專利名稱：化合物半導體發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用III-V族化合物半導體層作為發(fā)光層的化合物半導體發(fā)光二極管(下文中可以稱為化合物半導體LED)，其中該LED具有用于使LED工作電流擴散到發(fā)光層的寬區(qū)域內的電流擴散層，導致高發(fā)射強度。
背景技術：
已知具有由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構成的發(fā)光層的LED發(fā)射具有與綠光至紅光對應的波長的光(見Y.Hosokawa et al.，J.Crystal Growth，Vol.221(2000)，Holland，p.652-656)。
在上述Y.Hosokawa et al.中公開了，發(fā)射具有較短波長的可見光的發(fā)光層通常由AlXGaYInZP形成并呈現(xiàn)室溫下約2eV的相對大的帶隙。
通常，這樣的發(fā)光層具有異質結構，其中接合(join)包覆層以形成異質結，用于增強輻射復合效率并獲得高強度光發(fā)射。
在由AlXGaYInZP形成的發(fā)光層中，包覆層由呈現(xiàn)其帶隙寬于發(fā)光層帶隙的AlXGaYInZP形成，該包覆層用作被接合以形成異質結的勢壘層。盡管獲得載流子限制效應，由于包覆層由呈現(xiàn)寬帶隙的半導體層形成，這樣的包覆層通常不足以使得用于使器件工作的電流(即器件工作電流)擴散到發(fā)光層的寬范圍內。
為了解決這個問題，一種現(xiàn)有技術采用在包覆層上的電流擴散層，以使器件工作電流擴散到發(fā)光層的寬范圍內(見美國專利5,008,718)。
為了廣泛地擴散器件工作電流，電流擴散層由呈現(xiàn)相對窄帶隙(例如，小于發(fā)光層的帶隙)的半導體材料構成。
例如，公開了一種發(fā)射橙光或發(fā)射紅光的化合物半導體發(fā)光二極管，其中在由AlXGaYInZP構成的發(fā)光層上設置由鋁鎵砷(組分分子式AlXGaYAs0≤X，Y≤1)構成的電流擴散層(見例如日本專利申請公開號11-4020中的第4頁，第 段)。
然而，由本質上呈現(xiàn)這樣窄帶隙的半導體材料形成的電流擴散層吸收由發(fā)光層發(fā)射的光。因此，即使發(fā)光層具有可獲得高強度光發(fā)射的異質結結構，只要LED具有常規(guī)結構，就不能始終如一地且可靠地制造高強度LED，在常規(guī)結構中，在光提取側上的發(fā)光區(qū)域上設置電流擴散層。
同時，公開了這樣一種LED，其具有由光學透明材料例如銦錫復合氧化物膜(縮寫為ITO)形成的電流擴散層(見例如日本專利申請公開號2001-144330)。
由于呈現(xiàn)寬帶隙和低電阻，透明氧化物例如ITO可以用作形成電流擴散層的材料，該電流擴散層還作為窗口層，通過該窗口層光被提取到外面。
然而，透明氧化物通常遇到在始終如一地維持與III-V族化合物半導體的歐姆接觸方面的困難，并且不能獲得器件工作電流在寬區(qū)域內的擴散。
為了克服以上問題，上述日本專利申請公開號2001-144330公開了一種通過采用這樣的電極結構使器件工作電流擴散到發(fā)光層內的技術，在該電極結構中，多個歐姆電極被離散地設置在由III-V族化合物半導體構成的包覆層上。
然而，當歐姆電極被離散地設置時，為了制造LED或其它器件，需要繁重的步驟，這是成問題的。
要求包括在LED中的電流擴散層由光學透明材料形成，以便器件工作電流充分地擴散到發(fā)光層的寬區(qū)域內并允許由發(fā)光層發(fā)射的光被提取到外面，而不吸收發(fā)射的光。為了滿足以上要求，電流擴散層必須呈現(xiàn)室溫下寬于發(fā)光層的帶隙。
然而，當電流擴散層由常規(guī)采用的AlXGaYAs(0≤X，Y≤1)形成時，很難形成呈現(xiàn)足夠低的電阻的導體層。換言之，保持了不能可靠地形成使器件工作電流適當?shù)財U散的電流擴散層的缺陷。
同時，包含鋅(Zn)作為組分元素的II-VI族化合物半導體層容易氧化。為了制造具有優(yōu)良的工作可靠性的發(fā)光器件，必須用抗氧化保護膜涂覆該II-VI族半導體層。這樣的額外操作使器件制造步驟變得繁重。
