專利名稱：氮化物半導(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，諸如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)，特別涉及一種具有由所有氮化物半導(dǎo)體材料形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
作為用于發(fā)光器件，諸如希望發(fā)射從紫外光到紅光范圍光的LED或LD器件的材料，眾所周知為氮化物半導(dǎo)體材料(InxAlyGa1-x-yN；0≤X，0≤Y，X+Y≤1)，并且蘭光和蘭綠光LED已實際用于例如顯示器或信號器中。
諸如由氮化物半導(dǎo)體材料形成的蘭光LED或蘭綠光LED和目前實際使用的發(fā)光器光具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種發(fā)光器件基本構(gòu)造是這樣的，由n型GaN組成的n-型接觸層，由n-型AlGaN組成的n-型覆蓋層，由n-型InGaN組成的n-型有源層，由p型AlGaN組成的p-型覆蓋層，由p-型AlGaN組成的p-型覆蓋層以及由p-型GaN組成的p-型接觸層，按上述的次序，層疊在由例如蘭寶石制作的襯底上而制成。該有源層摻以施主雜質(zhì)，比如Si或G，和/或摻以受主雜質(zhì)，比如Mn或Mg。LED器件的光發(fā)射波長可以通過改變有源層的InGaN組份中的In含量，或改變摻入有源區(qū)雜質(zhì)的種類而從紫外光區(qū)變到紅光區(qū)。目前實際應(yīng)用的LED是一種發(fā)射波長為510nm以下的LED，它的有源層摻以施主和受主兩種雜質(zhì)。該LED還具有處于襯底與n-型接觸層之間的例如由GaN或AlN所形成的緩沖層。
另一方面，迄今為止，對LD器件的結(jié)構(gòu)已有許多建議。舉例說，未審查的日本專利申請公開(KoKai)6-21511揭示了一種分離約束型LD，該LD具有一種這樣的結(jié)構(gòu)，其中把由InGaN組成的有源層且厚度不超過100埃，插在n-型GaN層和p-型GaN層之間，所得的復(fù)合結(jié)構(gòu)還進一步夾在一n-型AlGaN層和一p-型AlGaN層之間。兩個AlGaN層起一種光約束層的作用。
通過如上所述的LED器件內(nèi)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，已可以提高發(fā)光輸出，因而使LED器件實際被使用。然而，由于此種LED器件利用摻以雜質(zhì)的InGaN層作為有源層，這種LED器件帶有一種缺點，即其發(fā)射光譜的半帶寬不可避免地變寬，例如，裝著具有寬的半帶寬度發(fā)光譜的LED器件的全彩色顯示器會呈現(xiàn)出一種稍帶白的發(fā)射光，從而使其色彩再現(xiàn)區(qū)域變窄。
至于LD器件，在包括由，如在上述的未審查日本專利申請公開6-21511號所描述的非摻雜InGaN形成的有源層的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，理論上可以實現(xiàn)激光振蕩，但是，這種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍不能獲得激光振蕩。人們希望通過把有源層變成如這份專利申請公開所描述的一種量子阱結(jié)構(gòu)而大大提高發(fā)射輸出。但是，在LD器件可以實際應(yīng)用之前，還有許多問題有待解決，諸如光學(xué)諧振面或光學(xué)約束層的制備等問題。
為了實用LD器件，其有源層要呈現(xiàn)一種尖銳且強烈的能帶到能帶發(fā)射。即使LED器件，也可以獲得窄半帶寬的發(fā)射譜，這要以能夠?qū)崿F(xiàn)能帶到能帶發(fā)射為條件。然而，常規(guī)LED器件的有源層厚度相當厚，即0.1到0.2μm，因此在AlGaN層上異質(zhì)外還生長的InGaN厚度就已超過臨界厚度，所以不可能以常規(guī)的LED器件去實現(xiàn)堅銳且強烈的能帶到能帶發(fā)射。即不能實現(xiàn)激光振蕩。同時，如果為上述未審查的日本專利申請6-21511所示那樣使有1元層大大變薄，從而使LED器件形成量子阱結(jié)構(gòu)，有可能獲得強的帶一帶發(fā)射。可是，如果要使有源層的厚度變薄，則對光的約束作用會變成不足，于是使其無法實現(xiàn)激光振蕩。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的第一個目的是提供一種能產(chǎn)生優(yōu)良激光振蕩的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種能呈現(xiàn)出提高發(fā)射輸出的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
從下面的詳細描述將使這些和其他目的變得更清楚，根據(jù)本發(fā)明的該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括一量子阱結(jié)構(gòu)的一有源層包括含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，并且具有第一和第二主表面；一第一p-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，且提供與該有源層的第二主表面相接觸；第二p-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵且?guī)洞笥诘谝籶-型覆蓋層的p-型氮化物半導(dǎo)體，且設(shè)置在第一p-型覆蓋層之上；以及一n型半導(dǎo)體層，與有源層的第一主表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一有源層由一量子阱結(jié)構(gòu)組成，它包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，且具有第一和第二主表面；第一n-型覆蓋層由含有鋁和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體或一n-型GaN構(gòu)成，且提供與該有源層的該第一主表面相接觸，而該第一n-型覆蓋層厚度范圍在10埃至1.0μm內(nèi)；第二n-型覆蓋層包括一帶隙大于第一n-型覆蓋層的n-型氮化物半導(dǎo)體，且設(shè)置在第一n-型覆蓋層上；以及一p-型半導(dǎo)體層與該有源層的該第一主表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，包括含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，且具有第一和第二主表面；第一n-型覆蓋層由含有鋁和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體或n-型GaN構(gòu)成，且設(shè)置成與該有源層的該第一主表面相接觸；第二n-型覆蓋層包括一具有帶隙大于第一n-型覆蓋層的n-型氮化物半導(dǎo)體，且使之設(shè)置在該第一n-型覆蓋層上；第一p-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，且設(shè)置成與該有源層的該第二主表面相接觸；以及第二p-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體，它具有大于該第一p-型覆蓋層的帶隙，且使之設(shè)置在該第一p-型覆蓋層上。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，它包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體并且插在一n-型氮化物半導(dǎo)體層和一p-型半導(dǎo)體層之間，該p-型半導(dǎo)體層包括一設(shè)置成與有源層相接觸的p-型覆蓋層，該p-型覆蓋層又包括一含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體和具有10埃至1.0μm范圍內(nèi)厚度。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一安插在一n-型氮化物半導(dǎo)體層和一n-型半導(dǎo)體層間的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，以及設(shè)有一厚度不大于70埃的阱層。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一具有第一和第二主表面的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，和包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體；以及第一n-型覆蓋層包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一具有第一和第二主表面的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，和包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體；以及第一p-型覆蓋層包括一含有銦和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一有源層，包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，且具有第一和第二主表面；第一n-型覆蓋層，包括一不含鋁的n-型氮化物半導(dǎo)體，且使之設(shè)置成與該有源層的第一主表面相接觸；以及一p-型覆蓋層，包括一p-型氮化物半導(dǎo)體和具有一表面區(qū)域，至少該表面區(qū)域包括一含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，該p-型覆蓋層設(shè)置成與該有源層的該第二主表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一包括一氮化物半導(dǎo)體的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層；一負電極；一正電極；所設(shè)置成與負電極相接觸的一n-型GaN接觸層；以及所設(shè)置成與該正電極相接觸的一p-型GaN接觸層。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一有源層，具有第一和第二主表面，且包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體；以及第一n-型覆蓋層，包括含有銦和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該有源層還大的帶隙，且設(shè)置為與該有源層的第一主表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一有源層，具有第一和第二主表面，和包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體；以及第一p-型覆蓋層包括一含有銦和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該有源層還大的帶隙，且設(shè)置成為與該有源層的第二主表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括
一有源層，包括一含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體，并且具有第一和第二主表面；第一n-型覆蓋層，包括一含有銦和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該有源層的帶隙更大的帶隙，而且設(shè)置成為與該有源層的第一主表面相接觸；第一p-型覆蓋層包括一含有銦和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該有源層的帶隙更大的帶隙，而且設(shè)置成為與該有源層的第二主表面相接觸；第二n-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵的n-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該第一n-型覆蓋層的帶隙更大的帶隙，而且設(shè)置成與該第一n-型覆蓋層相接觸；以及第二p-型覆蓋層包括一含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該第一p-型覆蓋層的帶隙更大的帶隙，而且設(shè)置在該第一p-型覆蓋層上。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一個有源層，它包括至少含有銦的氮化物半導(dǎo)體，且插在一第一n-型覆蓋層和一第一p型覆蓋層之間，該第一n型覆蓋層由n-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，其熱膨脹系數(shù)小于有源層的熱膨脹系數(shù)，該第一p型覆蓋層由p-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，其熱膨脹系數(shù)小于有源層的熱膨脹系數(shù)；其中，該有源層是具有一單量子阱結(jié)構(gòu)或一多量子阱結(jié)構(gòu)的，從而發(fā)射一種比形成該有源層的氮化物半導(dǎo)體的固有帶隙能量還低的能量的光。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一由一含有銦的n-型氮化物半導(dǎo)體或由一n-型GaN制成的第一n-型覆蓋層；以及一有源層包括一含有銦的氮化物半導(dǎo)體，具有比該第一n-型覆蓋層的熱膨脹系數(shù)還大的熱膨脹系數(shù)并且設(shè)置成與該第一n-型覆蓋層相接觸，其中，該有源層是具有一單量子阱結(jié)構(gòu)或具有多量子阱結(jié)構(gòu)的，從而發(fā)射一種比形成該有源層的該氮化物半導(dǎo)體的固有帶隙能量還低的能量的光。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一有源層包括一含有銦的氮化物半導(dǎo)體；以及第一p-型覆蓋層包括一含有鋁的p-型氮化物半導(dǎo)體，具有比該有源層的熱膨脹系數(shù)還大的熱膨脹系數(shù)并且設(shè)置成與該有源層相接觸，其中，該有源層是具有一單量子阱結(jié)構(gòu)或具有多量子阱結(jié)構(gòu)的，從而發(fā)射比形成該有源層的該氮化物半導(dǎo)體的固有帶隙能量更低的能量的光。


圖1是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第1實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第2實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第3實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明第1實施例的第一p-型覆蓋層的厚度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系曲線；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第2實施例的第一n-型覆蓋層的厚度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系曲線；圖6是表示阱層厚度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系曲線；圖7是表示勢壘層厚度與發(fā)射輸出之間的關(guān)系曲線；圖8是表示與常規(guī)的發(fā)光器件比較，本發(fā)明的發(fā)光器件的輸出圖表；圖9是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第4實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖10是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第5實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖11是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第6實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；
