專利名稱：具有高發(fā)光效率的半導(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，特別是涉及一種具有由AlGaInP材料制造的發(fā)光層的發(fā)光二極管。
應(yīng)予注意，術(shù)語“AlGaInp材料”是指(AlxGa1-x)1-yInyP的混晶比x，y在0≤x，y≤1的范圍變化的材料。
(AlxGa1-x)1-yInyP材料在In的混晶比y＝0.51時呈現(xiàn)與GaAs襯底的晶格匹配。而且，在In的混晶比y＝0.51時，當Al的混晶比在x＝0-0.7的范圍時，該材料變?yōu)橹苯榆S遷(direct transition)式，在從紅到綠的寬波長范圍可以獲得高亮度的發(fā)光。結(jié)果，近來(AlxGa1-x)1-yInyP材料開始廣泛用做發(fā)光二極管的材料。作為這種(AlxGa1-x)1-yInyP族發(fā)光二極管，例如圖8所示，已知的一種是在n型GaAs襯底212上，一個接一個地層疊n型GaAs過渡層211、n型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層203、非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210、p型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層205和p型GaP電流擴散層206。為了有效地把注入載流子俘獲進有源層210，包覆層203、205的帶隙設(shè)置成大于有源層210的帶隙(DH(雙異質(zhì)結(jié))結(jié)構(gòu))。此外，在GaAs襯底212的底表面設(shè)置n-側(cè)電極207，在電流擴散層206的頂表面設(shè)置p-側(cè)電極208。由于In的混晶比y設(shè)置成y＝0.51，其處于與GaAs襯底晶格匹配的范圍，所以發(fā)光的(AlxGa1-x)1-yInyP材料(有源層210和包覆層203、205)的結(jié)晶性變好。結(jié)果，正如從圖9A所示的能帶可見，有源層210的導(dǎo)帶底部(能量值Ec)附近和價帶頂部(能量值Ev)附近均呈拋物線狀，如圖9B所示，導(dǎo)帶和價帶中載流子的態(tài)密度G(E)的峰值P10、P20分別大致為這些帶的帶端Ec、Ev。因此，(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210本身可以呈現(xiàn)相當高的內(nèi)量子效率(這里指在p-n結(jié)周圍電轉(zhuǎn)換為光的效率)。
但是，對于圖8的結(jié)構(gòu)，由于GaAs襯底212的帶隙是1.42eV(電子伏特)，發(fā)射的紅至綠光被吸收，以致光輸出降低至小于一半，這成為問題。當光發(fā)射材料由GaP、GaAsP、AlGaAs等制成時，由于GaAs襯底對發(fā)光波長是透明的，所以不可能發(fā)生因光被襯底吸收而導(dǎo)致的問題。但是，在發(fā)光材料由(AlxGa1-x)1-yInyP制成時，就使用GaAs襯底來說，這種光將會被襯底吸收，以致其外量子效率(這是指向外取出光的效率，有時簡單稱為“效率”或“發(fā)光效率”)將降低。
為了避免光被襯底吸收，已經(jīng)提出一種發(fā)光二極管，如

圖10所示，其中在n型GaAs襯底301上，一個接一個地層疊n型GaAs過渡層311、n型分布布拉格反射(DBR)層313、n型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層303、非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層310、p型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層305和p型GaP電流擴散層306(應(yīng)用物理通訊(Appl.Phys.Lett.)，第61卷，第15冊，(1992)，1775-1777頁)。此發(fā)光二極管中，將通過以適當?shù)膶雍穸冉惶娼M合兩種折射率不同的半導(dǎo)體層而形成的DBR層313設(shè)置在GaAs襯底301與n型包覆層303之間，以使有源層310發(fā)出的光被DBR層313向上反射，從而不到達GaAs襯底301側(cè)。而且，已經(jīng)提出了一種發(fā)光二極管，如圖11所示，其通過在未示出的GaAs襯底上一個接一個地層疊n型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層403、非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層410、p型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層405和p型GaP電流擴散層406的步驟而制成，通過腐蝕去除GaAs襯底，然后用包覆層403的暴露表面(結(jié)部分)420與對紅至綠的發(fā)光波長是透明的GaP襯底(具有2.27eV帶隙)414接合(應(yīng)用特理通訊(Appl.Phys.Lett.)，第64卷，第21冊，(1994)，2839-2841頁)。
