專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件、發(fā)光元件，尤其是涉及利用將由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱層作為活性層的氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
若要提供白色LED來取代水銀燈或是根據(jù)光刻法的精確度，則需要提供發(fā)出較短波長(例如375nm或以下)的LED和振蕩波長的LD的發(fā)光元件。
在另外一面，作為GaN系發(fā)光元件，從將InGaN作為活性層的發(fā)光元件的發(fā)光效率良好的觀點(diǎn)來看，現(xiàn)在多使用將很多的InGaN作為活性層的發(fā)光元件，在將該InGaN作為活性層的發(fā)光元件中，為了實(shí)現(xiàn)所述短波長的發(fā)光，則必須降低其中In的組成比。不過，當(dāng)In的組成比變低，InGaN不有效地發(fā)光，臨界電流增加，其結(jié)果出現(xiàn)在激光振蕩波長未超過380nm時(shí)臨界值顯著上升的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于找出造成在激光振蕩波長未超過380nm時(shí)臨界值顯著上升的原因，并且提供其解決的方法。
另外，當(dāng)元件內(nèi)使用含有AlGaN等的Al的氮化物半導(dǎo)體時(shí)，則其熱膨脹系數(shù)差、以及彈性與不含Al的氮化物半導(dǎo)體相比有很大不同。若使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，則容易發(fā)生元件破裂，而破裂的發(fā)生，與其它的結(jié)晶性不同，導(dǎo)致元件破裂。因此，除非避免發(fā)生破裂，否則這種元件不可當(dāng)成氮化物半導(dǎo)體元件。在使用所述發(fā)光波長380nm以下的活性層的發(fā)光元件和激光元件內(nèi)，含有Al的氮化物半導(dǎo)體，由于在氮化物半導(dǎo)體內(nèi)可以增加帶隙能量，所以可以用于活性層、帶隙能量大于活性層的載波限制層、光導(dǎo)層、光限制層等。也就是說，在上述這種發(fā)光波長短的發(fā)光元件內(nèi)，含有Al的氮化物半導(dǎo)體，具有每一層都是被疊層的結(jié)構(gòu)，而上述所發(fā)生的破裂就會(huì)變得嚴(yán)重，由此，較短發(fā)光波長與避免破裂就互相矛盾，這造成在由氮化物半導(dǎo)體制成的發(fā)光元件內(nèi)發(fā)出較短波長光線的意圖遇到嚴(yán)重阻礙。再者，在試圖達(dá)成發(fā)出較短波長光線中，由于GaN在365nm具有光吸收特性并且即使于再長10nm的波長范圍內(nèi)也具有高吸收系數(shù)，所以就很難在所述380nm以下的短波長區(qū)域的發(fā)光元件、激光元件中使用。
此外，如上所述，發(fā)光元件和激光元件中的活性層的發(fā)光效率和內(nèi)部量子效率，由于在很大程度上依賴于其結(jié)晶性，所以位于活性層下的導(dǎo)電型層的結(jié)晶性是改善元件特性中一項(xiàng)十分重要的因素。氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，通常具有按照n型層、活性層和p型層的順序依次疊層的結(jié)構(gòu)，但此時(shí)必須使n型層的結(jié)晶性良好。在另外一方面，如所述，含有Al的氮化物半導(dǎo)體具有比不含Al的氮化物半導(dǎo)體還要高的結(jié)晶性退化傾向。在以往技術(shù)中為了避開此問題，作為含有Al的氮化物半導(dǎo)體的底層，使用含有In的氮化物半導(dǎo)體，或緩和因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不同所造成的內(nèi)部應(yīng)力，或連接在含有Al氮化物半導(dǎo)體層上并設(shè)置GaN等的不含Al的氮化物半導(dǎo)體，如此可恢復(fù)結(jié)晶性并且緩和內(nèi)部應(yīng)力，通過在元件結(jié)構(gòu)上設(shè)置激光元件等的不含Al的氮化物半導(dǎo)體，可以使元件實(shí)用化。不過，在上述短波長的發(fā)光元件和激光元件內(nèi)，不含Al的氮化物半導(dǎo)體，作為光吸收層，優(yōu)選在元件結(jié)構(gòu)中使用，由此，元件結(jié)構(gòu)幾乎都是使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體層，由于晶性和上述的破裂，無法獲得實(shí)用的臨界值水準(zhǔn)、Vf(轉(zhuǎn)送電壓)值和發(fā)光效率的發(fā)光元件和激光元件，在大量使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體的激光元件內(nèi)，在光導(dǎo)層，尤其是光限制被覆層等等內(nèi)具有很高的Al混合結(jié)晶率，因此不能獲得在室溫時(shí)達(dá)到連續(xù)振蕩的激光元件。
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，發(fā)現(xiàn)通過利用在頻帶結(jié)構(gòu)和組成上不對稱的元件結(jié)構(gòu)可以解決上述問題，在短波長的半導(dǎo)體發(fā)光元件等的利用含有Al的氮化物半導(dǎo)體的元件中，避免了上述結(jié)晶性和破裂發(fā)生問題，可獲得在短波長的發(fā)光元件、具有波導(dǎo)的激光元件中也可以使用的元件件結(jié)構(gòu)。尤其是在空穴和電子的載流子特性相差很大的系統(tǒng)內(nèi)，如氮化物半導(dǎo)體，該元件結(jié)構(gòu)在頻帶結(jié)構(gòu)和成分上具有不對稱性而具有優(yōu)異的發(fā)光效率，并且用來達(dá)到優(yōu)異的載流子注入活性層效率并且充分束縛活性層內(nèi)的載流子，并且在以短波長的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)提供具有優(yōu)異結(jié)晶性和元件特性的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明涉及具有下列結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件，該結(jié)構(gòu)為具有用第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層夾住具有阱層和阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，在制作激光元件或端面發(fā)光元件時(shí)，如圖2A所示，具有在下光導(dǎo)層26與上光導(dǎo)層29之間設(shè)置活性層27的波導(dǎo)，此時(shí)，光束縛被覆層25、30形成于比光導(dǎo)層還遠(yuǎn)離活性層的地方，如此構(gòu)成上光導(dǎo)層29形成于上部被覆層30與活性層27之間，以及光導(dǎo)層形成于下部被覆層25與活性層27之間的結(jié)構(gòu)。在另外一方面，在本發(fā)明應(yīng)用到圖6A和6B所示發(fā)光元件的情況下，作為第一導(dǎo)電型層，設(shè)置作為載流子注入和載流子束縛層的層202，作為第二導(dǎo)電型層，分別設(shè)置載流子注入層205和載流子束縛層204。在上述情況下，第一導(dǎo)電型層，如第二導(dǎo)電型層那樣，可由載流子注入層和載流子束縛層構(gòu)成，并且這種結(jié)構(gòu)也可當(dāng)成用于載流子注入和載流子束縛的第二導(dǎo)電型層。
所述活性層27，作為所述阻擋層2，如圖3A、3B、5A和5B所示，設(shè)置第一阻擋層和第二阻擋層，如此至少會(huì)將一個(gè)阱層1夾起來，第一阻擋層設(shè)置于所述第一導(dǎo)電型層側(cè)并且第二阻擋層設(shè)置于第二導(dǎo)電型層側(cè)，同時(shí)，第二阻擋層具有比第一阻擋層還要低的帶隙能量。具體地說，如圖3A、3B、5A和5B所示，在分別配置于第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層上并且由活性層內(nèi)阱層分隔的第一阻擋層2a與第二阻擋層2b之間，至少設(shè)置一阱層1，通過將第二阻擋層2b的帶隙能量設(shè)定低于第一阻擋層2a(圖中虛線53)的帶隙能量，如此會(huì)形成本發(fā)明的路徑51，在載流子從第二導(dǎo)電型層加入注入時(shí)該路徑的效率要優(yōu)于圖中所示傳統(tǒng)載流子路徑52，即，減小電位阻礙并且提高載流子注入活性層和阱層或?qū)拥男?。尤其是在n型層側(cè)為第一導(dǎo)電型層和p型層側(cè)為第二導(dǎo)電型層的結(jié)構(gòu)中，通過空穴的擴(kuò)散長度短于電子擴(kuò)散長度并且p型載流子激活率也低的氮化鎵系半導(dǎo)體材料，可以更有效地將空穴注入阱層并且降低發(fā)光效率和臨界電流密度，所以是優(yōu)選的。另外，在短波長的氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件和激光元件內(nèi)，如圖2B所示，活性層內(nèi)設(shè)置的第二阻擋層2b為Al混合結(jié)晶率低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)Al混合結(jié)晶率(圖2B內(nèi)的虛線50)的層，大約與第一阻擋層2a相同以避免結(jié)晶性退化，而設(shè)置Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層的第二阻擋層，在兩者夾持的阱層內(nèi)，在下界面和上界面中增加不同的應(yīng)力，認(rèn)為可以降低含有Al的氮化物半導(dǎo)體所造成的壓電場并且減輕帶隙應(yīng)力，存在可以提高阱層內(nèi)的發(fā)光效率的傾向。
第一導(dǎo)電型層為n型層，第二導(dǎo)電型層為p型層，同時(shí)第一導(dǎo)電型層、活性層和第二導(dǎo)電型層依次疊層，如實(shí)施方式所示，如此可獲得優(yōu)良的發(fā)光元件，另外，第一導(dǎo)電型層具有n型氮化物半導(dǎo)體層以及第二導(dǎo)電型層具有p型氮化物半導(dǎo)體層的氮化物半導(dǎo)體元件，如上所述，可以利用各載流子的特性，載流子從作為p型層的第二導(dǎo)電型層向活性層注入。另外，在短波長的發(fā)光元件內(nèi)大量使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，可使活性層上方的第二阻擋層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率低于下方第一阻擋層的結(jié)晶率，如此可在形成于活性層上的p側(cè)層達(dá)到較佳的結(jié)晶性。
以第一阻擋層和第二阻擋層配置在活性層內(nèi)來說，作為所述活性層內(nèi)的阻擋層，所述第一阻擋層配置在最靠近第一導(dǎo)電型層之處，并且第二阻擋層為配置在最靠近第二導(dǎo)電型層的阻擋層，這種結(jié)構(gòu)可改善利用所述第二阻擋層從第二導(dǎo)電型層注入載流子的效率以及改善第一阻擋層束縛載流子的效果，如此就能改善第一阻擋層和第二阻擋層的各個(gè)功能。
另外如圖5A和5B所示，當(dāng)?shù)诙钃鯇?b為配置在活性層12內(nèi)最外側(cè)的層，這將是最佳結(jié)構(gòu)，如圖4B所示，因?yàn)橄噍^于阱層或其它層位于第二阻擋層2b外側(cè)，有利于促進(jìn)作為所述載流子的注入口的載流子的注入作用。更好的是，作為活性層內(nèi)的最外層，通過存在第一阻擋層，成為其效果能夠最大限度發(fā)揮的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層。也就是，在活性層內(nèi)位于最外層的第一阻擋層和第二阻擋層之間設(shè)置的阱層內(nèi)，可有效實(shí)現(xiàn)載流子注入和束縛。
本發(fā)明的特征在于，在所述第一導(dǎo)電型層中具有帶隙能量比所述第一阻擋層低的第一半導(dǎo)體層。以往，在作為短波長的發(fā)光元件的AlGaN系活性層中，在將其夾住并作為載流子注入層的各導(dǎo)電型層內(nèi)，通常必須比阱層高的帶隙能量，如圖3A、3B、5A和5B所示，通過將該第一半導(dǎo)體層26設(shè)置于第一導(dǎo)電型層11內(nèi)，而該第一半導(dǎo)體層26層具有低于活性層12內(nèi)的第一阻擋層2a的帶隙能量，結(jié)晶性良好地形成活性層，并且通過第一阻擋層2a，可以提供具有將來自第二導(dǎo)電型層11的載流子束縛在阱層內(nèi)的功能的結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，更有效是在所述短波長的發(fā)光元件中能夠降低夾持活性層的層的Al混合結(jié)晶率。此時(shí)，對于阱層，利用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體具有高于或等于GaN的帶隙能量，如圖2B所示，而形成具有Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層2a的Al混合結(jié)晶率的第一半導(dǎo)體層26，具體地說可以利用所述組成的半導(dǎo)體。所述組成的氮化物半導(dǎo)體也可用于第一阻擋層。對于第一半導(dǎo)體層而言，最好使用帶隙能量高于阱層的氮化物半導(dǎo)體，如此該層就可當(dāng)成向活性層以及阱層注入的良好的載流子注入層，具體地說，可以使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，最好使用AlxGa1-xN(0≤x＜1)，由此可行成良好結(jié)晶性的活性層。
除了上述說明的結(jié)構(gòu)以外，更好在第二導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置帶隙能量高于第一阻擋層能量的載流子束縛層，由此可以形成將來自第一導(dǎo)電型層的載流子束縛在活性層內(nèi)的結(jié)構(gòu)的元件。如上述，這是因?yàn)榕渲迷诨钚詫觾?nèi)第二導(dǎo)電型層側(cè)上的第二阻擋層2b具有低于第一阻擋層2a的帶隙能量，并且對于來自第一導(dǎo)電型層的載流子超過阱層的，作為成為束縛的阻擋小的緣故，因此，為了避免載流子在第二阻擋層2b內(nèi)溢流，如圖3A、3B、5A和5B所示，將在活性層12外面的第二導(dǎo)電型層13內(nèi)設(shè)置載流子束縛層29，來解決上述問題。此時(shí)，更好是所述第一導(dǎo)電型層為n型并且第二導(dǎo)電型層為p型。即，在此結(jié)構(gòu)中，如氮化物半導(dǎo)體那樣載流子特性不同的系統(tǒng)內(nèi)，所述第一阻擋層通過束縛活性層內(nèi)的空穴，可以實(shí)現(xiàn)阱層附近位置上載流子的束縛，并且在第一半導(dǎo)體層內(nèi)，在所述第一半導(dǎo)體層內(nèi)，使作為第一導(dǎo)電型層的電子(第一導(dǎo)電型的載流子)注入發(fā)揮作用，而用第二阻擋層和配置于活性層外側(cè)的載流子束縛層，來束縛第二阻擋層與載流子束縛層之間來自第一阻擋層并且具有長擴(kuò)散長度的載流子。當(dāng)使用第二阻擋層當(dāng)成阻擋而足以束縛來自第一導(dǎo)電型層的載流子時(shí)，相反地，在本發(fā)明內(nèi)具有較低帶隙能量的第二阻擋層的載流子注入效率會(huì)降低，導(dǎo)致在這種系統(tǒng)內(nèi)活性層的功能降低，氮化物半導(dǎo)體內(nèi)空穴和電子之間的擴(kuò)散長度和載流子濃度有極大的不同。因此，優(yōu)選的是設(shè)置位于活性層之外的載流子束縛層，并且和不對稱的活性層(由在活性層內(nèi)具有不同帶隙能量值的第一阻擋層和第二阻擋層所構(gòu)成)組合使用，而可實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的效果。
當(dāng)所述載流子束縛層和p型雜質(zhì)一同摻雜而形成第二導(dǎo)電型層，如圖3A、3B、5A和5B所示，載流子束縛層與活性層連接形成當(dāng)成來自第一導(dǎo)電型層(當(dāng)偏壓作為n型層)載流子的阻擋，可以形成可避免載流子溢流入活性層的結(jié)構(gòu)。相反地，當(dāng)p型雜質(zhì)摻雜的載流子束縛層設(shè)置在活性層內(nèi)時(shí)，在活性層內(nèi)形成p-n結(jié)，導(dǎo)致降低活性層的功能。在連接于活性層的載流子束縛層附近形成p-n結(jié)，由此，用于將來自第一導(dǎo)電型層的載流子束縛在活性層內(nèi)的阻擋效果才能達(dá)到最大，另一方面，可通過不對稱元件結(jié)構(gòu)形成氮化物半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，如此才能利用第一阻擋層束縛來自第二導(dǎo)電型層的載流子。
所述載流子束縛層，若優(yōu)選與活性層連接設(shè)置，可以使來自第一導(dǎo)電型層的載流子接近活性層并束縛，另外，第一半導(dǎo)體層通過與活性層連接，可以實(shí)現(xiàn)有效的載流子注入，可以使載流子向優(yōu)選的活性層注入。
另外，優(yōu)選設(shè)置各阻擋層，如此使第一阻擋層和第二阻擋層之間的帶隙能量差為0.02eV或以上。這是因?yàn)樵趤碜缘谝粚?dǎo)電型層的載流子中，如所述載流子束縛層或被覆層等，設(shè)置使活性層外部的載流子束縛功能增大的結(jié)構(gòu)，對于來自第二導(dǎo)電型層的載流子，通過第一阻擋層2a，增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)向阱層束縛載流子的所謂載流子束縛結(jié)構(gòu)的不對稱性，活性層的結(jié)構(gòu)有較高的載流子束縛效果，如同在上述的載流子束縛層內(nèi)或用于來自第二導(dǎo)電型層載流子的被覆層，而利用第一阻擋層2a用于來自第二導(dǎo)電類型的載流子可實(shí)現(xiàn)阱層內(nèi)載流子的束縛，通過增加載流子束縛結(jié)構(gòu)的不對稱來加強(qiáng)上述效果。也就是，可進(jìn)一步改善第一阻擋層阻擋來自第二導(dǎo)電型層載流子的功能，并且改善從第二導(dǎo)電型層超過較小的第二阻擋層將載流子注入阱層的效果。
除了上述構(gòu)成外，還具有帶隙能量低于所述第一阻擋的第二半導(dǎo)體層，并且通過載流子束縛層與活性層分隔。所述第二半導(dǎo)體層對應(yīng)于第一半導(dǎo)體層，尤其是在第一導(dǎo)電型層為n型層并且第二導(dǎo)電型層為p型層時(shí)，通過束縛來自第一導(dǎo)電型層的載流子的載流子束縛層設(shè)置來實(shí)現(xiàn)活性層內(nèi)充分的束縛，如上所述，具有與較低帶隙能量的第一半導(dǎo)體層類似的效果。
另外，在所述活性層的量子阱結(jié)構(gòu)為具有多個(gè)阱層的多重量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖5A和5B所示，優(yōu)選在第一阻擋層2a與第二阻擋層2b之間，通過阱層1設(shè)置內(nèi)部阻擋層，該內(nèi)部阻擋層2c、2d具有和第二阻擋層2b不同的帶隙能量。內(nèi)部阻擋層2c、2d，在圖5A和5B內(nèi)標(biāo)示為2c、2d，設(shè)置于第一阻擋層2a和第二阻擋層2b之間，并且通過阱層1a、1b設(shè)置第一阻擋層2a和第二阻擋層2b，通過將該內(nèi)部阻擋層的帶隙能量設(shè)置與第二阻擋層2b不同，如圖中箭頭所示，在提高載流子向各阱層的分配功能的同時(shí)，使具有與配置在外側(cè)的第一、第二阻擋層不同的功能。此時(shí)，如圖5B所示，優(yōu)選將內(nèi)部阻擋層的帶隙能量設(shè)定成高于圖5B所示第二阻擋層的值，來自第二導(dǎo)電型層的載流子隨著靠近第一導(dǎo)電型層側(cè)，則經(jīng)過內(nèi)部阻擋層、第一阻擋層，形成階梯狀增加的阻擋，也就是隨著遠(yuǎn)離第二導(dǎo)電型層，可以形成載流子束縛階梯性變大的結(jié)構(gòu)，可以形成在接近該阻擋層的各阱層上適宜分配載流子的結(jié)構(gòu)。在此可改善載流子注入第一阻擋層附近阱層的效率，導(dǎo)致更多載流子可注入阱層的結(jié)構(gòu)。
因此，優(yōu)選第一阻擋層的帶隙能量設(shè)定低于所述內(nèi)部阻擋層的能量，如圖5A和5B所示，可以提高通過降低所述第二阻擋層的阻擋的來自第二阻擋層的載流子注入的功能、以及通過內(nèi)部阻擋層向各阱層注入載流子的功能。另外通過將內(nèi)部阻擋層的帶隙能量設(shè)定低于第一阻擋層的能量，以及將第二阻擋層的帶隙能量設(shè)定低于內(nèi)部阻擋層的能量，如圖5B所示，使來自第二導(dǎo)電型層的載流子注入隨著與第二導(dǎo)電型層的距離而增加地設(shè)置各阻擋層，如上所示，如此可改善各阻擋層的功能，使分別具有不同的功能，從而形成功能分離的活性層。
內(nèi)部阻擋層的厚度大體上可制作成等于獲不等于活性層內(nèi)內(nèi)部阻擋層外面的第一阻擋層和第二阻擋層的厚度，優(yōu)選內(nèi)部阻擋層厚度為至少比第一阻擋層和第二阻擋層之一還厚。這是因?yàn)榭紤]到形成于阱層之間的內(nèi)部阻擋層具有和形成于外面的第一阻擋層和第二阻擋層不同的功能，并且當(dāng)內(nèi)部阻擋層做的較厚時(shí)，阻擋功能就會(huì)增加，如此可阻礙載流子均等地注入各阱層，將膜厚設(shè)定成小于外面阻擋層的厚度，可改善整個(gè)活性層的組合效率，這樣就可改善將載流子注入和分配至阱層的效率。當(dāng)考慮到阱層與阻擋層之間作用的應(yīng)力時(shí)，增加配置在阱層之間內(nèi)部阻擋層的厚度，則使由于兩者Al混合結(jié)晶率不同造成的向阱層的內(nèi)部應(yīng)力的不良影響變大，認(rèn)為是造成阱層功能降低的原因，另外，由于含有Al的氮化物半導(dǎo)體的強(qiáng)的電壓，對阱層帶來不良影響。進(jìn)一步增加內(nèi)部阻擋層的厚度會(huì)增加整個(gè)活性層的厚度，因此使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體的活性層，造成的活性層內(nèi)結(jié)晶性的合成退化會(huì)嚴(yán)重影響元件特性。