圖12是示意性說明根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖13是圖12結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖14是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第7實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖15是示意性說明根據(jù)本發(fā)明又另一個實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖16是示意性說明根據(jù)本發(fā)明第8實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；以及圖17是表示阱層厚度與發(fā)射峰值波長的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
在下面的描述中，有時把InxGa1-xN(0＜x＜1)簡稱為InGaN。同樣，有時把AlYGa1-YN(0＜Y＜1)簡稱為AlGaN。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，它設(shè)有插在n-型氮化物半導(dǎo)體層和p-型氮化物半導(dǎo)體層間的有源層，該有源層由含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體形成，并且構(gòu)成量子阱結(jié)構(gòu)(單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu))。如從有源層側(cè)來說，上述的p-型氮化物半導(dǎo)體層包括由含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體形成的第一p-型覆蓋層，以及第二p-型覆蓋層，它具有比第一p-型覆蓋層的帶隙還大的帶隙和由含有鋁和鎵的p-型氮化物半導(dǎo)體形成。
圖1示意性說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的發(fā)光器件(LD)結(jié)構(gòu)的剖面圖。參照圖1，該發(fā)光器件，包括一襯底11，按下述次序?qū)盈B于其上的是n-型接觸層12，n-型覆蓋層13，有源層14，第一p-型覆蓋層61，第二p-型覆蓋層62及p-型接觸層15。在p-型接觸層15表面上，制成由絕緣材料制成的電流限制層并且其中形成了開口16a。在此電流限制層16的表面又形成通過開口16a與p-型接觸層15相連接的正電極(p-電極)17。另一方面，在n-型接觸層12上形成負電極(n-電極)18。在LED器件的情況下還可在該p-型接觸層15上直接形成正電極17，而無需形成電流限制層16。
該襯底11可由蘭寶石(包括C-平面、R-平面及其A-平面)，SiC(包括6H-SiC和4H-SiC)、Si、ZnO、GaAs，尖晶石(MgAl2O4，特別是(111)平面)，以及可采用晶格常數(shù)接近氮化物半導(dǎo)體的單晶氮化物制成。其中，通常采用蘭寶石和SiC。盡管緩沖層沒有在圖1中具體示出，但是，為緩和這些材料的晶格常數(shù)失配起見，往往在襯底和氮化物半導(dǎo)體之間，形成厚約數(shù)百埃的GaN或AlN的緩沖層。然而，要是襯底由晶格常數(shù)非常接近氮化物半導(dǎo)體的SiC或ZnO形成，因而可以省去緩沖層，所以在圖1中沒有示出該緩沖層。
n-型接觸層12可以由n-型氮化物半導(dǎo)體形成，如果它由諸如GaN或AlGaN的二元或三元混晶形成，就可以獲得優(yōu)良結(jié)晶性的接觸層。尤其是若n-型接觸層12由GaN形成，則能達到與負電極材料有良好的歐姆接觸。通過將施主雜質(zhì)諸如Si、Ge或S等摻入接觸層，就能得到優(yōu)選的n-型導(dǎo)電性。至于用于負電極18的材料，應(yīng)用含有Ti，和Au或Ti和Al的金屬材料則是優(yōu)選。
該n-型覆蓋層13可由p-型氮化物半導(dǎo)體形成，如果它由諸如GaN、AlGaN或InGaN等二元或三元混晶形成，就可以獲得優(yōu)良結(jié)晶性的覆蓋層。尤其是若n-型覆蓋層13由InGaN或GaN形成，則可能制成形成相對薄的有源層14，因而將可以實現(xiàn)單量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的有源層，從而大大提高該發(fā)光器件的輸出。還可以省去LED器件的n-型覆蓋層13。對LED器件來說，有必要形成厚度在10埃到1.0μm，優(yōu)選為30埃到0.1μm的n-型覆蓋層13，而對LD器件來說，則厚度范圍自100埃至1.0μm。
該有源層14最好應(yīng)由非摻雜的InGaN(沒有摻入雜質(zhì))形成，從而允許通過能帶到能帶發(fā)射，而獲得660nm到365nm的發(fā)射光。為了制造具有足以薄到能提供單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度的優(yōu)良結(jié)晶性的InGaN，很可取的是事先形成一InGaN層作為n型覆蓋層，該InGaN層的帶隙比隨后在其上生長的有源層14的帶隙還大。
當有源層14具有SQW或MQW結(jié)構(gòu)時，就能獲得很高發(fā)射輸出的器件。通過SQW和MQW結(jié)構(gòu)的表達式，意味著，從有源層的結(jié)構(gòu)通過非摻雜的InxGa1-xN化合物可以獲得量子能級間的光發(fā)射。舉例說，通過由單一化合物InxGa1-xN(0＜x＜1)形成的單層(阱層)構(gòu)成SQW結(jié)構(gòu)的有源層，并且夾著有源層的該覆蓋層13和61構(gòu)成勢壘層。當此InxGa1-xN層的厚度為100?；蛞韵聲r，此有源層受到塑性變形，從而使之能夠獲得量子能級間的強光發(fā)射。另一方面，該MQW結(jié)構(gòu)的有源層是由阱層和勢壘層交替層疊堆積形成。阱層和勢壘層可由在成份上由彼此不同的InxGa1-xN層(在此情況下，x可從0至1)組成。在MQW結(jié)構(gòu)的有源層中，有源層的最外兩層薄膜構(gòu)成阱層。當該有源層具有-SQW或MQW結(jié)構(gòu)時，就能獲得波長范圍約365nm到660nm，量子能級間光發(fā)射的高輸出可見光的LED。當量子阱結(jié)構(gòu)的阱層厚度不大于70埃，最好不大于50埃時，將可獲得高發(fā)射輸出的發(fā)光器件。這恰好表明其厚度的量級不大于InGaN有源層的臨界厚度。由于InGaN中電子的波爾半徑約為30埃，當厚度在70埃以下時，就可獲得InGaN的量子效應(yīng)。
同樣，就多量子阱結(jié)構(gòu)而言，最好把阱層的厚度調(diào)整到70?；蛞韵拢⑶野褎輭緦拥暮穸日{(diào)整到150?；蛞韵?。
接著，還將說明本發(fā)明第一實施例有特征性的第一p-型覆蓋層61如下。
此第一p-型覆蓋層61是由含有Al和Ga的p-型氮化物半導(dǎo)體形成的，并且最好由AlGaN的三元混晶形成。該第一p-型覆蓋層61在LD器件中起光波導(dǎo)層的作用。即，在根據(jù)本發(fā)明第1實施例的LD器件的情況下，如果把有源層14的厚度做足夠薄以提供量子阱結(jié)構(gòu)，就會變成不足以把光限制在有源層14內(nèi)。所以，設(shè)置這層第一p-型覆層61是為使它起一種限制光的光波導(dǎo)層的作用。此外，AlGaN層是最可取的，因為它可以很容易地制成高載流濃度的p-型層，與此同時，與氮化物半導(dǎo)體的其他種類比較，適合于擴大其相對于InGaN有源層14在能帶偏移或折射系數(shù)方面的差別。另外，與氮化物半導(dǎo)體的其他種類比較，在其生長期間，p-型AlGaN不容易受到分解，因而象例如用MOVPE方法生長AlGaN時具有阻止有源層的InGaN分解的效果，因此，能獲得結(jié)晶性優(yōu)良的有源層，于是改善其輸出。在這種情況下，第一p-型覆蓋層最好應(yīng)由AlGaN制造。另一方面，如果第一p-型覆蓋層由p-型GaN形成，則發(fā)射輸出將降至采用p-型AlGaN時的1/3。這個現(xiàn)象的理由可結(jié)于這樣的事實，與AlGaN比較，GaN轉(zhuǎn)變成p-型的可能性小，而GaN多半會在其生長時被分解，使其結(jié)晶性變壞，但詳細情況仍不清楚。
由p-型AlGaN制造的第一p-型層61的厚度較可取地應(yīng)在10到1.0μm的范圍，最好在10到0.5μm范圍。如果第一p-型覆蓋層61薄于10，就會失去由于第一p-型覆蓋層的存在所得到的任何優(yōu)點，導(dǎo)致有源層分解，于是引起發(fā)射輸出的下降。另一方面，如果第一p-型覆蓋層厚于1.0μm，則第一p-型覆蓋層61大概會形成裂紋，使其難以形成滿意的器件。
特別是在LD器件的情況下，第一p-型覆蓋層厚度應(yīng)取在100埃到1.0μm范圍內(nèi)，最好取在100埃到0.5μm范圍內(nèi)。如果第一p-型覆蓋層61薄于100埃，就會喪失其作為光波導(dǎo)層的功能。另一方面，如果第一p-型覆蓋層61比1.0μm還厚，在該第一p-型覆蓋層61大概會形成裂紋，因而當在這種已有裂紋的層上形成下一層時，所得到的半導(dǎo)體層其結(jié)晶性就不好，從而大大地降低所得到器件的輸出。所以，就LD器件而言，第一p-型覆蓋層61的厚度控制是很重要的。
第二P-型覆蓋層62由含Al和Ga的其帶隙比第一P型覆蓋層61的帶隙還寬的P型氮化物半導(dǎo)體形成。最好由P型AlGaN三元混晶形成，因為第二P型覆蓋層若由此P-型AlGaN構(gòu)成，則可容易獲得高載流子濃度的P型層。此外，該第二P型覆蓋層62若由此P型AlGaN構(gòu)成，就可以增大第二P型覆蓋層62和第一P-型覆蓋61之間的帶隙差和折射率，因而允許第二P型覆蓋層62能有效地起到光限制層的作用。對第二P型覆蓋層62的厚度無特別限定，但為了獲得高載流子濃度且無裂紋的高晶體質(zhì)量的P型AlGaN層，其厚度最好選在約500?！?μm的范圍。在晶體生長步驟中，以受主雜質(zhì)如Mg、Zn、C、Be、Ca或Ba摻雜氮化物半導(dǎo)體，可獲得P型導(dǎo)片，若獲得高載流子濃度的P型層，在摻入受主導(dǎo)質(zhì)后，最好在400℃以上的溫度進行退火。當按此方式退火時，在P型AlGaN中，一般可獲得1×1017/cm3～1×1019/cm3的載流子濃度。然而，在制造LED器件時，可以省略由AlGaN形成的第二P型覆蓋層62。
P型接觸層15是由P型氮化物半導(dǎo)體形成的。如果用二元或三元混晶如GaN或AlGaN形成，可獲得結(jié)晶性優(yōu)良的接觸層。特別如果用GaN形成P型接觸層，則可使之與正電極材料達到良好的歐姆接觸。至于用于正電極17的材料，最好使用含Ni及Au金屬材料。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，使由P型AlGaN形成的第一P型覆蓋層61與有源層14形成接觸，使由其帶隙比第一P型覆蓋層61的隙帶還寬的P型AlGaN形成的第二P型覆蓋層62與第一P型覆蓋層61形成接觸。以此結(jié)構(gòu)，有可能實現(xiàn)一帶有起光導(dǎo)層作用兼作對有源層14的保護層的第一P型覆蓋層61及起限制層作用的第二P型覆蓋層62，有高發(fā)射輸出的發(fā)光器件。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，提供一種氮化物半導(dǎo)發(fā)光器件，該器件與實施例1相同，在n型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間夾有一有源層。上述n型氮化物半導(dǎo)體層包括(自有源層側(cè)說起)有由含銦和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體或n型GaN形成的第一n型覆蓋層和由其帶隙比第一n型覆蓋層的帶隙還寬的n型氮化物半導(dǎo)體形成的第二n型覆蓋層。第一n型覆蓋層的厚度在10?！?.0μm的范圍內(nèi)。
圖2示出了示意說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)(LD結(jié))的剖面圖。參照圖2，發(fā)光器件包括一塊襯底21，在襯底上按所述順序疊置一n型接觸層22、第二n型覆蓋層72、第一n型覆蓋層71、有源層23、P型覆蓋層24以及P型接觸層25。在P型接觸層25的表面上形成一電流限制層26，該層由有開口26a的絕緣材料形成。在該電流限制層26的表面上形成通過開口25a與P型接觸層25相連的正電極27。另一方面，在n型接能層22的表面上形成一負電極28。在一個LED器件中，則沒有形成電流限制層26。
在第一實施例中對襯底11、n型接觸層12、有源層13及P型接觸層15描述的特性和解釋可分別適用于襯底21、n型接觸層22、有源層23及P型接觸層25。
在本發(fā)明的第二實施例中，第二n型覆蓋層72應(yīng)由其帶隙比第一n型覆蓋層71的帶隙還寬的n型氮化物半導(dǎo)體，最好由二元或三元混晶的n型氮化物半導(dǎo)體，如由GaN或AlGaN構(gòu)成。在這些材料中，最好的是三元混晶的n型AlGaN，因為如果第二P型覆蓋層由該n型AlGaN構(gòu)成，可以使帶隙差和折射率大于有源層23和第一n型覆蓋層71的帶隙差和折射率。對第二n型覆蓋層的厚度雖沒有任何苛刻的限制，為了獲得沒有一點裂紋的高晶體質(zhì)量的n型AlGaN層，其厚度可優(yōu)選在500～的1μm的范圍內(nèi)。然而，在LED器件的制造中，可以省掉由AlGaN形成的第二n型覆蓋層72，n型接觸層22自然取代了第二n型覆蓋層。
與有源層23接觸的第一n型覆蓋層71是由含In和Ga的n型氮化物半導(dǎo)體，或n型GaN形成的。第一n型覆蓋層71的厚度應(yīng)優(yōu)選在10至1μm的范圍內(nèi)，最好選在30?！?.1μm范圍內(nèi)。當使第一n型覆蓋層71的厚度大于10時，可以使第一n型覆蓋層71起到有源層23和第二n型覆蓋層72之間緩沖層的作用。即，由lnGaN或GaN形成的第一n型覆蓋層71在性質(zhì)上本來最軟的，因而能吸收由晶格常數(shù)失配和AlGaN形成的第二n型覆蓋72與有源層23之間熱膨脹系數(shù)差引發(fā)的應(yīng)變。由于該第一n型覆蓋71的存在，即使有源層23的厚度再薄些，也幾乎不可能使有源層23、第二n型覆蓋層72及P型覆蓋層24產(chǎn)生裂紋。換言之，因為第一n型覆蓋層71起著緩沖層的作用，即使其厚度不大于100，有源層也可彈性形變，因此減少了有源層的晶體缺陷。由于這樣一種效應(yīng)，縱然有源層是薄的，有源層仍可保持其優(yōu)良的晶體質(zhì)量，因而可增大發(fā)射輸出。此外，由于減薄了有源層，根據(jù)應(yīng)變量子阱效應(yīng)或激發(fā)發(fā)射效應(yīng)，也可增大發(fā)光輸出。若采用n型GaN作為第一n型覆蓋層71的材料，可獲得稍微差此但幾乎與采用InGaN可得到的相同效果。
為了實現(xiàn)LD器件，第一n型覆蓋71的厚度應(yīng)優(yōu)選在100?！?.0μm的范圍內(nèi)，因為當其厚度為100?；蚋髸r，第一P型覆蓋層71可起到光導(dǎo)層的作用。另一方面，如果有源層變得很薄，如在實施例1中的情況，采用第一n型覆蓋層71作為把光限制在本發(fā)明的發(fā)光器件中的光導(dǎo)層，則對有源層中的光的限制可能變?yōu)椴煌耆?。幸而，由于在此情況下構(gòu)成第一n型覆蓋層71作為AlGaN或GaN起到緩沖的作用，使得有源層的減薄成為可行。將第一n型覆蓋層71的厚度調(diào)節(jié)至小于1.0μm也是其為重要的。假若第一n型覆蓋層71的厚度超過1.0μm，InGaN的顏色會變黑，形成高質(zhì)量的InGaN膜會變得困難。而且，在最終晶體中會形成大量的坑，所以難以制成高輸出的LED或LD器件，可能因為器件的發(fā)射輸出極其低。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，使由n型InGaN或n型GaN所形成的第一n型覆蓋層71與有源層23形成接觸，并使由其帶隙比第一n型覆蓋層71的帶隙還寬的n型AlGaN形成的第二n型覆蓋層72與第一n型覆蓋層形成接觸。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，在LD器件的情況，有可能實現(xiàn)帶有起著光導(dǎo)層作用的第一n型覆蓋層71和起著光限制層作用的第二n型覆蓋層72的發(fā)光器件，在LED器件的情況下，有可能實現(xiàn)有高發(fā)射輸出的發(fā)光器件。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，提供一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，該器件在n型氮化物半導(dǎo)體和P型氮化物半導(dǎo)體層間，如實施例1那樣，設(shè)有一有源層。上述P型氮化物半導(dǎo)體層包括從有源層說起，有一由含鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體形成的第一P型覆蓋層和一由其帶隙比第一P型覆蓋層的帶隙還寬的P型氮化物半導(dǎo)體形成的第二P型覆蓋層。上述的n型氮化物半導(dǎo)體層包括，從有源層說起，有一由含銦和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體形成的第一n型覆蓋層和由其帶寬比第一n型覆蓋層的帶隙還寬的n型氮化物半導(dǎo)體形成的第二n型覆蓋層。
