專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，用于作為光通信的光源，其波長范圍為1.3至1.5μm，其中在可見光區(qū)域，使用一根玻璃纖維作為一個(gè)傳輸介質(zhì)，和在可見光區(qū)域作為光源的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
一種使用基于InGaAsP材料的傳統(tǒng)激光器有一個(gè)問題，其特征溫度低至40到60K。這個(gè)特征溫度在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)之一。特征溫度T0與閥值電流Ith的關(guān)系表達(dá)式為Ith＝I0exp(T/T0)這里，T是激光器工作時(shí)的環(huán)境溫度，I0是在絕對零度時(shí)的閥值電流。開始時(shí)，T0很低，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體激光器的閥值電流急劇增加。為了使半導(dǎo)體激光器以恒定功率工作，這時(shí)，輸入半導(dǎo)體激光器的電流與低溫工作時(shí)的電流相比，必須增加。隨著輸入電流的增加，除了工作環(huán)境溫度的升高外，半導(dǎo)體激光器的溫度也進(jìn)一步升高。當(dāng)工作環(huán)境溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體激光器的溫度經(jīng)歷了一個(gè)正反饋。其結(jié)果是，器件的溫度有很大的升高。在一種由基于InGaAsP材料制成的傳統(tǒng)激光器中，特征溫度是很低的，有以下二個(gè)原因。原因1當(dāng)形成一個(gè)制作半導(dǎo)體激光器不可缺少的雙異質(zhì)結(jié)時(shí)，在載流子限制層(覆層)和激活層之間，能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶上的帶隙(ΔEc)是很小的。原因2這種基于InGaAsP的材料有一種較大的俄歇效應(yīng)，由于存在這種俄歇效應(yīng)，因此，當(dāng)工作環(huán)境溫度升高時(shí)，位于激活層上導(dǎo)帶內(nèi)的電子將其能量提供給晶格，并引起無輻射俘獲空穴。這個(gè)現(xiàn)象與電子對于價(jià)帶上的空穴所產(chǎn)生的現(xiàn)象很相似。閃鋅礦結(jié)構(gòu)就是一種基于InGaAsP材料的晶體結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，由于在能帶結(jié)構(gòu)的Γ點(diǎn)上，價(jià)帶上的重空穴和輕空穴沒有能級差，即沒有自旋劈裂Δsp，所以俄歇效應(yīng)很大。
在一個(gè)半導(dǎo)體激光器中，由于這個(gè)激活層的帶隙隨著器件溫度的升高而減小，因此，加長了發(fā)射的波長。由光通信中的這種波長變化引起了下面的問題。
首先，在光通信中，光在光纖中的傳播速度是由光纖的折射率的色散引起的波長決定的。也就是說，光在纖維中的傳播速度的變化是由環(huán)境溫度的變化決定。由于這個(gè)原因，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，在發(fā)射邊，相對于時(shí)間軸是矩形的脈沖波形沿著光的傳播方向變形并擴(kuò)散。在長距離通信中，在不同時(shí)間，從發(fā)射邊發(fā)出的二個(gè)光脈沖在接受邊上相互交迭，并且使接受邊不能識別這二個(gè)光脈沖。在高比特率發(fā)射系統(tǒng)中，由于光脈沖間的間隔很小，所以，即使在短距離發(fā)射中，也因光脈沖的波長有所變化，在接受邊上，不能識別在不同時(shí)間從發(fā)射邊發(fā)出的二個(gè)光脈沖。另外，在頻率分隔多路傳輸通信(稱為WDM)中，由于在工作波長之間的間隔很短，約1至10nm，一個(gè)光源的波長上的變化會(huì)引起串話。
如上所述，在光通信中，通信光的波長變化能引起一個(gè)嚴(yán)重的問題，所以波長的穩(wěn)定性很重要。因?yàn)檫@個(gè)原因，在傳統(tǒng)上，用作光源的半導(dǎo)體激光器是安裝在珀耳貼器件上，來進(jìn)行溫度控制，使之能夠用于實(shí)際的光通信。這樣就可以穩(wěn)定工作溫度，并確保波長的穩(wěn)定性。所以，目前為了確保一個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保持一個(gè)溫度控制裝置的穩(wěn)定性也是非常重要的，例如，一個(gè)珀耳貼器件。安裝一個(gè)珀耳貼器件的費(fèi)用，一個(gè)珀耳貼器件控制電路的費(fèi)用和對這個(gè)珀耳貼器件供電的費(fèi)用增加了這個(gè)通信系統(tǒng)的成本。另外，一個(gè)珀耳貼器件的出現(xiàn)也增加了部件的數(shù)量，也會(huì)降低整個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
另外，在由上述材料制成的傳統(tǒng)光通信光源上，得不到較高的能量。在光通信系統(tǒng)中，高能光源是必須的。很明顯，一個(gè)光源的光能越高，其傳輸距離就越長，在大容量通信系統(tǒng)中，由于光信號的脈沖寬度很窄，所以必須增加光脈沖的能量，并以一個(gè)高信噪比(S/N)實(shí)現(xiàn)通信。為了增加光脈沖的能量，一個(gè)高能量光源是必須的。
使用一種傳統(tǒng)的基于InGaAsP材料，在形成一個(gè)半導(dǎo)體激光器的一個(gè)雙異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶上，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)小段帶隙ΔEc。由于這個(gè)原因，大電流的發(fā)射很容易地引起載流子的過流。載流子過流是一種光發(fā)射層上的載流子穿過一個(gè)光發(fā)射層，沒有發(fā)生無輻射俘獲的現(xiàn)象。

圖19所示，作為載流子的電子通過光發(fā)射層，從一個(gè)N型載流子限制層移動(dòng)進(jìn)入一個(gè)P型載流子限制層的現(xiàn)象。
如上所述，在一個(gè)使用一種傳統(tǒng)的基于InGaAsP材料的半導(dǎo)體激光器中，大電流的輸入不會(huì)增加光的能量，只會(huì)產(chǎn)生熱量。為了解決這個(gè)問題，已經(jīng)做了一些嘗試，使用一種包括Al元素在內(nèi)的化合物半導(dǎo)體作為一個(gè)靠近光發(fā)射層的P型載流子限制層。這樣只能少量地增加導(dǎo)帶上的帶隙的寬度，稍微改善半導(dǎo)體激光器的性能。然而，基于這種技術(shù)的半導(dǎo)體激光器的光輸出量只能限制在1.55μm的波段上100mW的級別上。
除了上述的這二個(gè)問題外，一種傳統(tǒng)的基于InGaAsP材料還有一個(gè)問題，即很難制造一種發(fā)射1.48μm波長光的器件，這個(gè)波長能夠使在1.55μm波段上的光纖放大器中獲得最高的激發(fā)效率。這是由于在這個(gè)InGaAsP系統(tǒng)中，在1.55μm波長段上發(fā)射光的晶體結(jié)構(gòu)存在一個(gè)熱力上的非固溶區(qū)。為了在一個(gè)非固溶區(qū)上獲得一種晶體，必須在熱力不平衡的條件下進(jìn)行晶體生長。即使在熱力不平衡的條件下，獲得一個(gè)位于非固溶區(qū)的晶體，其可結(jié)晶性也比在熱平衡條件下生長出的晶體的可結(jié)晶性要差。雖然通過使用這樣的晶體，已經(jīng)生產(chǎn)出一些器件，但是，這些器件發(fā)光功率和發(fā)光效率都很低，并且其壽命也很短。
將在下文中說明在可見光區(qū)域的傳統(tǒng)光發(fā)射器件的問題。第一個(gè)問題在于，發(fā)射蘭，綠，黃光束，及類似的小于670nm波長光束的發(fā)光器件(下文簡稱LEDs)的性能很差。通過使用帶有由InGaN材料制成的阱層的量子阱結(jié)構(gòu)，已經(jīng)生產(chǎn)出蘭光和綠光LEDs，并且已經(jīng)在市場上銷售。然而，可以確定，在由InGaN材料制成并用于這些器件的阱層中，會(huì)發(fā)生相分離現(xiàn)象。更特別的是，將含有高In元素成分的區(qū)域(點(diǎn))分散在InGaN材料內(nèi)，使InGaN材料含有均勻的In元素成分。由于這些點(diǎn)大小不同，因此這個(gè)合成光發(fā)射就有一個(gè)較大的光譜范圍。
在可見光區(qū)域上，傳統(tǒng)發(fā)光器件上的第二個(gè)問題在于，不能獲得高質(zhì)量的黃光LED。例如，黃光LEDs已經(jīng)用于作為美國交通信號中的黃燈。InGaAlP材料用于作為制作這些器件的一種材料。然而，在一個(gè)黃光發(fā)光器件中使用InGaAlP材料，在由含有不同成分的InGaAlP材料制成的異質(zhì)結(jié)上，其導(dǎo)帶上的帶隙是很小的。由于這個(gè)原因，正如與光通信光源有關(guān)部分所述，從注入電流到光的轉(zhuǎn)換效率很低。另外，對于光的發(fā)射來說，一個(gè)效率低下的電流會(huì)產(chǎn)生熱量，因此這種熱量降低了器件的性能。
為了解決這個(gè)問題，做了一些嘗試，通過使用InGaN材料制造黃光LEDs。然而，用InGaN材料制作的黃光LED所產(chǎn)生的光發(fā)射只是一個(gè)數(shù)量級，或者比蘭和綠光發(fā)射強(qiáng)度更低。這是因?yàn)樵邳S光區(qū)，發(fā)生了大的相分離，從而導(dǎo)致了較差的可結(jié)晶性。
在可見光區(qū)域的一個(gè)發(fā)光器件上，另一個(gè)傳統(tǒng)的問題是，不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正意義上的半導(dǎo)體激光器。雖然能夠制造出從藍(lán)色到橙色波長范圍的LEDs，但是，還沒有制造出這種激光器結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椴荒芡ㄟ^使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì)一個(gè)在小閥值電流下振蕩的器件結(jié)構(gòu)。只能制造一些波長大于630nm的器件。
通過使用基于InGaAlP材料，已經(jīng)制造出在630nm波長范圍內(nèi)的激光器。然而，由于在光發(fā)射層和覆層(載流子限制層)之間，能帶上的導(dǎo)帶上的帶隙(ΔEc)很小，通過使用一個(gè)基于電子波干涉的電子反射器，阻止電子過流，這種電子波干涉從一個(gè)多量子阱上形成，一個(gè)多量子阱也稱為一個(gè)P型覆層的多量子阻擋層(通常成為MQB)。然而，由于導(dǎo)帶上許多帶隙的出現(xiàn)，一個(gè)MQB的使用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)高的器件驅(qū)動(dòng)電壓。
另外，一個(gè)激活層上多個(gè)量子阱層的數(shù)量通常是一至三個(gè)，然而，在一個(gè)MQB中需要大約幾個(gè)十層量子阱層。在一個(gè)激活層上的每個(gè)量子阱層的厚度精確對應(yīng)與多個(gè)量子阱內(nèi)有關(guān)光波長的精度。與這種情況相比，在一個(gè)MQB中，這個(gè)精度對應(yīng)于有關(guān)比光波長更短的電子波波長的精度。在實(shí)際中，一個(gè)量子阱層的精確厚度約為1/10nm。如上所述，根據(jù)上面的傳統(tǒng)器件，相對于作為一種發(fā)光器件激活層的多量子阱來說，難以制造一個(gè)MQB。
為了實(shí)現(xiàn)以上的目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在此提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，該發(fā)光器件至少包括一層在襯底上形成的第一覆層，一個(gè)在第一覆層上形成的，并包括由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的激活層在內(nèi)的發(fā)光結(jié)構(gòu)，和一個(gè)在這個(gè)發(fā)光結(jié)構(gòu)上形成的第二覆層。
在這種排列下，激活層是由一種帶有小俄歇效應(yīng)的材料制成。另外，激活層是由一種沒有任何相分離的均勻成分的材料制成的。而且，能夠形成這樣一種結(jié)構(gòu)，即在這種結(jié)構(gòu)中，可以加大激活層和P型覆層之間的導(dǎo)帶上的帶隙(ΔEc)。
圖3所示，在將V/III設(shè)定為660,000的條件下生長出的一層InN薄膜上，其吸收率的平方與光子能量的關(guān)系圖；圖4所示，在將V/III設(shè)定為660,000的條件下生長出的一層InN薄膜上，室溫下測量的光致熒光圖；圖5所示，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)的Eg和a軸的點(diǎn)陣常數(shù)a之間的關(guān)系圖；圖6所示，從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算中得出的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)的非固溶區(qū)圖；圖7A所示，當(dāng)將作為氮源的氨的量與作為銦源的三甲基銦(TMI)的量之比率V/TMI設(shè)定為160,000時(shí)，生長出的InN的X射線衍射光譜圖；圖7B所示，當(dāng)將作為氮源的氨的量與作為銦源的三甲基銦(TMI)的量之比率V/TMI設(shè)定為320,000時(shí)，生長出的InN的X射線衍射光譜圖；圖7C所示，當(dāng)將作為氮源的氨的量與作為銦源的三甲基銦(TMI)的量之比率V/TMI設(shè)定為660,000時(shí)，生長出的InN的X射線衍射光譜圖；圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖9所示，在InGaN的生長中固相的In元素成分與TMI的供應(yīng)量和第三族源總的供應(yīng)量的比率的關(guān)系圖；圖10所示，根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖11所示根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖12所示根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖13所示根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖14A所示根據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖14B所示根據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的部分結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖15所示根據(jù)本發(fā)明的第八個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖16所示根據(jù)本發(fā)明的第九個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖17A所示根據(jù)本發(fā)明的第十個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意截面圖；圖17B所示根據(jù)本發(fā)明的第十個(gè)實(shí)施例，這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例示意透視圖；圖18所示圖7中的這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的特性圖；圖19用于說明載流子過流的彎曲結(jié)構(gòu)示意圖。
這個(gè)半導(dǎo)體激光器包括一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層103，并通過一層厚度為1.2nm的氮化物層102，形成在一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底101的上表面上，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層104，一層由摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層105。注意，這層單晶襯底101不只限于蘭寶石，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
另外，在覆層105上，形成了下面的層一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的0.6μm厚的導(dǎo)向?qū)?06，一層由InN材料制成的20nm厚的激活層107，一層由沒有摻入雜質(zhì)的GaN材料制成的10nm厚的生長蓋層108，一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.55μm厚的導(dǎo)向?qū)?09，一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層110，和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層111。
在接觸層111上形成電流絕緣層，電流絕緣層112是由二氧化硅SiO2制成的，并有一個(gè)用于限制電流注入的區(qū)域的2μm寬的凹槽。注意，上面的凹槽與這個(gè)半導(dǎo)體激光器腔內(nèi)的光的傳播方向平行。一個(gè)P型金屬電極113通過上面的凹槽與接觸層111相接觸，并形成在電流結(jié)緣層112上。雖然沒有畫出，這個(gè)P型金屬電極113有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)是包括一個(gè)與接觸層111直接接觸的50nm厚的鈀層，一層在這個(gè)鈀層上形成的30nm厚的鉑層，和一層在這個(gè)鉑層上形成的200nm厚的金層。
注意，電極層104有一個(gè)暴露的區(qū)域，該區(qū)域是通過部分地蝕刻各個(gè)層而形成的，并且一個(gè)N型金屬電極114也位于這個(gè)暴露區(qū)域。雖然沒有畫出，這個(gè)N型金屬電極114有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)與暴露部分直接接觸的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層。圖1所示的這個(gè)半導(dǎo)體激光器的腔體長約500μm。
圖2所示，在室溫下，圖1A和1B中的半導(dǎo)體激光器安裝在一個(gè)散熱片上，使用直流(DC)電流，通過測量這個(gè)半導(dǎo)體激光器，獲得的光學(xué)功率/電流特性(CW特性)和電壓/電流特性。在圖1A和1B所示，在室溫下，閥值電流為82時(shí)，引起CW振蕩的半導(dǎo)體激光器。這個(gè)合成振蕩波長為1.6μm。這時(shí)的工作電壓是2.8V。內(nèi)置電壓Vb約為1.2V。
在以前的技術(shù)中，當(dāng)In1-XGaXN(0＜X＜0.4)作為一個(gè)包括激活層在內(nèi)的光發(fā)射結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)置電壓略小于4V。注意，圖1A和1B中的半導(dǎo)體激光器例示了這種使用InN材料制成激活區(qū)107的激光器。然而，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料有一個(gè)比InN具有更大的帶隙，因此，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料可以用作激活層。在這個(gè)例子中，振蕩波長可以進(jìn)一步地降低至如0.4μm。
在下面將說明InGaAlN材料(In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料)。
傳統(tǒng)上，還沒有將InGaAlN材料應(yīng)用到半導(dǎo)體發(fā)光器件(半導(dǎo)體激光器)上的想法，該發(fā)光器件的波長為1.3μm至1.58μm，并位于光通信波長的范圍內(nèi)。也沒有將半導(dǎo)體發(fā)光器件設(shè)計(jì)成能夠獲得比橙光波長更長的波長范圍內(nèi)的光。這時(shí)由于InN材料的帶隙(Eg)所致，在這些材料中，InN材料的帶隙Eg最小，其值為1.9至2.1eV。當(dāng)測量這樣的帶隙Eg時(shí)，通過反應(yīng)濺射法或類似的方法形成InN，并只能形成多晶InN。就是說，上述帶隙測量結(jié)果是從多晶InN中獲得的(參考文獻(xiàn)1K.Osamura，K.Nakajima和Y.Murakami，Solid State Comm.，11(1972)617，參考文獻(xiàn)2N.Puychevrier和M.Menoret，Thin Solid Film，36(1976)141，和參考文獻(xiàn)3T.L.Tansley和C.P.Foley，J.Appl.Phys.，59(1986))。
