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)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體元件，其使用III-V族氮化物半導(dǎo)體，用于發(fā)光元件如發(fā)光二極管元件(LED)、激光二極管元件(LD)、超光致發(fā)光等發(fā)光元件，如太陽能電池、感光器等接受光元件，或電子元件如電晶體、電力元件等電子設(shè)備，特別是涉及發(fā)光波長為380nm以下的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
目前，使用氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光對利用在大容量及高密度的信息記錄/再生可能的光盤系統(tǒng)的要求日益增加。為此理由，曾深入研究使用氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光元件。此外，一般認(rèn)為使用氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光元件與發(fā)光元件可在自紫外至紅色的寬的波長區(qū)域發(fā)出振蕩。因此，其不但可應(yīng)用至上述光盤系統(tǒng)的光源而且可應(yīng)用至激光打印機(jī)與光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的光源。本申請人發(fā)表了一種激光，其可在405nm、室溫及5mW的條件下連續(xù)振蕩超過一萬小時。
此外，使用氮化物半導(dǎo)體的激光元件、發(fā)光元件及接受光元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中活性層可使用含有In的氮化物半導(dǎo)體形成，因此，更優(yōu)的有源區(qū)于活性層內(nèi)的形成對改良元件特性方面是很重要的。
此外，在氮化物半導(dǎo)體元件，特別是，在激光元件與發(fā)光元件中，極需要在波長為380nm以下的發(fā)光及振蕩。在上述光盤系統(tǒng)中，記錄密度由較短波長改良，在發(fā)光元件中，氮化物半導(dǎo)體元件作為激發(fā)螢光體的光源是重要的，而且在其他應(yīng)用中，許多用途可通過進(jìn)一步更短波長化而可以實(shí)現(xiàn)。
為了在氮化物半導(dǎo)體激光元件或發(fā)光元件內(nèi)獲得在短波長下的發(fā)光，發(fā)光波長可以通過變化活性層或發(fā)光層內(nèi)的含有In的氮化物半導(dǎo)體中In混合晶比而改變，尤其是，發(fā)光波長可通過減少In混合晶比而縮短。為了在氮化物半導(dǎo)體激光元件或發(fā)光元件內(nèi)獲得在短波長下的發(fā)光，發(fā)光波長可通過改變含有In的氮化物半導(dǎo)體于活性層或發(fā)光層內(nèi)的In混合晶比而不同，明確而言，發(fā)光波長可通過減少In混合晶比而縮短。此外，當(dāng)活性層具有一種結(jié)構(gòu)，其中在端發(fā)光元件或激光元件中該活性層夾在上包覆層與下包覆層之間，致使二包覆層的折射率變小以及致使上包覆層與下包覆層之間的波導(dǎo)內(nèi)側(cè)的折射率變高，光線可有效地限制在波導(dǎo)內(nèi)，其造成激光元件內(nèi)閾值電流密度的減少。
然而，當(dāng)波長生長較短時，其變成很難使用先前用作發(fā)光層的InGaN或InGaN/InGaN的量子井結(jié)構(gòu)，而在對應(yīng)于GaN的帶隙不大于365nm的波長下，其變成很難使用InGaN作為發(fā)光層。此外，當(dāng)波長變成較短時，損耗由于波導(dǎo)內(nèi)引導(dǎo)層的光吸收而發(fā)生，導(dǎo)致增強(qiáng)的閾值電流。另外，又在通過上包覆層與下包覆層的光限制中，因?yàn)镚aN的使用可保持由于波導(dǎo)內(nèi)光吸收與光限制的損耗折射率的差異，所以必須使用具有大Al比例的氮化物半導(dǎo)體，因此，晶體特性的問題變成更重要。
此外，嘗試使該氮化物半導(dǎo)體元件的波長變短，使用AlGaN/AlGaN的量子井結(jié)構(gòu)，然而，比較于現(xiàn)有InGaN系統(tǒng)，有無法獲得充分輸出的傾向。
此外，在含有Al如AlGaN的氮化物半導(dǎo)體用于元件中的情況下，比較于其他不含Al的氮化物半導(dǎo)體時，熱膨脹系數(shù)與彈性的差異極為不同，因此，當(dāng)使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體時，容易產(chǎn)生裂痕，裂痕的產(chǎn)生會損害元件，不像其他晶體特性，因此，若無法防止裂痕的發(fā)生時，元件無法作為氮化物半導(dǎo)體元件。為了此理由，在使用上述具有380nm或更短發(fā)光波長的活性層的發(fā)光元件與激光元件中，因?yàn)楹蠥l的氮化物半導(dǎo)體可使帶隙能量在氮化物半導(dǎo)體內(nèi)更大，其用于活性層及載流子限制層、導(dǎo)光層及具有較活性層更大帶隙能量的光限制層。即，在上述較短波長面積發(fā)光元件中，含有Al的氮化物半導(dǎo)體具有多層結(jié)構(gòu)。另一方面，上述產(chǎn)生裂痕的問題變成嚴(yán)重，因此，有較短波長及裂痕產(chǎn)生的防止具有相反關(guān)系的傾向，而此變成對氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件更短波長的嚴(yán)重障礙。此外，因?yàn)镚aN對在360nm下的光線具有一吸收端且即使在較端部更長波長的區(qū)約10nm下亦具有高吸收系數(shù)，其變成很難使用上述380nm或更短的較短波長面積的發(fā)光元件與激光元件內(nèi)的GaN。