圖3示意地說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)(LD結(jié)構(gòu))的剖面圖。參照圖3，該發(fā)光器件，包括一襯底，在該襯底按敘述順序疊置一n型接觸層32、第二n型覆蓋層82、第一n覆蓋層81、一有源層33、第一P型覆蓋層91、第二P型覆蓋層92以及P型接觸層34。在P型接觸層34表面上形成由其中形成有開口35a的絕緣材料形成的電流限制層35。在該電流限制層35的表面上形成通過開口35a與P型接觸層34相連的正電極36。另一方面，在n型接觸層32的表面上形成一負電極37。
在本發(fā)明的第三實施例中，第一P型覆蓋層91的厚度應(yīng)優(yōu)選在100?！?.0μmn的范圍內(nèi)，最好選在100?！?.5μm的范圍內(nèi)，同時第一n型覆蓋層81的厚度應(yīng)優(yōu)選控制在10?！?.0μm的范圍，最好控制在30?！?.1μm的范圍。
本發(fā)明的第三實施例代表著發(fā)光器件最優(yōu)結(jié)構(gòu)之一。當將此結(jié)構(gòu)用于LD器件時，第一n型覆蓋層81起著光導(dǎo)層的作用；第二n型覆蓋層82，起著光限制層的作用；第一P型覆蓋層91，起著光導(dǎo)層的作用；而第二P型覆蓋層92，起著光限制層的作用。
參照第一和第二實施例所述的特點和解釋也適用于第三實施例的襯底31、n型接觸層32、第二n型覆蓋層82、第一n覆蓋層81、有源層33，第一p型覆蓋層91，第二p型覆蓋層92以及P型接觸層34。例如，n型接觸層32應(yīng)最好由n型GaN形成；第二n型覆蓋層82最好由n型AlGaN形成；第一n型覆蓋層81最好由n型InGaN形成；有源層33最好由非摻雜的InGaN形成；第一p型覆蓋層最好由p型AlGaN形成；第二P型覆蓋92最好由P型AlGaN形成；而P型接觸層34最好由P型GaN形成。
根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，提供一種在n型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置有如同實施例1的有源層的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。上述的P型氮化物半導(dǎo)體層包括一由含鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體形成的第一P型覆蓋層、與有源層相接觸，其厚度在10?！?.0μm的范圍內(nèi)。
根據(jù)第四實施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)雖未在附圖中表示，但基本上與圖1所示的相同，亦即襯底、n型和P型接觸層、有源層及n型和P型覆蓋層的厚度及材料基本上與參照圖所描述的相同。該第四實施例的主要特點在于，圖1所示的第一覆蓋層61的厚度是在10～1.0μm的范圍內(nèi)。根據(jù)第四實施例，可省掉圖1所示的n型接觸層12或n型覆蓋層13，還可省掉第二P型覆蓋層62或P型接觸層15，或同時省掉兩者。
如上所述，第四實施例中的與有源層接觸的n型覆蓋層優(yōu)選由含In和Ga的n型氮化物半導(dǎo)體特別是InGaN，或由n型GaN形成。因為由InGaN形成的n型覆蓋層起著一種緩沖層的作用，吸收由于覆蓋層和有源層之間的熱膨脹系數(shù)差和晶格常數(shù)失配引起的應(yīng)變，因而縱然有源層的厚度再薄些，也能避免在有源層中出裂紋，而保持其優(yōu)良的晶體質(zhì)量，增大發(fā)射輸出。此外，由于有源層的變薄，由于應(yīng)變量子阱效應(yīng)或激發(fā)發(fā)射效應(yīng)可增大發(fā)光輸出。
本發(fā)明的第四實施例的主要特點在于，第一P型覆蓋層的厚度設(shè)在10?！?.0μm的范圍內(nèi)。當有源層是SQW或MQW結(jié)構(gòu)時，由P型AlGaN形成與有源層相接觸的厚度在1μm以下的第一P型覆蓋層，也是極為重要的。倘若第一P型覆蓋層厚度大于1μm，在第一P型覆蓋層可能形成裂紋，使之不適宜用作發(fā)光器件。反之，若第一P型覆蓋層的厚度小于10，如上所述，有源層很可能被分解，因而降低了發(fā)光輸出。
未審查的日本專利申請公開6-21511公開了一種在結(jié)構(gòu)上類似于第四實施例的發(fā)光器件的發(fā)光器件。然而，該未審查的日本專利申請公開在第一P型覆蓋層的厚度上與本發(fā)明不同。亦即，根據(jù)此公開，在有源層使由GaN或AlGaN構(gòu)成的P型覆蓋層生長到2μm之厚。反之，根據(jù)本發(fā)明，P型覆蓋層僅僅由AlGaN形成，其厚度在1μm以下。如參照實施例1所解釋的，與其它氮化物半導(dǎo)體如InGaN、InGaN和InAlGaN相比，AlGaN能更容易轉(zhuǎn)變成P型，因而在這些氮化物半導(dǎo)體當中，AlGaN可形成最高空穴載流子濃度的P型層。所以，當用P型AlGaN形成P型覆蓋層時，可獲得很高發(fā)射輸出的發(fā)光器件。倘若使AlGaN形成有2μm的厚層，該層幾乎不能轉(zhuǎn)變?yōu)镻型，同時AlGaN晶體的固有的性質(zhì)，在生長到如此厚度過程中在所得到的晶體中會形成裂紋。所以，由上述未審查的日本專利申請公開所描述的發(fā)光器件或幾乎不能發(fā)光，或難以生產(chǎn)。相比之下，根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，使在薄有源層上所形成的P型覆蓋層的種類乃其厚度確切確定，于是可生產(chǎn)具有實用結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖4是表示發(fā)射輸出相對于類似于圖1所示的發(fā)光器件的第一P型覆蓋層61的厚度的變化的曲線圖。具體地講，圖4示出一LED器件的相對發(fā)射輸出，該器件，包括厚度為4μm的n型接觸層(GaN)12、厚度為500的n型覆蓋層(InGaN)13、厚度為20(單量子阱結(jié)構(gòu))的有源層(InGaN)14、厚度各為0.1μm的第一P型覆蓋層(AlGaN)61和第二P型覆蓋層(AlGaN)62以及厚度為0.1μm的P型接觸層(GaN)15。亦即，電極17是直接形成于P型接觸層15之上的。
由圖所見，當?shù)谝籔型層61的厚度超過1μm時，發(fā)射輸出趨于急劇下降。這可被解釋成在第一p型覆蓋層61上形成了裂紋而使器件的結(jié)晶性劣化。從圖4中顯然看出，在LED的情況下第一p型覆蓋層的厚使應(yīng)選在10(0.001μm)至1μm)。然而，就第一和第三實施例所示LD器件情況而言，第一P型覆蓋層的厚度應(yīng)優(yōu)選在100以上，因為倘若一P型覆蓋層的厚度變到100以上，它就不能起到光導(dǎo)層的作用。
圖5示出發(fā)射輸出相對于類似于圖2所示的發(fā)光器件的第一n型覆蓋層71的厚度的變化曲線圖。具體地講，圖5所示的是-LED器件的相對發(fā)射輸出，該器件，包括厚度為4μm的n型接觸層(GaN)22、厚度為0.1μm的n型覆蓋層(AlGaN)72、厚度為20的第一n型覆蓋層(InGaN)72、厚度為20(單量子阱結(jié)構(gòu))的有源層(InGaN)23、厚度為0.1μm的P型覆蓋層(AlGaN)24、以及厚度為1μm的P型接觸層(GaN)。
如由圖5所見，當?shù)谝籲型覆蓋層71的厚度超過1μm時，發(fā)射輸出趨于急劇下降。這可被解釋成器件的結(jié)晶性變壞，如晶體變暗或在晶體中產(chǎn)生凹坑。相反，倘若第一n型覆蓋層71的厚度不足30，發(fā)光器件的發(fā)射輸出趨于下降。這表明第一n型覆層71的優(yōu)選厚度在30以上，按此條件由InGaN形成的第一n型覆蓋層71可有效地起到緩沖層的作用。同時，如果第一n型覆蓋層71的厚度薄于10，那么它一點也起不到緩沖層的作用，因為在有源層23與覆蓋層72和24中有大量的裂紋產(chǎn)生，因而使它很難制成器件，同時大大地降低了發(fā)射輸出。所以，本發(fā)明第二實施例中的第一n型覆蓋層71的厚度應(yīng)優(yōu)選在10?！?μm的范圍、最好選在30～0.1μm的范圍內(nèi)。
圖6和7分別表明根據(jù)本發(fā)明的有源層為量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的相對發(fā)射輸出與阱層厚度或與勢壘層厚度之間的關(guān)系。如這些圖所示，阱層的厚度應(yīng)在70以下，最好選在50以下，而勢壘層的厚度應(yīng)在150以下，最好選在100以下。
一種根據(jù)本發(fā)明第五實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器包括一其特征類似于上述實施例1的并有第一主表面和第二表面的有源層；由含銦和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體形成的第一n型覆蓋層與有源層的第一主表面形成接觸。
一種根據(jù)本發(fā)明第六實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一其特性類似于上述第一實施例并具有第一主表面和第二主表面的有源層；由含銦和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體形成的第一P型覆蓋層與有源層的第二主表面形成接觸。
圖9表示示意說明第五實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖10表示示意說明根據(jù)本第六實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。下面結(jié)合附圖解釋本發(fā)明的第五和第六實施例。
圖9所示的發(fā)光器件，包括一襯底121，在其上依次疊置一用于緩和襯底121和氮化物半導(dǎo)體之間的晶格失配的緩沖層122、一用于在其上形成負電極的n型接觸層123、第二n型覆蓋層124、第一n型覆蓋層125、有源層126、第二P型覆蓋層128以及一用于在其上形成正電極的P型接觸層129。
圖10所示的發(fā)光器件，包括一塊襯底131，在其上依次疊置一用于緩和襯底131和氮化物半導(dǎo)體之間的晶格失配的緩沖層132、一用于在其上形成負電極的n型的接觸層133、第二n型覆蓋層134、有源層136、第一P型覆蓋層137、第二P型覆蓋層138以及一用于在其上形成正電極的P型接觸層139。
在第五和第六實施例中，有源層126和136可以是由其銦的含量可根據(jù)所需帶隙變化的InGaN形成的單量子阱結(jié)構(gòu)。另一方案，有源層126和136可以是一疊層，該疊層由組分各自不同的復(fù)合薄膜，如由InGaN/GaN或InGaN/InGaN(其組分與前者不同)構(gòu)成，因而形成多量子阱結(jié)構(gòu)。有源層可以是n型或P型的單量子阱和多量子阱中的任意一種結(jié)構(gòu)。然而，當量子阱結(jié)構(gòu)的有源層是非摻雜層，可獲得窄半帶寬的能帶-能帶發(fā)射、激發(fā)發(fā)射或量子阱間能級發(fā)射，這時實現(xiàn)發(fā)光二極管器件和激光器件是可取的。另一方案，有源層126和136可以用施主雜質(zhì)和/或受主雜質(zhì)來摻雜。倘若能把摻有雜質(zhì)的有源層的結(jié)晶性控制到與非摻雜的有源層的結(jié)晶性相同的質(zhì)量，則可以通過摻以施主雜質(zhì)，與非摻雜有源層相比，進一步提高能帶-能帶發(fā)光強度。也可以通過摻以受主雜質(zhì)，可使峰值波長從能帶-能帶發(fā)射的峰值波長向低能側(cè)移動大約0.5eV的幅度，但在此情況下，半帶寬將被加寬。如果對有源層同時摻以受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)，與僅摻以受主雜質(zhì)的有源層相比，會進一步增強有源層的發(fā)光強度。如果欲形成的是摻以受主雜質(zhì)的有源層，最好應(yīng)通過與摻雜受主雜質(zhì)一起摻以施主雜質(zhì)如Si，使有源層的導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變成n型。然而，因為有源層通過本發(fā)明的能帶-能帶發(fā)射應(yīng)發(fā)射的理想的強光，采用非摻雜的InGaN是作為有源層最理想的材料。換一種方式講，如果有源層摻有雜質(zhì)，與非摻雜有源層相比，所得的層的結(jié)晶性很可能變壞。然而，采用非摻雜的InGaN作有源層的發(fā)光器件，在降低Vf(正向電壓)值方面優(yōu)于摻有雜質(zhì)的發(fā)光器件。量子阱結(jié)構(gòu)的有源層中各阱層和勢壘層的厚度可以與結(jié)合實施例1所解釋的值相同。
具有圖9所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的與有源層126相接觸的第一n型覆蓋層125最好由一n型InxGa1-xN(0＜X＜1)構(gòu)成?？蓪值控制在0＜x≤0.5的優(yōu)選范圍，更好的是0＜x≤0.3，最好在0＜x≤0.2的范圍。第一n型覆蓋層125的載流子濃度最好應(yīng)在1×1018/cm3～1×1020/cm3。一般，隨著In在InGaN中的摩爾比的增加，使化合物的結(jié)晶性趨于變得更壞。所以，為了獲得實用的呈現(xiàn)高發(fā)射輸出的InGaN層，最好使x值為0.5以下的InxGa1-xN。如果載流子濃度低于1×1018/cm3，會降低載流子到InGaN有源層的電子注入系數(shù)，這會降低發(fā)光輸出。相反，若載流子濃度超過1×1020/cm3，則第一n型覆蓋層的結(jié)晶性會變壞，于是可降低發(fā)光輸出。
具有圖10所示(第六實施例)結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的與有源層136相接觸的第一P型覆蓋層137最好由P型InyGa1-yN(0≤y＜1)構(gòu)成。y值可以控制在0≤y＜0.5的優(yōu)選范圍，更好的在0≤y＜0.3，最好在0≤y＜0.2的范圍。該第一P型覆蓋層137的載流子濃度應(yīng)最好控制在1×1017/cm3～1×1019/cm3的范圍內(nèi)。將y值限制在不高于0.5的原因與將x值限制在不高于0.5的原因相同。若載流子濃度低于1×1017/cm3，載流子到InGaN有源層的空穴注入效率會變低，于是降低了發(fā)光輸出。反之，載流子濃度若高于1×1019/cm3，第一P型覆蓋的結(jié)晶性會變壞，因而可降低發(fā)光輸出。
在常規(guī)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，其有源層主要由InGaN構(gòu)成，設(shè)置于主要由AlGaN構(gòu)成的一對覆蓋層之間，當有源層的厚度減薄時，在InGaN有源層和AlGaN覆蓋層中很可能產(chǎn)生裂紋。例如，為有源層的厚度減薄到200以下時，在有源層和覆蓋層中不可避免地形成大量的裂紋，因而難以使它制成發(fā)光器件。顯而易見，因為覆蓋層在物理性能上是很硬的，不可能由該薄的InGaN有源層來彈性地緩和有源層和AlGaN覆蓋層之間的界面的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差。由于在覆蓋層和有源層中的裂痕，已不能使有源層減薄。
同時，按本發(fā)明第5和第6實施例，再形成均包含In和Ga的第一n-型覆蓋層125和第一p-型覆蓋層137，每層分別與包含In和Ga的有源層126和136接觸，如圖9和10所示。設(shè)置這些第一n-型覆蓋層125和第一p-型覆蓋層137分別起在有源層和第二n-型覆蓋層124之間的緩沖層作用，或在有源層和第二p-型覆蓋層138之間的緩沖層作用。即，由于含In和Ga的第一覆蓋層125和137其結(jié)晶特性實質(zhì)上是軟的，因而，第一覆蓋層125和137能吸收由于晶格常數(shù)失配而產(chǎn)生的任何應(yīng)力，以及由于含Al和Ga的第二覆蓋層124和138與有源層126和136之間不同的熱膨脹系數(shù)造成的任何應(yīng)力。而且，即使有源層厚度做得薄，也不會造成有源層126和136以及第二覆蓋層124和138破裂。由于第一覆蓋層125和137的應(yīng)力吸收作用，即使有源層作得很薄，有源層能彈性變形，因而使其結(jié)晶缺陷減至最小，從而實現(xiàn)單一量子阱或多一量子阱結(jié)構(gòu)。而且，即使有源層作得薄，也能極好地保持有源層的結(jié)晶度，使其有可能提高發(fā)射輸出。而且，由于有源層薄化，有可能引起量子效應(yīng)和激發(fā)效應(yīng)。從而提高發(fā)光器件的發(fā)光輸出。按常規(guī)發(fā)光器件。要求有源層厚度做成1000埃以上，以防止覆蓋層和有源層中產(chǎn)生破裂。然而，由于熱膨脹系數(shù)不同和晶格常數(shù)失配，有源層總是加有應(yīng)力。而且由于常規(guī)發(fā)光器件的有源層厚度超過了允許有源層出現(xiàn)上述彈性變形的臨界厚度，因而，常規(guī)有源層不能是彈性變形。因此，引起有源層中大量的結(jié)晶缺陷，并使其不可能出現(xiàn)能級至能級的足夠發(fā)射。
