專(zhuān)利名稱(chēng)：氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)以及結(jié)合該分層結(jié)構(gòu)部分的氮化物半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，并且更具體而言是涉及一種氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)相對(duì)厚的包含AlN的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的復(fù)合層，該復(fù)合層位于一個(gè)低溫沉積的包含AlN的氮化物半導(dǎo)體材料的緩沖層上。
因?yàn)榧す馄髦械墓獠▽?dǎo)層及其下面的包覆層所形成的光約束結(jié)構(gòu)提供的光約束不夠，所以這種常規(guī)激光器發(fā)出光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出多峰，而不是想要的單峰。該光約束結(jié)構(gòu)允許光從光波導(dǎo)層泄漏到包覆層下的接觸層中。從而該接觸層起到寄生光波導(dǎo)的作用，引起高次模中的的雜散激光振蕩。該接觸層被用來(lái)向該激光器的有源層中注入電流。
獲得足夠光約束的嘗試包括采用增加厚度的包覆層以及增大光波導(dǎo)層與包覆層半導(dǎo)體材料之間折射指數(shù)的差。但是在采用常規(guī)方式實(shí)施時(shí)，這些措施增大了激光器結(jié)構(gòu)中裂縫的影響范圍。這顯著降低了產(chǎn)額。


圖1是常規(guī)氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)10的示意性的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，采用這種分層結(jié)構(gòu)可以制造常規(guī)的氮化物半導(dǎo)體激光器。在本公開(kāi)中的所有半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器的附圖中，為更加清晰地展示這些層，這些層的厚度相對(duì)其寬度而言被極大地夸大了，較薄層厚度的夸大程度比起較厚層的厚度來(lái)說(shuō)更大。
氮化物半導(dǎo)體層10包括低溫沉積的GaN緩沖層12、n型GaN的n接觸層13、n型AlGaN的包覆層14、n型GaN的光波導(dǎo)層15、GaInN的有源層16、p型AlGaN的電子阻擋層17、p型GaN的光波導(dǎo)層18、p型AlGaN的包覆層19和p型GaN的p接觸層20。層12到層20在襯底11上連續(xù)形成。襯底材料是藍(lán)寶石、SiC、尖晶石、MgO、GaAs、硅或一些其它合適的材料。
緩沖層12是在溫度550℃條件下沉積的35納米厚的GaN層，該溫度低于發(fā)生單晶生長(zhǎng)的溫度。n接觸層13是用約1×1018cm-3的硅進(jìn)行n型摻雜的4微米厚的GaN層。包覆層14是600納米厚的AlGaN，該層具有0.06的AlN摩爾分?jǐn)?shù)并且采用約1×1018cm-3的Si進(jìn)行n型摻雜。光波導(dǎo)層15是100納米厚的采用約1×1018cm-3的Si進(jìn)行n型摻雜的GaN層，有源層16包括5對(duì)亞層，每一對(duì)亞層包括3納米厚的具有0.1的InN摩爾分?jǐn)?shù)的GaInN亞層和6納米厚的具有0.03的InN摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN亞層。電子阻擋層17是15納米厚的AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.15的的并且用約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的AlGaN層。光波導(dǎo)層18是100納米厚的用約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的GaN層。包覆層19是500納米厚的具有0.06的AIN摩爾分?jǐn)?shù)的并且用約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的AlGaN層。P接觸層20是100納米厚的用約1×1020cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的GaN層。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)no.H10-313993(在先申請(qǐng))中對(duì)一種改進(jìn)的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，采用這種氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)可以制造出產(chǎn)生顯示單峰遠(yuǎn)場(chǎng)圖的光的激光器。該在先申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人并且已經(jīng)于1998年10月16日提交。該在先申請(qǐng)的英語(yǔ)版已經(jīng)作為國(guó)際申請(qǐng)WO00/24097被公開(kāi)。本公開(kāi)結(jié)合了該在先申請(qǐng)以作為參照。
該在先申請(qǐng)中被公開(kāi)的氮化物分層結(jié)構(gòu)缺少圖1所示的分層結(jié)構(gòu)的電子阻擋層17，但是包括一個(gè)另外的位于n型GaN接觸層13和n型AlGaN包覆層14之間的緩沖層。該另外的緩沖層是包括AlN的低溫沉積的半導(dǎo)體材料層。該另外的緩沖層使得在其上生長(zhǎng)的包覆層14具有增加的厚度和較低的裂縫影響范圍。在先申請(qǐng)公開(kāi)的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)包覆層的厚度和包覆層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)二者之一或二者都進(jìn)行調(diào)節(jié)以使采用該分層結(jié)構(gòu)制造的激光器發(fā)出的光具有一個(gè)顯示出單峰遠(yuǎn)場(chǎng)圖，該遠(yuǎn)場(chǎng)圖表明在遠(yuǎn)場(chǎng)中的強(qiáng)度分布。
雖然可以采用該在先申請(qǐng)中公開(kāi)的分層結(jié)構(gòu)來(lái)制造產(chǎn)生具有顯示出單峰的遠(yuǎn)場(chǎng)圖的光的激光器，但是人們需要結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的高質(zhì)量的激光器。
所以，所需要的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)并且由該結(jié)構(gòu)可以制造出產(chǎn)生其遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰的光的半導(dǎo)體激光器，并且它具有低的閾電流和低的功率消耗。
所需要的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)能夠提供增加的光約束，它具有降低的制造成本并且在光電器件、其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和其它半導(dǎo)體器件中提供改良的性能。
本發(fā)明還提供氮化物半導(dǎo)體激光器，該激光器包括上述的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)部分以及還包括在復(fù)合層上的光波導(dǎo)層和在光波導(dǎo)層上的有源層。
