專利名稱：發(fā)光半導(dǎo)體器件及其制造這種半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含具有第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體基片的半導(dǎo)體本體的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，在所述半導(dǎo)體基片上至少依次存在第一導(dǎo)電型的下部涂層、活性層、以及第二導(dǎo)電型的上部涂層，活性層和至少一個涂層(以下稱為第一涂層)含有彼此不同的半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體材料各含有至少兩個具有兩個亞晶格的二元化合物，不同元素的原子并排出現(xiàn)在至少一個亞晶格(以下稱為第一亞晶格)上。本發(fā)明還涉及制造發(fā)光半導(dǎo)體二極管的方法，用以在第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基片上至少依次形成第一導(dǎo)電型的下部涂層、活性層，以及第二導(dǎo)電型的上部涂層，為活性層及以下稱為第一涂層的至少一個涂層選擇彼此不同的半導(dǎo)體材料，所述每種半導(dǎo)體材料含有至少兩個二元化合物的混合晶體并具有兩個亞晶格，在至少一個亞晶格(以下稱為第一亞晶格)上形成不同元素的原子。
這種發(fā)光二極管特別是如果發(fā)射波長處在光譜的可見部分時，是適合的輻射源，而如果構(gòu)造為二極管激光器則可用于諸如用其寫信息的激光打印機(jī)的信息處理系統(tǒng)、諸如由其讀出信息的小型盤(視頻)(CD(V))唱機(jī)或條形碼讀出器的光盤系統(tǒng)以及用以讀和寫信息的數(shù)字光學(xué)記錄(DOR)系統(tǒng)。在光電系統(tǒng)中對于這種二極管的發(fā)光二極管(LED)形式也可能有各種應(yīng)用。
由K.Kobayashi等人發(fā)表在IEEE Joural of Quantum Electronics，vol.QE-23，no.6，1987年6月，第704頁上的文章“具有由金屬有機(jī)物汽相外延生長的AlGaInP活性層的AlGaInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)可見光激光二極管”可以知道這種發(fā)光二極管及其制造方法。在該文章中，描述了一種含有置于兩涂層之間n型砷化鎵基片上的活性層的發(fā)光半導(dǎo)體二極管?；钚詫雍偷谝煌繉?該情況下為兩個涂層)含有彼此不同的半導(dǎo)體材料，該情況下分別為InGaP和InAlGAP，所述材料各含有至少兩個二元化合物的混合晶體，在該情況下準(zhǔn)確地說活性層兩個及第一涂層3個，即磷化銦、磷化鋁及磷化鎵，并具有兩個亞晶格，即兩個f.C.C.(面心立方)晶格，其中存在形成二元化合物的原子，此處一方面為銦、鋁及鎵原子，另一方面為磷原子，而不同元素的原子、在該情況下即活性層的銦和鎵原子以及第一涂層的銦、鋁和鎵原子并排出現(xiàn)在至少一個亞晶格上、在這種情況下即其上出現(xiàn)銦、鋁及鎵原子的那一亞晶格。在這里構(gòu)造為激光器的發(fā)光半導(dǎo)體二極管中，存在一個帶形區(qū)，它被用作諧振腔并且當(dāng)電流以正向偏置方向通過時可在其內(nèi)部由活性InGaP中的pn結(jié)產(chǎn)生電磁輻射。已知的二極管激光器在700℃或更低的生長溫度制造并包含砷化鎵過渡層。在這種情況下構(gòu)造為激光器的二極管的輻射波長約為670nm(即光致發(fā)光波長為660nm，其對應(yīng)于約1.88eV的帶隙)。
已知的半導(dǎo)體二極管激光器的缺點(diǎn)是它的最大工作溫度比較低。這特別依賴于初始電流的溫度相關(guān)性。初始電流(I)以下列方式與溫度相關(guān)I/I0＝exp((T+△T)/T0)，其中I0是0℃時的初始電流、T是散熱器溫度、△T是活性區(qū)升高溫度，T0是所謂的特征溫度。在從30至60℃的溫度范圍內(nèi)，對于已知二極管激光器該特征溫度T0一般為75直至90k最大值，而對于例如GaAs/AlGaAs激光器T0值可為150k，這意味著初始電流隨溫度升高增加要少得多。T0值直接與激光諧振腔內(nèi)的光和電耗損有關(guān)并且由于活性層與一個或兩個涂層之間帶隙上的差別的增加而可能增加。這可通過例如增加活性層的鋁含量而達(dá)到，但由于這些層的間接性而效果甚微，并且隨后對涂層、特別是足夠穩(wěn)定的P型涂層進(jìn)行摻雜更困難。