用作電流擴散層的另一種材料的氧化材料例如ITO，不能可靠地獲得與例如用作包覆層的III-V族化合物半導體的優(yōu)良的歐姆接觸。因此，包覆層與由透明氧化物材料或類似材料形成的電流擴散層之間的電阻增加，這不利于呈現(xiàn)低正向電壓(Vf)的LED的制造。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在嘗試解決包括在常規(guī)技術中的上述問題。因此，通過提供由化合物半導體材料形成的電流擴散層，本發(fā)明提供了一種呈現(xiàn)優(yōu)良的電特性包括優(yōu)良的正向電壓的化合物半導體LED，所述化合物半導體材料可以容易地形成有利于造成器件工作電流擴散到發(fā)光層內的低電阻導體層，且所述化合物半導體材料光學透明，并獲得與包括在LED中的III-V族化合物半導體的優(yōu)良歐姆接觸。
因此，本發(fā)明旨在以下方面。
(1)一種化合物半導體發(fā)光二極管，包括由III-V族化合物半導體構成的發(fā)光層以及設置在所述發(fā)光層上并由III-V族化合物半導體構成的電流擴散層，其特征在于，所述電流擴散層由導電的基于磷化硼的半導體構成，并且所述電流擴散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
(2)如以上(1)所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層由選自一磷化硼、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷中的至少一種構成。
(3)如以上(1)或(2)所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層的室溫帶隙與所述發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異為0.1eV或更大。
(4)如以上(1)至(3)中任何一項所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。
(5)如以上(1)至(4)中任何一項所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
(6)如以上(1)至(5)中任何一項所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括在所述電流擴散層與所述發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導體構成的包覆層，以及所述包覆層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙并等于或窄于所述電流擴散層的室溫帶隙。
(7)如以上(6)所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述包覆層由包含鋁、鎵和銦的III-V族化合物半導體構成，以及所述電流擴散層由包含選自鋁、鎵和銦中的至少一種的基于磷化硼的半導體構成。
(8)如以上(6)或(7)所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括具有組分梯度并由基于磷化硼的半導體構成的組分漸變層，以及所述組分漸變層用作所述電流擴散層和所述包覆層。
(9)如以上(1)至(8)中任何一項所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述發(fā)光層由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構成，以及所述電流擴散層和所述包覆層中的至少一者由沒有有意地對其添加雜質元素的未摻雜的基于磷化硼的半導體構成。
(10)如以上(1)至(9)中任何一項所述的化合物半導體發(fā)光二極管，其中歐姆接觸電極被接合到所述電流擴散層或所述組分漸變層。


圖1是實例1的LED的截面示意圖；以及圖2是實例2的LED的截面示意圖。
參考標號的說明10，20 LED11 層疊結構100GaAs襯底101 p型緩沖層102 p型下包覆層103 n型發(fā)光層104 n型上包覆層105 電流擴散層106 n型歐姆電極107 p型歐姆電極108 組分漸變層具體實施方式
本發(fā)明的化合物半導體發(fā)光二極管包括由III-V族化合物半導體構成的發(fā)光層和設置在發(fā)光層上的電流擴散層。
電流擴散層由屬于一種III-V族化合物半導體的基于磷化硼的半導體構成，并使得用于使發(fā)光二極管工作的正向器件工作電流在發(fā)光層內擴散。
