專利名稱：發(fā)光半導(dǎo)體器件及其制造方法
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)電型的第一涂層、活性層、以及第二導(dǎo)電型的第二涂層，所述涂層含有磷化銦鋁鎵(InAlGaP)以及活性層含有磷化銦鎵(InGaP)或磷化銦鋁鎵(InAlGap)作為半導(dǎo)體材料，每種半導(dǎo)體材料包含具有兩個(gè)亞晶格的混合晶體，其中一個(gè)亞晶格上存在磷原子而在另一個(gè)亞晶格上存在另一元素的原子，并且第一導(dǎo)電型的過渡層配置在基片與第一涂層之間。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)電型的砷化鎵半導(dǎo)體基片上至少依次形成第一導(dǎo)電型磷化銦鋁鎵的第一涂層、磷化銦鎵的活性層、以及第二導(dǎo)電型磷化銦鋁鎵的第二涂層，在涂敷第一涂層之前先形成過渡層。
特別是如果發(fā)射波長(zhǎng)處在光譜的可見部分時(shí)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)以及用以讀寫信息的數(shù)字光學(xué)記錄(DOR)系統(tǒng)。在光電系統(tǒng)中對(duì)于這種二極管的發(fā)光二極管(LED)形式也存在各種應(yīng)用。
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(yè)上的文章“具有由金屬有機(jī)物汽相外延生長(zhǎng)的AlGaInP活性層的AlGaInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)可見光激光二極管”中可以知道這種發(fā)光二極管及其制造方法。在該文章中，描述了一種發(fā)光半導(dǎo)體二極管，InGaP活性層出現(xiàn)在兩個(gè)InAlGaP涂層之間的n型砷化鎵基片上。這些層的半導(dǎo)體材料各包含兩個(gè)亞晶格的混合晶體，所述兩個(gè)亞晶格中的一個(gè)上存在磷原子而另一個(gè)亞晶格上存在另一元素的原子，在這種情況下在另一亞晶格上存在活性層的銦(In)和鎵(Ga)原子以及涂層的銦(In)、鋁(Al)和鎵(Ga)原子。GaAs過渡層存在于基片與第一涂層之間。這里構(gòu)造為激光器的二極管的發(fā)射波長(zhǎng)約為670nm(即光致發(fā)光的波長(zhǎng)約為660nm，其對(duì)應(yīng)于大約1.88eV的帶隙)。
已知發(fā)光半導(dǎo)體二極管的不足之處在于用實(shí)驗(yàn)方法找到的發(fā)射波長(zhǎng)比理論上所預(yù)期的要大，例如，InGaP活性層的預(yù)計(jì)波長(zhǎng)約為650nm，而實(shí)際上常常發(fā)現(xiàn)大約為670nm或更長(zhǎng)。在含有InGaAlP的涂層情況下也發(fā)生類似現(xiàn)象，其中實(shí)驗(yàn)上得出的帶隙小于理論上所預(yù)計(jì)的帶隙?；钚詫雍屯繉拥膸毒赏ㄟ^增加這些層的鋁含量而增加。這種可能性是受限制的，尤其對(duì)于包含間接半導(dǎo)體材料的涂層。因?yàn)殇X的逐步增加導(dǎo)致帶隙愈來愈小的增加，并且涂層的攙雜變得更困難。就活性層來說，另一可能性是使后者更薄，然而這使得制造更困難。用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)利用取向錯(cuò)誤的基片、例如(311)或(511)基片使實(shí)驗(yàn)帶隙(由此使發(fā)射波長(zhǎng))更加接近于理論上的預(yù)計(jì)值。但是利用取向錯(cuò)誤的基片更昂貴并具有限制諧振空腔縱方向選擇的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的尤其是提供一種發(fā)光半導(dǎo)體二極管，特別是半導(dǎo)體二極管激光器，它不存在所述缺點(diǎn)或至少達(dá)到相當(dāng)?shù)统潭?，因此將涂層的最低可能發(fā)射波長(zhǎng)與最大可能帶隙相結(jié)合。