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種發(fā)光半導(dǎo)體二極管(尤其是半導(dǎo)體二極管激光器)，其沒有上述缺點(diǎn)或至少使該缺點(diǎn)降低到更低的程度，即具有比較低的初始電流溫度相關(guān)性。本發(fā)明還有一個目的是提供制造這種發(fā)光二極管的簡單方法。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識，即通過使用與為改變半導(dǎo)體材料帶隙而改變組成不同的另一可能性來達(dá)到預(yù)期目的。
按照本發(fā)明，開篇所描述類型的發(fā)光半導(dǎo)體二極管對這種用途來說其特征在于活性層中第一亞晶格上不同元素原子的分布比其在第一涂層中更大程度上是有序的，還在于至少對于活性層半導(dǎo)體材料的更有序分布導(dǎo)致帶隙減小。實(shí)驗(yàn)證明某些含有二元化合物混合晶體的半導(dǎo)體材料的帶隙隨該混合晶體亞晶格中不同元素原子的有序程度而變當(dāng)有序程度低時，即當(dāng)亞晶格上不同元素原子的分布更隨機(jī)時，混合晶體恒定組成的帶隙相對較高。當(dāng)產(chǎn)生適合的、更有序的分布時，即伴隨著帶隙的減小。在按照本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管中含有更有序活性層和更無序第一涂層的組合，前者將具有比較低的帶隙而后者將具有比較高或至少未減小的帶隙。這樣，與活性層和第一涂層以同樣方式有序化或不成序并達(dá)到相同程序的情況相比較帶隙差異增加。由于較大帶隙差異的結(jié)果使激光器二極管具有較低損耗，導(dǎo)致大的T0值。本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的制造方法的特征在于形成第一涂層及活性層期間的生長條件這樣來進(jìn)行選擇，即以活性層中比第一涂層中更有序的分布在第一亞晶格上形成不同元素的原子，還在于通過使分布更有序減小各種半導(dǎo)體材料的帶隙。業(yè)已發(fā)現(xiàn)諸如生長速率、生長溫度以及Ⅴ/Ⅲ比率之類的生長條件影響混合晶體中的有序程度。Ⅴ/Ⅲ比率是生長期間提供的Ⅴ族元素量與提供的Ⅲ族元素量之比。獲得更好滿足所述要求的半導(dǎo)體二極管激光器，是由于從這些生長條件中選擇一個或幾個條件，從而在活性層生長期間建立更有序分布，以及在第一涂層生長期間建立更隨機(jī)的分布。
在本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的第一實(shí)施例中，其中兩個亞晶格是f.C.C，(面心立方)型，第一涂層中第一亞晶格上不同元素原子的分布基本上完全是隨機(jī)的，而活性層中的這種分布是較為有序的。已知道與所謂CuAu或CuPt結(jié)構(gòu)的成序類似的較有序分布發(fā)生在具有f.C.C.結(jié)構(gòu)的許多半導(dǎo)體材料的混合晶體內(nèi)。在這種更有序分布情況下，對照第一亞晶格上不同元素原子的基本上完全無序分布的帶隙減小發(fā)生在這些半導(dǎo)體材料中。因此在InGaP/InAlGaP材料系統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族二元化合物混合晶體中觀察到CuPt結(jié)構(gòu)方向上的更有序分布。然后在(111)面內(nèi)，更準(zhǔn)確說在1/2(111)和1/2(111)平面內(nèi)出現(xiàn)有序化。由于InGaP活性層與第一InAlGaP涂層之間在有序化上的差異，本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管中這些層之間帶隙上的差別比較穩(wěn)固地增加，這導(dǎo)致大T0值。T0的增加是非常有利的，尤其對于那些仍為較短波的二極管激光器。