在多個(gè)內(nèi)部阻擋層、例如圖5B中，通過內(nèi)部阻擋層2c和阱層1b所設(shè)置的其它阻擋層2d，此時(shí)，至少一個(gè)內(nèi)部阻擋層要比至少位于外面的第一阻擋層和第二阻擋層之一還要厚，并且優(yōu)選使所有內(nèi)部阻擋層比至少第一阻擋層和第二阻擋層之一還要厚，這樣改善所述內(nèi)部阻擋層的功能并且強(qiáng)化與外部阻擋層的功能區(qū)別。在設(shè)置多個(gè)最靠近的阱層之間組成不同的阻擋層的方式中，至少多個(gè)阻擋層之一要比至少外部阻擋層之一還要厚，優(yōu)選位于阱層之間的阻擋層總厚度，換言之就是最靠近的阱層間的距離要小于至少外部阻擋層之一的厚度，這樣可改善配置在最靠近的阱層間的多個(gè)阻擋層的功能。
內(nèi)部阻擋層的雜質(zhì)濃度與配置在外面的第一阻擋層和第二阻擋層相同，內(nèi)部阻擋層可摻雜n型和p型雜質(zhì)，或未摻雜而不含有雜質(zhì)。在第一導(dǎo)電型層為n型層并且第二導(dǎo)電型層為p型層時(shí)，優(yōu)選內(nèi)部阻擋層會(huì)摻雜類似于第一阻擋層的n型雜質(zhì)。這可考慮成對于具有不同于氮化物半導(dǎo)體內(nèi)電子和空穴的擴(kuò)散長度、載流子濃度和移動(dòng)性的材料系統(tǒng)特別有效，可能是因?yàn)槿狈ι现粱钚詫觾?nèi)p型層(第二導(dǎo)電型層)附近的載流子，使它可將來自n型層的載流子有效注入至活性層內(nèi)深處的p型層附近。另外，因?yàn)檩d流子束縛層形成于第二導(dǎo)電型層內(nèi)的活性層附近，并且在此層附近形成p-n結(jié)，所以電子可以有效地注入至p-n結(jié)處附近，可以提高活性層內(nèi)的結(jié)合效率。此時(shí)，在設(shè)置多個(gè)阱層以及多個(gè)內(nèi)部阻擋層的方式中，優(yōu)選至少一個(gè)內(nèi)部阻擋層摻雜n型雜質(zhì)，并且優(yōu)選入后述多個(gè)從配置在n型層側(cè)開始的內(nèi)部阻擋層連續(xù)摻雜n型雜質(zhì)，并且最好是所有內(nèi)部阻擋層都摻雜n型雜質(zhì)。
如稍后所述，阱層優(yōu)選摻雜低濃度的n型雜質(zhì)，具體地說在第一導(dǎo)電型層為n型層時(shí)，n型雜質(zhì)的濃度要設(shè)定低于第一阻擋層。另外，在第一導(dǎo)電型層為n型層時(shí)，如后述，通過將第二阻擋層內(nèi)的n型雜質(zhì)設(shè)定為低于第一阻擋層，如此才能有效將載流子注入n型層(第一導(dǎo)電型層)，并且因?yàn)樵诘诙钃鯇觾?nèi)并未妨礙從p型層(第二導(dǎo)電型層)的載流子注入，所以可有效地注入載流子。
另外，在每個(gè)導(dǎo)電型層都具有光導(dǎo)層，如圖8B至8D所示，在作為各導(dǎo)電類型摻雜物的雜質(zhì)濃度在層內(nèi)不同時(shí)，具體地說，在第一導(dǎo)電型層為n型層時(shí)，優(yōu)選摻雜濃度高于第一導(dǎo)電型層內(nèi)光導(dǎo)層中低雜質(zhì)濃度區(qū)的n型雜質(zhì)，因?yàn)槠涓纳屏死玫谝蛔钃鯇訉⑤d流子注入活性層的效果以及由于低雜質(zhì)濃度區(qū)而減輕光損的效果。在p型層側(cè)，就是第二導(dǎo)電型層中，在第二阻擋層摻雜p型雜質(zhì)時(shí)，由于來自摻雜p型雜質(zhì)的載流子束縛層的擴(kuò)散高于光導(dǎo)層，所以濃度傾向高于光導(dǎo)層的低雜質(zhì)濃度區(qū)。這是優(yōu)選的，因?yàn)檩d流子束縛層膜厚小于低雜質(zhì)濃度區(qū)的厚度，若以平均的雜質(zhì)濃度進(jìn)行比較，通過使第二阻擋層內(nèi)的濃度變大，配置在活性層內(nèi)并且具有較小厚度的第二阻擋層內(nèi)，光損的影響相當(dāng)輕微，可以得到良好的來自p型層的載流子的注入效果。
在所述元件結(jié)構(gòu)內(nèi)，所述活性層，具有由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層和阻擋層，第一導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，并且第二導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，如上所述，在該半導(dǎo)體元件中，對于短波長的發(fā)光元件非常有用，其中阱層由含有Al并且?guī)赌芰扛哂贕aN的氮化物半導(dǎo)體所形成。也就是，因?yàn)樾纬傻囊曰钚詫油獠繆A持的第一導(dǎo)電型層內(nèi)的第一半導(dǎo)體層和第二導(dǎo)電型層內(nèi)的第二半導(dǎo)體層具有低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶隙能量，而每一層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率都可維持較低，如此可實(shí)現(xiàn)限制結(jié)晶性惡化以及內(nèi)部應(yīng)力的元件結(jié)構(gòu)。此時(shí)，由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層的具體成分優(yōu)選使用GaN、AlxGa1-xN(0＜x≤1)或AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)氮化物半導(dǎo)體中的任何一種。在為二元混晶的GaN時(shí)，成長時(shí)由于構(gòu)成元素少元素之間不反而獲得良好的結(jié)晶性。在為三元素的AlxGa1-xN(0＜x≤1)時(shí)，可比GaN發(fā)出更短波長的光線，由于構(gòu)成元素少，可抑制元素之間反應(yīng)，結(jié)晶可以結(jié)晶性良好的成長，在為四元素合成半導(dǎo)體AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)時(shí)，由于具有In，可改善阱層的發(fā)光效率。此時(shí)，具有AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)成分的氮化物半導(dǎo)體可用于阻擋層。因?yàn)樽钃鯇泳哂懈哂谮鍖拥膸赌芰?，所以氮化物半?dǎo)體用于上述組成的阱層內(nèi)，如此阻擋層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率u就會(huì)高于阱層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率x(x＜u)。此時(shí)，優(yōu)選使阻擋層內(nèi)Al混合結(jié)晶率u和阱層內(nèi)Al混合結(jié)晶率x間的差異不小于0.1，換言之u-x≥0.1。這是因?yàn)橥ㄟ^使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，在Al混合結(jié)晶率方面具有0.1或以上的差異，可形成充分的阻擋層，以便利用短波長的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)第一阻擋層達(dá)到充分的載流子束縛功能。Al混合結(jié)晶率的上限(u-x)可設(shè)定為0.5或以下，如此可利用設(shè)置具有高Al混合結(jié)晶率的阻擋層來抑制結(jié)晶性惡化，并且也可設(shè)定為0.3或以下，使它可利用抑制結(jié)晶性惡化來形成良好的阱層。在由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的第一阻擋層和第二阻擋層內(nèi)，第一阻擋層內(nèi)Al混合結(jié)晶率u1與第二阻擋層內(nèi)Al混合結(jié)晶率u2之間的差異u1-u2設(shè)定為0.02或以上(u1-u2≥0.02)，優(yōu)選0.05或以上(u1-u2≥0.05)。當(dāng)?shù)谝蛔钃鯇雍偷诙钃鯇觾?nèi)Al混合結(jié)晶率的差異為0.02或以上時(shí)，可達(dá)到利用第一阻擋層的載流子束縛功能，并且當(dāng)差異為0.05或以上時(shí)可達(dá)到滿意的效果。也就是，第一阻擋層內(nèi)較高的Al混合結(jié)晶率會(huì)使帶隙能量變大，可實(shí)現(xiàn)較高的載流子束縛，而第二阻擋層內(nèi)較低的Al混合結(jié)晶率會(huì)使帶隙能量變小，可以使載流子注入效率增大并提高元件特性。
在使用所述氮化物半導(dǎo)體的元件內(nèi)，至少第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層中一方，優(yōu)選使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體的材料。由此，在層內(nèi)設(shè)置由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，將具有阱層和上述成分的阻擋層夾起來，在所述短波長的氮化物半導(dǎo)體元件中，在將活性層夾起來的各導(dǎo)電型層內(nèi)運(yùn)用較低Al混合結(jié)晶率，制作出具有優(yōu)異結(jié)晶性的元件結(jié)構(gòu)。
另外，當(dāng)?shù)谝蛔钃鯇拥暮穸刃∮诘诙钃鯇拥暮穸龋涂蓾M足第一阻擋層的載流子束縛、第二阻擋層的載流子注入以及阱層的結(jié)晶性。這是因?yàn)?，在以第一?dǎo)電型層、活性層、第二導(dǎo)電型層的順序依次進(jìn)行重疊的結(jié)構(gòu)中，若增大第一阻擋層的厚度，在其上形成的阱層的結(jié)晶性就會(huì)惡化，另外，利用將第二阻擋層的厚度大于第一阻擋層的厚度，可減輕形成于活性層附近的載流子束縛層的不良影響。具體地說，在所述短波長系的氮化物半導(dǎo)體中，在帶隙能大的束縛層中可以使用Al混合結(jié)晶率大的氮化物半導(dǎo)體，在元件驅(qū)動(dòng)時(shí)，層的電阻會(huì)升高，由于發(fā)熱，而對附近活性層產(chǎn)生不良影響，另外，在載流子束縛層摻雜p型雜質(zhì)時(shí)，在活性層附近會(huì)形成p-n結(jié)，如此可避免活性層上的不良影響。這是因?yàn)榈诙钃鯇有纬捎谮鍖雍洼d流子束縛層之間，并且用來當(dāng)成分隔片來避免不良影響，由此，通過形成比第一阻擋層還要厚的第二阻擋層，就可改善活性層的功能。另一方面，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝蛔钃鯇犹駮r(shí)會(huì)阻礙來自第一導(dǎo)電型層的載流子注入，則優(yōu)選利用增加帶隙能量并減低厚度來改善第一阻擋層的功能。在第一阻擋層由含Al的氮化物半導(dǎo)體所制成時(shí)，將Al混合結(jié)晶率提高并且使厚度低于由含Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的第二阻擋層厚度，可制作出更好的阱層。
在更優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，第一阻擋層的厚度范圍設(shè)定從30以上至150以下，并且第二阻擋層的厚度范圍設(shè)定從50以上至300以下。通過該結(jié)構(gòu)，可以使第一阻擋層設(shè)定在能夠束縛載流子的厚度，并且厚度優(yōu)選設(shè)定為50?；蛞陨希乖摻Y(jié)構(gòu)具有改善束縛的效果。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)谝蛔钃鯇幽ず裥?，如圖5B所示，載流子就會(huì)發(fā)生穿隧現(xiàn)象，使厚度為30?；蛞陨暇涂杀苊獯┧硇?yīng)，并且當(dāng)厚度為50?；蛞陨蠒r(shí)就可有效避免穿隧效應(yīng)并且改善束縛效率。當(dāng)?shù)谝蛔钃鯇拥暮穸仍O(shè)定為150?；蛞韵?，可避免因?yàn)楹蠥l的氮化物半導(dǎo)體所造成的結(jié)晶性惡化，并可形成優(yōu)良的阱層，再者，可制作出不會(huì)阻礙來自第一導(dǎo)電型層的載流子注入的阻擋。對于第二阻擋層的膜厚，如圖5A和5B所示，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電型層28、29為p型層時(shí)，在第二阻擋層2b附近設(shè)置p-n結(jié)，因此若阱層的位置太接近第二導(dǎo)電型層，會(huì)受到其影響，具有損害載流子重新有效結(jié)合的功能。再者，因?yàn)樗鲚d流子束縛層28配置在活性層附近并且在第二導(dǎo)電型層內(nèi)具有高帶隙能量，所以載流子束縛層具有比其它層還要高的Al成分，因此具有比其它層還要高的電阻，導(dǎo)致在元件運(yùn)作期間產(chǎn)生較高的熱量，因此，第二阻擋層2b當(dāng)成保護(hù)阱層避免過熱的分隔片。因此，優(yōu)選將厚度設(shè)定為50?；蛞陨喜⑶腋鼉?yōu)選為80?；蛞陨希员苊馍鲜鰡栴}并且實(shí)現(xiàn)良好的元件特性。另外，厚度的上限為300，如此可制作支撐住具有良好結(jié)晶性的載流子束縛層。當(dāng)?shù)诙钃鯇拥暮穸却笥?00，來自第一導(dǎo)電型層的載流子會(huì)受到和阱層分離的載流子束縛層的束縛，導(dǎo)致較低的載流子束縛效率，為了實(shí)現(xiàn)較佳的結(jié)晶性，要將厚度設(shè)定為200或以下，當(dāng)厚度設(shè)定為150?；蛞韵聲r(shí)，如此可達(dá)成優(yōu)異的結(jié)晶性，載流子束縛層就可配置在較佳位置。
另外，在所述元件中，在所述第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層內(nèi)，通過第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，遠(yuǎn)離活性層，在分別設(shè)置被覆層的元件結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選第一導(dǎo)電型層內(nèi)的被覆層的帶隙能量高于第一半導(dǎo)體層的能量，并且第二導(dǎo)電型層的被覆層的帶隙能量高于第二半導(dǎo)體層的能量。如上述，這是因?yàn)樵陔A梯狀頻帶結(jié)構(gòu)中，利用于活性層外在各阻擋層內(nèi)設(shè)置個(gè)別的載流子束縛，來實(shí)現(xiàn)更好的載流子注入。另外，在如LD這類端面發(fā)光元件設(shè)置光束縛的被覆層時(shí)，因?yàn)榈谝缓偷诙锇雽?dǎo)體可用來當(dāng)成光導(dǎo)層并且?guī)赌芰坎幌髠鹘y(tǒng)元件那樣設(shè)定高于活性層的能量，所以該元件有相當(dāng)好的晶格匹配和良好的結(jié)晶性。具體地說，可以能夠形成抑制作為作為本發(fā)明課題的由于Al混晶引起的結(jié)晶惡化的元件結(jié)構(gòu)。此時(shí)，對于具體結(jié)構(gòu)來說，這種第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層各自由含Al的氮化物半導(dǎo)體所制成，并且第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層內(nèi)Al混合結(jié)晶率設(shè)定低于所述第一阻擋層結(jié)晶率，在所述短波長的發(fā)光元件內(nèi)可以達(dá)成優(yōu)異的結(jié)晶性。另外，其它元件結(jié)構(gòu)，如圖6A中發(fā)光元件200所示，其中含有第一半導(dǎo)體層202的第一導(dǎo)電型層11、第一阻擋層2a、阱層1a、具有第二阻擋層2b的活性層203(12)、第二半導(dǎo)體層205以及含有載流子束縛層204的第二導(dǎo)電型層13，彼此疊層在基板201上，可以形成疊層結(jié)構(gòu)。在這里，圖6A表示在電子導(dǎo)電基板201上設(shè)置上述元件結(jié)構(gòu)、在基板的背面上設(shè)置電極207、夾住基板并且配置一對導(dǎo)電類型的電極的結(jié)構(gòu)，而圖6B表示在基板一邊上配置有一對導(dǎo)電類型的電極的結(jié)構(gòu)。
在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的更優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，通過活性層(利用第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的光導(dǎo)層夾起來)形成波導(dǎo)，第一導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的光導(dǎo)層具有第一半導(dǎo)體層。也就是，與傳統(tǒng)元件不一樣，帶隙能量低于活性層(第一阻擋層)的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層可用于光導(dǎo)層，并且在結(jié)構(gòu)方面，使晶格常數(shù)差以及熱膨脹系數(shù)差異減少的發(fā)光元件可用氮化鎵材料制成。此時(shí)，優(yōu)選使各導(dǎo)層的帶隙能量低于第一阻擋層的能量，類似于第一和第二半導(dǎo)體層，如此使具有良好結(jié)晶性的發(fā)光元件擁有低的Al混合結(jié)晶率。也就是，通過在各光導(dǎo)層中使用Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層(由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成)的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，如圖2B所示，這種結(jié)構(gòu)可將其中夾住活性層的下部光導(dǎo)層26和上部光導(dǎo)層29內(nèi)的Al混合結(jié)晶率制作低一點(diǎn)，如此利用將活性層和整個(gè)元件內(nèi)的Al混合結(jié)晶率壓低就可制作出具有高結(jié)晶性和高信賴度的元件。
在以這種光導(dǎo)層夾持的活性層內(nèi)，利用使發(fā)光元件具有將被覆層設(shè)置為光束縛層這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，如此可獲得具有進(jìn)一步優(yōu)異特性的元件。作為具體的構(gòu)成，在第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層內(nèi)分別設(shè)置光束縛的被覆層，如此可夾持光導(dǎo)層(夾持活性層)，而第一導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的被覆層具有高于第一半導(dǎo)體層的帶隙能量，并且第一導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的被覆層具有高于第一半導(dǎo)體層的帶隙能量。由此，在具有光導(dǎo)層和光束縛被覆層的分離束縛型的發(fā)光元件中，在氮化鎵半導(dǎo)體材料中，使帶隙能量變高，并且將整個(gè)元件內(nèi)使折射系數(shù)變小的鋁混合結(jié)晶率抑制到低值。這可確保制造的結(jié)晶性、元件可靠度以及疊層穩(wěn)定度，如此可降低元件特性的變化并且改善產(chǎn)量。也就是，通過將由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的下部被覆層25的Al混合結(jié)晶率設(shè)定高于下部光導(dǎo)層26(第一半導(dǎo)體層)的結(jié)晶率，并且將由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的上部被覆層30的Al混合結(jié)晶率設(shè)定高于上部光導(dǎo)層29(第二半導(dǎo)體層)的結(jié)晶率，可以形成折射系數(shù)小于各導(dǎo)層的光束縛的被覆層。此時(shí)，更優(yōu)選的是，如圖2B所示，通過將光束縛的各被覆層的Al混合結(jié)晶率設(shè)定低于第一阻擋層2a的結(jié)晶率，使它可制造出維持低Al混合結(jié)晶率的元件結(jié)構(gòu)，并且有利于形成具有光束縛所需厚度的被覆層。
除了上述說明的結(jié)構(gòu)以外，通過將第一阻擋層的帶隙能量設(shè)定高于所述被覆層的能量，使它可形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的元件結(jié)構(gòu)。
如上述，作為具有這種波導(dǎo)的發(fā)光元件，可以在激光元件、端面發(fā)光元件、超亮二極管等中使用。


圖1為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的激光元件結(jié)構(gòu)的圖解剖面圖。
圖2A為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的疊層結(jié)構(gòu)的圖解剖面圖，圖2B為表示各層內(nèi)Al組成比例的圖。
圖3A為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的疊層結(jié)構(gòu)的圖解剖面圖，圖3B為表示對應(yīng)于該疊層結(jié)構(gòu)的偏壓激光元件的頻帶結(jié)構(gòu)圖解示意圖。
圖4A和4B為表示傳統(tǒng)偏壓激光元件的頻帶結(jié)構(gòu)的圖解示意圖。
圖5A和5B為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的偏壓激光元件的頻帶結(jié)構(gòu)圖解示意圖。
圖6A和6B為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的疊層結(jié)構(gòu)的圖解剖面圖，圖6C為表示層內(nèi)Al組成比例的圖。
圖7為表示疊層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)激光元件的層內(nèi)Al組成比例間的關(guān)系的圖。