在本發(fā)明提供的簡(jiǎn)單的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)厚AlGaN復(fù)合層進(jìn)行p型的或者n型摻雜。AlGaN復(fù)合層具有一個(gè)通過(guò)層厚來(lái)改變的AlN摩爾分?jǐn)?shù)以便在AlGaN復(fù)合層中限定二個(gè)亞層。亞層不同的摩爾分?jǐn)?shù)優(yōu)化了亞層特性使得亞層發(fā)揮包覆層和接觸層的功能。相應(yīng)地，這二個(gè)亞層被分別稱(chēng)為包覆亞層和接觸亞層。該包覆亞層與光波導(dǎo)層位于AlGaN復(fù)合層之上形成一個(gè)提供足夠光約束的光約束結(jié)構(gòu)。在包覆亞層中，AlGaN復(fù)合層具有相對(duì)高的AlN摩爾分?jǐn)?shù)。在接觸亞層中，AlGaN復(fù)合層具有相對(duì)低的AlN摩爾分?jǐn)?shù)以便為接觸亞層提供影響橫向電流注入所需的高電導(dǎo)率而且不產(chǎn)生過(guò)大的正向電壓降。通過(guò)在材料的復(fù)合層中僅僅提供材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)有差別的接觸層與包覆層的功能，基本上降低了氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)中的裂縫的影響范圍。
因?yàn)锳lGaN復(fù)合層雖然具有基本厚度，但是裂縫影響范圍仍然較低，所以根據(jù)本發(fā)明的由上述氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)制造的氮化物半導(dǎo)體激光器具有高產(chǎn)量。因?yàn)锳lGaN復(fù)合層的包覆亞層的相對(duì)大的AlN摩爾分?jǐn)?shù)以及AlGaN復(fù)合層的包覆亞層的厚度導(dǎo)致形成充裕的光約束，所以這種激光器產(chǎn)生的光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰。因?yàn)锳lGaN復(fù)合層的n接觸亞層的高電導(dǎo)率和基本厚度，所以這種激光器還具有低的正向電壓降。
因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的激光器產(chǎn)生的光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰，所以這種激光器非常適合用于光信息記錄器件或需要單峰發(fā)射輪廓形狀的其它應(yīng)用場(chǎng)合。并且因?yàn)檫@種激光器具有大大降低的正向電壓降、較低的功率消耗以及較少的熱量耗散，所以這種激光器顯著地延長(zhǎng)了使用壽命。
圖2是由圖1所示的常規(guī)分層結(jié)構(gòu)制造的激光器實(shí)例發(fā)射的光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖的曲線圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施方式的示意性的側(cè)視圖。
圖4是由圖3所示的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)制造的根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器的示意性的側(cè)視圖。
圖5是一個(gè)曲線圖，它展示出從根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器的一個(gè)實(shí)例中發(fā)射光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖，該氮化物半導(dǎo)體激光器是采用根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)制造的。
圖6是一個(gè)曲線圖，它展示出根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器的一個(gè)實(shí)例的正向特性(曲線(a))和比較激光器(曲線(b))。
圖7是一個(gè)曲線圖，它展示出根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器的一個(gè)實(shí)例的閾特性(曲線(a))和比較激光器(曲線(b))。
圖8是一個(gè)示意性側(cè)視圖，它展示出結(jié)合了另外AlN復(fù)合層的根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式。
圖9A-9C是通過(guò)改變AlGaN復(fù)合層厚度來(lái)改變AlGaN復(fù)合層摩爾分?jǐn)?shù)的不同方式的曲線圖。
發(fā)明詳述在如圖1所示的常規(guī)的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)10中，包覆層14的AlGaN與接觸層13的GaN之間的晶格失配可能會(huì)在該包覆層以及在其上生長(zhǎng)的層中引發(fā)裂縫。這種裂縫會(huì)顯著降低采用所示常規(guī)分層結(jié)構(gòu)的激光器的產(chǎn)量。為減小裂縫的影響范圍，通常將包覆層14的厚度限制在600納米以?xún)?nèi)，并且通常將包覆層14半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)限制在0.06以下。但是，如圖2所示由光波導(dǎo)層15和滿足上述限制條件的包覆層14形成的光約束結(jié)構(gòu)所具有的光約束是不夠的。
圖2的曲線圖展示出采用常規(guī)氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)10制成的激光器實(shí)例發(fā)出光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖，在該結(jié)構(gòu)中，包覆層14滿足上述限制條件。在圖2中，用Y軸以任意單位表示該激光器發(fā)出光的強(qiáng)度，并且用X軸以“度”為單位表示該激光器發(fā)出光與激光器光軸所成角度。該遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出多峰。這表明由上述光約束結(jié)構(gòu)提供的光約束是不夠的，從而在n接觸層13中有光存在。圖2所示遠(yuǎn)場(chǎng)圖所對(duì)應(yīng)的激光器具有的光約束因子為2.7％。
上述的在先申請(qǐng)公開(kāi)了一種可以用于制造氮化物半導(dǎo)體激光器的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)。在先申請(qǐng)所公開(kāi)的分層結(jié)構(gòu)中，通過(guò)在AlGaN包覆層14與GaN的n接觸層13之間插入另外的30納米厚的緩沖層降低了裂縫的影響范圍，該緩沖層是低溫沉積的半導(dǎo)體材料層。該另外的緩沖層使包覆層14的厚度降低到1微米并將包覆層14的半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)增加到0.1而沒(méi)有在該包覆層中產(chǎn)生顯著的裂縫。這種包覆層使得該光約束結(jié)構(gòu)能夠給激光器提供充分的光約束以生成顯示單峰的遠(yuǎn)場(chǎng)圖。但是如上所述，人們期望采用比在先申請(qǐng)公開(kāi)的結(jié)構(gòu)和制造工藝更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和制造工藝來(lái)獲得相似的結(jié)果。