如果使InAlGaP第一涂層盡可能無序，并含有例如30原子百分比的鋁，則帶隙約為2.3eV。如果InGaP活性層具有相當(dāng)嚴(yán)格的排序，帶隙可能下降到低如約1.84eV而非約1.94eV。這種達(dá)0.1eV的減小增加了從0.4eV至0.5eV的帶隙差，這大約增長了25%。處在所述狀態(tài)之間含有InGaP的活性層的更低程度排序仍可導(dǎo)致T0值的有益改善。因此對具有1.86eV帶隙的活性InGaP層得出130k的T0值，這比這種材料系統(tǒng)中已知二極管激光器更有利。1.86eV帶隙值具有另一優(yōu)點(diǎn)，即二極管激光器的輻射波長仍然比較低不是大約650nm而是大約670nm，這對許多應(yīng)用來講是適宜的波長。應(yīng)注意一般二極管激光器的輻射波長比在光致發(fā)光測量中發(fā)現(xiàn)的波長高約10nm。在最佳實(shí)施例中，基片含有GaAs并在底側(cè)形成導(dǎo)電層，而在上部涂層上依次出現(xiàn)InGaP或AlGaAs中間層以及GaAs接觸層，這些層為第二導(dǎo)電型，半導(dǎo)體本體含有鄰接其表面的臺面成型帶，至少含有接觸層并由延伸到臺面成形帶之外并在該帶之外與位于其下之層形成構(gòu)成阻擋層的結(jié)的另一導(dǎo)電層覆蓋。該實(shí)施例具有較好的電流限制，也有利于高工作溫度的低初始電流，另外易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明方法的第一實(shí)施例，其中選擇Ⅲ-Ⅴ族化合物為二元化合物，其特征在于將生長溫度及提供的v族元素量與提供的Ⅲ族元素量之比(以下稱之為Ⅴ/Ⅲ比率)選擇為生長條件。在影響混合晶體中有序化程度的長生條件中，比如生長溫度，Ⅴ/Ⅲ比率以及生長速率，發(fā)現(xiàn)前兩者在實(shí)用中最合適。在第一變型中，第一涂層和活性層提供有恒定的Ⅴ/Ⅲ比率，在比較高生長溫度形成第一涂層，在通常生長溫度下形成活性層。以這種方法第一涂層中第一亞晶格上的元素分布達(dá)高度隨機(jī)性，而活性層中的這種分布是相當(dāng)強(qiáng)的有序分布。因此這些層之間的帶隙差異比較大，至少比以已知方法大，從而這些層在相同溫度下形成。InGaP和InAlGaP的通常生長溫度約為700℃。當(dāng)?shù)谝煌繉釉诩s760℃形成及活性層在約700℃形成、而兩個層的Ⅴ/Ⅲ比率均保持在約300時可獲得有效的結(jié)果。在又一變型中，在大為升高的生長溫度和通常Ⅴ/Ⅲ比率下形成第一涂層，而在略為升高的生長溫度下并以增加的Ⅴ/Ⅲ比率形成活性層。已發(fā)現(xiàn)低Ⅴ/Ⅲ比率、例如低于100給出恰如高生長溫度的增加的無序程度。在第一涂層形成期間生產(chǎn)溫度升高比較大時，在該涂層中引起更大程度的無序?；钚詫由L期間Ⅴ/Ⅲ比率的增加促進(jìn)其有序性。活性層形成期間生長溫度的微小增加確實(shí)具有對該層成序適得其反的效果，但它保持活性層與第一涂層之間所限制的溫度差值，這促進(jìn)對該層與第一涂層之間界面安全的快速升溫或降溫。在該變型中最好選擇生長溫度對第一涂層來講約為760℃，對活性層約為730℃，而選擇活性層生長期間的Ⅴ/Ⅲ比率約為700。在又一變型中，在相同溫度形成第一涂層與活性層，該溫度比通常溫度略為升高，而活性層形成期間Ⅴ/Ⅲ比率增加?；钚詫由L期間Ⅴ/Ⅲ比率的增加促進(jìn)其有序性。在這種情況下由于活性層形成期間Ⅴ/Ⅲ比率增加的結(jié)果而獲得活性層與第一涂層間有序化的差異。生長溫度為恒定的事實(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)在生長過程中不需要加熱或冷卻。在該變型中最好將第一涂層和活性層的生長溫度選擇為約730℃，而活性層生長期間的Ⅴ/Ⅲ比率最好選擇為約700。當(dāng)在按照本發(fā)明的方法中半導(dǎo)體層利用MOVPE(金屬有機(jī)物汽相外延)生長技術(shù)時可獲得尤為有利的結(jié)果。過渡層如同接觸層6含有例如GaAs，但最好是對于具有比較高無序程度的第一涂層有至少約為6原子百分比的鋁含量和對于具有基本上無序分布的第一涂層有至少約為9原子百分比的鋁含量的GaAlAs。因此有可能在較高生長溫度(對于具有至少6原子百分比鋁的過渡層的生長溫度為例如730℃，對具有至少9原子百分比鋁的過渡層為例如760℃)形成半導(dǎo)體層、尤其是第一涂層，而這些層的晶體質(zhì)量和表面幾何形狀保持良好。有半過渡層的更具體說明讀者可參見由本申請人同時提交的序號為PHN 13.335的荷蘭專利申請。
