襯底11上的氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括n-型接觸層13、防裂層30、第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203、第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202、第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201、有源層16、第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101、第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102、第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103和p-型接觸層17。具有接觸孔18a的電流限制層18設(shè)在p-型接觸層17上。負(fù)電極19設(shè)在n-型接觸層13的暴露面上，而正電極20設(shè)在電流限制層18上。正電極20通過電流限制層18的接觸孔18a而同p-型接觸層17相連接。構(gòu)成圖4的器件的元件圖參照?qǐng)D2和3所述的那些相同。
構(gòu)成本發(fā)明的器件的氮化物半導(dǎo)體層可以通過金屬有機(jī)蒸汽相外延生長(zhǎng)(MOVPE)法來生長(zhǎng)。但該氮化物半導(dǎo)體層也可以通過包括氫化物蒸汽相外延生長(zhǎng)(HDVPE)法和分子束蒸汽相外延生長(zhǎng)(MBE)法的現(xiàn)有其它方法來生長(zhǎng)。
圖5表示圖4所示的LD器件的能量帶，其中有源層具有MQW結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在本發(fā)明的雙-異構(gòu)的LD器件的情況下，第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201被置于貼近于包括含銦氮化物半導(dǎo)體的有源層16處。即，這兩種第一氮化物半導(dǎo)體層101和201都處于貼近于有源層16處，他們每個(gè)都具有大于有源層16(更嚴(yán)格地說，其阱層)并大于第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102的和第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202的帶隙能量。由于這兩種第一氮化物半導(dǎo)體層101和201都是薄的，因而他們不是作為阻擋載流子、電子載流子和空穴載流子，而能分別通過第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201和第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101，并在有源層16上高效地重新組合以發(fā)射光(hν)，其中所述電子載流子是從第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203注入到第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202中，所述空穴載流子是從第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103注入到第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102中。
由于第一氮化物半導(dǎo)體層101和201的帶隙能量都足夠大，注入的載流子被第一氮化物半導(dǎo)體層101和201所攔阻而不會(huì)流出有源層16。作為電子和空穴載流子被有效地積累在有源層16中的結(jié)果，而能夠進(jìn)行光的高效的發(fā)射，即使器件溫度上升或注入電流密度增加。因此，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)了一種LD器件，其特征在于，即使在器件溫度上升時(shí)光發(fā)射效率的較小降低和低的閾值電流(密度)。
本發(fā)明人在本發(fā)明的器件中對(duì)有源層進(jìn)行了嚴(yán)格的研究，特別是對(duì)具有由包含銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體所形成的阱層的有源層進(jìn)行了嚴(yán)格的研究。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)在例如InGaN的生長(zhǎng)過程中，所含的銦依賴于生長(zhǎng)條件不會(huì)在生長(zhǎng)的InGaN層中成為均勻的，并且，由此而形成富銦區(qū)或相和貧銦區(qū)或相。電子和空穴載流子位于富銦區(qū)而形成為發(fā)射以激子(exciton)或雙激子為基礎(chǔ)的光。即，富銦區(qū)構(gòu)成量子點(diǎn)或量子盒(quantum dots or quantum boxes)，而且發(fā)現(xiàn)象在參照?qǐng)D2-4已經(jīng)描述的器件那樣，阱層以同下層狀態(tài)晶格失配而形成在下層的氮化物半導(dǎo)體層例如n-型氮化物半導(dǎo)體層(含鋁氮化物半導(dǎo)體層15或201)上，并具有不大于70埃的厚度?？梢园船F(xiàn)有技術(shù)那樣通過在n-型氮化物半導(dǎo)體層上生長(zhǎng)阱形氮化物半導(dǎo)體層并在生長(zhǎng)附加氮化物半導(dǎo)體層之前允許該生長(zhǎng)層保持一個(gè)短的時(shí)間周期最好2至20秒來提供這樣的阱層。將要在具有阱層的有源層上形成的該附加層需要包括受主雜質(zhì)。具有上述結(jié)構(gòu)的LD器件具有低于普通量子阱結(jié)構(gòu)激光的閾值電流，并能具有較高的特性溫度。
