專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
作為能夠發(fā)射可見(jiàn)光到紫外光范圍的光的發(fā)光元件，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了諸如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器二極管等使用III族氮化物半導(dǎo)體單晶(AlxGa1-x)1-yInyN(0＝x＝1，0＜y＝1)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器元件，其中通過(guò)將具有小帶隙和幾個(gè)納米的膜厚度的半導(dǎo)體層夾在兩個(gè)具有更大帶隙的半導(dǎo)體層之間而形成了用作發(fā)光層的量子阱。還提出了可以通過(guò)將調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)用作多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的有源層來(lái)允許低閾值操作的半導(dǎo)體激光器元件。
常規(guī)上，在基于InGaN的半導(dǎo)體激光器中，已經(jīng)僅對(duì)用作有源層的InGaN-MQW中的阻擋層或僅對(duì)其中的勢(shì)阱層或者對(duì)這兩種層均勻地?fù)郊永鏢i等的雜質(zhì)(例如，參見(jiàn)再公開(kāi)專(zhuān)利WO98/19375)。可選擇的是，還提出了其中有源層未摻雜的MQW，即未摻雜MQW(沒(méi)有故意摻加雜質(zhì))(例如參見(jiàn)日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)公開(kāi)No.2001-7444)。
過(guò)去，即使在具有量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，工作電流密度也比較高，并且沒(méi)有獲得足以實(shí)際應(yīng)用的特性。因此，需要一種具有小工作電流密度并且適于連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體發(fā)光元件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，提供一種具有小閾值電流密度的半導(dǎo)體發(fā)光元件可以視作本發(fā)明所要解決的問(wèn)題之一。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件是至少由包含有源層的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光元件，該有源層是由包括勢(shì)阱層和將勢(shì)阱層夾在其間的阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)組成的，其中所述勢(shì)阱層在電子注入側(cè)上與所述阻擋層的界面處和所述界面附近部分地具有添加了n型雜質(zhì)摻雜的勢(shì)阱區(qū)域，并且其中所述阻擋層至少在所述界面處和所述界面附近具有添加了所述n型雜質(zhì)的摻雜的阻擋區(qū)域。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法是一種用于制造至少由包含有源層的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，該有源層是由具有勢(shì)阱層和將勢(shì)阱層夾在其間的阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)組成的，所述方法包括以下步驟生長(zhǎng)阻擋層同時(shí)添加n型雜質(zhì)，使得在最上部表面上形成了添加了所述n型雜質(zhì)的摻雜阻擋區(qū)域；并且在該阻擋層的所述最上部表面上生長(zhǎng)勢(shì)阱層，同時(shí)添加所述n型雜質(zhì)以在電子注入側(cè)上用作與所述阻擋層的界面的所述最上部表面上形成添加了所述n型的雜質(zhì)摻雜勢(shì)阱區(qū)域。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的橫截面示意圖；圖2是示出在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多量子阱層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器中的有源層的放大橫截面示意圖；圖3是示出在本發(fā)明和比較實(shí)例中的多量子阱結(jié)構(gòu)樣本的PL強(qiáng)度的圖表；以及圖4到9是示出在實(shí)驗(yàn)中使用的多量子阱結(jié)構(gòu)的樣本中的有源層的放大橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將參照附圖通過(guò)實(shí)施例描述本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