下面參照三個實(shí)施例和附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。附圖中

圖1以橫截面示出本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的一個實(shí)施例;
圖2和圖3以橫截面示出在制造中的連接階段中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管;
圖4示出在本發(fā)明第一實(shí)施例中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體本體制造期間隨時間變化的生長溫度和Ⅴ/Ⅲ比率;
圖5示出在本發(fā)明方法第二實(shí)施例中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體本體制造期間隨時間變化的生長溫度和Ⅴ/Ⅲ比率;
圖6示出在本發(fā)明方法第三實(shí)施例中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體本體制造期間隨時間變化的生長溫度和Ⅴ/Ⅲ比率。
這些圖是示意性的并未按比例繪制，為更清楚起見在厚度方向特別放大。各實(shí)例中的相應(yīng)部分一般以相同標(biāo)號標(biāo)出。相同導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)一般以同樣方向畫陰影線為原則。
圖1為橫截面示出本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的第一實(shí)施例。該半導(dǎo)體二極管包含具有基片區(qū)1的半導(dǎo)體本體，該基片區(qū)配備有連接導(dǎo)體8并為第一(在該場合下)n導(dǎo)電型并在該實(shí)例中由單晶砷化鎵組成。其上依次加有n導(dǎo)電型的下部涂層2、活性層3、以及相反的即此處為p導(dǎo)電型的上部涂層4。活性層3以及第一涂層(在該情況下兩個涂層(2，4))含有互不相同的半導(dǎo)體材料、在該情況下分別為InGaP和InAlGaP，它們各含有至少兩個二元化合物的混合晶體，在該情況下準(zhǔn)確地說活性層3有兩個及第一涂層(2，4)有三個，即InP、AlP及GaP，并具有兩個亞晶格，即兩個f.C.C.晶格，其中存在形成二元化合物的原子，此處一方面為銦、鋁及鎵原子，另一方面為磷原子，而不同元素的原子、在該情況下即活性層3的銦和鎵原子以及第一涂層(2，4)的銦、鋁和鎵原子并排出現(xiàn)在至少一個亞晶格上、在這種情況下即其上出現(xiàn)銦、鋁及鎵原子的那一亞晶格。按照本發(fā)明，不同元素原子的分布，在該情況下即第一亞晶格(此處為Ⅲ族元素f.c.c.晶格)上的活性層3的In和Ga原子以及第一涂層(2，4)的In、Al和Ga原子在活性層3中比在第一涂層(該情況下含下部涂層2及上部涂層4二者)中更嚴(yán)格地有序，該情況下為InGaP的活性層3半導(dǎo)體材料的這種更有序分布導(dǎo)致帶隙減小。在該實(shí)施例中第一亞晶格上不同元素原子的分布在第一涂層(2，4)中基本上是隨機(jī)的，而活性層3內(nèi)第一亞晶格上不同元素原子的分布為更穩(wěn)固的有序分布。按照本發(fā)明，結(jié)果活性層3與第一涂層(2，4)之間的帶隙差異較大。因此本發(fā)明半導(dǎo)體二極管初始電流的溫度相關(guān)性比較小，從而它具有大的最大工作溫度，而約為670nm輻射波長仍在光可見譜范圍內(nèi)。在670nm輻射波長得出該實(shí)施例激光二極管的130kT0值。對于活性層3和第一涂層(2，4)均為無序的可比激光二極管T0值為110k。對應(yīng)50μm寬激光所得出的T0值分別為110k與90k。按照本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器實(shí)際上具有比兩個活性區(qū)寬度的已知半導(dǎo)體二極管激光器要更高的T0。