第一種簡(jiǎn)化在先申請(qǐng)所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)和制造工藝并仍然保持其優(yōu)點(diǎn)的方法是用一個(gè)厚而且均勻的n型單晶AlGaN半導(dǎo)體材料層代替GaN的n接觸層、另外的緩沖層和AlGaN包覆層，該n型單晶AlGaN半導(dǎo)體材料層將n接觸層和包覆層組合在一起。該單AlGaN層的材料可以擁有相對(duì)高的AlN摩爾分?jǐn)?shù)使單AlGaN層與光波導(dǎo)層15形成能提供足夠光約束的光約束結(jié)構(gòu)。為了本公開(kāi)目的，當(dāng)結(jié)合了一個(gè)光約束結(jié)構(gòu)的激光器生成的光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰時(shí)，則認(rèn)為該光約束結(jié)構(gòu)提供了足夠的光約束。
但是單AlGaN層有足夠高AlN摩爾分?jǐn)?shù)以使該層形成能提供足夠光約束的光約束結(jié)構(gòu)，該單AlGaN層的材料會(huì)導(dǎo)致材料體電阻和單AlGaN層的接觸電阻達(dá)到一個(gè)無(wú)法接受的高程度，這會(huì)妨礙單AlGaN層作為有效的橫向電流注入層使用以及在該激光器上引起可接受的高電壓降。
本發(fā)明通過(guò)將AlGaN復(fù)合層用作n接觸層和包覆層解決了這一問(wèn)題。這種AlGaN的復(fù)合層被稱(chēng)為AlGaN復(fù)合層。該AlGaN復(fù)合層包括若干亞層其中每一個(gè)亞層具有不同AlN摩爾分?jǐn)?shù)，即一個(gè)亞層的單晶AlGaN半導(dǎo)體材料具有較低的AlN摩爾分?jǐn)?shù)，而一個(gè)亞層的單晶AlGaN半導(dǎo)體材料具有較高的AIN摩爾分?jǐn)?shù)。具有較低AlN摩爾分?jǐn)?shù)的亞層的電阻也較低，它位于低溫沉積的AlGaN緩沖層附近，用作將橫向電流注入到激光器中的接觸層，并被稱(chēng)為AlGaN的n接觸亞層。具有較高AIN摩爾分?jǐn)?shù)的亞層位于n型GaN光波導(dǎo)層附近并形成帶有n型GaN光波導(dǎo)層的光約束結(jié)構(gòu)。該亞層被稱(chēng)為AlGaN包覆亞層。AlGaN包覆亞層具有較高的電阻而且其厚度基本上小于AlGaN的n接觸亞層。盡管AlGaN包覆亞層的材料具有較高的AlN摩爾分?jǐn)?shù)，因此與AlGaN的p接觸亞層的電阻率相比該亞層的電阻率較高，但是AlGaN包覆亞層的厚度基本上較小，這妨礙了利用該亞層較高的電阻率來(lái)顯著提高n電極與有源區(qū)之間路徑的總電阻。
在AlGaN復(fù)合層中，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的n接觸亞層和AlGaN的包覆亞層之間突變，實(shí)際上產(chǎn)生二個(gè)明顯不相同的AlGaN層，每一層具有不同的AlN摩爾分?jǐn)?shù)。作為一種替代情況，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的n接觸亞層和AlGaN的包覆亞層之間漸變，生成一個(gè)通過(guò)層厚的不同來(lái)使摩爾分?jǐn)?shù)不同的單層。不管摩爾分?jǐn)?shù)以何種方式變化，AlGaN的包覆亞層的厚度應(yīng)當(dāng)不大于提供足夠光約束所要求的厚度。
與圖1所示的分層結(jié)構(gòu)相比，如上所述，一種包括一個(gè)單AlGaN復(fù)合層的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)提供了基本上增大的光約束，該單AlGaN復(fù)合層包括若干具有不同AlN摩爾分?jǐn)?shù)的亞層。另外，該復(fù)合層的亞層之間的晶格失配小，從而該分層結(jié)構(gòu)中裂縫影響范圍基本上小。只需稍微增大與有源區(qū)之間路徑的電阻就可以獲得這些優(yōu)點(diǎn)。
為減小根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的裂縫的影響范圍，AlGaN的n接觸亞層，即具有較低AlN摩爾分?jǐn)?shù)的亞層，的AlN摩爾分?jǐn)?shù)最好至少為0.01。另外，為減小裂縫的影響范圍和減小n接觸層與有源層之間路徑的電阻，AlGaN的n接觸亞層和AlGaN的包覆亞層之間的AlN摩爾分?jǐn)?shù)之差最好在0.03到0.10的范圍內(nèi)。實(shí)際優(yōu)選的差依賴(lài)于AlGaN的包覆亞層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)。AlGaN的包覆亞層的摩爾分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)至少為0.05，以及高達(dá)單位1(1)。
如上所述，當(dāng)已經(jīng)形成了結(jié)合AlGaN復(fù)合層的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)時(shí)，該AlGaN復(fù)合層包括二個(gè)具有不同AlN摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN亞層，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者其它適合的刻蝕工藝將在n-AlGaN接觸亞層的一部分上生長(zhǎng)的層部分刻蝕掉以暴露出AlGaN接觸亞層。那么n電極沉積在由刻蝕工藝暴露出的AlGaN接觸亞層的表面。P電極沉積在p接觸層的表面。對(duì)該分層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步刻蝕以便將部分p接觸亞層、p型包覆層和p型光波導(dǎo)清除以定義一個(gè)隆起結(jié)構(gòu)。然后將該分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割以形成單獨(dú)的激光器。如上所述形成的每一個(gè)氮化物半導(dǎo)體都結(jié)合了該氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的一部分。
在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的實(shí)例中，其中的AlN摩爾分?jǐn)?shù)在AlGaN的n接觸亞層與AlGaN的包覆亞層之間發(fā)生突變，AlGaN的n接觸亞層的厚度，即具有較低AlN摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN層的厚度是3微米，并且該層中的AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.03。AlGaN的包覆亞層的厚度，即具有較高AlN摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN層的厚度是1微米，并且該層中的AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.06。已經(jīng)在用50毫米直徑襯底制成的測(cè)試樣品表面觀察到低的裂縫影響范圍。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3對(duì)根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的實(shí)例進(jìn)行描述。圖3是根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)第一實(shí)施方式40的示意性側(cè)視圖。如下所述可以采用分層結(jié)構(gòu)40制成根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器以及其它半導(dǎo)體器件。在所示的實(shí)例中，復(fù)合AlGaN層51中的摩爾分?jǐn)?shù)在AlGaN的n接觸亞層43與AlGaN的包覆亞層44之間發(fā)生突變，這將在下文中參照?qǐng)D9A進(jìn)行描述。