圖1示出了一個(gè)實(shí)施例的III族氮化物半導(dǎo)體激光器元件。這種半導(dǎo)體激光器元件包括n型接觸層3；n型包覆層4；n型引導(dǎo)層5；具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層6，該結(jié)構(gòu)由一對(duì)或多對(duì)勢(shì)阱層和阻擋層構(gòu)成，其主要組成元素是In、Ga和N；p型引導(dǎo)層8；p型包覆層9；和p型接觸層10，這些層按照以上順序疊置在單晶藍(lán)寶石基底1上。此處，該半導(dǎo)體激光器元件的n型電極14和p型電極13分別與n型接觸層3和p型接觸層10相連。換句話(huà)說(shuō)，這種半導(dǎo)體激光器元件是由p型和n型載流子注入層組構(gòu)成的，該p型和n型載流子注入層組位于具有至少由III族氮化物制成的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層之上和之下，并且分別將空穴和電子注入該有源層中。兩個(gè)載流子注入層組中的每一個(gè)包括引導(dǎo)層、包覆層和接觸層，這些層按照該順序置于有源層的兩側(cè)中的每一側(cè)上。脊形條部分18形成在p型包覆層9中，SiO2絕緣膜11覆蓋并保護(hù)了該元件上除電極之外的部分。所形成的n型和p型包覆層4和9的折射率低于n型和p型引導(dǎo)層5和8的折射率，從而依靠與引導(dǎo)層的折射率差，沿膜的厚度方向引導(dǎo)所生成的光波。脊形條部分18通過(guò)改變包覆層9的膜厚度生成了有效折射率的水平臺(tái)階，并且提供該脊形條部分以便將生成的光限制在水平方向上。n型接觸層3是作為電流路徑提供的襯層。由于用作基底的藍(lán)寶石根本不具有任何導(dǎo)電性，因此提供了層3。而且，在半導(dǎo)體激光器元件中，還可以將低溫下形成的由GaN或AlN制成的所謂緩沖層置于n型接觸層3和藍(lán)寶石基底1之間。而且，尤其是，還可以將由p型AlGaN制成的電子阻擋層置于有源層6和p型引導(dǎo)層8之間，由此進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)電子的限制。
如圖2所示，III族氮化物半導(dǎo)體激光器元件的有源層6具有化合物半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括其中每個(gè)都部分摻雜Si的勢(shì)阱層62以及相鄰的摻雜Si的阻擋層61，這些層交替層疊。通過(guò)多個(gè)單晶膜的連續(xù)外延生長(zhǎng)形成了勢(shì)阱層62以及阻擋層61，每個(gè)單晶膜主要由III族氮化物Bx’AlxGayInzN(x’+x+y+z＝1)制成。
如果在n型電極14和p型電極13上施加電壓，使得電子從n型引導(dǎo)層5注入有源層6中，則注入的電子主要集中在勢(shì)阱層62中。這是因?yàn)橛性磳佑删哂懈逫n含量(即小帶隙)的勢(shì)阱層62和具有低In含量(即大帶隙)的阻擋層61構(gòu)成。從p型引導(dǎo)層8注入的空穴與從n型引導(dǎo)層5注入的電子再結(jié)合，從而生成光。所生成的光受到引導(dǎo)層、包覆層和脊的限制。將光限制在包覆層對(duì)之間的內(nèi)部區(qū)域中，并且沿平行于脊的方向引導(dǎo)光，使得該光從激光器元件的端面射出。
如圖2所示，每個(gè)勢(shì)阱層62在電子注入側(cè)上與阻擋層61的界面處以及該界面附近，部分具有添加了n型雜質(zhì)的摻雜勢(shì)阱區(qū)域62a。而且每個(gè)阻擋層61至少在該界面和該界面附近具有添加了n型雜質(zhì)的摻雜阻擋區(qū)域61a。
位于相鄰放置的勢(shì)阱層62和阻擋層61中的添加了n型雜質(zhì)的摻雜勢(shì)阱區(qū)域62a和添加了n型雜質(zhì)的摻雜阻擋區(qū)域61a提高了III族氮化物半導(dǎo)體激光器元件的發(fā)光特性。
如圖2所示，其中t是每個(gè)摻雜勢(shì)阱區(qū)域62a的膜厚度，w是每個(gè)勢(shì)阱層62的膜厚度，所希望的是厚度值在0＜t＜(w/2)的范圍內(nèi)。所希望的是每個(gè)阻擋層61在勢(shì)阱層62的空穴注入側(cè)位置上的界面處以及該界面附近具有未摻雜阻擋區(qū)域61b，在該區(qū)域沒(méi)有添加n型雜質(zhì)。而且，所希望的是每個(gè)勢(shì)阱層62在勢(shì)阱層62的空穴注入側(cè)上的界面處和該界面附近具有未摻雜勢(shì)阱區(qū)域62b，在該區(qū)域沒(méi)有添加n型雜質(zhì)。此外，如果形成了n型III族化合物半導(dǎo)體層，可以將IV族或VI族元素，例如Si、Ge、Se、Te或C用作n型雜質(zhì)，并且所希望的n型雜質(zhì)是Si或Ge。可以用鉈(Tl)來(lái)取代III族氮化物化合物半導(dǎo)體的一部分III族元素硼(B)。除了藍(lán)寶石之外，基底可以由硅(Si)、碳化硅(SiC)、尖晶石(MgAl2O4)、ZnO、MgO等構(gòu)成。