在上部涂層的頂部具有相反類型此處為p導(dǎo)電型并由InGaP制成的中間層5以及也為相反類型、此處為P導(dǎo)電型并在該情況下由GaAs制成、形成臺面成形帶12的接觸層6。在該臺面成形帶上施加導(dǎo)電層7，該層形成與臺面成形帶12之外的下面的中間層5構(gòu)成阻擋層的結(jié)。盡管當(dāng)導(dǎo)電層7和8包括在電流回路中時在一定電壓下沒有或基本上沒有電流流過，在半導(dǎo)體本體中仍由此形成帶形區(qū)14和15。在半導(dǎo)體本體內(nèi)存在臺面成形帶12構(gòu)成其部分的帶形區(qū)13，其中存在一個pn結(jié)，該pn結(jié)在正向偏置方向有足夠高電流的情況下引起電磁輻射發(fā)出。由于導(dǎo)電層7與接觸層6具有良好電接觸，區(qū)13形成電子電流的最佳通路。在該實(shí)例中發(fā)光半導(dǎo)體二極管構(gòu)成為增益引導(dǎo)型二極管激光器?？紤]到作為二極管激光器的結(jié)構(gòu)，以兩個位于圖平面并與形成半導(dǎo)體本體的晶體的自然解理表面重合的平行鏡象表面垂直于縱方向地接合臺面成形帶12。這樣在活性層3的帶形區(qū)13中形成用于已產(chǎn)生的輻射的諧振腔。含有其帶隙處在上部涂層4帶隙與接觸層6帶隙之間的材料的中間層5一方面用作將這些層之間帶隙上的差異分為兩個近似相等的級，如果這些差異應(yīng)比較大，從而該二極管的電流-電壓特性得到改善，而另一方面用于與形成帶形區(qū)12外阻擋層的導(dǎo)電層7形成最佳可能結(jié)。象接觸層6一樣，過渡層含有例如GaAs，但它最好包含其鋁含量至少等于列入第一涂層帶隙的最小值的GaAlAs。在該實(shí)施例中，過渡層的鋁含量約為25原子百分比。第一涂層可具有非常輕微有序度，因?yàn)樵搶?由于這樣的過渡層)可在比較高的溫度形成而仍獲得良好晶體和表面幾何特性。在本實(shí)例中下列組成、摻雜劑密度和厚度用于各個半導(dǎo)體層。
層號 半導(dǎo)體 類型 摻雜濃度 厚度 帶隙(原子/cm3)(μm)1 GaAs(基片) N 2×1018350 1，411 Al0，2Ga0，8As N 2×10180，1 1，72 In0，5Al0，3Ga0，2P N 2×10180，8 2，33 In0，5Ga0，5P - 0，08 1，94 In0，5Al0，3Ga0，2P P 4×10170，8 2，35 In0，5Ga0，5P P 1×10180，1 1，96 GaAs P 2×10180，5 1，4臺面成形帶12的寬度約為5或50μm。本實(shí)例中基片1上的導(dǎo)電層8是具有約1000埃厚度的金鍺鎳層。該實(shí)例中的導(dǎo)電層7是厚度分別約為1000、500和2500埃的鉑、鉭及金層。
所描述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管按照本發(fā)明制造如下(見圖2和3)。初始材料是具有每立方厘米2×108個原子的摻雜濃度和例如350μm厚度的單晶n型砷化鎵(001)基片1。在對該表面拋光和蝕刻之后，借助于OMVPE(有機(jī)金屬汽相外延)依次由例如氣體相在該表面上生長以下各層含鋁量為20%(原子)和摻雜濃度約為2×1018原子/cm3的0.5μm厚n型AlGaAs層11，摻雜濃度約2×1018原子/cm3的0.8μm厚n型In0，5Al0，30Ga0，20P層2，0.08μm厚In0，49Ga0，51P層3，摻雜濃度約為每立方厘米4×1017原子的0.8μm厚P型In0，5Al0，30Ga0，20P層4，摻雜濃度約為1×1018原子/cm3的0.08μm厚P型In0，49Ga0，51P層5，以及摻雜濃度約為1×1018原子/cm3的0.5μm厚p型GaAs層6。在這之上形成1μm厚掩膜層10，例如為其縱軸與圖2作圖平面成直角的帶形式的光阻材料。該圖是所得結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。在按照本發(fā)明的方法中，為活性層3和至少一個涂層(2，4)(以下稱為第一涂層)選擇相互不同的半導(dǎo)體材料，在這種情況下活性層3為InGaP，第一涂層(2，4)為InAlGaP，每種各含有至少2個二元化合物的混合晶體，該情況下活性層3為InP和GaP，第一涂層(2，4)為InP、AlP和GaP，具有兩個亞晶格，即兩個f.c.c.