圖8A為表示頻帶結(jié)構(gòu)41的示意圖，圖8B至8D為表示各層中各導(dǎo)電型的雜質(zhì)濃度的各種例子的示意圖。
圖9為表示在本發(fā)明一實(shí)施方式的激光元件中相對于第二阻擋層的Al成分比例和膜厚的變化，臨界電流Ith內(nèi)變化的示意圖。
圖10為表示在本發(fā)明一實(shí)施方式的激光元件中相對于第二阻擋層的Al成分比例和膜厚的變化，元件壽命變化的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下利用使用氮化物半導(dǎo)體的實(shí)施方式來說明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件。本申請并不受限于這些具體實(shí)施方式
，并且可套用目前公知各種材料的半導(dǎo)體、AlGaAs、AlGaP等。
用于本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體元件的氮化物半導(dǎo)體包括GaN、AlN或InN或者它們混晶的III-V族氮化物半導(dǎo)體(InαAlβGa1-α-βN，0≤α，0≤β，α+β≤1)，以及使用III族元素的B或作為第V族元素N的一部分被P(磷)或As取代的混合結(jié)晶。另外，含有Al的氮化物半導(dǎo)體具有β＞0的成分，含有In的氮化物半導(dǎo)體具有α＞0的成分。在本發(fā)明的實(shí)施方式內(nèi)，尤其在本發(fā)明中，短波長系的帶隙寬的氮化物半導(dǎo)體元件，在活性層中具有由含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層，并且在第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層內(nèi)分別具有由至少一含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的層。
另外，氮化物半導(dǎo)體內(nèi)使用的n型雜質(zhì)可使用IV族元素如Si、Ge、Sn、S、O、Ti和Zr，或是VI族元素，優(yōu)選Si、Ge或Sn，并且更好是Si。而p型雜質(zhì)沒有特殊限制，Be、Zn、Mn、Cr、Mg或Ca都可使用并且優(yōu)選使用Mg。通過加入這些受體和配體可形成各導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體，從而構(gòu)成后述的各導(dǎo)電型層。本發(fā)明的第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層可以部分疊層未摻雜的層、半絕緣層，如激光元件中的反轉(zhuǎn)導(dǎo)電類型的嵌入層(電流阻擋層)那樣，可以在各導(dǎo)電型層內(nèi)部分形成寄生的元件部分。
以下，利用氮化物半導(dǎo)體說明本發(fā)明的各層。
本發(fā)明的活性層優(yōu)選形成有量子阱結(jié)構(gòu)，并且具有由含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的阱層、以及由含有Al或含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的阻擋層。尤其是，活性層內(nèi)的波長優(yōu)選為375nm或以下，具體的說，所述阱層內(nèi)的帶隙能量位于波長375nm內(nèi)。此時(shí)，用于活性層內(nèi)的氮化物半導(dǎo)體，通過在活性層內(nèi)設(shè)置未摻雜、摻雜n型雜質(zhì)或摻雜p型雜質(zhì)的優(yōu)選未摻雜或摻雜n型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體，可以制作出高輸出功率激光元件、發(fā)光元件等的氮化物半導(dǎo)體元件。優(yōu)選阱層未摻雜并且阻擋層摻雜n型雜質(zhì)，激光元件、發(fā)光元件成為以高輸出功率并且發(fā)光效率高的元件。這里，量子阱結(jié)構(gòu)可為多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)。優(yōu)選運(yùn)用多量子阱結(jié)構(gòu)來增加輸出功率并且降低振蕩臨界值。作為活性層的量子阱結(jié)構(gòu)，可以使用在兩側(cè)分別疊層至少一層所述阱層和至少一層阻擋層的疊層體，使能夠夾住該阱層。此時(shí)，在量子阱結(jié)構(gòu)中，阱層的數(shù)量為至少一層并且不超過四層，例如可使激光元件或發(fā)光元件具有低臨界電流，更優(yōu)選的是，運(yùn)用阱層數(shù)量為二或三的多阱層結(jié)構(gòu)來制作高輸出功率的激光元件或發(fā)光元件。
本發(fā)明的阱層優(yōu)選由含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體所制成，在活性層內(nèi)至少具有一層由含有該GaN、Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的阱層，在多重量子阱結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選通過將所有的阱層形成為由所述氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層，可以獲得以短波長發(fā)出光線并且高輸出功率以及高效率的激光元件或發(fā)光元件。在發(fā)光光譜為大致單一峰時(shí)，此結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，另一方面，在具有多個(gè)峰的多色發(fā)光元件中，通過至少含有一層由含有所述GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層，可以得到短波長區(qū)域的發(fā)光峰，由此可獲得發(fā)出許多顏色光線的發(fā)光元件，或可與由短波長光線激發(fā)的螢光體組合的發(fā)光裝置。此時(shí)，當(dāng)這種多色彩發(fā)光元件形成具有InαGa1-αN(0＜α≤1)成分的阱層，使阱層可發(fā)射出頻譜從紫外線到可見光區(qū)域的光線。在此情況下，可由In組成比例決定發(fā)光波長。另外，對于運(yùn)用波長375nm或更長的阱層的發(fā)光元件而言，該阱層可由含有In的氮化物半導(dǎo)體所制成，其成分優(yōu)選上述的IInαGa1-αN(0＜α≤1)。
由本發(fā)明的短波長系的含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層，使它可發(fā)出波長是傳統(tǒng)InGaN制作的阱層難以發(fā)出的光線，尤其是大約365nm的波長附近(此為GaN的頻代間隙能量)或更短，并且尤其是具有可發(fā)出波長375nm或更短的光線的頻代間隙能量。這是因?yàn)橛蒊nGaN三元混晶的傳統(tǒng)阱層，在GaN的頻代間隙能量的波長365nm的附近，例如在370nm處，必須將In含量控制在1％以內(nèi)，若In含量變得極低，發(fā)光效率就會(huì)降低并且無法獲得足夠輸出功率的激光元件或發(fā)光元件，再者，當(dāng)In含量成分為1％或以下，則難以控制結(jié)晶成長。根據(jù)本發(fā)明，通過使用含GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體制成的阱層，并且增加Al混合結(jié)晶率x來增加頻代間隙能量，制作出短波長的激光元件，使它可發(fā)出傳統(tǒng)阱層難于發(fā)出的波長375nm的光線。
在這里，在短波長發(fā)光的阱層內(nèi)使用的含有Al的氮化物半導(dǎo)體的具體組成為AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y≤1，x+y＜1)，并且優(yōu)選使用三元混晶的AlxGa1-xN(0＜x≤1)、四元混晶的AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)，另外也可使用由作為短波長的二元混晶的GaN構(gòu)成的阱層。。
下面將詳細(xì)說明由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成的阱層，在含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)，In成分的存在會(huì)增加阱層內(nèi)的發(fā)光效率，并且緩和含有Al的氮化物半導(dǎo)體所產(chǎn)生的強(qiáng)大應(yīng)力，可以使壓電場發(fā)生變化。另一方面，當(dāng)阱層由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成時(shí)，其中In混合結(jié)晶率y幾乎為零，在用于成長氮化物半導(dǎo)體的MOCVD等氣相成長法中，大量元素之間的反應(yīng)抑制，尤其是通過Al和In反應(yīng)，抑制結(jié)晶性惡化的問題，由此可以形成結(jié)晶性優(yōu)良的阱層。對于含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體，例如AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y≤1，x+y＜1)，以及含有Al但不含有In的氮化物半導(dǎo)體，例如AlxGa1-xN(0＜x≤1)中的Al混合結(jié)晶率x沒有特殊限制。通過改變Al混合結(jié)晶率就可獲得所要的頻代間隙能量和波長。另外，如上述，利用B、P、As等，也可以五元混晶以上的多元化，但優(yōu)選形成為AlInGaN的四元混晶、AlGaN的三元混晶，由此可以避免元素之間發(fā)生反應(yīng)來形成具有良好結(jié)晶性的阱層。
在含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)，例如AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y≤1，x+y＜1)中的In混合結(jié)晶率y優(yōu)選在0.02至0.1范圍內(nèi)，更優(yōu)選從0.03至0.05，若將此值設(shè)定為0.02或更高，會(huì)降低臨界電流并且改善發(fā)光效率，若將此值設(shè)定為0.03或更高更可大大加強(qiáng)這些效果，另一方面，當(dāng)此值設(shè)定高于0.1，如上述，結(jié)晶性會(huì)因?yàn)樯鲜龀煞衷刂g的反應(yīng)而開始惡化，通過將此值設(shè)定為0.05或更低，如此可達(dá)到良好的結(jié)晶性、降低臨界電流并且改善發(fā)光效率。
另外，在波長從365nm至380nm的范圍內(nèi)，可使用含有In的阱層。此時(shí)，由氮化物半導(dǎo)體所形成的阱層的具體成分若為InzGa1-zN(0＜z＜1)，側(cè)可以獲得所要的發(fā)光波長。此時(shí)，阻擋層的具體成分可以使用AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v≤1)表示的氮化物半導(dǎo)體，但隨著發(fā)光波長從380nm變短，可以使阻擋層的Al混合結(jié)晶比u變大地使用。此時(shí)，作為比與以往的第一阻擋層大致相同Al混合結(jié)晶率低的層，在活性層內(nèi)設(shè)置第二阻擋層，可避免結(jié)晶性惡化，另一方面，通過設(shè)置其Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層的第二阻擋層，會(huì)導(dǎo)致在含有In的阱層內(nèi)(插在兩阻擋層之間、)下界面和上界面上施加不同應(yīng)力，如此含有Al的氮化物半導(dǎo)體所造成的壓電場就會(huì)降低以及可降低帶隙的不良影響，并且可改善阱層內(nèi)的發(fā)光效率。在設(shè)置內(nèi)部阻擋層時(shí)，通過形成Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層的第二阻擋層可制造出和上述相同的效應(yīng)，其中內(nèi)部阻擋層優(yōu)選具有低于第一阻擋層的Al混合結(jié)晶率，更優(yōu)選高于第二阻擋層的Al混合結(jié)晶率，可以避免結(jié)晶性惡化。當(dāng)內(nèi)部阻擋層具有和第二阻擋層相同的Al混合結(jié)晶率，則所有阻擋層優(yōu)選都具有充分偏移阱層的帶隙能量。
阱層的厚度與數(shù)量可隨意決定，例如可以設(shè)定為膜厚一原子層以上、阱層數(shù)一層以上。具體地說，厚度范圍從1nm到30nm。在厚度低于1nm時(shí)，阱層會(huì)變的難以滿足功能需求。厚度超過30nm會(huì)使它難以成長含有Al并具有良好結(jié)晶性的氮化物半導(dǎo)體，導(dǎo)致無法滿足元件特性。利用將厚度范圍設(shè)定在2nm至20nm，就可以使Vf和臨界電流密度減少。從結(jié)晶成長的觀點(diǎn)來看，當(dāng)厚度為2nm或以上時(shí)，可形成品質(zhì)相對一致并且厚度較無變化的層。當(dāng)厚度為20nm或以下時(shí)，結(jié)晶可成長并會(huì)抑制結(jié)晶缺陷的發(fā)生。更好是，阱層的厚度設(shè)定為3.5nm或以上，如此可獲得具有高輸出功率的激光元件或發(fā)光元件。這是因?yàn)檩^厚的阱層會(huì)導(dǎo)致發(fā)光和高發(fā)射效率重新結(jié)合，并且用于大量載流子注入的內(nèi)部量子效率，象是用大電流驅(qū)動(dòng)的激光元件情況中，而此效果在多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)特別明顯。在單量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，以厚度5nm或以上可達(dá)成類似效果。在此并不限制阱層的數(shù)量，所以可形成任何數(shù)量(一或多)的阱層，當(dāng)為四個(gè)或以上時(shí)，構(gòu)成活性層的各層的厚度變厚，整個(gè)活性層的膜厚變厚，這樣會(huì)導(dǎo)致Vf過高。如此要將阱層的厚度維持在10nm內(nèi)，這樣才能限制活性層的厚度。在多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，在多個(gè)阱層內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)膜厚在所述范圍內(nèi)的阱層，優(yōu)選全部阱層全部設(shè)定在所述范圍內(nèi)。另外，各阱層的膜厚，可以不同，也可以大致相同。
根據(jù)本發(fā)明的阱層可摻雜p型雜質(zhì)或n型雜質(zhì)，或可不摻雜。要摻雜入阱層的雜質(zhì)優(yōu)選對于發(fā)光效率有所改善的n型雜質(zhì)。不過，因?yàn)橼鍖觾?nèi)使用含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)雜質(zhì)濃度增加時(shí)結(jié)晶性惡化，所以優(yōu)選將雜質(zhì)濃度限制在低水準(zhǔn)，如此可形成具有良好結(jié)晶性的阱層。為了最大限度地提高結(jié)晶性，阱層以未摻雜情況成長，此時(shí)雜質(zhì)濃度控制在5×1016/cm3或更低表示幾乎不含雜質(zhì)。當(dāng)阱層摻雜n型雜質(zhì)，雜質(zhì)濃度會(huì)控制在5×1016/cm3至1×1018/cm3內(nèi)，這樣可抑制結(jié)晶性惡化并增加載流子濃度，由此可降低臨界電流密度和Vf。此時(shí)，阱層內(nèi)n型雜質(zhì)的濃度優(yōu)選控制在等于或低于阻擋層內(nèi)n型雜質(zhì)的濃度，因?yàn)槠鋾?huì)加速阱層內(nèi)發(fā)光的重新結(jié)合并且增加光輸出功率。在此時(shí)，阱層和阻擋層也可在未摻雜的情況下成長，如此可構(gòu)成部分活性層。在多量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)，其中活性層內(nèi)設(shè)置多個(gè)阱層，不同的阱層可以或不含有相同濃度的雜質(zhì)。
在以大電流驅(qū)動(dòng)的元件中(象是高輸出功率的LD、LED、超亮二極管等)，阱層內(nèi)載流子的重新結(jié)合會(huì)加速，并且在阱層未摻雜并且大體上不含有任何n型雜質(zhì)時(shí)有很高的可能性會(huì)發(fā)生發(fā)光重新結(jié)合。當(dāng)阱層摻雜n型雜質(zhì)，相較之下，阱層內(nèi)的載流子濃度增加會(huì)導(dǎo)致較低的發(fā)光重新結(jié)合可能性，導(dǎo)致等輸出功率而驅(qū)動(dòng)電流增加的惡性循環(huán)，并且接著導(dǎo)致元件可靠度(元件壽命)顯著降低。由此，在這種高功率元件內(nèi)，阱層內(nèi)n型雜質(zhì)濃度保持在不高于1×1018/cm3的狀態(tài)，并且優(yōu)選阱層在未摻雜的情況下成長，或具有大體上可看成未含n型雜質(zhì)的濃度，如此可達(dá)到具有高輸出功率并可穩(wěn)定運(yùn)作的氮化物半導(dǎo)體元件。在阱層摻雜n型雜質(zhì)的激光元件內(nèi)，激光峰值波長的頻譜寬度傾向于擴(kuò)展，因此n型雜質(zhì)濃度維持在1×1018/cm3內(nèi)，優(yōu)選1×1017/cm3或更低。
根據(jù)本發(fā)明，阻擋層由含有Al并且短波長的氮化物半導(dǎo)體所制成。所需要的是活性層內(nèi)所形成的至少一阻擋層由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成，并且活性層內(nèi)所形成的所有阻擋層都可由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成，或者是活性層內(nèi)阻擋層由不含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成。該阻擋層具有高于阱層的帶隙能量，在阱層的發(fā)射波長為375nm或更短的區(qū)域內(nèi)，作為含有Al的氮化物半導(dǎo)體的阻擋層，優(yōu)選使用AluInyGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)所示的氮化物半導(dǎo)體。具體地說，由含有Al的氮化物半導(dǎo)體制成的阻擋層可為AlInGaN四元混晶，其中上述公式中的In混合結(jié)晶率v不為零或是AlGaN的三元混晶。阻擋層內(nèi)Al的比例設(shè)定高于由含有Al的氮化物半導(dǎo)體制作的阱層內(nèi)的Al比例x，換言之就是u＞x，如此可在阱層與阻擋層之間設(shè)置充分的帶隙能量差異，由此形成具有發(fā)光效率適用于激光元件和發(fā)光元件的量子阱層結(jié)構(gòu)。在阻擋層含有In(v＞0)時(shí)，In的比例v若設(shè)定為0.1或以下，如此可抑制結(jié)晶性惡化，并且更好是設(shè)定為0.05或以下。當(dāng)In的比例v高于0.1，Al和In在結(jié)晶成長期間會(huì)快速反應(yīng)，導(dǎo)致不佳的結(jié)晶性并且無法形成良好的薄膜。當(dāng)比例控制在v≤0.05，則可用較佳的結(jié)晶性形成阻擋層。阻擋層內(nèi)In的比例v范圍可以比阱層(其中發(fā)生發(fā)光重新結(jié)合)內(nèi)的比例寬。另外因?yàn)橥ㄟ^Al的比例可設(shè)定帶隙能量的差異，這樣可用象是v≥y的比例。將In的比例設(shè)定為該值可使它改變阱層和阻擋層的關(guān)鍵厚度，如此在量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)可相對自由設(shè)定厚度并且設(shè)計(jì)出具有所要特性的活性層。
如上述，根據(jù)本發(fā)明的阻擋層，在短波長系統(tǒng)中，可使用含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體，具體的是AluInyGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)的四元結(jié)晶，或使用含有Al并且In混合結(jié)晶率接近零的氮化物半導(dǎo)體，具體的是AluGa1-uN(0＜u≤1)氮化物半導(dǎo)體。對于較長波長的區(qū)域而言，可如上述使用含有In或GaN的氮化物半導(dǎo)體，具體地說可使用可廣泛應(yīng)用于從紫外線到紅色可見光區(qū)域內(nèi)的InvGa1-vN(0≤v≤1)。
在量子阱結(jié)構(gòu)的活性層內(nèi)，阻擋層可以與阱層交叉形成，可以對于一個(gè)阱層設(shè)置多個(gè)阻擋層。具體地說，如上述，將阱層夾持的阻擋層設(shè)置兩層以上，形成至少具有所述第一阻擋層、第二阻擋層的結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)多層膜的阻擋層和阱層交叉疊層的結(jié)構(gòu)。
阻擋層可摻雜p型雜質(zhì)或n型雜質(zhì)，或保留未摻雜，與上述阱層類似，但是優(yōu)選摻雜n型雜質(zhì)或成長時(shí)未摻雜。當(dāng)阻擋層摻雜n型雜質(zhì)，雜質(zhì)濃度為5×1016/cm3或更高。尤其是，在LED時(shí)，n型雜質(zhì)的加入濃度范圍從5×1016/cm3至2×1018/cm3。在高輸出功率LED或高輸出LD中，n型雜質(zhì)的加入濃度范圍從5×1017/cm3至1×1020/cm3，更好是從1×1018/cm3至5×1019/cm3。當(dāng)阻擋層摻雜如此高濃度時(shí)，阱層成長時(shí)優(yōu)選不要含有n型雜質(zhì)或未摻雜。當(dāng)阻擋層摻雜n型雜質(zhì)，活性層內(nèi)的所有阻擋層都可摻雜，或部分阻擋層有摻雜而剩下的未摻雜。當(dāng)部分阻擋層摻雜n型雜質(zhì)時(shí)，優(yōu)選摻雜位于活性層內(nèi)n型這一邊的阻擋層。具體地是，摻雜從n型這一邊算起第n個(gè)阻擋層Bn(n＝1、2、3、…)，導(dǎo)致電子有效注入活性層內(nèi)，如此可獲得具有高發(fā)光效率以及高內(nèi)部量子效率的元件。這并不限制于阻擋層，也適用于阱層。當(dāng)阱層和阻擋層都有摻雜時(shí)，從n型這一邊算起第n個(gè)阻擋層Bn(n＝1、2、3、…)和第m個(gè)阱層Wm(m＝1、2、3、…)就會(huì)摻雜，也就是，當(dāng)接近n型層附近的層有摻雜的話就可達(dá)成上述效果。