本發(fā)明的另一目的是實(shí)現(xiàn)一種具有對(duì)應(yīng)于二極管激光器的約650nm波長(zhǎng)(則光致發(fā)光波長(zhǎng)約640nm)帶隙約等于1.94eV的含InGaP的活性層的二極管。具體地說，本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)在正好等于氦氖氣體激光器波長(zhǎng)的633nm波長(zhǎng)發(fā)射的二極管。本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供制造這種發(fā)光半導(dǎo)體二極管的一種簡(jiǎn)單方法。
按照本發(fā)明，用于該目的的開篇所描述類型的發(fā)光半導(dǎo)體二極管的特征在于過渡層含有其鋁含量至少有一屬于活性層帶隙的最小值的AlGaAs。發(fā)現(xiàn)帶隙未能達(dá)到理論上所希望值是由發(fā)生在涂層和活性層混合晶體中的Ⅲ族元素晶體(亞)晶格中的成序引起的。很顯然這種成序發(fā)生在各種材料的混合晶體中是可能的，對(duì)于這里所用材料，成序發(fā)生在1/2(111)A平面中并類似所謂CuPt結(jié)構(gòu)成序。除了基片定向之外，發(fā)現(xiàn)如生長(zhǎng)溫度一類的生長(zhǎng)條件影響是否發(fā)生這種成序。特別是在比較高生長(zhǎng)溫度時(shí)，很少或沒有成序發(fā)生，因此所形成層的帶隙最大。然而，當(dāng)使用已知過渡層時(shí)，在高溫制造的InGaP或InAlGaP半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)是弱的，這對(duì)發(fā)光半導(dǎo)體二極管的質(zhì)量是非常不利的。意外地找到含有AlGaAs而鋁含量高于或等于屬于活性層帶隙的最小值的過渡層使得有可能在高過常用溫度的情況下應(yīng)用磷化銦鎵(InGaP)或磷化銦鋁鎵(InAlGaP)層，結(jié)果其它亞晶格上剩余元素的原子具有更混亂的分布，但還是獲得有非常良好表面幾何形狀和晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層。因此所獲得半導(dǎo)體層具有對(duì)應(yīng)于其它亞晶格上剩余元素的原子的更隨機(jī)分布。這意味著對(duì)于此處所用的半導(dǎo)體材料來說(例如In0，49Ga0，51P)具有約1.85eV的帶隙(具有高度有序的結(jié)構(gòu))和基本上完全混亂分布的約1.94eV的帶隙，對(duì)應(yīng)于約680-650nm的發(fā)射波長(zhǎng)。例如在In0，50Al0，10Ga0，25的情況下帶隙約為2.05eV(基本上完全混亂場(chǎng)合)而對(duì)于In0，50Al0，30Ga0，20其為2.3eV，這比在有序結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的相同材料的帶隙值要大。例如，對(duì)帶隙約為1.88ev的InGaP活性層來說，過渡層的鋁原子最小含量約為6原子百分比(6%(原子))對(duì)其帶隙約為1.92eV的InGaP活性層來說，過渡層的鋁最小含量為9原子百分比。未發(fā)現(xiàn)AlGaAs過渡層的鋁含量上限。然而，最好選擇鋁含量小于100原子百分比，因?yàn)榧兩榛X是相當(dāng)吸濕的，這在待形成的解理表面暴露于空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。為保持良好導(dǎo)電性，鋁含量可盡一步降低到相當(dāng)?shù)碗娮杪嗜匀豢赡艿哪切┖?。沒有找到過渡層厚度的下限具有6埃厚度及20%鋁含量的過渡層也是非常令人滿意的，用0.1與1μm之間過渡層厚度得到了良好的結(jié)果。應(yīng)注意在文章“639nm第一有序DFB InGaP/AlGaInP激光器結(jié)構(gòu)的建造和光學(xué)特性”(Electronics Letters，1990年4月26日，vol.26，no.9第614頁(yè))中所描述的裝置中雙異質(zhì)(DH)結(jié)構(gòu)與亞晶格之間存在AlGaAs層。