此外，因?yàn)榘l(fā)光元件或激光元件內(nèi)活性層具有發(fā)光效率及內(nèi)部量子效率，端視上述其晶體特性而定，配置載活性層下方的導(dǎo)電型層的晶體特性對改良元件的特性變成一種極重要因素。通常，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有一種n型層、活性層及p型層按序?qū)訅旱慕Y(jié)構(gòu)，在此情況下，必須使n型層的晶體特性變佳。另一方面，如上所述，有一種傾向，即，含有Al的氮化物半導(dǎo)體的晶體特性比較于其他不含Al的氮化物半導(dǎo)體惡化很多，以前，為了避免該問題，含有In的氮化物半導(dǎo)體層用作含有Al的氮化物半導(dǎo)體的襯底層以緩和由于熱膨脹系數(shù)的差異內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)生，不含Al如Ga的氮化物半導(dǎo)體設(shè)置在含有Al的氮化物半導(dǎo)體層的附近以完成晶體特性的恢復(fù)及內(nèi)部應(yīng)力的緩和，通過此其容許一種具有其內(nèi)設(shè)置含有Al的氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的元件如激光元件實(shí)際運(yùn)用。然而，在上述具有較短波長的發(fā)光元件與激光元件中，不含Al的氮化物半導(dǎo)體變成光吸收層而其在元件結(jié)構(gòu)中的用途不佳，因此，大部分元件結(jié)構(gòu)使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體層。因此，由于上述晶體特性及裂痕的發(fā)生，無法獲得具有實(shí)用閾值Vf及發(fā)光效率的發(fā)光元件與激光元件，特別是，在使用許多含有Al并具有Al混合晶比的氮化物半導(dǎo)體于導(dǎo)光層及光限制的包覆層內(nèi)的激光元件中，無法獲得可在室溫下連續(xù)振蕩的激光元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的為在氮化物半導(dǎo)體元件內(nèi)，明確而言，在具有光波長為380nm或更短的激光元件或發(fā)光元件內(nèi)增加發(fā)光輸出以在波導(dǎo)中抑制光吸收低，其中活性層具有減少的閾值電流密度并設(shè)置在包覆層之間，以有效地限制光線進(jìn)入包括活性層的波導(dǎo)內(nèi)，及形成一具有較佳晶體特性的元件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的為說明問題的原因，即，閾值內(nèi)特別顯著的增加出現(xiàn)在380nm以下的激光振蕩并提供解決問題的手段。
鑒于上述情況，本發(fā)明可得一種氮化物半導(dǎo)體元件，其在元件特性如閾值電流密度方面優(yōu)異、具有較佳晶體特性、發(fā)光輸出方面優(yōu)異及可使用較短波長。
即，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件可通過下列特性達(dá)到上述目的。
(1)氮化物半導(dǎo)體元件，其包含一設(shè)置在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間的活性層，其中該活性層具有一量子井結(jié)構(gòu)，包括至少一個由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體形成的井層，及一個由含有Al的氮化物半導(dǎo)體形成的壁壘層。
通過上述結(jié)構(gòu)，通過井層內(nèi)包含In來改良發(fā)光效率，另一方面，Al比例的改變，可得對應(yīng)于其帶隙能量的所要發(fā)光的波長，導(dǎo)致在發(fā)光效率及內(nèi)部量子效率優(yōu)異的激光元件或發(fā)光元件。此外，通過容許壁壘層包含至少Al，可實(shí)現(xiàn)具有量子井結(jié)構(gòu)的活性層，其中其帶隙能量大于井層的帶隙能量，可調(diào)整發(fā)光波長，因此，可得在380nm或較短波長的短波長區(qū)下具有優(yōu)異元件特性的活性層。
(2)在上述特性中較佳的是，該井層由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)所形成而該壁壘層由AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)所形成。