分層結(jié)構(gòu)40包括具有以C面(0001)為表面的藍(lán)寶石襯底41。采用金屬-有機(jī)氣相外延(MOVPE)方法在該表面上繼續(xù)沉積AlGaN低溫緩沖層42；n型復(fù)合AlGaN層51包括n接觸亞層43和AlGaN的包覆亞層44，在n接觸亞層43中AlGaN具有較低AlN的摩爾分?jǐn)?shù)，在AlGaN的包覆亞層44中AlGaN具有較高AlN的摩爾分?jǐn)?shù)；n型GaN光波導(dǎo)層45；GaInN有源層46；p型電子阻擋層47；p型GaN光波導(dǎo)層48；p型AlGaN包覆層49和p型GaN的p接觸層50。
現(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)討論氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)40。緩沖層42是一個(gè)30納米厚的低溫沉積的AlGaN層，該層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)是0.03，并且在500℃的溫度下沉積。在低于單晶生長(zhǎng)溫度的條件下沉積該緩沖層材料。在進(jìn)行沉積時(shí)，該緩沖層包含有非晶與多晶材料的混合體。下文將作進(jìn)一步描述，然后在沉積復(fù)合AlGaN層51之前，將襯底和緩沖層加熱到單晶生長(zhǎng)溫度以上。這使緩沖層的低溫沉積材料退火，引起單晶區(qū)在緩沖層內(nèi)擴(kuò)展。作為結(jié)果，該復(fù)合AlGaN層在緩沖層上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。但是在完成的分層結(jié)構(gòu)40中，殘余的多晶、非晶、或者多晶與非晶的材料區(qū)與沉積在緩沖層上的AlGaN復(fù)合層51的單晶材料區(qū)分開(kāi)來(lái)。
盡管如上所述的緩沖層42是一個(gè)30納米厚的低溫沉積的AlGaN層，其AIN摩爾分?jǐn)?shù)是0.03，但是該緩沖層厚度可以達(dá)到100納米并且AIN摩爾分?jǐn)?shù)可以達(dá)到單位1(1)。
復(fù)合AlGaN層51是一個(gè)以大約1×1018cm-3的Si進(jìn)行n型摻雜的4微米厚的AlGaN層，該層是在1050℃溫度下被沉積的。該復(fù)合層包括n的AlGaN接觸層43和AlGaN包覆亞層44，層43是3微米厚的AlGaN層，其AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.03；層44是1微米厚的AlGaN層，其AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.06。在所示的實(shí)例中，在n的AlGaN接觸亞層43與AlGaN包覆亞層44之間的摩爾分?jǐn)?shù)的變化是突變式的。
光波導(dǎo)層45是一個(gè)以大約1×1018cm-3的Si進(jìn)行n型摻雜的100納米厚的GaN層，該層是在1050℃溫度下被沉積的。
有源層46包括5對(duì)在800℃的溫度被沉積的未摻雜GaInN層。每一對(duì)的層包括3納米厚的GaInN層，其InN的摩爾分?jǐn)?shù)為0.01和6納米厚的GaInN層，其InN的摩爾分?jǐn)?shù)為0.03。
電子阻擋層47是一個(gè)以大約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的15納米厚的AlGaN層，其AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.15，該層是在800℃溫度下被沉積的。
光波導(dǎo)層48是一個(gè)以大約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的100納米厚的GaN層，該層是在1050℃溫度下被沉積的。
包覆層49是一個(gè)以大約5×1019cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的500納米厚的AlGaN層，其AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.06，該層是在1050℃溫度下被沉積的。
P接觸層50是一個(gè)以大約1×1020cm-3的Mg進(jìn)行p型摻雜的100納米厚的GaN層，該層是在1050℃溫度下被沉積的。
圖4是氮化物半導(dǎo)體激光器60的示意性的側(cè)視圖。激光器60是許多采用氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)40制成的激光器之一使得每一個(gè)激光器結(jié)合了分層結(jié)構(gòu)40的一部分。對(duì)激光器中出現(xiàn)的分層結(jié)構(gòu)元素采用相同的參照編號(hào)進(jìn)行標(biāo)示。
在激光器60中，激光器結(jié)構(gòu)與n的AlGaN接觸亞層43相重疊的部分被刻蝕掉以暴露出表面61并在表面61上形成n電極62。該激光器還包括位于p接觸層50表面的p電極63。最后，將光波導(dǎo)層48的部分、包覆層49和p接觸層50刻蝕掉以形成隆起結(jié)構(gòu)64，隆起結(jié)構(gòu)64將流經(jīng)有源層46的電流進(jìn)行匯聚。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3對(duì)可以用來(lái)制造根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)40的方法的實(shí)例進(jìn)行描述。
最好采用以0001(C)為表面的藍(lán)寶石的襯底41。通過(guò)將該襯底分別浸泡在氫氟酸和王水中各5分鐘來(lái)對(duì)其進(jìn)行清潔，然后再用純水清洗5分鐘。此后，將襯底分別用甲醇和丙酮各沖洗5分鐘，然后再在純水中清洗5分鐘。上述各操作均是在室溫下進(jìn)行的。
將襯底41傳送到金屬-有機(jī)氣相外延(MOVPE)裝置的反應(yīng)器。用干氮?dú)庵脫Q該反應(yīng)器中的氣氛以清除氧氣和水蒸汽。然后引入氫氣并通過(guò)將襯底加熱至1100℃保持10分鐘來(lái)清潔該襯底。
將襯底41的溫度降低到500℃。向反應(yīng)器中輸送三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)和氨以開(kāi)始在襯底41上沉積低溫沉積AlGaN的緩沖層42。
如果襯底41的材料是導(dǎo)電的，例如GaN襯底，包括GaN層的襯底結(jié)構(gòu)，或SiC襯底，可以另外向該反應(yīng)器中輸送硅烷以便對(duì)緩沖層42上的低溫沉積AlGaN用硅進(jìn)行n型摻雜。設(shè)定硅烷的流速以給出一個(gè)從大約5×1017到大約5×1019cm-3的硅濃度范圍。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，設(shè)定硅烷的流速?gòu)亩o出硅濃度為1×1018cm-3。對(duì)緩沖層42摻雜將該層的電阻率降低到使激光器60的激勵(lì)電流以可忽略不計(jì)的電壓降流過(guò)該緩沖層。
向反應(yīng)器持續(xù)傳送氣流約3分鐘以便在襯底41上將緩沖層42的厚度沉積到30納米。
當(dāng)緩沖層42達(dá)到其30納米的設(shè)計(jì)厚度時(shí)，如果還在向反應(yīng)器提供TMAl、TMGa、和硅烷，那么停止進(jìn)行供應(yīng)。然后將襯底41的溫度升高到1050℃并保持該溫度約5分鐘。
重新開(kāi)始提供TMAl、TMGa和硅烷以生長(zhǎng)AlGaN復(fù)合層51。首先，以生成摩爾分?jǐn)?shù)為0.03的AlGaN的n接觸亞層43的相對(duì)流速供應(yīng)氣體。持續(xù)輸送氣流直到AlGaN的n接觸亞層43的厚度達(dá)到3微米。然后改變TMAl與TMGa之間的相對(duì)流速以便開(kāi)始生長(zhǎng)AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.06的n-AlGaN包覆亞層44。持續(xù)輸送氣流直到n-AlGaN包覆亞層的厚度達(dá)到1微米。