但是，該文章未涉及發(fā)光二極管，因?yàn)椴淮嬖趐n結(jié)，也沒有規(guī)定的或建議鋁含量。此外，由InGaP發(fā)射的特定波長(zhǎng)(即對(duì)應(yīng)于1.85ev帶隙的670nm光致發(fā)光波長(zhǎng))顯而易見InGaP具有其它亞晶格上剩余元素原子的非常穩(wěn)定的有序分布(在指定作為二極管激光器的方式下發(fā)射波長(zhǎng)約為680nm)。在本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管中，所用基片可以是(基本上精確定向的)(001)基片，如上面所解釋的，這是一重要優(yōu)點(diǎn)。最好利用砷化鎵基片，但其它的基片(例如硅基片)也可替換使用。在最佳實(shí)施例中，該基片含有砷化鎵，其較低側(cè)形成的一導(dǎo)電層，磷化銦鎵或砷化鋁鎵的中間層及砷化鎵的接觸層(這些層為第二導(dǎo)電型)依次出現(xiàn)于上部涂層，半導(dǎo)體本體含有鄰接其表面的臺(tái)面成形帶，該帶至少含有接觸層并用延伸至臺(tái)面成形帶之外超過該帶與位于其下的層形成構(gòu)成阻擋層的結(jié)的另一導(dǎo)電層覆蓋。在該實(shí)施例中，電流非常有效地限制于位于臺(tái)面成形帶之下的活性區(qū)域，這促進(jìn)低起始電流。該實(shí)施例具有發(fā)光半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并非常易于制造的另外優(yōu)點(diǎn)不需掩膜步驟即可形成其它導(dǎo)電層。為實(shí)現(xiàn)盡可能小的波長(zhǎng)，最好使用包含具有InGaP勢(shì)阱層和InAlGaP阻擋層的多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的活性層。為獲得波長(zhǎng)的實(shí)際增加，本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管不需要非常薄的層厚度在大約4至6nm之間的勢(shì)阱和阻擋層就已足夠薄故相當(dāng)易于制造。因此按照本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管制造為633nm發(fā)射波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)等于氦氖氣體激光器的波長(zhǎng)，其中用由厚度約4nm阻擋層分隔的約5nm厚度的8個(gè)InGaP勢(shì)阱層形成活性層。涂層形成對(duì)分隔限制層有25%(原子)鋁含量，對(duì)涂層有35%(原子)鋁含量的所謂分隔限制異質(zhì)(SCH)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明制造發(fā)光半導(dǎo)體二極管方法的特征在于為過渡層所選的半導(dǎo)體材料是具有至少等于屬于活性層帶隙的最小值的鋁含量的砷化鋁鎵，而選擇生長(zhǎng)溫度高于700℃。以這種方式增進(jìn)了在出現(xiàn)這些元素的亞晶格上非磷元素的原子分布的無序，從而得到具有所要求特性的二極管。由于比較高的溫度，則獲得具有優(yōu)良特性、例如良好表面幾何形狀、良好晶體結(jié)構(gòu)、良好分界面的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。最好選擇至少730℃的生長(zhǎng)溫度，而用MOVPE(金屬有機(jī)物汽相外延)作為生長(zhǎng)技術(shù)以大約760℃的溫度獲得最佳結(jié)果。約6%(原子)的過渡層的最小鋁含量屬于約730℃的生長(zhǎng)溫度。在760℃時(shí)最小鋁含量是大約9%(原子)。在該過程中，所選基片最好為(001)基片，在形成半導(dǎo)體期間提供的Ⅲ族和Ⅴ族元素的數(shù)量之比選擇在約100與400之間。已發(fā)現(xiàn)這些Ⅴ/Ⅲ比率對(duì)在所形成半導(dǎo)體層的混合晶體中獲得最大可能無序是有用的。