另外如后述實(shí)施例所示，當(dāng)特別在活性層以及/或阻擋層旁邊設(shè)置Mg摻雜p側(cè)電子束縛層，用在最靠近活性層內(nèi)p型層邊的p側(cè)阻擋層來摻雜n型雜質(zhì)會(huì)因?yàn)镸g的擴(kuò)散導(dǎo)致共同摻雜，造成活性層功能退化。因此，當(dāng)設(shè)置Mg摻雜p側(cè)電子束縛層時(shí)，p側(cè)阻擋層優(yōu)選基本上不含n型雜質(zhì)，尤其是濃度低于5×1016/cm3就可避免上述問題。
在此對于阻擋層的厚度并無特別限制，將厚度設(shè)定為50nm或以下來形成量子阱結(jié)構(gòu)，優(yōu)選將厚度范圍設(shè)定從1nm到30nm，類似于阱層的情況，通過將厚度限制在30nm內(nèi)可避免結(jié)晶性惡化，并且使層的厚度為1nm或更厚可充分達(dá)成阻擋層的功能。更好是，厚度范圍設(shè)定從2nm到20nm。這是因?yàn)楫?dāng)厚度為2nm或以上時(shí)，可形成具有優(yōu)選阻擋層功能性并且品質(zhì)相當(dāng)一致的層，并且當(dāng)厚度為20nm或以下時(shí)可達(dá)成良好的結(jié)晶性。
具有根據(jù)本發(fā)明量子阱結(jié)構(gòu)的活性層的優(yōu)選具體實(shí)施例(用于短波長的發(fā)光元件)，含有至少一對的由二元、三元的AlxGa1-xN(0≤x＜1)和四元的AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)構(gòu)成的阱層、由四元的AluInyGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)或是由三元的AluGa1-uN(0＜u＜1)構(gòu)成的阻擋層。具體地說，如圖3A、3B、5A和5B的活性層12所示，一或多個(gè)由AlGaN或AlInGaN制成的阱層和二或多個(gè)由InAlGaN或AlGaN制成的阻擋層，會(huì)使阱層具有優(yōu)異的內(nèi)部量子效率以及發(fā)光效率，再者，利用控制含有Al的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)Al含量，阱層就可發(fā)出低于375nm的短波長光線，如圖3A和3B所示。通過由InAlGaN或AlGaN形成帶隙能量低于阱層1能量的阻擋層2，就可制造在此短波長區(qū)域內(nèi)的優(yōu)良阻擋層。(活性層以及夾持該活性層的第一導(dǎo)電型層、第二導(dǎo)電型層)在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，以夾持活性層12的第一導(dǎo)電型層11和第二導(dǎo)電型層13的疊層結(jié)構(gòu)，尤其是對配置在活性層附近的層、具體地說是連接子在活性層上的層與活性層之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)說明。
傳統(tǒng)激光元件結(jié)構(gòu)，采用具有圖4A和4B所示的頻帶結(jié)構(gòu)，以及如圖7內(nèi)圖2A疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)Al混合結(jié)晶率的變化所示，其中依照夾持活性層的光導(dǎo)層26、29到從外面夾持光導(dǎo)層的被覆層25、30的順序升高帶隙能量。例如，在波長410nm的AlGaN/InGaN氮化物半導(dǎo)體激光元件中，在圖7中將光導(dǎo)層26、29內(nèi)Al比例作為0的基點(diǎn)，通過取代具有低帶隙能量的活性層內(nèi)In混合結(jié)晶率，來表現(xiàn)傳統(tǒng)激光元件的帶隙結(jié)構(gòu)。另外，對于以往的紫外線區(qū)域內(nèi)的AlGaN半導(dǎo)體激光元件，如圖7所示，這種結(jié)構(gòu)的用意在于以從位于活性層外面的光導(dǎo)層26、29到位于更外面的被覆層的順序增加Al混合結(jié)晶率，并且據(jù)此從活性層往外增加帶隙能量，如圖4A和4B所示。另外根據(jù)在紫外線區(qū)域內(nèi)發(fā)出光線的AlGaN的傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體激光元件內(nèi)，在排除被覆層或光導(dǎo)層之后這種結(jié)構(gòu)和上述激光元件一樣，具體的是，在圖7所示光導(dǎo)層26、29和被覆層25、30用于載流子束縛層的結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過使Al比例高于發(fā)光層(活性層27)來形成具有高帶隙能量的層。不過，在這種Al比例向外逐漸增加的結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)晶性惡化并且破裂發(fā)生會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。
根據(jù)本發(fā)明，可抑制伴隨上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的破裂，并且利用制造出帶隙能量較低以及將光導(dǎo)層26、29(夾住活性層27)內(nèi)Al混合結(jié)晶率下降并低于活性層內(nèi)阻擋層2的結(jié)構(gòu)，如圖2A和2B所示，如此可在室溫下連續(xù)振蕩。具體地說，第一半導(dǎo)體層26形成于第一導(dǎo)電型層內(nèi)，并且?guī)赌芰康陀谧钃鯇觾?nèi)的能量，尤其是活性層內(nèi)設(shè)置的第一阻擋層2a內(nèi)，如此第一半導(dǎo)體層內(nèi)Al混合結(jié)晶率將制作低于短波長的活性層內(nèi)阻擋層的Al結(jié)晶率。此時(shí)，阱層與第一半導(dǎo)體層之間的關(guān)系將造成，第一半導(dǎo)體層內(nèi)的帶隙能量高于活性層內(nèi)阱層的能量，以便導(dǎo)致發(fā)光重新結(jié)合。此關(guān)系也適用于第二導(dǎo)電型層，具體是，第二導(dǎo)電型層內(nèi)的第二半導(dǎo)體層29內(nèi)帶隙能量比活性層內(nèi)設(shè)置的阻擋層2降低并且Al混合結(jié)晶率減少。利用配置具有Al混合結(jié)晶率低于活性層附近(優(yōu)選與活性層相連)阻擋層內(nèi)結(jié)晶率的第一半導(dǎo)體層(第二半導(dǎo)體層)，則可形成具有良好載流子束縛特性以及良好結(jié)晶性的活性層，當(dāng)這些層用于光導(dǎo)層內(nèi)，可形成適合用于短波長區(qū)域的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。下面將詳細(xì)說明。
根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)方式的氮化物半導(dǎo)體，具有圖2A和3A所示的結(jié)構(gòu)，其中在第一導(dǎo)電型層11和第二導(dǎo)電型層13之間設(shè)置活性層12，具體是，連續(xù)疊層接觸層23、下部被覆層25和下光導(dǎo)層26作為第一導(dǎo)電型層11，然后在其上形成活性層27，并且在活性層上連續(xù)疊層載流子束縛層28、上光導(dǎo)層29、上部被覆層30和接觸層24作為第二導(dǎo)電型層13。彼此相連的載流子束縛層、光導(dǎo)層、被覆層和接觸層的配置并不受限于圖2A所示的接觸設(shè)定，并且這些層之間可插入其它層而分隔。這里，圖2A為表示具有根據(jù)本發(fā)明波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的元件疊層結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖3A表示活性層以及配置夾持活性層的層的疊層結(jié)構(gòu)40，并且圖3B表示在對應(yīng)于疊層結(jié)構(gòu)40內(nèi)偏壓的頻帶結(jié)構(gòu)41，其中第一導(dǎo)電型層11設(shè)定為n型層側(cè)并且第二導(dǎo)電型層13設(shè)定為p型層側(cè)。這同樣適用于圖4A、4B、5A和5B內(nèi)表示的頻帶結(jié)構(gòu)41，其中空心圓表示空穴并且實(shí)心圓表示電子載流子。箭頭用于圖解指示載流子的運(yùn)動(dòng)，并且回轉(zhuǎn)的箭頭指示受到頻帶偏移束縛的載流子。實(shí)線表示導(dǎo)電帶Ec以及價(jià)電子帶Ev，而虛線表示費(fèi)米位準(zhǔn)(Fermilevel)EF。如同從圖3A所見，具有帶隙能量低于夾持阱層1的阻擋層2a、2b的第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層夾持活性層而配置，并且用來作為上部與下部光導(dǎo)層。在這里，在第二導(dǎo)電型層29與活性層27之間活性層附近(優(yōu)選相連)第二導(dǎo)電型層(p型層側(cè))內(nèi)設(shè)置載流子束縛層28。由于活性層內(nèi)阻擋層2a的空穴會(huì)束縛在阱層內(nèi)，并且電子會(huì)束縛在相連于阻擋層2b和/或活性層27的載流子束縛層28。在圖4A和4B所示的傳統(tǒng)頻帶結(jié)構(gòu)內(nèi)，載流子束縛的偏移設(shè)置于第一導(dǎo)電型層26活性層27、阻擋層2a之間，并且設(shè)置氮化物半導(dǎo)體層或帶隙能量高于活性層27和阻擋層2a的光導(dǎo)層26，如此連接活性層并且作為載流子束縛層，不過，相連活性層27和阻擋層2a的第一半導(dǎo)體層26并非制作在將載流子束縛于活性層內(nèi)的結(jié)構(gòu)，并且載流子由位于最靠近第一導(dǎo)電型層的第一阻擋層2a束縛在阱層1a內(nèi)。
以下將說明阱層、阻擋層與第一半導(dǎo)體層(第二半導(dǎo)體層)之間的關(guān)系。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件具有第一導(dǎo)電型層、活性層和第二導(dǎo)電型層如上述般疊層的結(jié)構(gòu)。在此將說明第一導(dǎo)電型層為具有n型氮化物半導(dǎo)體的n型層并且第二導(dǎo)電型層為具有p型氮化物半導(dǎo)體的p型層的設(shè)定。在量子阱結(jié)構(gòu)的活性層內(nèi)，將最靠近n型層的n型阻擋層標(biāo)示為第一阻擋層，并且將最靠近p型層的p型阻擋層標(biāo)示為第二阻擋層。根據(jù)本發(fā)明，最靠近n側(cè)阻擋層的第一導(dǎo)電型層(n型層)內(nèi)設(shè)置的第一半導(dǎo)體層的帶隙能量優(yōu)選高于第一阻擋層。本發(fā)明的活性層具有至少第一阻擋層、帶隙能量低于前者的第二阻擋層以及至少一插在其間的阱層。在此必須將第一阻擋層比阱層設(shè)置在靠近第一導(dǎo)電型層(n型層)的地方，并且將第二阻擋層設(shè)置靠近第二導(dǎo)電型層(p型層)的地方。因此，優(yōu)選設(shè)置比至少一阱層位于靠近p型層的第二阻擋層(p型阻擋層)，如此可將阱層插入至少第一阻擋層與第二阻擋層之間。這是因?yàn)樵O(shè)置夾住阱層的第一阻擋層與第二阻擋層，分別最靠近n型層和最靠近p型層位置上，因此具有不同功能。
第一阻擋層為最接近活性層內(nèi)n型層位置上的阻擋層，并且優(yōu)選設(shè)置在最接近n型層的位置上，并且在活性層內(nèi)最外面。更優(yōu)選所設(shè)置的第一阻擋層會(huì)與n型層和第一半導(dǎo)體層接觸。這是因?yàn)椋?dāng)?shù)谝蛔钃鯇油ㄟ^阱層遠(yuǎn)離n型層所設(shè)置，例如在圖4B所示的具體實(shí)方式內(nèi)，載流子注入位于n型層側(cè)上的阱層內(nèi)而非第一阻擋層2a，如此會(huì)導(dǎo)致載流子溢流至n型層側(cè)，而通過將第一阻擋層制作厚一點(diǎn)，使其不可能將載流子注入位于n型層側(cè)上的阱層內(nèi)而來抑制載流子溢流至n型層側(cè)，通過損害阱層的功能來影響發(fā)光重新結(jié)合。相較的下，第一阻擋層作為阻擋載流子束縛在阱層內(nèi)(位于第一阻擋層與p型層所夾住的活性層內(nèi))，并且第二阻擋層作為阻擋載流子束縛在阱層內(nèi)(位于第二阻擋層與n型層所夾住的活性層內(nèi))。在另外一方面，由阱層夾住的阻擋層，例如圖5A和5B所示的阻擋層2c和2d，具有束縛載流子的功能，而將載流子分散在阱層內(nèi)，不同于位于第一阻擋層、第二阻擋層和阱層之間的阻擋層的功能。因此，為了將第一阻擋層的功能做最大的利用，則必須通過將第一阻擋層、第二阻擋層配置在活性層內(nèi)最外面的位置，將載流子充分束縛在活性層內(nèi)。
對于第二阻擋層而言，除了上述該第二阻擋層以外，通過在活性層上設(shè)置后述的載流子束縛層，該層優(yōu)選在第二導(dǎo)電型層(p型層)內(nèi)與活性層接觸，如此載流子可束縛在對應(yīng)至活性層內(nèi)不對稱阻擋層結(jié)構(gòu)的阱層內(nèi)。除了第二阻擋層之外，如此通過將載流子束縛層配置在活性層外部，這樣可將載流子充分束縛并注入活性層，尤其是在阱層內(nèi)，并且改進(jìn)電子容易在氮化物半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的問題，并且載流子擴(kuò)散長有變大的傾向。類似于第一阻擋層，第二阻擋層比阱層靠近p型層(第一導(dǎo)電型層)，更好是更靠近p型層，最好是位于最靠近p型層的位置上，并且在活性層的最外面，而滿足載流子的注入。而第二阻擋層也可位于載流子束縛層以外的地方，優(yōu)選所形成的第二阻擋層與p型層內(nèi)載流子束縛層28接觸，如此要將載流子注入阱層會(huì)通過帶隙能量低于第一阻擋層的第二阻擋層而非帶隙能量高于第一阻擋層的載流子束縛層。
活性層內(nèi)所形成的阻擋層的最外面的阻擋層以外的阻擋層，象是位于比活性層內(nèi)阱層靠近第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電類性層的第一阻擋層和第二阻擋層，可設(shè)置由阱層1a和1b以及阱層1b和1c夾住的內(nèi)部阻擋層2c、2d，如圖5A和5B所示。在多量子阱結(jié)構(gòu)中，尤其是載流子可充分分配在多個(gè)阱層之間，利用阱層所夾住的內(nèi)部阻擋層進(jìn)行注入與束縛。換言之，內(nèi)部阻擋層的功能有別于第一阻擋層和第二阻擋層，并且厚度可比第一阻擋層和第二阻擋層還要厚，使量子阱結(jié)構(gòu)不有損于阱層所夾住的阻擋層的功能，這對于限制整個(gè)活性層的厚度并且抑制Vf增加是有利的。另外如圖5A所示，當(dāng)所形成的內(nèi)部阻擋層2c具有高于第一阻擋層和第二阻擋層的帶隙能量，則從各相鄰于活性層的導(dǎo)電型層注入的載流子必須克服位于阱層之間較大的內(nèi)部阻擋層2c、2d，導(dǎo)致因?yàn)橐朔?nèi)部阻擋層而降低將載流子注入第一導(dǎo)電型層上阱層的效率。當(dāng)阱層夾住的阻擋層2c、2d形成具有低于如圖5B所示第一阻擋層、第二阻擋層的帶隙能量，則會(huì)減弱位于內(nèi)部位置上阻擋層的束縛功能，并且使第一阻擋層、第二阻擋層的功能相對強(qiáng)于這些阻擋層，因此，即使阱層的數(shù)量增加，外側(cè)阻擋層還是能設(shè)置較大的阻擋，如此可達(dá)成載流子注入各阱層的充分注入與束縛。也就是，利用使內(nèi)部阻擋層的帶隙能量低于第一阻擋層的能量，如圖5B所示，則位于最外面的第一阻擋層會(huì)有最高的帶隙能量，如此來自第二導(dǎo)電型層的載流子可充分注入阱層內(nèi)。優(yōu)選使內(nèi)部阻擋層的帶隙能量低于第二阻擋層，如此阻擋層的帶隙能量會(huì)從第一導(dǎo)電型層向第二導(dǎo)電型層逐步增加，如此可充分將載流子注入各阱層，如圖5B所示。
如上述，因?yàn)閷儆谕饷孀钃鯇拥牡谝蛔钃鯇?a和第二阻擋層2b具有與里面阱層夾住的阻擋層不同的功能，如此可在內(nèi)部阻擋層和外面阻擋層之間，形成薄膜厚度、帶隙能量和成分不同的結(jié)構(gòu)，從而獲得具有所要特性的元件。另外如圖5B所示，也可在活性層內(nèi)(具有多個(gè)內(nèi)部阻擋層)內(nèi)部阻擋層之間制作不同的薄膜厚度、帶隙能量和成分，或者幾乎相同的薄膜厚度、帶隙能量以及成分，優(yōu)選通過制作幾乎相同的薄膜厚度、帶隙能量以及成分來獲得出功能大體上一致的內(nèi)部阻擋層，由此可充分將載流子注入各阱層。
對于上述原因，位于最靠近n型層側(cè)的第一阻擋層2b優(yōu)選摻雜n型雜質(zhì)，而位于最靠近p型層側(cè)的第二阻擋層優(yōu)選不摻雜n型雜質(zhì)，具體地說，雜質(zhì)濃度為5×1016/cm3或以下。這是因?yàn)榈锇雽?dǎo)體內(nèi)用的許多p型雜質(zhì)具有高度擴(kuò)散傾向，例如常用的Mg和Zn等可在疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)擴(kuò)散到遠(yuǎn)處。如此當(dāng)阻擋層摻雜p型雜質(zhì)，雜質(zhì)就會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入相鄰的阱層，而妨礙阱層內(nèi)發(fā)光載流子的重新結(jié)合。優(yōu)選在位于p型層附近成長未摻雜的第二阻擋層，具有限制雜質(zhì)從阻擋層內(nèi)p型層擴(kuò)散的效果，通過避免雜質(zhì)進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)入阱層。尤其是在p型層內(nèi)具有載流子束縛層28，在靠近第二阻擋層時(shí)(優(yōu)選與第二阻擋層接觸)，因?yàn)檩d流子束縛層傾向具有相當(dāng)高的阻力，所以會(huì)有高度摻雜p型雜質(zhì)的能力。這樣雜質(zhì)的擴(kuò)散就會(huì)成為問題，而通過成長未摻雜的第二阻擋層由此避免阱層的功能由于擴(kuò)散而惡化，這樣就可解決問題。另外，因?yàn)樵谳d流子束縛層附近形成p-n結(jié)并且載流子束縛層傾向形成具有元件內(nèi)最高的Al混合結(jié)晶率，如圖3A、3B、5A和5B所示，則高Al混合結(jié)晶率的氮化物半導(dǎo)體會(huì)設(shè)置大的壓電，導(dǎo)致阱層上產(chǎn)生不良影響，而通過以未摻雜形成Al混合結(jié)晶率低于載流子束縛層的第二阻擋層可抑制上述問題。
當(dāng)?shù)谝蛔钃鯇拥暮穸缺鹊诙钃鯇舆€要厚時(shí)，通過在第二導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置載流子束縛層28，如此可利用第二阻擋層降低進(jìn)入活性層的載流子束縛功能，就是當(dāng)功能類似內(nèi)部阻擋層的阻擋層和載流子束縛層28形成主要將載流子束縛在活性層內(nèi)的結(jié)構(gòu)，這樣使它有可能減少整個(gè)活性層的厚度并對于Vf的降低有所貢獻(xiàn)，并且在氮化物半導(dǎo)體內(nèi)，因?yàn)榭昭ǖ臄U(kuò)散長度和電子的擴(kuò)散長度比較起來相當(dāng)短，并且用來作為空穴注入部分的第一阻擋層相當(dāng)薄，所以可有效地實(shí)現(xiàn)載流子注入阱層。在另外一方面，在設(shè)置摻雜p型雜質(zhì)的載流子束縛層28，或者位于活性層附近(優(yōu)選與活性層接觸)帶隙能量高于第一阻擋層的第二阻擋層29時(shí)，具有高Al混合結(jié)晶率的層與活性層鄰接設(shè)置。因?yàn)榫哂懈逜l混合結(jié)晶率的層就會(huì)具有高阻力，所以當(dāng)元件運(yùn)作時(shí)此層內(nèi)就會(huì)顯著產(chǎn)生熱量，如此在此層靠近阱層時(shí)會(huì)對阱層造成不利的影響，導(dǎo)致元件特性惡化。在這種具有高Al混合結(jié)晶率與活性層間的界面，或在具有高Al混合結(jié)晶率的層的活性層側(cè)界面或是在其附近或設(shè)置活性層的阱層內(nèi)設(shè)置p-n結(jié)時(shí)，如圖3A、3B、5A和5B所示，偏壓對于阱層內(nèi)發(fā)光的重組具有不良影響。也就是，第一阻擋層優(yōu)選作為分隔阱層和具有高Al混合結(jié)晶率的層的分隔片，由此避免具有高Al混合結(jié)晶率的層影響阱層。此時(shí)，第一阻擋層的厚度為20或以上，這使其實(shí)現(xiàn)分隔的功能，并且優(yōu)選40或以上來抑制向阱層的影響。
以下將說明本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
。
在本發(fā)明的元件結(jié)構(gòu)內(nèi)，量子阱層的活性層結(jié)構(gòu)由第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層夾住，其中活性層、第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層由氮化物半導(dǎo)體所制成。具體是，如圖2A所示，該元件具有第一導(dǎo)電型層11、活性層12和第二導(dǎo)電型層13疊層在基板21上的結(jié)構(gòu)，其中活性層制作成具有至少阻擋層和阱層的量子阱結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間制作成量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，如圖3A的疊層結(jié)構(gòu)40所示，至少具有位于第一導(dǎo)電型層11側(cè)上的第一阻擋層2a、第二導(dǎo)電型層13側(cè)上的第二阻擋層2b，以及至少夾在第一阻擋層2a和第二阻擋層2b之間的一阱層1。尤其是，第一阻擋層2a和第二阻擋層2b優(yōu)選分別為位于第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層側(cè)上的阻擋層，并且這些阻擋層優(yōu)選位于活性層內(nèi)最外面的位置。這表示位于內(nèi)部的內(nèi)部阻擋層2c、2d擁有與第一阻擋層2a和第二阻擋層2b不同的功能，如圖5A和5B所示。