包括本發(fā)明中的有源層的半導(dǎo)體層晶體結(jié)構(gòu)是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，元件的主平面就是所謂的C平面。纖鋅礦結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯示出關(guān)于C軸方向的鏡像對(duì)稱(chēng)性，因此在所謂的C平面中存在兩個(gè)(前和后)極性，即(0001)平面和(000-1)平面。與此相應(yīng)，在外延生長(zhǎng)方向上也存在<0001>方向和<000-1>方向。在本發(fā)明的實(shí)施例中，外延生長(zhǎng)方向是<0001>方向。這是因?yàn)橐呀?jīng)實(shí)驗(yàn)證明了在<0001>方向上生長(zhǎng)的晶體層的發(fā)光特性?xún)?yōu)于在<000-1>方向上生長(zhǎng)的晶體層的發(fā)光特性。
通常，如果進(jìn)行所謂的調(diào)制摻雜，則在勢(shì)阱層或阻擋層中實(shí)施均勻摻雜。另一方面，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在主要在阻擋層中實(shí)施摻雜的同時(shí)，通過(guò)有意地移動(dòng)摻雜位置，則可以改進(jìn)元件的發(fā)光特性。以下，將這種有意地移動(dòng)摻雜位置的技術(shù)稱(chēng)作“偏移摻雜(offset doping)”，并且向空穴注入側(cè)的偏移將稱(chēng)作“正(+)”，而向電子注入側(cè)的偏移將稱(chēng)作“負(fù)(-)”。此外，在以下僅使用了術(shù)語(yǔ)“偏移”或者“偏移量”的情況中，則這表示摻雜部分或區(qū)域，即添加了n型雜質(zhì)(例如Si等)的部分或區(qū)域的偏移或偏移量。
以下，將詳細(xì)地描述本發(fā)明用于制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，該元件具有主要由III族氮化物制成的有源層。
此處，在本實(shí)施例的元件中，將金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)的外延生長(zhǎng)用作成膜方法。此外，利用可以形成陡直的異質(zhì)界面(steep hetero-interface)的分子束外延(MBE)方法，也可以制造半導(dǎo)體發(fā)光元件。
將襯層晶片安裝在MOCVD反應(yīng)器中，該襯層晶片上已經(jīng)預(yù)先形成了作為藍(lán)寶石基底上的n型接觸層的膜厚度為15μm的GaN膜，在300Torr的壓強(qiáng)下開(kāi)始提高氫運(yùn)載氣體的溫度。當(dāng)基底溫度達(dá)到400℃時(shí)，將用作氮?dú)庠吹陌币敕磻?yīng)器中，并且繼續(xù)提高溫度。
當(dāng)基底溫度達(dá)到1050℃時(shí)，將用作Ga前體的三甲基鎵(trimethygallium)(下文中縮寫(xiě)為T(mén)MG)、用作Al前體的三甲基鋁(trimethyaluminum)(下文中縮寫(xiě)為T(mén)MA)以及用作Si前體的甲基硅甲烷(methylsilane)(所謂的MeSiH3)引入反應(yīng)器中，并且由摻雜Si的AlGaN構(gòu)成的n型包覆層在n型接觸層的表面上生長(zhǎng)到膜厚度為1.2μm(n型包覆層形成過(guò)程)。當(dāng)達(dá)到n型包覆層的目標(biāo)厚度時(shí)，僅僅停止提供TMA。
接著，繼續(xù)提供TMG和甲基硅甲烷，使得由摻雜Si的GaN構(gòu)成的n型引導(dǎo)層到在n型包覆層的表面上生長(zhǎng)到膜厚度為0.05μm(n型引導(dǎo)層形成過(guò)程)。當(dāng)達(dá)到n型引導(dǎo)層的目標(biāo)厚度時(shí)，停止提供TMG和甲基硅甲烷，并且開(kāi)始使溫度下降。
接著，當(dāng)基底溫度達(dá)到780℃時(shí)，將運(yùn)載氣體從氫氣變?yōu)榈獨(dú)?。然后，引入用作In前體的TMG和第一三甲基銦(下文中縮寫(xiě)為T(mén)MI)，并且由未摻雜InGaN構(gòu)成的阻擋層在n型引導(dǎo)層的表面上生長(zhǎng)到膜厚度為10埃(未摻雜阻擋層形成過(guò)程)。