但是，對于圖10的發(fā)光二極管，從有源層310向下發(fā)出的光不會全部被DBR層313反射，以致部分光將被DBR層313透射，并被GaAs襯底301吸收。結(jié)果，這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率僅能比圖8的發(fā)光二極管提高約1.5倍。
同時，圖11的發(fā)光二極管存在接合GaP襯底414的技術(shù)困難，這不適于批量生產(chǎn)。
在這些背景下，還提出了一種技術(shù)方案，即不在GaAs襯底上生長(AlxGa1-x)1-yInyP材料，而是在可以透過(AlxGa1-x)1-yInyP材料的發(fā)光波長(650-550nm)的襯底上生長，典型地是在上述Gap襯底(具有2.27eV帶隙)上生長。亦即，如圖6所示，提出了一種發(fā)光二極管的構(gòu)思，其中在n型GaP襯底上生長n型GaInP過渡層104、n型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層103、非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層110、p型(AlxGa1-x)1-yInyP包覆層105和p型GaP電流擴散層106。
但是，如圖5所示，在5.451的GaP晶格常數(shù)附近，不存在(AlxGa1-x)1-yInyP材料可以直接躍遷的區(qū)域。因此，即使呈現(xiàn)與GaP襯底晶格匹配的(AlxGa1-x)1-yInyP材料已在GaP襯底101上生長，也不可期望高效率地發(fā)光。另一方面，由于GaAs襯底的5.653晶格常數(shù)比GaP襯底的5.451晶格常數(shù)約大3.6％，當呈現(xiàn)與GaAs襯底晶格匹配的(AlxGa1-x)1-yInyP材料103、110和105已生長于GaAs襯底101上時，在生長的(AlxGa1-x)1-yInyP材料103、110和105中的所謂的不匹配位錯(因晶格不匹配而產(chǎn)生的位錯)會增加，以致于即使插入設(shè)置GaInP過渡層104以緩和晶格常數(shù)之差，非發(fā)光的復(fù)合中心也會隨著發(fā)光的躍遷幾率的降低而增多。亦即，由于在襯底上生長晶格常數(shù)不同的晶體，所以在生長的晶體晶格周期中會發(fā)生擾動，以致不能存在確定的禁帶。結(jié)果，如圖7A所示，無論是有源層110的導(dǎo)帶底部(Ec)附近，還是價帶頂部(Ev)附近，均不是拋物線形狀，但每個均具有約幾十meV的拖尾(tail)，如圖7B所示，以致拖尾的尖端(tip end)Ec#、Ev#(位置不必確定)分別脫離導(dǎo)帶和價帶中的載流子的態(tài)密度G(E)的峰值P10、P20。結(jié)果，注入的載流子不易于在帶端Ec、Ev附近復(fù)合，以致發(fā)光躍遷幾率變小。因此，對于通過在GaP襯底101上生長呈現(xiàn)晶格與GaAs襯底匹配的(AlxGa1-x)1-yInyP材料103、110和105從而制備的直接躍遷式發(fā)光二極管，難以獲得高的發(fā)光效率。實際上，其發(fā)光效率與圖8的發(fā)光二極管相比低兩個數(shù)量級以上。
這樣，即使半導(dǎo)體襯底對于發(fā)光波長是透明的，以晶格與半導(dǎo)體襯底失配的狀態(tài)而生長發(fā)光層(有源層)的半導(dǎo)體發(fā)光器件也存在不能獲得高效率發(fā)光的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中以與半導(dǎo)體襯底晶格失配的狀態(tài)在該半導(dǎo)體襯底上形成發(fā)光層(有源層)，由此可以獲得高效率發(fā)光。
具體地講，本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，在GaP襯底上形成產(chǎn)生于(AlxGa1-x)1-yInyP材料的本源材料的發(fā)光層，由此在紅至綠的波長區(qū)域可以獲得高效率的發(fā)光。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，以與半導(dǎo)體襯底晶格失配的狀態(tài)，在半導(dǎo)體襯底上形成發(fā)光層，該發(fā)光層所發(fā)波長的光基本不被半導(dǎo)體襯底吸收，其中，
采用起發(fā)光復(fù)合中心作用的至少一種雜質(zhì)對用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料摻雜。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，起發(fā)光復(fù)合中心作用的雜質(zhì)，能在遠離用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料的禁帶端的位置和在禁帶中形成雜質(zhì)能級。此時，即使用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料的帶端因與半導(dǎo)體襯底晶格失配而具有拖尾，但通過雜質(zhì)能級的發(fā)光復(fù)合也不易于受拖尾的影響。因此，提高了內(nèi)量子效率。而且，由發(fā)光層發(fā)出的光基本不被半導(dǎo)體襯底吸收，亦即，在半導(dǎo)體襯底中不發(fā)生這種會引起從價帶頂部向?qū)У撞寇S遷的光吸收，從而也不降低外量子效率。因此，整體上提高了發(fā)光效率。