下面參照兩個(gè)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(gè)實(shí)施例;
圖2和圖3以橫截面示出在制造的連續(xù)階段中圖1發(fā)光半導(dǎo)體二極管;
圖4示出在活性層中含有9%(原子)的鋁并在700℃生長(zhǎng)溫度下制造的本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的光輸出與電流的關(guān)系曲線;
圖5示出在活性層中含有0%(原子)的鋁并在760℃生長(zhǎng)溫度下制造的本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的光輸出與電流關(guān)系曲線;
圖6示出在生長(zhǎng)在含有砷化鋁鎵的過渡層上的含有磷化銦鋁鎵半導(dǎo)體層的雙晶體測(cè)量時(shí)隨過渡層鋁含量變化的004反射的半值寬度，這些層在760℃溫度生長(zhǎng)。
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(hào)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以橫截面示出本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的第一實(shí)施例。該半導(dǎo)體二極管包含具有配備有連接導(dǎo)體8的基片區(qū)1的半導(dǎo)體本體，該基片區(qū)為第一(在該場(chǎng)合下)n導(dǎo)電型并在該實(shí)例中由單晶砷化鎵組成。在該基片上配置有特別含有n-InAlGaP第一涂層2、InGaP活性層3以及P-InAlGaP第二涂層4的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。在這些混合晶體中的磷原子存在于一個(gè)亞晶格上，而剩余元素的原子出現(xiàn)在另一亞晶格上。按照本發(fā)明，砷化鋁鎵(AlGaAs)的過渡層11出現(xiàn)在基片區(qū)1與第一涂層2之間，鋁含量至少具有屬于InGaP活性帶隙的最小值。在該實(shí)例中InGaP層(厚)的帶隙約為1.92eV，而過渡層的最小鋁含量約為9%(原子)。該實(shí)例中使用大約20%(原子)的過渡層鋁含量。因此，出現(xiàn)在過渡層11以上的諸層可以給出為令人滿意地操作二極管所需的特性，而它們?cè)诒容^高的溫度形成因此這些層可具有特別優(yōu)良的表面幾何形狀、良好晶體特性(由雙晶體測(cè)量中特別小線寬顯而易見)、以及諸如強(qiáng)而窄發(fā)光峰的優(yōu)良光學(xué)特性。歸因于過渡層11上半導(dǎo)體層形成期間的比較高溫度，其它亞晶格上Ⅲ族元素的分布具有盡可能無序的特性，因此InGaP的活性層(銦和鎵原子的分布)帶隙是比較高的，例如1.92eV，這樣波長(zhǎng)則比較低，同樣地結(jié)論對(duì)InAlGap的涂層2、4也成立，例如在35%(原子)鋁含量時(shí)具有大約2.3eV的帶隙，因此得到的二極管具有對(duì)溫度依賴性小的起始電流。在本實(shí)例中，涂層2和5含有0.8nm厚的次層2′和4′，該次層包含In0，5Al0，35Ga0，15P，以及25nm厚的次層2″和4″(所謂分隔限制層)，其包含In0，5Al0，25Ga0，25P，而活性層3含有具有八個(gè)5nm厚InGaP勢(shì)阱層、相互以7個(gè)4nm厚的In0，5Al0，25Ga0，25P層隔開的多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)。結(jié)果，盡管量小勢(shì)阱層的厚度比較大，本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管具有特別低的在本實(shí)例中為633nm的發(fā)射波長(zhǎng)，并構(gòu)成在相同波長(zhǎng)發(fā)射的氦氖氣體激光器的很好的替換。氦氖氣體激光器比二極管激光器更昂貴和耐用，但也耗費(fèi)更多的能量。