完成時(shí)，AlGaN復(fù)合層51的總厚度為4微米。因?yàn)榈蜏爻练e的AlGaN的緩沖層42直接位于該層之下以及因?yàn)闃?gòu)成該復(fù)合層的AlGaN的n接觸亞層43和AlGaN接觸亞層44之間的晶格失配小，所以能夠以低裂縫影響范圍形成具有該總厚度的一層。
對(duì)輸送到反應(yīng)器的硅烷流速進(jìn)行調(diào)節(jié)以對(duì)AlGaN復(fù)合層51以大約5×1017到大約5×1019cm-3的硅濃度范圍進(jìn)行摻雜。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，對(duì)流速進(jìn)行設(shè)定以給出1×1018cm-3的硅摻雜濃度。被摻雜層的電導(dǎo)率依賴(lài)于摻雜質(zhì)濃度的總和以及載流子的遷移率。所以，提高摻雜質(zhì)濃度不會(huì)簡(jiǎn)單地降低該層的電阻。最佳的摻雜質(zhì)濃度是將該層的電阻降低至最低的濃度。
當(dāng)AlGaN包覆亞層44達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，將襯底的溫度維持在1050℃并且只停止TMAl的供應(yīng)以生長(zhǎng)n型GaN光波導(dǎo)層45。調(diào)節(jié)硅烷的流速以對(duì)光波導(dǎo)層45以1×1018cm-3的硅濃度進(jìn)行摻雜。該生長(zhǎng)速度是大約40納米/分鐘。連續(xù)供應(yīng)氣流直到光波導(dǎo)層45達(dá)到100納米的厚度。當(dāng)光波導(dǎo)層45達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，停止供應(yīng)TMGa和硅烷，但是仍然繼續(xù)供應(yīng)氨氣。然后將藍(lán)寶石襯底的溫度降低至800℃。
在剛剛描述的實(shí)例中，對(duì)n型光波導(dǎo)層45以1×1018cm-3的硅濃度進(jìn)行摻雜。利用較高的硅濃度會(huì)降低光波導(dǎo)層的電阻率，但是會(huì)使該層的結(jié)晶度退化?？紤]到這一點(diǎn)，優(yōu)選的硅濃度的范圍是從5×1017cm-3到大約1×1019cm-3，其中心濃度大約是2×1018cm-3。
AlGaN的n接觸亞層43、AlGaN的包覆亞層44和光波導(dǎo)層45中的摻雜質(zhì)濃度可以有所不同，或者二個(gè)或更多的濃度相同。但是當(dāng)所有層中的該摻雜質(zhì)濃度基本相同時(shí)，可以簡(jiǎn)化制造工藝。
當(dāng)襯底41的溫度達(dá)到800℃時(shí)，向反應(yīng)器供應(yīng)TMGa和三甲基銦(TMIn)以生長(zhǎng)有源層46。該有源層包括通過(guò)生長(zhǎng)5對(duì)亞層所形成的多量子阱。每一個(gè)亞層對(duì)包括InN摩爾分?jǐn)?shù)為0.1的3納米厚的GaInN亞層和InN摩爾分?jǐn)?shù)為0.03的6納米厚的GaInN亞層。InN的摩爾分?jǐn)?shù)由采用分層結(jié)構(gòu)40制成的激光器所發(fā)出光的波長(zhǎng)確定。在本實(shí)例中所示的InN摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)于400納米的波長(zhǎng)。以相關(guān)流速向反應(yīng)器供應(yīng)氣體使得所生成的有源層亞層具有所示的摩爾分?jǐn)?shù)。通常的生長(zhǎng)速度范圍是從3到6納米/分鐘，但是在這里所描述的條件是5納米/分鐘。
一旦有源層46的最后亞層達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度，停止TMIn的供應(yīng)，向反應(yīng)器供應(yīng)TMAl和雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)以生長(zhǎng)p型AlGaN電子阻擋層47。以相關(guān)流速向反應(yīng)器供應(yīng)氣體使得所生成的電子阻擋層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.15。調(diào)節(jié)Cp2Mg的流速以給出鎂的濃度范圍在從大約1×1018到大約1×1020cm-3。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，將Cp2Mg流速設(shè)為5×1019cm-3。采用與上述的確定硅濃度范圍相同的方式確定鎂的濃度范圍。
持續(xù)供應(yīng)氣流直到p型AlGaN電子阻擋層47的厚度達(dá)到15納米。
當(dāng)p型AlGaN電子阻擋層47達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，停止供應(yīng)TMAl和Cp2Mg并升高襯底41的溫度。當(dāng)該襯底的溫度達(dá)到1050℃時(shí)，向該反應(yīng)器供應(yīng)TMGa和Cp2Mg以開(kāi)始生長(zhǎng)p型GaN的光波導(dǎo)層48。在上述條件下，p型GaN的光波導(dǎo)層48的生長(zhǎng)速率是2微米/小時(shí)。調(diào)節(jié)Cp2Mg的流速以給出鎂的濃度范圍在從大約1×1018到大約1×1020cm-3。過(guò)高的鎂濃度會(huì)使p型GaN的光波導(dǎo)層的材料的結(jié)晶度退化。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)定Cp2Mg的流速以給出大約5×1019的鎂的濃度。
持續(xù)供應(yīng)氣流直到p型GaN光波導(dǎo)層48的厚度達(dá)到100納米。
當(dāng)p型GaN光波導(dǎo)層48達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，還向反應(yīng)器供應(yīng)TMAl以開(kāi)始生長(zhǎng)p型AlGaN包覆層49。設(shè)定TMAl和TMGa的相關(guān)流速以給出大約0.06的AlN摩爾分?jǐn)?shù)。設(shè)定Cp2Mg的流速以給出鎂的濃度范圍在從1×1018到1×1020cm-3。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)定Cp2Mg的流速以給出大約5×1019的鎂濃度。
在p型GaN光波導(dǎo)層48和p型AlGaN包覆層49中鎂的摻雜質(zhì)濃度可以有所不同，但是如果濃度相同，制備工藝比較簡(jiǎn)單。
持續(xù)供應(yīng)氣流直到p型AlGaN包覆層49的厚度達(dá)到500納米。
當(dāng)p型AlGaN包覆層49達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，停止供應(yīng)TMAl以開(kāi)始生長(zhǎng)p型GaN的p接觸層50。在上述條件下，該p接觸層的生長(zhǎng)速度是2.5微米/小時(shí)。設(shè)定Cp2Mg的流速以給出大約1×1020cm-3的鎂濃度。持續(xù)供應(yīng)氣流直到該p型接觸層的厚度達(dá)到100納米。
當(dāng)p型GaN的p接觸層50達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度時(shí)，停止向反應(yīng)器供應(yīng)TMAl、TMGa和Cp2Mg并降低襯底41的溫度。當(dāng)該襯底溫度降低到100℃以下時(shí)，停止向反應(yīng)器供應(yīng)氨氣，將分層結(jié)構(gòu)40從反應(yīng)器中移開(kāi)。利用微分干涉顯微鏡觀察該分層結(jié)構(gòu)的表面以檢驗(yàn)裂縫。