通過形成InAlGaN四元混合晶體的井層，構(gòu)成元件數(shù)目降至最低及抑制晶體特性的劣化，導(dǎo)致具有高發(fā)光效率的井層與活性層。為了此理由，以0＜x＜1及0＜y＜1較佳。此外，AlGaN或InAlGaN壁壘層的形成，形成量子井結(jié)構(gòu)，其中帶隙能量的所需差異設(shè)定在井層與壁壘層之間。另一方面，通過使用與井層構(gòu)成元件相同的結(jié)構(gòu)，或使該結(jié)構(gòu)變小，活性層的晶體特性可保持較佳。較佳的是，x＜u可提供具有優(yōu)異晶體特性的活性層。
(3)在上述特性中較佳的是，該井層的厚度小于壁壘層的厚度。
因此，載流子可有效地注入活性層內(nèi)，導(dǎo)致發(fā)光效率優(yōu)異的量子井結(jié)構(gòu)。特別是，通過采用在活性層內(nèi)配置于最接近n型氮化物半導(dǎo)體層的側(cè)內(nèi)的n側(cè)壁壘層厚度大于井層厚度，其他壁壘層厚度，尤其是井層之間的壁壘層厚度，p型載流子可有效地限制于活性層內(nèi)。較佳的是，使n側(cè)壁壘層的厚度成為10nm或更大，其可作為優(yōu)異通孔限制層，導(dǎo)致具有較佳特性的活性層。
(4)在上述特性中較佳的是，該井層的In組成比y的范圍為不低于0.02及不大于0.05。
因此，通過采用y為0.02或更大，可得發(fā)光效率及內(nèi)部量子效率方面優(yōu)異的井層及活性層。通過采用y為0.05或更小，可得活性層，其中抑制含有In與Al的混合晶體系統(tǒng)內(nèi)晶體特性的劣化。通過采用0.02至0.05的范圍，閾值電流密度可保持較低。
(5)在上述特性中較佳的是，該井層的In組成比y的范圍為不低于0.03及不大于0.05。
因此，通過采用y為0.03或更大，可得發(fā)光效率及內(nèi)部量子效率方面優(yōu)異的井層及活性層。通過采用0.05或更小，可得活性層，其中抑制含有In與Al的混合晶體系統(tǒng)內(nèi)晶體特性的劣化。
(6)在上述特性中較佳的是，該活性層的發(fā)光波長為380nm或更短。上述活性層結(jié)構(gòu)可提供一種在380nm或更短的短波長區(qū)內(nèi)具有優(yōu)異特性的元件。
(7)在上述特性中較佳的是，該元件具有一種激光元件結(jié)構(gòu)，其中該第一導(dǎo)電型層具有第一導(dǎo)光層，該第二導(dǎo)電型層具有第二導(dǎo)光層，及該活性層設(shè)置在該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層之間，及該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層的帶隙能量Eg均大于激光光的光子能量Ep的量為0.05eV或更大(Eg-Ep≥0.05eV)。
因此，在激光元件與端發(fā)光型元件中，可得引導(dǎo)光線方面優(yōu)異的波導(dǎo)。更佳的是，Eg-Ep≥0.1可在上述短波長中形成更佳波導(dǎo)，導(dǎo)致元件特性的改良。
(8)在上述特性中較佳的是，該第一導(dǎo)光層及/或該第二導(dǎo)光層由AlxGa1-xN(0≤x≤1)所形成。
通過上述結(jié)構(gòu)，可得在短波區(qū)內(nèi)具有低光損耗的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致激光元件與端發(fā)光元件的特性的改良。
(9)在上述特性中較佳的是，該活性層的發(fā)光波長為380nm或更短的光，而該第一導(dǎo)電型層及/或該第二導(dǎo)電型層由AlxGa1-xN(0＜x≤1)所形成。
例如，通過形成AlGaN包覆層，載流子限制與光線限制可更佳。當(dāng)導(dǎo)光層設(shè)置在包覆層與活性層之間時，通過改變包覆層與導(dǎo)光層中的Al比例以在二層之間設(shè)定折射率的所需差異，可得優(yōu)異特性的激光元件與端發(fā)光元件。
(10)氮化物半導(dǎo)體元件在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間具有一活性層，其中該活性層具有一量子井結(jié)構(gòu)，包括至少一層由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的井層，及一層在自井層靠近第一導(dǎo)電型層的側(cè)內(nèi)具有帶隙能量大于井層的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體所形成的第一壁壘層，及 該第一導(dǎo)電型層包括具有帶隙能量小于該第一壁壘層的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層，及該第一氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置在該第一壁壘層附近。
在現(xiàn)有AlGaN系列活性層中，在設(shè)置于活性層二側(cè)內(nèi)作為載流子注入層的各個導(dǎo)電型層通常需要大于井層的帶隙能量的帶隙能量。然而，在此構(gòu)造中，通過設(shè)置在活性層內(nèi)具有小于第一壁壘層的帶隙能量的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層在第一導(dǎo)電型層，可實(shí)現(xiàn)新穎元件結(jié)構(gòu)，其形成具有較佳晶體特性的活性層且其具有載流子自第二導(dǎo)電型層進(jìn)入具有第一壁壘層的井層內(nèi)的限制功能。