電流擴散層具有寬室溫帶隙并由基于磷化硼的半導體層構成，且使得器件工作電流在包覆層和發(fā)光層內擴散并有效地用作窗口層，通過該窗口層發(fā)射的光被提取到外面。
根據(jù)本發(fā)明，電流擴散層具有寬于發(fā)光層帶隙的室溫帶隙，并由低電阻的基于磷化硼的半導體構成。因此，器件工作電流可以在寬的發(fā)光區(qū)域內擴散。另外，電流擴散層是光學透明的，呈現(xiàn)出與由III-V族化合物半導體構成的發(fā)光層的優(yōu)良的歐姆接觸特性，并可以容易地形成。
因此，可以制造一種化合物半導體發(fā)光二極管，其呈現(xiàn)優(yōu)良的電特性包括優(yōu)良的正向電壓，獲得在發(fā)光區(qū)域中的均勻的發(fā)射強度，且不吸收具有均勻發(fā)射強度的發(fā)射光，并將光傳送到外面。
該LED還包括在電流擴散層與發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導體構成的包覆層，并且該包覆層的室溫帶隙寬于發(fā)光層的帶隙且等于或窄于電流擴散層的帶隙。因此，該帶隙可以在化合物半導體發(fā)光二極管的厚度方向上從發(fā)光層到電流擴散層逐漸變化，從而可以提供呈現(xiàn)低正向電壓的化合物半導體發(fā)光二極管。
當電流擴散層和包覆層具有寬帶隙并由低電阻的導電的基于磷化硼的半導體形成時，可以提供這樣的化合物半導體發(fā)光二極管，其可以由發(fā)光層的實際上整個區(qū)域發(fā)射具有幾乎均勻的強度的光。
在發(fā)光層由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構成的情況下，電流擴散層由包含磷作為組分元素的未摻雜的磷化硼形成。通過采用這種結構，電流擴散層的帶隙增大，從而使電阻降低。
因此，可以提供一種化合物半導體發(fā)光二極管，其可以使得器件工作電流擴散到發(fā)光層的實際上整個表面內，并由發(fā)光層的實際上整個區(qū)域發(fā)射具有所關心波長的均勻強度的光。
這里采用的術語“基于磷化硼的半導體”是指具有立方閃鋅礦晶體結構并包含作為必要元素的硼(B)和磷(P)的III-V族化合物半導體。其實例包括由組分分子式BαAlβGaγIn1-a-β-γP1-δAsδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)表示的化合物；以及由組分分子式BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δNδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)表示的化合物。
其中，本發(fā)明尤其優(yōu)選采用不包含容易氧化的元素(例如，鋁(Al))的半導體化合物。實例包括一磷化硼(BP)、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷，它們是包含多個V族元素的混合晶體。
根據(jù)本發(fā)明的電流擴散層由導電的基于磷化硼的半導體構成，并且其室溫帶隙寬于發(fā)光層的室溫帶隙。
電流擴散層的室溫帶隙與發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異優(yōu)選大于等于0.1eV。當該差異大于等于0.1eV時，形成的電流擴散層足以用作窗口層。
帶隙可以根據(jù)吸收(＝h·ν)對光子能量的依賴關系(dependency)或根據(jù)反射系數(shù)(n)和消光系數(shù)(k)的乘積(＝2n·k)對光子能量的依賴關系確定。
例如，當發(fā)射藍光的化合物半導體發(fā)光二極管的發(fā)光層由III-V族化合物半導體構成并具有2.7eV的室溫帶隙時，在發(fā)光層上設置由基于磷化硼的半導體構成的并具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙的電流擴散層。
優(yōu)選地，電流擴散層由基于磷化硼的半導體構成并具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。當滿足以上條件時，電流擴散層可以將可見光(例如，紅光至綠光)傳送到外面，從而用作窗口層。
當由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層具有大于5.0eV的帶隙時，電流擴散層與發(fā)光層或包覆層之間的能隙過分地增加，這對于制造呈現(xiàn)低正向電壓或閾值電壓的化合物半導體發(fā)光二極管是不優(yōu)選的。