在構(gòu)成InGaAlN的化合物AlN，GaN和InN中，InN的固相上氮?dú)獾钠胶庹魵鈮罕绕溆嗟幕衔锷系恼魵鈮焊?個(gè)數(shù)量級(參考文獻(xiàn)4T.Matsuoka，H.Tanaka，T.Sasaki和A.Katsui，“寬帶隙半導(dǎo)體(In，Ga)N”，GaAs及相關(guān)化合物國際討論會(huì)，(Karuizawa，日本，1989)；in Inst.Phys.Conf.Ser.，106.pp.144-146)。通過反應(yīng)濺射法或類似的方法，其中，不能增加用于形成一層薄膜的容器壓力，使用InN生成具有這樣性能的高質(zhì)量晶體幾乎是不可能的。在上述的時(shí)期里，由于也嘗試在一個(gè)玻璃襯底上生長InN薄膜，但是得不到單晶生長的晶格信息，也不能生長單晶晶體。
在這種形勢下，本發(fā)明人試圖通過有機(jī)金屬氣相外延附生(下文簡稱為MOVPE)方法，在一個(gè)單晶蘭寶石上生長單晶InN材料，用這種方法可以加大氮?dú)鈮毫?，并?989年在單晶生長上實(shí)現(xiàn)了世界上第一次成功。本發(fā)明人在1989年的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告了這個(gè)結(jié)果(參考文獻(xiàn)5Takashi Matsuoka，Toru Sasaki，Hirotsugu Sato，和Akinori Katsui，“通過MOVPE法的InN的外延生長”，日本應(yīng)用物理及相關(guān)學(xué)科協(xié)會(huì)的第36次會(huì)議的擴(kuò)充摘要，p.270(1p-ZN-10)(1989))。
然而，這次獲得的單晶晶體的結(jié)晶性是不足的，因此，這種技術(shù)在獲取InN的光學(xué)性能上還是有缺陷的。隨后，本發(fā)明人做了許多技術(shù)改進(jìn)，在2001年，成功地生長出世界上第一個(gè)能夠測量其光學(xué)性能的高質(zhì)量單晶InN材料(參考文獻(xiàn)6Takashi Matsuoka，Masahi Nakao，HiroshiOkamoto，Hiroshi Harima，Eiji Kurimoto，和Megumi Hagiwara，“InN材料的光帶隙能量”，日本應(yīng)用物理及相關(guān)學(xué)科協(xié)會(huì)的第49次會(huì)議的擴(kuò)充摘要，p.392(29p-ZM-1)(2002)；在應(yīng)用物理協(xié)會(huì)的手稿截至?xí)r間2002年1月8日；會(huì)議從3月27日至30日；和宣布日期3月29日)。
對于生長上述高質(zhì)量單晶InN材料，第一個(gè)技術(shù)改進(jìn)是先在一個(gè)蘭寶石襯底上形成GaN材料，GaN材料的晶格常數(shù)介于蘭寶石和InN之間。在這個(gè)例子中，為了得到高結(jié)晶性，需要一層GaN層。由于這個(gè)原因，在下面步驟中優(yōu)化了GaN的生長條件1.清潔反應(yīng)器內(nèi)的蘭寶石襯底的表面；2.用氨氮化該蘭寶石的表面；3.低溫生長GaN材料，作為一層緩沖層，降低蘭寶石和GaN之間的晶格失配；4.高溫退火，形成溶入單晶的緩沖層；和5.高質(zhì)量的GaN材料的高溫生長。
第二個(gè)技術(shù)改進(jìn)是檢查在GaN材料上的InN的生長條件，GaN材料是在通過上面的方法優(yōu)化的條件下生長出來的。要檢查的項(xiàng)目有生長溫度，生長速度，V族元素與In族元素的比率，在反應(yīng)器內(nèi)的氣流量，和類似的項(xiàng)目。檢查這些項(xiàng)目的結(jié)果，使本發(fā)明人成功地完成了能夠測量其光學(xué)性能的InN生長?，F(xiàn)在，能夠在一層蘭寶石層上直接形成一層InN層，無須在其中形成任何GaN層。
圖3和4所示，所形成的一層InN薄膜的特性。圖3所示，在這層InN薄膜上，其吸收率的平方與光子能量的關(guān)系。如圖3所示，在這層InN薄膜上，從光吸收率上檢測到一個(gè)清楚的吸收邊。由于這種關(guān)系幾乎是線性的，因此，可以將InN看成一種線性轉(zhuǎn)換型，并且能夠?qū)⑦@個(gè)Eg估計(jì)為約0.8eV。
圖4所示，在上述條件下形成的這層InN薄膜上，室溫下測量的光致熒光。很明顯，是在接近1.65μm(0.75eV)的波長附近產(chǎn)生了光發(fā)射。在圖3和4中的吸收率和光致熒光的測量結(jié)果表明，在上述條件下形成的這層InN薄膜上的這個(gè)Eg值為0.8eV。從這些結(jié)果中，可以估計(jì)InN的Eg值接近于0.8eV。
上述的各種技術(shù)改進(jìn)和長期效果首次揭示了單晶InN的Eg值是0.8eV，只是以前的測量結(jié)果的二分之一或更小。圖5所示，InGaAlN的Eg和a軸的點(diǎn)陣常數(shù)a之間的關(guān)系。虛線表示傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)線表示能反映本發(fā)明人得到的數(shù)據(jù)的結(jié)果。
如上述的說明一樣明顯，通過使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)形成一個(gè)雙異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)，能夠制造出一個(gè)大功率、高T0的半導(dǎo)體發(fā)光器件。例如，用以前的技術(shù)，T0大約為60K，現(xiàn)在可以將其增加到大約150K左右。另外，在晶體生長上，難以用傳統(tǒng)的材料制造一種能發(fā)射出1.48μm波長光的器件，由于在一種熱平衡條件下，能很容易地生長出一種材料，因此就能夠制造出高性能的器件。而且，正如發(fā)光器件一樣，例如能在黃、蘭和綠光區(qū)域發(fā)光的激光器和LEDs，也可以制造出高性能的器件。
與InGaAsP材料相比，InGaAlN材料在價(jià)帶的Γ點(diǎn)上顯示了較高的自旋劈裂能量Δsp。由于這個(gè)原因，InGaAlN材料的俄歇效應(yīng)很小，因此提高了發(fā)光器件的溫度性能。當(dāng)通過使用InGaAlN材料形成一個(gè)異質(zhì)結(jié)時(shí)，價(jià)帶上的一個(gè)帶隙ΔEc就變大了。因?yàn)檫@個(gè)原因，所以能夠降低載流子的過流。其結(jié)果是，在一個(gè)使用InGaAlN材料的發(fā)光器件上，抑制了熱量的產(chǎn)生，并提高了溫度性能。
當(dāng)通過用純凈的InN材料形成一個(gè)阱層，用一種不同于InN材料的成分如In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料，形成一個(gè)阻擋層，并以此來控制量子阱結(jié)構(gòu)的阱層(激活層)和阻擋層的厚度時(shí)，可以制造出一種能發(fā)射出1.48μm波長光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，但是，難以通過一種基于InGaAsP的材料，用一種高質(zhì)量晶體制造出這種發(fā)光器件。很明顯，即使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料而不是用純凈的InN作為激活層，也可以制造出一種能發(fā)射出1.48μm波長光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖6所示，從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算中得出的InGaAlN的非固溶區(qū)(參考文獻(xiàn)7T.Matsuoka，“纖維鋅礦In1-X-YGaXAlYN上的相分離”，MRS internet J.Nitride Semicond.Res.3，54(1998))。參照圖6，點(diǎn)劃線表示當(dāng)InGaAlN在600℃下生長時(shí)，InGaAlN的非固溶區(qū)；實(shí)線表示當(dāng)InGaAlN在800℃下生長時(shí)，InGaAlN的非固溶區(qū)；虛線表示當(dāng)InGaAlN在1000℃下生長時(shí)，InGaAlN的非固溶區(qū)；在各種線內(nèi)的區(qū)域都是非固溶區(qū)。
如圖6所示，某些成分區(qū)在一種熱平衡條件下是不能生長的。用一個(gè)部分表示非固溶區(qū)外的固溶區(qū)，通過控制一個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)的成分和厚度，在熱平衡條件下，能夠制造出圖1A和1B中的這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件。對于在可見光區(qū)的一個(gè)發(fā)光器件，在熱平衡條件下，也能夠形成一層晶體層，該晶體層用于形成包括一層激活層在內(nèi)的光發(fā)射層結(jié)構(gòu)，并且在導(dǎo)帶上能夠設(shè)定一個(gè)大帶隙。因此，也就能夠制造一種高性能的發(fā)光器件。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，因此，可以提供一種大功率、高穩(wěn)定性并且能夠在1.48μm波長附近工作的發(fā)光器件，例如，一個(gè)用于光纖放大器的激發(fā)光源。其結(jié)果是，提高了光纖放大器的輸出功率，增加了光通信的傳輸距離。另外，對于1.55μm波長區(qū)，圖1A和1B所示的這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將能實(shí)現(xiàn)大功率/高T0和一個(gè)長拖動(dòng)的高速傳輸系統(tǒng)。
另外，在可見光區(qū)，能夠提供比傳統(tǒng)器件具有更高的照明效率和更長的器件壽命的LEDs和半導(dǎo)體激光器。
而且，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，這種使用InN材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件提高了相對于環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，將在下面說明。如果隨著溫度的變化，一種半導(dǎo)體材料的帶隙(Eg)變化情況定義為“{Eg(300)-Eg(0)}/Eg(0)”，InAs出現(xiàn)一個(gè)0.12的變化，GaAs出現(xiàn)一個(gè)0.57變化。InP出現(xiàn)一個(gè)0.48的變化。在這個(gè)例子中，Eg(300)表示在300K下的一個(gè)Eg值，Eg(0)表示在0K下的一個(gè)Eg值。在參考文獻(xiàn)8(Q.Guo和A.Yoshida，Jn.J.Appl.Phys.，34(1995)4653))中作了這樣一個(gè)描述。
當(dāng)本發(fā)明人測量了InN材料的Eg隨溫度變化的一個(gè)變化值時(shí)，這個(gè)測量值要比上面提及的值小得多。本發(fā)明人得到的這個(gè)發(fā)現(xiàn)不同于參考文獻(xiàn)8所公開的有關(guān)InN的內(nèi)容。InP現(xiàn)在作為一種主要材料，用于光通信中的半導(dǎo)體發(fā)光器件，在300K時(shí)，能發(fā)射波長為925nm的光，在280K時(shí)，能發(fā)射波長為919nm的光。如上所述，在一個(gè)使用InP材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，當(dāng)溫度變化20℃時(shí)，波長變化6nm。
與這種情況相比，在一個(gè)使用InN材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，即使溫度變化20℃時(shí)，幾乎不能觀察到波長變化。如上所述，相對于環(huán)境溫度的變化，一個(gè)使用InN材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件的波長幾乎沒有變化。由于這個(gè)原因，例如，將一個(gè)使用InN材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)用到一個(gè)通信系統(tǒng)，就可以很大地提高這個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
將在下面說明一種制造在圖1A和1B所示的這種半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源，作為一個(gè)載流子氣體，氮?dú)庥糜谝粋€(gè)含有In元素的層的生長，氫氣則用于一個(gè)不含有In元素的層的生長。在生長過程中，反應(yīng)器內(nèi)保持大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定在1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底101的表面氮化，形成氮化層102。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成緩沖層103。在這種GaN材料的生長中，除了三乙基鎵(TEG)外，還能夠?qū)⑷谆?TMG)用作一種作為一個(gè)鎵源的有機(jī)金屬。相對于TMG，TEG的優(yōu)點(diǎn)在于具有一個(gè)低氣壓，適合于供應(yīng)少量的Ga，在550℃的低溫下很容易分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。
隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底101退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層103。接著，將單晶襯底的溫度設(shè)定到1020℃，摻雜Si元素的N型GaN、摻雜Si元素的N型Al0.1Ga0.9N和摻雜Si元素的GaN依次生長，形成電極層104，覆層105，和導(dǎo)向?qū)?06。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的氣相生長的一個(gè)鋁源，使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓，并且適合于提供大量的鎵元素。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。注意，相同族的元素用于每層生長過程的Si摻雜(將在后面說明)。
接著，在導(dǎo)向?qū)?06上生長InN，形成激活層107。在InN材料的生長中，由于，在固相和氣相之間的InN的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將襯底溫度設(shè)定在500℃。在這個(gè)生長過程中，為了通過阻止金屬In的參與生成高質(zhì)量的InN，氨與TMI的比率，即V/III，設(shè)定在660,000。
圖7A、7B和7C所示，作為InN的生成條件與可結(jié)晶性之間的關(guān)系的一個(gè)例子，當(dāng)供給反應(yīng)器作為氮源的氨的量與供給反應(yīng)器作為銦源的三甲基銦(TMI)的量之比率V/TMI變化時(shí)，生長出的InN的X射線衍射光譜圖。圖7A、7B和7C顯示了ω-2θ掃描光譜。如圖7A和7B所示，在將V/III設(shè)定在160,000或小于等于320,000的條件下，在所生長的薄膜上，能夠觀測到來自金屬銦的信號。與這種情況相比，如圖7C所示，在將V/III設(shè)定在660,000的條件下，在所生長的薄膜上，金屬銦的峰值消失了，因而，可以知道不含有金屬銦。
氮既用作一個(gè)TMI載流子氣體，也用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)槭褂米鳛檫@些氣體的氮?dú)鈱?huì)抑制氨的分解，降低有效的V/III比率，致使阻止了InN的生長(參考文獻(xiàn)5)。
在500℃生長GaN材料，這個(gè)溫度也是InN材料的生長溫度，通過使用一種氮載流子氣體，抑制對激活層107的蝕刻和其可結(jié)晶性的破壞，因此，形成生長蓋層108。在形成生長蓋層之后，將襯底溫度升高到1020℃，以提高生長蓋層108的質(zhì)量。隨后，摻雜Mg元素的P型GaN、摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和摻雜Mg元素的GaN依次生長，形成導(dǎo)向?qū)?09，覆層110，和接觸層111。
使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的可控性和再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在導(dǎo)向?qū)?09后，形成覆層110和接觸層111，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。
在形成如上所述的各個(gè)晶體層后，通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層111上，形成由SiO2制成的限流絕緣層112，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層112上形成一個(gè)凹槽。
在這個(gè)限流絕緣層112上形成一個(gè)凹槽之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有凹槽的限流絕緣層112上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鈀層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極113的金屬層。使用一種發(fā)射技術(shù)將這個(gè)金屬層定形。此后，通過已知的光刻技術(shù)，形成一種基于酚醛樹脂的正向光致抗蝕劑模型，通過使用這個(gè)模型作為一個(gè)掩膜，對晶體層進(jìn)行蝕刻，在電極層104上形成一個(gè)暴露區(qū)。通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，使用氯氣蝕刻晶體層。
在蝕刻形成上述暴露區(qū)之后，移去這個(gè)光致抗蝕劑掩膜，清潔單晶襯底101以及在其上形成的結(jié)構(gòu)，在電極層104的暴露區(qū)上，依次沉淀形成一個(gè)50nm厚的鈦層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)20nm厚的金層，將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)定形，并形成N型金屬電極114。使用一種發(fā)射技術(shù)將這個(gè)金屬層定形。
通過以上步驟，直到N型金屬電極114形成后，就完成了這個(gè)制造過程，將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)固定在一個(gè)拋光底座上，對單晶襯底101的下表面進(jìn)行拋光，以便在對拋光面進(jìn)行鏡面加工時(shí)，將其磨薄至50μm的厚度。當(dāng)沒有經(jīng)過鏡面加工，就從拋光底座上將這個(gè)拋光的單晶襯底101移走時(shí)，這個(gè)單晶襯底101可能會(huì)卷曲或裂紋。由于這個(gè)原因，就對這個(gè)下表面進(jìn)行鏡面加工。之后，清潔這個(gè)合成結(jié)構(gòu)，通過劈開或類似的操作，將預(yù)定的部分切掉，最后，就得到了圖1A和1B中的半導(dǎo)體發(fā)光器件。(第二個(gè)實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖8所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例。用一個(gè)LED(發(fā)光器件)示例說明。圖8顯示了這個(gè)LED的結(jié)構(gòu)。這個(gè)LED以下各層，都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底201的上表面上，單晶襯底201有二個(gè)都已進(jìn)行鏡面拋光表面，即上表面和下表面一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層202，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層203，一層由摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層。注意，單晶襯底201并不限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層204上，形成了下面的層一層由InN材料制成的50nm厚的激活層205，一層由沒有摻入雜質(zhì)的GaN材料制成的10nm厚的生長蓋層206，一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層207，和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層208。在接觸層208上形成一層限流絕緣層209，這個(gè)限流絕緣層209帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗，用以限制電流注入?yún)^(qū)。