對于井層，可使用具有至少相同于GaN的帶隙能量的含有Al的氮化物半導(dǎo)體，明確而言，可使用上述組成物。又對于第一壁壘層，可使用具有上述組成物的氮化物半導(dǎo)體。
對于第一氮化物半導(dǎo)體層，通過較佳使用具有大于井層的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體，其作為有效地注入載流子進(jìn)入活性層及井層內(nèi)的層。明確而言，可使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，及具有較佳晶體特性的活性層可通過較佳使用AlxGa1-xN(0≤x＜1)所形成。
(11)在上述特性中較佳的是，該第一壁壘層配置于最靠近活性層內(nèi)第一導(dǎo)電型層的側(cè)內(nèi)，該第一氮化物半導(dǎo)體層與活性層接觸。
通過上述結(jié)構(gòu)，通過配置第一壁壘層于靠近第一導(dǎo)電型層的側(cè)內(nèi)，即，較活性層內(nèi)其他壁壘層更靠近第一導(dǎo)電型層，如上所述，第一壁壘層適于作為第一導(dǎo)電型層的側(cè)內(nèi)的載流子限制層，因而可增強(qiáng)井層的發(fā)光效率。因此，較佳的是，在活性層的最外側(cè)及最靠近第一導(dǎo)電型層的配置可容許上述載流子限制功能。
(12)在上述特性中較佳的是，該第一導(dǎo)電型層為n型而該第二導(dǎo)電型層為p型。
即，通過此特性，上述第一壁壘層具有限制通孔的功能，這樣，在上述第一氮化物半導(dǎo)體層中，因?yàn)楸趬緦涌勺⑷腚娮?第一導(dǎo)電型載流子)進(jìn)入第一導(dǎo)電型層內(nèi)，另一方面，限制通孔的功能(第二導(dǎo)電型載流子)有困難，所以可得一種活性層結(jié)構(gòu)，其可通過第一壁壘層實(shí)現(xiàn)通孔的限制。
(13)在上述特性中較佳的是，該第一壁壘層內(nèi)Al混合晶比XB1與井層內(nèi)Al混合晶比Xw可滿足下面關(guān)系XB1-Xw≥0.05。即，通過上述相等關(guān)系設(shè)定Al混合晶比，第一壁壘層可適用作第二導(dǎo)電型載流子(較佳為通孔)的限制。更佳的是，通過XB1-Xw≥0.1，可形成偏位(電位壁壘)，其可充分地作為上述載流子限制。因此，Al混合晶比(XB1-Xw)差異的上限不限于限制功效，而考慮晶體特性，以0.5或更小較佳。更佳的是，通過上限為0.3或更小，含有活性層及第一導(dǎo)電型層的元件結(jié)構(gòu)可形成有較佳晶體特性即充分光限制。
(14)在上述特性中較佳的是，該第一壁壘層的厚度為30或更大。通過此特性，第一壁壘層可具有容許載流子限制的厚度。較佳的是，通過厚度為50?；蚋?，可得具有增強(qiáng)限制效率的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝槐趬緦拥暮穸刃r，載流子的隧穿現(xiàn)象會如

圖14B所示般發(fā)生。通過厚度為50或更大，可增強(qiáng)限制效率。上限并非特別限制于限制效率，而考慮晶體特性，可以是300以下，對于更好的晶體特性，上限為200?；蚋?。當(dāng)上限為150?；蚋r，可得第一壁壘層，其具有較佳晶體特性并適當(dāng)?shù)匾种扑泶┬?yīng)。
(15)在上述特性中較佳的是，波導(dǎo)由一對導(dǎo)光層與其間的活性層構(gòu)成，及導(dǎo)光層設(shè)置于第一導(dǎo)電型層內(nèi)，并具有第一氮化物半導(dǎo)體層。通過容許上述氮化物作為導(dǎo)光層或其一部分，即使當(dāng)形成具有所需導(dǎo)光厚度的導(dǎo)引層時，通過使用抑制Al混合晶比的第一氮化物半導(dǎo)體層，活性層可形成有較佳晶體特性。具有該波導(dǎo)的光元件的例包括激光元件、端發(fā)光元件及超螢光二極管。
(16)在上述特性中較佳的是，該元件可操作以振蕩375nm或更短波長的光。AlxGa1-xN量子井層(x≥0)設(shè)置在由AlyInzGa1-y-zN(z≥0)所形成的壁壘層之間，及井層的帶隙能量Ew大于壁壘層的帶隙能量Eb的量為0.2eV或更大。
當(dāng)量子井層為GaN時，較佳為經(jīng)考慮上述帶隙的差異來決定AlyGa1-yN與AlyInzGa1-y-zN的組成物。此外，當(dāng)量子井層為AlGaN時，較佳為經(jīng)考慮上述帶隙的差異來決定AlyGa1-y與AlyInzGa1-y-zN的組成物。
雖然活性層僅可由上述量子井層形成，單一量子井層可通過配置壁壘層在量子井層二側(cè)而形成。
當(dāng)形成多重量子井層時，活性層通過組合量子井層與壁壘層形成，最后層可由井層或壁壘層所形成。可進(jìn)行調(diào)整，端視與連接至活性層的層結(jié)構(gòu)(覆蓋層、導(dǎo)引層、包覆層)的關(guān)系而定。雖然多重量子井層的數(shù)目為2或3就足夠，井層可以未抑制活性層內(nèi)內(nèi)部量子效率的范圍而增加。此外，因?yàn)榭拷黳側(cè)區(qū)內(nèi)井層的再結(jié)合速率在許多情況下高，所以可做改變，使靠近p側(cè)的區(qū)為非摻雜層而靠近n側(cè)區(qū)內(nèi)的井層可用硅等摻雜。