晶格，其中存在形成二元化合物的原子，這里一方面是In、Al和Ga原子另一方面是P原子，而不同元素原子、這里為活性層3的In和Ga原子以及第一涂層(2，4)的In、Al和Ga原子并排出現(xiàn)在至少一個亞晶格上，在該情況下即其上存在In、Al和Ga原子的亞晶格。按照本發(fā)明，第一涂層(2，4)和活性層3形成期間的生長條件這樣來選擇，即以活性層3中比第一涂層(2，4)更有序的分布在第一亞晶格上形成不同元素原子，從而使活性層半導(dǎo)體材料(這里為由InGaP組成)的帶隙減小。在該實(shí)例中，這可用本發(fā)明的方法獲得，其中取生長溫度為下列生長條件在第一涂層(2，4)(該情況下兩個涂層)長生期間，設(shè)定生長溫度Tg為比通常值要大的值，即約760℃，而在活性層3生長期間設(shè)定約為700℃的通常溫度。在活性層3和第一涂層(2，4)二者中的Ⅴ/Ⅲ比率在生長期間保持不變。圖4示出在本發(fā)明方法第一實(shí)施例中該實(shí)例發(fā)光半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體本體制造期間隨時間變化的生長溫度與Ⅴ/Ⅲ比率。水平(時間)軸上的時刻t2和t3標(biāo)出下部涂層2生長的起點(diǎn)和終點(diǎn)，上部涂層的相應(yīng)時刻t4和t5，而對于活性層3它們?yōu)閠3和t4。虛線20指出在左邊垂直軸上讀到的生長溫度值。所作直線21給出在右邊垂直軸上指出的Ⅴ/Ⅲ比率。由于第一涂層(2，4)生長期間比較高的生長溫度，第一亞晶格上不同元素原子(這里為In、Al及Ga)的分布基本上為隨機(jī)，因此第一涂層(2，4)的半導(dǎo)體材料比較大。在活性層3生長期間，比較低的生長溫度導(dǎo)致該層半導(dǎo)體材料的有序性。結(jié)果，本發(fā)明方法的這一實(shí)施例引起第一涂層(2，4)和活性層3之間帶隙差異比較大，以致于該實(shí)例的發(fā)光半導(dǎo)體二極管具有上述有利特征。諸如VPE(汽相外延)或MBE(分子束外延)一類的其它生長技術(shù)也可選擇為生長技術(shù)。
隨后在圖2的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)中對臺面成形帶12進(jìn)行蝕刻(見圖3)，借助力以含有比率為2∶1∶50的NH3、H2O2和H2O其蝕刻速率在室溫下約為0.7μm/min的蝕刻劑除去GaAs接觸層6，正好在下面的In0，50Ga50P中間層此處用作蝕刻防護(hù)層。經(jīng)除出掩膜10由此獲得該結(jié)構(gòu)的純化之后，借助于例如噴鍍在基片1上形成導(dǎo)電層8，該層含有厚度為1000埃的金鍺鎳層(見圖1)。最后，例如借助于同樣技術(shù)在該結(jié)構(gòu)的上表面形成導(dǎo)電層7，例如由厚度各為約1000、約500、以及約2500埃的鉑、鉭及金層組成。以一般已知的方式解理基片之后，各個發(fā)光半導(dǎo)體二極管(在這種情況下為指數(shù)引導(dǎo)型二極管激光器)準(zhǔn)備好作最后封固。
圖5和圖6以類似于圖4的方式示出按照本發(fā)明方法的兩個另外的實(shí)施例中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體本體制造期間作為時間函數(shù)的生長溫度Tg和Ⅴ/Ⅲ比率。在對應(yīng)于圖5的實(shí)施例中，在比較高的溫度例如760℃生長涂層2，4，而在略為升高的約730℃溫度生長活性層3。如同在相應(yīng)于圖4的方法中的情形，除了由生長溫度引起的成序差別，有序化結(jié)果上的差別是較小的，因?yàn)闇囟炔钪递^小。但是，這具有在活性層3與涂層2及4之間可更快地發(fā)生溫度轉(zhuǎn)變的優(yōu)點(diǎn)，由此改進(jìn)活性層3與涂層2及4之間交界面的質(zhì)量。為增加有序化程度上的差異，Ⅴ/Ⅲ比率也用于作為生長條件，用之來影響該實(shí)施例中的有序化。在活性層3生長期間Ⅴ/Ⅲ比率設(shè)定為大約700，從而促進(jìn)活性層中的成序。涂層2，4利用約300的Ⅴ/Ⅲ比率。