因此，本發(fā)明提供一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括由n-型氮化物半導(dǎo)體的第一覆蓋層；位于該第一覆蓋層上的量子阱結(jié)構(gòu)(SQW或MQW結(jié)構(gòu))的有源層，所述有源層包括含銦和含鎵氮化物半導(dǎo)體并具有至少一層厚度不大于70埃的阱層，其中，所述阱層以同下層狀態(tài)晶格失配地置于下層上并包括許多富銦區(qū)和貧銦區(qū)；以及位于有源層上并包括摻入了受主雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體的第二覆蓋層。該下層指第一覆蓋層本身，例如n-型半導(dǎo)體層，例如，如在參照?qǐng)D2至4所述的器件中的含鋁氮化物半導(dǎo)體層15或201，位于第一覆蓋層上的阻擋層，或其上形成阱層的阻擋層。圖6簡(jiǎn)要或概念地表示出這樣一個(gè)器件，其中為了簡(jiǎn)化說明有源層具有一個(gè)SQW結(jié)構(gòu)。如圖6所示的那樣，在第一覆蓋層上具有70?；蛞韵碌暮穸鹊牧孔于鍖?有源層)54以同與InGaN一起均勻形成的層52狀態(tài)晶格失配地包括一n-型氮化物半導(dǎo)體層52，但通過上述的相分離而構(gòu)成富銦區(qū)54a和富鎵區(qū)(貧銦區(qū))54b。特別是，富銦區(qū)54a和貧銦區(qū)都產(chǎn)生為點(diǎn)或具有20至50埃大小的盒。每個(gè)富銦區(qū)54a和每個(gè)貧銦區(qū)54b交替地規(guī)則地排列在阱層的平面方向上。在量子阱層(有源層)54上，由氮化物半導(dǎo)體形成的第二覆蓋層56摻入受主雜質(zhì)。
實(shí)際上，最好，具有構(gòu)成量子點(diǎn)或盒的阱層的有源層如參照?qǐng)D2至4所述的那樣構(gòu)成有源層16。相分離阱層的帶隙能量由這種阱層的平均半導(dǎo)體組成即相分離之前的組成所決定。
在具有阱層或構(gòu)成量子點(diǎn)或箱的層的有源層摻入受主雜質(zhì)和/或施主雜質(zhì)的情況下，閾值電流可以進(jìn)一步減低。
在一個(gè)阱層的平面中的銦含量的不均勻意味著具有不同帶隙(即富銦區(qū)和貧銦區(qū))的InGaN區(qū)產(chǎn)生在一個(gè)單獨(dú)的阱層的平面方向上。因而，在導(dǎo)電帶中所存在的電子立即降入富銦相中，并同在價(jià)電子帶中的所存在的空穴重新組合以發(fā)射hν的能量。換句話說，電子載流子和空穴載流子處于阱層的富銦相中而形成集中的激子，由此降低了激光的閾值電流并提高了激光的光發(fā)射輸出。
在阱層被摻入施主雜質(zhì)和/或受主雜質(zhì)例如硅時(shí)，由雜質(zhì)獲得的附加能級(jí)形成在導(dǎo)電帶和價(jià)電子帶之間。因而，電子載流子降到更深的雜質(zhì)感應(yīng)能級(jí)中，而空穴載流子則移動(dòng)到p-型雜質(zhì)感應(yīng)級(jí)，以形成電子載流子和空穴載流子的重新組合，由此而發(fā)射更小的hν的能量。這使我們相信電子載流子和空穴載流子進(jìn)一步被集中以進(jìn)一步產(chǎn)生集中的激子，而降低了激光裝置的閾值電流。在本發(fā)明中，最好包括硅和鍺，尤其是硅。特別是，當(dāng)硅被摻入時(shí)，閾值電流就會(huì)進(jìn)一步降低。同時(shí)，雜質(zhì)可以被摻入阻擋層中和MQW結(jié)構(gòu)的的有源層中，可以僅被摻入到一個(gè)阱層中或一個(gè)阻擋層中。
下面借助例子來說明本發(fā)明。
例1在該例子中，具有圖4所示的結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體LD器件被制造。
一充分清潔的尖晶石襯底11(MgAl2O4)被放置在MOVPE設(shè)備的反應(yīng)容器中，在該容器內(nèi)部的氣體完全由氫氣所取代。然后，在氫氣流動(dòng)中，襯底的溫度被提高到1050℃以進(jìn)行襯底的清潔。
接著，溫度被降到510℃，通過使用氫作為運(yùn)載氣體并用氨和三甲基鎵(TMG)作為原料氣體而使GaN緩沖層12在襯底11上生長(zhǎng)到約200埃的厚度。
在緩沖層的生長(zhǎng)之后，只停止TMG蒸汽，并在氨氣的流動(dòng)中使溫度被提高到1030℃。在1030℃，加入TMG氣體，使用硅烷氣體(SiH4)作為摻雜劑氣體，使Si-摻入n-型GaN層象n-型接觸層13一樣生長(zhǎng)到4μm的厚度。
然后，把溫度降到800℃，用TMG、TMI(三甲基銦)和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使由Si-摻入In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的防裂層30生長(zhǎng)到500埃的厚度。