(17)在上述特性中較佳的是，井層的厚度為300?；蚋。^佳為200?；蚋?。
(18)在上述特性中較佳的是，壁壘層的厚度為300?；蚋?，較佳為200或更小。
(19)在上述特性中較佳的是，該元件具有SCH(分離限制異質(zhì))結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光層與包覆層為互相分開設(shè)置，導(dǎo)引層的帶隙能量Eg在振蕩下大于光子能量Ep的量為0.05eV。
(20)在上述特性中較佳的是，導(dǎo)光層可以由AlaGa1-aN單獨(dú)構(gòu)成，也可以由AlaGa1-aN/AlbGa1-bN(a≠b)的超晶格層構(gòu)成。
(21)在上述特性中較佳的是，包覆層可以由AlaGa1-aN單獨(dú)構(gòu)成，也可以由AlcGa1-cN/AldGa1-dN(c≠d)超晶格層構(gòu)成，包覆層的帶隙能量Ec大于導(dǎo)光層的帶隙能量Eg。
(22)在上述特性中較佳的是，該元件具有GRIN(分級指數(shù))結(jié)構(gòu)，其中具有階梯式改變折射率的光限制層形成在量子井層外側(cè)，及非摻雜層設(shè)置在活性層的上、下方。此GRIN結(jié)構(gòu)可與上述SCH一起使用以得GRIN-SCH結(jié)構(gòu)。
可以將上述各種結(jié)構(gòu)單獨(dú)或組合使用。
此外，以下說明本發(fā)明的另一實(shí)施形態(tài)，此實(shí)施形態(tài)可通過組合任一上述特性使用。
一個實(shí)施形態(tài)為AlGaN系列半導(dǎo)體發(fā)光元件，其包含AlxGa1-xN量子井層(x≥0)作為活性層形成在GaN襯底上，其中該元件可在375nm以下振蕩。另一實(shí)施形態(tài)獲得依種元件結(jié)構(gòu)，其亦可用于在較短波長下具有波導(dǎo)的發(fā)光元件及激光元件，其可防止裂痕的發(fā)生。
GaN襯底比較于藍(lán)寶石襯底或氮化硅襯底通?？蓽p少形成其上的外延層的缺陷密度。特別是，較佳的是GaN襯底的晶體缺陷為107/cm2或更小，進(jìn)一步104/cm2。因此，晶體缺陷主要由于滲透移位，較佳為波導(dǎo)或電流注入?yún)^(qū)形成于此較少缺陷區(qū)內(nèi)的發(fā)光元件。此晶體缺陷密度或更低的值可制造不具波導(dǎo)缺陷的激光元件。
如本文所用，GaN襯底意指一種襯底，其中GaN可通過MOCVD(金屬氧化物化學(xué)氣相沉積)或MBE(分子束外延)法氣相方式生長，例如，根據(jù)ELO(外延側(cè)向附生)法，通過選擇性生長在多相襯底如藍(lán)寶石襯底等上側(cè)向生長GaN形成的GaN襯底(例如，包含對多個形成在GaN層上的SiO2條狀區(qū)及暴露在所述區(qū)間的GaN區(qū)選擇性生長，通過側(cè)向生長GaN形成的GaN層)、根據(jù)HVPE(鹵化物氣相外延)法或與MOCVD法的組成方法，通過層壓及氣相生長GaN層在此襯底上獲得的GaN襯底、根據(jù)上述ELO法，通過氣相生長GaN層在此襯底上獲得的GaN襯底、通過再晶化GaN在超臨界流體NH3內(nèi)的GaN種晶上形成的GaN襯底等。
在GaN襯底為由上述ELO法形成的GaN襯底及形成在襯底上的發(fā)光元件為脊型半導(dǎo)體激光的情況下，較佳的是，自上數(shù)量子井層型成的波導(dǎo)與上述SiO2條平行形成，因?yàn)榫w缺陷由平行于SiO2條的濃度發(fā)展并形成較低稠密度條狀，因此，波導(dǎo)內(nèi)缺陷可在具有低缺陷密度的區(qū)內(nèi)通過形成波導(dǎo)而排除。
附圖簡述圖1為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的激光元件結(jié)構(gòu)的概略截面圖。
圖2A為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的層壓結(jié)構(gòu)的概略截面圖而圖2B為說明各層與Al比例間的關(guān)系的視圖。
圖3A為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例元件的層壓結(jié)構(gòu)的概略圖而圖3B為其能帶的視圖。
圖4為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的能帶的概略圖。
圖5為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的能帶的概略圖。
圖6A為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的能帶的概略圖，圖6B至6D顯示各導(dǎo)電型雜質(zhì)(摻雜物)摻雜量的改變。
圖7為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的活性層的層壓結(jié)構(gòu)的概略截面圖。
圖8為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的元件結(jié)構(gòu)的概略截面圖。