在限流絕緣層209上形成一個(gè)P型金屬電極210，金屬電極210通過開口窗與接觸層208接觸。這個(gè)金屬電極210有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層208接觸的50nm厚的鎳層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。注意，電極層203有一個(gè)暴露區(qū)和一個(gè)位于該暴露區(qū)的N型電極211，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻電極層203上的各層形成的。這個(gè)金屬電極211也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鋁層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。
在下面將描述圖8所示的一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源。用氮?dú)庾鳛橐粋€(gè)載流子氣體。將生長壓力設(shè)置到大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定到1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底201的表面氮化。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成緩沖層202。在這種GaN材料的生長中，除了三乙基鎵(TEG)外，還能夠?qū)⑷谆?TMG)用作一種作為一個(gè)鎵源的有機(jī)金屬。相對于TMG，TEG的優(yōu)點(diǎn)在于具有一個(gè)低氣壓，適合于供應(yīng)少量的Ga，在550℃的低溫下很容易分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底201退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層202。
接著，將單晶襯底的溫度設(shè)定到1020℃，摻雜Si元素的N型GaN和摻雜Si元素的N型Al0.1Ga0.9N依次生長，形成電極層203和覆層204。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的氣相生長的鋁源。使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。
接著，在覆層204上生長InN，形成激活層205。在InN材料的生長中，由于，在固相和氣相之間的InN的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨撸虼?，將襯底溫度設(shè)定在500℃。另外，在這個(gè)氣相生長過程中，使用三甲基銦(TMI)。在這個(gè)生長過程中，為了通過阻止金屬In的參與而生成出高質(zhì)量的InN，將氨與TMI的比率，即V/III，設(shè)定在660,000。氮既用作一種載流子氣體，也用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)闅錃獾氖褂脤?huì)抑制氨的分解。
在500℃下生長GaN材料，這個(gè)溫度也是InN材料的生長溫度，通過使用一個(gè)氮載流子氣體，抑制對激活層207的蝕刻和其可結(jié)晶性的破壞，因此，形成生長蓋層206。在形成生長蓋層206之后，將襯底溫度升高到1020℃，以提高生長蓋層206的質(zhì)量。隨后，摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和摻雜Mg元素的P型GaN依次生長，形成導(dǎo)向?qū)?07和接觸層208。
使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的可控性和再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在形成導(dǎo)向?qū)?07和接觸層208之后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。
在形成如上所述的各個(gè)晶體層后，通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層208上，形成由SiO2制成的限流絕緣層209，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層209上形成一個(gè)開口窗。
在這個(gè)限流絕緣層209上形成一個(gè)開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層209上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鎳層和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極210的金屬層。此后，通過已知的光刻技術(shù)，在這個(gè)金屬層上，形成一種基于酚醛樹脂的正向光致抗蝕劑模型，通過使用這個(gè)模型作為一個(gè)掩膜，對金屬層和晶體層進(jìn)行蝕刻，在電極層203上形成一個(gè)暴露區(qū)。通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，使用氯氣蝕刻晶體層。
在蝕刻形成上述暴露區(qū)之后，移去這個(gè)光致抗蝕劑掩膜，清潔單晶襯底201以及在其上形成的結(jié)構(gòu)，在電極層204的暴露區(qū)上，依次沉淀形成一個(gè)50nm厚的鋁層和一個(gè)200nm厚的金層，將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)定形，并形成N型金屬電極211。
通過以上方法，直到N型金屬電極211形成后，就完成了這個(gè)制造過程，清潔單晶襯底201的下表面，并將其用鉆石劃刀切出預(yù)定尺寸，由此得到了一個(gè)器件，隨著這個(gè)過程的進(jìn)行，就得到了圖8中的一片半導(dǎo)體發(fā)光器件。
在如8所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，激活層是由InN材料制成的。通過控制激活層的成分和厚度，即可得到所期望的顏色的光，其范圍從一種波長接近InN材料的帶隙波長1.6μm的光到蘭光。與InGaN材料相比，用InN材料作激活層，能夠極大地提高了襯底上的再現(xiàn)性和平面一直性。這是因?yàn)樵跉庀嗌L中的氣相和固相成分方面，InN材料和InGaN材料有很大的不同。
圖9顯示了一個(gè)InGaN材料的成分控制的結(jié)果。如圖9所示，在InGaN的生長過程中，在一個(gè)500℃的生長溫度(襯底溫度)下，氣相與固相的成分比率近似于一種線性關(guān)系。注意，在圖6所示的一個(gè)非固溶區(qū)外的區(qū)域內(nèi)，選擇InGaN的組成成分。然而，在一個(gè)800℃的生長溫度下，氣相與固相的成分比率在一個(gè)區(qū)域內(nèi)變成非線性關(guān)系，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，銦元素(TMI)的固相成分比例是很高的。如這個(gè)圖所示，在有機(jī)金屬氣相外延附生上，當(dāng)生長溫度增加時(shí)，生長過程中進(jìn)入InGaN薄膜的銦元素量降低。這是因?yàn)镮nN材料的氮平衡蒸氣壓比GaN材料的氮平衡蒸氣壓高5個(gè)數(shù)量級。
如上所述，與InGaN材料相比，用InN材料作激活層消除了成分控制的必要性，并能夠確保一個(gè)生長過程的再現(xiàn)性和可結(jié)晶的一直性。另外，由于在理論上，相分離沒有發(fā)生，因此能夠得到成分均勻的層。
注意，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料比InN材料具有更大的帶隙，使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料作為一個(gè)激活層，使其能夠獲得有一個(gè)更短波長的光。
另外，一個(gè)光發(fā)射區(qū)可以有一個(gè)多量子阱結(jié)構(gòu)。例如，可以在一個(gè)多量子阱結(jié)構(gòu)上形成一個(gè)光發(fā)射區(qū)，可以通過堆疊以下三個(gè)層形成一個(gè)多量子阱結(jié)構(gòu)一個(gè)由In0.95Ga0.05N制成的阱層和二層由In0.05Ga0.1Al0.85N制成的，用以夾住這個(gè)阱層的阻擋層。(第三個(gè)實(shí)施例)將在下文中描述將本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用到一個(gè)半導(dǎo)體激光器上的一個(gè)例子，在這個(gè)半導(dǎo)體激光器上，一個(gè)光發(fā)射區(qū)有一個(gè)多層量子阱結(jié)構(gòu)。圖10所示，根據(jù)本實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。如圖10所示的半導(dǎo)體激光器包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底301的上表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層302，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層303，和一層由摻有Si元素的N型Al0.14Ga0.86N材料制成的0.5μm厚的覆層304。注意，這層單晶襯底301不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層304上，形成一個(gè)多層量子阱結(jié)構(gòu)305，這個(gè)多層量子阱結(jié)構(gòu)305是由以下各層堆疊而成的一個(gè)由In0.95Ga0.05N制成的阱層和二層由In0.05Ga0.1Al0.85N制成的，用以夾住這個(gè)阱層的阻擋層。在這個(gè)度量子阱結(jié)構(gòu)305上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.14Ga0.86N材料制成的0.5μm厚的覆層306和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層307。在接觸層307上形成一層限流絕緣層308，這個(gè)限流絕緣層308帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗，用以限制電流注入?yún)^(qū)。
在限流絕緣層308上形成一個(gè)P型金屬電極309，這個(gè)金屬電極309通過開口窗與接觸層307接觸。這個(gè)P型金屬電極309有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層307接觸的50nm厚的鈀層，一層30nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。這個(gè)金屬層通過使用發(fā)射技術(shù)定形。電極層303有一個(gè)暴露區(qū)和一個(gè)位于該暴露區(qū)的N型電極310，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻電極層303上的各晶體層形成的。這個(gè)N型金屬電極310也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層組成。
在圖8所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光發(fā)射的波長范圍為從0.62μm波長，至比對應(yīng)于通過改變激活層和覆層的成分與量子阱結(jié)構(gòu)的阱層厚度，產(chǎn)生的InN的帶隙的波長更短的波長。例如，能夠產(chǎn)生黃色和橙色光。根據(jù)傳統(tǒng)理論，在這個(gè)波長段內(nèi)的發(fā)光器件不能由InGaAlN材料制成。如上所述，然而，由于本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)InN材料的帶隙接近于0.8eV，因此首次制造出這樣的一種器件。通過控制形成這個(gè)結(jié)構(gòu)的每個(gè)層的組成成分，能夠獲得一種1.48μm的激光器，在這種激光器內(nèi)，光通信光纖放大器使用一種玻璃光纖，其激發(fā)效率很高?；蚰軌颢@得一種具有一個(gè)大T0的1.55μm的激光器。(第四個(gè)實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖11所示，根據(jù)本實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件是一個(gè)有著3個(gè)發(fā)光層的白光發(fā)射二極管。如圖11所示，沿晶體生長的厚度方向，這個(gè)器件的橫截面圖。
這個(gè)發(fā)光器件包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1101的表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1102，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層1103，和一層由摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層(第一覆層)1104。注意，這層單晶襯底1101不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層1104上，形成了下面的層一層由摻有Si元素的N型InGaAlN制成的阻擋層1105，一層由In1-XGaXN材料制成的下激活層(第一激活層)1106，其中在In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)中，Y＝0，即為In1-XGaXN，一層由摻雜Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻擋層1107，一層由In1-X’GaX’N材料制成的中間激活層(第二激活層)1108，一層由摻雜Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻擋層1109，一層由In1-X”GaX”N材料制成的上激活層(第三激活層)1110，和一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1111。在這個(gè)阻擋層1111上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層(第二覆層)1112和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1113。
在接觸層1113上形成一層限流絕緣層1114，這個(gè)限流絕緣層1114是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗。在限流絕緣層1114上形成一個(gè)P型金屬電極1115，這個(gè)金屬電極1115通過開口窗與接觸層1113接觸。雖然未畫出，這個(gè)P型金屬電極1115有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層1113接觸的50nm厚的鈀層，一層在其上形成的30nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。注意，這個(gè)電極層1103通過使用發(fā)射技術(shù)定形。
注意，電極層1103有一個(gè)暴露區(qū)和一個(gè)位于該暴露區(qū)的N型金屬電極1116，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻電極層1103上的各層形成的。雖然未畫出，這個(gè)N型金屬電極1116也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層組成。注意，這個(gè)金屬電極1116通過使用發(fā)射技術(shù)定形。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，在有以上結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，通過阻擋層1105，下激活層1106和阻擋層1107形成第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)；通過阻擋層1107，中間激活層1108和阻擋層1109形成第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)；和通過阻擋層1109，下激活層1110和阻擋層1111形成第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)。通過控制各自激活層的組成成分和厚度，確定各自光發(fā)射結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長，致使第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最短的發(fā)射波長和第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最長的發(fā)射波長。那就是說，光發(fā)射結(jié)構(gòu)越靠近單晶襯底1101，振蕩波長就變得越短(帶隙就變得越大)。因此，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光從單晶襯底1101的下表面上出現(xiàn)，沒有被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。
第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光經(jīng)過第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)旁邊，從單晶襯底1101的下表面上出現(xiàn)，沒有被第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光經(jīng)過第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)旁邊，并被第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。這種吸收光被轉(zhuǎn)換成另一種光，其波長等于從第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)上發(fā)射光的波長，從單晶襯底1101的下表面上出現(xiàn)的光就像是從第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)上發(fā)射的光。
第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光經(jīng)過單晶襯底1101旁邊，從單晶襯底1101的下表面上出現(xiàn)，沒有受到如上述那樣的吸收。第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光經(jīng)過單晶襯底1101的另一邊，被第二或第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。這些被吸收的光轉(zhuǎn)換成另一種光，其波長等于那些從第二或第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)中發(fā)射的光的波長，并且從單晶襯底1101的下表面上出現(xiàn)。
在圖11所示的這種半導(dǎo)體發(fā)射器件中，InN材料用作每個(gè)激活層(阱層)。然而，本發(fā)明并不限于這種情況。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定激活層的厚度和阻擋層的組成成分，也可以將InN材料用作激活層。
在圖11中，有以上結(jié)構(gòu)的這種半導(dǎo)體發(fā)射器件中，在考慮了有關(guān)光吸收方向，通過設(shè)計(jì)各個(gè)光發(fā)射機(jī)構(gòu)的堆疊順序，能夠產(chǎn)生高效率、低損耗的白光發(fā)射。
在下面將描述上述的這種半導(dǎo)體發(fā)光器件，在這種半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在激活層上形成的多個(gè)光發(fā)射結(jié)構(gòu)彼此堆疊在一起。
在傳統(tǒng)上，將能夠用作白光源的半導(dǎo)體發(fā)光器件分成三類結(jié)構(gòu)，第一類結(jié)構(gòu)是使用三種發(fā)光器件，分別發(fā)出三種主要顏色的光束，即紅、綠和蘭，并且通過疊加二極管發(fā)出的光束，能夠作為一個(gè)白光源。
第二類結(jié)構(gòu)是使用一種有一個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)蘭—綠光發(fā)射二極管，這個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)包括一個(gè)阱層，該阱層是由在一個(gè)ZnSe襯底上生長一種ZnCdSe晶體制成的，這個(gè)二極管作為一個(gè)白光源，能夠通過作為襯底的ZnSe，吸取從該二極管外發(fā)射的光。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，能夠吸取一種從量子阱發(fā)射的蘭光，將從一個(gè)深能級發(fā)射橙光稱為SA發(fā)射，接著，由于被吸取的蘭—綠光，從存在于ZnSe襯底上的缺陷上吸取橙光，并將這二種光分量混合，以獲得白光。