與圖4所示激光器60相似的激光器采用以下的分層結(jié)構(gòu)40制備。對(duì)該分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有選擇地刻蝕以暴露出每一個(gè)激光器AlGaN的n接觸亞層43的表面61。以及對(duì)該分層結(jié)構(gòu)再進(jìn)行刻蝕以形成隆起，該隆起結(jié)構(gòu)對(duì)流經(jīng)有源層46的電流進(jìn)行會(huì)聚。然后，采用氣相沉積的常規(guī)方式形成激光器的n電極62。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，形成了鈦/鋁n電極。
在形成該激光器的p電極63之前，利用常規(guī)熱退火或電子束輻照促使鎂摻雜層的p型轉(zhuǎn)換。也可以在形成n電極62之前進(jìn)行退火，但是在本實(shí)例中，在n電極62形成之后進(jìn)行退火。該退火工藝可以采用日本專(zhuān)利申請(qǐng)H9-37705中所述的方法進(jìn)行。該專(zhuān)利申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本公開(kāi)的受讓人并結(jié)合在此作為參照。該申請(qǐng)的英文版已經(jīng)作為國(guó)際申請(qǐng)no.WO98/37586被公開(kāi)。該激光器的p電極采用Ni/Au制成，每一個(gè)電極的寬度為5微米，長(zhǎng)度為500微米。
在形成n電極和p電極之后，進(jìn)行切割操作以將分層結(jié)構(gòu)40分成單獨(dú)的激光器60，每一個(gè)激光器帶有一個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)。
圖5是一幅曲線圖，它展示出采用如上所述分層結(jié)構(gòu)40制成的激光器60的實(shí)例所發(fā)光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖。在圖5中，用y軸以任意單位表示該激光器發(fā)光的強(qiáng)度，用x軸以度為單位表示相對(duì)于激光器光軸的相對(duì)發(fā)射角，激光器以該相對(duì)發(fā)射角發(fā)光。該遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰，這表明光波導(dǎo)層45與AlGaN復(fù)合層51的AlGaN包覆亞層44所構(gòu)成的光約束結(jié)構(gòu)提供了足夠的光約束。在所示的實(shí)例中，光約束因子為3.2％。
圖6和圖7示出了激光器60的其它特性。圖6是一幅曲線圖，它展示出該激光器的正向傳導(dǎo)特性。在該圖中，y軸表示跨在該激光器上的電壓降，x軸表示流經(jīng)該激光器的電流。曲線(a)表示激光器60的正向特性。圖7是該激光器的閾特性曲線圖。在該圖中，y軸以任意單位表示該激光器發(fā)光的強(qiáng)度，x軸表示流經(jīng)該激光器的電流。曲線(a)表示激光器60的閾特性。
為了與激光器60進(jìn)行比較，另外制成了二個(gè)激光器。第一個(gè)用于比較的被稱(chēng)為比較實(shí)例1的激光器具有圖4所示的結(jié)構(gòu)。但是，該AlGaN的n接觸亞層43的AlN摩爾分?jǐn)?shù)和緩沖層42的低溫沉積的AlGaN的AlN摩爾分?jǐn)?shù)都是0.06。在激光器60中，這些AlN摩爾分?jǐn)?shù)都是0.03。圖6中的曲線(b)展示出比較實(shí)例1的正向特性。在圖6中，將曲線(a)(根據(jù)本發(fā)明的激光器60)與曲線(b)(比較實(shí)例)進(jìn)行比較，可以在看到在AlGaN的n接觸亞層43中采用較低的AlN摩爾分?jǐn)?shù)使激光器60具有的基本優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于給定的電流，跨在根據(jù)本發(fā)明的激光器60上的電壓降基本上低于跨在比較實(shí)例1上的電壓降。
制成的第二個(gè)用于比較的激光器具有圖1所示的結(jié)構(gòu)，該激光器被稱(chēng)為比較實(shí)例2。n型GaN接觸亞層13的厚度為4微米。n型GaN接觸層13的厚度為4微米，該n型接觸層GaN材料將沉積在該層上的n型AlGaN包覆層14的厚度限制在600納米以?xún)?nèi)，而在激光器60中，沉積在AlGaN的n接觸亞層43上的n型AlGaN包覆亞層44的厚度為1000納米。將比較實(shí)例2中的包覆層厚度限制到600納米以減小在該包覆層中的裂縫影響范圍。圖7中的曲線(b)展示出比較實(shí)例2的閾特性。圖7的曲線(b)表明比較實(shí)例的閾電流大約是300毫安，圖7的曲線(a)表明根據(jù)本發(fā)明的激光器60的閾電流大約是200毫安。另外如圖2所示，比較實(shí)例2發(fā)光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出多峰；而如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的激光器60發(fā)光顯示出單峰。
在分層結(jié)構(gòu)40和激光器60的襯底41所采用的藍(lán)寶石襯底已經(jīng)得到充分的研究并且價(jià)格便宜。在替代的情況下，可以用碳化硅(SiC)作襯底41。SiC是一種價(jià)格較貴的襯底材料，但是其電阻率較低并且更穩(wěn)定，而且具有超解理性。作為另一種替代，可以采用GaN導(dǎo)電襯底而且提供優(yōu)越的性能。另外，包括沉積在一個(gè)襯底上的GaN層的襯底結(jié)構(gòu)可以用作導(dǎo)電襯底。如日本專(zhuān)利申請(qǐng)H9-306215所公開(kāi)的那樣，這種襯底結(jié)構(gòu)還可以包括一個(gè)在該襯底與GaN層之間低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料的緩沖層。該申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本公開(kāi)的受讓人，并結(jié)合于此作為參照。該申請(qǐng)的英文版作為國(guó)際申請(qǐng)no.WO99/25030被公開(kāi)。其它可以采用的襯底材料包括尖晶石、MgO、GaAs、硅等。
在上述激光器60的實(shí)例中，可以與用在先申請(qǐng)作為參照來(lái)改變AlGaN包覆亞層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)和厚度以增大光約束因子、改善該激光器發(fā)光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖、和降低閾電流。
分層結(jié)構(gòu)40和激光器60作為包括位于襯底41和有源層46之間的n型AlGaN復(fù)合層51進(jìn)行了描述。如圖8所示，該分層結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的激光器可以還包括一個(gè)另外的位于有源層上的p型AlGaN復(fù)合層。
圖8是一幅示意性的側(cè)視圖，它展示出根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式80。分層結(jié)構(gòu)80包括n型AlGaN復(fù)合層51、p型AlGaN復(fù)合層71、p型GaN的p接觸層72。分層結(jié)構(gòu)80中與分層結(jié)構(gòu)41中的對(duì)應(yīng)元素用相同的編號(hào)標(biāo)明，而且不在這里再進(jìn)行描述。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的，即可以在分層結(jié)構(gòu)80中采用與上述工藝相似的工藝使得激光器在結(jié)構(gòu)方面與激光器60相似。