然后，使溫度升到1030℃，用三甲基鋁(TMA)、TMG和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使Si-摻入n-型Al0.2Ga0.8N層象第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203一樣生長(zhǎng)到0.5μm的厚度。
接著，使溫度降到800℃，并只停止TMA蒸汽，使由Si-摻入n-型GaN所構(gòu)成的第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202生長(zhǎng)到0.2μm的厚度。
然后，使溫度升到1050℃，用TMA、TMG和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使由Si-摻入In0.1Ga0.9N所構(gòu)成的第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201生長(zhǎng)到300埃的厚度。
接著，用TMG、TMI和氨作為原料氣體，按下列方法使有源層16生長(zhǎng)。溫度被保持在800℃上并使由不摻雜的In0.2Ga0.8N所構(gòu)成的阱層生長(zhǎng)到25埃的厚度。接著，通過變化TMI的克分子率，而在相同溫度下，使由不摻雜的In0.01Ga0.99N所構(gòu)成的阻擋層生長(zhǎng)到50埃的厚度。把該連續(xù)操作重復(fù)進(jìn)行兩次，使阱層被層疊以形成具有7層MQW結(jié)構(gòu)的有源層。
然后，使溫度升到1050℃，通過使用TMG、TMA、氨和茂基鎂(Cp2Mg)而使由Mg-摻入p-型Al0.1Ga0.9N所構(gòu)成的第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101生長(zhǎng)到300埃的厚度。
接著，在1050℃下，通過使用TMG、氨和Cp2Mg而使由Mg-摻入p-型GaN所構(gòu)成的第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102生長(zhǎng)到0.2μm的厚度。
接著，在1050℃下，通過使用TMG、TMA、氨和茂基鎂(Cp2Mg)而使由Mg-摻入p-型Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成的第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103生長(zhǎng)到0.5μm的厚度。
最后，在1050℃下，使由Mg-摻入p-型GaN所構(gòu)成的p-型接觸層17生長(zhǎng)到0.5μm的厚度。
在此反應(yīng)之后，溫度被降低到室溫，晶片被拿出反應(yīng)容器。該晶片在700℃下進(jìn)行退火而進(jìn)一步降低p-型層的電阻。然后，從最頂層的p-型接觸層17進(jìn)行刻蝕以暴露出條狀型的n-型接觸層13的表面。在刻蝕處理之后，由二氧化硅所形成的電流限制層18被形成在p-型接觸層17上并在其中形成接觸孔18a。然后，由Ni和Au所組成的正電極20以條狀形成以使其能通過電流限制層18的接觸孔18a而同p-型接觸層17相接觸。另一方面，由Ti和Al所組成的負(fù)電極19以條狀形成。
接著，晶片在垂直于條形電極的方向上被切割成一條，并把切割表面進(jìn)行拋光以產(chǎn)生平行鏡面，其以SiO2和TiO2交替層疊以形成介電多層體。最后，該條在平行于電極的方向上切割被以產(chǎn)生4μm×600μm的條狀芯片，該芯片被用作激光芯片。這樣獲得的芯片被設(shè)到熱容器中，而在室溫下產(chǎn)生激光振蕩。所發(fā)現(xiàn)的激光振蕩是400nm的波長(zhǎng)，在脈沖電流(10μsec的脈寬，10％的占空比)下具有2kA/cm2的閾值脈沖電流密度和200K的T0(特性溫度)。
下面，在依賴于閾值電流密度的溫度的基礎(chǔ)上來評(píng)價(jià)本發(fā)明的器件。LD的閾值電流密度即Jth與exp(T/T0)成比例，其中T是工作溫度(K)，T0是特性溫度(K)。即，T0越大，即使在高溫下閾值電流密度越低，由此而導(dǎo)致穩(wěn)定的工作。
在例1的器件中，在第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和201沒有形成的情況下，則沒有觀察到激光振蕩。在第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和201中的一個(gè)沒有形成的情況下，本發(fā)明的LD器件呈現(xiàn)Jth＝3kA/cm2和T0＝100K。如上述那樣，具有AljGa1-jN的第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和201的例1的LD器件，在j是0.1時(shí)，給出了Jth＝2kA/cm2和T0＝200K。但是，具有AljGa1-jN的第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和201的例1的LD器件，在j是0.2時(shí)，給出了Jth＝1.5kA/cm2和T0＝300K。并且，具有AljGa1-jN的第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101和201的例1的LD器件，在j是0.3時(shí)，給出了Jth＝1.4kA/cm2和T0＝400K，由此，表示出了本發(fā)明的LD器件的優(yōu)良的特性。