第三類結(jié)構(gòu)是將塑料材料和磷粉混合，鑄造一個(gè)發(fā)射蘭—綠光二極管的半導(dǎo)體芯片，磷粉是由一種磷元素材料制成的，能夠發(fā)射出從黃至紅色的光。這個(gè)塑料模型內(nèi)的磷元素被從半導(dǎo)體芯片(發(fā)光器件)發(fā)射出的蘭光激發(fā)，使磷元素發(fā)射出從黃至紅色的光。將這個(gè)第三類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成，通過從半導(dǎo)體芯片發(fā)出的蘭光和從磷元素發(fā)出的從黃至紅色的光混合，即可獲得白光。
第一類結(jié)構(gòu)需要能發(fā)出三種顏色光束的發(fā)光器件芯片。根據(jù)一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)，將能夠發(fā)出紅、綠和蘭色光束的三個(gè)發(fā)光器件集成，成一個(gè)整體。在第一類結(jié)構(gòu)中，三色發(fā)光器件芯片是由不同材料制成的，并單獨(dú)地作為三個(gè)顏色器件，隨之，都集成在同一個(gè)襯底上，另外，根據(jù)第一類結(jié)構(gòu)，必須調(diào)整這三個(gè)發(fā)光器件的光功率，致使從這三個(gè)發(fā)光器件發(fā)出的光束總量變成白色。
例如，分別調(diào)節(jié)這三個(gè)發(fā)光器件的注入電流。在某個(gè)例子中，可以調(diào)節(jié)用于每種光發(fā)射顏色的器件數(shù)目。如上所述，根據(jù)第一類結(jié)構(gòu)，必須將許多器件集成，必須調(diào)整各個(gè)器件的注入電流，導(dǎo)致妨礙了生產(chǎn)力。
第二類結(jié)構(gòu)需要一個(gè)ZnSe材料襯底，ZnSe材料襯底在費(fèi)用上比廣泛使用的半導(dǎo)體襯底高二個(gè)數(shù)量級，例如，Si和GaSe襯底，因此，這個(gè)器件的價(jià)格變高。另外，當(dāng)使用一個(gè)ZnSe材料襯底制造一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件時(shí)，需要分子束外延附生(MBE)形成一個(gè)摻雜有一種N型雜質(zhì)(載流子)的晶體層。在生產(chǎn)能力上，MBE要小于別的生長方法。
假設(shè)能夠用MBE方法制造一個(gè)摻有雜質(zhì)的晶體層。即使在這個(gè)例子中，為了獲得一種能夠激發(fā)摻雜載流子以提高發(fā)光效率的晶體，需要以下的處理方法在晶體生長之前，作為一種襯底處理方法，進(jìn)行蝕刻襯底，使用一種不能產(chǎn)生氧化鋅的特殊酸，使用一種不會(huì)將襯底表面變韌的氫等離子處理方法，將襯底氧化膜從MBE內(nèi)移走。
為了獲得第二類結(jié)構(gòu)，必須控制晶體表面的結(jié)構(gòu)。為了這個(gè)目的，在生長過程中，必須同時(shí)觀測一種反射高能電子的衍射圖像，以便控制在一種II族材料和一種VI族材料之間的源供應(yīng)比率II/VI，范圍為1.1至1.3。與這種情況相比，在一種V-III族晶體生長過程中，例如GaAs，源供應(yīng)比率V/III為數(shù)百。只有通過使用這些先進(jìn)的制造技術(shù)，才能生長出用于實(shí)現(xiàn)第二類結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量的晶體。
本發(fā)明人在1997年開發(fā)了這種技術(shù)，并在世界上首次成功地開發(fā)出一種位于ZnSe材料襯底上的半導(dǎo)體激光器(A.Ohki，T.Ohno，和T.Matsuoka，“在半絕緣ZnSe材料襯底上，同向外延生長基于ZnSe激光器二極管的連續(xù)波操作”，Electron.Lett.，33，11，pp.990-991(1997).T.Ohno，A.Ohki和T.Matsuoka，“在用氫等離子清潔的ZnSe材料襯底上，生長II-VI激光器的室溫下CW操作”J.晶體生長，184/185，pp.550-533(1998)。T.Ohno，A.Ohki和T.Matsuoka，“用氫等離子清潔的表面，用于低缺陷度ZnSe同向外延生長”，J.Vac.Sci.Technol.B.，16，4，pp.2539-2545(1998)。
在進(jìn)行以上的開發(fā)之后，然而，在工業(yè)和學(xué)術(shù)水平上，有關(guān)第二類結(jié)構(gòu)沒有得到突破。這是由于晶體本身很脆并易于產(chǎn)生缺陷，這是一個(gè)有關(guān)材料的根本問題。另外，在第二類結(jié)構(gòu)中，特別是出現(xiàn)了一個(gè)涉及SA發(fā)射強(qiáng)度的問題。為使用第二類結(jié)構(gòu)獲得白光，必須通過控制ZnSe襯底的厚度，來調(diào)整襯底上的發(fā)光器件發(fā)射的蘭光和EA發(fā)射的強(qiáng)度的比率。因?yàn)樵诤艽蟪潭壬?，SA發(fā)射強(qiáng)度決定于一種材料的性能，因此，每次制造一個(gè)器件時(shí)，必須根據(jù)ZnSe襯底的性能進(jìn)行這種調(diào)整。這就是影響生產(chǎn)的一個(gè)原因。
根據(jù)第三類結(jié)構(gòu)，注入能量轉(zhuǎn)換成光能的效率等于半導(dǎo)體芯片的發(fā)光效率與磷元素的發(fā)光效率的乘積。由于每個(gè)發(fā)光效率永遠(yuǎn)不會(huì)是100％，因此，光轉(zhuǎn)換效率就會(huì)很低。例如，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率約為40％，磷元素的發(fā)光效率約為50％。因此，在有第三類結(jié)構(gòu)的白光發(fā)射器件中，注入能量轉(zhuǎn)換成光能的效率很低，約為20％。根據(jù)第三類結(jié)構(gòu)，由于這個(gè)效率幾乎等于一個(gè)白幟燈效率，而小于一個(gè)熒光燈的效率，因而降低了半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)的優(yōu)勢。
如上所述，根據(jù)以前的技術(shù)，制造一種白光半導(dǎo)體發(fā)光器件需要許多生產(chǎn)步驟，并且需要很多調(diào)整才能獲得白光。因此，難以提供一種低價(jià)位、高發(fā)光效率的白光半導(dǎo)體發(fā)光器件。
與上述以前的技術(shù)相比，根據(jù)圖11所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，沒有必要為三色光發(fā)射準(zhǔn)備離散的器件芯片。不需要特殊的生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，并且也不需要復(fù)雜的調(diào)整。因此，根據(jù)圖11所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠提供一種低造價(jià)的器件。
另外，根據(jù)圖11所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，由于相對于以前的技術(shù)，可以在一個(gè)更小的區(qū)域內(nèi)形成每個(gè)器件，能夠在一個(gè)單一襯底上，同時(shí)形成多個(gè)器件。因此，當(dāng)通過切割得到半導(dǎo)體發(fā)光器件芯片時(shí)，就可以獲得更多的芯片。在這一點(diǎn)上，由于所謂的體積效率，致使可以提供低造價(jià)的器件。另外，由于能夠形成薄器件，因此可以將它們安裝在更小的設(shè)備上。
通過使用圖11所示的層結(jié)構(gòu)，也能獲得一個(gè)半導(dǎo)體激光器腔。圖11顯示了半導(dǎo)體激光器腔的出口端面。在這個(gè)例子中，在限流絕緣層1114上形成一個(gè)寬度為2μm的凹槽，這個(gè)凹槽沿圖11的引上表面的正交垂直方向延伸，致使到達(dá)該器件的兩端。沿這個(gè)凹槽的方向形成P型金屬電極1115。通過劈開的方式，形成圖11中出口端面，并且吸取一個(gè)來自圖11的引上表面的正交垂直方向上的這個(gè)出口端面的光輸出。
在下面將描述一種在圖11中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。首先，一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源。作為一個(gè)載流子氣體和氣泡氣體，氮?dú)庥糜谝粋€(gè)含有In元素的層的生長。氫氣用于一個(gè)不含有In元素的層的生長。將生長壓力設(shè)置到大氣壓力。
在這些層的生長過程中，首先，將襯底溫度設(shè)定到1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底1101的表面清潔。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成GaN緩沖層1102。在這種GaN材料的生長過程中，使用三乙基鎵(TEG)作為一個(gè)鎵源，TEG有一個(gè)相對低的氣壓，適合于供應(yīng)少量的鎵元素，在550℃下易于分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。
隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底1101退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層1102。接著，將單晶襯底1101的溫度設(shè)定到1020℃，摻雜Si元素的N型GaN和摻雜Si元素的N型Al0.1Ga0.9N依次生長，形成電極層1103和覆層1104。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的鋁源，使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。注意，相同源的元素用于每層生長過程的Si摻雜(將在后面說明)。
接著，通過連續(xù)的晶體生長(有機(jī)金屬氣相外延附生)，形成阻擋層1105，下激活層1106，阻擋層1107，中間激活層1108，阻擋層1109，上激活層1110和阻擋層1111。在這些含有銦元素的層的生長過程中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將生長溫度設(shè)定在500℃。使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。使用TEG作為這些含有In元素的層的生長過程中的一個(gè)銦源。這是因?yàn)門EG有一個(gè)相對低的氣壓，因而與TMG相比，更適合于晶體層上的成分控制。
在這例子中，在每個(gè)含有In元素的層的生長過程中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的合金層，將作為氮源的氨的量與III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III設(shè)定在660,000。在這種含有In元素的層的生長過程中，氮?dú)饧扔米饕粋€(gè)TMI載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)橛脷錃庾鳛橐环N載流氣體或類似的氣體將會(huì)抑制氨的分解(參考文獻(xiàn)5)。
在以上含有銦元素的層的生長形成之后，將氣源改變，用于生長摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和摻雜Mg元素的P型GaN材料，由此形成覆層1112和接觸層1113。使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在形成覆層1112和接觸層1113之后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘的退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層1113上，形成由SiO2制成的限流絕緣層1114，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層114上形成一個(gè)開口窗。在這個(gè)限流絕緣層1114上形成一個(gè)開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層1114上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鈀層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極1115。使用一種發(fā)射技術(shù)將這個(gè)金屬層定形。
接著，通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，從限流絕緣層1114上，將覆層1104和電極層1103移走，以露出部分電極層1103。在這個(gè)露出的表面上形成N型金屬電極1116。通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，用氯氣作為一種蝕刻氣體，能夠蝕刻從接觸層1113到覆層1104范圍內(nèi)的晶體層。在電極層1103的暴露區(qū)上，通過依次堆疊一個(gè)50nm厚的鈦層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層形成一個(gè)N型金屬電極1116，并通過已知的發(fā)射技術(shù)將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)定形。
在通過以上步驟，將P型金屬電極1115和N型金屬電極1116形成后，對單晶襯底1101的下表面進(jìn)行拋光，用于將單晶襯底磨薄，從原有厚度450μm磨薄至200μm。將下表面進(jìn)行鏡面加工。在將單晶襯底1101的下表面進(jìn)行鏡面加工之后，清潔這個(gè)合成結(jié)構(gòu)，并使用鉆石刀將這個(gè)單晶襯底1101切割成預(yù)定尺寸。由此得到一個(gè)器件。將這個(gè)器件的尺寸作成大約500μm2。
當(dāng)在這個(gè)合成器件上輸入一個(gè)電流時(shí)，P型金屬電極1115作為正極，N型金屬電極1116作為負(fù)極，能夠觀測到從單晶襯底1101的下表面上發(fā)出的帶有藍(lán)色的白光。如上所述，通過這個(gè)實(shí)施例得到的發(fā)射光是藍(lán)白光。然而，通過適當(dāng)?shù)乜刂菩纬杉せ顚拥木w層的成分和激活層的厚度，就能夠獲得帶有所期望的性能的發(fā)射顏色。
在圖11中的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，這三個(gè)激活層通過阻擋層彼此堆疊在一起。然而，本發(fā)明不只限于這種情況。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整形成各個(gè)激活層的晶體成分和激活層的厚度，并設(shè)定各個(gè)層的發(fā)射顏色，即使用一種只有二個(gè)激活層通過一個(gè)阻擋層彼此堆疊在一起的半導(dǎo)體發(fā)光器件，也能夠獲得接近白色的發(fā)射光。(第五個(gè)實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
在圖11中的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在金屬電極層1103上形成N型金屬電極1116。然而，本發(fā)明不只限于這種情況。可以在三個(gè)發(fā)射光部分的任何一個(gè)上形成一個(gè)金屬電極層，并且可以將一個(gè)金屬電極安裝在這個(gè)金屬電極層上。在下面將詳細(xì)地描述這種結(jié)構(gòu)。圖12所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。
這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件(發(fā)光器件)包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1201的表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1202，一層由GaN材料制成的1μm厚的晶體層1203，一層由AlGaN材料制成的1μm厚的覆層(第一覆層)1204。注意，這層單晶襯底1201不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層1204上，形成了下面各層一層由InGaAlN制成的阻擋層1205，一層由InN材料制成的下激活層(第一激活層)1206，一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1207，一層由InN材料制成的中間激活層(第二激活層)1208，一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1209，一層由摻有Si元素的N型InN材料制成的電極層1210，一層由摻有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻擋層1211，一層由InN材料制成的上激活層(第三激活層)1212，和一層由摻有Mg元素InGaAlN材料制成的阻擋層1213。
在這個(gè)阻擋層1213上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層(第二覆層)1214和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1215。
在接觸層1215上形成一層限流絕緣層1216，這個(gè)限流絕緣層1216是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗。在限流絕緣層1216上形成一個(gè)P型金屬電極1217，這個(gè)金屬電極1217通過開口窗與接觸層1215接觸。這個(gè)P型金屬電極1217有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層1215接觸的50nm厚的鈀層，一層在其上形成的30nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。
另外，在圖12中的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，電極層1210有一個(gè)暴露區(qū)和一個(gè)位于該暴露區(qū)的N型金屬電極1218，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻電極層1210上的各層形成的。這個(gè)N型金屬電極1218也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層組成。
在圖12中有以上多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，通過阻擋層1205和下激活層1206形成第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)；通過阻擋層1207，中間激活層1208和阻擋層1209形成第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)；和通過阻擋層1211，上激活層1212和阻擋層1213形成第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)。確定各自光發(fā)射結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長，致使第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最長的發(fā)射波長和第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最短的發(fā)射波長。
第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的部分光被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收，于是激勵(lì)各個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)出各自獨(dú)特波長的光束。沒有被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收的，由第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)出的部分光出現(xiàn)在單晶襯底1201的下表面的外部。第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的部分光被第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收，并且其余部分出現(xiàn)在單晶襯底1201的下表面的外部。