之后，將說明第一n-型覆蓋層125和有源層126的總厚度，和有源層136和第一p-型覆蓋層137的總厚度的影響。要求第一n-型覆蓋層125和有源層126的總厚度，和有源層136和第一p-型覆蓋層137的總厚度要控制在300埃以上。換言之，含In和Ga的有源層和含In和Ga的第一覆蓋層的總厚度最好是控制在300埃以上。因為，若含In和Ga的氮化物半導(dǎo)體層(有源層+第一覆蓋層)的厚度小于300埃，在有源層中以及在第一和第二覆蓋層中有可能形成裂紋。造成這種裂紋的原因被認為是，由于晶格常數(shù)失配或上述的不同熱膨脹系數(shù)造成的應(yīng)力作用于含Al和Ga的第二n-型覆蓋層124與有源層126之間的界面上，或作用于含Al和Ga的第二p-型覆蓋層138與有源層136之間的界面上。而當含Al和Ga的第二覆蓋層與含In和Ga的有源層之間設(shè)置起緩沖層作用的第一覆蓋層時，可減輕這種應(yīng)力，抑制有源層中和第一和第二覆蓋層中產(chǎn)生裂紋。而且，從減輕這些應(yīng)力的觀點看，含In和Ga的軟結(jié)晶形成的氮化物半導(dǎo)體最好應(yīng)生長到300埃以上的厚度。例如，在第5實施例中，當?shù)谝籲-型覆蓋層125形成厚度不低于幾埃時，即使有源層126的厚度為3000埃時，在有源層和覆蓋層中也難形成破裂。換言之，第一n-型覆蓋層125可以厚300埃，而有源層126可以是幾埃厚。然而，在第5實施例中，若第一n-型覆蓋層125的厚度較大，第一n-型覆蓋層125最好要形成較大厚度，因此，有源層能容易制得較薄。
本發(fā)明第5實施例中，要求第二n-型覆蓋層124應(yīng)用n-型AlaGA1-aN(0≤a＜1)構(gòu)成?！癮”值可控制在0≤a≤0.6的范圍內(nèi)。最好在0≤a≤0.4的范圍內(nèi)。由于AlGaN的結(jié)晶較難，因此，a≥0.6會突然增大AlGaN本身中產(chǎn)生裂紋的可能性。該第二n-型覆蓋層124中的載流子濃度要求控制在5×1017/cm3至1×1019/cm3范圍內(nèi)，若載流子濃度小于5×1017/cm3，AlGaN的電阻率會增大，因為，造成發(fā)光器件的Vf較高。從而可能減少發(fā)光效率。第二覆蓋層124的厚度可在50埃到1.0μm的范圍內(nèi)。
本發(fā)明第6實施例中，要求用p-型AlbGa1-bN(0≤b＜1)構(gòu)成第二p-型覆蓋層?！癰”值可控制在0≤b≤0.6的范圍內(nèi)，最好是在0≤b≤0.4的范圍內(nèi)，限制“b”值范圍的原因與有關(guān)第二n-型覆蓋層104所述原因相同。該第二p-型覆蓋層138的載流子濃度要求控制為1×17cm-3，進入有源層的載流子正空穴注入效率會減小，因此，減小發(fā)光輸出。另一方面，若載流子濃度高于1×1019cm-3，AlGaN的結(jié)晶度變壞，因此有可能減小發(fā)光輸出。該第二覆蓋層138的厚度可形成化50到1.0μm范圍內(nèi)。由于使用含Al和Ga的氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成第二n-型覆蓋層134和第二p-型覆蓋層138，因而，其相對于有源層136，第一p-型覆蓋層135和第一p-型覆蓋層137的能帶偏移會加大，以增大發(fā)光效率。
按本發(fā)明第5實施例，可構(gòu)成與第一n型覆蓋層125或與第二n型覆蓋層124接觸的用n-型GaN構(gòu)成的n-型接觸層123。該n-型GaN適合于獲得與負電極最佳的歐姆接觸，因而減小了發(fā)光器件的Vf。而且，由于其結(jié)晶度比其它三元或四元晶體的氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶度更好，因而能改善在該n-型GaN上生長的第一n-型覆蓋層125和第二n-型覆蓋層的結(jié)晶度，因此改善了所制成的發(fā)光器件的輸出。與n-型接觸層125有優(yōu)異歐姆接觸的電極材料例如是含It和Al的金屬化材料，也可以是合金，或迭層，例如是Ti層和Al層的迭層，當這種材料是用Ti淀積的與n-型GaN接觸的淀積層時能實現(xiàn)良好的歐姆接觸，要求該n-型接觸層123的載流子濃度在5×1017至5×1019cm-3范圍內(nèi)。若載流子濃度小于5×1017cm-3，與電極難以構(gòu)成歐姆接觸。因此，可能使發(fā)光器件的Vf較高。另一方面，載流子濃度高于5×1019cm-3，n-型GaN以及其它氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶度會變壞，有可能降低發(fā)光效率。
按本發(fā)明第6實施例，可構(gòu)成與第一p-型覆蓋層137或與第二p-型覆蓋層138接觸的由p-型GaN構(gòu)成的p-型接觸層139。該p-型GaN適于獲得與正電極更佳的歐姆接觸，因此，發(fā)光器件的Vf減小。能與p-型接觸層139構(gòu)成優(yōu)異歐姆接觸的電極材料例如是含Ni和Au的金屬化材料。當這種材料是用Ni淀積的與p-型GaN接觸的淀積層時，可實現(xiàn)極好的歐姆接觸。要求該p-型接觸層139的載流子濃度控制化1×1017至1×1019cm-3的范圍內(nèi)。若載流子濃度小于1×1017cm-3，與電極難以形成歐姆接觸。另一方面，當載流子濃度大于1×1019cm-3時，p-型GaN本身的結(jié)晶度變壞，因此可能減小發(fā)光效率。
按本發(fā)明第7實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一個有源層，其特征與上述第一實施例相同，并有一個第一主表面和一個第二主表面。形成與有源層的第一主表面接觸的用不含鋁的n-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第n-型覆蓋層。設(shè)置與有源層的第二主表面接觸的含Al和Ga的p-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二p-型覆蓋層。
圖11是本發(fā)明第7實施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的橫切示意圖。圖11所示發(fā)光器件，包括一個襯底151，其上有緩沖層152，用于減輕襯底151與氮化物半導(dǎo)體之間的晶格失配，緩沖層152上形成用于構(gòu)成負電極的n-型接觸層153，第二n-型覆蓋層154，第一n-型覆蓋層155，有源層156，第二p-型覆蓋層158和用于構(gòu)成正電極的p-型接觸層159，這些層按所述順序選置。
第7實施例中，有源層156的第一主表面上形成的第一n-型覆蓋層155，不要求是如第5實施例中的含In和Ga的n-型氮化物半導(dǎo)體，但可以是不含鋁的n-型氮化物半導(dǎo)體。即，在本發(fā)明第5和第6實施例組合的特殊實施例中，可用GaN作第一n-型覆蓋層155。更具體地說，該第一n型覆蓋層155要用n-型InxGa1-xN(0≤x＜1)構(gòu)成?！皒”的范圍可以在0≤x≤0.5，更好的是0≤x≤0.3，最好的范圍是0≤x≤0.2。該第一n-型覆蓋層155的載流子濃度要求控制在1×1018cm-3至1×1020cm-3范圍內(nèi)，因為，若構(gòu)成第一覆蓋層的InxGa1-xN中的“x”值選擇在0.5以下，可獲得實用中有高發(fā)射輸出的發(fā)光層。若載流子濃度小于1×1018cm-3，進入InGaN有源層的電子注入效率會減小，因此，減小發(fā)光輸出。另一方面，若載流子濃度高于1×1020cm-3，第一n-型覆蓋層的結(jié)晶度變壞。因此，可能減小發(fā)光輸出。
用含Al和Ga的p-型氮化物半導(dǎo)體形成與有源層156的第二主表面接觸的第二p-型覆蓋層158(在圖11中是放在第一p-型覆蓋層157上面)。更具體地說。要求用p-型AlbGa1-bN(0≤b≤1)構(gòu)成第二p-型覆蓋層158?！癰”值可控制在0≤b≤0.6的范圍內(nèi)。當“b”值控制在0.6以下時，能獲得無裂紋的AlGaN晶體，因而，改善了它的結(jié)晶度。因此，發(fā)光輸出會改善。要求該第二p-型覆蓋層158的載流子濃度控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范圍內(nèi)。若載流子濃度小于1×1017cm-3，進入有源層的載流子的正空穴注入效率會減小，因此發(fā)光輸出減小。另一方面，若載流子濃度高于1×1019cm-3，AlGaN的結(jié)晶度變壞，因此可能減小發(fā)光輸出。該第二覆蓋層138的厚度可形成在50埃至1.0微米范圍內(nèi)。用含Al和Ga的氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成第二p-型覆蓋層158，其相對于有源層156的能帶偏移會增大，因而提高了發(fā)光效率。
有源層156的特征可以與第一，第5和第6實施例所述相同。
按本發(fā)明第7實施例，用不含鋁的p-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一p-型覆蓋層157可設(shè)置在有源層156與第二p-型覆蓋層158之間，如圖11所示。更具體地說，要求用p-型IngGa1-gN(0≤g＜1)構(gòu)成該第一p-型覆蓋層157?！皔”值可在0≤y≤0.5，更好范圍為0≤y≤0.3，最好為0≤y≤0.2。也可采用對緩沖層無不利影響的GaN作該第一p-型覆蓋層157的材料。要求該第一p-型覆蓋層157的載流子濃度控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范圍內(nèi)。限制載流子濃度的原因與第一p-型覆蓋層所述原因相同。
要求第一n-型覆蓋層155和有源層156的總厚度，或有源層156，第一n-型覆蓋層155和第一p-型覆蓋層157的總厚度最好要控制在300埃以上。按該方式限制總厚度的原因與上述相同，即若總厚度是300埃以上，可減輕覆蓋層和有源層上的應(yīng)力，以避免覆蓋層和有源層中出現(xiàn)紋裂。
按本發(fā)明第7實施例，可設(shè)置與第一n-型覆蓋層155接觸的用含Al和Ga的n-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二n-型覆蓋層154。要求用n-型AlaGA1-aN(0≤a＜1)構(gòu)成該第二n-型覆蓋層154?！癮”值可控制在0≤a≤0.6的范圍內(nèi)，最好在0≤a≤0.4的范圍內(nèi)。因為，若“a”控制在不大于0.6可抑制在AlGaN本身中產(chǎn)生裂紋的可能性。該第二n-型覆蓋層154的載流子濃度要求控制在5×1017cm-3至1×1019cm-3范圍內(nèi)。若載流子濃度小于5×1017cm-3，進入有源層156的電子注入效率會減小，因此減小發(fā)光輸出。另一方面，若載流子濃度高于1×1019cm-3，AlGaN的結(jié)晶度變壞。因此有可能減小發(fā)光輸出。第二覆蓋層154的厚度可在50埃至1.0微米范圍內(nèi)。用含Al和Ga的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成成第二n-型覆蓋層154，其相對于有源層156和第一n-型覆蓋層155的能帶偏移會增大，因此增大發(fā)光輸出效率。
按本發(fā)明第7實施例，可設(shè)置與第一n-型覆蓋層155或與第二n-型覆蓋層154接觸的用n-型GaN構(gòu)成的n-型接觸層153，并同時設(shè)置與第二p-型覆蓋層158接觸的用p-型GaN構(gòu)成的p-型接觸層159。該n-型接觸層153的載流子濃度要求控制在5×1017cm-3至5×1019cm-3的范圍內(nèi)。另一方面，p-型接觸層159的載流子濃度要求控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范圍內(nèi)，選GaN作接觸層材料的原因與上述相同，同時，在n-型接觸層153的情況下，特別改善了其上生長的氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶度，其原因與上述相同。n-型接觸層153的載流子濃度要求控制在5×1017cm-3至5×1019cm-3范圍內(nèi)。p-型接觸層159的載流子濃度要求控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范圍內(nèi)。
按本發(fā)明第7實施例，也可在第一n-型覆蓋層155的外邊上設(shè)置組分不同的至少兩種氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一多層膜100，和/或在第二p-型覆蓋層158的外邊上設(shè)置組分不同的至少兩種氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二多層膜200，作為反光膜。
圖12是具有這種反光膜的發(fā)光器件的剖視圖。圖13是圖12所示發(fā)光器件的透視圖。這些圖示出了激光器件的結(jié)構(gòu)。圖中100是第一多層膜，200是第二多層膜。第一多層膜100和第二多層膜200各用不同組分的和折光率不同的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，第一多層膜100和第二多層膜200交替地疊置。在例如λ/4n(λ-波長，n-折射率)的條件下構(gòu)成兩層以上的結(jié)構(gòu)，以反射有源層156的發(fā)射波長。如圖12所示，第一多層膜100設(shè)置在第二n-型覆蓋層154與n-型接觸層153之間。第二多層膜200設(shè)置在第二p-型覆蓋層158與p-型接觸層159之間，因此，若激光振蕩對用作例如10微米以下的條形電極，如圖13中所示正電極，起作用時，可通過這些多層膜將有源層156發(fā)射的光限制在有源層內(nèi)，以容易地使其產(chǎn)生振蕩。這些多層膜的導(dǎo)電類型由用施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)摻雜確定。圖12所示的實施例中，第一多層膜100形成在第二n-型覆蓋層154與n-型接觸層153之間。然而，第一多層膜100也可在n-型接觸層153中形成。還可在p-型接觸層159中形成第二多層膜200。甚至在這些接觸層中形成這些多層膜，也同樣有限制有源層156的光發(fā)射作用。也可省去第一多層膜100和第二多層膜200中的任何一種膜。例如，省去了第一多層膜100，可在蘭寶石襯底151的表面上形成反光膜來代替第一多層膜100。
如圖12所示，若用絕緣材料，如蘭寶石作襯底，制備激光器件，所制成的激光器件結(jié)構(gòu)會是一種倒裝式系統(tǒng)，即，該系統(tǒng)中的正負電極均從同邊伸出。這種情況下，如圖12所示，要在n-型層一邊上形成的第一多層膜100應(yīng)設(shè)置在構(gòu)成負電極的接觸層153的水平面的p-型層一邊上。因為，若第一多層膜100設(shè)置在接觸層153的水平面的襯底151一邊上。第二n-型覆蓋層154和n-型接觸層153之間的折射率之差變得有小，因此，有源層156發(fā)射的光可進入設(shè)置在有源層156下面的n-型接觸層153中，這是用諸如蘭寶石的絕緣襯底的氮化物半導(dǎo)體激光器所特有的功能。
構(gòu)成多層膜的兩種氮化物半導(dǎo)體中的至少一種應(yīng)由含In和Ga的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，如由IncGa1-cN(0≤x＜1)或GaN構(gòu)成。因為，GaN層或IncGa1-cN層在用多個單層在用多個單層迭置構(gòu)成一多層膜時起緩沖層作用。因此，能有效避免在其它單層中產(chǎn)生裂紋。上述作用可歸因于這些GaN和IncGa1-cN層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)比AlGaN層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更柔軟。相反，用多層AlGaN層構(gòu)成總厚度為0.5微米以上的多層膜。每膜的Al含量不同。多層膜中必然會出現(xiàn)裂紋，使其很難制成所需的器件。
構(gòu)成多層膜的兩種氮化物半導(dǎo)體組合的最佳實施例是其中一層膜是用GaN或IncGa1-cN制成，另一層膜是用含Al和或Ga的氮化物半導(dǎo)體，例如AldGa1-dN(0≤d＜1)制成。由于IncGa1-cN的折射率與AldGa1-dN的折射率有很大差別，充分利用這些材料，并按發(fā)射波長，可設(shè)計出具有大反射率的多層膜。而且，由于IncGa1-cN起緩沖層作用，可構(gòu)成無裂紋的AldGa1-dN層，因此能實現(xiàn)10層以上結(jié)構(gòu)的多層膜。按此方式，InN，GaN和AlN中每一種的折射率分別為2.9、2.5和2.15。假定混合晶體的折射率符合Vegard′s定律，則可按組分比例計算出這些混合晶體的折射率。