本發(fā)明具有下列特征，在具有上述阻擋層的活性層內(nèi)，第二阻擋層2b具有低于第一阻擋層2a的帶隙能量。具體的是，如圖3A、3B、5A和5B所示，因?yàn)榈诙钃鯇?b具有低于第一阻擋層2a的帶隙能量，來自第二導(dǎo)電型層13的載流子的注入路徑51遇到比傳統(tǒng)元件路徑52還要低的阻擋，如圖式內(nèi)的箭頭所示，如此可使載流子有效注入阱層1a。另外，如圖中箭頭所示，第二導(dǎo)電型層13側(cè)上的載流子會(huì)由第一導(dǎo)電型層11側(cè)上具有高帶隙能量的第一阻擋層2a束縛在阱層1a內(nèi)。此時(shí)，特別優(yōu)選第一導(dǎo)電型層11為n型層并且第二導(dǎo)電型層13為p型層，而這會(huì)導(dǎo)致在價(jià)帶側(cè)上形成比導(dǎo)帶側(cè)還要高的阻擋，如圖3A、3B、5A和5B所示，如此即使在象是阻擋層這種薄膜內(nèi)還是可實(shí)現(xiàn)充分的注入和空穴束縛，以及系統(tǒng)內(nèi)較低的阻擋可使氮化物半導(dǎo)體內(nèi)空穴有比電子短的擴(kuò)散路徑。再者，在n型層側(cè)11和p型層側(cè)13的元件結(jié)構(gòu)中，傾向在氮化物半導(dǎo)體元件內(nèi)的活性層與p型層13間的界面附近形成p-n結(jié)，如圖3A、3B、5A和5B所示，因此若第二阻擋層2b帶隙能量大，則傾向于使阻擋空穴注入的障礙變高。
另一方面，當(dāng)考慮到其活性層設(shè)置于n型層側(cè)11和p型層側(cè)13之間的元件結(jié)構(gòu)內(nèi)電子的束縛時(shí)，通過設(shè)置載流子束縛層28來束縛p型層13內(nèi)活性層附近的電子，如此可在載流子束縛層28附近形成上述p-n結(jié)，如圖3A、3B、5A和5B所示，形成優(yōu)選用于接合并適合用于束縛電子的阻擋，如上述的阻擋層。此時(shí)更優(yōu)選的，如圖3A、3B、5A和5B所示，通過在第二導(dǎo)電型層13內(nèi)設(shè)置與活性層連接的載流子束縛層28，在阱層附近形成大的阻擋，可以提高束縛效果。更好的是，通過形成與第二阻擋層2b接觸的載流子束縛層28，作為活性層27內(nèi)第二導(dǎo)電型層13側(cè)上的最外層，如圖3A所示，由此可以實(shí)現(xiàn)充分束縛來自難以用具有低阻擋的第二阻擋層來束縛的第一導(dǎo)電型層11側(cè)的載流子的結(jié)構(gòu)。
在此將運(yùn)用本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
與第一具體實(shí)施方式
結(jié)合，具體是，在第一導(dǎo)電型層11側(cè)上設(shè)置帶隙能量低于第一阻擋層2a的第一半導(dǎo)體層26，如圖3A、3B、5A和5B所示，并且在第二導(dǎo)電型層13側(cè)上也設(shè)置帶隙能量低于第一阻擋層2a的第二半導(dǎo)體層29。此時(shí)，當(dāng)在第二導(dǎo)電型層13上設(shè)置第二半導(dǎo)體層29，優(yōu)選通過載流子束縛層28設(shè)置遠(yuǎn)離活性層的第二半導(dǎo)體層29，換言之就是在第二半導(dǎo)體層29與活性層12之間設(shè)置載流子束縛層28。
當(dāng)在夾住活性層12的第一導(dǎo)電型層11和第二導(dǎo)電型層13上設(shè)置氮化物半導(dǎo)體層(具有低于活性層12的帶隙能量，尤其是活性層12內(nèi)具有最高帶隙能量的第一阻擋層2a)，如此可改善短波長的發(fā)光元件的特性。這是因?yàn)?，在短波長的傳統(tǒng)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)，如上面圖4A和4B所示，在此必須設(shè)置帶隙能量高于活性層的層，換言之就是具有較高Al混合結(jié)晶率的層，其會(huì)因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)等差異的影響造成結(jié)晶性惡化。根據(jù)本發(fā)明，與傳統(tǒng)元件不同的是，在夾住活性層12的第一導(dǎo)電型層11和第二導(dǎo)電型層13上，通過設(shè)置帶隙能量低于活性層的層，可以形成具有良好結(jié)晶性的元件。另外如實(shí)施例所示，在依次疊層第一導(dǎo)電型層11、活性層12和第二導(dǎo)電型層13的元件內(nèi)，通過抑制活性層12下第一導(dǎo)電型層11內(nèi)的Al混合結(jié)晶率，就可形成具有良好結(jié)晶性的活性層。另外，在夾住活性層的第一導(dǎo)電型層11、第二導(dǎo)電型層13上，通過分別設(shè)置Al混合結(jié)晶率低于活性層、尤其是第一阻擋層2a的層，如此可通過含有Al的氮化物半導(dǎo)體緩和活性層上的強(qiáng)大應(yīng)力，并且形成元件驅(qū)動(dòng)優(yōu)良的活性層。
以下，對于本發(fā)明的元件中所用的各層，以尤其在短波長系統(tǒng)中的實(shí)施方式作為基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)說明。
(激光元件，波導(dǎo)結(jié)構(gòu))
本發(fā)明的一實(shí)施方式為激光元件、具有這種氮化物半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的端面發(fā)光元件，其具有夾在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間的活性層。具體是，如圖2A所示，第一導(dǎo)電型層11、活性層12和第二導(dǎo)電型層13疊層在基板上，并且至少在第一導(dǎo)電型層11內(nèi)設(shè)置第一光導(dǎo)層26并且在第二導(dǎo)電型層13內(nèi)設(shè)置第二光導(dǎo)層29，如此用第一和第二光導(dǎo)層26、29夾住活性層，而從第一和第二光導(dǎo)層以及其間設(shè)置的活性層形成波導(dǎo)。再者，在第一導(dǎo)電型層具有下部被覆層25并且第二導(dǎo)電型層具有上部被覆層30時(shí)，含有活性層并且由上下部被覆層25、30夾住的區(qū)域?yàn)椴▽?dǎo)。當(dāng)在由上下部被覆層25、30夾住的波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置光導(dǎo)層時(shí)，臨界電流密度會(huì)降低并且獲得具有高輸出功率的激光元件。下面將說明這種元件結(jié)構(gòu)，其在短波長的波導(dǎo)(以寬帶隙設(shè)定具有阱層帶隙能量大約等于或高于GaN的能量)內(nèi)設(shè)置光導(dǎo)層。
在本發(fā)明的第一實(shí)施方式內(nèi)，如圖2A所示，將設(shè)置活性層12、第一導(dǎo)電型層內(nèi)的第一光導(dǎo)層29以及第二導(dǎo)電型層內(nèi)第二光導(dǎo)層26作為波導(dǎo)，如此形成具有設(shè)置使用所述波長在380nm或更短的活性層的波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)的元件。
該波導(dǎo)主要用于導(dǎo)引來自活性層的光線。激光元件、端面發(fā)光元件的發(fā)光效率、臨界電流密度以及其它特性都取決于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成光導(dǎo)層并如上述夾住活性層，則足以分別至少在第一導(dǎo)電型層、第二導(dǎo)電型層之一上設(shè)置光導(dǎo)層，換言之就是設(shè)置第一光導(dǎo)層或第二光導(dǎo)層。不過優(yōu)選在活性層兩邊上都設(shè)置光導(dǎo)層，如此臨界電流密度會(huì)降低并且獲得具有高輸出功率的激光元件。
對于根據(jù)本發(fā)明的第一光導(dǎo)層26和第二光導(dǎo)層29而言，使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體。另外如圖3B、5A和5B內(nèi)的頻帶結(jié)構(gòu)41，通過將帶隙能量設(shè)定高于量子阱結(jié)構(gòu)的活性層27內(nèi)阱層1的能量，并且在活性層27與光導(dǎo)層26、29之間減小折射系數(shù)差異。光導(dǎo)層26、29的帶隙能量可低于阻擋層內(nèi)的能量，如圖3B、5A和5B所示，或可設(shè)置大于阻擋層的層作為部分光導(dǎo)層，如圖4A和4B所示。此時(shí)，除了第一阻擋層以外的光導(dǎo)層，或至少部分光導(dǎo)層，可擁有高于阻擋層的帶隙能量，或光導(dǎo)層的帶隙能量可高于內(nèi)部阻擋層、第二阻擋層即活性層內(nèi)設(shè)置的部分阻擋層，如圖5B所示。也就是，優(yōu)選光導(dǎo)層具有第一半導(dǎo)體層(其帶隙能量低于第一阻擋層的能量)，更好是所有光導(dǎo)層都具有低于含有第一半導(dǎo)體層的光導(dǎo)層內(nèi)第一阻擋層，或具有第一半導(dǎo)體層以外其它層的多薄膜光導(dǎo)層內(nèi)的帶隙能量，這樣可充分實(shí)現(xiàn)第一阻擋層作為載流子束縛層的功能。當(dāng)形成具有低Al混合結(jié)晶率的光導(dǎo)層，如此可通過形成下部光導(dǎo)層，例如通過抑制含有Al的氮化物半導(dǎo)體造成的結(jié)晶性惡化，而形成由良好阱層制成具有良好特性的發(fā)光元件、激光元件。此時(shí)，優(yōu)選通過將部分光導(dǎo)層、更優(yōu)選整個(gè)光導(dǎo)層的帶隙能量制作成低于內(nèi)部阻擋層的能量，更優(yōu)選低于第一阻擋層的能量，由此可以形成更優(yōu)良的元件。也就是，在上述短波長的系統(tǒng)內(nèi)，部分光導(dǎo)層(由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成)或優(yōu)選整個(gè)帶隙能量低于內(nèi)部阻擋層的能量，更好是低于第二阻擋層的能量。另外，這種結(jié)構(gòu)也可用來作為所設(shè)置的第一半導(dǎo)體層，類似于在第一導(dǎo)電型層11內(nèi)設(shè)置光導(dǎo)層，當(dāng)在第二導(dǎo)電型層13內(nèi)設(shè)置光導(dǎo)層，則也可設(shè)置帶隙能量低于第二阻擋層的第二半導(dǎo)體層，而其效果類似于第一半導(dǎo)體層的效果。更進(jìn)一步，當(dāng)在上光導(dǎo)層內(nèi)設(shè)置第二半導(dǎo)體層時(shí)，作為光導(dǎo)層的組成可以具體使用InαAlβGa1-α-βN(0≤α，0＜β，α+β≤1)。優(yōu)選氮化物半導(dǎo)體層不含有In，換言之氮化物半導(dǎo)體內(nèi)In的比例設(shè)定為零，如此可避免In存在時(shí)發(fā)生吸收光線的現(xiàn)象，由此形成光耗損壓制到非常低的波導(dǎo)。優(yōu)選使用AlβGa1-βN(0≤β≤1)，這使波導(dǎo)可適用于范圍從紫外線到紅外線頻譜的廣費(fèi)波長區(qū)域內(nèi)。為了導(dǎo)引短波長不超過380nm的光線，尤其優(yōu)選使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)。這是因?yàn)镚aN會(huì)吸收上述短波長區(qū)域內(nèi)的光線，如使導(dǎo)致光耗損而對臨界電流密度和電流光輸出特性有負(fù)面影響。尤其是光導(dǎo)層內(nèi)Al的比例β優(yōu)選設(shè)定成使光導(dǎo)層的帶隙能量Eg為比發(fā)自活性層的光線的光能量Ep高出0.05eV或以上(Eg-Ep≥0.05eV)。這會(huì)制造出將導(dǎo)層所造成的光耗損抑制在上述短波長區(qū)域內(nèi)的波導(dǎo)，更優(yōu)選的是，將能量間隙設(shè)定Eg-Ep≥0.1eV，這樣可獲得更優(yōu)良的波導(dǎo)，如此通過符合上述條件就可形成可擁有優(yōu)良元件特性的波導(dǎo)，并且形成帶隙能量低于第一阻擋層的光導(dǎo)層。
在單一膜或多層膜內(nèi)可形成第一光導(dǎo)層26與第二光導(dǎo)層29之一或兩者。當(dāng)形成由單一氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的光導(dǎo)層時(shí)，則將形成由第一光導(dǎo)層26與第二光導(dǎo)層29夾住活性層27的疊層結(jié)構(gòu)40，如圖3A所示，而由此制成的頻帶結(jié)構(gòu)41的帶隙能量會(huì)變成高于活性層的能量。具體是使用上述AlβGa1-βN(0≤β≤1)。在上述短波長區(qū)域內(nèi)，將使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)，更優(yōu)選調(diào)節(jié)第一光導(dǎo)層與第二光導(dǎo)層內(nèi)Al的比例β，如此第一光導(dǎo)層和第二光導(dǎo)層的帶隙能量Eg可以設(shè)定高于光能量Ep 0.05eV或以上(Eg-Ep≥0.05eV，優(yōu)選Eg-Ep≥0.1eV)。
在此對于第一光導(dǎo)層26和第二光導(dǎo)層29的厚度沒有特殊限制，具體的說，厚度的范圍從10nm至5μm，優(yōu)選從20nm至1μm，更優(yōu)選從50nm至300nm。當(dāng)該層為10nm或更厚時(shí)，則作為導(dǎo)層發(fā)揮作用，當(dāng)厚度為20nm或更厚，如此可形成降低臨界電流密度的波導(dǎo)，當(dāng)該層為50nm或更厚，會(huì)進(jìn)一步降低臨界電流密度。當(dāng)該層為5μm或更薄，則作為導(dǎo)層發(fā)揮作用，并且當(dāng)厚度為1μm或更薄，如此可形成降低光耗損的波導(dǎo)，并且當(dāng)該層為300nm或更薄，會(huì)進(jìn)一步降低光耗損。
本發(fā)明的光導(dǎo)層可由多層膜的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，此時(shí)，如上述優(yōu)選使用不含有In的氮化物半導(dǎo)體，更優(yōu)選使用AlβGa1-βN(0≤β≤1)，并且在上述短波長區(qū)域內(nèi)，優(yōu)選使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)，利用氮化物半導(dǎo)體，形成在各光導(dǎo)層中至少使用一層以上組成各自不同的氮化物半導(dǎo)體層的多層膜。具體是，在第一光導(dǎo)層26內(nèi)使用第一層以及和第一層組成不同的第二層，而在第二光導(dǎo)層29內(nèi)使用第三層以及和第三層組成不同的第四層。這里，第一到第四層都由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。由此，此利用每個(gè)波導(dǎo)內(nèi)第一層與第二層之間以及第三層與第四層之間的Al比例差異，來形成具有不同帶隙能量和折射系數(shù)值的多層膜結(jié)構(gòu)。
例如，在疊層第一導(dǎo)電型層、活性層和第二導(dǎo)電型層的結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成這種結(jié)構(gòu)使第一光導(dǎo)層具有第一層和第二層并且第二光導(dǎo)層具有第三層和第四層，其中第二層和第三層位于活性層側(cè)邊上并且第一層和第四層則位于遠(yuǎn)離活性層的位置上，如此帶隙能量會(huì)朝向活性層階梯狀遞減。尤其是，位于活性層側(cè)上第二層和第三層內(nèi)Al的比例β2和β3會(huì)低于位于遠(yuǎn)離活性層的位置上第一層和第四層內(nèi)Al的比例β1和β4(β1＞β2，β4＞β3)，導(dǎo)致可將載流子有效注入波導(dǎo)內(nèi)所形成活性層的階梯狀結(jié)構(gòu)，其中由于活性層和其附近折射系數(shù)變高，因此，形成光更均勻分布在波導(dǎo)內(nèi)活性層的結(jié)構(gòu)。之所以將光導(dǎo)層形成為多層膜，是由于在多層結(jié)構(gòu)內(nèi)制作光導(dǎo)層的原因是較高的Al率傾向于使結(jié)晶性變差，在由于結(jié)晶性惡化很難以單一膜形成光導(dǎo)層時(shí)，或者發(fā)生特性惡化時(shí)，可以以多膜形成從而抑制結(jié)晶性惡化。這種結(jié)構(gòu)也可將Al的比例設(shè)定為β1＜β2和β4＜β3，而不是上述的β1＞β2和β4＞β3，如此靠近活性層的導(dǎo)層(第二層和第三層)具有較高的帶隙能量以及較低折射系數(shù)，而遠(yuǎn)離活性層的導(dǎo)層(第一層和第四層)則具有較低的帶隙能量以及較高的折射系數(shù)。不過，優(yōu)選設(shè)定為β1＞β2和β4＞β3，以便實(shí)現(xiàn)較佳的載流子注入和光線分布。當(dāng)形成多層膜的光導(dǎo)層時(shí)，每個(gè)光導(dǎo)層也可由三或以上個(gè)層而非上述第一到第四層所構(gòu)成，在此方式中交叉多層疊層第一層(第三層)和第二層(第四層)，換言之就是疊層復(fù)數(shù)對第一層和第二層來構(gòu)成導(dǎo)層。另外，在形成多層膜的光導(dǎo)層時(shí)，在計(jì)算所述條件、Eg-Ep≥0.05eV時(shí)，通過整個(gè)光導(dǎo)層的平均組成計(jì)算。例如，當(dāng)?shù)匾还鈱?dǎo)層由第一層所形成，其中第一層由厚度為d1的Alβ1Ga1-β1N(0＜β1≤1)以及厚度為d2的Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1≠β2)所制成，而Al的平均比例βm則由平均每層的厚度比例而得，換言之βm＝(d1×β1+d2×β2)/(d1+d2)。
本發(fā)明的光導(dǎo)層可形成于具有等級成分的GRIN(等級系數(shù))結(jié)構(gòu)內(nèi)，如此帶隙能量會(huì)隨與活性層的距離減少而下降。具體地說，在帶隙能量隨著與活性層距離的減少Al的比例β而下降時(shí)，通過逐漸改變Al的比例β可形成GRIN結(jié)構(gòu)并改善載流子注入效率。如圖8A所示通過連續(xù)改變成分或階梯狀改變成分，可實(shí)現(xiàn)分等級的成分。另外如超晶格多層膜結(jié)構(gòu)內(nèi)，就象上述其中交互疊層多對第一層和第二層而構(gòu)成第一光導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)，利用控制Al的比率使其在分級分布中改變，使帶隙能量隨著與活性層的距離縮短而降低。在此情況中，只有一層(例如第一層)可形成于分級成分中，或構(gòu)成對的所有層(例如第一層和第二層)可形成于分級成分中。在光導(dǎo)層厚度方向中可部分設(shè)置分級成分，而優(yōu)選在整個(gè)區(qū)域的厚度方向中設(shè)置分級成分，來改善載流子注入的效率。
多層膜結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)層也可具有超晶格結(jié)構(gòu)。運(yùn)用超晶格結(jié)構(gòu)使它可抑制由于含有Al的氮化物半導(dǎo)體所造成的結(jié)晶性惡化，并且形成具有良好結(jié)晶性的波導(dǎo)。具體地說，第一光導(dǎo)層26由交互疊層第一層和第二層而形成，一層疊層兩次或以上，優(yōu)選兩層都疊層兩次或以上，或者一對第一層和第二層疊層多次。當(dāng)每層的氮化物半導(dǎo)體成分都與上述一樣時(shí)，優(yōu)選第一層和第二層分別由Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)和Alβ2Ga1-β2N(0≤β2≤1，β1≠β2)制成，或分別由Alβ1Ga1-β1N(0＜β1≤1)和Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1≠β2)制成，對于上述短波長區(qū)域而言，可形成一種能夠抑制由于超晶格結(jié)結(jié)構(gòu)成的光耗損和結(jié)晶性惡化的波導(dǎo)。為了在超晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)形成光導(dǎo)層，構(gòu)成多層膜的每層都設(shè)定成可形成超晶格的厚度。當(dāng)厚度取決于層的成分和組合，具體地說，通過形成10nm或以下的厚度，優(yōu)選7.5nm或以下，可以確保有良好的結(jié)晶性，更優(yōu)選通過形成5nm或以下的厚度來達(dá)到更佳結(jié)晶性。
本發(fā)明的光導(dǎo)層，在至少部分層內(nèi)優(yōu)選摻雜各種導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，以便實(shí)現(xiàn)滿意的載流子移動(dòng)和注入，此時(shí)，光導(dǎo)層可部份或全部摻雜。在多層膜的光導(dǎo)層內(nèi)，在具有第一層和第二層的光導(dǎo)層內(nèi)，第一和第二層都可摻雜，或第一層和第二層摻雜不同的濃度，或可運(yùn)用調(diào)變摻雜使一層有摻雜而另一層則未摻雜。在第一層和第二層交叉疊層在上述第一光導(dǎo)層內(nèi)的超晶格多層結(jié)構(gòu)內(nèi)，或例如設(shè)置多對時(shí)，通過調(diào)節(jié)摻雜使只有一層(例如第一層)摻雜時(shí)，可抑制結(jié)晶性的惡化。優(yōu)選只摻雜具有較低Al含量的層，這樣可摻雜結(jié)晶性良好的層，由此抑制結(jié)晶性惡化并且通過摻雜雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)活化。這是因?yàn)?，例如在第一?第二層為Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1＜β2)的超晶格結(jié)構(gòu)的第一光導(dǎo)層內(nèi)，通過摻雜低Al含量的第二層并且使第一層未摻雜，則具有低Al含量的第二層的結(jié)晶性就可優(yōu)于第一層，由此通過雜質(zhì)摻雜具有更佳結(jié)晶性的層可實(shí)現(xiàn)較高活性，并且使光導(dǎo)層具有優(yōu)良的載流子移動(dòng)與注入能力。