優(yōu)選地，電流擴散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
該基于磷化硼的低電阻的半導體層被有效地用作電流擴散層，還用作窗口層，由發(fā)光層發(fā)射的光通過該窗口層被傳送到外面。
由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層通過氣相生長方法例如鹵素方法、鹵化物方法或MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)，或者分子束外延(見J.Solid State Chem.，133(1997)，P.269-272)形成。
例如，由n型一磷化硼(BP)構成的電流擴散層可以通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)和磷化氫(分子式PH3)作為源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)或減壓MOCVD形成。
在由n型一磷化硼(BP)構成的電流擴散層的形成期間，源供給比率(V/III比率；例如，PH3/(C2H5)3B)優(yōu)選大于等于200，更優(yōu)選大于等于400。
這里采用的術語“V/III比率”是指包括磷的V族元素的原子濃度與包括硼的III族元素的原子濃度的比率，這些源被供給到氣相生長區(qū)域。
通過精確控制除了形成溫度和V/III比率以外的形成速率，可以形成由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層，該電流擴散層實際上不吸收由發(fā)光層發(fā)射的光并呈現(xiàn)寬帶隙。
n型BP層的形成溫度優(yōu)選700℃至1,000℃。
類似地，由p型一磷化硼(BP)構成的電流擴散層可以通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)和磷化氫(分子式PH3)作為源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)或減壓MOCVD形成。
p型BP層的形成溫度優(yōu)選1,000℃至1,200℃。在層形成期間，源供給比率(V/III比率；例如，PH3/(C2H5)3B)優(yōu)選10至50。
尤其當將形成速率控制為2nm/min至30nm/min時，可以制造由一磷化硼構成的并呈現(xiàn)大于等于2.8eV的室溫帶隙的電流擴散層(見日本專利申請?zhí)?002-158282)。
接下來，將說明化合物半導體發(fā)光二極管的另一實施例，其中為了增強輻射復合，將由III-V族化合物半導體構成的包覆層接合到由III-V族化合物半導體構成的發(fā)光層，從而發(fā)射高強度的光。
在上述實施例中，電流擴散層被設置在包覆層上。因此，包覆層介于發(fā)光層與電流擴散層之間。
優(yōu)選地，電流擴散層的室溫帶隙寬于包覆層的室溫帶隙。在這種帶隙條件下，由發(fā)光層發(fā)射的光可以被傳送到外面，同時盡可能有效地防止光吸收。
尤其優(yōu)選地，包覆層的室溫帶隙寬于發(fā)光層的室溫帶隙且等于或窄于電流擴散層的室溫帶隙。在這種帶隙條件下，從電流擴散層到發(fā)光層，帶隙減小，從而可以防止LED的正向電壓的增大和LD的閾值的增大。
當包覆層由III-V族化合物半導體例如由組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)表示的化合物或包含作為III族元素的Al、Ga和In的類似化合物形成時，電流擴散層優(yōu)選地由包含選自Al、Ga和In的至少一種的基于磷化硼的半導體構成。
在上述條件下，在包覆層上形成電流擴散層期間，存在于包覆層的表面上的III族元素(Al、Ga和In)促進了包含這些元素作為組分元素的電流擴散層的生長。因此，電流擴散層可以容易地形成，并呈現(xiàn)與包覆層的優(yōu)良的附著。
包含選自Al、Ga和In中的至少一種的基于磷化硼的半導體的實例包括由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的上述硼鎵銦磷、由組分分子式BαIn1-αP(0＜α＜1)表示的硼銦磷，以及由組分分子式BαIn1-αP1-δAsδ(0＜α＜1，0＜δ＜1)表示的硼銦砷磷。