接著，引入甲基硅甲烷，并且由摻雜Si的InGaN構(gòu)成的摻雜阻擋區(qū)域(摻雜Si區(qū)域)在未摻雜阻擋區(qū)域(未摻雜部分)的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為50埃(摻雜Si的阻擋層形成過(guò)程)。
接著，停止提供第一TMI，并且取而代之提供第二TMI，使得由摻雜Si的InGaN構(gòu)成的摻雜勢(shì)阱區(qū)域(摻雜Si部分)在摻雜阻擋區(qū)域(摻雜Si部分)的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為10埃(摻雜Si的勢(shì)阱層形成過(guò)程)。此處，第一TMI與第二TMI之間的唯一差別在于流速。根據(jù)這個(gè)流速差形成InxGa1-xN(0＜x＜1)的勢(shì)阱層和InyGa1-yN(0＝y(tǒng)＜x)的阻擋層，即這兩層具有不同的固相成分。
接著，停止提供甲基硅甲烷，并且勢(shì)阱層(未摻雜部分)在摻雜勢(shì)阱區(qū)域(摻雜Si部分)的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為20埃(未摻雜勢(shì)阱層形成過(guò)程)。
接著，停止提供第二TMI，取而代之提供第一TMI，使得從上述未摻雜阻擋層形成過(guò)程開(kāi)始重復(fù)該過(guò)程。例如，從未摻雜阻擋層形成過(guò)程到未摻雜勢(shì)阱層形成過(guò)程的過(guò)程總共重復(fù)三次。然后，形成最后的阻擋層(由未摻雜部分和摻雜Si部分構(gòu)成)，從而通過(guò)偏移摻雜獲得具有三個(gè)勢(shì)阱層的MQW有源層。在每個(gè)摻雜區(qū)域中，Si原子在晶體中的濃度優(yōu)選為8E17到1E19/cc，更為優(yōu)選的是1E18到7E18/cc。調(diào)整上述過(guò)程中的甲基硅甲烷的流速，使得Si原子在最終的晶體中的濃度在上述范圍內(nèi)。
接著，當(dāng)最后的阻擋層的膜厚度達(dá)到總共60埃時(shí)，停止提供第一TMI和甲基硅甲烷，取而代之引入TMA和作為Mg前體的二乙基環(huán)戊二烯鎂(bis-ethylcyclopentadienylmagnesium){Mg(C2H5C5H4)2下文中縮寫(xiě)為EtCp2Mg}，使得由摻雜Mg的AlGaN構(gòu)成的電子阻擋層在有源層的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為200埃(電子阻擋層形成過(guò)程)。
接著，將運(yùn)載氣體從氮?dú)庾優(yōu)闅錃?，并且開(kāi)始提高溫度。當(dāng)基底溫度達(dá)到1050℃時(shí)，引入TMG和EtCp2Mg，并且由摻雜Mg的GaN構(gòu)成的p型引導(dǎo)層在電子阻擋層的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為0.05μm(p型引導(dǎo)層形成過(guò)程)。
接著，引入TMA，并且由摻雜Mg的AlGaN構(gòu)成的p型包覆層在p型引導(dǎo)層的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為0.5μm(p型包覆層形成過(guò)程)。
接著，僅停止提供TMA，并且由摻雜Mg的GaN構(gòu)成的p型接觸層在p型包覆層的頂部上生長(zhǎng)到膜厚度為0.1μm(p型接觸層形成過(guò)程)。
接著，停止提供TMG和EtCp2Mg，并且開(kāi)始降低溫度。當(dāng)基底溫度達(dá)到400℃或更低時(shí)，停止提供氨。當(dāng)基底溫度達(dá)到室溫時(shí)，從MOCVD裝置中去除其上已經(jīng)疊置了半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的晶片。
然后，通過(guò)利用普通光刻處理和干蝕刻使n型接觸層部分曝光，來(lái)劃分電流路徑。此外，形成由p型接觸層和p型包覆層構(gòu)成的脊形條部分，并且在曝光表面上沉積由SiO2等構(gòu)成的絕緣膜。接著，在這個(gè)絕緣膜中構(gòu)建用于形成電極的窗口的圖案。然后，將由鈦和鎳等構(gòu)成的n型電極和p型電極分別與n型接觸層和p型接觸層相連。
然后，將背表面上的藍(lán)寶石基底一側(cè)拋光至指定的晶片厚度，并且通過(guò)劈裂來(lái)分割晶片，從而形成芯片。
通過(guò)上述方法，制造了脊寬度為5μm、諧振器長(zhǎng)度為1mm的激光器元件，并且使這種激光器元件經(jīng)受了驅(qū)動(dòng)測(cè)試。結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)這種激光器元件展示出在405nm的波長(zhǎng)的激光振蕩和4.3kA/cm2的閾值電流密度。為了比較，還制造了常規(guī)的激光器元件，其中僅僅在阻擋層中進(jìn)行了均勻的摻雜，而沒(méi)有任何偏移，并且使其經(jīng)受了驅(qū)動(dòng)測(cè)試。結(jié)果是，閾值電流密度為7.8kA/cm2。