圖9A為說明In比例與發(fā)光效率間的關(guān)系的概略圖，而圖9B為說明根據(jù)本發(fā)明的活性層中In比例與閾值電流密度間的關(guān)系的概略圖。
圖10為說明根據(jù)本發(fā)明的活性層中在脈沖振蕩下Al混合晶比在閾值電流密度與波長上依附性的概略圖。
圖11為說明根據(jù)本發(fā)明的活性層中在脈沖振蕩下Al混合晶比在閾值電流密度與波長上依附性的概略圖。
圖12A為說明根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的層壓結(jié)構(gòu)的概略截面圖而圖12B為說明對應(yīng)于層壓結(jié)構(gòu)的偏壓狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖13A與13B為說明現(xiàn)有技術(shù)激光元件偏壓狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖14A與14B為說明本發(fā)明一實(shí)施例的元件偏壓狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖15A為說明本發(fā)明一實(shí)施例的發(fā)光元件的層壓結(jié)構(gòu)的概略截面圖而圖15B為說明各層與Al比例間的關(guān)系的視圖。
圖16為說明對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)激光元件層壓結(jié)構(gòu)的各層的Al比例的關(guān)系的視圖。
較佳實(shí)施例的說明用于本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體元件的氮化物半導(dǎo)體為III-V族氮化物半導(dǎo)體(InαAlβGa1-α-βN，0≤α，0≤β，α+β≤1)如GaN，AlN或InN或其混合晶體。此外，混合晶體可使用，其中B(硼)用作III族元素或一部分N(氮)作為V族元素用P(磷)或As(砷)取代。此外，含有Al的氮化物半導(dǎo)體具有β≥0，而含有In的氮化物半導(dǎo)體具有α＞0。
此外，作為用于氮化物半導(dǎo)體層的n型雜質(zhì)，可使用IV族元素或VI族元素如Si(硅)、Ge(鍺)、Sn(錫)、S(硫)、O(氧)、Ti(鈦)、Zr(鋯)等。較佳使用Si、Ge及Sn，最佳使用Si。此外，p型雜質(zhì)不受特別限制但其例包括Be(鈹)、Zn(鋅)、Mn(錳)、Cr(鉻)、Mg(鎂)及Ca(鈣)。較佳使用Mg。這樣，形成各導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層，構(gòu)成后述各導(dǎo)電型層。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中活性層至少設(shè)置在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間。以下詳述本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件。
(活性層)本發(fā)明的活性層具有量子井結(jié)構(gòu)，具有由含有至少In(銦)與Al(鋁)的氮化物半導(dǎo)體形成的井層及由含有Al的氮化物半導(dǎo)體形成的壁壘層。此外，活性層發(fā)光較佳為380nm或更短的短波長的光，明確而言，上述井層具有380nm或更短的波長的帶隙能量。因此，用于活性層的氮化物半導(dǎo)體可為未摻雜、摻雜n型雜質(zhì)或摻雜p型雜質(zhì)。較佳的是，通過設(shè)置非摻雜或未摻雜或n型雜質(zhì)摻雜的氮化物半導(dǎo)體于活性層內(nèi)，可使氮化物半導(dǎo)體元件如激光元件及發(fā)光元件內(nèi)達(dá)到高輸出。較佳的是，通過使井層未摻雜并在壁壘層進(jìn)行n型雜質(zhì)摻雜，可得具有高輸出的激光元件及發(fā)光元件，導(dǎo)致具有高發(fā)光效率的元件。此處，量子井結(jié)構(gòu)可為多重量子井結(jié)構(gòu)或單一量子井結(jié)構(gòu)。較佳的是，通過采用多重量子井結(jié)構(gòu)，輸出的改良及振蕩閾值的減少變成可能。作為活性層的量子井結(jié)構(gòu)，可使用一種結(jié)構(gòu)，其中上述井層中至少一層與上述壁壘層中至少一層被層壓。因此，在量子井結(jié)構(gòu)的情況下，較佳的是，通過采用不小于1而不大于4的井層數(shù)目，閾值電流的減少可例如減少于激光元件及發(fā)光元件內(nèi)。更佳的是，通過采用具有井層數(shù)目為2或3的多重量子井結(jié)構(gòu)，可得高輸出激光元件及發(fā)光元件。
(井層)