允許量子勢(shì)阱層相當(dāng)厚的事實(shí)是上述無序分布并伴有相當(dāng)大帶隙的結(jié)果。在本實(shí)例中含有AlGaAs的過渡層包含20%(原子)的鋁。該實(shí)例中過渡層的厚度為0.1μm。在第二涂層4之上，存在相反的、在該場(chǎng)合下為p導(dǎo)電型、此處由磷化銦鎵制成的中間層5，以及也是相反的在該情況下為P導(dǎo)電型并由砷化鎵制成形成臺(tái)面成形帶12的接觸層6。在該臺(tái)面成形帶之上提供有導(dǎo)電層7，該層形成一個(gè)結(jié)，該結(jié)與位于其之下在臺(tái)面成形帶12之外的中間層5構(gòu)成阻擋層。因此當(dāng)導(dǎo)電層7和8包括在電流回路中時(shí)，在一定電壓下沒有或幾乎沒有電流流過鄰近臺(tái)面成形帶12的半導(dǎo)體本體中區(qū)域13和14。在半導(dǎo)體本體內(nèi)，存在帶形區(qū)13，臺(tái)面成形帶12構(gòu)成它的一部分，在該區(qū)中存在一個(gè)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)成為二極管激光器，更具體地說為增益引導(dǎo)型。這表示在足夠高電流強(qiáng)度時(shí)發(fā)射是相干的?？紤]到二極管激光器的結(jié)構(gòu)，以兩個(gè)位于圖平面的平行鏡象表面垂直于縱方向接合臺(tái)面成形帶12，所述表面與形成半導(dǎo)體本體的晶體的自然解理表面重合。這導(dǎo)致在活性層3中的帶形區(qū)13內(nèi)部形成所產(chǎn)生輻射的諧振空腔。該實(shí)例的二極管激光器可以容易地制造并具有很低的輻射波長(zhǎng)以及小的起始電流溫度相關(guān)性，因此有高的最大工作溫度。下列組分，摻雜劑密度和厚度用于本實(shí)施例的各種半導(dǎo)體層。
層號(hào) 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′ In0，5Al0，35Ga0，15P N 2×10180，8 2，32″ In0，5Al0，25Ga0，25P N 2×10180，025 2，153 In0，5Ga0，5P(8x)5nm+In0，5Al0，25Ga0，25P(7x)4nm4″ In0，5Al0，25Ga0，25P P 4×10170，025 2，154′ In0，5Al0，35Ga0，15P P 4×10170，8 2，35 In0，5Ga0，5P P 1×10180，1 1，96 GaAs P 2×10180，5 1，4臺(tái)面成形帶12的寬度約為7μm。本實(shí)施例中基片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)。起始點(diǎn)是具有每立方厘米2×108個(gè)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。將具有(001)定向的表面進(jìn)行拋光和蝕刻之后，則在該表面上進(jìn)行生長(zhǎng)，按一定次序借助于有機(jī)金屬汽相外延(OMVPE)由氣體相在該表面上生長(zhǎng)n導(dǎo)電型0.5μm厚的層11，相對(duì)此按照本發(fā)明選出具有至少其最小值屬于活性層帶隙的鋁含量的砷化鋁鎵以及至少約700℃的生長(zhǎng)溫度。對(duì)應(yīng)此處所選擇的大約760℃生長(zhǎng)溫度必須選擇至少約9%(原子)的過渡層鋁含量。在本實(shí)例中，選擇約20%(原子)的鋁含量。后面的半導(dǎo)體層在相同的約760℃高溫形成。這其中的優(yōu)點(diǎn)是不必變換溫度，因而簡(jiǎn)化了該方法并改善兩相接合半導(dǎo)體層之間界面的質(zhì)量。后者具有下列優(yōu)點(diǎn)在有關(guān)亞晶格上盡可能無序地分布后面層的Ⅲ族元素，從而這些層的帶隙取其最大值。在該實(shí)例中，選擇過渡層11的摻雜濃度約為每立方厘米2×1018個(gè)原子。