按本發(fā)明第8實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括一個有源層，它有一個第一主表面和一個第二主表面，并由含In和Ga的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。該第8實施例的特征是，用帶隙比有源層帶隙大的含In和Ga的n-型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一n-型覆蓋層與有源層的第一主表面層接觸，同時，用帶隙比有源層的帶隙大的含In的Ga型p-型氮化物半導(dǎo)體，例如p-型InzGa1-zN(0≤z＜1)構(gòu)成的第一p型覆蓋層與有源層的第二主表面接觸。而，按第8實施例是以下述發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的，而，若在InxGa1-xN有源層的第一主表面上或第二主表面上設(shè)置帶隙比InxGa1-xN層的帶隙寬的InGaN覆蓋層，可改善制成的發(fā)光器件的輸出。
圖14是按本發(fā)明第8實施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)的橫截圖。圖14所示發(fā)光器件，包括襯底211，其上有緩沖層212，用于減輕襯底211與氮化物半導(dǎo)體層之間的晶格失配，其上形成有n-型接觸層213，用于構(gòu)成負電極，第二n-型覆蓋層214，第一n-型覆蓋層215，有源層216，第一p-型覆蓋層217，第二p-型覆蓋層218和構(gòu)成正電極的p-型接觸層219，按此順序疊置這些層。
有源層216(InxGa1-xN)可以是n-型，也可以是p-型，但從獲得具有強的能帶至能帶發(fā)射和窄的發(fā)射波長半導(dǎo)寬度的激光器件的角度考慮，有源層應(yīng)是非摻雜層(不摻雜)。而且，有源層216可用n-型雜質(zhì)和/或p-型雜質(zhì)摻雜，若有源層216可用n-型雜質(zhì)摻雜，與不摻雜有源層相比，能進一步提高能帶至能帶的發(fā)光強度。通過用p型雜質(zhì)摻雜，有可能使峰值波長以能帶至能帶發(fā)射的峰值波長朝低能級邊漂移0.5ev。若對有源層用n-型和p-型兩種雜質(zhì)摻雜，與只用受主雜質(zhì)摻雜的有源層相比，有源層的發(fā)光強度會更進一步增強。若有源層要用p-型雜質(zhì)摻雜，有源層的異電類型最好用n-型雜質(zhì)如Si與p-型雜質(zhì)一起摻雜而轉(zhuǎn)變成n-型。為通過生長有優(yōu)異結(jié)晶度的有源層獲得激光器件，最希望用非摻雜材料制備有源層，如前述的。有源層最好是多量子阱或單量子阱。這種情況下，阱層厚度和勢壘層厚度如第一實施例所述。
只設(shè)置第一n-型覆蓋層215(一層n-型InyGa1-yN)或只設(shè)置第一p-型覆蓋層217(一層p-型InzGa1-zN)可能都足夠了，但最好是構(gòu)成覆蓋層215和217兩層，如圖14所示。因為，第一n型覆蓋層215和第一p型覆蓋層217的晶體均含In，是軟的，這些覆蓋層正如襯層一樣起緩沖層作用。所以，可防止在第二n型覆蓋層214，第二p型覆蓋層218，n-型接觸層213和p-型接觸219中的任何一層內(nèi)出現(xiàn)裂紋，這在下面會說明。作為緩沖層的InGaN的厚度范圍最好是300埃以上，在有源層216和第一p型覆蓋層215的組合總厚度內(nèi)；在有源層216和第一p型覆蓋層217組合總厚度內(nèi)；或有源層216，第一n-型覆蓋層215和第一p型覆蓋層217的組合總厚度內(nèi)。發(fā)光器件結(jié)構(gòu)中，可省去第一n型覆蓋層215，允許第二n-型覆蓋層214起作用，代替第一n-型覆蓋層215，或省去第一p型覆蓋層218，允許第二p型覆蓋層218起作用，代替第一p型覆蓋層217，這在下面說明。
以上說明中，已解釋了用InGaN構(gòu)成的第一n型覆蓋層215，有源層216和第一p型覆蓋層217。這些層中要求控制這些InGaN中In的比例，例如“x”、“y”、“z”的值為0.5以下，更好的是0.3以下。最好是0.2以下。因為，隨In摩爾比增大這些InGaN的結(jié)晶度趨于變得更壞。因而，可降低發(fā)光輸出。要知道，分子式InxGa1-xN，IngGa1-gN和InzGa1-zN中還包括取代這些組分中的少量Ga的Al，例如InAlGaN；就這些替代而言，實質(zhì)上不會削弱這些InGaN組合物的作用。例如，若分子式Ina′Alb′Ga1-a′-b′N中的b′值不大于0.1，第一n型覆蓋層，有源層和第二p型覆蓋層的原始作用不會改變。然而，由于包含Al，會使生成的晶體變硬。為了有最大的發(fā)射輸出，只用不含鋁的InGaN三元混合晶體，而不用氮化物半導(dǎo)體的四元混合晶體，構(gòu)成第一n型覆蓋層215，有源層216和第一p型覆蓋層217，是可取的。設(shè)置只含Al和Ga的n型氮化物半導(dǎo)體，如n-型AlaGA1-aN(0≤a＜1)構(gòu)成的第二n-型覆蓋層214，或只含Al和Ga的p型氮化物半導(dǎo)體，如p-型AlbGa1-bN(0≤b＜1)構(gòu)成的第二p-型覆蓋層218可能是足夠了。但要求設(shè)置與第一n-型覆蓋層215接觸的第二n-型覆蓋層214，同時要求設(shè)置與第一p型覆蓋層217接觸的第二p型覆蓋層218，如圖14所示。第二n型覆蓋層214和第二p型覆蓋層218各自的厚度應(yīng)在50埃至0.5微米的范圍內(nèi)。AlGaN組合物中Al的比例，即“a”或“b”值是在0.6以下，更好是0.4以下。因為，AlGaN晶體是硬的。若“a”或“b”值超過0.6，會出現(xiàn)裂紋，甚至設(shè)置InGaN構(gòu)成的緩沖層，也會出現(xiàn)裂紋，而若“a”或“b”值超過0.6很可能出現(xiàn)裂紋。
應(yīng)當清楚，AlaGa-a和AlbGa1-bN這樣的表達式中微量的Ga可以用In等代替，象InAlGaN這種替代物實質(zhì)上并沒有減弱那些AlGaN成分的作用。例如，如果表達式Ina′AlbGa1-a-b′N中的a′的值不大于0.1，那么AlGaN原有的作用并沒有改變。然而，因為即使少量的In也會引起帶隙變窄，所以必須采取措施使帶隙大于第一n型覆蓋層215，有源層216和第二P型覆蓋層218的帶隙。此外，In還會引起最終晶體結(jié)晶性的劣化，從而引起發(fā)射效率的降低。因此，最好在形成第二n型覆蓋層214和第二P型覆蓋層218時只用不含In的AlGaN這樣的三元混晶，而不用氮化物半導(dǎo)體的多元混晶。由于第二n型覆蓋層214和第二P型覆蓋層218為含Al層，所以使其相對于第一n型覆蓋層215、有源層216和第一P型覆蓋層217的帶隙變寬。
有源層和第一覆蓋層的優(yōu)選組合是那些由InyGa1-yN構(gòu)成的第一n型覆蓋層，由InxGa1-xN構(gòu)成的有源層，和由InzGa1-zN構(gòu)成的第一P型覆蓋層的，應(yīng)該注意的是，關(guān)系式y(tǒng)＜x和z＜x必須滿足帶隙關(guān)系的觀點。有源層最好是由多量子阱或單量子阱構(gòu)成，且最好是n型或非摻雜的。一個量子阱結(jié)構(gòu)的有源層可基于能帶-能帶發(fā)射發(fā)出窄半帶寬的光。
最佳有源層和第一覆蓋層的組合是那些由InyGa1-yN構(gòu)成第一n型覆蓋層，由InxGa1-xN構(gòu)成的有源層和由InzGa1-zN構(gòu)成的第一P型覆蓋層以及由AlbGa1-bN構(gòu)成的有源層。由于采用了這些組合，才使構(gòu)成具有很好結(jié)晶度的氮化物半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能，從而可以大大提高發(fā)射輸出。
如圖14所示，n型接觸層213最好與第二n型覆蓋層214相接觸，同時，P型接觸層219與第二P型覆蓋層218接觸。可以形成n型接觸層213使之既與第二n型覆蓋214接觸，又與第一n型接觸層215接觸。同樣，形成P型接觸層219，既可與第二P型覆蓋層218接觸，又可與第一P型覆蓋層217接觸。換句話說，如果第二n型覆蓋層214略去，n型接觸層213可與第一n型覆蓋層215接觸，同樣，如果第二P型覆蓋層218被略去，P型接觸層219可與第一P型覆蓋層217接觸。在某種情況下，可以將第一n型覆蓋層215和第二n型覆蓋層214都略去，這樣n型接觸層213將起覆蓋層的作用。同樣，略去第一P型覆蓋層217和第二P型覆蓋層218，P型接觸層219將起覆蓋層的作用，然而，如果將這些覆蓋層都省略，與這些層沒有被略去相比，發(fā)射效率會大為降低，因此，如圖14所示的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)，是本發(fā)明的最佳結(jié)構(gòu)。
n型接觸層213和P型接觸層219最好由不含Al和In的氮化物半導(dǎo)體GaN構(gòu)成。因為這些接觸層適于在其上形成電極，如果這些接觸層是由具有很好結(jié)晶度和高載流子濃度的半導(dǎo)體構(gòu)成，那么接觸層會與電極材料形成良好的歐姆接觸。因此，使用GaN是最佳方案。能夠與n型接觸層213形成良好歐姆接觸的最佳例子是金屬材料，其中包括Ti和Al。能與P型接觸層219形成良好歐姆接觸的電極材料的最佳選擇也是金屬材料，其中包括Ni和Au。當一個由GaN形成的接觸層被用作電極承載層時，一個具有低Vf值和高發(fā)光效率的發(fā)光器件便可以實現(xiàn)了。
圖15是本發(fā)明另一個例子的發(fā)光器體的結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。這個器件的透視圖與圖13是一樣的。圖15所示的發(fā)光器體是一種用了多層膜100和200的發(fā)光器件，這些多層膜與參照圖12說明的那些膜是一樣的。
根據(jù)本發(fā)明第9個實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，提供一種其熱膨脹系數(shù)比有源層的熱膨脹系數(shù)小的N型氮化物半導(dǎo)體形成的第一n型覆蓋層；和種其熱膨脹系數(shù)比有源層的熱膨脹系數(shù)小的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一P型覆蓋層，和一個至少含有In的氮化物半導(dǎo)體形成的有源層，且該有源層夾在第一n型覆蓋層和第一P型覆蓋層中間。有源層被制成前文所述的單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)，這樣便可得到一個能量較有源層成分所固有的帶隙能量更低的光。即，有源層被制成單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)，一個沿平行于有源層和覆蓋層界面方向的張應(yīng)力產(chǎn)生了，這樣才可能發(fā)出一個能量較有源層成分所固有的帶隙能量更低的光。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明的第9個實施例的發(fā)光器件，其特征是有源層的熱膨脹系數(shù)高于第一n型覆蓋層的熱膨脹系數(shù)，并且第一P型覆蓋層的構(gòu)成是為了產(chǎn)生一個沿平行于有源層和覆蓋層界面方向的張應(yīng)力。為了彈性地將該應(yīng)力應(yīng)用到有源層，有源層被制成單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)，這樣有源層帶隙能量較小，同時可使有源層的發(fā)射波長移向長波的一邊。此外，有源層中阱層和勢壘層的厚度被做成降到臨界水平，這樣使可以生長一結(jié)晶度很好的InGaN層且可不考慮含In比例相對較大。
InaGa1-aN的固有帶隙能量可由下公式解得Eg＝Eg1×a+Eg2×(1-a)-a×(1-a)這里Eg1是InN的帶隙能量(1.96ev)，Eg2是GaN的帶隙能量(3.40ev)。InaGa1-aN的固有發(fā)射波長由此式解得為1,240/Eg。
對于單量子阱和多量子阱結(jié)構(gòu)的上述說明，應(yīng)重申一點，單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層是單阱層。多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層是由一系列阱層和勢壘層組成，其中，阱層和勢壘層交錯疊加，并且該層的最外表面兩層是阱層。
圖16是本發(fā)明第9個實施例發(fā)光器件的橫截面示意圖。圖16所示的發(fā)光器件，包括襯底311，其上有緩沖層312、n型接觸層313。第二n型覆蓋層314，第一n型覆蓋層315、有源層316、第一P型覆蓋層317、第二P型覆蓋層318和P型接觸層319，這些層按上面所述順序疊置在襯底311上。
在第9個實施例中，有源層316由含In的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且被生長成單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)。因為含In的有源層316相對較軟，且其熱膨脹系數(shù)與其它氮化物半導(dǎo)體如AlGaN或GaN相比較高，所以可以通過使阱層的厚度變薄來改變發(fā)射波長，如只有一個單量子阱結(jié)構(gòu)。量子阱結(jié)構(gòu)的有源層316可以是n型也可以是P型。考慮到為了獲得色純度優(yōu)良的發(fā)射光而應(yīng)使通過能帶-能帶發(fā)射產(chǎn)生的光波的半帶寬度窄，有源層316最好由非摻雜層構(gòu)成。如果有源層316的阱層是由InzGa1-zN(0＜z＜1)形成，并且有源層具有相對覆蓋層有很大差別的熱膨脹系數(shù)，那么可以實現(xiàn)通過能帶-能帶發(fā)射發(fā)出具有波長范圍由紫外到紅光的光。另一方面，在多量子阱結(jié)構(gòu)情況下，勢壘層不是InGaN，而是GaN。
對第一n型覆蓋層315來說適當?shù)倪x擇是與有源層相比具有較小熱膨脹系數(shù)且?guī)赌芰枯^高，但最好是n型InxGa1-xN(0≤x＜1)。因為由InGaN或GaN構(gòu)成的第一n型覆蓋層315與含Al的氮化物半導(dǎo)體相比是軟晶體，所以這樣的第一n型覆蓋層起到了緩沖層的作用。也可以說，因為第一n型覆蓋層315起到了緩沖層的作用，如果有源層316構(gòu)成量子阱結(jié)構(gòu)，那么將不再會有裂紋被引入有源層316。此外，這種第一n型覆蓋層315的作用可以防止分別被生成在第一覆蓋層315和316上的第二n型覆蓋層314和第二P型覆蓋層318產(chǎn)生裂紋。
第一P型覆蓋層317適當?shù)倪x擇是與有源層316相比具有較高帶隙能量和較小的熱膨脹系數(shù)，但最好是P型AlyGa1-yN(0≤Y＜1)。當一含Al氮化物半導(dǎo)體如P型AlGaN被用來構(gòu)成覆蓋層，且與具有多量子阱或單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層連接觸時，最終器件的發(fā)射效率會得到改善。
第一n型覆蓋層315和第一P型覆蓋層317中任一層可以被略去。如果第一n型覆蓋層315被略去，第二n型覆蓋層314就將代替第一n型覆蓋層315。如果第一P型覆蓋層317被略去，第二P型覆蓋層318就將代替第一P型覆蓋層317。然而由n型InGaN或n型GaN構(gòu)成的第一n型覆蓋層315與有源層相接是較好的。
根據(jù)本發(fā)明的第9個實施例，由n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二n型覆蓋層314與第一n型覆蓋層315相接，這第二n型覆蓋層314最好是由n型AlaGa1-aN(0≤a≤1)構(gòu)成。如果第一n型覆蓋層315由InGaN構(gòu)成，第二n型覆蓋層314便可由GaN或AlGaN構(gòu)成。因為一含Al的氮化物半導(dǎo)體其熱膨脹系數(shù)小且是硬晶體，當它被用來構(gòu)成第二n型覆蓋層314與第一n型覆蓋層315相連接時，附加的張應(yīng)力會對有源層產(chǎn)生影響，這樣，有源層的發(fā)射波長會移向波長較長的一邊。如果含Al的第二n型覆蓋層314與有源層314的主表面相連，那么有源層316的主表面的相對一面應(yīng)在先形成由InGaN或GaN構(gòu)成的第一P型覆蓋層317且充當緩沖層。
第二n型覆蓋層314(AlaGA1-aN(0≤a＜1)的厚度最好是在50?！?μm范圍內(nèi)。如果第二n型覆蓋層314的厚度被控制在這個范圍內(nèi)，那么一個合適的張應(yīng)力將施加于有源層?！癮”的值是0.6或小于0.6較好，最好是0.4或小于0.4。因為即使在第二n型覆蓋層314內(nèi)形成裂紋的可能性由于生長的第一n型覆蓋層315而變得最小，但AlGaN晶體仍然很硬，這樣如果“a”的值超過0.6還是會在AlGaN層產(chǎn)生裂紋。一般地，在AlGaN層中Al的比例越高，有源層發(fā)射波長就越長。