例2本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了第一n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層201未生長(zhǎng)之外。該LD器件具有與圖2的LD器件相同的結(jié)構(gòu)，以使n-型載流子限制層(光限制層)14對(duì)應(yīng)于第三n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體203，而n-型光導(dǎo)層15對(duì)應(yīng)于第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202。該LD器件在Jth＝3kA/cm2和T0＝100K時(shí)呈現(xiàn)400nm的波長(zhǎng)的激光振蕩。
例3本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101未生長(zhǎng)之外。該LD器件具有與圖3的LD器件相同的結(jié)構(gòu)，以使p-型載流子限制層(光限制層)32對(duì)應(yīng)于第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103，而p-型光導(dǎo)層31對(duì)應(yīng)于第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102。該LD器件象例2的LD的情況下那樣在Jth＝3kA/cm2時(shí)呈現(xiàn)400nm的波長(zhǎng)的激光振蕩，并給出T0＝100K。
例4本發(fā)明的LD器件按例2那樣制造，除了有源層16具有由阱層所形成的單獨(dú)量子阱結(jié)構(gòu)之外，該阱層由具有50埃的厚度的不摻雜Al0.2Ga0.8N所構(gòu)成并且第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101由Al0.7Ga0.7N所形成之外。該LD器件在Jth＝5kA/cm2和T0＝50K時(shí)呈現(xiàn)400nm的波長(zhǎng)的激光振蕩。
例5本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了第二n-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層202由Si-摻入n-型In0.01Ga0.99N所形成并且第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102由Mg-摻入p-型In0.01Ga0.99N所形成之外，該LD器件呈現(xiàn)與例1相同的特性。
例6
本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了有源層的阱層和阻擋層都以1×1019/cm3的濃度摻入硅而作為施主雜質(zhì)之外。相對(duì)于例1的LD器件，該器件呈現(xiàn)降低了5％的閾值電流和提高了約10％的T0。
例7本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了有源層的阱層和阻擋層都以1×1018/cm3的濃度摻入鎂而作為受主雜質(zhì)之外。該器件呈現(xiàn)與例1相同的特性。
例8本發(fā)明的LD器件按例1那樣制造，除了有源層的阱層和阻擋層都以1×1019/cm3的濃度摻入硅而作為施主雜質(zhì)并以1×1018/cm3的濃度摻入鎂而作為受主雜質(zhì)之外。該LD器件呈現(xiàn)與例6相同的特性。
例9在該例中，制造出了具有如圖2所示的的結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體LD器件。
首先，把被完全清洗了的藍(lán)寶石襯底(0001面)11放置在M0VPE設(shè)備的反應(yīng)室中。使用TMG和氨作為原料氣體，GaN在500℃下生長(zhǎng)在襯底上到200埃的厚度以形成緩沖層12。
然后，使溫度升到1050℃，用TMG和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使Si-摻入GaN在此溫度下生長(zhǎng)到4μm的厚度而形成n-型接觸層13。
此后，使溫度降到750℃，用TMG、TMI和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使Si-摻入n-型Al0.3Ga0.7N生長(zhǎng)到0.5μm的厚度以形成n-型載流子限制層14。
然后，用TMG和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使Si-摻入n-型GaN生長(zhǎng)到500埃的厚度而形成n-型光導(dǎo)層15。
接著，用TMG、TMI和氨作為原料氣體，使有源層16生長(zhǎng)。特別是，使溫度保持在750℃上，使不摻雜In0.2Ga0.8N生長(zhǎng)在n-型光導(dǎo)層15上而到達(dá)25埃的厚度以形成阱層。然后，在相同溫度下通過改變TMI蒸汽的流動(dòng)率，而使不摻雜In0.1Ga0.9N生長(zhǎng)在阱層上而到達(dá)50埃的厚度以形成阻擋層。交替形成阱層和阻擋層的過程總共重復(fù)13次，最終長(zhǎng)成這種阱層，這樣形成具有0.1μm的總厚度的MQW結(jié)構(gòu)的有源層16。