根據(jù)本發(fā)明利用雜質(zhì)摻雜的光導(dǎo)層，如圖8A至8D內(nèi)雜質(zhì)量變化所示，在第一和第二光導(dǎo)層26、29內(nèi)，其摻雜雜質(zhì)的濃度會(huì)隨著與活性層的距離縮短而遞減。當(dāng)活性層附近區(qū)域內(nèi)摻雜雜質(zhì)的濃度制作低于遠(yuǎn)離活性層區(qū)域內(nèi)的濃度，波導(dǎo)內(nèi)的光耗損可進(jìn)一步減少，尤其是在光導(dǎo)層內(nèi)，通過充分導(dǎo)引光線而降低臨界電流密度和驅(qū)動(dòng)電流。這是因?yàn)楣鈧鞑ミ^摻雜雜質(zhì)的區(qū)域會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)吸收光線而導(dǎo)致光耗損。此外，波導(dǎo)具有一種活性層27由第一光導(dǎo)層26與第二光導(dǎo)層29夾住的結(jié)構(gòu)，而光線利用導(dǎo)層或波導(dǎo)外面由上下部被覆層25、30(折射系數(shù)低于導(dǎo)層)夾住這種結(jié)構(gòu)束縛在波導(dǎo)內(nèi)。大部分光線都分布在波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置的活性層27內(nèi)以及活性層附近。因此，通過將摻雜雜質(zhì)濃度設(shè)定低于活性層附近區(qū)域的濃度，換言之通過在活性層內(nèi)設(shè)置低雜質(zhì)濃度區(qū)域以及在活性層外面(遠(yuǎn)離活性層的區(qū)域)設(shè)置高雜質(zhì)濃度區(qū)域，則會(huì)降低分布大部分光線的區(qū)域內(nèi)的光耗損，如此使波導(dǎo)有較少的光耗損。具體地說，在第一光導(dǎo)層26與第二光導(dǎo)層29內(nèi)，考慮活性層附近的區(qū)域以及遠(yuǎn)離活性層的區(qū)域，由通過每層厚度一半的平面所區(qū)分，并且設(shè)定活性層附近區(qū)域內(nèi)導(dǎo)電類型雜質(zhì)濃度低于遠(yuǎn)離活性層的區(qū)域的濃度，如此活性層附近區(qū)域就會(huì)變成低雜質(zhì)濃度區(qū)域并且遠(yuǎn)離活性層的區(qū)域會(huì)變成高雜質(zhì)濃度區(qū)域。在此對于光導(dǎo)層內(nèi)雜質(zhì)濃度沒有特別限制，可將活性層附近區(qū)域內(nèi)的濃度設(shè)定為5×1017/cm3或以下。在此摻雜雜質(zhì)是指第一光導(dǎo)層摻雜第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)，并且第二光導(dǎo)層摻雜第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)。
改變光導(dǎo)層內(nèi)摻雜濃度的模式可為朝向各光導(dǎo)層內(nèi)活性層逐漸并連續(xù)降低摻雜濃度(42a)、不連續(xù)地階梯狀降低摻雜濃度(42b)或減少階梯數(shù)來降低摻雜濃度，如此光導(dǎo)層內(nèi)的摻雜濃度會(huì)有局部差異(42c)，而這些模式可組合使用。優(yōu)選，在波導(dǎo)層內(nèi)，將距離活性層50nm或以內(nèi)的區(qū)域保留不摻雜(低雜質(zhì)濃度區(qū)域)，這樣可降低光耗損，更優(yōu)選是將距離活性層100nm或以內(nèi)的區(qū)域保留不摻雜(低雜質(zhì)濃度區(qū)域)，這樣可有效降低光耗損、臨界電流密度以及驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)未摻雜區(qū)域(低雜質(zhì)濃度區(qū)域)為距離作用層50nm或以內(nèi)的區(qū)域，則光導(dǎo)層的厚度為50nm或以上，而當(dāng)該區(qū)域距離活性層100nm或以內(nèi)，則光導(dǎo)層的厚度為100nm或以上，隨情況而定。當(dāng)所述未摻雜區(qū)域設(shè)置于光導(dǎo)層內(nèi)時(shí)，則會(huì)結(jié)合上述分級成分的光導(dǎo)層。這是因?yàn)槿鐖D8A所示，帶隙能量隨著與活性層的距離縮短而降低，而即使當(dāng)未摻雜區(qū)域設(shè)置于活性層附近時(shí)，也可獲得避免載流子注入效率降低的光導(dǎo)層。在此時(shí)，分級成分的光導(dǎo)層優(yōu)選具有上述GRIN結(jié)構(gòu)，另外，即使當(dāng)帶隙能量隨著與上述多層結(jié)構(gòu)內(nèi)活性層的距離縮短而降低，對于形成為摻雜區(qū)域還是有效。在各光導(dǎo)層內(nèi)，即使在成長時(shí)未摻雜，換言之就是光導(dǎo)層成長時(shí)未摻雜，雜質(zhì)還是有可能從相鄰層擴(kuò)散出來，在此情況下，成長時(shí)未摻雜的區(qū)域就會(huì)摻雜入雜質(zhì)。具體地說，優(yōu)選用來作為p型雜質(zhì)的Mg具有極高的擴(kuò)散傾向，并且可從相鄰電子束縛層和被覆層擴(kuò)散出來，如此造成即使在p型光導(dǎo)層在成長時(shí)未摻雜，還是會(huì)摻雜入p型雜質(zhì)，如實(shí)施例1所示。在因?yàn)閿U(kuò)散而發(fā)生摻雜時(shí)，活性層附近區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)濃度會(huì)低于遠(yuǎn)程區(qū)域內(nèi)的濃度，如上述。這種摻雜區(qū)域優(yōu)選設(shè)置在至少一個(gè)光導(dǎo)層內(nèi)，更優(yōu)選是設(shè)置在兩光導(dǎo)層內(nèi)，這樣使波導(dǎo)承受較低的光耗損。圖8B至8D內(nèi)的參考號碼61、62表示出光導(dǎo)層內(nèi)摻雜濃度的改變。
第一光導(dǎo)層與第二光導(dǎo)層之間的層結(jié)構(gòu)、摻雜雜質(zhì)模式、成分以及厚度可以相同或不同，例如，可用不同結(jié)構(gòu)形成兩光導(dǎo)層，第一光導(dǎo)層為單薄膜而第二光導(dǎo)層為多層膜。
(被覆層)在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例內(nèi)，氮化物半導(dǎo)體元件具有第一導(dǎo)電型層、活性層和第二導(dǎo)電型層疊層起來的結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電型層具有下部被覆層并且第二導(dǎo)電型層具有上部被覆層。具體地說，如圖2A所示，第一導(dǎo)電型層11、活性層12和第二導(dǎo)電型層13疊層在基板上，而第一導(dǎo)電型層11內(nèi)設(shè)置下部被覆層25并且第二導(dǎo)電型層13內(nèi)設(shè)置上部被覆層30，上下部被覆層25、30則夾住活性層。這種結(jié)構(gòu)也可用來通過下部被覆層25和上部被覆層30進(jìn)行光束縛，并且在由前兩者夾住的波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置所述光導(dǎo)層。以下將說明具有被覆層的元件結(jié)構(gòu)。
如圖3B、5A和5B頻帶結(jié)構(gòu)41所示，下部被覆層25和上部被覆層30的成分的帶隙能量高于活性層(阱層)的能量，而在激光元件、端面發(fā)光元件中具有第一和第二光導(dǎo)層26、29時(shí)，帶隙能量會(huì)設(shè)定等于或高于光導(dǎo)層的能量，如此折射系數(shù)會(huì)低于光導(dǎo)層的折射系數(shù)。這適用于具有上下部被覆層用來當(dāng)成載流子束縛層和光束縛層的目的。當(dāng)設(shè)置光導(dǎo)層時(shí)，則用來作為光束縛層。被覆層優(yōu)選由含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，尤其是氮化物半導(dǎo)體InaAlbGa1-a-bN(0≤a，0＜b，a+b≤1)。優(yōu)選使用In含量比例為零的氮化物半導(dǎo)體，因?yàn)楹蠭n的氮化物半導(dǎo)體傾向由于被覆層內(nèi)吸收光線導(dǎo)致光耗損。因此，優(yōu)選使用具有AlbGa1-bN(0＜b≤1)成分的氮化物半導(dǎo)體，如此可實(shí)現(xiàn)充分的光束縛，并且當(dāng)未設(shè)置導(dǎo)層時(shí)，實(shí)現(xiàn)充分的載流子束縛。在激光元件、端面發(fā)光元件中，在具有波導(dǎo)被上下部被覆層夾住的結(jié)構(gòu)中，在波導(dǎo)與被覆層之間的折射系數(shù)設(shè)置有充分的差異，具體地說是活性層與/或光導(dǎo)層之間，如此光線才會(huì)束縛在波導(dǎo)內(nèi)并且受其導(dǎo)引。優(yōu)選通過使用AlbGa1-bN(0＜b≤1)來設(shè)置這種折射系數(shù)差異，并且利用光導(dǎo)層內(nèi)Al含量(平均比例)β滿足關(guān)系β＜b，優(yōu)選滿足b-β＞0.05來獲得充分的折射系數(shù)差異。因?yàn)槔帽桓矊舆M(jìn)行的光束縛只取決于被覆層的厚度，所以在決定氮化物半導(dǎo)體的成分時(shí)也只要考慮到厚度。在本發(fā)明的實(shí)施例中，因?yàn)楦鞅桓矊觾?nèi)的Al混合結(jié)晶率(平均組成)低于第一阻擋層的結(jié)晶率，如圖2B所示，所以在與光導(dǎo)層之間要設(shè)置光束縛所必須的折射系數(shù)差異，并且可形成具有足夠厚度的被覆層。也就是，通過形成折射系數(shù)與光導(dǎo)層(具有比活性層，尤其是第一阻擋層低的帶隙能量)折射系數(shù)有所需差異的被覆層，如此可降低被覆層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率。再者于實(shí)施例中，因?yàn)樾纬山Y(jié)晶率低于第二阻擋層的光導(dǎo)層，而盡可能壓低被覆層內(nèi)的Al混合結(jié)晶率，如此可獲得短波長系并且具有優(yōu)異元件特性的氮化物半導(dǎo)體。
本發(fā)明的被覆層可如上述光導(dǎo)層，以單一膜、多層膜或多層超晶格結(jié)構(gòu)形成。當(dāng)以單一膜形成被覆層，相較于以多層膜形成的情況，通過由上述氮化物半導(dǎo)體形成單一膜，使它可輕易設(shè)計(jì)載流子束縛結(jié)構(gòu)并減少成長被覆層所需的時(shí)間。在另一方面，難以成長象是AlGaN這種含有Al并具有良好結(jié)晶性的氮化物半導(dǎo)體，并且當(dāng)薄膜成長超過特定厚度時(shí)就非常有可能發(fā)生破裂。
當(dāng)以多層膜形成被覆層，將疊層多個(gè)不同成分的氮化物半導(dǎo)體層，具體地說，可疊層多個(gè)不同Al含量比例的氮化物半導(dǎo)體層。利用形成這種多層膜，就可抑制困擾單一膜時(shí)的結(jié)晶性惡化和發(fā)生破裂情況。具體地說，通過疊層第一層和成分不同于第一層的第二層所形成的多層膜，由此形成多個(gè)折射系數(shù)與帶隙能量值不同的層。例如，可利用疊層具有Al含量比例b1的第一層和具有Al含量比例b2的第二層(b1≠b2)，此時(shí)，當(dāng)Al含量比例設(shè)定為b1＜b2(0≤b1，b2≤1)時(shí)，則通過具有高Al含量的第一層可實(shí)現(xiàn)高折射系數(shù)和高帶隙能量，并且通過具有低Al含量的第二層抑制由于形成第一層時(shí)造成的結(jié)晶性惡化情況。另外也可疊層更多具有不同成分的層，象是疊層第一層和第二層后可疊層成分與第二層不同的第三層。第一層和第二層也可交互疊層。在此也可形成至少多對第一層和第二層。因?yàn)檫@種多層結(jié)構(gòu)可抑制含有Al的氮化物半導(dǎo)體所造成的結(jié)晶性惡化，并且可增加厚度，所以可使其實(shí)現(xiàn)光束縛所需的薄膜厚度。
在多層結(jié)構(gòu)的被覆層內(nèi)，優(yōu)選通過形成超晶格結(jié)構(gòu)使它可形成具有較佳結(jié)晶性的被覆層。至少在部分被覆層內(nèi)形成超晶格結(jié)構(gòu)，更優(yōu)選在整個(gè)被覆層內(nèi)形成，如此可形成具有優(yōu)良結(jié)晶性的被覆層。此時(shí)，類似于光導(dǎo)層的情況，通過疊層至少多對第一層和第二層，或疊層至少多對第一層和第二層來形成超晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的每層厚度取決于層的成分和組合，將運(yùn)用10nm或以下的厚度，優(yōu)選7.5nm或以下，可以確保有良好的結(jié)晶性，并且更好是5nm或以下的厚度，這樣可實(shí)現(xiàn)更佳結(jié)晶性。
被覆層優(yōu)選摻雜各導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，類似于光導(dǎo)層，并且可部份或整個(gè)摻雜。在多層結(jié)構(gòu)時(shí)，類似于光導(dǎo)層，第一層和第二層都可摻雜，或第一層和第二層可摻雜不同的濃度，或可運(yùn)用調(diào)變摻雜使一層有摻雜而另一層則未摻雜。例如，在含有第一層和第二層(分別具有Alb1Ga1-b1N(0≤b1≤1)和Alb2Ga1-b2N(0＜b2≤1，b1＜b2)的成分)的超晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用摻雜具有低Al含量的第二層并且保留第一層未摻雜，如此可類似于光導(dǎo)層來改善結(jié)晶性。
在此對于被覆層的厚度沒有特殊限制，厚度范圍可從10nm至2μm，優(yōu)選從50nm至1μm。這是因?yàn)楫?dāng)厚度為10nm或以上時(shí)實(shí)現(xiàn)成載流子的束縛，而將厚度設(shè)定在2μm內(nèi)則可抑制結(jié)晶性惡化。另外當(dāng)厚度為50nm或以上時(shí)就實(shí)現(xiàn)成激光元件和端面發(fā)光元件的載流子束縛與應(yīng)用，并且通過將厚度設(shè)定在1μm內(nèi)，可形成具有良好結(jié)晶性的被覆層。
上部被覆層和下部被覆層優(yōu)選由含有Al并且短波長系的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，如此可確保波導(dǎo)和被覆層之間較大的折射系數(shù)差異。優(yōu)選形成被覆層的氮化物半導(dǎo)體不含有In，因?yàn)楹蠭n的氮化物半導(dǎo)體會(huì)降低結(jié)晶性。在活性層上具有p側(cè)被覆層的結(jié)構(gòu)內(nèi)，尤其是在p側(cè)被覆層內(nèi)使用含有In的氮化物半導(dǎo)體時(shí)會(huì)引起結(jié)晶性顯著惡化，而導(dǎo)致元件特性顯著惡化。用于被覆層的氮化物半導(dǎo)體優(yōu)選AlbGa1-bN(0＜b＜1)。
(載流子束縛層<p側(cè)電子束縛層>)
根據(jù)本發(fā)明，如圖3A、5A和5B的頻帶結(jié)構(gòu)41所示，優(yōu)選在活性層27內(nèi)或附近，再與活性層內(nèi)第一和第二阻擋層的不對稱結(jié)構(gòu)組合中設(shè)置載流子束縛層28。在具有光導(dǎo)層26、29與被覆層25、30的結(jié)構(gòu)時(shí)，如同在激光元件與端面發(fā)光元件那樣，優(yōu)選在光導(dǎo)層26、29與活性層27之間設(shè)置載流子束縛層，或作為光導(dǎo)層的部分活性層，如圖2A、3A、5A和5B所示。載流子束縛層將載流子束縛在活性層或阱層內(nèi)，并且通過增加溫度、通過元件驅(qū)動(dòng)以及增加高輸出功率的激光元件或發(fā)光元件內(nèi)電流密度，可避免載流子溢流出活性層。如此可獲得將載流子注入活性層的結(jié)構(gòu)，具體地說，如圖3A、5A和5B所示，由位于第二導(dǎo)電型層側(cè)的載流子束縛層28b束縛來自第一導(dǎo)電型層的載流子，并且由位于第一導(dǎo)電型層側(cè)的載流子束縛層28a束縛來自第二導(dǎo)電型層的載流子。載流子束縛層優(yōu)選設(shè)置至少一側(cè)，在如實(shí)施例1所示第一導(dǎo)電型層制作成n型并且第二導(dǎo)電型層設(shè)定為p型的元件內(nèi)，載流子束縛層優(yōu)選設(shè)置于至少p型層側(cè)。這是因?yàn)榈锇雽?dǎo)體內(nèi)電子的擴(kuò)散長度長于空穴的擴(kuò)散長度，電子更會(huì)溢流出活性層，因此通過設(shè)置可將電子束縛在p型層側(cè)的載流子束縛層28，就可獲得高輸出功率的激光元件或發(fā)光元件。此時(shí)在下列實(shí)施例中將說明結(jié)合具有低帶隙能量的第二阻擋層的元件，其中設(shè)置載流子束縛層作為p型層側(cè)上的p側(cè)電子束縛層，而通過改變導(dǎo)電類型也可適用于n型層。尤其是優(yōu)選設(shè)置至少p側(cè)電子束縛層。這是因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散長度長于空穴的擴(kuò)散長度，并且電子很有可能溢流出活性層。
該p側(cè)電子束縛層由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所制成，具體地說AlcGa1-cN(0＜c＜1)。在此時(shí)，必須確定帶隙能量充分高于活性層的能量(此處的偏移)，以便載流子束縛層能夠運(yùn)作。Al含量的比例c設(shè)定在0.1≤c＜1范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.2≤c＜0.5的范圍內(nèi)。這是因?yàn)楫?dāng)c為0.1或以下時(shí)電子束縛層無法完全運(yùn)作，而當(dāng)c為0.2或以上時(shí)就可完全束縛電子(可束縛載流子)并且可限制載流子溢流。當(dāng)c為0.5或以下，可成長結(jié)晶而抑制破裂發(fā)生，當(dāng)c為0.35或以下，就可成長具有良好結(jié)晶性的結(jié)晶。當(dāng)結(jié)構(gòu)具有上述光導(dǎo)層，優(yōu)選在載流子束縛層具有等于或高于被覆層的帶隙能量。這是因?yàn)檩d流子束縛需要有比束縛光線的被覆層更高混合結(jié)晶率的氮化物半導(dǎo)體。p側(cè)電子束縛層可用于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件內(nèi)，尤其是，在需要大量載流子注入活性層并以大電流驅(qū)動(dòng)的元件內(nèi)，象是激光元件，其可比未設(shè)置p側(cè)電子束縛層的情況更有效束縛載流子，由此不僅可以應(yīng)用在激光元件，也可用于高輸出功率的LED。在此時(shí)，通過設(shè)置帶隙能量高于活性層不對稱結(jié)構(gòu)內(nèi)第一阻擋層能量的載流子束縛層，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的元件特性。
本發(fā)明的載流子束縛層厚度設(shè)定在100nm內(nèi)，優(yōu)選在40nm內(nèi)。這是因?yàn)楹蠥l的氮化物半導(dǎo)體具有比其它氮化物半導(dǎo)體(未含有Al)還要高的阻抗，而p側(cè)電子束縛層內(nèi)Al混合結(jié)晶率，如上述設(shè)定為高值，因此厚度超過100nm會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)高的阻抗而造成轉(zhuǎn)送電壓Vf顯著增加。當(dāng)厚度為40nm或以下，可抑制Vf的增加，并且更優(yōu)選是當(dāng)厚度為20nm或以下，可進(jìn)一步抑制Vf的增加。p側(cè)電子束縛層的厚度下限設(shè)定為1nm或以上，優(yōu)選5nm或以上，如此可充分束縛電子。載流子束縛層可形成于單一膜或不同成分的多層膜。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件內(nèi)，當(dāng)只設(shè)置被覆層未設(shè)置光導(dǎo)層，若頻帶偏移足以束縛活性層和被覆層之間的載流子，就不需要設(shè)置遠(yuǎn)離被覆層的載流子束縛層，但是在被覆層遠(yuǎn)離活性層如同在具有光導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選在活性層和被覆層之間設(shè)置載流子束縛層，并且優(yōu)選在活性層附近。這是因?yàn)?，?dāng)在遠(yuǎn)離活性層的位置上設(shè)置載流子束縛層，抑制載流子溢流的效果就會(huì)喪失。具體地說，活性層與p側(cè)電子束縛層(載流子束縛層)之間的距離設(shè)定為100nm或以下，可激活有效的載流子束縛功能，并且更優(yōu)選是設(shè)定為500?；蛞韵拢杉せ罡训妮d流子束縛功能。當(dāng)載流子束縛層位于活性層外面，優(yōu)選與活性層接觸，可在活性層內(nèi)激活最有效率的載流子束縛。當(dāng)以此方式在活性層內(nèi)設(shè)置載流子束縛層，帶隙能量會(huì)高于活性層內(nèi)阻擋層的能量，優(yōu)選第一阻擋層，更好是帶隙能量高于活性層內(nèi)設(shè)置的阻擋層的能量，使活性層之外的載流子束縛層適用于上述活性層的對稱結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的p側(cè)電子束縛層(載流子束縛層)，成長時(shí)可不摻雜或摻雜p型雜質(zhì)(每種導(dǎo)電類型的雜質(zhì))，并且優(yōu)選摻雜指定導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，而為了增加載流子移動(dòng)能力并且降低Vf，p側(cè)電子束縛層將摻雜p型雜質(zhì)。在激光元件或用大電流驅(qū)動(dòng)的高功率LED內(nèi)，優(yōu)選高濃度摻雜以改善移動(dòng)能力。將摻雜濃度控制為5×1016/cm3或更高，優(yōu)選5×1018/cm3或更高。在以上述大電流驅(qū)動(dòng)的元件內(nèi)，將濃度控制為1×1018/cm3或優(yōu)選1×1019/cm3或更高。p型雜質(zhì)的濃度上限沒有特殊限制，所以可將濃度維持在1×1021/cm3內(nèi)。當(dāng)含有過多p型雜質(zhì)，體積阻抗會(huì)增加，導(dǎo)致較高的Vf值。為了避免此問題，將運(yùn)用可確保所需載流子移動(dòng)能力等級的最低可能p型雜質(zhì)濃度。在此也可形成未摻雜的載流子束縛層，并且以相鄰層擴(kuò)散出來的雜質(zhì)摻雜該層。