在對應(yīng)于圖6的實(shí)施例中，同時在略為提高的例如730℃生長溫度生長涂層2，4以及活性層3。這具有在活性層3與涂層2及4之間不必改變溫度的優(yōu)點(diǎn)，因此活性層3與涂層2及4之間的交界面為最佳。在該變型中，Ⅴ/Ⅲ比率僅用于作為用于實(shí)現(xiàn)第一涂層(2，4)與活性層3之間有序化差異的生長條件。在活性層3生長期間設(shè)定約700的Ⅴ/Ⅲ比率。而涂層2，4使用約300的Ⅴ/Ⅲ比率。由Ⅴ族元素或化合物以及Ⅲ族元素或化合物的氣流值決定的Ⅴ/Ⅲ比率可非常快地設(shè)定為不同值，因此可實(shí)際上連續(xù)地持續(xù)發(fā)生生長過程，這對交界面質(zhì)量是有益的。
本發(fā)明并未限制于給出的實(shí)施例，因?yàn)樵诒景l(fā)明范圍內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠作出許多修改和變型。因此，可以利用不同于上述實(shí)施例中所提到的那些的其它半導(dǎo)體材料或其它所選半導(dǎo)體材料的混合物?？赡艿慕ㄗh是Ⅱ-Ⅵ族材料與用其能夠在藍(lán)色光譜范圍內(nèi)輻射的該材料的混合晶體。也有可能替換(同時地)所有導(dǎo)電類型為其相反型。
根據(jù)應(yīng)用場合，可選擇本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的LED型式或激光器型式。盡管初始電流以及特別是T0值的概念一般僅用于具有以最大工作溫度為特征目的的激光二極管，本發(fā)明也可有利地用在LED的情況下，特別是所述超發(fā)光LED。在激光器形式中，可使用增益引導(dǎo)和指數(shù)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。最后，應(yīng)注意在實(shí)施例中所用的形成半導(dǎo)體層的方法也可是不同于MOVPE技術(shù)的其它方法。因此，除MOVPE之還可應(yīng)用MOMBE(金屬有機(jī)物分子束外延)，MBE(分子束外延)、或VPE(汽相處延)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光半導(dǎo)體二極管，它含有具有第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體基片的半導(dǎo)體本體，在所述半導(dǎo)體基片上至少依次存在第一導(dǎo)電型的下部涂涂層、活性層、以及第二導(dǎo)電型的上部涂層，活性層和至少一個涂層一以下稱為第一涂層含有彼此不同的半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體材料各含有至少兩個具有兩個亞晶格的二元化合物，不同元素的原子并排出現(xiàn)在至少一個亞晶格一以下稱為第一亞晶格上。其特征在于活性層中第一亞晶格上不同元素原子的分布比在第一涂層中具有更大程度的有序性，還在于至少活性層半導(dǎo)體材料的更為有序的分布導(dǎo)致帶隙減小。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其中兩個亞晶格為面心立方型，其特征在于第一涂層中第一亞晶格上不同元素原子的分布基本上是完全隨機(jī)的，而活性層中的分布較為有序。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其中二元化合物是Ⅲ-Ⅴ族化合物，其特征在于活性層含有InGaP或InAlGaP，以及涂層含有其鋁含量比活性層或InAlP要高的InAlGaP。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于基片含有砷化鎵并在底側(cè)形成導(dǎo)電層，而在上部涂層上依次出現(xiàn)InGaP或AlGaAs中間層以及GaAs接觸層，這些層為第二導(dǎo)電型，半導(dǎo)體本體含有鄰接其表面的臺面成型帶，至少含有接觸層并由延伸到臺面成形帶之外并在該帶之外與位于其下之層形成構(gòu)成阻擋層的結(jié)的另一導(dǎo)電覆蓋。