在有源層16形成之后，使溫度升到1050℃，用TMG、TMA和氨作為原料氣體并用Cp2Mg作為施主氣體，而使Mg-摻入Al0.2Ga0.8N生長(zhǎng)到100埃的厚度以形成第一p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層101。
然后，把溫度保持在1050℃上，用TMG和氨作為原料氣體并用Cp2Mg作為施主氣體，而使Mg-摻入p-型GaN生長(zhǎng)到500埃的厚度以形成第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102。
接著，用TMG、TMA和氨作為原料氣體并用Cp2Mg作為施主氣體，通過使Mg-摻入Al0.3Ga0.7N生長(zhǎng)到0.5μm的厚度以形成第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103。
接著，用TMG和氨作為原料氣體并用Cp2Mg作為施主氣體，而使Mg-摻入p-型GaN生長(zhǎng)到0.5μm的厚度以形成p-型接觸層17。
在反應(yīng)之后，溫度被降低到室溫，晶片被拿出反應(yīng)容器。然后，從最頂層的p-型接觸層17進(jìn)行刻蝕以暴露出條狀型的n-型接觸層13的表面。然后，由Ni和Au所組成的正電極20以條狀形成，而由Ti和Al所組成的負(fù)電極19以條狀形成。這樣處理后的晶片在垂直于條形電極19和20的縱向的方向上被進(jìn)行豎直腐蝕以形成豎直的刻蝕表面，其上的反射鏡面被形成為準(zhǔn)備諧振面，由此提供一個(gè)LD芯片。該器件被設(shè)到熱容器中，而在室溫下產(chǎn)生激光振蕩。所發(fā)現(xiàn)的激光振蕩是具有0.2nm的半帶寬的410nm的波長(zhǎng)，閾值脈沖電流密度是2kA/cm2。
例10按與例9一樣的方法來制造LD器件，除了第三p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層103形成為0.1μm的厚度之外。該器件在室溫下以具有0.2nm的半帶寬的410nm的波長(zhǎng)呈現(xiàn)激光振蕩，并且，閾值脈沖電流密度是4.0kA/cm2。
例11與例9一樣的方法來進(jìn)行制造，除了防裂層30形成為200埃的厚度以及在形成n-型載流子限制層14之前進(jìn)一步使由Si-摻入GaN所組成的n-型接觸層在防裂層上形成到0.5μm之外。這樣制造出的LD器件在室溫下以具有0.2nm的半帶寬的410nm的波長(zhǎng)呈現(xiàn)激光振蕩，并且，閾值脈沖電流密度是4.0kA/cm2。
例12與例9一樣的方法來進(jìn)行制造，除了通過用TMG、TMI和氨作為原料氣體并用硅烷氣體作為摻雜劑氣體而使Si-摻入n-型In0.05Ga0.95N來使n-型載流子限制層14形成為500埃的厚度而形成n-型載流子限制層14以及通過用TMG、TMI和氨作為原料氣體并用Cp2Mg作為施主氣體而使Mg-摻入In0.01Ga0.99N生長(zhǎng)到500埃的厚度而形成第二p-側(cè)氮化物半導(dǎo)體層102之外。這樣制造出的LD器件在室溫下以具有0.2nm的半帶寬的410nm的波長(zhǎng)呈現(xiàn)激光振蕩，并且，閾值脈沖電流密度是4.0kA/cm2。
例13與例9一樣的方法來進(jìn)行制造，除了使用尖晶石((111)-plane)作為襯底11之外。所獲得的晶片按例1那樣進(jìn)行處理，由此而獲得LD器件。這樣制造出的LD器件在室溫下以具有0.2nm的半帶寬的410nm的波長(zhǎng)呈現(xiàn)激光振蕩，并且，閾值脈沖電流密度是4.0kA/cm2。
例14與例1一樣的方法來進(jìn)行制造，除了在In0.2Ga0.8N(平均組成)的每個(gè)阱層形成之后，把該阱保持5秒然后形成每個(gè)阻擋層，而獲得LD器件之外。在該器件中，發(fā)現(xiàn)每個(gè)阱層被相分離成為富銦區(qū)和貧銦區(qū)，而每個(gè)富銦區(qū)幾乎對(duì)應(yīng)于In0.4Ga0.6N的組成，每個(gè)貧銦區(qū)幾乎對(duì)應(yīng)于In0.02Ga0.98N的組成。進(jìn)而，可以通過TEM截面相片確定富銦區(qū)和貧銦區(qū)交替地有規(guī)則地排列在阱層的平面方向上(參見圖6)。這樣制造出的LD器件呈現(xiàn)出電流密度低于例1所制造的器件的器件的30％，和T0高于例1所制造的器件的20％。
例15與例14一樣的方法來進(jìn)行制造，除了在每個(gè)阱層中摻入硅而制造LD器件之外。這樣制造出的LD器件呈現(xiàn)出電流密度低于例1所制造的器件的器件的40％，和T0高于例1所制造的器件的30％。
在上述的每個(gè)實(shí)施例中，未特別指明濃度的雜質(zhì)是以上述優(yōu)選濃度范圍被摻入。
上述的例子表示出最佳的例子，其中有源層、第一氮化物半導(dǎo)體層、第二氮化物半導(dǎo)體層和第三氮化物半導(dǎo)體層相接觸。但是，根據(jù)本發(fā)明，至少第一氮化物半導(dǎo)體層需要接觸有源層，而其他的氮化物半導(dǎo)體層可以被插入第一氮化物半導(dǎo)體層和第二氮化物半導(dǎo)體層之間或者第二氮化物半導(dǎo)體層和第三氮化物半導(dǎo)體層之間。