在一個實施例中，發(fā)光層包含兩種雜質(zhì)，包括形成施主能級(donor level)的第一雜質(zhì)和形成受主能級(acceptor level)的第二雜質(zhì)。
本實施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在由第一雜質(zhì)形成的施主能級與由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間發(fā)生發(fā)光復(fù)合。因此，內(nèi)量子效率高于僅包含第一雜質(zhì)或第二雜質(zhì)之一這兩種情況，以致整體發(fā)光效率進一步提高。
一個實施例中，由第一雜質(zhì)形成的施主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，而由第二雜質(zhì)形成的受主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料價帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)。
此時，用做發(fā)光層的基本材料的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶端和價帶端，分別是指在以與半導(dǎo)體襯底晶格匹配的狀態(tài)形成發(fā)光層的情況下的導(dǎo)帶端和價帶端。亦即，由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級由用做基本材料的半導(dǎo)體材料的原始帶端限定。
本實施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由第一雜質(zhì)形成的施主能級距離用做基本材料的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶端30meV以上，由第二雜質(zhì)形成的受主能級距離用做基本材料的半導(dǎo)體材料價帶端30meV以上。結(jié)果，即使用做基本材料的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶端和價帶端均因半體襯底與發(fā)光層之間的晶格失配而具有約幾十meV的拖尾，但由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合也幾乎不受拖尾的影響。而且，由第一雜質(zhì)形成的施主能級位于距離用做基本材料的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶端200meV以內(nèi)，由第二雜質(zhì)形成的受主能級位于距離用做基本材料的半導(dǎo)體材料價帶端200meV以內(nèi)。因此，這些第一和第二雜質(zhì)分別有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合而進一步提高了內(nèi)量子效率。由此，整體上進一步提高了發(fā)光效率。
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，包括AlGaInP材料作為基本材料的發(fā)光層以與GaP襯底晶格匹配的狀態(tài)生長于GaP襯底上，其中，采用作為形成施主能級的第一雜質(zhì)的氮、氧、硒、硫或碲，和作為形成受主能級的第二雜質(zhì)的鎂、鋅或鎘，對用做發(fā)光層基本材料的AlGaInP材料摻雜。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，氮、氧、硒、硫或碲作為第一雜質(zhì)，在距離用做基本材料的AlGaInP材料導(dǎo)帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，形成施主能級，而鎂、鋅或鎘在距離用做基本材料的AlGaInP材料價帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，形成受主能級。由第一雜質(zhì)形成的施主能級距離用做基本材料的AlGaInP材料導(dǎo)帶端300meV以上，由第二雜質(zhì)形成的受主能級距離用做基本材料的AlGaInP材料價帶端30meV以上。因此，即使用做基本材料的AlGaInP材料的導(dǎo)帶端和價帶端均因GaP襯底與發(fā)光層之間的晶格失配而具有約幾十meV的拖尾，但由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合也幾乎不受拖尾的影響。而且，由第一雜質(zhì)形成的施主能級位于距離用做基本材料的AlGaInP材料導(dǎo)帶端200meV以內(nèi)，由第二雜質(zhì)形成的受主能級位于距離用做基本材料的AlGaInP材料價帶端200meV以內(nèi)。因此，這些第一和第二雜質(zhì)分別有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合而進一步提高了內(nèi)最子效率。此外，與由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的禁帶寬度對應(yīng)的發(fā)光層發(fā)出的從紅至綠的波長的光基本不被GaP襯底吸收(GaP襯底對于AlGaInP材料的發(fā)光波長650nm-550nm是透明的)。因此，外量子效率也不會降低。因而，整體上發(fā)光效率被提高，在從紅至綠的波長范圍內(nèi)可以獲得高亮度發(fā)光。