當提供有意對其添加一種雜質元素的摻雜的III-V族化合物半導體(例如，鋅(Zn)摻雜的AlXGaYInZP)作為包覆層時，從包覆層擴散的雜質元素(鋅)可以改變發(fā)光層的載流子濃度和導電類型。在這種情況下，可以施加偏離所關心的電壓的正向電壓(Vf)，或者可以發(fā)射其波長偏離所關心的波長的光。
比較而言，未摻雜(即n型或p型)的基于磷化硼的半導體呈現(xiàn)未摻雜狀態(tài)下的低電阻。
因此，包覆層優(yōu)選由未摻雜的基于磷化硼的半導體形成。因為包覆層具有低的雜質元素量，擴散到發(fā)光層中的雜質元素的量可以降低，從而可以防止否則將通過外部雜質元素的擴散造成的發(fā)光層特性的劣化。另外，由于低電阻，可以促進器件工作電流在發(fā)光層內的擴散。
同時，在提供未有意對其添加雜質元素的未摻雜的基于磷化硼的半導體作為電流擴散層的情況下，也可以獲得與通過包覆層獲得的相同的效果。
由未摻雜的基于磷化硼的半導體構成的包覆層或電流擴散層具有寬的帶隙。因此，當發(fā)光層由通過組分分子式GaXIn1-XN(0≤X≤1)表示的鎵銦氮或通過組分分子式GaN1-YPY(0≤Y≤1)表示的鎵氮磷構成時，未摻雜的一磷化硼層可以用作n型或p型包覆層。
尤其當發(fā)光層由包含磷(P)作為組分元素的化合物半導體材料(例如，組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1))構成時，更優(yōu)選地，未摻雜的一磷化硼用作包覆層。
當發(fā)光層包含大量磷作為組分元素時，發(fā)光層與用作電流擴散層或包覆層的基于磷化硼的半導體層之間的磷原子濃度的差異減小。因此，P原子從電流擴散層或包覆層向發(fā)光層的擴散被抑制，從而可以防止發(fā)光層的劣化。
在其中包覆層被接合到發(fā)光層的化合物半導體發(fā)光二極管中，優(yōu)選設置具有組分梯度并由基于磷化硼的半導體構成的組分漸變層，以用作電流擴散層和包覆層。
在組分漸變層中，提供了這樣的組分梯度，以使帶隙在厚度增加方向(即從發(fā)光層到電流擴散層的頂部)上增加。
例如，在組分漸變層由硼鎵磷(B1-XGaXP0≤X≤1)構成的情況下，設置組分梯度，以使在厚度增加方向上硼(B)組分比(＝1-X)增加，而鎵(Ga)組分比(＝X)減小。具體地說，設置組分梯度，以使與發(fā)光層接觸的組分漸變層部分由磷化鎵(GaP)形成，該磷化鎵的硼組分比(＝1-X)為0。隨著層厚度從包覆層向電流擴散層增加，硼組分比增加。電流擴散層的頂部由硼組分比為1的BP形成。
由此設置的具有組分梯度的組分漸變的基于磷化硼的半導體層可以將磷化鎵的室溫帶隙從2.2eV提高到例如2.8eV或更大，并可以作為電流擴散層和包覆層。
通過提供具有使帶隙從電流擴散層向發(fā)光層逐漸減小的組分梯度的基于磷化硼的半導體層(組分漸變層)，可以防止LED的正向電壓的增加和LD的閾值的增加。
當形成用作電流擴散層和包覆層的組分漸變層時，設置組分梯度，以使帶隙線性的、逐步的或曲線狀變化分布地變化。
用作包覆層的組分漸變層的部分具有組分梯度，以使帶隙在厚度增加的方向上逐漸增大。
在電流擴散層或組分漸變層上，設置n型或p型歐姆電極。在電流擴散層或組分漸變層由基于磷化硼的n型半導體構成的情況下，歐姆電極可以由金(Au)合金例如金(Au)-鍺(Ge)形成。
在電流擴散層或組分漸變層由基于磷化硼的p型半導體構成的情況下，歐姆電極可以由常規(guī)采用的鎳(Ni)、鎳合金、金(Au)-鋅(Zn)合金、金(Au)-鈹(Be)合金等形成。
當歐姆電極具有多層結構時，為了方便焊接(bonding)，最上面的層優(yōu)選地由金(Au)或鋁(Al)形成。在歐姆電極具有三層結構的情況下，設置在底部與最上面的層之間的中間層可以由過渡金屬(例如鈦(Ti)、鉬(Mo)或鉑(Pt))形成。
通過采用由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層或組分漸變層，即使當電流擴散層或組分漸變層的帶隙寬于另一層例如包覆層的帶隙時，在電流擴散層或組分漸變層上可以形成呈現(xiàn)優(yōu)良歐姆接觸的電極。