第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光也能夠激勵(lì)第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)。因此，第二和第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光能夠激勵(lì)第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)，并使第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)出其獨(dú)有的一種波長的光。在考慮了有關(guān)光吸收方向的位置關(guān)系，通過堆疊/排列各個(gè)光發(fā)射機(jī)構(gòu)順序，能夠產(chǎn)生高效率、低損耗的發(fā)射光。通過對第一、第二和第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，能夠獲得從單晶襯底1201的下表面上發(fā)出的光，其波長范圍覆蓋了紅外光、可見光和紫外光。
根據(jù)以上描述，第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)有最長的發(fā)射波長，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)有最短的發(fā)射波長。然而，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)也可以有最長的發(fā)射波長。在這個(gè)例子中，各自發(fā)射波長滿足第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)＞第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)＞第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，考慮光向單晶襯底1201的傳播方向，即光的吸收方向。如上所述，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。然而，光在吸收方向上進(jìn)行傳播，除了被上述的吸收外，沒有被另外吸收。這樣就能很容易地設(shè)計(jì)一種光發(fā)射結(jié)構(gòu)，獲得所期望的發(fā)射光。
在下面將描述圖12所示的一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源。使用氮?dú)庾鳛橐粋€(gè)載流子氣體，將生長壓力設(shè)置到大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定到1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底1101的表面清潔。接著，將這個(gè)表面在氨氣環(huán)境下氮化。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成GaN緩沖層1202。在這種GaN材料的生長過程中，使用三乙基鎵(TEG)作為一個(gè)鎵源，TEG有一個(gè)相對低的氣壓，適合于供應(yīng)少量的鎵元素，在550℃下易于分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。
隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底1201退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層1202。在緩沖層1202上生長一個(gè)GnN晶體，并形成晶體層1203。接著，將單晶襯底1101的溫度設(shè)定到1020℃，在覆層1204上生長Al0.1Ga0.9N。使用三甲基鋁(TMA)作為一個(gè)鋁源，使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓。
隨后，通過連續(xù)的晶體生長(有機(jī)金屬氣相外延附生)，形成阻擋層1205，下激活層1206，阻擋層1207，中間激活層1208，阻擋層1209，電極層1210，阻擋層1211，上激活層1212，阻擋層1213，覆層1214和接觸層。在這些含有銦元素的層的生長過程中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨撸虼?，將生長溫度設(shè)定在500℃。使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。使用TEG作為這些含有In元素的層的生長過程中的一個(gè)鎵源。這是因?yàn)門EG在低溫下就能分解，并有一個(gè)相對低的氣壓，因而與TMG相比，更適合于晶體層上的成分控制。
在這例子中，在每個(gè)含有In元素的層的生長過程中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的合金層，將作為氮源的氨的量與III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III設(shè)定在660,000。在這種含有In元素的層的生長過程中，氮?dú)饧扔米饕粋€(gè)TMI載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)橛脷錃庾鳛橐环N載流氣體或類似的氣體將會(huì)抑制氨的分解(參考文獻(xiàn)5)。
將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在形成覆層1214和接觸層1215之后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘的退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層1215上，形成由SiO2制成的限流絕緣層1216，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層1216上形成一個(gè)開口窗。在這個(gè)限流絕緣層1216上形成一個(gè)開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層1216上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鈀層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極1217。使用一種發(fā)射技術(shù)將這個(gè)金屬層定形。
通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)蝕刻，將阻擋層1211和電極層1210部分地從限流絕緣層1216上移走，露出部分電極層1210。在這個(gè)露出部分形成N型電極1218。例如，使用氯氣作為一種蝕刻氣體，通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，能夠蝕刻從接觸層1215到阻擋層1211范圍內(nèi)的晶體層。在電極層1210的暴露區(qū)上，通過依次堆疊一個(gè)50nm厚的鈦層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層形成一個(gè)N型金屬電極1218，并通過已知的發(fā)射技術(shù)將這個(gè)合成多層結(jié)構(gòu)定形。
在通過以上步驟，將P型金屬電極1217和N型金屬電極1218形成后，對單晶襯底1201的下表面進(jìn)行拋光，用于將單晶襯底1201磨薄，從原有厚度450μm磨薄至200μm。將下表面進(jìn)行鏡面加工。在將單晶襯底1201的下表面的鏡面加工完成之后，清潔這個(gè)合成結(jié)構(gòu)，并使用鉆石刀將這個(gè)單晶襯底1201切割成預(yù)定尺寸。由此得到一個(gè)器件。將這個(gè)器件的尺寸作成大約500μm2。
當(dāng)在這個(gè)合成器件上輸入一個(gè)電流時(shí)，P型金屬電極1217作為正極，N型金屬電極1218作為負(fù)極，能夠觀測到從單晶襯底1201的下表面上發(fā)出的帶有藍(lán)色的白光。如上所述，通過這個(gè)實(shí)施例得到的發(fā)射光是藍(lán)白光。然而，通過適當(dāng)?shù)乜刂菩纬杉せ顚拥木w層的成分和激活層的厚度，就能夠獲得帶有所期望的性能的發(fā)射顏色。
通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整形成各個(gè)激活層的晶體成分和激活層的厚度，并設(shè)定各個(gè)層的發(fā)射顏色，即使用一種只有二個(gè)激活層通過一個(gè)阻擋層彼此堆疊在一起的半導(dǎo)體發(fā)光器件，也能夠獲得接近白色的發(fā)射光。(第六個(gè)實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖12所示，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件是由在同一個(gè)單晶襯底形成的三個(gè)發(fā)光器件組成的。圖13顯示了一個(gè)沿晶體生長的薄膜厚度方向的器件橫向截面圖。
這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1301的表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1302和一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層1303。注意，這層單晶襯底1301不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在電極層1303上，形成一層由摻有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1304，一個(gè)區(qū)域A(第一發(fā)光部分)，一個(gè)區(qū)域B(第二發(fā)光部分)和一個(gè)區(qū)域C(第三發(fā)光部分)。如下所述，上面的結(jié)構(gòu)對于區(qū)域A、B和C是共同的，但是，對于它們的發(fā)光區(qū)域是不同的。首先，這個(gè)區(qū)域A包括，在覆層1304上，一層由摻有Si元素的N型Al1-XAGaXAN材料制成的dA-nm厚的阻擋層1305a，一層由Al1-YAGaYAN材料制成的激活層1306a和一層由Al1-XAGaXAN材料制成的阻擋層1307a。這個(gè)區(qū)域B包括，在覆層1304上，一層由摻有Si元素的N型Al1-XBGaXBN材料制成的dB-nm厚的阻擋層1305b，一層由Al1-YBGaYBN材料制成的激活層1306b和一層由Al1-XBGaXBN材料制成的阻擋層1307b。這個(gè)區(qū)域C包括，在覆層1304上，一層由摻有Si元素的N型Al1-XCGaXCN材料制成的dC-nm厚的阻擋層1305c，一層由Al1-YCGaYCN材料制成的激活層1306c和一層由Al1-XCGaXCN材料制成的阻擋層1307c。
另外，在相對應(yīng)的阻擋層1307a、1307b和1307c中的每一個(gè)上，區(qū)域A、B和C中的每一個(gè)都包括一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1308和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1309。注意，通過In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)中，Y＝0，舉例說明形成每個(gè)層的InGaN材料。
這個(gè)限流絕緣層1310是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗，用于限制在區(qū)域A、B和C上共同形成的電流注入?yún)^(qū)。在限流絕緣層上形成一個(gè)P型金屬電極1311，這個(gè)金屬電極1311通過開口窗與各個(gè)阻擋層1307a、1307b和1307c分別接觸。這個(gè)P型金屬電極1311有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層50nm厚的鎳層和一層200nm厚的金層組成。
注意，N型金屬電極1312是在電極層1303的一個(gè)除區(qū)域A、B和C外的區(qū)域上形成的。N型金屬電極1312有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層50nm厚的鋁層和一層200nm厚的金層組成。
在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)激活層都是由含有少量鎵元素的InN和InGaN材料形成的。在各個(gè)區(qū)域A、B和C中，控制激活層和阻擋層的成分與激活層的厚度，使它們彼此不相同。這樣就可能得到一直期望的光發(fā)射顏色。注意，設(shè)定每個(gè)阻擋層的帶隙能量，使之高于一個(gè)相應(yīng)的激活層的帶隙能量。
用InN材料作激活層，與用InGaN材料作激活層相比，能夠極大地提高了襯底上的再現(xiàn)性和平面內(nèi)一直性。這是因?yàn)樵谏L過程中的氣相和固相之間，InN薄膜材料成分有很大的不同。
圖9顯示了一個(gè)InGaN材料的成分控制的結(jié)果。如圖9所示，在InGaN的生長過程中，在一個(gè)500℃的生長溫度(襯底溫度)下，氣相與固相的成分比率近似于一種線性關(guān)系。注意，在圖6所示的一個(gè)非固溶區(qū)外的區(qū)域內(nèi)，選擇InGaN的組成成分。然而，在一個(gè)800℃的生長溫度下，氣相與固相的成分比率在一個(gè)區(qū)域內(nèi)變成非線性，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，銦元素(TMI)的固相成分比是很高的。如這個(gè)圖所示，在有機(jī)金屬氣相外延附生上，當(dāng)生長溫度增加時(shí)，生長過程中的InGaN薄膜的銦元素量降低。這是因?yàn)镮nN材料的氮平衡蒸氣壓比GaN材料的氮平衡蒸氣壓高5個(gè)數(shù)量級。
如上所述，與InGaN材料相比，用InN材料作激活層消除了成分控制的必要性，并能夠確保一個(gè)生長過程的再現(xiàn)性和可結(jié)晶的一直性。另外，由于在理論上，相分離沒有發(fā)生，因此能夠得到成分均勻的層。
根據(jù)上述的這個(gè)實(shí)施例，在這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件中，從單晶襯底1301的下表面出現(xiàn)的光用作一個(gè)輸出光。在這個(gè)例子中，在區(qū)域A、B和C中，一直將限流絕緣層1310的開口部分的直徑設(shè)定為20μm。為了獲得具有所期望的顏色的輸出光，可以改變每個(gè)區(qū)域內(nèi)的開口的直徑。另外，在圖13所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，區(qū)域A、B和C被排列成一條直線。然而，很明顯，可以將它們以任意方式排列。
在這個(gè)實(shí)施例中，將共用P型金屬電極連接到區(qū)域A、B和C上。然而，可以將P型金屬電極分別裝在各個(gè)區(qū)域。另外，這個(gè)實(shí)施例已經(jīng)舉例說明了在其內(nèi)形成三個(gè)區(qū)域的情況。然而，也可以在一個(gè)單獨(dú)的襯底上形成四個(gè)或更多個(gè)區(qū)域，以獲得更高的光能。在這個(gè)例子中，許多個(gè)區(qū)域的結(jié)合，每個(gè)區(qū)域都由如圖13所示的那種三個(gè)區(qū)域組成，并且，都可以安裝在一個(gè)單獨(dú)的襯底上。作為另一種選擇，有不同結(jié)構(gòu)的區(qū)域也可以安裝在同一個(gè)襯底上。這種結(jié)構(gòu)能夠擴(kuò)大從半導(dǎo)體發(fā)光器件得到的光能的顏色范圍，提高光的能量。另外，多個(gè)區(qū)域結(jié)合中，每個(gè)都由分別發(fā)射紅、綠和藍(lán)光束的區(qū)域組成，并以一種矩陣的方式排列形成一個(gè)顯示圖。
如上所述，在圖13所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由于都包括激活層的多個(gè)發(fā)光部分作為一個(gè)整體，形成在一個(gè)單獨(dú)的襯底上，沒有必要準(zhǔn)備一些用于三色光發(fā)射的離散的器件芯片。不需要特殊的生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，并且也不需要復(fù)雜的調(diào)整。因此，根據(jù)圖13所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠提供一種低造價(jià)的器件。
另外，根據(jù)圖13所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，由于相對于以前的技術(shù)，可以在一個(gè)更小的區(qū)域內(nèi)形成每個(gè)器件，能夠在一個(gè)單一襯底上，同時(shí)形成多個(gè)器件。因此，當(dāng)通過切割得到半導(dǎo)體發(fā)光器件芯片時(shí)，就可以獲得更多的芯片。在這一點(diǎn)上，由于所謂的體積效率，致使可以提供低造價(jià)的器件。另外，由于能夠形成薄器件，因此可以將它們安裝在更小的設(shè)備上。
在下面將描述一種在圖13中的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源。使用氮?dú)庾鳛橐粋€(gè)載流氣體。將生長壓力設(shè)置到大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定到1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底1301的表面氮化。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成GaN緩沖層1302。在這種GaN材料的生長過程中，使用三乙基鎵(TEG)作為一個(gè)鎵源，TEG有一個(gè)相對低的氣壓，適合于供應(yīng)少量的鎵元素，在550℃下易于分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。
隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底1301退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層1102。接著，將單晶襯底1301的溫度設(shè)定到1020℃，并且生長摻雜Si元素的N型GaN以形成電極層1303。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。注意，相同源的元素用于每層生長過程的Si摻雜(將在后面說明)。
接著，在除區(qū)域A外的區(qū)域上，覆蓋一層氧化硅薄膜，在電極層1303暴露在區(qū)域A上的那一部分上，生長一層摻有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1304。上面的硅氧化膜作為一個(gè)選擇性的生長掩膜。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的氣相生長的鋁源。使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓。在區(qū)域A的覆層1304上，通過連續(xù)的晶體生長(有機(jī)金屬氣相外延附生)，順序生長成摻有Si元素的N型Al1-XAGaXAN材料，Al1-YBGaYBN材料和Al1-XAGaXAN材料，以形成阻擋層1305a，激活層1306a和阻擋層1307a。
在形成阻擋層1307a之后，生長摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1308。在覆層1308上，生長摻有Mg元素的P型GaN材料，形成接觸層1309。使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的可控性和再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在這些含有銦元素的層的生長過程中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將生長溫度設(shè)定在500℃。使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。使用TEG作為這些含有In元素的層的生長過程中的一個(gè)鎵源。這是因?yàn)門EG在低溫下就能分解，并有一個(gè)相對低的氣壓，因而與TMG相比，更適合于晶體層上的成分控制。
在這個(gè)例子中，在這些含有銦元素的層的生長過程中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的合金層，將作為氮源的氨的量與III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III設(shè)定在660,000。在這種含有In元素的層的生長過程中，氮?dú)饧扔米饕粋€(gè)TMI載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)橛脷錃庾鳛橐环N載流氣體或類似的氣體將會(huì)抑制氨的分解(參考文獻(xiàn)5)。上面的描述同樣適用于區(qū)域B和C(將在下面描述)。