從以下參照附圖給出的具體說明將可更全面地了解本發(fā)明，該說明和附圖僅僅是示意性的，并不對本發(fā)明進行限制。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的帶狀態(tài)圖和載流子的態(tài)密度分布圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的帶狀態(tài)圖和載流子的態(tài)密度分布圖；圖5是發(fā)光層和襯底的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)和禁帶寬度之間的關(guān)系圖；圖6是GaP襯底上的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖；圖7A和7B是GaP襯底上的發(fā)光二極管的帶狀態(tài)圖和載流子的態(tài)密度分布圖；圖8是已有技術(shù)的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖；圖9A和9B是已有技術(shù)的發(fā)光二極管的帶狀態(tài)圖和載流子的態(tài)密度分布圖；圖10是已有技術(shù)的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖；和圖11是已有技術(shù)的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖。
以下，具體說明本發(fā)明的實施例。
圖1展示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的AlGaInP發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)。通過如下步驟形成此發(fā)光二極管在具有從(001)面在[110]方向傾斜15°的平面的n型GaP襯底上，例如通過MOCVD(金屬有機物化學(xué)汽相淀積)，一個接一個地生長制備n型InGaP過渡層2、摻雜Si的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝1.0，y＝0.51)包覆層3、作為發(fā)光層的摻雜氮-鋅的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝0.5，y＝0.51)有源層4、摻雜鋅的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝1.0，y＝0.51)包覆層5和摻雜鋅的GaP電流擴散層6；之后在GaP襯底1的底表面上和電流擴散層6的頂表面上分別設(shè)置n側(cè)電極7和p側(cè)電極8。盡管采用了15°傾斜的襯底1，但(100)面仍正是襯底。向用做有源層4的基本材料的(AlxGa1-x)1-yInyP材料摻雜的雜質(zhì)濃度，對于作為形成施主能級的第一雜質(zhì)的氮在1×1017-1×1019cm-3的范圍內(nèi)，而對于作為形成受主能級的第二雜質(zhì)的鋅在1×1017-1×1018cm-3的范圍內(nèi)。
由于(AlxGa1-x)1-yInyP材料3、4和5在GaP襯底1上是以晶格失配的狀態(tài)生長的，所以無論是在有源層4導(dǎo)帶底部(能量值Ec)附近還是在有源層4價帶頂部(能量值Ev)附近，均不成為拋物線狀，但是每個均具有約幾十meV的拖尾，如圖2A的能帶圖所示，因而拖尾的尖端(位置不必確定)脫離導(dǎo)帶和價帶中的載流子態(tài)密度G(E)的峰值P10、P20，如圖2B所示。為此原因，在帶端的正常發(fā)光的躍遷幾率相對較小。
但是，對于此發(fā)光二極管，在有源層4中，氮作為第一雜質(zhì)在距基本材料(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝0.5，y＝0.51)的導(dǎo)帶端Ec(底部)30meV的位置形成施主能級E(N)，鋅作為第二雜質(zhì)在距基本材料(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝0.5，y＝0.51)的價帶端(頂部)60meV的位置形成受主能級E(ZN)(圖2B中的P1、P2分別展示了對應(yīng)于這些施主能級E(N)和受主能級E(ZN)的態(tài)密度G(E)的峰值)。由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)分別距離帶端Ec和Ev超過30meV，因而，由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)之間的發(fā)光復(fù)合幾乎不受拖尾的影響。而且，因為由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)分別位于距離帶端Ec和Ev為200meV以內(nèi)，因此，這些氮和鋅將有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)之間的發(fā)光復(fù)合而提高了內(nèi)量子效率。盡管有源層4發(fā)出的光的波長對應(yīng)于由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)之間的禁帶寬度ΔE1，但是由有源層4發(fā)出的光基本不被GaP襯底1吸收(因為GaP襯底對于AlGaInP材料的發(fā)光波長650nm-550nm是透明的)，以致外量子效率也不會降低。因而，整體發(fā)光效率被提高。