可以形成該優(yōu)良的歐姆電極的原因如下。與由AlXGaYAs或AlXGaYInZP構成的常規(guī)電流擴散層相比，由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層或組分漸變層呈現(xiàn)較小的離子鍵特性。因此，即使帶隙很寬，也可以獲得導電層，與常規(guī)半導體材料相比，該導電層呈現(xiàn)顯著低的電阻。在基于磷化硼的半導體中，處于未摻雜狀態(tài)的一磷化硼(BP)可以容易地提供具有1019cm-3至1020cm-3的高載流子濃度的導電層。因此，通過寬帶隙，對于提取到外面的發(fā)射光，由基于磷化硼的半導體構成的電流擴散層或組分漸變層呈現(xiàn)優(yōu)良的透射率(permeability)。在電流擴散層或組分漸變層上，可以形成低接觸電阻的歐姆電極。
實例<實例1>
接下來，將參考具有由一磷化硼半導體構成的電流擴散層的示例性磷化硼LED，詳細說明本發(fā)明。
圖1是具有雙異質(DH)結結構和其層疊結構11的實例1的磷化硼LED 10的截面示意圖。因為圖1是示意圖，組分層的尺寸(例如厚度比例)可以不同于實際數(shù)值。
通過在鋅(Zn)摻雜的p型(100)砷化鎵(GaAs)單晶襯底100上順序地層疊以下層鋅摻雜的p型GaAs緩沖層101、由鋅摻雜的鋁鎵銦磷混合晶體((Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P)構成的下包覆層102、由(Al0.14Ga0.86)0.50In0.50P構成的未摻雜的n型發(fā)光層103，以及由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構成的硒(Se)摻雜的n型上包覆層104，形成層疊結構11(見J.KoreanAssociation of Crystal Growth，11(5)(2001)，P.207-210)。
層101至104通過常規(guī)的減壓MOCVD方法氣相生長在襯底100上。
在由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構成的上包覆層104上沉積未摻雜的n型硼銦磷(B0.40In0.60P)，從而形成電流擴散層105。
由n型硼銦磷構成的電流擴散層105通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)作為硼(B)源、三甲基銦(分子式(CH3)3In)作為銦源以及磷化氫(分子式PH3)作為磷源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)金屬有機氣相外延(MOVPE)形成。
電流擴散層105在與形成其室溫帶隙為約4.3eV的一磷化硼(BP)期間采用的條件相同的條件下，即在V/III比率為800、生長溫度為700℃以及生長速率為30nm/min的條件下形成。
將形成電流擴散層105的n型硼銦磷的硼(B)組分比率控制為0.40，以便不與GaAs晶格匹配，而是獲得寬帶隙。由n型硼銦磷構成的電流擴散層105的厚度為700nm。
發(fā)現(xiàn)由此形成的電流擴散層105由未摻雜的n型B0.40In0.60P構成并具有2.5eV的室溫帶隙。
發(fā)現(xiàn)室溫下載流子濃度和電阻率為1×1020cm-3和2×10-2Ω·cm。
在電流擴散層105的整個表面上，通過常規(guī)的真空氣相沉積和電子束氣相沉積，順序地沉積金-鍺(Au/Ge)合金膜、鎳(Ni)膜和金(Au)膜。
隨后，通過已知的光刻技術選擇性地構圖這些金屬膜，以便具有由Au-Ge合金膜形成的底面的上述三層電極僅僅保留在將要設置還用作金屬絲焊接的襯墊電極的n型歐姆電極106的部分。
除了設置n型歐姆電極106的區(qū)域以外，金屬膜(包括Au-Ge合金膜)被通過蝕刻去除，以使用作電流擴散層105的n型硼銦磷層的表面暴露。
在去除光致抗蝕劑材料后，再次選擇性地構圖n型硼銦磷層，以提供網(wǎng)格圖形的溝槽，用于將結構切割成發(fā)光器件(芯片)。溝槽具有50μm的線寬，并設置在與襯底100的<110>晶向相同的方向上。
隨后，通過采用包含氯的鹵素混合氣體的等離子體干法蝕刻，選擇性地去除由此形成的n型硼銦磷層的網(wǎng)格圖形。
在p型GaAs單晶襯底100的整個背面上，通過常規(guī)的真空氣相沉積沉積金-鈹(Au-Be)膜，從而形成p型歐姆電極107。
沿著具有50μm線寬并設置在與襯底100的<110>晶向相同的方向上的上述窄條狀溝槽解理GaAs襯底100，從而制造正方形(350μm×350μm)LED芯片10。
當使器件正向工作電流(20mA)在n型歐姆電極106和p型歐姆電極107之間流動時，評價LED芯片10的發(fā)射特性。發(fā)現(xiàn)LED芯片10發(fā)射具有610nm發(fā)射中心波長的紅色(輕微橙色)光。