根據(jù)這個實施例，由一p型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二p型覆蓋層318與第一p型覆蓋層317相連。第二p型覆蓋層318最好由p型AlbGa1-bN(0≤b≤1)構(gòu)成。如果第一n型覆蓋層315由AlGaN構(gòu)成，則第二p型覆蓋層318應(yīng)由GaN構(gòu)成充當接觸層。如果含Al的第二p型覆蓋層318與有源層316的一個主表面相連，則有源層的主表面的相對面(n層一邊)應(yīng)在先形成由InGaN或GaN構(gòu)成的第一n型覆蓋層315且作緩沖層。
第二p型覆蓋層318的作用與第二n型覆蓋層314相同，這樣第二p型覆蓋層318的厚度最好也在50～1μm之間?！癰”的值為0.6或小于0.6，最好為0.4或小于0.4。一般地，在AlGaN層Al的比例越高，有源層發(fā)射波長越長。
因為采用了含Al的氮化物半導(dǎo)體層，或者GaN作為第二n型覆蓋層314或作為第二p型覆蓋層318，那么含Al的第一n型或p型覆蓋層315和317的帶隙能量比有源層316都增加了，因此提高了發(fā)射效率。增大與有源層316相比的熱膨脹系數(shù)的差，有源層發(fā)射波長將會向較長的一邊移動。
接下來討論形成有源層和覆蓋層的最佳組合。首先合適的有源層316和第一覆蓋層315和317的組成是，如第一n型覆蓋層由InxGa1-xN(0≤x＜1)構(gòu)成；有源層由InzGa1-zN(0≤z＜1)的量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成；第一p型覆蓋層由InyGa1-yN(0＜y＜1)構(gòu)成。在這些組合中當然要考慮帶隙能量，所以應(yīng)滿足x＜z的條件。
當有源層316是單量子阱結(jié)構(gòu)時，阱層的厚度應(yīng)在100?；?00以下；當有源層316是多量子阱結(jié)構(gòu)時，阱層的厚度應(yīng)在100或100以下，勢壘層的厚度應(yīng)在150或150以下，以便得到在n型或不摻雜情況下徑能帶-能帶發(fā)射的具有窄半帶寬的光發(fā)射。
這些層的最合適組合是，第二n型覆蓋層314由AlaGA1-aN(0≤a≤1)構(gòu)成；第一n型覆蓋層315由InxGa1-xN(0≤x＜1)構(gòu)成；有源層316由InzGa1-zN(0＜z＜1)構(gòu)成單量子阱結(jié)構(gòu)；第一p型覆蓋層317由InyGa1-yN(0≤y＜1)構(gòu)成；第二p型覆蓋層318由AlbGa1-bN(0≤b≤1)構(gòu)成。在這些化合物中，第一n型覆蓋層315和第一p型覆蓋層317中的任何一個或者兩者都可以略去。當?shù)谝桓采w層略去時，第二n型覆蓋層314或第二p型覆蓋層318將代替第一覆蓋層的位置起覆蓋層的作用。如果僅由第一覆蓋層315，317和有源層316組成的結(jié)構(gòu)很難提供給有源層足夠的張應(yīng)力，可以在第一覆蓋層315和317的外面生長含Al的第二覆蓋層，用來增大第二覆蓋層314、318和有源層316之間的熱膨脹系數(shù)之差。因此將有源層制成一個由薄阱層和薄勢壘層構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)，或制成只有薄阱層的單量子阱結(jié)構(gòu)，可通過界面的張應(yīng)力來減小有源層的帶隙，使發(fā)射波長向長波移動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例是將器件結(jié)構(gòu)中的第一n型覆蓋層和有源層的總厚度控制在300?；蚋?，這里第一n型覆蓋層3.5由含In的n型氮化物半導(dǎo)體或n型GaN構(gòu)成。因為當這一總厚度是300?；蚋鄷r，GaN或InGaN層就充當一緩沖層的作用，這就允許有源層由量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且可防止第一p型覆蓋層317和第二p型覆蓋層318產(chǎn)生裂紋。
應(yīng)該清楚，這里InxGa1-xN，InyGa1-yN和InzGa1-zN這些表達式也包括這些組成中的少量Ga或In被Al替代的情況，如InAlGaN這種替換并不會減弱InGaN的作用。同樣，表達式AlaGA1-aN和AlbGa1-bN中也包括這些組成中的少量Al或Ga被In替代的情況，如InAlGaN這種替換也不會減弱AlGaN的作用。
另外，有源層316可以摻雜施主或受主雜質(zhì)。如果有源層316的摻雜不影響其結(jié)晶度，那么，與不摻雜有源層相比，摻雜有源層將會增加其能帶-能帶發(fā)射的強度。通過摻雜受主雜質(zhì)，雖然半帶寬要變寬，但可將峰值波長從能帶-能帶發(fā)射的峰值波長向低能方向移動0.5ev。如果有源層同時摻雜施主和受主雜質(zhì)，有源層的發(fā)射強度將比只摻受主雜質(zhì)更強。如果有源層摻雜受主雜質(zhì)，有源層的導(dǎo)電性可以通過同時摻施主雜質(zhì)如Si和受主雜質(zhì)而轉(zhuǎn)為n型。由于根據(jù)本發(fā)明有源層應(yīng)能理想地通過能帶-能帶發(fā)射發(fā)射強光，因此最好是用不摻雜的InGaN這種材料作有源層。換句話說，如果有源層摻雜，其結(jié)晶度要比不摻雜壞得多，而且和摻雜的發(fā)光器件相比，用不摻雜的InGaN作有源層的發(fā)光器件的優(yōu)點在于有較低的Vf值。
本發(fā)明中的多量子阱結(jié)構(gòu)有源層由InGaN/GaN或InGaN/InGaN(組分上不同)組成，即由包含阱層/勢壘層的薄層疊加而成。當有源層為多量子阱結(jié)構(gòu)時，其發(fā)射效率相對單量子阱結(jié)構(gòu)有所改善。多量子阱結(jié)構(gòu)的LED或LD器件，其阱層的厚度應(yīng)控制在幾埃至幾十埃，墊壘層的厚度也應(yīng)控制在幾埃至幾十埃。這些薄層交替疊加形成多量子阱結(jié)構(gòu)。較合適的阱層厚度是100?；蚋?，70?；蚋t更好，上面提到的層厚范圍也可用于單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層。另一方面，較合適的勢壘層厚度為150?；蚋?，最好是100或更小。在制作多量子阱結(jié)構(gòu)時，阱層和勢壘層摻雜施主或受主雜質(zhì)。當一系列薄層以這種方式疊加時，一些晶格畸變可被有源層彈性地吸收掉。
如圖16所示，用來在其上承載電極的由n型GaN形成的n型接觸層313最好與第一n型覆蓋層315或第二n型覆蓋層314接觸。同樣，用來在其上承載電極的由p型GaN形成的p型接觸層319最好與第一p型覆蓋層317或第二p型覆蓋層318接觸。由于第二n型覆蓋層314和第二p型覆蓋層318是由GaN構(gòu)成，所以接觸層313和319可以略去。在這種情況下，第二覆蓋層314和318即充當接觸層。需要這些接觸層313和319的原因是因為當電極和由三元或更多元混晶構(gòu)成的第一覆蓋層或第二覆蓋層接觸時，很難得到令人滿意的歐姆接觸。而當用GaN作接觸層材料時便能得到很好的歐姆接觸。有了良好的電極歐姆接觸，便可以得到低Vf和高發(fā)射效率的發(fā)光器件。
圖17是一個單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層的阱層厚度和發(fā)光器件的發(fā)射峰值波長關(guān)系圖。圖17中標“α”的實線代表發(fā)光器件的有源層為不摻雜的In0.05Ga0.95N的結(jié)果，標“β”的虛線代表發(fā)光器件有源層為不摻雜的In0.3Ga0.7N的結(jié)果。這兩種發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)都是按順序由一個第二n型覆蓋層，一個第一n型覆蓋層，一個有源層，一個第一p型覆蓋層，一個第二p型覆蓋層所構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這兩個器件中，第二n型覆蓋層為0.1μm厚的摻Si的n型Al0.3Ga0.7N，第一n型覆蓋層為500厚的In0.01Ga0.99N層，第一p型覆蓋層為20厚的摻Mg的p型Al0.01Ga0.99N層，第二p-型覆蓋層為0.1μm摻Mg的p型Al0.3Ga0.7N層。圖17所示發(fā)射波長隨著有源層厚度改變而改變。
“α”所代表的由In0.05Ga0.95N構(gòu)成的有源層根據(jù)它所固有的帶隙能量發(fā)出了接近380μm的紫外光，但是通過減薄有源層厚度，可以變?yōu)榘l(fā)出蘭紫光，這樣就將發(fā)射波長移到了接近420nm。另一方面，“β”所代表的由In0.3Ga0.7N構(gòu)成的有源層，根據(jù)它所固有的帶隙能量發(fā)出了接近480nm的蘭綠光。也可以通過減薄有源層厚度使之發(fā)射出純綠光，其波長接近520nm。就象上面所說明的，可以通過減薄夾在第一n型覆蓋層和第一p型覆蓋層間的有源層的厚度來使發(fā)射波長向長波移動。也就是說，一般較大的有源層厚度，發(fā)射接近其固有帶隙能量的光。在本發(fā)明中的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層中，可以通過減薄阱層厚度使帶隙變到最小便得到比阱層固有帶隙能量更低或波長更長的光。而且因為有源層為不摻雜層，它比摻雜層具有更好的結(jié)晶度，并且可有更高發(fā)光效率。因此，可以通過能帶-能帶發(fā)射獲得很好色彩純度的窄半帶寬的光。
當采用常規(guī)厚度的InzGa1-zN作有源層時，最后的有源層具有很差的結(jié)晶度。例如，當In的比率即“z”為0.3至0.5時，結(jié)晶度變差，相應(yīng)表現(xiàn)為很低的發(fā)射效率。然而當有源層較薄時，即使In的比例相當高，也可得到很好的結(jié)晶度。
所以，阱層的厚度控制在100?；蛞韵螺^好，最好是70?；蚋?。圖17給出的根據(jù)本發(fā)明的一例發(fā)光器件的特性中，隨著第二覆蓋層和第一覆蓋層給有源層的張應(yīng)力的不同，發(fā)射波長向長波移動的范圍有所不同。同樣，合適的有源層厚度范圍也隨這些層的組分變化有所改變。
眾所周知，AlN的熱膨脹系數(shù)為4.2×10-6/k，GaN的熱膨脹系數(shù)為5.59×-6/k。由于完全結(jié)晶態(tài)的InN還沒有得到，所以InN的熱膨脹系數(shù)還不清楚。假設(shè)InN的熱膨脹系數(shù)是這些氮化物半導(dǎo)體中最高的，具有如下順序InN＞Gan＞AlN。關(guān)于這些氮化物的生長溫度，用MBE法生長通常為500℃或更高，用MOVPE為900℃或有時更高。例如，用MOVPE方法生長，在700℃或更高溫度生長InGaN，而在900℃生長AlGaN。因此，當具有相對有源層有較小熱膨脹系數(shù)的一對覆蓋層在高溫下形成，同時其間夾有熱膨脹系數(shù)較高的有源層，然后從其生長的高溫降至室溫時，由于有源層有相對較大熱膨脹系數(shù)，它將受到覆蓋層的拉力，這樣有源層在平行于有源層和覆蓋層的界面方向上受張應(yīng)力。正因為如此，有源層的帶隙能量減至最小，引起發(fā)射波長變長。由In0.05Ga0.95N或In0.3Ga0.7N構(gòu)成的有源層的熱膨脹系數(shù)比第一和第二覆蓋層的大的原因是，In在有源層比例比在這些覆蓋層中的大。因此平行于有源層和覆蓋層的界面的張應(yīng)力發(fā)生了，這樣便使得有源層的帶隙能量變小，與通常的能帶-能帶發(fā)射比，其發(fā)射波長向長波移動。由于這個張應(yīng)力隨有源層的厚度變薄而增大，所以可以得到比一般發(fā)射波長更長的光波。
本發(fā)明第9個實施例的一個最佳發(fā)光器件，包括一由含In的n型氮化物半導(dǎo)體或n型GaN構(gòu)成的第一n型覆蓋層，一與第一n型覆蓋層相連的由至少含In的其熱膨脹系數(shù)大于第一n型覆蓋層的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的有源層，其中有源層為單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)，以便獲得比有源層本身固有的帶隙能量更低的光。將發(fā)光器件的第一n型覆蓋層和有源層的總厚度控制在300?；蚋酁樽詈谩５?個實施例的另一最佳發(fā)光器件，包括一個由含In的氮化物半導(dǎo)體制成的單量子阱或多量子結(jié)構(gòu)的有源層，一個由含Al的且與有源層相比有較高熱膨脹系數(shù)的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一P型覆蓋層，以便獲得與有源層本身固有的帶隙能量相比較更低能量的光。
按照本發(fā)明的第九實施例，制成與含有In和Ga的有源層316相接的另一個第一n型覆蓋層315，該第一n型覆蓋層315起著有源層與含Al的第二n型覆蓋層314之間緩沖層的作用，即由于構(gòu)成第一n型覆蓋層315的含InGaN或氮化物半導(dǎo)體固有的結(jié)晶性是軟的，因此由于晶格常數(shù)失配或由于第二n型覆蓋層314與有源層316之間熱膨脹系數(shù)的差異所產(chǎn)生的任何畸變均通過第一n型覆蓋層315而吸收。由于該原因，設(shè)想在有源層316和第二n型覆蓋層314產(chǎn)生裂紋的可能性既使將有源層做得很薄也會減小。由于畸變可通過如上所述的第一n型覆蓋層315所吸收，所以在有源層厚度為200?；蚋r，有源層可通過拉應(yīng)力而彈性地變形，因此減小了帶隙能量，并且也許會加寬發(fā)射波長。此外，有源層的晶體缺陷可以被減少，因此，即使將有源層做得很薄，也還可以改善有源層的結(jié)晶性，由此增大了發(fā)射輸出。為了使第一n型覆蓋層315起緩沖層的作用，應(yīng)最好將具有軟晶體結(jié)構(gòu)的有源層316和第一n型覆蓋層315的總厚度控制為300?；蛞陨稀?br> 如果第一p型覆蓋層由含Al的氮化物半導(dǎo)體制成，將會改善發(fā)射輸出，這大概是由于這樣的事實，AlGaN與其它氮化物半導(dǎo)體相比較更容易變成p型，或由InGaN制成的有源層的分解在生長第一p型覆蓋層步驟過程中可通過AlGaN而阻止，然而，其具體的原因還不清楚。
由氮化物半導(dǎo)體組成的發(fā)光器件的制造可使用例如MOVPE(金屬有機汽相外延)，MBE(分子束外延)或HDVPE(氫化物汽相外延)法來完成。例如，發(fā)光器件可通過在一襯底上疊加n型或p型的InaAlbGa1-a-bN(0≤a；0≤b；a+b≤1)而制成，以便獲得雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。對于用作襯底的材料，可以使用藍寶石(其包括C平面，R平面和A平面)，SiC(包括6H-SiC和4H-SiC)，Si，ZnO，GaAs，尖晶石(MgAl2O4，特別是其(111)平面)，和單晶氧化物(如NGO)。n型氮化物半導(dǎo)體可以以非摻雜狀態(tài)而獲得，而且還可以在其晶體生長過程中通過將施主雜質(zhì)如Si，Ge或S擴散到半導(dǎo)體中而獲得。p型氮化物半導(dǎo)體可通過在其晶體生長過程中將受主雜質(zhì)如Mg，Zn，Cd，Ca，Be或C擴散到半導(dǎo)體中而制成，或通過擴散受主雜質(zhì)并然后在400℃溫度下進行退火而制成。
本發(fā)明已參照其第1至第9實施例進行了描述，下面將借助于實例進一步加以解釋。然而，其不應(yīng)作為對本發(fā)明的限制，參照一實施例所描述的特征和解釋說明可應(yīng)用于適當情況下的其它實施例中。例如，參照第五和第六實施例所說明的各層載流子濃度可以應(yīng)用于其它實施例，既使各層的材料有所不同。
例1本例1將參照圖1說明如下。
首先，使用TMG(三甲基鎵)和NH3作為原料，在已事先放于反應(yīng)器中的藍寶石襯底11的C平面上在500℃溫度下生長由GaN制成的緩沖層，其厚度為200埃。
然后，將溫度升到1050℃，在這種情況下，將硅烷氣加到TMG和NH3中，由此生長由Si摻雜的n型GaN組成的n型接觸層12，其厚度為4μm厚。
接著，將溫度降到800℃，并將TMI(三甲基銦)加到原料氣中，由此生長由Si摻雜n型In0.05Ga0.95N制成的n型覆蓋層13，其厚度為500埃。
當保持該800℃溫度時，生長由非摻雜n型In0.2Ga0.8N組成的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層14達20埃厚。
然后，將溫度再升到1050℃，在這時，使用TMG，TMA(三甲基鋁)，NH3和Cp2Mg(環(huán)戊二烯基鎂)來生長由Mg摻雜p型In0.1Ga0.9N組成的第一p型覆蓋層61達0.1μm厚度。
當保持1050℃的該溫度時，生長由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的第二p型覆蓋層62達0.5μm厚度。
然后，在1050℃的溫度下，生長由Mg摻雜GaN組成的p型接觸層15達1.0μm厚度。