在Ⅴ/Ⅲ比率保持在100與400之間的情況下，按次序形成下列具有2×1018原子/cm3摻雜濃度的0.8μm厚n型In0，5Al0，35Ga0，15P層2′，具有約2×1018原子/cm3摻雜濃度的25nm厚的n型In0，5Al0，25Ga0，25P層2″，含有8個(gè)5nm厚的In0，49Ga0，51P層交替具有7個(gè)4nm厚In0，5Al0，25Ga0，25P層的活性層3，具有約4×1017原子/cm3摻雜濃度的25nm厚p型In0，5Al0，25Ga0，25P層4″，具有約4×1017原子/cm3的摻雜濃度的0.8μm厚p型In0，5Al0，35Ga0，15P層4′，具有1×1018原子/cm3摻雜濃度的0.08μm厚p型In0，49Ga0，51P層5，以及具有約1×1018原子/cm3摻雜濃度的0.5μm厚p型GaAs層6。在頂部形成1μm厚掩膜層10，例如為帶形光阻材料，其縱軸與圖2作圖平面成直角，這表示垂直于所得出結(jié)構(gòu)縱方向的圖示截面。此后，將一臺(tái)面形帶12蝕刻進(jìn)圖2的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)(見圖3)，借助于蝕刻率在室溫下約為0.7μm/min、以2∶1∶50的比率包含NH3，H2O2和H2O的蝕刻劑除去GaAs接觸層6。在這期間下面的In0，50Ga0，50P中間層5用作蝕刻防護(hù)層。經(jīng)除去掩膜10故純化該結(jié)構(gòu)之后借助于例如噴鍍?cè)诨?上形成導(dǎo)電層8，該層含有厚度為1000埃的金諸鎳層(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，例如由厚度分別為約1000、約500、以及約2500埃的鉑、鉭及金層組成。經(jīng)解理之后，各個(gè)發(fā)光半導(dǎo)體二極管(在這種情況下為增益引導(dǎo)型二極管激光器)準(zhǔn)備好作最后封固。對(duì)更多細(xì)節(jié)讀者可參見由申請(qǐng)人同時(shí)提交的序號(hào)為PHN13，336的荷蘭專利申請(qǐng)。上述有相當(dāng)高生長(zhǎng)溫度(該實(shí)例中約760℃)的優(yōu)點(diǎn)借助圖4和圖5說明。
圖4示出光輸出(P)與通過發(fā)光半導(dǎo)體二極管的電流(I)的關(guān)系曲線，所述半導(dǎo)體二極管在約0.1μm厚的InAlGaP的活性層3中含有9%(原子)的鋁，其AlGaAs過渡層含約25%(原子)的鋁，InAlGaP涂覆層2和4含約35%(原子)的鋁，并在700℃生長(zhǎng)溫度制造。曲線41、42和43分別表示在20、40和50℃的P-I特性。圖5示出其結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于圖4二極管結(jié)構(gòu)的按照本發(fā)明的發(fā)光半導(dǎo)體二極管的光輸出(P)與電流的關(guān)系曲線。僅有的差別在于活性層3的鋁含量，此處為0%(原子)，還在于圖5的二極管是在760℃生長(zhǎng)溫度下制造。曲線51、52、53、54和55表示分別在20、40、60、80和90℃的P-I特性。圖4以及圖5二極管的發(fā)射波長(zhǎng)約為650nm。圖5與圖4特性的比較表示前者更為有用在20℃的初始電流(曲線51和41)近似為一樣大，這是事實(shí)，但圖4初始電流比圖5中初始電流隨溫度增加增長(zhǎng)更快。盡管圖4中早在50℃就達(dá)到120mA的初始電流(曲線43)，圖5中情況卻并非如此直到90℃(曲線55)。因此圖5的發(fā)光半導(dǎo)體二極管在與圖4二極管基本上同樣波長(zhǎng)時(shí)(即約650nm)比圖4的發(fā)光半導(dǎo)體二極管具有更高的最大工作溫度。這種比較證明包含具有至少約9%(原子)鋁含量的AlGaAs的過渡層的存在使得有可能將生長(zhǎng)溫度增加到具有有效結(jié)果的760℃一個(gè)有效結(jié)果特別是比較低的發(fā)射波長(zhǎng)，對(duì)于含InGaP的活性層這里約為650nm，其對(duì)應(yīng)于大約640nm(Eg＝1.94eV)的光致發(fā)光波長(zhǎng)。而且很顯然當(dāng)生長(zhǎng)溫度保持在通常值時(shí)，在活性層中應(yīng)用鋁并不構(gòu)成減少發(fā)射波長(zhǎng)的等價(jià)可能性。盡管在活性層鋁含量為9%(原子)時(shí)以這種方式也獲得650nm激光波長(zhǎng)，但這種二極管的P-I特性更為不佳。過渡層鋁含量對(duì)生長(zhǎng)于其上的晶體質(zhì)量的影響可在圖6中看到。