在除了n型歐姆電極106的凸出區(qū)域外的發(fā)光層103的實際上整個表面中，目測到光發(fā)射。發(fā)射的光的近場圖形表明除了上述凸起區(qū)域外由發(fā)光層103發(fā)射的光具有基本上均勻的強度。通過典型積分球確定的樹脂模制前由各芯片發(fā)射的光的亮度為40mcd。
因為電流擴散層105具有寬帶隙并由低電阻的n型硼銦磷構成，電流擴散層105還用作窗口層，通過該窗口層由發(fā)光層103發(fā)射的光被傳送到外面。
因為n型歐姆電極106設置在由低電阻的n型硼銦磷構成的電流擴散層105上，正向電壓(Vf)可以降低至2.3V。當施加10μA的反向電流時，反向電壓超過8V。
<實例2>
接下來，將參考包括具有硼組分梯度的基于磷化硼的半導體層(組分漸變層)的示例性磷化硼半導體LED，詳細說明本發(fā)明，該基于磷化硼的半導體層用作電流擴散層和包覆層。
圖2是實例2的磷化硼LED 20的截面示意圖。與圖1類似，因為圖2是示意圖，組分層的尺寸(例如厚度比例)可以不同于實際數(shù)值。
與在圖1中所示的磷化硼LED 10中采用的相同的部件由相同的參考標號表示，并省略對它們的詳細說明。
在實例2中，將用于實例1的磷化硼LED 10并由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構成的硒(Se)摻雜的n型上包覆層104設置為薄膜包覆層(下文中，該層由相同標號104表示)。在薄膜包覆層上，形成由未摻雜的硼鎵磷混合晶體(BαGa1-αP0＜α＜1)構成的組分漸變層108。
由硒(Se)摻雜的n型(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構成的薄膜包覆層104通過與用于形成實例1中的上包覆層104(厚度5μm)采用的相同的工序形成，但是將該層的厚度調整為75nm。
由BαGa1-αP(0＜α＜1)構成的組分漸變層108是在750℃下采用(C2H5)3B/(CH3)3Ga/PH3系統(tǒng)，通過減壓MOCVD形成的。將厚度調整為740nm。在該層與薄膜包覆層104之間的結界面處，將組分漸變層108的硼(B)組分比(α)調整為0.05。通過隨著時間的流逝和膜厚度的增加以恒定的速率對氣相生長系統(tǒng)減少(CH3)3Ga的供給并維持(C2H5)3B的供給，硼組分比具有線性組分梯度。具體地說，如此形成組分漸變層，以使上表面的硼(B)組分比(α)變?yōu)?.0(即形成磷化硼(BP))。
發(fā)現(xiàn)由BαGa1-αP構成的組分漸變層108的表面部分具有8×1018cm-3的載流子濃度和6×10-2Ω·cm的電阻率。
通過采用常規(guī)偏振光橢圓率測量儀，確定組分漸變層108的折射率和消光系數(shù)，并且由確定的折射率和消光系數(shù)計算的組分漸變層108的平均帶隙為約3.1eV。特別地，發(fā)現(xiàn)(從表面到約100nm的深度的)表面部分的室溫帶隙約為4.0eV。因此，組分漸變層108可以被用作作為窗口層的包覆層和用作電流擴散層。
通過常規(guī)SIMS方法確定組分漸變層108在深度方向上的磷(P)濃度分布。沒有觀測到包含在組分漸變層108中的大量磷(P)穿過薄膜包覆層104向發(fā)光層103的顯著擴散。
以與實例1類似的方式，在組分漸變層108的中心上設置具有圓形平面圖(直徑約130μm)的n型歐姆電極106。與實例1類似，在GaAs襯底100的整個背面上形成由Au-Be合金構成的p型歐姆電極107。形成p型歐姆電極107的Au-Be合金膜的厚度約為2μm。
在形成n型歐姆電極106后，沿與襯底100的[1.-1.0]和[-1.-1.0]晶向相同的方向，在(100)-GaAs單晶襯底100上設置網(wǎng)格狀的切割線，并沿著切割線切割襯底，從而制造具有正方形平面圖(400μm×400μm)的LED芯片20。
當使正向電流(20mA)在n型歐姆電極106與p型歐姆電極107之間流動時，評價LED芯片20。發(fā)現(xiàn)LED芯片20發(fā)射具有610nm的中心發(fā)射波長的紅-橙光，這是希望的。觀測到的發(fā)射光的近場圖形表明由除了設置在各芯片20的中心處的n型歐姆電極106外的區(qū)域發(fā)射的光具有基本上均勻的強度。