生長硅氧化膜作為一個(gè)可選擇的生長掩膜，用于覆蓋除區(qū)域A外的區(qū)域，例如，可以通過使用一種氫氟酸溶液。因此，形成一個(gè)由氧化硅制成的可選擇的掩膜，用于覆蓋除區(qū)域B外的區(qū)域。在電極層1303暴露在區(qū)域B上的那一部分上，生長一層摻有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1304。通過連續(xù)的晶體生長，順序生長成摻有Si元素的N型Al1-XBGaXBN材料，Al1-YBGaYBN材料和Al1-XBGaXBN材料，以形成阻擋層1305b，激活層1306b和阻擋層1307b。在形成阻擋層1307b之后，生長摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1308。在覆層1308上，生長摻有Mg元素的P型GaN材料，形成接觸層1309。
這個(gè)可選擇的掩膜用于覆蓋除區(qū)域B外的區(qū)域，并將這個(gè)掩膜移去，并形成一個(gè)可選擇的掩膜，用于覆蓋除區(qū)域C外的區(qū)域。因此，以上述同樣的方式，在電極層1303暴露在區(qū)域C上的那一部分上，生長一層摻有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1304。在區(qū)域C的電極層1303上，通過連續(xù)的晶體生長，順序生長成摻有Si元素的N型Al1-XCGaXCN材料，Al1-YCGaYCN材料和Al1-XCGaXCN材料，以形成阻擋層1305c，激活層1306c和阻擋層1307c。在形成阻擋層1307b之后，生長一層摻有Mg元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆層1308，并且在這個(gè)覆層上，生長摻有Mg元素的GaN材料，以形成接觸層1309。
隨后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘的退火，以激活摻雜在區(qū)域A、B和C中的覆層1308和接觸層1309內(nèi)的Mg元素。通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在區(qū)域A、B和C中的接觸層1309上，形成由SiO2制成的限流絕緣層1310，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，處理限流絕緣層1310，并在其上分別形成一個(gè)用于區(qū)域A、B和C的開口窗。
在這個(gè)限流絕緣層1310上形成開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層1310上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鈀層，一個(gè)30nm厚的鉑層，和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)遍及區(qū)域A、B和C的P型金屬電極1311。使用一種發(fā)射技術(shù)將這個(gè)金屬層定形。
在除了區(qū)域A、B和C的電極層1303的露出的表面上，形成N型金屬電極1312。在電極層1303的暴露表面上，通過依次堆疊一個(gè)50nm厚的鋁層和一個(gè)200nm厚的金層，形成了N型金屬電極1312，并通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，將這個(gè)合成多層結(jié)構(gòu)定形。
通過使用圖13所示的層結(jié)構(gòu)，也能獲得一個(gè)半導(dǎo)體激光器腔。圖13顯示了半導(dǎo)體激光器腔的出口端面。在這個(gè)例子中，在限流絕緣層1310上形成一個(gè)寬度為1.5μm的凹槽，這個(gè)凹槽沿圖13的引上表面的正交垂直方向延伸，致使到達(dá)區(qū)域A、B和C的兩端。沿每個(gè)凹槽的方向形成P型金屬電極1311。注意，區(qū)域A、B和C是以20μm的間隔排列。通過劈開的方式，形成圖13所示的這個(gè)出口端面，并且吸取一個(gè)來自圖13的引上表面的正交垂直方向上的這個(gè)出口端面的光輸出。(第七個(gè)實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖14A和14B所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。將例示說明一個(gè)LED(發(fā)光器件)。圖14A和14B所示的LED包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1401的表面上，單晶襯底1401有兩個(gè)表面，即被磨成鏡面的上表面和下表面一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1402，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層1403，和一層由摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1404。注意，這層單晶襯底1401不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層1404上，形成圖14B所示的激活層1405。激活層1405有一個(gè)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)里，多個(gè)由InN材料制成的島狀部分1405a排列在同一個(gè)平面上。例如，形成每個(gè)島狀部分1405a并使之具有一個(gè)約10nm的直徑和一個(gè)約3nm的高度。通過設(shè)定每個(gè)島狀部分1405a的尺寸，使之等于或小于以這種方式的電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，就能夠得到一種量子效應(yīng)?；诩せ顚?405上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射波長幾乎是由島狀部分1405a的尺寸決定的。注意，每個(gè)島狀部分1405a的尺寸并不限于等于或小于電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，也可能大于這個(gè)范圍。雖然圖14B顯示了這些有半圓球形狀的島狀部分1405a，本發(fā)明并不限于這種情況。例如，這些島狀部分1405a也可以有一個(gè)圓柱、菱形、金字塔或圓錐形狀。另外，參照圖14B，島狀部分1405a都是以相等的間距排列。然而，本發(fā)明并不限于這種情況，島狀部分1405a也可以以不相等的間距排列。另外，也可以形成島狀部分1405a，使之彼此完全隔離或通過形成島狀部分1405a的InN薄膜彼此連接。注意，形成各個(gè)島狀部分1405a，使之具有幾乎相同的尺寸，以接受從這個(gè)器件上發(fā)射的寬光譜范圍的光，島狀部分1405a的尺寸可以不同。
以上述方式，由多個(gè)島狀部分1405a形成激活層1405，在激活層1405上覆蓋一層不摻雜質(zhì)的GaN材料制成的10nm厚的生長蓋層(阻擋層)1406。
在生長蓋層1406上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1407和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1408。在接觸層1408上形成一層限流絕緣層1409，這個(gè)限流絕緣層1409是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗，用以限制電流注入?yún)^(qū)。
在限流絕緣層1409上形成一個(gè)P型金屬電極1410，這個(gè)金屬電極1410通過開口窗與接觸層1408接觸。這個(gè)P型金屬電極1410有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層1408接觸的50nm厚的鎳層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。注意，這個(gè)電極層1403有一個(gè)暴露區(qū)，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻在其上的金屬層和晶體層，在電極層1403上形成的。并且一個(gè)N型金屬電極1411位于該暴露區(qū)內(nèi)。這個(gè)N型金屬電極1411也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鋁層和一層200nm厚的金層組成。
將在下面描述根據(jù)圖14A和14B所示的這個(gè)實(shí)施例的一種制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源。使用氮?dú)庾鳛橐粋€(gè)載流氣體。將生長壓力設(shè)置到大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定到1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底1401的表面氮化。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成GaN緩沖層1402。在這種GaN材料的生長過程中，使用三乙基鎵(TEG)作為一個(gè)鎵源，TEG有一個(gè)相對低的氣壓，適合于供應(yīng)少量的鎵元素，在550℃下易于分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底1401退火9分鐘，在一個(gè)單晶上形成緩沖層1402。
接著，將單晶襯底1401的溫度設(shè)定到1020℃，并且順序生長摻雜Si元素的N型GaN材料和摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料，以形成電極層1403和覆層1404。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的氣相生長的鋁源。使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。
接著，在覆層1404上，以島狀的方式生長InN材料，形成激活層1405，激活層1405由多個(gè)島狀部分1405a組成。在形成島狀部分1405a的過程中，首先，在覆層1404上，以一種薄膜或類似薄膜的形態(tài)生長InN材料。在InN材料的生長中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將生長溫度設(shè)定在500℃。另外，在氣相生長中，使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。在這個(gè)生長過程中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的InN材料，將氨的量與TMI的比率V/III設(shè)定在660,000。氮?dú)饧扔米饕环N載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)橛脷錃鈱?huì)抑制氨的分解。
在按照上述方式以一種薄膜的形式生長形成InN材料之后，在氮?dú)猸h(huán)境中，將這層薄膜加熱至700℃，并保持20分鐘。通過這種加熱，將InN薄膜形成多個(gè)島狀1405a。
島狀1405a也可以以下列方式形成。通過阻止金屬銦的參與，使用上述氣源生長高質(zhì)量的InN材料，并且調(diào)整V/III比率、生長溫度和生長速度，以促進(jìn)在底層上所吸收銦原子的移動(dòng)，因此，以島狀形態(tài)生長InN。
為了抑制對激活層1405的蝕刻和該層的可結(jié)晶性的破壞，接著，通過使用一種氮載流氣體，以與InN相同的溫度生長GaN，形成用于覆蓋島狀部分1405a的生長蓋層1406。對于多個(gè)由InN材料制成的島狀部分1405a，生長蓋層1406就變成了阻擋層。
在形成生長蓋層1406之后，將襯底溫度升高到1020℃，以提高生長蓋層1406的質(zhì)量。隨后，摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和摻雜Mg元素的P型GaN依次生長，形成覆層1407和接觸層1408。使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的可控性和再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在形成覆層1407和接觸層1408之后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘的退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。
在形成了如上所述的晶體層之后，通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層1408上，形成由SiO2制成的限流絕緣層1409，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層1409上形成一個(gè)開口窗。
在這個(gè)限流絕緣層1409上形成一個(gè)開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層1409上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鎳層和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極1410的金屬層。此后，通過已知的光刻技術(shù)，在金屬層上形成一種基于酚醛樹脂的正向光致抗蝕劑模型，通過使用這個(gè)模型作為一個(gè)掩膜，對底層進(jìn)行蝕刻，在電極層1403上形成一個(gè)暴露區(qū)。在這種蝕刻中，例如，通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，使用氯氣進(jìn)行晶體層蝕刻。
在蝕刻形成上述暴露區(qū)之后，移去這個(gè)光致抗蝕劑掩膜，清潔單晶襯底1401以及在其上形成的結(jié)構(gòu)，在電極層1403的暴露區(qū)上，依次沉淀形成一個(gè)50nm厚的鋁層和一個(gè)20nm厚的金層，將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)定形，并形成N型金屬電極1411。
通過以上步驟，直到N型金屬電極1411形成后，就完成了這個(gè)制造過程，清潔這個(gè)合成結(jié)構(gòu)，使用一種鉆石刀，將單晶襯底按照預(yù)定尺寸切割，最后，就得到了一個(gè)器件。當(dāng)將一個(gè)預(yù)定的電流輸入到這個(gè)得到的器件上并使之工作時(shí)，就獲得單晶襯底1401的下表面上的發(fā)射光。
如上所述，在這個(gè)實(shí)施例中，激活層1405是由多個(gè)以島狀形式彼此隔離的島狀部分1405a構(gòu)成。換句話說，激活層1405是由離散的量子阱層的一個(gè)聚和體或多個(gè)聚在一起的量子點(diǎn)組成。在有這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件上，發(fā)射波長的變化依賴于每個(gè)島狀部分1405a的形狀與一個(gè)用于覆蓋島狀部分1405a的層(生長蓋層1406)的成分和厚度。這是因?yàn)樾纬蓫u狀部分1405a的InN材料的帶隙的變化依賴于立體施加在由InN材料制成的島狀部分1405a的一個(gè)壓力(流體靜壓)。
與基于InGaAsN的材料相比，基于InGaAlN的材料，如InN材料，在一個(gè)大范圍內(nèi)，其晶格常數(shù)是不同的，因此，通過使用一層有可改變成分的層覆蓋島狀部分1405a，能夠很容易地將一個(gè)高流體靜壓施加到島狀部分1405a上。與基于InGaAsN的材料相比，使用基于InGaAlN的材料能夠極大地改變島狀部分1405a的帶隙能量。
由于通過這種方式，可以極大地改變帶隙能量，根據(jù)圖14A和14B所示的這個(gè)實(shí)施例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠獲得發(fā)射光，其波長范圍為從InN材料的帶隙波長1.6μm至紫外光區(qū)。
即使島狀部分1405a是由另一種基于InGaAlN的材料制成的，如InGaN材料，也能夠獲得一個(gè)類似于上述的效果。與InN材料相比，使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)形成的島狀部分1405a有更大的帶隙，通過設(shè)計(jì)，可以得到一個(gè)能發(fā)出更短波長的光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
與InGaN材料相比，當(dāng)通過使用InN材料形成島狀部分1405a時(shí)，能夠獲得在島狀部分1405a的制造上的再現(xiàn)性和一直性。其原因如下所述。原因1在一種除InN外的材料氣相生長中，例如，InGaN材料，與固相相比，在氣相中的每個(gè)元素的成分有極大的不同。
如圖9所示，通過改變?nèi)谆?TMI)與三乙基鎵(TEG)和TMI的總量之比(TMI/(TMI+TEG))，增加了TMI的供應(yīng)量，增加了在InGaN中的銦的比例。
這種氣相/固相關(guān)系在500℃的生長溫度下接近線性。然而，當(dāng)將生長溫度升高到800℃并且生長具有高銦元素成分含量的InGaN時(shí)，這種氣相/固相關(guān)系就變成非線性。另外，隨著溫度的升高，所進(jìn)入的銦元素的含量降低，這是因?yàn)镮nN材料的氮平衡蒸氣壓比GaN材料的氮平衡蒸氣壓高5個(gè)數(shù)量級。原因2如圖6所示，在InGaN這個(gè)例子中，經(jīng)常發(fā)生相分離。如圖6所示，在一個(gè)熱平衡條件下，有一個(gè)不能生長的成分區(qū)，即一個(gè)發(fā)生相分離的寬區(qū)域。然而，由于InN是一個(gè)二元化合物，沒有發(fā)生如上述的相分離。使用InN材料能夠獲得在島狀部分1405a的制造上的高再現(xiàn)性和一直性。原因3
在覆層1404上的In原子和Ga原子之間的吸收率和移動(dòng)率的差異也是一個(gè)很大的因素。參照圖14A，從一個(gè)有多個(gè)島狀部分1405a的層上形成激活層1405。然而，本發(fā)明并不限于這種情況，通過生長蓋層1406，堆疊多個(gè)層形成激活層1405，多個(gè)層中的每層都是由多個(gè)島狀部分1405a構(gòu)成的。(第八實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖15所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件是一個(gè)有著3個(gè)發(fā)光層的白光發(fā)射二極管。如圖15所示，沿晶體生長的厚度方向，這個(gè)器件的橫截面圖。
這個(gè)發(fā)光器件包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1501的表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1502和一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層1503。注意，這層單晶襯底1501不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在電極層1503上，形成了下面的層一層由摻有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻擋層1504，一層由InXGa1-XN材料制成的作為一個(gè)量子阱的下激活層1505，一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1506，一層由InYGa1-YN材料制成的作為一個(gè)量子阱的中間激活層1507，和一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1508。注意，在下激活層1505和中間激活層1507中，X＜Y?？梢孕纬勺钃鯇?506和1508，作為摻雜有比其余層更少量的Si元素的N型層。
在阻擋層1508上形成一個(gè)上激活層1509，多個(gè)由InN材料制成的島狀部分排列在同一個(gè)平面內(nèi)，并形成一個(gè)層，由這個(gè)層形成上激活層1509。
例如，正如如圖14B所示的島狀部分1405a一樣，形成上激活層1509的每個(gè)島狀部分都有一個(gè)約10nm的直徑和一個(gè)3nm的高度。通過設(shè)定每個(gè)島狀部分1405a的尺寸，使之等于或小于以這種方式的電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，能夠得到一種量子效應(yīng)?；诩せ顚?509上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射波長幾乎是由每個(gè)島狀部分的尺寸決定的。注意，每個(gè)島狀部分的尺寸并不限于等于或小于電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，也可能大于這個(gè)范圍。
注意，每個(gè)島狀部分1405a的形狀并不限于一個(gè)半圓球形狀。例如，這些島狀部分也可以有一個(gè)圓柱、菱形、金字塔或圓錐形狀。另外，島狀部分可以以相等的間距排列，也可以以不相等的間距排列。另外，也可以形成島狀部分，使之彼此完全隔離或通過形成島狀部分的InN薄膜彼此連接。注意，形成各個(gè)島狀部分，并使之具有幾乎相同的尺寸。