在分層結(jié)構(gòu)80中，p型AlGaN復(fù)合層71包括二個(gè)厚度大致相等的亞層，每一個(gè)亞層的摩爾分?jǐn)?shù)不同。該p型AlGaN復(fù)合層包括一個(gè)具有較低AlN摩爾分?jǐn)?shù)的單晶AlGaN半導(dǎo)體材料的亞層和一個(gè)具有較高AlN摩爾分?jǐn)?shù)的單晶AlGaN半導(dǎo)體材料的亞層。該具有較高AlN摩爾分?jǐn)?shù)的單晶AlGaN半導(dǎo)體材料的亞層位于p型GaN的波導(dǎo)層附近從而與p型GaN光波導(dǎo)層一起形成一個(gè)光約束結(jié)構(gòu)。該亞層被稱(chēng)為AlGaN的p包覆亞層69。該AlGaN的p包覆亞層較高的AlN摩爾分?jǐn)?shù)使得該光約束結(jié)構(gòu)能提供足夠的光約束。
該具有較低AlN摩爾分?jǐn)?shù)的亞層的電阻比AlGaN的p覆蓋亞層69的低，該層離p型GaN光波導(dǎo)層48距離遠(yuǎn)，并且向激光器注入電流。該亞層被稱(chēng)為AlGaN的p接觸亞層70。AlGaN的p接觸亞層70較低的AlN摩爾分?jǐn)?shù)提供較低電阻的電流傳導(dǎo)路徑。
n型AlGaN復(fù)合層51和p型AlGaN復(fù)合層71相對(duì)于光波導(dǎo)層45和48以相同程度進(jìn)行取向，即，在每一個(gè)AlGaN復(fù)合層中，具有較高AlN摩爾分?jǐn)?shù)的包覆亞層位于各自光波導(dǎo)層的附近以形成各自的光約束結(jié)構(gòu)。作為結(jié)果，n型AlGaN復(fù)合層51的亞層和p型AlGaN復(fù)合層71在分層結(jié)構(gòu)80中反向排列。
在p型AlGaN復(fù)合層71中，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的p包覆亞層69與AlGaN的p接觸亞層70之間進(jìn)行突變，從而實(shí)際上生成二個(gè)不同的AlGaN層，每一層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)都不相同。作為替代的情況，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的p包覆亞層69與AlGaN的p接觸亞層70之間進(jìn)行逐漸變化，從而生成一個(gè)具有一個(gè)AlN摩爾分?jǐn)?shù)的單p型層，其摩爾分?jǐn)?shù)通過(guò)不同的厚度有所改變。無(wú)論AlN摩爾分?jǐn)?shù)如何變化，p包覆亞層69的厚度不應(yīng)該大于提供足夠光約束所要求的厚度。
在氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)80得實(shí)施方式中，p型AlGaN包覆亞層69的厚度為500納米以及AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.06。AlGaN的p接觸亞層70的厚度為500納米以及AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.03，以及p型GaN的p接觸亞層72的厚度為50納米。其它層的厚度和成分與分層結(jié)構(gòu)40中的相同。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)下面一點(diǎn)是明顯的即可以修改上述用于制造分層結(jié)構(gòu)40的方法以便進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)80的制造。
可以對(duì)分層結(jié)構(gòu)40或者分層結(jié)構(gòu)80進(jìn)行修改使其可以被用來(lái)制造n上(n-up)激光器和其它的氮化物半導(dǎo)體器件。在上述修改的分層結(jié)構(gòu)中，對(duì)位于襯底41與有源層46之間的層進(jìn)行p型摻雜，對(duì)位于該有源層之上包括任何另外的AlGaN復(fù)合層71的層進(jìn)行n型摻雜。
上述的分層結(jié)構(gòu)40和80以及激光器60可以包括一個(gè)另外的低溫沉積的緩沖層(未示出)，該緩沖層被夾在p型GaN光波導(dǎo)層48和p型AlGaN包覆層49之間或夾在p型GaN光波導(dǎo)層48和p型AlGaN復(fù)合層71之間，以進(jìn)一步減小裂縫的影響范圍。可以對(duì)該另外的低溫沉積的AlGaN緩沖層用從大約1×1018到大約1×1020cm-3的濃度范圍的鎂進(jìn)行摻雜，從而使該材料成為p型。例如，可以選擇鎂的濃度為1×1020cm-3。
最好采用金屬-有機(jī)氣相外延(MOVPE)來(lái)沉積包括分層結(jié)構(gòu)40和80的層。但是這不是本發(fā)明所必需的。作為替代可以采用分子束外延(MBE)、鹵素氣相外延(HVPE)或者其它合適的外延沉積技術(shù)來(lái)沉積這些層。
圖9A-9C是曲線圖，它展示出AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以通過(guò)AlGaN復(fù)合層51的厚度來(lái)進(jìn)行變化。y軸表示AlN摩爾分?jǐn)?shù)，x軸表示AlGaN復(fù)合層51厚度的百分比，0％對(duì)應(yīng)該AlGaN復(fù)合層與緩沖層42之間的界面，100％對(duì)應(yīng)該AlGaN復(fù)合層與n的GaN光波導(dǎo)層45之間的界面。AlN摩爾分?jǐn)?shù)發(fā)生變化的厚度實(shí)際百分比依賴(lài)于AlGaN的n接觸亞層43和AlGaN包覆亞層44的相對(duì)厚度。
如上所述，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的n接觸亞層43和AlGaN包覆亞層44之間突變，如圖9A所示，從而實(shí)際上產(chǎn)生二個(gè)不同的AlGaN層，每一個(gè)AlGaN層的AlN摩爾分?jǐn)?shù)不同。
作為替代，AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在AlGaN的n接觸亞層43和AlGaN包覆亞層44之間的梯度亞層55中進(jìn)行逐漸變化。圖9B展示出一個(gè)實(shí)施方式，其中AlN摩爾分?jǐn)?shù)在該梯度亞層范圍內(nèi)基本上是線性變化的。在這種情況下，梯度亞層的厚度是大約20納米。圖9C展示出一個(gè)實(shí)施方式，其中AlN摩爾分?jǐn)?shù)在該梯度亞層范圍基本上是以拋物線方式進(jìn)行變化的。逐漸改變AlN摩爾分?jǐn)?shù)以生成該梯度亞層可以減小異型縫隙，從而降低器件的電阻。
另外的AlGaN復(fù)合層71中的AlN摩爾分?jǐn)?shù)可以在p包覆亞層69和p接觸亞層70之間以與9A-9C相似的方式變化。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)40和80包括厚的低電阻的AlGaN復(fù)合層51，因而具有相對(duì)低的裂縫和其它缺陷的影響范圍。這些分層結(jié)構(gòu)可以用來(lái)改進(jìn)不僅是電光器件如激光二極管，而且其它器件包括III族氮化物半導(dǎo)體及結(jié)構(gòu)。這些器件包括光二極管、發(fā)光二極管、平面發(fā)光二極管、高電子遷移率晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
盡管本公開(kāi)對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明性的實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解到本發(fā)明不受所描述的精密的實(shí)施方式的局限，在所附限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中包括包括AlN的低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料的緩沖層；以及在該緩沖層上的包括AlN的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的復(fù)合層；該復(fù)合層包括臨近該緩沖層的第一亞層，以及位于該第一亞層之上的第二亞層，其中單晶氮化物半導(dǎo)體材料在第一亞層中具有第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)以及在第二亞層中具有第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)，第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)大于第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)。