實際上，對于第一實施例的發(fā)光二極管，對應(yīng)于由氮形成的施主能級E(N)和由鋅形成的受主能級E(ZN)之間的禁帶寬度ΔE1＝2.16eV，發(fā)光波長變成547nm。此時，可以獲得1.0％的發(fā)光效率。與此相反，對于其中AlGaInP材料生長于GaAs襯底上的晶格匹配式發(fā)光二極管，如圖8所示，當非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210的混晶比x＝5.0，y＝0.51時，對應(yīng)于禁帶寬度Eg(＝2.25eV)，發(fā)光波長變成550nm。此時，所得到的發(fā)光效率為0.1％。因此，與相同有源層混晶比x，y的情況相比，發(fā)現(xiàn)具有第一實施例結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的發(fā)光效率可比圖8的發(fā)光二極管成十倍地提高。而且，對于其中AlGaInP材料生長于GaAs襯底上的晶格匹配式發(fā)光二極管，如圖8所示，當非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210具有混晶比x＝0.38，y＝0.51時，發(fā)光波長相應(yīng)地成為572nm。此時，所得到的發(fā)光效率為0.35％。因此，在基本上相同的發(fā)光波長的條件下相比，發(fā)現(xiàn)具有第一實施例結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的發(fā)光效率可比圖8的發(fā)光二極管成三倍地提高。
在有源層4中摻雜氮有利于縮短波長。這是因為即使當有源層4的Al混晶比增加大到x＝0.75從而進入直接躍遷區(qū)(見圖5)時，也可以通過氮的摻雜而形成等電子能級，導(dǎo)致直接躍遷，以致提高了發(fā)光躍遷幾率。實際上，在x＝0.75，y＝0.51的條件下，對于發(fā)光波長555nm獲得0.2％的發(fā)光效率。
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的AlGaInP族發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)。通過如下步驟形成此發(fā)光二極管在具有從(001)面在[110]方向傾斜15°的平面的n型GaP襯底上11，例如通過MOCVD(金屬有機物化學(xué)汽相淀積)工藝，一個接一個地生長制備n型InGaP過渡層12、摻雜Si的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝1.0，y＝0.15)包覆層13、作為發(fā)光層的摻雜硒-鎂的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝0.5，y＝0.15)有源層14、摻雜鋅的(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝1.0，y＝0.51)包覆層15和摻雜鋅的GaP電流擴散層16；之后在GaP襯底11的底表面上和電流擴散層16的頂表面上分別設(shè)置n側(cè)電極17和p側(cè)電極18。盡管采用了如第一實施例15°傾斜襯底1，但(100)面仍正是襯底。向用做有源層14的基本材料的(AlxGa1-x)1-yInyP材料摻雜的雜質(zhì)濃度，對于作為形成施主能級的第一雜質(zhì)的硒在1×1017-1×1019cm-3的范圍內(nèi)，對于作為形成受主能級的第二雜質(zhì)的鎂在1×1017-1×1018cm-3的范圍內(nèi)。
由于(AlxGa1-x)1-yInyP材料13、14和15在GaP襯底11上是以晶格失配的狀態(tài)生長的，所以無論是在有源層14導(dǎo)帶底部(能量值Ec)附近還是在有源層14價帶頂部(能量值Ev)附近均不成為拋物線狀，但是每個均具有約幾十meV的拖尾，如圖4A的能帶圖所示，因而拖尾的尖端(位置不必確定)脫離導(dǎo)帶和價帶中的載流子態(tài)密度G(E)的峰值P10、P20，如圖4B所示。為此原因，在帶端的正常發(fā)光的躍遷幾率相對較小。
但是，對于此發(fā)光二極管，在有源層14中，硒作為第一雜質(zhì)在距基本材料(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝1.0，y＝0.51)的導(dǎo)帶端Ec(底部)190meV的位置形成施主能級E(Se)，鎂作為第二雜質(zhì)在距基本材料(AlxGa1-x)1-yInyP(x＝0.5，y＝0.51)的價帶端(頂部)64meV的位置形成受主能級E(Mg)(圖4B中的P1、P2展示了分別對應(yīng)于這些施主能級E(Se)和受主能級E(Mg)的態(tài)密度G(E)的峰值)。由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)分別距離帶端Ec和Ev超過30meV，因而，由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)之間的發(fā)光復(fù)合幾乎不受拖尾的影響。