根據(jù)本發(fā)明，p側(cè)載流子束縛層摻雜位于活性層之外的p型雜質(zhì)，具體地說使用p型層側(cè)上的，如此當(dāng)供應(yīng)電壓時(shí)會(huì)在位于活性層附近的載流子束縛層附近形成p-n結(jié)，如圖3B和5B所示。這樣可有效通過具有小偏移的阻擋層將載流子注入阱層，而不用設(shè)置阻礙載流子從p型層側(cè)注入的偏移。
以下，作為實(shí)施例，說明由具有圖1所示激光元件結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體制成的激光元件。
(基板101)對于基板而言，在以不同材質(zhì)制成的基板上成長厚的氮化物半導(dǎo)體(此實(shí)施例中為GaN)薄膜(100μm)，之后，在除去不同材質(zhì)的基板，使用由GaN制成厚度80μm的氮化物半導(dǎo)體基板。形成基板的詳細(xì)過程如下。由藍(lán)寶石制成并且主平面位于直徑2英寸C面的不同材質(zhì)基板設(shè)定在MOVPE反應(yīng)容器內(nèi)，反應(yīng)溫度設(shè)定為500℃，并且通過三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)形成厚度200并由GaN制成的緩沖層，之后，使當(dāng)溫度上升，成長厚度1.5μm的未摻雜GaN薄膜作為基層。然后在基層表面上形成多個(gè)帶狀掩模，然后通過掩模的數(shù)值孔徑(窗口)選擇性成長氮化物半導(dǎo)體(本實(shí)施例內(nèi)為GaN)。通過伴隨橫向成長(ELOG)的成長，處理所形成的氮化物半導(dǎo)體會(huì)進(jìn)一步成長至更厚的厚度。然后除去不同材質(zhì)的基板、緩沖層以及基層而獲得氮化物半導(dǎo)體基板。此時(shí)，選擇成長時(shí)的掩模帶，由SiO2構(gòu)成，掩模厚度0.1μm、掩模間隔20μm以及數(shù)值孔徑8μm，具有GaN(1-100)方向的配置。
(緩沖層102)
在GaN基板上，以1050℃的溫度通過TMG(三甲基鎵)、TMA(三甲基鋁)和氨形成由Al0.05Ga0.95N制成厚度為4μm的緩沖層102。此層用來作為AlGaN制成的n側(cè)接觸層與GaN制成的氮化物半導(dǎo)體基板間的緩沖層，然后在氮化物半導(dǎo)體制成的基層上形成構(gòu)成元件結(jié)構(gòu)的各層。
(N側(cè)接觸層103)在此將通過TMG、TMA和氨，以及作為雜質(zhì)氣體的硅甲烷氣體，在緩沖層102(如上述所形成)上將以1050℃的溫度形成厚度5μm、由Al0.05Ga0.95N制成并且摻雜Si的n型接觸層103。
(避免破裂層104)然后通過TMG、TMI(三甲基銦)和氨以及作為雜質(zhì)氣體的硅甲烷氣體，以800℃的溫度形成厚度0.15μm、由In0.06Ga0.94N制成的避免破裂層104。(N側(cè)被覆層105下部被覆層25)然后將開始溫度設(shè)定為1050℃，通過TMA、TMG和氨當(dāng)成疊層材料氣體來將由摻雜Si 5×1018/cm3的Al0.05Ga0.95N制成的層A成長至厚度25，停止雜質(zhì)氣體供應(yīng)并且形成厚度25并且由未摻雜Al0.1Ga0.9N制成的層B。此操作會(huì)重復(fù)100次來疊層層A和層B，由此形成厚度0.5μm并且制作在多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))內(nèi)的n側(cè)被覆層106。此時(shí)，當(dāng)未摻雜的AlGaN的Al比率位于0.05至0.3的范圍內(nèi)，如此可設(shè)置足夠使被覆層產(chǎn)生作用的折射系數(shù)差異。此時(shí)，n側(cè)被覆層25內(nèi)Al的平均混合率為0.75，這低于第一阻擋層2a的混合率，而高于第二阻擋層2b與光導(dǎo)層26的混合率，如圖2B所示。類似地，n側(cè)被覆層25的帶隙能量低于第一阻擋層2a的能量，而高于第二阻擋層2b與光導(dǎo)層26的能量。在n側(cè)被覆層25與第一阻擋層2a內(nèi)n型雜質(zhì)的濃度高于光導(dǎo)層內(nèi)的濃度。
(N側(cè)光導(dǎo)層106下光導(dǎo)層26)然后以類似的溫度，通過TMA、TMG和氨當(dāng)成疊層材料氣體，將由未摻雜Al0.05Ga0.95N制成的n型光導(dǎo)層106形成0.15μm的厚度。此層也可摻雜n型雜質(zhì)。此層變成本發(fā)明內(nèi)的第一半導(dǎo)體層。本實(shí)施例內(nèi)的n側(cè)光導(dǎo)層、活性層、載流子束縛層和p側(cè)光導(dǎo)層分別對應(yīng)于圖3A所示的下光導(dǎo)層(第一半導(dǎo)體層)26、活性層27、載流子束縛層28以及上光導(dǎo)層(第二半導(dǎo)體層)29。
(活性層107(27，12))然后在類似的溫度上，通過TMA、TMG和氨當(dāng)成疊層材料氣體并且硅甲烷氣體當(dāng)成雜質(zhì)氣體，將由摻雜Si 5×1018/cm3的Al0.05Ga0.95N制構(gòu)成的阻擋層(第一阻擋層2a)形成100的厚度。然后停止供應(yīng)TMA和硅甲烷氣體，并且形成由GaN制成厚度100的阱層1a(W)，然后使用厚度150未摻雜的Al0.05Ga0.95N以(B)/(W)/(B)的順序疊層層，來當(dāng)成最后阻擋層(第二阻擋層2b)。通過以(B)/(W)/(B)的形式重復(fù)疊層阻擋層(B)和阱層(W)，就可制作成多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)的活性層107。阱層1a具有低于第一阻擋層2a的n型雜質(zhì)濃度，而第二阻擋層2b具有低于第一阻擋層2a的n型雜質(zhì)濃度，以及較高的帶隙能量、較高的Al/混合結(jié)晶率以及較厚的厚度。
(P側(cè)電子束縛層108載流子束縛層28)然后在類似的溫度上，通過TMA、TMG和氨當(dāng)成疊層材料氣體并且Cp2Mg(環(huán)戊二烯基鎂)當(dāng)成雜質(zhì)氣體，將由摻雜濃度1×1019/cm3的Mg的Al0.3Ga0.7N制成的p型電子束縛層108形成100的厚度。此層也可以不設(shè)置，不過若設(shè)置則可當(dāng)成電子束縛層并且有助于降低臨界值。
(P側(cè)光導(dǎo)層109上光導(dǎo)層29)然后通過將溫度設(shè)定在1050℃，通過TMG和氨當(dāng)成疊層材料氣體，將由未摻雜的Al0.05Ga0.95N制成的p側(cè)光導(dǎo)層109形成0.15μm的厚度。雖然p側(cè)光導(dǎo)層109成長時(shí)未摻雜，不過由于相鄰層，象是p側(cè)電子束覆層108和p側(cè)被覆層110擴(kuò)散出來的Mg，使其中的Mg濃度達(dá)到5×1016/cm3而成為p型。此層也可以內(nèi)部摻雜方式成長，此層制作成第二半導(dǎo)體層。
(P側(cè)被覆層110上部被覆層30)然后停止供應(yīng)TMA并且使用Cp2Mg，將以1050℃形成厚度25并且用摻雜Mg的Al0.05Ga0.95N所制成的層，然后停止供應(yīng)Cp2Mg并形成厚度25并用未摻雜的Al0.1Ga0.9N制成的層。此操作會(huì)重復(fù)100次以形成由總厚度0.5μm的超晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的p型被覆層110。當(dāng)p型被覆層形成于由不同帶隙能量等級的氮化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)中，其中至少會(huì)有含Al的氮化物半導(dǎo)體彼此疊層，通過將一層摻雜比其它層還要高的濃度可改善結(jié)晶性，這稱為調(diào)變摻雜。不過在本發(fā)明內(nèi)，兩層都可進(jìn)行類似的摻雜。形成超晶格結(jié)構(gòu)的p側(cè)被覆層110使它可增加整個(gè)被覆層的Al混合結(jié)晶率，導(dǎo)致較低的被覆層折射系數(shù)以及較高的帶隙能量，這對降低臨界值方面有益。再者，超晶格結(jié)構(gòu)使被覆層內(nèi)產(chǎn)生坑洞和短路的可能性低。如圖2B所示，此時(shí)的平均Al混合結(jié)晶率為0.75，類似于n側(cè)被覆層，并且p側(cè)被覆層30的Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層2a的結(jié)晶率，而高于第二阻擋層2b與光導(dǎo)層29的結(jié)晶率，帶隙能量也一樣，p側(cè)被覆層30的帶隙能量低于第一阻擋層2a的能量，而高于第二阻擋層2b與光導(dǎo)層29的能量。在載流子束縛層28內(nèi)p型雜質(zhì)的濃度高于p側(cè)被覆層30內(nèi)的濃度，并且在p側(cè)被覆層30內(nèi)高于光導(dǎo)層29內(nèi)，如此第二阻擋層2b和光導(dǎo)層29可通過從載流子束縛層28擴(kuò)散出來的雜質(zhì)而低濃度摻雜或保持未摻雜。
(P側(cè)接觸層111)最后，以溫度1050℃，在p型被覆層110上形成厚度為150并且由摻雜Mg(濃度1×1020/cm3)的p型GaN制成的p型接觸層111。該p型接觸層111可由p型InxAlyGa1-x-yN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)所形成，優(yōu)選由Mg摻雜的GaN所形成，如此可與p電極120達(dá)成最佳的電阻接觸。因?yàn)榻佑|層111為形成電極的層，所以要具有1×1017/cm3或更高的高載流子濃度。當(dāng)濃度低于1×1017/cm3，則難以和電極達(dá)成充分的電阻接觸。形成GaN成分的接觸層就可輕易和電極達(dá)成充分的電阻接觸。在反應(yīng)完成之后，圓片在反應(yīng)容器內(nèi)以700℃的溫度在氮?dú)鈨?nèi)退火，由此進(jìn)一步降低p型層的電阻。如上述疊層各層所制成的元件結(jié)構(gòu)具有圖2A內(nèi)表示的疊層結(jié)構(gòu)，以及具有圖2B所示的Al混合結(jié)晶率的元件結(jié)構(gòu)。具體地說，Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層2a并且高于阱層1a的n側(cè)被覆層26和p側(cè)被覆層會(huì)夾住活性層和光導(dǎo)層26、29。n側(cè)光導(dǎo)層26和p側(cè)光導(dǎo)層29由Al混合結(jié)晶率低于第一阻擋層2a并且高于阱層1a的氮化物半導(dǎo)體所制成。被覆層25、30由Al混合結(jié)晶率高于光導(dǎo)層26、29并且低于第二阻擋層2b的氮化物半導(dǎo)體所制成。
如上述在疊層形成氮化物半導(dǎo)體層之后，將從反應(yīng)容器內(nèi)取出圓片。然后在最頂端p型接觸層的表面上形成SiO2保護(hù)薄膜，并且在RIE(反應(yīng)離子蝕刻)處理中使用SiCl4氣體蝕刻，露出圖1所示其上用來形成n側(cè)電極的n型接觸層103的表面。為了氮化物半導(dǎo)體深層蝕刻的目的，SiO2最適合用來當(dāng)成保護(hù)薄膜。
然后形成梁帶作為上述的帶狀波導(dǎo)區(qū)域。首先，通過PDV裝置大體上在最頂端p側(cè)接觸層(上接觸層)的整個(gè)表面上用Si氧化物(主要是SiO2)形成厚度為0.5μm的第一保護(hù)薄膜161。然后通過光微影蝕刻處理和運(yùn)用CF4氣體的RIE(反應(yīng)離子蝕刻)，在第一保護(hù)薄膜161上放置具有帶狀寬度1.6μm并且有預(yù)定形狀的掩模，來對保護(hù)薄膜進(jìn)行圖形制作。此時(shí)，梁帶的高度(蝕刻深度)會(huì)設(shè)定成，通過部份蝕刻p型接觸層111、p型被覆層109與p型光導(dǎo)層110使p型光導(dǎo)層109的厚度變成0.1μm。
在形成梁帶之后，將在第一保護(hù)層161上形成厚度0.5μm并且由Zr氧化物(主要是ZrO2)制成的第二保護(hù)層162(在第一保護(hù)層161以及蝕刻后露出來的p側(cè)光導(dǎo)層109上連續(xù)形成)。
在形成第二保護(hù)層162之后，圓片進(jìn)行600℃的熱處理。當(dāng)用SiO2以外的材料形成第二保護(hù)薄膜時(shí)，優(yōu)選以不低于300℃的溫度進(jìn)行熱處理，優(yōu)選400℃或以上，但是低于形成第二保護(hù)薄膜之后氮化物半導(dǎo)體的分解溫度(1200℃)。因?yàn)闊崽幚硎沟诙Ｗo(hù)薄膜較不溶解于溶解第一保護(hù)薄膜的材料(氫氟酸)。
然后將圓片浸泡入氫氟酸，通過去除處理去除第一保護(hù)薄膜161。然后去除p型接觸層111上設(shè)置的第一保護(hù)薄膜161，由此露出p型接觸層。第二保護(hù)薄膜162會(huì)形成于梁帶的側(cè)面，并且如圖1所示形成連續(xù)平面(p型光導(dǎo)層109的露出面)。
在如上述去除p型接觸層112上設(shè)置的第一保護(hù)薄膜161之后，會(huì)在露出的p型接觸層111的表面上形成由Ni/Au制成的p電極120，如圖1所示。在此將以第二保護(hù)薄膜162上寬度100μm的帶子來形成p側(cè)電極120，如圖1所示。在形成第二保護(hù)薄膜162之后，在平行于已露出的n側(cè)接觸層103上帶子的方向形成由帶狀結(jié)構(gòu)Ti/Al制成的n電極121。
然后將通過蝕刻露出的所要區(qū)域表面(用于形成p和n電極的突出電極)遮蓋起來，并且形成由SiO2和ZrO2制成的多層介電薄膜164。在p側(cè)與n側(cè)電極上將形成由Ni-Ti-Au(1000-1000-8000)制成的突出(針墊)電極122、123，此時(shí)，以200μm的寬度(垂直于共振器方向的寬度)來形成活性層107。而在共振器表面(反射體側(cè))上也會(huì)形成由SiO2和ZriO2制成的多層介電薄膜。
在如上述形成n和p電極之后，圓片將沿著垂直于帶狀電極方向中的氮化物半導(dǎo)體M面(GaN、(11-00)等的M面)區(qū)分成長條形。長條形的圓片會(huì)進(jìn)一步區(qū)分，以獲得共振器長度為600μm的激光元件。
在此可制造出在室溫下，可于波長369nm、臨界電流Ith61mA并且電流密度Jth3.8kA/cm2上連續(xù)振蕩的激光元件。如此獲得的激光元件在室溫下連續(xù)振蕩的情況下有大約4,000小時(shí)的壽命。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(活性層107(27，12))活性層具有單一量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度150由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度100由未摻雜的GaN形成的阱層1b以及厚度d()由未摻雜的AluGa1-uN形成的第二阻擋層2b。
以第二阻擋層的Al混合結(jié)晶率u設(shè)定成0.05(與實(shí)施例1內(nèi)的Al混合結(jié)晶率相同)、0.1和0.15(比較實(shí)施例)來說，相對于第二阻擋層厚度的臨界電流和元件壽命分別表示在圖9和圖10內(nèi)。當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u為u＝0.05時(shí)，圖9內(nèi)以圖表(a)表示，用改變第二阻擋層厚度來改變臨界電流，u＝0.1時(shí)為圖表(b)以及u＝0.15時(shí)則為圖表(c)(比較實(shí)施例)。當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u為u＝0.05時(shí)，圖10內(nèi)以圖表(d)表示，用改變第二阻擋層厚度來改變臨界電流，u＝0.1時(shí)為圖表(e)以及u＝0.15時(shí)則為圖表(f)(比較實(shí)施例)。通過將厚度d從50、100改變至150就可評估元件特性。
如圖9所見，當(dāng)厚度改變?yōu)?50以外的50?；?00時(shí)(這與實(shí)施例1相同)，而當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u為u＝0.05時(shí)(這與實(shí)施例1相同)，可獲得臨界電流Ith基本上沒有改變的激光元件。當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u為u＝0.05(與實(shí)施例1相同)，如圖10所示，則元件壽命會(huì)隨除了150以外(與實(shí)施例1相同)的厚度改變而變。當(dāng)厚度為100，幾乎與第一阻擋層一樣，壽命會(huì)減少到一半，而當(dāng)厚度為50，小于第一阻擋層的厚度，則壽命會(huì)進(jìn)一步縮短到四分之一。如此可假設(shè)，當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u低于第一阻擋層的結(jié)晶率，如實(shí)施例1所示，臨界電流并未隨著第二阻擋層的厚度改變而變化，不過當(dāng)?shù)诙钃鯇拥暮穸缺鹊谝蛔钃鯇拥暮穸冗€要厚時(shí)，相較于厚度等于或小于第一阻擋層的厚度的情況，元件壽命會(huì)有顯著改善。
當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率u為u＝0.1，與u＝0.05時(shí)不同，臨界電流Ith會(huì)隨厚度d增加而增加，如圖9內(nèi)圖表(b)所示，并且元件壽命會(huì)隨厚度d增加而縮短，如圖10內(nèi)圖表(e)所示。這可能是因?yàn)槠圃黾?，具體地說關(guān)于第二半導(dǎo)體層的偏移增加，當(dāng)Al混合結(jié)晶率變高，不象u＝0.05的情況，來自第二阻擋層的載流子注入效率會(huì)降低。也就是，當(dāng)由Al混合結(jié)晶率高于第二半導(dǎo)體層(p側(cè)光導(dǎo)層)并且?guī)赌芰扛哂诘诙雽?dǎo)體層的氮化物半導(dǎo)體形成第二阻擋層2b時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的偏移，導(dǎo)致與具有和u＝0.05的第二阻擋層以及圖3B所示第二半導(dǎo)體層相同Al混合結(jié)晶率和帶隙能量的情況比較起來增加臨界電流。另外因?yàn)橼鍖佑蒅aN形成，當(dāng)?shù)诙钃鯇佑珊蠥l的氮化物半導(dǎo)體所形成，則熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力，而Al混合結(jié)晶率增加為u＝0.1，結(jié)晶性惡化的顯著負(fù)面效果會(huì)影響增加臨界值以及降低元件壽命。具體地說，因?yàn)榕R界值會(huì)隨厚度增加而增加，所以相信惡化結(jié)晶性的效果也會(huì)增加。不過有提過第二阻擋層具有用來分隔阱層與載流子束縛層的分隔片功能，當(dāng)u＝0.1時(shí)，分隔片的功能會(huì)隨著第二阻擋層的結(jié)晶性惡化而惡化。另外第二阻擋層的Al混合結(jié)晶率具有增加層阻抗的效果，不過此效果比位于p-n結(jié)處上的載流子束縛層的效果不明顯。
如比較實(shí)施例所示，當(dāng)?shù)诙钃鯇拥腁l混合結(jié)晶率為0.15(大致上與第一阻擋層相同)，圖9內(nèi)的圖表(c)表示改變的臨界電流。對于厚度增加而言，相較于u＝0.1的情況，臨界電流急劇上升，這是結(jié)晶性惡化與增加偏移的結(jié)合效果。如圖10內(nèi)圖表(f)所示，與u＝0.1情況相較下，元件壽命進(jìn)一步縮短，推測是結(jié)晶性惡化與改變頻帶偏移的結(jié)合效果。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(活性層107(27，12))活性層具有單一量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度200由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度100由未摻雜的Al0.04In0.02Ga0.94N形成的阱層1b以及厚度150由未摻雜的Al0.05Ga0.85N形成的第二阻擋層2b。
如此可獲得相較于實(shí)施例1將四化合物半導(dǎo)體AlInGaN用于阱層，在室溫下以大約相同的波長370nm連續(xù)振蕩的激光元件。不過因?yàn)榻Y(jié)晶成長期間Al與In的反應(yīng)，所以不會(huì)有太好的結(jié)晶性，而含有了In可看成對于發(fā)光效率有所改善，導(dǎo)致比實(shí)施例1內(nèi)情況還要低的50mA臨界電流。而元件壽命類似于實(shí)施例1的元件壽命。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(活性層107(27，12))活性層具有單一量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度200由Si摻雜的Al0.15In0.01Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度100由未摻雜的Al0.04In0.02Ga0.94N形成的阱層1b以及厚度150由未摻雜的Al0.05In0.01Ga0.85N形成的第二阻擋層2b。
如此獲得具有比實(shí)施例1和3稍微大的臨界電流以及稍微短的壽命的激光元件，這可能是因?yàn)樗凶钃鯇雍挖鍖油ㄟ^使用四元混晶的AlInGaN，由于In與Al的反應(yīng)比實(shí)施例3內(nèi)更顯著，所以導(dǎo)致結(jié)晶性惡化的效果。另一方面，使用四元混晶的AlInGaN會(huì)減少圓片內(nèi)元件芯片間的變化，與實(shí)施例1和3不同的是其阻擋層由AlGaN制成，如此改善了產(chǎn)量?？梢哉J(rèn)為，通過使用四元混晶的AlInGaN而非AlGaN，來實(shí)現(xiàn)更均勻的薄膜。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(活性層107(27，12))活性層具有單一量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度200由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度100由未摻雜的Al0.02Ga0.98N形成的阱層1b以及厚度150由未摻雜的Al0.05Ga0.95N形成的第二阻擋層2b。