5.如權(quán)利要求3或4所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于在基片與下部涂層之間存在AlGaAs過渡層，該過渡層的鋁含量至少具有屬于第一涂層有序化的最小值。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層鋁含量至少為約6原子百分比。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層鋁含量至少約為9原子百分比。
8.制造如權(quán)利要求1所述發(fā)光半導(dǎo)體二極管的方法，用以在第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體基片上至少依次形成第一導(dǎo)電型的下部涂層、活性層以及第二導(dǎo)電型的上部涂層，為活性層以及以下稱之為第一涂層的至少一個涂層選擇彼此不同的半導(dǎo)體材料，所述每種半導(dǎo)體材料含有至少兩個二元化合物的混合晶體并具有兩個亞晶格，在至少一個亞晶格-以下稱為第一亞晶格上形成不同元素的原子，其特征在于形成第一涂層及活性層期間的生長條件這樣來進(jìn)行選擇，即以活性層中比第一涂層中更有序的分布在第一亞晶格上形成不同元素的原子，各種半導(dǎo)體的帶隙被更有序的分布減小。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中選擇Ⅲ-Ⅴ族化合物為二元化合物，其特征在于將生長溫度以及所提供Ⅴ族元素量與所提供Ⅲ族元素之比-以下稱之為Ⅴ/Ⅲ比率選擇為生長條件。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于活性層由InGaP或InAlGaP制成，涂層由InAlGaP制成。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于第一涂層和活性層提供有恒定的Ⅴ/Ⅲ比率，在比較生長溫度形成第一涂層，在通常生長溫度下形成活性層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于第一涂層在大約760℃形成，活性層在約700℃形成，而Ⅴ/Ⅲ比率保持在約300。
13.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于在升高的生長溫度和通常Ⅴ/Ⅲ比率情況下形成第一涂層，而活性層在略為升高的生長溫度和增加的Ⅴ/Ⅲ比率情況下形成。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于第一涂層在760℃和約300的Ⅴ/Ⅲ比率下形成，活性層在730℃和約700的Ⅴ/Ⅲ比率下形成。
15.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于在比常溫略為升高的恒定生長溫度形成第一涂層和活性層，而在形成活性層期間Ⅴ/Ⅲ比率增大。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所選生長溫度約為730℃，活性層形成期間Ⅴ/Ⅲ比率選為約700。
17.如權(quán)利要求8至16中任何一項所述的方法，其特征在于借助于MOVPE-金屬有機(jī)物汽相外延-形成第一涂層和活性層，而基片的選擇定向?yàn)?001)面定向。
全文摘要
一種包含具有半導(dǎo)體基片的半導(dǎo)體本體的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，所述基片上存在下部涂層、活性層及上部涂層，每層各含有形成混合晶體的不同半導(dǎo)體材料。活性層的混合晶體比兩涂層的更為嚴(yán)格地有序。這使這些層之間帶隙差異大于已知二極管。因此本發(fā)明二極管具有比較高T0值和高的最大工作溫度。一種制造這種二極管的方法，通過在半導(dǎo)體層形成期間改變生長溫度或所提供元素的數(shù)量比率獲得活性層與涂層之間的有序程度差異。由此獲得具有要求特征的二極管。
文檔編號H01S5/22GK1056956SQ9110344
公開日1991年12月11日 申請日期1991年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月23日
發(fā)明者阿德里安·瓦爾斯特, 庫恩·T·H·F·利登包姆 申請人:菲利浦光燈制造公司