其他的優(yōu)點(diǎn)和改型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因而，本發(fā)明的范圍并不僅限于上述特定的詳細(xì)描述和所示的各個(gè)實(shí)施例。因此，在不背離由權(quán)利要求書及其等同物所限定的發(fā)明內(nèi)容的范圍和精神的情況下，可以進(jìn)行各種改型。
權(quán)利要求
1.一種具有氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件，其特征為包含具有第一和第二表面且由含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層(16)；和有源層(16)第一表面鄰接且具有比有源層(16)大的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層(101，201)；第二氮化物半導(dǎo)體層(102，202)，它位于有源層(16)第一表面一側(cè)，比第一氮化物半導(dǎo)體層(101，201)離有源層(16)遠(yuǎn)，且具有比第一氮化物半導(dǎo)體層(101，201)小的帶隙能量；第三氮化物半導(dǎo)體層(103，203)，它位于有源層(16)第一表面一側(cè)，比第二氮化物半導(dǎo)體層(102，202)離有源層(16)遠(yuǎn)，且具有比第二氮化物半導(dǎo)體層(102，202)大的帶隙能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征為所說第一氮化物半導(dǎo)體層厚度足夠薄以使載流子能隧穿通過。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征為所說第一氮化物半導(dǎo)體層的厚度為0.1μm或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的器件，其特征為所說第一氮化物半導(dǎo)體層的厚度為10埃或更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其特征為所說雜質(zhì)包括硅或鍺。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其特征為所說雜質(zhì)至少摻入一個(gè)阱層中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征為在有源層的p端提供所說層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的器件，其特征為所說第二氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第一氮化物半導(dǎo)體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的器件，其特征為所說第三氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第二氮化物半導(dǎo)體層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征為在有源層的n端提供所說層結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其特征為所說第二氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第一氮化物半導(dǎo)體層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的器件，其特征為所說第三氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第二氮化物半導(dǎo)體層。
14.一種氮化物半導(dǎo)體器件，其特征為包含具有第一和第二表面且由含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層(16)；和有源層(16)第一表面鄰接且具有比有源層(16)大的帶隙能量的第一層(101)；在有源層(16)第一表面一側(cè)、比第一層(101)離有源層(16)遠(yuǎn)、由含受主雜質(zhì)氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、且具有比第一層(101)小的帶隙能量的第二層(102)；在有源層(16)第一表面一側(cè)、比第二層(102)離有源層(16)遠(yuǎn)、由含受主雜質(zhì)氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、且具有比第二層(102)大的帶隙能量的第三層(103)；