而且，因為由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)分別位于距離帶端Ec和Ev為200meV以內(nèi)，因此，這些硒和鎂將有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)之間的發(fā)光復(fù)合而提高了內(nèi)量子效率。盡管有源層14發(fā)出的光的波長對應(yīng)于由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)之間的禁帶寬度ΔE2，但是由有源層14發(fā)出的光基本不被GaP襯底11吸收(因為GaP襯底對于AlGaInP材料的發(fā)光波長650nm-550nm是透明的)，以致外量子效率也不會降低。因而，整體發(fā)光效率被提高。
實際上，對于第二實施例的發(fā)光二極管，對應(yīng)于由硒形成的施主能級E(Se)和由鎂形成的受主能級E(Mg)之間的禁帶寬度ΔE2＝2.00eV，發(fā)光波長變成621nm。此時，可以獲得4.5％的發(fā)光效率。與此相反，對于其中AlGaInP材料生長于GaAs襯底上的晶格匹配式發(fā)光二極管，如圖8所示，當摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210的混晶比x＝0.5，y＝0.51時，對應(yīng)于禁帶寬度Eg(＝2.25eV)，發(fā)光波長變成550nm。此時，所得到的發(fā)光效率為0.1％。因此，與相同有源層混晶比x，y的情況相比，發(fā)現(xiàn)具有第一實施例結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的發(fā)光效率可比圖8的發(fā)光二極管成十倍地提高。而且，對于其中AlGaInP材料生長于GaAs襯底上的晶格匹配式發(fā)光二極管，如圖8所示，當非摻雜的(AlxGa1-x)1-yInyP有源層210具有混晶比x＝0.08，y＝0.51時，發(fā)光波長相應(yīng)地變成635nm。此時，所得到的發(fā)光效率為0.15％。因此，在基本上相同的發(fā)光波長的條件下相比，發(fā)現(xiàn)具有第一實施例結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的發(fā)光效率可比圖8的發(fā)光二極管成三倍地提高。
此外，除了氮和硒之外還可以采用硫、碲等作為形成施主能級的第一雜質(zhì)，除了鋅和鎂之外還可以采用鎘作為形成受主能級的第二雜質(zhì)。
而且，可以采用AlGaAs等代替GaP作為電流擴散層6、16的材料。
第一和第二實施例的發(fā)光二極管是作為具有有源層的雙異質(zhì)結(jié)式而提供的，該有源層被具有大的禁帶寬度的包覆層所夾置。但是，本發(fā)明當然不限制于此。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于單異質(zhì)結(jié)式發(fā)光二極管、同質(zhì)結(jié)式發(fā)光二極管和其他半導(dǎo)體發(fā)光器件。
從以上說明可知，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在半導(dǎo)體襯底上以與半導(dǎo)體襯底晶格失配的狀態(tài)，形成其所發(fā)出的波長的光基本不被半導(dǎo)體襯底吸收的發(fā)光層，并且起發(fā)光復(fù)合中心作用的雜質(zhì)在遠離用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料的禁帶中的帶端的位置形成雜質(zhì)能級。因此，即使用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料的帶端因與半導(dǎo)體襯底晶格失配而具有拖尾，但通過雜質(zhì)能級的發(fā)光復(fù)合仍不易受拖尾的影響。結(jié)果，內(nèi)量子效率被提高。而且，由發(fā)光層發(fā)出的光基本不被半導(dǎo)體襯底吸收，以致外量子效率也不會降低。因而，整體發(fā)光效率被提高。
在本實施例中的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由于采用兩種雜質(zhì)，即形成施主能級的第一雜質(zhì)和形成受主能級的第二雜質(zhì)，所以在由第一雜質(zhì)形成的施主能級與由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間發(fā)生發(fā)光復(fù)合。因此，內(nèi)量子效率高于僅摻雜第一雜質(zhì)或第二雜質(zhì)之一這兩種情況，以致整體發(fā)光效率進一步提高。