以上述方式，形成多個(gè)島狀部分，再由多個(gè)島狀部分形成激活層1509，在激活層1509上覆蓋一層摻雜有Mg的InGaAlN材料制成的0.5μm厚的阻擋層1510。在阻擋層1510上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1511和一層由摻有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1511。
在接觸層1512上形成一層限流絕緣層1513，這個(gè)限流絕緣層1513是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗。在限流絕緣層1513上形成一個(gè)P型金屬電極1514，這個(gè)金屬電極1514通過開口窗與接觸層1512接觸。雖然未畫出，這個(gè)P型金屬電極1514有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層1512接觸的50nm厚的鈀層，一層在其上形成的20nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。
注意，這個(gè)電極層1503有一個(gè)暴露區(qū)，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻在其上的晶體層形成的，并且有一個(gè)N型金屬電極1515位于該暴露區(qū)內(nèi)。雖然未畫出，這個(gè)N型金屬電極1515也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鈦層，一層20nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。通過使用與如圖14所示實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法相同的方法，可以制造出上述半導(dǎo)體發(fā)光器件。
根據(jù)這個(gè)有上述結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，在這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件上，通過阻擋層1504和下激活層1506和阻擋層1506形成第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)；通過阻擋層1506，中間激活層1507和阻擋層1508形成第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)；和通過阻擋層1508，上激活層1509和阻擋層1510形成第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)。
通過下面所述的方式，控制各自激活層的組成成分和厚度，確定各自光發(fā)射結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長，致使第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最短的發(fā)射波長，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最長的發(fā)射波長。那就是說，光發(fā)射結(jié)構(gòu)越靠近單晶襯底1501，振蕩波長就變得越短(帶隙就變得越大)。因此，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光從單晶襯底1501的下表面上出現(xiàn)，沒有被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。
第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光，經(jīng)過在第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)旁邊，從單晶襯底1501的下表面上出現(xiàn)，沒有被第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光經(jīng)過在第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)旁邊，并被第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分吸收。第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分吸收的光激發(fā)第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分，并使之發(fā)光。這就是說，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光別第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分吸收，并將其轉(zhuǎn)換成另一種光，其波長等于第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)上發(fā)射光的波長。從單晶襯底1501的下表面上出現(xiàn)的光沒有被第一和第二發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收。
第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的，并經(jīng)過單晶襯底1501的下表面上的部分光直接從單晶襯底1501的下表面出現(xiàn)。第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的，經(jīng)過第二或第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)的部分光被每個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收，并轉(zhuǎn)換成其波長等于從每個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)上發(fā)射波長的光。如上所述，所轉(zhuǎn)換的光就像從每個(gè)相應(yīng)的光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射出的，并從單晶襯底1501的下表面出現(xiàn)。在考慮了有關(guān)光吸收方向上的位置關(guān)系，通過設(shè)計(jì)各個(gè)光發(fā)射機(jī)構(gòu)的堆疊順序，能夠產(chǎn)生高效率、低損耗的光發(fā)射。注意，在各個(gè)光發(fā)射結(jié)構(gòu)中的發(fā)射波長的關(guān)系并不限于上述情況。例如，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)可以有最長的發(fā)射波長。
當(dāng)在這個(gè)合成器件上輸入一個(gè)電流時(shí)，P型金屬電極1514作為正極，N型金屬電極1515作為負(fù)極，能夠觀測到從單晶襯底1501的下表面上發(fā)出的帶有藍(lán)色的白光。通過控制每個(gè)激活層的結(jié)構(gòu)因素，即每個(gè)層的成分和激活層的厚度，每個(gè)島狀部分的直徑，和每個(gè)區(qū)域附近的晶體層(阻擋層)的成分和厚度，就能夠從這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件上獲得期望的發(fā)射光的顏色。
在圖15中的這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件中，這三個(gè)激活層通過阻擋層彼此堆疊在一起。然而，本發(fā)明不只限于這種情況。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整形成各個(gè)激活層的晶體成分和激活層的厚度，并設(shè)定各個(gè)層的光發(fā)射顏色，即使用一種只有二個(gè)激活層通過一個(gè)阻擋層彼此堆疊在一起的半導(dǎo)體發(fā)光器件，也能夠獲得接近白色的發(fā)射光。
另外，下激活層1505或中間激活層1507都可以通過多個(gè)由InGaN或InN材料制成的島狀部分構(gòu)成。
根據(jù)如圖15所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，就像如圖11所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件一樣，沒有必要為三色光發(fā)射準(zhǔn)備單獨(dú)的器件芯片。不需要特殊的生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，并且也不需要復(fù)雜的調(diào)整。因此，根據(jù)圖15所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠提供一種低造價(jià)的器件。
另外，根據(jù)圖15所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件，由于相對于以前的技術(shù)，現(xiàn)在可以在一個(gè)更小的區(qū)域內(nèi)形成每個(gè)器件，能夠在一個(gè)單一襯底上，同時(shí)形成多個(gè)器件。因此，當(dāng)通過切割得到半導(dǎo)體發(fā)光器件芯片時(shí)，就可以獲得更多的芯片。在這一點(diǎn)上，由于所謂的體積效率，因此可以提供低造價(jià)的器件。另外，由于能夠形成薄器件，因此可以將它們安裝在更小的設(shè)備上。(第九實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖16所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件是一個(gè)有著3個(gè)發(fā)光層的白光發(fā)射二極管。如圖16所示，沿晶體生長的厚度方向的這個(gè)器件的橫截面圖。
這個(gè)發(fā)光器件包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1601的表面上一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1602和一層由GaN材料制成的1μm厚的半導(dǎo)體層1603。注意，這層單晶襯底1601不只限于蘭寶石材料，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在半導(dǎo)體層1603上，形成了下面的層一層由AlGaN制成的1μm厚的覆層1604，一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1605，和一個(gè)下激活層1606，多個(gè)由InN材料制成的島狀部分排列在同一個(gè)平面內(nèi)，并形成一個(gè)層，由這個(gè)層形成下激活層1606。例如，就像圖14B所示的島狀部分1405a一樣，形成下激活層1606的每個(gè)島狀部分具有一個(gè)約10nm的直徑和一個(gè)約3nm的高度。通過設(shè)定每個(gè)島狀部分1405a的尺寸，使之等于或小于以這種方式的電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，能夠得到一種量子效應(yīng)。對于基于下激活層1606上的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其發(fā)射波長幾乎是由島狀部分的尺寸決定的。注意，每個(gè)島狀部分1405a的尺寸并不限于等于或小于電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，也可能大于這個(gè)范圍。
注意，每個(gè)島狀部分的形狀并不限于一個(gè)半圓球形狀。例如，這些島狀部分也可以有一個(gè)圓柱、菱形、金字塔或圓錐形狀。另外，島狀部分可以以相等的間距排列，也可以以不相等的間距排列。另外，也可以形成島狀部分，使之彼此完全隔離或通過形成島狀部分的InN薄膜彼此連接。注意，形成各個(gè)島狀部分，并使之具有幾乎相同的尺寸。
以上述方式，形成多個(gè)島狀部分，再由多個(gè)島狀部分形成下激活層1606，在下激活層1606上覆蓋一層由InGaAlN材料制成的阻擋層1607。在阻擋層1607上，形成一層由InYGa1-yN材料制成的并作為一個(gè)量子阱中間激活層1608和一層由InGaAlN材料制成的接觸層1609。
在阻擋層1609上，形成一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的電極層1610。在電極層1610上，形成一層由摻雜有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻擋層1611。在阻擋層1611上，形成一層由InXGa1-XN材料制成的，并作為一個(gè)量子阱的上激活層1612。注意，在中間激活層1608和上激活層1612上，X＜Y。
在上激活層1612上，形成由一層摻雜有Mg的InGaAlN材料制成的0.5μm厚的阻擋層1613。在阻擋層1613上，形成一層由摻有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1614和一層由摻雜有Mg的GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1615。
在接觸層1615上，形成一層限流絕緣層1616，這個(gè)限流絕緣層1616是由SiO2材料制成，并帶有一個(gè)直徑約為20μm的環(huán)行開口窗。在限流絕緣層1616上形成一個(gè)P型金屬電極1617，這個(gè)金屬電極1617通過開口窗與接觸層1615接觸。雖然未畫出，這個(gè)P型金屬電極1617有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接與接觸層1615接觸的50nm厚的鈀層，一層在其上形成的30nm厚的鉑層和一層在其上形成的200nm厚的金層組成。
注意，這個(gè)電極層1610有一個(gè)暴露區(qū)，這個(gè)暴露區(qū)是通過部分蝕刻各個(gè)層形成的，并且一個(gè)N型金屬電極1618位于該暴露區(qū)內(nèi)。雖然未畫出，這個(gè)N型金屬電極1618也有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)由一層直接接觸暴露區(qū)的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層組成。通過使用與如圖14A所示實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件制造方法相同的方法，可以制造出上述半導(dǎo)體發(fā)光器件。
根據(jù)這個(gè)有上述結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，在這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件上，通過阻擋層1605和下激活層1606和阻擋層1607形成第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)；通過阻擋層1607，中間激活層1608和阻擋層1609形成第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)；和通過阻擋層1611，上激活層1612和阻擋層1613形成第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)。
通過控制各自激活層的組成成分和厚度，確定各自光發(fā)射結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長，致使第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最長的發(fā)射波長，并且第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)具有最短的發(fā)射波長。那就是說，光發(fā)射結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)離單晶襯底1601，發(fā)射波長就變得越短(帶隙就變得越大)。因此，在電流注入時(shí)，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光部分地被第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收，沒有被吸收的剩余部分光從單晶襯底1601的下表面上出現(xiàn)。
第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的，由第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分吸收的部分光激發(fā)第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)部分。其結(jié)果是，產(chǎn)生了一種第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)獨(dú)有的波長的發(fā)射光。第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的部分光被第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收，沒有被第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收的剩余部分光從單晶襯底1601的下表面上出現(xiàn)。最后，第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)吸收了第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)發(fā)射的光。所吸收的光激發(fā)第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)，并使之產(chǎn)生一種第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)獨(dú)有波長的發(fā)射光。這部分光也從單晶襯底1601的下表面上出現(xiàn)。
如上所述，在圖16中的這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在考慮了有關(guān)單晶襯底1601作為一個(gè)光吸收窗的位置關(guān)系，通過設(shè)計(jì)第一到第三光發(fā)射機(jī)構(gòu)的堆疊順序，能夠產(chǎn)生高效率、低損耗的白光發(fā)射。通過對第一到第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，能夠獲得寬波長范圍的發(fā)射光，其波長范圍包括了紅外光、可見光和紫外光。注意，在各個(gè)光發(fā)射結(jié)構(gòu)中的發(fā)射波長的關(guān)系并不限于上述情況。例如，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)可以有最長的發(fā)射波長。
例如，當(dāng)在這個(gè)合成器件上輸入一個(gè)電流時(shí)，P型金屬電極1617作為正極，N型金屬電極1618作為負(fù)極，能夠觀測到從單晶襯底1601的下表面上發(fā)出的帶有藍(lán)色的白光。通過控制每個(gè)激活層的結(jié)構(gòu)因素，即每個(gè)層的成分和激活層的厚度，每個(gè)島狀部分的直徑，和每個(gè)區(qū)域附近的晶體層(阻擋層)的成分和厚度，就能夠從這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件上獲得期望的發(fā)射光的顏色。
在圖16中的這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件中，這三個(gè)激活層通過阻擋層彼此堆疊在一起。然而，本發(fā)明不只限于這種情況。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整形成各個(gè)各個(gè)層的晶體成分和各層的厚度，并設(shè)定各個(gè)層的光發(fā)射顏色，即使用一種只有二個(gè)激活層通過一個(gè)阻擋層彼此堆疊在一起的半導(dǎo)體發(fā)光器件，也能夠獲得接近白色的發(fā)射光。
另外，中間激活層1608和上激活層1612都可以通過多個(gè)由InGaN或InN材料制成的島狀部分構(gòu)成。
將在下面描述一種制造方法。一種有機(jī)金屬氣相外延附生的設(shè)備有一個(gè)垂直型反應(yīng)器，該設(shè)備用于形成每個(gè)晶體層的晶體生長。使用氨作為一個(gè)氮源，注意，除非特別規(guī)定都使用氫氣作為一個(gè)載流子氣體，將生長壓力設(shè)定在大氣壓力。
首先，將襯底溫度設(shè)定在1050℃，在氨氣中，將這個(gè)由蘭寶石制成的單晶襯底1601的表面氮化。隨后，將襯底溫度設(shè)定到550℃，通過生長GaN材料，形成緩沖層1602。在這種GaN材料的生長中，將三甲基鎵(TMG)用作作為一個(gè)鎵源，TEG的優(yōu)點(diǎn)在于具有一個(gè)低氣壓，適合于供應(yīng)少量的Ga，在550℃的低溫下很容易分解，并且無需炭元素的參與，炭通常是進(jìn)入生長層中的一個(gè)源組成元素。隨后，在1050℃時(shí)，將這個(gè)單晶襯底1601退火9分鐘，形成一層溶入單晶襯底的緩沖層1602。