脫離開(kāi)對(duì)上述激光器元件的比較，制造了不同的PL(光致發(fā)光)評(píng)價(jià)樣本，以便僅僅比較有源層，并且對(duì)這些樣本進(jìn)行測(cè)量。上述樣本基本上是在上述激光器結(jié)構(gòu)的最上部阻擋層處中斷了生長(zhǎng)的樣本。這種樣本以下將稱(chēng)作MQW樣本。
第一種MQW樣本具有與上述實(shí)施例中的上述激光器元件的有源層部分相同的結(jié)構(gòu)。按照如下方式制造這種樣本在未摻雜阻擋層形成過(guò)程和勢(shì)阱層形成過(guò)程中不是同時(shí)引入第一TMI和甲基硅甲烷，因此，在該偏移中存在時(shí)間差(對(duì)應(yīng)于等于勢(shì)阱層的膜厚度w的1/3的摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度t)。此外，在阻擋層形成過(guò)程中，停止提供第一TMI，并且即使在引入第二TMI之后也繼續(xù)提供甲基硅甲烷，以及在已經(jīng)經(jīng)過(guò)了指定的偏移時(shí)間差(對(duì)應(yīng)于等于勢(shì)阱層的膜厚度w的1/3的摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度t)之后，停止提供甲基硅甲烷。這種MQW樣本將稱(chēng)作樣本D。
此外，比較樣本的制造如下所述，并且利用PL方法進(jìn)行發(fā)光特性的比較測(cè)試。
作為比較實(shí)例A，除了在于在樣本D的制造過(guò)程中，在有源層的生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有引入甲基硅甲烷外，通過(guò)與樣本D的情況下相同的過(guò)程制造所謂的未摻雜MQW樣本。
作為比較實(shí)例B，除了在樣本D的制造過(guò)程中，在勢(shì)阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有引入甲基硅甲烷并且在阻擋層的生長(zhǎng)過(guò)程中引入甲基硅甲烷外，通過(guò)與樣本D情況下相同的過(guò)程制造所謂的阻擋層均勻摻雜MQW樣本。
作為比較實(shí)例C，除了在樣本D的制造過(guò)程中，在阻擋層的生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有引入甲基硅甲烷，并且在勢(shì)阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中引入甲基硅甲烷外，通過(guò)與樣本D情況下相同的過(guò)程制造所謂的勢(shì)阱均勻摻雜MQW樣本。此外，由SIMS(次級(jí)離子質(zhì)譜分析)確定實(shí)際的偏移量。如果僅僅在阻擋層的生長(zhǎng)過(guò)程中引入甲基硅甲烷，則用作勢(shì)阱層和阻擋層的指示的In分布和Si分布的變化以相反相位完全匹配。另一方面，如果進(jìn)行偏移摻雜，則對(duì)應(yīng)于前體氣體的提供定時(shí)的所述移動(dòng)量是由SIMS分析中In分布和Si分布的偏移量確定的。
為樣本D和比較實(shí)例進(jìn)行發(fā)光特性測(cè)試。所獲得的結(jié)果在圖3中示出。利用其中通過(guò)用氮?dú)饧す庹丈錁颖颈砻鎭?lái)激發(fā)MQW的PL(光致發(fā)光)方法并且通過(guò)測(cè)量所發(fā)出的光，對(duì)發(fā)光特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。該圖表示了PL中發(fā)光強(qiáng)度的相對(duì)比較。在比較實(shí)例A、B和C中，比較實(shí)例C僅表現(xiàn)出了稍高的發(fā)光強(qiáng)度。然而，進(jìn)行了偏移摻雜的樣本D比這些比較實(shí)例表現(xiàn)出了更高的發(fā)光強(qiáng)度，并且因此發(fā)現(xiàn)該樣本D表現(xiàn)出良好的發(fā)光特性。
此外，因?yàn)樵谏鲜鰧?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)利用偏移摻雜的樣本D改進(jìn)了發(fā)光特性，所以準(zhǔn)備了多種MQW樣本，其中偏移的方向和量是變化的。
作為樣本E，除了利用在空穴注入側(cè)上跨越勢(shì)阱層與阻擋層的界面的偏移形成摻雜Si部分外，通過(guò)與樣本D的制造過(guò)程相同的過(guò)程來(lái)制造具有所謂的反向偏移摻雜的MQW樣本。在樣本E的情況下，在未摻雜阻擋層形成過(guò)程和勢(shì)阱層形成過(guò)程中沒(méi)有同時(shí)引入第一TMI和甲基硅甲烷，并且利用提供的偏移時(shí)間差(對(duì)應(yīng)于勢(shì)阱層厚度的-1/3)制造了該樣本。