圖6示出在含有砷化銦鎵的半導(dǎo)體層的雙晶體測(cè)量中并生長(zhǎng)在含有砷化鋁鎵的過渡層上隨該過渡層鋁含量X變化的004反射的半值寬度△ω，所用基片為(001)GaAs基片。生長(zhǎng)溫度為760℃。虛線61給出作為過渡層以原子%為單位的鋁含量X的函數(shù)、以弧度秒為單位的半值寬度△φ的推導(dǎo)。圖6表明當(dāng)過渡層鋁含量從約8%(原子)增加到9%(原子)時(shí)這種半導(dǎo)體層的晶體質(zhì)量大有改進(jìn)。與圖6類似的結(jié)論對(duì)約730℃生長(zhǎng)溫度也成立此處在過渡層中0和5.6%(原子)鋁含量的情況下觀察有限寬反射，而對(duì)應(yīng)6.5%(原子)或更高鋁含量觀察到窄反射。這意味著對(duì)于伴有約1.88eV InGaP帶隙的該生長(zhǎng)溫度，過渡層的最小鋁含量約為6%(原子)。如前面所指出的，含有少于100%(原子)鋁的過渡層對(duì)實(shí)用來講為最佳。
本發(fā)明不限制于這里給出的實(shí)施例，因?yàn)樵诒景l(fā)明范圍內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員可作出許多修改和變更。因此可使用不同于實(shí)例中所提到的其它所選半導(dǎo)體材料的組成也可使用具有包含InAlGaP的活性層的發(fā)光半導(dǎo)體二極管。導(dǎo)電類型也可由它們的相反類型(同時(shí)地)全部代替。當(dāng)考慮最大生長(zhǎng)溫度時(shí)，應(yīng)注意在790℃比在約760℃產(chǎn)生更為無序的分布，但在790℃產(chǎn)生涉及半導(dǎo)體層表面幾何形狀的那些問題。在這期間所用的過渡層鋁含量約為25%(原子)。剩下的生長(zhǎng)條件的最佳選擇以及在比760℃更高生長(zhǎng)溫度精確確定過渡層最小鋁含量得到可使用本發(fā)明方法的最大生長(zhǎng)溫度的指示。
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，可選擇本發(fā)明發(fā)光半導(dǎo)體二極管的發(fā)光二極管(LED)形式或激光器形式。在激光器形式中，可使用增益引導(dǎo)(gain-guided)和指數(shù)引導(dǎo)(index-guided)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之外還可應(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)電型的第一涂層、活性層、以及第二導(dǎo)電型的第二涂層，所述涂層含有磷化銦鋁鎵(InAlGaP)以及活性層含有磷化銦鎵(InGaP)或磷化銦鋁鎵(InAlGap)作為半導(dǎo)體材料，每種半導(dǎo)體材料包含具有兩個(gè)亞晶格的混合晶體，其中一個(gè)亞晶格上存在磷原子，而在另一個(gè)亞晶格上存在另一元素的原子，并且第一導(dǎo)電型的過渡層配置在基片與第一涂層之間，其特征在于過渡層含有其鋁含量至少為屬于活性層帶隙的最小值的砷化鋁鎵(AlGaAs)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層的最小鋁含量為6原子百分比，而In0，49Ga0，51P活性層的帶隙約為1.88eV。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層的最小鋁含量為9原子百分比，而In0，49Ga0，51P活性層的帶隙約為1.92eV。
4.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層的厚度至少是一個(gè)單層厚。