在本發(fā)明的井層中，較佳的是，使用含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體，而含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體的至少一層井層包含于活性層內(nèi)。在多重量子井結(jié)構(gòu)中，較佳的是，通過采用所有井層皆由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體形成的該井層，可得較短波長，導(dǎo)致具有高輸出及高效率的發(fā)光元件與激光元件。當(dāng)發(fā)光光譜具有幾乎單一尖峰時，以此構(gòu)造較佳。另一方面，在具有多個尖峰的多色發(fā)光元件中，通過采用包含上述含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體的至少一層井層，可得在較短波長區(qū)的發(fā)光尖峰，因此，可得在較短波長區(qū)激發(fā)的具有各種發(fā)光顏色或螢光體而與發(fā)光構(gòu)件組成的發(fā)光元件。因此，在多色發(fā)光的元件的情況下，通過使用InαGa1-αN(0＜α≤1)作為井層的特定組成物，可得可發(fā)光及振蕩自紫外線至可見光區(qū)的井層。因此，發(fā)光波長可通過In混合晶比測定。
由本發(fā)明含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的井層提供現(xiàn)有InGaN井層難以提供的波長區(qū)，明確而言，對應(yīng)于GaN的帶隙能量的365nm附近的波長，或較短波長。特別是，井層為發(fā)光與振蕩可在380nm或更短波長的具有帶隙能量的井層。在現(xiàn)有InGaN井層中，在對應(yīng)GaN的帶隙能量的波長約365nm，例如，在370nm，需要調(diào)整In比例在約1％或更小。當(dāng)In比例生長極小，如同此時，發(fā)光效率會減少，而很難獲得具有充分輸出的發(fā)光元件與激光元件。另一方面，當(dāng)In比例為1％或更小時，亦很難控制其生長。在本發(fā)明中，在先前有效發(fā)光很難的380nm波長區(qū)內(nèi)，通過使用含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的井層，帶隙能量可通過增加Al比例x而增加。另一方面，通過In的加入，其可用于具有較佳內(nèi)部量子效率與發(fā)光效率的發(fā)光元件與激光元件。
用于井層的含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體的特定組成物為一種由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)表示的組成物。在用于生長氮化物半導(dǎo)體的氣相生長法如MOCVD等中，當(dāng)構(gòu)成元件的數(shù)目增加時，構(gòu)成元件間的反應(yīng)變成較易發(fā)生。因此，雖然5元或以上混合晶體的多元可如上述使用B，P，As，Sb等，較佳的是，通過采用AlInGaN四元混合晶體，可防止在元件間的此反應(yīng)而可發(fā)展具有較佳晶體特性的井層。通過采用低于0.02的In比例，比較于上述低于0.02可實(shí)現(xiàn)較佳發(fā)光效率與內(nèi)部量子效率。此外，通過采用y≥0.03，因?yàn)樾蕰M(jìn)一步改良，所以較佳可得在380nm或更短波長下于井層內(nèi)具有優(yōu)異特性的發(fā)光元件與激光元件。此外，In比例y的上限不受特別限制，但是通過采用y≤0.1，可抑制晶體特性由于In的加入的惡化。更佳的是，通過采用y≤0.05，可形成井層而不會惡化晶體特性，因此，當(dāng)在多重量子井結(jié)構(gòu)中設(shè)置多個井層時，各井層的晶體特性變成較佳。因此，In比例y較佳范圍為不低于0.02而不大于0.1，更佳范圍為不低于0.03而不大于0.05，其最好應(yīng)用于上述InAlGaN四元混合晶體。此處，Al比例x不受特別限制，但是通過改變Al比例可得所需帶隙能量及波長。
在本發(fā)明中由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)所形成的井層中，在氮化物半導(dǎo)體中In比例y為0至0.1范圍時各特性改變很大，如圖9A及9B所示。如圖9A所示，發(fā)光效率自In比例y為0.02的附近增加很大，自0.05附近顯示平緩下降曲線。另一方面，在閾值電流密度Jth中，自0.02附近顯示平緩下降曲線，最小值在0.03至0.05范圍內(nèi)存在，在超過0.05面積下，顯示快速增加曲線。此處，圖9A及9B以定量顯示AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)的井層及AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)的壁壘層中各特性的傾向，其中y軸為任意單元。
在本發(fā)明中，較佳的是，對應(yīng)于380nm或更短波長的帶隙能量由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體的井層所設(shè)定。因此，使Al比例x為0.02或更大。此外，在對應(yīng)于GaN的帶隙能量的不大于365nm波長的區(qū)域中，通過采用x為0.05或更大，較佳的發(fā)光與在短波長振蕩成為可能。