作為樣本H，除了利用在電子注入側(cè)上跨越勢(shì)阱層與阻擋層的界面的增大的偏移量形成了摻雜Si部分外，通過(guò)與樣本D的制造過(guò)程相同的過(guò)程來(lái)制造具有所謂的偏移摻雜的MQW樣本。在這種情況下，偏移量對(duì)應(yīng)于勢(shì)阱層厚度的2/3。
作為樣本I，除了利用在電子注入側(cè)上跨越勢(shì)阱層與阻擋層的界面的偏移形成了摻雜Si部分，并且所有的阻擋層都摻雜了Si外，通過(guò)與樣本D的制造過(guò)程相同的過(guò)程來(lái)制造具有所謂的單側(cè)偏移摻雜的MQW樣本。
這樣制造的比較實(shí)例A、B和C以及樣本E、H和I的橫截面模型圖分別在圖4、5、6、7、8和9中示出。
對(duì)樣本D和比較實(shí)例進(jìn)行發(fā)光特性測(cè)試。所獲得的結(jié)果也示于圖3中。對(duì)于偏移量，從圖中可以清楚地看出，因?yàn)樗鰳颖竞捅容^實(shí)例的相對(duì)順序是B＜I＜H＜D，所以在樣本D的情況下的偏移量是最高的。具有反向偏移的樣本E即使相對(duì)于比較實(shí)例B而言也表現(xiàn)出強(qiáng)度的下降，可以看到偏移的方向很重要，并且還希望每個(gè)勢(shì)阱層具有在電子注入側(cè)上部分地位于與阻擋層之間的界面處以及該界面附近的添加了n型雜質(zhì)的摻雜勢(shì)阱區(qū)域，以及阻擋層分別具有至少位于空穴注入側(cè)上的界面處和這些界面附近的摻雜阻擋區(qū)域，在每個(gè)所述摻雜阻擋區(qū)域中添加了n型雜質(zhì)。
此外，作為對(duì)樣本I獲得的結(jié)果和樣本D獲得的結(jié)果進(jìn)行比較的結(jié)果，可以看出除了在勢(shì)阱層中提供偏移之外，在阻擋層中類(lèi)似地提供沒(méi)有摻雜的區(qū)域(在空穴注入側(cè)上勢(shì)阱層62的界面處和這些界面附近的未摻雜阻擋區(qū)域61b)提高了所述效果。相應(yīng)地，所希望的是阻擋層61的未摻雜阻擋層61b的膜厚度等于或小于摻雜勢(shì)阱區(qū)域62a的膜厚度。從為樣本D和I獲得的結(jié)果看出，所希望的是摻雜勢(shì)阱區(qū)域62a的膜厚度t在0＜t＜(w/2)的范圍內(nèi)，其中w是勢(shì)阱層62的膜厚度。
在上述實(shí)施例中，描述了本發(fā)明用于半導(dǎo)體激光器元件的情況。然而，當(dāng)本發(fā)明用于發(fā)光二極管時(shí)也可以獲得相似效果，并且可以制造具有高亮度的發(fā)光二極管(高效率)。在上述實(shí)施例中，描述了用于發(fā)光層的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。然而，利用單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)也可以形成有源層。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其至少由包含有源層的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，該有源層是由包括勢(shì)阱層和將所述勢(shì)阱層夾在其間的阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)組成的，其中所述勢(shì)阱層在電子注入側(cè)上與所述阻擋層的界面處以及所述界面附近部分地具有添加了n型雜質(zhì)的摻雜勢(shì)阱區(qū)域，并且其中所述阻擋層至少在所述界面處和所述界面附近具有添加了所述n型雜質(zhì)的摻雜阻擋區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度t在0＜t＜(w/2)的范圍內(nèi)，其中w是所述勢(shì)阱層的膜厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述阻擋層在空穴注入側(cè)上與所述勢(shì)阱層之間的界面處以及所述界面附近具有未摻雜區(qū)域，在該區(qū)域沒(méi)有添加n型雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述阻擋層的所述未摻雜阻擋區(qū)域的膜厚度等于或小于所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述摻雜阻擋區(qū)域遍及所述整個(gè)阻擋層展開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述有源層的晶體結(jié)構(gòu)是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并且所述有源層的主平面是(0001)平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述化合物半導(dǎo)體主要包括III族氮化物Bx’AlxGayInzN(x’+x+y+z＝1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中所述n型雜質(zhì)是Si或Ge。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中在所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域和所述摻雜阻擋區(qū)域中n型雜質(zhì)的濃度分別為8E17/cc到1E19/cc。