隨后，將單晶襯底的溫度設(shè)定到1020℃，GaN和Al0.1Ga0.9N依次生長，形成半導(dǎo)體層1603和覆層1604。使用三甲基鋁(TMA)作為這些層的氣相生長的一個(gè)鋁源，使用三甲基鎵(TMG)作為一個(gè)鎵源，TMG有一個(gè)相對高的氣壓。
在覆層1604上，順序生長InGaAlN，InXGa1-XN，InYGa1-YN，InGaAlN，摻有Si元素的N型GaN，和摻有Si元素的N型InGaAlN材料，以形成阻擋層1605，下激活層1606，阻擋層1607，中間激活層1608，阻擋層1609電極層1610和阻擋層1611。
在形成下激活層1606時(shí)，以島狀形式生成InN材料，以形成多個(gè)島狀部分。在形成島狀部分中，首先，在覆層1605上，以一種薄膜或類似薄膜的形態(tài)生長InN材料。在InN材料的生長中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將生長溫度設(shè)定在500℃。另外，在氣相生長中，使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。在這個(gè)生長過程中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的InN材料，將氨的量與TMI的比率V/III設(shè)定在660,000。氮?dú)饧扔米饕环N載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。
在按照上述方式以一種薄膜的形式生長形成InN材料之后，在氮?dú)猸h(huán)境中，將這層薄膜加熱至700℃，并保持20分鐘。通過這種加熱，將InN薄膜形成多個(gè)島狀部分。
在這些含有銦元素的每個(gè)層的晶體生長過程中，由于InN固相上的氮?dú)馄胶庹魵鈮汉芨?，因此，將生長溫度(襯底溫度)設(shè)定在500℃。使用三甲基銦(TMI)作為一個(gè)銦源。使用TEG作為這些含有In元素的層的生長過程中的一個(gè)鎵源。這是因?yàn)門EG在低溫下易于分解，并有一個(gè)相對低的氣壓，因而與TMG相比，TEG更適合于晶體層上的成分控制。
在上述每個(gè)層的晶體生長中，為了通過阻止金屬銦的參與，生長出高質(zhì)量的合金層，將作為氮源的氨的量與(TMI+TMA+TEG)的比率，即V/III設(shè)定在660,000。氮?dú)饧扔米饕粋€(gè)TMI載流氣體，又用作一個(gè)氣泡氣體。這是因?yàn)橛脷錃庾鳛橐环N載流氣體或類似的氣體將會(huì)抑制氨的分解(參考文獻(xiàn)7)。將經(jīng)過氫氣稀釋并具有1ppm的濃度的硅烷(SiH4)氣用于對每個(gè)層摻雜硅元素。
接著，在阻擋層1611上形成上激活層1612。在上激活層1612上生長摻有Mg元素的P型InGaN材料，以形成阻擋層1613，以至于能夠覆蓋島狀部分。
在形成阻擋層1613之后，摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和摻雜Mg元素的P型GaN依次生長，形成覆層1614，和接觸層1615。使用bis(甲基環(huán)戊二烯合)鎂作為鎂(Mg)摻雜的一個(gè)源體。這個(gè)源體是一個(gè)液態(tài)源，該液態(tài)源在Mg摻雜濃度的可控性和再現(xiàn)性上優(yōu)于通常用作固態(tài)源的bis(環(huán)戊二烯合)鎂。
在形成阻擋層1613，覆層1614和接觸層1615之后，在700℃的氮?dú)猸h(huán)境里，對這個(gè)合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行30分鐘的退火，以激活摻雜在這些層內(nèi)的Mg元素。
在形成上述各個(gè)晶體層之后，通過使用一個(gè)RF磁電管濺射裝置，在接觸層1615上，形成由SiO2制成的限流絕緣層1616，并且通過已知的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)，在限流絕緣層1616上形成一個(gè)開口窗。
在這個(gè)限流絕緣層1616上形成一個(gè)開口窗之后，通過使用電子束沉淀裝置，在這個(gè)帶有開口窗的限流絕緣層1616上，依次沉淀堆疊形成一個(gè)50nm厚的鎳層和一個(gè)200nm厚的金層，因此形成了一個(gè)作為P型金屬電極1617的金屬層。此后，通過已知的光刻技術(shù)，在金屬層上形成一種基于酚醛樹脂的正向光致抗蝕劑模型，通過使用這個(gè)模型作為一個(gè)掩膜，對底層進(jìn)行蝕刻，在電極層1610上形成一個(gè)暴露區(qū)。在這種蝕刻中，例如，通過離子反應(yīng)蝕刻技術(shù)，使用氯氣進(jìn)行晶體層蝕刻。
在蝕刻形成上述暴露區(qū)之后，移去這個(gè)光致抗蝕劑掩膜，清潔單晶襯底1601以及在其上形成的結(jié)構(gòu)，在電極層1610的暴露區(qū)上，依次沉淀形成一個(gè)50nm厚的鋁層和一個(gè)20nm厚的金層，將這個(gè)合成結(jié)構(gòu)定形，并形成N型金屬電極1618。
通過以上方法，直到N型金屬電極611形成后，就完成了這個(gè)制造過程，對單晶襯底1601進(jìn)行拋光和磨薄形成一個(gè)鏡表面。清潔這個(gè)合成結(jié)構(gòu)，使用一種鉆石刀，將單晶襯底1601按照預(yù)定尺寸切割，最后，就得到了一個(gè)器件。將這個(gè)器件的尺寸作成大約500μm2。
當(dāng)在這個(gè)合成器件上輸入一個(gè)電流時(shí)，P型金屬電極1617作為正極，N型金屬電極1618作為負(fù)極，能夠觀測到從單晶襯底1601的下表面上發(fā)出的光，例如，得到的發(fā)射光藍(lán)白色。如上所述，通過這個(gè)實(shí)施例得到的發(fā)射光是藍(lán)白光。然而，通過適當(dāng)?shù)乜刂菩纬杉せ顚拥木w層的成分和激活層的厚度，就能夠獲得帶有所期望的性能的發(fā)射顏色。
在圖16中的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，這三個(gè)激活層通過阻擋層彼此堆疊在一起。然而，本發(fā)明不只限于這種情況。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整形成各個(gè)激活層的晶體成分和激活層的厚度，并設(shè)定各個(gè)層的發(fā)射顏色，即使用一種只有二個(gè)激活層通過一個(gè)阻擋層彼此堆疊在一起的半導(dǎo)體發(fā)光器件，也能夠獲得接近白色的發(fā)射光。(第十實(shí)施例)在下文中將描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖17A和17B所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。圖17A所示，沿著引導(dǎo)光在這個(gè)腔內(nèi)前后傳播的方向，即沿著與腔軸線垂直的方向，作為一個(gè)實(shí)例，帶有一個(gè)0.4μm或更長的振蕩波長的一個(gè)半導(dǎo)體激光器橫向截面圖。
這個(gè)半導(dǎo)體激光器包括以下各層，并都位于一層由(0001)方向的蘭寶石(單晶Al2O3)制成的，厚度為330μm的單晶襯底1601的表面上通過一層厚度為1.2nm的氮化物層1702，形成一層由GaN材料制成的20nm厚的緩沖層1703，一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的電極層1704，和一層由摻有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆層1705。注意，這層單晶襯底1701不只限于蘭寶石，例如，這層襯底可以由一種晶體材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化鋅(ZNO)，或鎵酸鋰(LiGaO2)。
在覆層1705上，形成一層由摻有Si元素的N型GaN材料制成的0.6μm厚的導(dǎo)向?qū)?706。在導(dǎo)向?qū)?706上，形成一個(gè)激活層1707，多個(gè)由InN材料制成的島狀部分排列在同一個(gè)平面內(nèi)，并形成一個(gè)層，由這個(gè)層形成激活層1707。例如，就像圖14B所示的島狀部分1405a一樣，形成激活層1707的每個(gè)島狀部分具有一個(gè)約2nm的直徑和一個(gè)約1nm的高度。通過設(shè)定每個(gè)島狀部分1405a的尺寸，使之等于或小于以這種方式的電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，就能夠得到一種量子效應(yīng)?；诩せ顚?707上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射波長幾乎是由島狀部分的尺寸決定的。注意，每個(gè)島狀部分的尺寸并不限于等于或小于電子波動(dòng)函數(shù)的范圍，也可能大于這個(gè)范圍。
注意，每個(gè)島狀部分的形狀并不限于一個(gè)半圓球形狀。例如，這些島狀部分也可以有一個(gè)圓柱、菱形、金字塔或圓錐形狀。另外，島狀部分可以以相等的間距排列，也可以以不相等的間距排列。另外，也可以形成島狀部分，使之彼此完全隔離或通過形成島狀部分的InN薄膜彼此連接。注意，形成各個(gè)島狀部分，并使之具有幾乎相同的尺寸。
以上述方式，下面的層都是在激活層1707上形成的一層由沒摻有摻有雜質(zhì)的GaN材料制成的10nm厚的生長蓋層1708，一層由摻雜有Mg元素的P型GaN材料制成的0.55μm厚的導(dǎo)向?qū)?709，一層由摻雜Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.55μm厚的覆層1710和一層由摻雜Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接觸層1711。
在接觸層1711上形成一層電流絕緣層，電流絕緣層1711是由二氧化硅SiO2制成的，并有一個(gè)用于限制電流注入的區(qū)域的2μm寬度凹槽。注意，上面的凹槽與這個(gè)半導(dǎo)體激光器腔內(nèi)的光的傳播方向平行。在電流絕緣層1712上，形成一個(gè)P型金屬電極1713，并通過上面的凹槽與接觸層1711相接觸。雖然沒有畫出，這個(gè)P型金屬電極1713有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)是由一個(gè)與接觸層1711直接接觸的50nm厚的鈀層，在這個(gè)鈀層上形成的一層30nm厚的鉑層，和在這個(gè)鉑層上形成一層200nm厚的金層構(gòu)成。通過使用發(fā)射技術(shù)，將這些金屬層定形。
注意，這個(gè)電極層1704有一個(gè)暴露的區(qū)域，該部分通過部分地蝕刻在其上的各自層形成的，并且一個(gè)N型金屬電極1714也位于這個(gè)暴露區(qū)域。雖然沒有畫出，這個(gè)N型金屬電極1714有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)與暴露部分直接接觸的50nm厚的鈦層，一層30nm厚的鉑層和一層200nm厚的金層。圖17所示的這個(gè)半導(dǎo)體激光器的腔體長約500μm2。
圖18所示，在室溫下，圖17中的半導(dǎo)體激光器安裝在一個(gè)散熱片上，使用直流(DC)電流，通過測量這個(gè)半導(dǎo)體激光器，獲得的光學(xué)功率/電流特性(CM特性)和電壓/電流特性。在圖17所示，在室溫下，閥值電流為80mA時(shí)，引起CW振蕩的這個(gè)半導(dǎo)體激光器中。這個(gè)合成振蕩波長為1.60μm。這時(shí)的工作電壓是2.7V。內(nèi)置電壓Vb約為1.5V。
在以前的技術(shù)中，當(dāng)In1-XGaXN(0≤X＜0.4)用作一個(gè)包括激活層在內(nèi)的光發(fā)射結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)置電壓Vb小于4V。與這種情況相比，由于將具有一個(gè)小帶隙的InN材料用于激活層1707，因此，圖17所示的半導(dǎo)體激光器的內(nèi)置電壓Vb很小。注意，圖17中的半導(dǎo)體激光器例示了這種使用InN材料制成激活層1707的激光器。然而，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料有一個(gè)比InN具有更大的帶隙，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料可以用作激活層。在這個(gè)例子中，振蕩波長可以進(jìn)一步地降低，例如0.4μm。
在最這個(gè)實(shí)施例中，激活層1707也可以有一個(gè)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)，多個(gè)島狀部分和一個(gè)生長蓋層(阻擋層)彼此堆疊在一起，并構(gòu)成了這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)的一個(gè)層。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體發(fā)光器件至少包括在襯底上形成的第一覆層，由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的，并在第一覆層上形成的光發(fā)射結(jié)構(gòu)，和在光發(fā)射結(jié)構(gòu)上形成的第二覆層。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，作為這種組成結(jié)構(gòu)的結(jié)果，激活層是由一種具有小俄歇效應(yīng)的材料形成的。另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括一個(gè)可以有一個(gè)大ΔEc的層結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件在工作環(huán)境下，能夠有效地對抗溫度上的變化，并且能夠進(jìn)行高能運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于該器件至少包括一層形成在襯底(101)上的第一覆層(105)；一個(gè)在上述第一覆層上形成的，并包括由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的激活層(107)的光發(fā)射結(jié)構(gòu)；和一層在上述光發(fā)射結(jié)構(gòu)上形成的第二覆層(110)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中激活層是由InN材料制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于該器件進(jìn)一步包括夾住激活層的第一和第二半導(dǎo)體層(106，109)，上述第一和第二半導(dǎo)體層分別是由In1-X’-Y’GaX’AlY’N(0≤X’，Y’≤1，0≤X’+Y’≤1)材料和In1-X”-Y”GaX”AlY”N(0≤X”，Y”≤1，0≤X”+Y”≤1)材料制成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中發(fā)射波長位于一個(gè)可見光區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)和在其上形成的第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)組成的，第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1105，1107)之間的第一激活層(1106)形成的，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1107，1109)之間的第二激活層(1108)形成的，和第一和第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)有不同的發(fā)射波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于其中第一和第二半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于其中第一和第二半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于其中阻擋層(1105，1107，1109)都是由比第一和第二激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其特征在于其中阻擋層都是由比第一和第二激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)，在其上形成的第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)，和在其上形成的第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)組成的，第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1105，1107)之間的第一激活層(1106)形成的，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1107，1109)之間的第二激活層(1108)形成的，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1109，1111)之間的第三激活層(1110)形成的，和第一、第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件有不同的發(fā)射波長。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于其中阻擋層都是由比第一至第三激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于其中阻擋層都是由比第一至第三激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由排列在襯底上的第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)(A)，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)(B)，和第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)(C)組成的，第一光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1305a，1307a)之間的第一激活層(1306a)形成的，第二光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1305b，1307b)之間的第一激活層(1306b)形成的，第三光發(fā)射結(jié)構(gòu)是由夾在阻擋層(1305c，1307c)之間的第一激活層(1306c)形成的，和第一.第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件有不同的發(fā)射波長。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半導(dǎo)體發(fā)光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于其中阻擋層都是由比第一至第三激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的器件，其特征在于其中阻擋層都是由比第一至第三激活層具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于其中激活層(1405)是由排列在同一平面內(nèi)的多個(gè)島狀部分(1405a)組成的一個(gè)層形成的，和島狀部分是由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其特征在于其中如此排列島狀部分，致使其能夠彼此分離。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其特征在于其中，在由排列在同一平面內(nèi)的多個(gè)島狀部分組成的這個(gè)層上，覆蓋由比島狀部分具有更高帶隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的一個(gè)阻擋層(1406)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其特征在于其中，激活層包括一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)是通過由排列在同一平面內(nèi)的多個(gè)島狀部分組成的一個(gè)層和阻擋層堆疊形成的。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其特征在于其中島狀部分是由InN材料制成的。
全文摘要
本發(fā)明的一種半導(dǎo)體發(fā)光器件至少包括一層形成在襯底上的覆層，一個(gè)在第一覆層上形成的,并包括由In
文檔編號H01L27/15GK1467888SQ0310753
公開日2004年1月14日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月19日
發(fā)明者松岡隆志, 岡本浩 申請人:日本電信電話株式會(huì)社