在實施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，由第一雜質(zhì)形成的施主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，由第二雜質(zhì)形成的受主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料價帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)。因此，即使用做基本材料的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶端和價帶端均因半導(dǎo)體襯底與發(fā)光層之間的晶格失配而具有約幾十meV的拖尾，但由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合仍幾乎不受拖尾的影響。而且，這些第一和第二雜質(zhì)分別有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合而進一步提高了內(nèi)量子效率。由此，進一步提高了整體發(fā)光效率。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，其中在GaP襯底上以與GaP襯底晶格失配的狀態(tài)，生長包括作為基本材料的AlGaInP材料的發(fā)光層，在用做發(fā)光層基本材料的AlGaInP材料中，摻雜氮、氧、硒、硫或碲作為形成施主能級的第一雜質(zhì)，并摻雜鎂、鋅或鎘作為形成受主能級的第二雜質(zhì)。因此，氮、氧、硒、硫或碲作為第一雜質(zhì)，在距離用做基本材料的AlGaInP材料導(dǎo)帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，形成施主能級，而鎂、鋅或鎘作為第二雜質(zhì)在距離用做基本材料的AlGaInP材料價帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)，形成受主能級。結(jié)果，即使用做基本材料的AlGaInP材料的導(dǎo)帶端和價帶端，均因GaP襯底與發(fā)光層之間的晶格失配而具有約幾十meV的拖尾，但由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合仍幾乎不受拖尾的影響。而且，這些第一和第二雜質(zhì)分別有效地用做發(fā)光復(fù)合中心。于是，通過由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的發(fā)光復(fù)合而進一步提高了內(nèi)量子效率。此外，與由第一雜質(zhì)形成的施主能級和由第二雜質(zhì)形成的受主能級之間的禁帶寬度對應(yīng)的發(fā)光層發(fā)出的從紅至綠的波長的光基本不被GaP襯底吸收，因此，外量子效率也不會降低。因而，整體發(fā)光效率被提高，在從紅至綠的波長范圍內(nèi)可以獲得高亮度發(fā)光。
以上所說明的本發(fā)明顯然可以按多種方式變化。這些變化不被認為是脫離了本發(fā)明的精髓和范圍，所有這些改進對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說均是顯而易見的，并被包括于所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，以與半導(dǎo)體襯底(1、11)晶格失配的狀態(tài)，在半導(dǎo)體襯底(1、11)上形成發(fā)光層(4、14)，發(fā)光層(4、14)所發(fā)波長的光基本不被半導(dǎo)體襯底(1、11)吸收，其特征在于，采用起發(fā)光復(fù)合中心作用的至少一種雜質(zhì)對用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料摻雜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，發(fā)光層(4、14)包括兩種雜質(zhì)，其包括形成施主能級的第一雜質(zhì)和形成受主能級的第二雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，由第一雜質(zhì)形成的施主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶端30meV～200meV的范圍內(nèi)；和由第二雜質(zhì)形成的受主能級位于距用做基本材料的半導(dǎo)體材料價帶端30meV-200meV的范圍內(nèi)。
4.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，包括AlGaInP材料作為基本材料的發(fā)光層(4、14)以與GaP襯底(1、11)晶格失配的狀態(tài)生長于GaP襯底(1、11)上，其特征在于，采用作為形成施主能級的第一雜質(zhì)的氮、氧、硒、硫或碲，和作為形成受主能級的第二雜質(zhì)的鎂、鋅或鎘，對用做發(fā)光層(4、14)基本材料的AlGaInP材料摻雜。
全文摘要
一種半導(dǎo)體發(fā)光器件,其中以與半導(dǎo)體襯底1晶格失配的狀態(tài)在半導(dǎo)體襯底1上形成發(fā)光層4,由此獲得高效率發(fā)光。采用起發(fā)光復(fù)合中心作用的雜質(zhì)對用做發(fā)光層基本材料的半導(dǎo)體材料摻雜。半導(dǎo)體襯底是GaP襯底1,用做發(fā)光層4基本材料的半導(dǎo)體材料是(Al
文檔編號H01L33/10GK1185663SQ97108578
公開日1998年6月24日 申請日期1997年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者中津弘志 申請人:夏普公司