2.權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中還包括一個(gè)另外的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的復(fù)合層，該另外的復(fù)合層包括第一另外亞層，以及第二另外亞層；以及位于該復(fù)合層與該另外復(fù)合層之間的有源層，其中第二另外亞層比第一另外亞層更接近該有源層，以及該另外復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料在第一亞層中具有第一另外AlN摩爾分?jǐn)?shù)并且在第二亞層中具有第二另外AlN摩爾分?jǐn)?shù)，第二另外AlN摩爾分?jǐn)?shù)大于第一另外AlN摩爾分?jǐn)?shù)。
3.權(quán)利要求1或2的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)與第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)之差不大于0.1。
4.權(quán)利要求3的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)與第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)之差大于0.03。
5.權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中還包括位于該緩沖層之下的藍(lán)寶石襯底。
6.權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中還包括位于該緩沖層之下的藍(lán)寶石襯底，該襯底包括SiC和GaN中的一個(gè)。
7.權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中還包括位于該緩沖層之下的襯底結(jié)構(gòu)，該襯底結(jié)構(gòu)包括襯底GaN層；以及被夾在襯底與GaN層之間的低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料層。
8.前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中對(duì)緩沖層的低溫沉積半導(dǎo)體材料與復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料都采用相同的摻雜質(zhì)進(jìn)行摻雜。
9.前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中緩沖層的厚度≤100納米；緩沖層的低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料是AlyGa1-yN，其中(0＜y≤1)；復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料是AlxGa1-xN；以及第二亞層的厚度至少為600納米以及第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)x在以下范圍內(nèi)(0.05＜x≤1)。
10.前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中緩沖層的低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)至少是0.01。
11.權(quán)利要求10的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)至少是0.03。
12.前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中該復(fù)合層還包括位于第一亞層和第二亞層之間的梯度亞層；以及在該梯度亞層中，該復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)從第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)變化至第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)。
13.權(quán)利要求12的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)，其中，在該梯度亞層中，復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料的AlN摩爾分?jǐn)?shù)通過(guò)(a)線性和(b)拋物線二種方式之一的方式從第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)變化至第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)。
14.一種氮化物半導(dǎo)體激光器，其中包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的一部分；位于該復(fù)合層之上的光波導(dǎo)層；以及位于該光波導(dǎo)層之上的有源層。
15.權(quán)利要求14的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中該第二亞層有一個(gè)厚度；以及至少第二亞層厚度和第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)中的一個(gè)擁有這樣的值使得采用該值的激光器所產(chǎn)生的光的遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示出單峰。
全文摘要
一種包括緩沖層和位于緩沖層之上的復(fù)合層的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)。該緩沖層是一個(gè)包括AlN的低溫沉積的氮化物半導(dǎo)體材料層。該復(fù)合層是一個(gè)包括AlN的單晶氮化物半導(dǎo)體材料層。該復(fù)合層包括臨近緩沖層的第一亞層和位于該第一亞層之上第二亞層。該復(fù)合層的單晶氮化物半導(dǎo)體材料在第一亞層中具有第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)以及在第二亞層中具有第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)。第二AlN摩爾分?jǐn)?shù)大于第一AlN摩爾分?jǐn)?shù)。氮化物半導(dǎo)體激光器包括上述的氮化物半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)的一部分,并且還包括位于該復(fù)合層之上的光波導(dǎo)層和位于該光波導(dǎo)層之上的有源層。
文檔編號(hào)H01S5/20GK1361933SQ00810470
公開(kāi)日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2000年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月16日
發(fā)明者竹內(nèi)哲也, 渡邊智, 金子和, 山田范秀, 天野浩, 赤崎勇 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司