15.根據(jù)權(quán)利要求14的器件，其特征為所說第一層的厚度足夠薄以使載流子能隧穿通過。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的器件，其特征為所說第一層的厚度為0.1μm或更小。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的器件，其特征為所說第一層的厚度為10埃或更大。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其特征為所說雜質(zhì)包括硅或鍺。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，其特征為所說雜質(zhì)至少摻入一個(gè)所說阱層中。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的器件，其特征為所說第二層鄰接所說第一層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的器件，其特征為所說第三層鄰接所說第二層。
23.一種氮化物半導(dǎo)體器件，包含具有第一和第二表面且由含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層(16)；所形成的與有源層(16)第二表面鄰接且具有比有源層(16)大的帶隙能量的第一層(201)；形成在有源層(16)第二表面一側(cè)、比第一層(101)離有源層(16)遠(yuǎn)、由n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、且具有比第一層(201)小的帶隙能量的第二層(202)；形成在有源層(16)第二表面一側(cè)、比第二層(102)離有源層(16)遠(yuǎn)、由n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的、且具有比第二層(202)大的帶隙能量的第三層(203)；
24.根據(jù)權(quán)利要求23的器件，其特征為所說第一層的厚度足夠薄以使載流子能隧穿通過。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的器件，其特征為所說第一層的厚度為0.1μm或更小。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的器件，其特征為所說第一層的厚度為10埃或更大。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的器件，其特征為所說雜質(zhì)包括硅或鍺。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的器件，其特征為所說雜質(zhì)至少摻入一個(gè)所說阱層中。
30.根據(jù)權(quán)利要求23的器件，其特征為所說第二層鄰接所說第一層。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的器件，其特征為所說第三層鄰接所說第二層。
32.一種氮化物半導(dǎo)體器件，其特征為包含具有第一和第二表面且由含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)有源層(16)；第一氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，包含所形成的與有源層(16)第一表面鄰接且具有比有源層(16)大的帶隙能量的第一p端氮化物半導(dǎo)體層(101)；形成在有源層(16)第一表面一側(cè)、比第一p端氮化物半導(dǎo)體層(101)離有源層(16)遠(yuǎn)、且具有比第一p端氮化物半導(dǎo)體層(101)小的帶隙能量的第二p端氮化物半導(dǎo)體層(102)；形成在有源層(16)第一表面一側(cè)、比第二p端氮化物半導(dǎo)體層(102)離有源層(16)遠(yuǎn)、且具有比第二p端氮化物半導(dǎo)體層(102)大的帶隙能量的第三p端氮化物半導(dǎo)體層(103)；和第二氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，包含所形成的與有源層(16)第二表面鄰接且具有比有源層-(16)大的帶隙能量的第一n端氮化物半導(dǎo)體層(201)；形成在有源層(16)第二表面一側(cè)、比第一n端氮化物半導(dǎo)體層(201)離有源層(16)遠(yuǎn)、且具有比第一n端氮化物半導(dǎo)體層(201)小的帶隙能量的第二n端氮化物半導(dǎo)體層(202)；形成在有源層(16)第二表面一側(cè)、比第二n端氮化物半導(dǎo)體層(202)離有源層(16)遠(yuǎn)、且具有比第二n端氮化物半導(dǎo)體層(202)大的帶隙能量的第三n端氮化物半導(dǎo)體層(203)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說第一p端氮化物半導(dǎo)體層的厚度足夠薄以使載流子能隧穿通過。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說第一p端氮化物半導(dǎo)體層的厚度為0.1μm或更小。
35.根據(jù)權(quán)利要求25的器件，其特征為所說第一p端氮化物半導(dǎo)體層的厚度為10?；蚋蟆?br> 36.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的器件，其特征為所說雜質(zhì)包括硅或鍺。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的器件，其特征為所說雜質(zhì)至少摻入一個(gè)所說阱層中。
39.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說第一n端氮化物半導(dǎo)體層的厚度足夠薄以使載流子能隧穿通過。