在反應(yīng)完成以后，將溫度降到室溫，并將所得晶片取出，然后在700℃溫度下進行晶片退火，以便降低p型層的電阻率。然后，進行蝕刻，以便使n型接觸層12的表面從p型接觸層15的最上層露出。在完成蝕刻以后，在p型接觸層15的表面上制成由SiO2組成的并且有開口16a的電流限制層16，然后，在電流限制層16上制成由Ni和Au組成的正極17，使其通過開口16a而與p型接觸層15相連接。接著，制成由Ti和Al組成的負極18。
然后，將還未制成氮化物半導(dǎo)體層的藍寶石襯底11表面拋光以減小襯底厚度達到90μm。然后，劃片并且力破開藍寶石襯底的M平面(在六方晶系中對應(yīng)于六角柱側(cè)表面的平面)，以制成激光芯片。完后，在芯片的破開表面上制成介電多層膜，并將所得芯片放于散熱片上，在室溫下對該芯片進行激光振蕩試驗，用以證明在2.0KA/cm2閾值電流密度下在450nm下產(chǎn)生激光振蕩。
例2本例2將參照圖2說明如下。
以與例1中相同的方式，在藍寶石襯底21上制成具有200埃厚度的GaN緩沖層，并采用MOVPE方法制成4μm厚度的由n型GaN組成的n型接觸層22。
然后，在制成具有0.5μm厚度并由Si摻雜n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆蓋層72以后，制成500埃厚度并摻Si的n型In0.05Ga0.95N組成的第一n型覆蓋層71。
然后，生長具有20埃厚并由非摻雜In0.2Ga0.8N組成的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層23，完后，順序地在其上淀積具有0.5μm厚并由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的p型覆蓋層24，和具有1.0μm厚度并由Mg摻雜GaN組成的p型接觸層25。
然后，采用與例1中相同的處理方式以獲得激光芯片，然后將其放于散熱片上進行激光振蕩，由此證明在2.0KA/cm2閾值電流密度下在450nm下產(chǎn)生激光振蕩。
例3本例3將照圖3說明如下。
首先，采用與例1中相同的方法在藍寶石襯底31上通過MOVPE法制成具有200埃厚度的GaN緩沖層，和具有4μm厚度并由n型GaN組成的n型接觸層32。
然后，在制成具有0.5μm厚度并由Si摻雜n型Al0.3Ga0.7N制成的第二n型覆蓋層82以后，制成具有0.1μm厚度并由Si摻雜n型In0.05Ga0.95N組成的第一n型覆蓋層81。
然后，生長具有20埃厚度并由非摻雜In0.2Ga0.8N組成的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層33，完后，順序地在其上淀積具有0.1μm厚度并由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的第一p型覆蓋層91，具有0.5μm厚度并由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的第二p型覆蓋層92，和具有0.5μm厚度并由Mg摻雜p型GaN組成的p型接觸層34。
然后，在重復(fù)了與例1中相同的處理步驟以后，將所得激光芯片放于散熱片上以進行激光振蕩，由此證明在1.0KA/cm2的閾值電流密度下在450nm下產(chǎn)生激光振蕩，如此可獲得與上述例子中所示第一和第二實施例相比要低的閾值電流密度的LD器件。
例4按照例3的步驟，只是生長具有0.1μm厚度的Si摻雜n型GaN層以代替第一n型覆蓋層81(Si摻雜n型In0.05Ga0.95N)。
然后，在覆蓋層81上順序地淀積具有30埃厚度的非摻雜In0.4Ga0.6N阱層，和具有50埃厚度的非摻雜In0.08Ga0.92N勢壘層。重復(fù)這些步驟直到獲得由阱層+墊壘層+阱層+墊壘層+阱層組成并具有190?？偤穸鹊?疊層的多量子阱結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成有源層23。
然后，在形成有源層23以后按照與例3中相同的處理步驟而獲得激光芯片，完后將其放于散熱片上進行激光振蕩，由此證明在0.9KA/cm2的閾值電流密度下在500nm下產(chǎn)生激光振蕩。
例5按例1的步驟，只是在由Mg摻雜p型Al0.1Ga0.9N組成的第一覆蓋層61淀積達到0.1μm厚度以后，在第一覆蓋層61上生長由Mg摻雜p型GaN組成并具有1.0μm度的p型接觸層15。
在反應(yīng)完成以后，采用與例1中相同的方法在700℃溫度下進行晶片的退火，以便降低p型層的電阻率。然后，進行蝕刻，以便使n型接觸層12的表面從p型接觸層15的最上層露出。在完成蝕刻以后，在p型接觸層15的表面上制成由Ni和Au組成的正極17，接著，制成由Ti和Al組成的負極18，也就是說，不同制成介電多層膜則制造LED器件。該LED表現(xiàn)出在200mAIf(正向電流)下發(fā)藍色熒光在45nm下，并且Vf(正向電壓)為3.5V，LED的發(fā)射輸出為6MW，其表現(xiàn)出高輸出，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，其表現(xiàn)出尖銳的能帶-能帶發(fā)射。
例6按照例1的步驟，只是省略了例1中電流限制層16和介電多層膜的形成，并按例5中所述直接在p型接觸層15上制成正極17，從而制成LED器件。該LED器件在20mAIf下表現(xiàn)出發(fā)藍色熒光在450nm下，并且Vf為3.5V。LED的發(fā)射輸出為6mW，其表現(xiàn)出高輸出。象例5的情況下一樣，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，其表現(xiàn)出尖銳的能帶-能帶發(fā)射。
例7
本例對應(yīng)于本發(fā)明的第四實施例，并將參圖1對其說明如下。
采用例1所述相同方法，通過MOVPE法在藍寶石襯底11上制成具有200埃厚度的GaN緩沖層，和具有4μm厚度并由n型GaN組成的n型接觸層12。
然后，在n型接觸層12的表面上直接制成具有30埃厚度并由非摻雜In0.2Ga0.8N組成的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層14。完后，在其上順序地淀積具有0.05μm厚度并由Mg摻雜p型Al0.1Ga0.9N組成的第一p型覆蓋層61，和具有0.5μm厚度Mg摻雜p型GaN組成的p型接觸層15。
然后，采用與例5中相同的方法，在p型接觸層15上直接制成正極17，以獲得LED器件。該LED器件在20mAIf下表現(xiàn)出發(fā)藍色熒光在450nm下，并且Vf為3.5V，LED的發(fā)射輸出為7mW，其表現(xiàn)出很高的輸出。象例5的情況一樣，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，其表現(xiàn)出尖銳的能帶-能帶發(fā)射。
比較例按照例5的步驟，只是在淀積了Mg摻雜p型Al0.1Ga0.9N組成的第一p型覆蓋層61達到2μm厚度以后，在第一覆蓋層61上生長由Mg摻雜GaN組成的p型接觸層15達到1.0μm厚度。
在反應(yīng)完成以后，用顯微鏡觀察p型接觸層，發(fā)現(xiàn)其中形成有大量裂紋。另外，同樣地進行晶片退火，并同樣地由其制成LED器件。該LED器件呈現(xiàn)發(fā)藍光，波長為450nm，而其Vf在20mAIf下為10V高，LED的發(fā)射輸出為100mW或以下。
例8本例8將參照圖9說明如下。
首先，使用TMG和NH3作為原料，在已事先放置于反應(yīng)器中的藍寶石襯底121的C平面上在500℃溫度下生長具有500埃厚度并由GaN組成的緩沖層122。
然后，將溫度升到1050℃，在這種情況下將硅烷氣除TMG和NH3加入以外而加入，由此生長具有4μm厚度并由Si摻雜n型GaN組成的n型接觸層123。該n型接觸層123的載流子濃度為2×1019/cm3。
然后，在保持1050℃相同溫度下，將TMA加入到原料氣中，由此生長具有0.1μm厚度并由Si摻雜n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆蓋層124。該第二n型覆蓋層124的載流子濃度為1×1019/cm3。
接著，將溫度降到800℃，并通過使用TMG，TMI，NH3和硅烷氣，生長具有500埃厚度并由Si摻雜n型In0.01Ga0.99N所制成的第一n型覆蓋層125。該第一n型覆蓋層125的載流子濃度為5×1018/cm3。
在保持800℃該溫度下，并通過使用TMG、TMI和NH3，生長具有30埃厚度并由非摻雜In0.05Ga0.95N組成的有源層126。
然后，將溫度再升到1050℃，在這種情況下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg來生長0.1μm厚度并由Mg摻雜p型覆蓋層128的空穴載流子濃度為1×1018/cm3。
在保持1050℃的該溫度下，通過使用TMG，NH3和Cp2Mg，生長具有0.5μm厚度并由Mg摻雜p型GaN組成的p型接觸層129。該p型接觸層129的空穴載流子濃度為5×1019/cm3。
在反應(yīng)完成以后，將溫度降到室溫，并將所得晶片取出，然后在700℃溫度下進行晶片退火，以便降低p型層的電阻率。然后，在最上面的p型接觸層129表面上制成規(guī)定圖型掩模以后，進行蝕刻，以便使n型接觸層123的表面從最上面的p型接觸層129露出。在完成蝕刻以后，在n型接觸層123的表面上制成由Ti和Al組成的負極，并在p型接觸層129的表面上制成由Ni和Au組成的正極。
在采用該方式制成電極以后，將所得晶片表面切成多個芯片，其每個芯片為350μm×350μm方形，并將其制成具有15度視角的LED器件。該LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長為415nm的發(fā)藍色熒光，并且Vf為3.5V，LED的發(fā)射輸出為6mw，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，其呈現(xiàn)出高純色的發(fā)射。
例9本例9將參照圖10說明如下。
按照與例8相同的處理方法而形成由n型Si摻雜Al0.3Ga0.7N組成的第二n型覆蓋層134。然后，在與例8中相同條件下在第二覆蓋層134的表面上生長具有40埃厚度并由非摻雜In0.05Ga0.95N組成的有源層136。
然后，在800℃溫度下通過使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg而在有源層136上淀積具有500埃厚度并由Mg摻雜p型In0.01Ga0.99N組成的第一p型覆蓋層137。
然后，在形成了第一覆蓋層137以后，按照與例8中相同的處理方法而獲得圖10中所示LED器件。該LED器件在20mAIf下呈現(xiàn)出峰值波長為410nm的發(fā)熒光，并且Vf為3.5V，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，并且LED的發(fā)射輸出為5mW。
例10本例10將參照圖11說明如下。
按照命名8中相同的處理方法直到形成由Si摻雜n型In0.01Ga0.99N組成的第一n型覆蓋層155。然后，在與例8同樣條件下在第一覆蓋層155表面上生長具有40埃厚度并由非摻雜In0.05Ga0.95N組成的有源層156。
然后，在800℃溫度下通過使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg而在有源層156上淀積具有500埃并由Mg摻雜p型In0.01Ga0.99N組成的第一p型覆蓋層157，該第一p型覆蓋層157退火以后的空穴載流子濃度為2×1017/cm3。
例11然后，按照與例8相同的處理方法以制成由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的第二p型覆蓋層158，和由Mg摻雜p型GaN組成的p型接觸層159。完后，按照與例8相同處理方法獲得圖11中所示的LED器件。該LED器件在20mAIf下呈現(xiàn)出峰值波長420nm的發(fā)熒光，和Vf為3.5V，發(fā)射光譜的半帶寬度為20vm，并且LED的發(fā)射輸出為9mW。
按照與例8相同的處理方法直到形成由Si摻雜n型Al0.3Ga0.7N組成的第二n型覆蓋層154。
然后，在第二n型覆蓋層154上生長具有500埃厚度并由Si摻雜n型GaN組成的第一n型覆蓋層155。該第一n型覆蓋層155的電子載流子濃度為2×1019/cm3。
然后，采用與例10中相同的方法在第一n型覆蓋層155上淀積具有40埃厚度并由非摻雜In0.05Ga0.95N組成的有源層156。
然后，按照與例8相同的處理方法制成由Mg摻雜p型Al0.3Ga0.7N組成的第二p型覆蓋層158，和由Mg摻雜p型GaN組成的p型接觸層159。完后，按照與例8相同的處理方法獲得LED器件。該LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長415nm的熒光發(fā)射，并且Vf為3.5V，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，并且LED的發(fā)射輸出為5mW。
例12按照與例8相同的處理方法，只是有源層126的組成為In0.2Ga0.8N，由此獲得LED器件。該LED器件在20mAIf下呈現(xiàn)出峰值波長為455nm的藍色熒光，并且Vf為3.5V，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，并且LED的發(fā)射輸出為5mw。
例13按照相同步驟制成象例8那樣的LED器件，只是有源層126為多量子阱結(jié)構(gòu)，特別是，在800℃溫度下使用TMG，TMI和NH3生長具有20埃厚度的非摻雜In0.1Ga0.9N阱薄膜，然后生長具有20埃厚度的In0.02Ga0.98N阻擋膜。重復(fù)三次這種處理過程，并最后生長有20埃厚度的In0.1Ga0.9N阱膜，以獲得具有140埃總厚度的多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層126。如此制備的LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長420nm的藍色熒光，并且Vf為3.5V，LED的發(fā)射輸出為7mv。
例14按照與例8相同步驟制備LED器件，只是將DEZ(二乙基鋅)用作受主雜質(zhì)，將硅烷氣用作施主雜質(zhì)，以制成具有50埃厚度并用Si和Zn摻雜的n型In0.05Ga0.95N層。如此獲得的LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長450nm的藍色熒光，Vf為3.5V，并且半帶寬度為70nm，LED的發(fā)射輸出為3mw。
例15采用與例8中相同的方法，在n型接觸層123上順序地生長由Si摻雜n型In0.01Ga0.99N組成的第一n型覆蓋層125，由非摻雜In0.05Ga0.95N組成的有源層126，由Mg摻雜P型Al0.3Ga0.7N組成的第二P型覆蓋層128，和P型接觸層129。也就是，按照與例8相同的步驟來制備LED，只是未制成第二n型覆蓋層124。如此制備的LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長410nm的熒光和Vf為3.5V，LED的發(fā)射輸出為5mw。
例16本例16將參照圖12和13說明如下。
按照與例8中所述相同的步驟直到形成n型接觸層153。然后，將溫度降到800℃，通過使用TMG，TMI，NH3和硅烷氣而生長具有380埃厚度由Si摻雜n型In0.01Ga0.99N組成的薄膜。然后，在將溫度升到1050℃以后，通過使用TMG，TMA，NH3和硅烷氣而生長具有390埃厚度由Si摻雜n型Al0.2Ga0.8N組成的薄膜。將這些步驟重復(fù)20次，由此生長第一n型多層膜100，它是由十層Si摻雜n型In0.01Ga0.99N與十層Si摻雜n型Al0.2Ga0.8N交替層疊而組成。
然后，采用與例10中相同的方法順序地淀積第二n型覆蓋層154，第一n型覆蓋層155，有源層156，第一P型覆蓋層157和第二P型覆蓋層158。
接著，將溫度降到800℃，并通過使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg，生長具有380埃厚度的Mg摻雜P型In0.01Ga0.99N層。然后，再將溫度升到1050℃，在這種情況下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg來生長具有390埃厚度的Mg摻雜P型Al0.2Ga0.8N層。重復(fù)這些步驟，由此獲得第二P型多層膜200，它是由十層Mg摻雜P型In0.01Ga0.99N與十層Mg摻雜P型Al0.2Ga0.8N交替層疊而組成。
在形成第二P型多層膜200以后，采用與例8中相同方法在第二P型多層膜200的表面上生長P型接觸層159，以制備晶片。
然后，在采用與例8中相同方法進行氮化物半導(dǎo)體層的蝕刻以后，在最上面的P型接觸層159的表面上制成規(guī)定圖型掩模，以便在n型接觸層153上制成寬度50μm的負極，并在P型接觸層159上制成寬度10μm的正極。當在n型接觸層153上制成第一n型多層膜100時，用以承受負極的水平面將自動地設(shè)置成比第一n型多層膜100的水平低，如圖12中所示。