5.如前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于過渡層的厚度約為0.1到1μm。
6.如前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其中基片含有砷化鎵，其特征在于基片的晶體定向是(001)面定向。
7.如前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)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)形成有導(dǎo)電層，在上部涂層按次序存在磷化銦鎵或砷化鋁鎵的中間層以及砷化鎵的接觸層，這些層是第二導(dǎo)電型的，半導(dǎo)體本體含有鄰接其表面的臺(tái)面成形帶，該帶至少含有接觸層并以另一導(dǎo)電層涂覆，該導(dǎo)電層延伸到臺(tái)面成形帶外部并超過該帶形成一個(gè)與置于其下之層構(gòu)成阻擋層的結(jié)。
8.如前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于活性層含有具有磷化銦鎵勢(shì)阱層和磷化銦鋁鎵阻擋層的多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于磷化銦鎵勢(shì)阱層的厚度處在約4與6nm之間。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管，其特征在于活性層含有以約4nm厚阻擋層分隔的8個(gè)約5nm厚的勢(shì)阱層，而涂層各含有鄰接活性層的次層并如阻擋層一樣具有約0.25的鋁含量，而其它具有約0.35的鋁含量。
11.一種制造如權(quán)利要求1所述的發(fā)光半導(dǎo)體二極管的方法，用以在第一導(dǎo)電型的砷化鎵半導(dǎo)體基片上至少依次形成第一導(dǎo)電型磷化銦鋁鎵的第一涂層、磷化銦鎵的活性層、以及第二導(dǎo)電型磷化銦鋁鎵的第二涂層，在涂敷第一涂層之前先形成過渡層，其特征在于為過渡層所選的半導(dǎo)體材料是鋁含量至少等于屬于活性層帶隙的最小值的砷化鋁鎵，而選擇生長(zhǎng)溫度高于700℃。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于選擇至少約為730℃的生長(zhǎng)溫度并選擇至少約6原子百分比的過渡層鋁含量。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于選擇至少約為760℃的生長(zhǎng)溫度并選擇至少約9原子百分比的過渡層鋁含量。
14.如權(quán)利要求11、12或13所述的方法，其中選擇用于在基片上形成諸層的技術(shù)是MOVPE-金屬有機(jī)物汽相外延-技術(shù)，其特征在于所述基片是(001)基片，所選生長(zhǎng)溫度是約為760℃的生長(zhǎng)溫度，以及所選Ⅴ/Ⅲ族比率約在100與400之間。
全文摘要
一種包含具有第一導(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，所述基片上至少存在第一導(dǎo)電型過渡層、第一導(dǎo)電型第一涂層、活性層及第二導(dǎo)電型第二涂層。其中過渡層含有砷化鋁鎵，鋁含量至少為屬于活性層帶隙的最小值。因此活性層在例如650nm波長(zhǎng)發(fā)射而半導(dǎo)體層仍具有良好晶體質(zhì)量和表面幾何形狀。當(dāng)活性層為具有比較厚勢(shì)阱層的多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)時(shí)它甚至在633nm發(fā)射。在本發(fā)明方法中，利用比較高的生長(zhǎng)溫度和具有適當(dāng)鋁含量的過渡層。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1056771SQ9110346
公開日1991年12月4日 申請(qǐng)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(kù)恩·T·H·F·利登包姆 申請(qǐng)人:菲利浦光燈制造公司