40.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說第一n端氮化物半導(dǎo)體層的厚度為0.1μm以下。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的器件，其特征為所說第一n端氮化物半導(dǎo)體層的厚度為10?；蚋蟆?br> 42.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征為所說第二p端氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第一p端氮化物半導(dǎo)體層，所說第三p端氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第二p端氮化物半導(dǎo)體層。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的器件，其特征為所說第二n端氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第一n端氮化物半導(dǎo)體層，所說第三n端氮化物半導(dǎo)體層鄰接所說第二n端氮化物半導(dǎo)體層。
44.一種具有在基片上的層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件，所說層結(jié)構(gòu)包括n型接觸層，由含鋁氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一n型覆蓋層，由含銦氮化物半導(dǎo)體或GaN構(gòu)成的第二n型覆蓋層，由含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，由含鋁氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一p型覆蓋層，由含銦氮化物半導(dǎo)體或GaN構(gòu)成的第二p型覆蓋層，由含鋁氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第三p型覆蓋層，和p型接觸層。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的器件，其特征為所說雜質(zhì)包括硅或鍺。
47.根據(jù)權(quán)利要求45的器件，其特征為所說雜質(zhì)摻入阱層中。
48.一種氮化物半導(dǎo)體器件，其特征為包含由n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一覆蓋層(52)；在第一覆蓋層(52)上的量子阱結(jié)構(gòu)有源層(16)，所說有源層(16)由含銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并至少具有一個(gè)厚度不大于70埃的阱層(54)，其中所說阱層(54)以和下層晶格失配的狀態(tài)置于下層上，且包括多個(gè)富銦區(qū)(54a)和少銦區(qū)(54b)；和在有源層上且由摻受主雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二覆蓋層(56)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的器件，其特征為所說有源層摻有雜質(zhì)。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的器件，其特征為所說雜質(zhì)包硅或鍺。
51.根據(jù)權(quán)利要求49的器件，其特征為所說雜質(zhì)摻入阱層中。
52.一種氮化物半導(dǎo)體器件包括由n型含鋁氮化物半導(dǎo)體或n型氮化鎵構(gòu)成的第一n型層；由n型含鋁氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二n型層；其特征為器件具有由在第一n型層和第二n型層之間的n型含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第三n型層。
全文摘要
一種具有氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件。該層結(jié)構(gòu)包括含銦氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層(16)。提供具有比有源層(16)大的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層(101)，使之與有源層(16)接觸。在第一層(101)之上提供具有比第一層(101)小的帶隙能量的第二氮化物半導(dǎo)體層(102)。另外，在第二層(102)之上提供具有比第二層(102)大的帶隙能量的第三氮化物半導(dǎo)體層(103)。
文檔編號(hào)H01L33/06GK1156909SQ9612052
公開日1997年8月13日 申請(qǐng)日期1996年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月6日
發(fā)明者中村修二, 長(zhǎng)濱慎一, 巖佐成人 申請(qǐng)人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社