如此獲得以較短波長振蕩但是具有比實(shí)施例1和3稍微大的臨界電流以及稍微短的壽命的激光元件，這有可能是由于阱層內(nèi)較高Al混合結(jié)晶率降低第二阻擋層的頻帶偏移，導(dǎo)致從第一導(dǎo)電型層進(jìn)入阱層的載流子束縛效率較低。此實(shí)施例比實(shí)施例3的圓片內(nèi)元件芯片之間的特性變化還要大，可能是因?yàn)閳A片上形成的薄膜相較于四元混晶的AlInGaN的阱層有變化。如此通過在阱層、第一阻擋層或第二阻擋層內(nèi)使用含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體，就可制造出具有高產(chǎn)量的半導(dǎo)體元件。優(yōu)選，在上述層之間至少阱層內(nèi)使用含有In和Al的氮化物半導(dǎo)體，如此可改善發(fā)光效率和產(chǎn)量。
可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件，除了以AlxGa1-xN形成n側(cè)光導(dǎo)層和p側(cè)光導(dǎo)層以外。
當(dāng)Al混合結(jié)晶率和帶隙能量設(shè)定成和第二阻擋層大約相等值，而x＝0.15，則在載流子從第二導(dǎo)電型層(第二半導(dǎo)體層)注入時(shí)會(huì)相對于第二阻擋層降低頻帶偏移。不過，如圖3B、5A和5B所示，當(dāng)由此p-n結(jié)注入載流子時(shí)，較低偏移的效果對于注入效率有較小的影響。在另一方面，通過增加象是活性層內(nèi)光導(dǎo)層這類厚層的Al混合結(jié)晶率，此實(shí)施例相較于阻擋層和阱層厚度較小的實(shí)施例2，其顯示出不良的結(jié)晶性和元件特性、較大的臨界電流和較短的元件壽命。當(dāng)光導(dǎo)層的Al混合結(jié)晶率x增加時(shí)，此傾向會(huì)變得更明顯，具體地說當(dāng)Al混合結(jié)晶率x高于第一阻擋層的Al混合結(jié)晶率，導(dǎo)致顯著降低的元件特性。根據(jù)本發(fā)明，通過降低第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層的帶隙能量可改善元件特性，如實(shí)施例1和3所示，具體地說在短波長的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)，降低帶隙能量和Al混合結(jié)晶率。
除了以下列方式形成活性層內(nèi)的層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
在除了形成未摻雜的第一阻擋層以外，以類似實(shí)施例1的方式形成活性層時(shí)，臨界電流變大成113mA，顯示通過使第一阻擋層摻雜n形雜質(zhì)就可獲得具有低臨界電流的激光元件。
在除了成長摻雜Si的阱層以外，當(dāng)以類似實(shí)施例1的方式形成活性層時(shí)，每個(gè)圓片上大量元件都無法激光振蕩，顯示在制造激光元件時(shí)，阱層成長時(shí)最好不要摻雜。
通過如圖5A所示在多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)形成活性層，則可獲得臨界電流高于實(shí)施例1的良好激光元件，在此結(jié)構(gòu)中連續(xù)疊層厚度100由摻雜Si的Al0.15Ga0.85N所形成的第一阻擋層2a、厚度50由未摻雜的GaN所形成的阱層1a、厚度100由摻雜Si的Al0.1Ga0.9N所形成的內(nèi)部阻擋層2c、厚度50由未摻雜的GaN所形成的阱層1b，以及厚度150由未摻雜的Al0.05Ga0.95N所形成的第二阻擋層2b。這個(gè)結(jié)果可考慮成是設(shè)置內(nèi)部阻擋層的結(jié)果，該層會(huì)通過增加內(nèi)部應(yīng)力降低阱層的功能，并且因?yàn)槭怯葾lGaN制成的阻擋層所以會(huì)有強(qiáng)大的壓電場。當(dāng)內(nèi)部阻擋層2c的Al混合結(jié)晶率高于第一阻擋層2a的結(jié)晶率，如圖5A所示，帶來顯著的元件特性惡化，結(jié)合由于含有Al的氮化物半導(dǎo)體造成的結(jié)晶性惡化效果，此傾向就會(huì)增加。當(dāng)內(nèi)部阻擋層2c的Al混合結(jié)晶率和帶隙能量低于第二阻擋層2b，如圖5B所示，則內(nèi)部阻擋層與阱層之間的偏移會(huì)降低造成分配至阱層的功能下降，在結(jié)合由于含有Al的氮化物半導(dǎo)體造成的結(jié)晶性惡化效果，內(nèi)部阻擋層的帶隙能量會(huì)變成高于第二阻擋層的能量，導(dǎo)致元件特性惡化。
除了以下列方式形成圖8A所示階級成分內(nèi)的光導(dǎo)層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(N側(cè)光導(dǎo)層106(第一光導(dǎo)層26))AlxGa1-xN薄膜將形成0.15μm的厚度。隨著薄膜成長，換言之就是接近活性層，Al的比例x會(huì)從0.1改變成0.02，以便形成在薄膜厚度方向內(nèi)具有分級成分的n側(cè)光導(dǎo)層106。n側(cè)光導(dǎo)層一部份會(huì)摻雜Si而此厚度為0.1μm(高雜質(zhì)濃度區(qū)域)，并且在第一部份內(nèi)未摻雜成長為厚度0.05μm(活性層側(cè)上50nm的區(qū)域低雜質(zhì)濃度區(qū)域)。在活性層附近的光導(dǎo)層內(nèi)，帶隙能量低于第一阻擋層的一小部份會(huì)變成第一半導(dǎo)體層。
(P側(cè)光導(dǎo)層109(第二光導(dǎo)層29))AlxGa1-xN薄膜將形成0.15μm的厚度。隨著薄膜成長，Al的比例x會(huì)從0.02改變成0.1，以便形成在薄膜厚度方向內(nèi)具有分級成分的p側(cè)光導(dǎo)層109，其中Al混合結(jié)晶率和帶隙能量會(huì)向活性層降低。p側(cè)光導(dǎo)層會(huì)在第一部份內(nèi)未摻雜成長，其厚度為0.05μm(活性層側(cè)上0.05μm的區(qū)域(低雜質(zhì)濃度區(qū)域))，并且剩余部分摻雜Mg，其厚度為0.1μm。在活性層以及p側(cè)載流子束縛層附近的p側(cè)光導(dǎo)層29內(nèi)，Al混合結(jié)晶率和帶隙能量低于第二阻擋層的一小部份會(huì)變成第二半導(dǎo)體層。
不過這樣獲得的激光元件具有幾乎與實(shí)施例1相同的平均Al成分比率，存在具有分級帶隙能量的光導(dǎo)層(如圖8A所示)可改善載流子注入活性層的效率，并且改善內(nèi)部量子效率。因?yàn)樵诠鈱?dǎo)層(活性層)內(nèi)活性層附近設(shè)置未摻雜的區(qū)域(低雜質(zhì)濃度區(qū)域)，將形成光耗損受到摻雜雜質(zhì)所抑制的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致降低臨界電流密度。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。(活性層107(27，12))活性層具有單一量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度75由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度100由未摻雜的In0.02Ga0.98N形成的阱層1b以及厚度45由未摻雜的Al0.1Ga0.9N形成的第二阻擋層2b。
如此可獲得在室溫內(nèi)以波長371nm并且臨界電流30mA來連續(xù)振蕩的激光元件。
除了以下列方式形成活性層以外，可獲得類似于實(shí)施例1的激光元件。
(活性層107(27，12))活性層具有多量子阱結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)疊層厚度75由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成的第一阻擋層2a、厚度50由未摻雜的In0.02Ga0.98N形成的阱層1b、厚度50由Si摻雜的Al0.1Ga0.9N所形成的內(nèi)部阻擋層2c、厚度50由未摻雜的In0.02Ga0.98N所形成的阱層1b以及厚度50由未摻雜的Al0.1Ga0.9N形成的第二阻擋層2b。
如此可獲得在室溫內(nèi)以波長371nm并且臨界電流30mA來連續(xù)振蕩的激光元件。
此后將參考圖6B來說明本發(fā)明的發(fā)光元件200。該發(fā)光元件如200b所示，在基板同一側(cè)上形成一對正負(fù)電極的結(jié)構(gòu)所制成。
由藍(lán)寶石(C面)制成的基板201設(shè)定在MOVPE反應(yīng)容器內(nèi)，并將基板溫度提升至1050℃，同時(shí)送入氫，并且清潔基板。
緩沖層(未圖示)在溫度低于510℃時(shí)，由GaN制成的緩沖層會(huì)通過低溫在基板1上成長形成大約100的厚度。此層的成長溫度低于下個(gè)要成長層的溫度，如此減緩晶格與基板錯(cuò)配，并且根據(jù)基板種類不同也可以省略。
基層(未圖示)在形成緩沖層之后，由未摻雜的GaN所制成的基層以1050℃的溫度形成1.5μm的厚度，該基層用來當(dāng)成基板，其上成長元件結(jié)構(gòu)。
N型接觸層202然后由摻雜Si濃度4.5×1018/cm3的Al0.05Ga0.95N所制成的n型接觸層202(電流注入層)，以1050℃的溫度形成2μm的厚度，該n型接觸層202設(shè)為第一半導(dǎo)體層。
活性層203由未摻雜的Al0.15Ga0.85N形成厚度100的阻擋層(第一阻擋層2a)，并且由未摻雜的Al0.05Ga0.95N形成厚度30的阱層。然后由Al0.1Ga0.9N形成厚度30的內(nèi)部阻擋層(未圖示)，并且交叉疊層四層阱層1(未圖示)與三層內(nèi)部阱層(未圖示)，用Al0.1Ga0.9N形成40的厚度當(dāng)成第二阻擋層2b，由此在多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)形成活性層203，而總厚度為380。在此形成有Al混合結(jié)晶率和帶隙能量低于第一阻擋層2a并且Al混合結(jié)晶率和帶隙能量高于第二阻擋層2b的內(nèi)部阻擋層(2b等)的結(jié)構(gòu)的活性層，如圖5B所示。
P側(cè)被覆層204由未摻雜的Al0.2Ga0.9N所制成的A層204會(huì)形成40的厚度，并且由摻雜Mg濃度5×1019/cm3的Al0.05Ga0.95N制成的雷射B層205形成25的厚度。這些操作會(huì)重復(fù)疊層層A然后上面是層B共五次，將層A覆蓋成40的厚度，如此可形成總厚度365的超晶格結(jié)構(gòu)的p側(cè)多層被覆層204。第一層B形成帶隙能量與Al混合結(jié)晶率低于第二阻擋層的第二半導(dǎo)體層。
P側(cè)接觸層205然后摻雜Mg濃度1×1020/cm3的GaN制成的p側(cè)接觸層205形成200的厚度。
在反應(yīng)完成之后，溫度會(huì)降低至室溫，圓片在反應(yīng)容器內(nèi)以700℃的溫度在氮?dú)鈨?nèi)退火，由此降低p型層的電阻。
退火之后，將圓片取出反應(yīng)容器。之后將在頂端設(shè)置的p側(cè)接觸層205表面上形成預(yù)定形狀的掩模，并且在RIE(反應(yīng)離子蝕刻)元件內(nèi)蝕刻p側(cè)接觸層205，由此露出n側(cè)接觸層202，如圖6B所示。
在蝕刻之后，由含有Ni和Au的材料(可傳送光線)所制成的p側(cè)電極206在頂端設(shè)置的p側(cè)接觸層205上形成200的厚度，并且在p電極206上將由Au制成用于接合的p襯墊電極(未圖示)形成0.5μm的厚度。在另一方面，將在通過蝕刻露出的n側(cè)接觸層202表面上形成含有W和Al的n側(cè)電極207，由此獲得LED。
該LED元件發(fā)出波長360nm的紫外光，并設(shè)置第二阻擋層使它可形成具有良好結(jié)晶性的活性層，如此可獲得具有優(yōu)良發(fā)光特性的發(fā)光元件。
如實(shí)施例2所示，以第二阻擋層的Al混合結(jié)晶率u設(shè)定至0.15和實(shí)施例1內(nèi)第一阻擋層相同，將分別以圖9內(nèi)的圖表(c)和圖10內(nèi)的圖表(f)所示，測定相對于膜厚變化的臨界電流和元件壽命。
如上述，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件可獲得以375nm短波長運(yùn)作或以較低臨界電流運(yùn)作的發(fā)光元件與激光元件。如此通過將發(fā)光二極管與在紫外線區(qū)域內(nèi)激發(fā)的熒光體組合，可以提供螢光燈的替代品。
該激光元件顯示優(yōu)良的FWHM，如此可獲得優(yōu)良的分辨率，因此可應(yīng)用于光刻法和光藝術(shù)的光源。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，具有井層和阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，被第一導(dǎo)電型層和第二導(dǎo)電型層夾持，其特征在于，在所述活性層內(nèi)至少夾持一層阱層，在所述第一導(dǎo)電型層側(cè)設(shè)置第一阻擋層、在所述第二導(dǎo)電型層側(cè)設(shè)置第二阻擋層，同時(shí)第二阻擋層的帶隙能量小于第一阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型層為具有n型氮化物半導(dǎo)體的n型層，所述第二導(dǎo)電型層為具有p型氮化物半導(dǎo)體的p型層，所述活性層含有由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層和阻擋層，同時(shí)第一導(dǎo)電型層、活性層和第二導(dǎo)電型層依次疊層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，作為所述活性層內(nèi)的阻擋層，所述第一阻擋層配置在所述第一導(dǎo)電型層的最近側(cè)，并且所述第二阻擋層配置在所述第二導(dǎo)電型層的最近側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第二阻擋層配置在活性層內(nèi)最外側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型層具有帶隙能量低于所述第一阻擋層的第一半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述該第二導(dǎo)電型層具有帶隙能量高于所述第一阻擋層的載流子束縛層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第二導(dǎo)電型層，具有帶隙能量低于所述第一阻擋層的第二半導(dǎo)體層，并且通過所述載流子束縛層介入與離活性層分開設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述載流子束縛層中摻雜有p型雜質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層和/或所述載流子束縛層與活性層連接形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層和所述第二阻擋層之間的帶隙能量差為0.02eV或以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述活性層為具有多層阱層的多重量子阱結(jié)構(gòu)，在所述第一阻擋層和所述第二阻擋層之間，具有通過第一阻擋層、第二阻擋層和阱層介入所配置的內(nèi)部阻擋層，該內(nèi)部阻擋層的帶隙能量與第二阻擋層不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述內(nèi)部阻擋層的帶隙能量高于所述第二阻擋層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層的帶隙能量高于所述內(nèi)部阻擋層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，所述活性層具有由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層和阻擋層，第一導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，第二導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，其特征在于，所述阱層由GaN或帶隙能量高于GaN的含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述阱層的組成為GaN、AlxGa1-xN(0＜x≤1)，或AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)中任何一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述阻擋層的組成為AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，所述活性層具有由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阱層和阻擋層，第一導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，第二導(dǎo)電型層具有氮化物半導(dǎo)體，其特征在于，所述阱層的組成為InzGa1-zN(0＜z＜1)，所述阻擋層的組成為AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層的Al混合結(jié)晶率u與所述阱層的Al混合結(jié)晶率x之間的差不小于0.1，亦即u-x≥0.1。
19.據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，至少所述第一半導(dǎo)體層與所述第二半導(dǎo)體層之一由含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求6至19中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層的厚度小于所述第二阻擋層的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層的厚度為從30至150的范圍。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第二阻擋層的厚度為從50至300的范圍。
23.根據(jù)權(quán)利要求6至22中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，在所述第一和第二導(dǎo)電型層內(nèi)，通過介入所述第一半導(dǎo)體層和、所述第二半導(dǎo)體層，離開活性層并分別設(shè)置被覆層，同時(shí)所述第一導(dǎo)電型層內(nèi)的被覆層的帶隙能量高于第一半導(dǎo)體層，所述第二導(dǎo)電型層內(nèi)的被覆層的帶隙能量高于第二半導(dǎo)體層。
24.根據(jù)權(quán)利要求5至22中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體元件，在所述第一導(dǎo)電型層、第二導(dǎo)電型層內(nèi)各自設(shè)置的光束縛的被覆層中，通過夾持的活性層形成波導(dǎo)，其特征在于，在第一導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的光導(dǎo)層具有所述第一半導(dǎo)體層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，在所述第二導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置的光導(dǎo)層，具有帶隙能量小于所述第一阻擋層的第二半導(dǎo)體層。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一和第二半導(dǎo)體層的至少一方由含有Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，含有該Al的氮化物半導(dǎo)體的Al混合結(jié)晶率低于由所述氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的所述第一阻擋層的Al混合結(jié)晶率。
27.根據(jù)權(quán)利要求23至26中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第一阻擋層的帶隙能量高于所述被覆層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件，含有具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，該活性層含有阱層和阻擋層并且由第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層夾持，其特征在于，在所述活性層內(nèi)至少夾持一層阱層，在所述第一導(dǎo)電型層側(cè)設(shè)置第一阻擋層，在所述第二導(dǎo)電型層側(cè)設(shè)置第二阻擋層，同時(shí)，第二阻擋層的帶隙能量小于第一阻擋層，阻擋層為非對稱。更優(yōu)選通過在第二到導(dǎo)電型層內(nèi)設(shè)置帶隙能量大于第一阻擋層的載流子束縛層，在夾持活性層的各導(dǎo)電型層上設(shè)置與活性層的非對稱結(jié)構(gòu)相反的頻帶結(jié)構(gòu)。由此，在所得的半導(dǎo)體元件、尤其是利用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件、激光元件中，可以實(shí)現(xiàn)在380nm或以下波長區(qū)域內(nèi)發(fā)光效率優(yōu)良的活性層以及元件結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01S5/32GK1484880SQ02803502
公開日2004年3月24日 申請日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者柳本友彌 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社