10.一種用于制造至少由包含有源層的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，該有源層是由具有勢(shì)阱層和將所述勢(shì)阱層夾在其間的阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)組成的，所述方法包括以下步驟生長(zhǎng)阻擋層同時(shí)添加n型雜質(zhì)，使得形成直到最上部表面的添加了所述n型雜質(zhì)的摻雜阻擋區(qū)域；以及在該阻擋層的所述最上部表面上生長(zhǎng)勢(shì)阱層，同時(shí)添加所述n型雜質(zhì)以在所述最上部表面上形成添加了所述n型雜質(zhì)的摻雜勢(shì)阱區(qū)域，所述最上部表面用作在電子注入側(cè)上的與所述阻擋層之間的界面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度t在0＜t＜(w/2)的范圍內(nèi)，其中w是所述勢(shì)阱層的膜厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中所述阻擋層生長(zhǎng)步驟包括在空穴注入側(cè)上與所述勢(shì)阱層之間的界面處以及這些界面附近形成未摻雜阻擋區(qū)域的步驟，在該區(qū)域沒(méi)有添加所述n型雜質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中所述阻擋層的所述未摻雜阻擋區(qū)域的膜厚度等于或小于所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域的膜厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中在形成所述摻雜阻擋區(qū)域的所述步驟中遍及所述整個(gè)阻擋層形成所述摻雜阻擋區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-14之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中在形成所述摻雜阻擋區(qū)域的所述步驟中，形成所述摻雜阻擋區(qū)域，使得所述有源層的晶體結(jié)構(gòu)是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并且使得所述有源層的主平面是(0001)平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中所述化合物半導(dǎo)體主要包括III族氮化物Bx’AlxGayInzN(x’+x+y+z＝1)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-16之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中所述n型雜質(zhì)是Si或Ge。
18.根據(jù)權(quán)利要求10-17之任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，其中在所述摻雜勢(shì)阱區(qū)域和摻雜阻擋區(qū)域中n型雜質(zhì)的濃度分別為8E17/cc到1E19/cc。
全文摘要
一種半導(dǎo)體發(fā)光元件使用了包含勢(shì)阱層和將該勢(shì)阱層夾在其間的阻擋層的化合物半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)作為有源層。在該半導(dǎo)體發(fā)光元件的相鄰勢(shì)阱層和阻擋層中，勢(shì)阱層在電子注入側(cè)上與阻擋層的界面處以及界面附近部分地具有摻雜勢(shì)阱區(qū)域，向該區(qū)域添加n型雜質(zhì)，并且阻擋層至少在界面處和界面附近具有摻雜阻擋區(qū)域，向該區(qū)域添加n型雜質(zhì)。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK1714487SQ200380103589
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月18日
發(fā)明者渡邊溫, 伊藤敦也, 高橋宏和, 木村義則, 宮地護(hù) 申請(qǐng)人:先鋒株式會(huì)社