以上結果表明，根據(jù)本發(fā)明，無需象在常規(guī)技術中為了獲得器件工作電流在發(fā)光面內的擴散所采用的在包覆層的表面上有意設置多個小歐姆電極，可以在發(fā)光層103的寬區(qū)域內均勻地獲得器件工作電流的擴散。通過典型的積分球確定的發(fā)射的光的亮度約為44mcd。
在用作電流擴散層和窗口層的組分漸變層108中，帶隙從電流擴散層表面向發(fā)光層103逐漸地減小。因此，20mA正向電流下的正向電壓降低至2.3V，并且發(fā)現(xiàn)10μA反向電流下的反向電壓為8V。
工業(yè)適用性本發(fā)明的LED可以用作具有各種發(fā)射波長的III-V族化合物半導體發(fā)光層的化合物半導體LED。具體地說，獲得高亮度的本發(fā)明的LED可以用作用于顯示設備的LED、用于電子裝置例如光通信裝置的LED。
權利要求
1.一種化合物半導體發(fā)光二極管，包括由III-V族化合物半導體構成的發(fā)光層以及設置在所述發(fā)光層上并由III-V族化合物半導體構成的電流擴散層，其特征在于，所述電流擴散層由導電的基于磷化硼的半導體構成，并且所述電流擴散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
2.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層由選自一磷化硼、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷中的至少一種構成。
3.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層的室溫帶隙與所述發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異為0.1eV或更大。
4.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。
5.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述電流擴散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
6.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括在所述電流擴散層與所述發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導體構成的包覆層，以及所述包覆層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙并等于或窄于所述電流擴散層的室溫帶隙。
7.根據(jù)權利要求6的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述包覆層由包含鋁、鎵和銦的III-V族化合物半導體構成，以及所述電流擴散層由包含選自鋁、鎵和銦中的至少一種的基于磷化硼的半導體構成。
8.根據(jù)權利要求6或7的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括具有組分梯度并由基于磷化硼的半導體構成的組分漸變層，以及所述組分漸變層用作所述電流擴散層和所述包覆層。
9.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中所述發(fā)光層由用組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)表示的鋁鎵銦磷混合晶體構成，以及所述電流擴散層和所述包覆層中的至少一者由沒有有意地對其添加雜質元素的未摻雜的基于磷化硼的半導體構成。
10.根據(jù)權利要求1的化合物半導體發(fā)光二極管，其中歐姆接觸電極被接合到所述電流擴散層或所述組分漸變層。
全文摘要
一種化合物半導體發(fā)光二極管，包括由III－V族化合物半導體構成的發(fā)光層以及設置在所述發(fā)光層上并由III－V族化合物半導體構成的電流擴散層，其特征在于，所述電流擴散層由導電的基于磷化硼的半導體構成，并且所述電流擴散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
文檔編號H01L33/30GK1934717SQ20058000807
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權日2004年3月15日
發(fā)明者竹內良一, 宇田川隆 申請人:昭和電工株式會社