然后，將其上未制成氮化物半導(dǎo)體層的藍寶石襯底151和表面拋光的減小襯底的厚度達到90μm。然后將藍寶石襯底151的M平面劃片，并將所得昌片切成備芯片，其每個芯片為700μm×700μm方形，并將其制成圖13中所示的條型激光器。圖13對應(yīng)于按照本實便的激光器件透視圖，其中與條形形狀正極垂直相交的氮化物半導(dǎo)體層平面構(gòu)成了光共振表面。用絕緣膜(未示出)覆蓋除去電極以外的整個表面。然后，將如此獲得的芯片設(shè)置在散熱片上，并將每個電極絲焊。當將該芯片在室溫下經(jīng)受激光振蕩時，可以證明在1.5KA/cm2閾值電流密度下在390nm下激光振蕩。
例17本例17將參照圖16說明如下。
首先，使用TMG和NH3作為原材料，在已事先設(shè)置于反應(yīng)器中的藍寶石襯底311的C平面上在500℃溫度下生長具有500埃厚度并由GaN組成的緩沖層312。
然后，將溫度升到1050℃，在這種情況下將硅烷氣除TMG和NH3以外而加入，由此生長具有4μm厚度并由Si摻雜n型GaN組成的n型接觸層313。
然后，將TMA加入到原料氣中，同時保持1050℃的相同溫度，由此生長具有0.1μm厚度并由Si摻雜n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆蓋層314。
接著，將溫度降到800℃，并通過使用TMG，TMI，NH3和硅烷氣，生長具有500埃厚度并由Si摻雜n型In0.01Ga0.99N所制成的第一n型覆蓋層315。
在保持800℃該溫度下，通過使用TMG，TMI和NH3，生長具有30埃厚度并由非摻雜In0.8Ga0.2N組成的單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層316。
然后，通過使用除TMG，TMI和NH3以外的Cp2Mg，在800℃溫度下生長具有500埃厚度并由Mg摻雜P型In0.01Ga0.99N組成的第一P型覆蓋層317。
然后，再將溫度升到1050℃，在這種情況下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg來生長具有0.1μm厚度并由Mg摻雜P型Al0.3Ga0.7N組成的第二P型覆蓋層318。
在保持1050℃該溫度下，通過使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg，生長具有0.5μm厚度并由Mg摻雜P型GaN組成的P型接觸層319。
在反應(yīng)完成以后，將溫度降到室溫，并將所得晶片取出，然后在700℃溫度下進行晶片退火，以便降低P型層的電阻率。然后，在最上面的P型接觸層319的表面上制成規(guī)定圖型的掩模以后，進行蝕刻，以便使n型接觸層313的表面從最上面的P型接觸層319上露出。在完成蝕刻以后，在n型接觸層313的表面上制成由Ti和Al所制成的負極，然后在P型接觸層319的表面上制成由Ni和Au所制成的正極。
在采用該方式制成電極以后，將所得晶片切成芯片，其每個芯片350μm×350μm方形，并將其制成具15度視膽的LED器件。該LED器件在20mA If下呈現(xiàn)出峰值波長為650nm的紅色熒光。并Vf為3.5，LED的發(fā)射輸出為0.7mw。
例18按照與例17相同的處理方法來制備LED，只是在本例中有源層316具有In0.05Ga0.95N組成并具有10埃厚度。該LED器件在20wAIf下呈現(xiàn)出峰值波長425nm的藍紫色熒光，LED的發(fā)射輸出為5mw，發(fā)射光譜的半帶寬度為20nm，其表現(xiàn)出高純色的發(fā)射。
例19按照與例17相同的步驟來制備LED，只是有源層316的組成變?yōu)榉菗诫sIn0.2Ga0.8N。該LED器件在20mAIf下呈現(xiàn)出峰值波長465nm的藍色熒光，LED的發(fā)射輸出為5mw，發(fā)射光譜的半帶寬度為25nm，其表現(xiàn)出高色純度的藍色熒光發(fā)射。
例20按照與例17相同的步驟來制備LED器件，只是生長具有300埃厚度的Si摻雜n型In0.01Ga0.99N層作為第一n型覆蓋層315，生長具有10埃厚度非摻雜n型In0.3Ga0.7N層作為有源層，并生長具有300埃厚度Mg摻雜In0.01Ga0.99N層作為第一P型覆蓋層317。該LED器件在20mAIf下呈現(xiàn)出峰值波長500nm的綠色熒光，Vf為3.5V和半帶寬度為40nm，LED的發(fā)射輸出為4mw。
例21在例17的程序中，在n型接觸層313形成之后，一個單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層316被直接沉積在n型接觸層313上，該有源層316由具有70厚度的In0.4Ga0.6N層構(gòu)成。在這種情況下，n型接觸層313是用來作為第一n型覆蓋層。然后，在有源層316上形成第二P型覆蓋層318，并且在其上形成P型接觸層319。以與例17中相同的方式執(zhí)行隨后的過程，由此獲得一LED器件。這種LED器件呈現(xiàn)綠色熒光，峰值波長為525nm，Vf為3.5V，在If為20mA條件下，半頻帶寬為40nm。該器件的發(fā)射輸出是4mw。
例22除了形成300厚度的摻硅n型GaN層作為第一n型覆蓋層315，然后形成20a厚度的非摻雜In0.3Ga0.7層作為有源層316，再形成300厚度的摻鎂P型GaN層作為第一P型覆蓋層317外，執(zhí)行如例167中相同的程序，制備一LED器件。這樣獲得的LED器件呈現(xiàn)綠色光，峰值濾長為515nm，Vf為3.5v，在If為20mA條件下，半帶寬為40nm。該器件的發(fā)射輸出是3mw。
例23除了使用DEZ作為受主雜質(zhì)源，硅烷氣被用作施主雜質(zhì)源以形成具有50厚度的In0.05Ga0.95N層，和與Si和Zn摻雜作為有源層316外，執(zhí)行如例17中相同的程序制備LED。這樣獲得的LED裝置呈現(xiàn)綠色熒光，峰值濾長為480nm，Vf為3.5v，在If為20mA條件下，半頻帶寬為80nm。該器件的發(fā)射輸出為2mw。
例24在例17的程序中，形成一具有500厚度的摻硅n型In0.01Ga0.99N層作為第一n型覆蓋層315。然后，為了制備有源層，形成一具有10厚度的非摻雜In0.15Ga0.85N層作為量子阱層(well louyer)和形成一具有10厚度的非摻雜In0.15Ga0.85N層作為該量子阱層上的阻擋層。上述過程交替重復(fù)四次，最后形成一具有10厚度的非摻雜In0.15Ga0.85N量子阱層，由此形成了一多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，其總厚度為90。隨后，形成一具有500厚度的鎂摻P型In0.01Ga0.99N層作為有源層316上的第一P型覆蓋層。此例17中相同的方式執(zhí)行后續(xù)過程，由此獲得一晶片。
隨后，此例17中相同的方式在氮化物半導(dǎo)體層上執(zhí)行蝕刻，在構(gòu)成最上層的P型接觸層上形成規(guī)定圖案的掩模。此后，在該n型接觸層上形成規(guī)定圖案的掩膜。此后，在該n型接觸層313上形成一寬20μm的負電極，和在P型接觸層319上形成一寬2μm的正電極。
接著，對其上未形成的氮化物半導(dǎo)體層的藍寶石襯底的表面進行拋光，使該襯底的厚度減到90μm。隨后，該藍寶石襯底的M面被劃割，合成晶片被切割成每個為700μm×700μm的正方形基片，并制作成如圖13所示的條型激光器。圖13示出了按照本例的激光裝置的透視圖，其中與條形的正電極垂直相切的氮化物半導(dǎo)體層的面構(gòu)成了一光諧振面。然后，上述獲得的基片被設(shè)置在一個散熱片中，并且為每個電極焊接導(dǎo)線。當這種基片承受激光振蕩時，在1.5KA/cm2的閾值電流強度下，390nm的激光振蕩被證實。
例25除有源層和第一P型覆蓋層的形成之外，執(zhí)行如例24中相同的程序制備一LD器件。在本例中，為了形成有源層，形成一厚度為25的非摻雜In0.15Ga0.85N作為量子阱層，然后形成一厚度為50的非摻雜In0.05Ga0.95N作為量子阱層上的阻擋層。這一過程被重復(fù)13次，最終形成量子阱層，由此獲得了具有1000厚度的多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層。在該有源層316上，形成有一具有500厚度并由Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的第一P型覆蓋層。這樣獲得的LD器件在1.0KA/cm2閾值電流強度下呈現(xiàn)415nm的激光振蕩。
例25除形成有源層之外，執(zhí)行例24中相同的程序制備一LD器件。在本例中為了形成有源層形成一厚度為25的非摻雜In0.15Ga0.85N作為量子阱層，然后形成一厚度為50的非摻雜In0.05Ga0.95N作為量子阱層上的阻擋層。這一過程重復(fù)26次，最終形成該量子阱層，由此獲得了具有1,975厚度的多量子阱層的有源層。這樣獲得的LD器件在室溫，4.0KA/cm2閾值電流強度下呈現(xiàn)415nm的激光振蕩。
例27一個例7中獲得的450nm的藍LED，一個例21中獲得的515nm的綠LED，和一個由普通GaSs基本材料或LlInGaP基本材料構(gòu)成的發(fā)光波長660nm，發(fā)光輸出3mw的紅LED組裝成一個象點，并制成一個由16×16(象點)組合構(gòu)成的LED顯示屏。隨后，多個LED顯示屏被設(shè)置制備成具有320×240象素的全彩色LED顯示器。這種顯示器能夠的白光發(fā)射一萬尼特的表面光。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明提供發(fā)光輸出和亮度優(yōu)良的LED器件和LD器件是可能的。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于包括一個量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層由含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并具有第一和第二主表面；第一P型覆蓋層，由含有鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并與有源層的所述第二主表面接觸；第二P型覆蓋層，由含有鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，其具有比所述第一P型覆蓋層的帶隙更大的帶隙并設(shè)置在所述第一P型覆蓋層上；和一個與有源層的所述第一主表面接觸的n型氮化物半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其特征在于所述第一P型覆蓋層具有10至1.0μm范圍內(nèi)的厚度。
3.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于包括一個量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層由含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆蓋層，由含有鋁和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體或n型GaN構(gòu)成，其被設(shè)置與有源層的所述第一主表面接觸，所述第一n型覆蓋層具有10至1.0μm范圍內(nèi)的厚度；第二n型覆蓋層，由其帶隙比所述第一n型覆蓋層的帶隙大的n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并設(shè)置在所述第一n型覆蓋層上；和一個設(shè)置與有源層的所述第二主表面接觸的P型氮化物半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的器件，其特征在于所述第一n型覆蓋層具有100至1.0μm范圍內(nèi)的厚度。
5.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征并于包括一個量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層由含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆蓋層，由含有鋁和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體或n型GaN構(gòu)成，并設(shè)置與有源層的所述第一主表面接觸；第二n型覆蓋層，由其帶隙的所述第一n型覆蓋層的帶隙大的n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并在所述第一n型覆蓋層上；第一P型覆蓋層，由含有鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并設(shè)置與有源層的所述第二主表面相接觸；和第二P型覆蓋層，由含有鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，其具有比所述第一P型覆蓋層的帶隙大的帶隙，并設(shè)置在所述第一P型覆蓋層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其特征在于所述第一P型覆蓋層具有10至1.0μm范圍內(nèi)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其特征在于所述第一n型覆蓋層具有10至1.0μm范圍內(nèi)的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或5的器件，其特征在于所述第一n型覆蓋層由n型GaN構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或5的器件，其特征在于所述第一P型覆蓋由P型AIyGa1-yN構(gòu)成，其中0＜y＜1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的器件，其特征在所述第二P型覆蓋層由P型AIbGa1-bN構(gòu)成，其中0＜b＜1。
11.一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于包括一個量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層由含有銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并設(shè)置在一個n型氮化物半導(dǎo)體層和一個P型半導(dǎo)體層之間，含有一P型覆蓋層的所述P型半導(dǎo)體層設(shè)置與所述有源層接觸，所述P型覆蓋層由含有鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，并具有10至1.0μm范圍內(nèi)的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其特征在于所述n型氮化物半導(dǎo)體層由n型GaN或含有銦和鎵的n型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的器件，其特征在于所述n型氮化物半導(dǎo)體層由n型InxGa1-xN構(gòu)成，其中0≤x＜1。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的器件，其特征在于進一步包括一個由n型GaN構(gòu)成的n型接觸層，并設(shè)置其與所述第一n型覆蓋層或有源層的所述第一主表面相接觸。
全文摘要
一種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有一個單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層(14)，其由含銦和鎵的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。一個由含鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第一P型覆蓋層(61)被設(shè)置與有源層的一個面接觸。一個由含鋁和鎵的P型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的第二P型覆蓋層(62)被設(shè)置在第一P型覆蓋層上。第二P型覆蓋層具有比第一P型覆蓋的帶隙大的帶隙。一個n型半導(dǎo)體層(13)設(shè)置與有源層(14)的另一面接觸。
文檔編號H01S5/00GK1790762SQ20051012671
公開日2006年6月21日 申請日期1995年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月2日
發(fā)明者中村修二, 長濱慎一, 巖佐成人, 清久裕之 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會社