此外，亦可任意決定井層的膜厚與數(shù)目。特定膜厚的范圍為不低于1nm而不大于30nm。當(dāng)膜厚低于1nm時，井層有功能不足的傾向。當(dāng)膜厚高于30nm時，變成很難生長具有晶體特性的含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體，導(dǎo)致元件特性的下降。較佳的是，通過采用范圍為不低于2nm而不大于20nm，可減少閾值電流密度Vf。自晶體生長的觀點(diǎn)而言，當(dāng)膜厚為2nm或更大時，可得不具膜厚大改變并具有相當(dāng)均勻膜特性的層。通過采用20nm或更小，可降低晶體缺陷的發(fā)生，而晶體生長變成可能。更佳的是，通過采用井層的膜厚為不低于3.5nm，有可得高輸出激光元件與發(fā)光元件的傾向。此可視為如下通過增加井層的膜厚，完成相對于如由大電流驅(qū)動的激光元件內(nèi)注入大量載流子具有高發(fā)光效率與內(nèi)部量子效率的發(fā)光再結(jié)合。此視為在多重量子井結(jié)構(gòu)中具有功效。在單一量子井結(jié)構(gòu)中，通過采用5nm或更大的膜厚，可得上述類似功效。活性層內(nèi)井層數(shù)目不受特殊限制但可為1或以上。因此，在井層數(shù)目為4或以上時，整個活性層的膜厚會增加，導(dǎo)致Vf的增加。因此，較佳的是，活性層的厚度通過采用范圍為10nm或更小的井層厚度而降低。在多重量子井結(jié)構(gòu)中，在多層井層中，設(shè)置至少一層具有上述范圍厚度的井層，最好使所有井層具有上述范圍的厚度。此外，各井層的厚度可不同或大約相同。
本發(fā)明的井層可用p型雜質(zhì)或n型雜質(zhì)摻雜或亦可未摻雜。較佳的是，通過采用n型雜質(zhì)作為欲摻雜于井層的雜質(zhì)，其可促進(jìn)改良發(fā)光效率。然而，有含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體用于井層的傾向，當(dāng)雜質(zhì)濃度生長成較高時，晶體特性會惡化。因此，較佳的是，具有較佳晶體特性的井層通過降低雜質(zhì)濃度而得。明確而言，為了使晶體特性變成最佳，井層被未摻雜生長。因此，雜質(zhì)濃度為5×1016/cm3或更小，導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上不含雜質(zhì)的井層。此外，例如，在用n型雜質(zhì)摻雜井層的情況下，當(dāng)在n型雜質(zhì)濃度范圍為不低于1×1018/cm3而不大于5×1016/cm3來摻雜時，可降低晶體特性的惡化，同時，可增加載流子濃度，因而可降低閾值電流密度Vf。因此，最好是通過采用井層中n型雜質(zhì)濃度約等于或略小于壁壘層中n型雜質(zhì)濃度，有促進(jìn)井層中發(fā)光再結(jié)合并改良發(fā)光輸出的傾向。因此，井層與壁壘層可未摻雜生長，可構(gòu)成一部分活性層。此外，在多層設(shè)置于活性層的多重量子井結(jié)構(gòu)中，各井層的雜質(zhì)濃度可大約相同或不同。
特別是，當(dāng)元件被大電流(如高輸出LD、高功率LED及超光致發(fā)光二極管)驅(qū)動的情況下，當(dāng)井層未摻雜并實(shí)質(zhì)上不含n型雜質(zhì)時，可促進(jìn)載流子于井層內(nèi)的再結(jié)合而在高效率下實(shí)現(xiàn)發(fā)光再結(jié)合。反之，當(dāng)井層用n型雜質(zhì)摻雜時，因?yàn)檩d流子濃度在井層內(nèi)高，所以發(fā)光再結(jié)合的概率反而減低，導(dǎo)致在恒定輸出下驅(qū)動電流的增加的惡性循環(huán)發(fā)生，造成元件可靠性(元件使用壽命)的降低。因此，在該高輸出元件中，井層的n型雜質(zhì)濃度至少為1×1018/cm3或更小，較佳為該濃度使井層未摻雜貨實(shí)質(zhì)上不含n型雜質(zhì)，可得具有高輸出并可穩(wěn)定地驅(qū)動的氮化物半導(dǎo)體元件。此外，井層用n型雜質(zhì)摻雜的激光元件有激光光的光譜寬度在尖峰波長下加寬的傾向，這樣不好。濃度為1×1018/cm3或更小，較佳為1×1017/cm3或更小。
(壁壘層)在本發(fā)明中，作為壁壘層的組成，使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體的壁壘層。此處，在本發(fā)明的活性層中，活性層中至少一層壁壘層必須由包含Al的氮化物半導(dǎo)體組成?；钚詫又兴斜趬緦涌砂蠥l的氮化物半導(dǎo)體，或包含不具有Al的氮化物半導(dǎo)體的壁壘層可設(shè)置于活性層內(nèi)。壁壘層與井層相比必須為具有較大帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體。在井層內(nèi)發(fā)光波長為380nm的以內(nèi)，含有Al的氮化物半導(dǎo)體最好用于對應(yīng)壁壘層。
作為含有Al的氮化物半導(dǎo)體的壁壘層，較佳的是使用由AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)表示的氮化物半導(dǎo)體。明確而言，在含有Al的氮化物半導(dǎo)體的壁壘層中，可使用由組成物所表示的AlInGaN四元混合晶體及AlGaN三元混合晶體。此外，壁壘層內(nèi)Al的組成比u大于含有Al的氮化物半導(dǎo)體的井層內(nèi)Al組成比x。通過采用u＞x并設(shè)定井層與壁壘層之間帶隙能量的充分差異，形成具有較佳發(fā)光效率的量子井層結(jié)構(gòu)、激光元件及發(fā)光元件。
此外，當(dāng)壁壘層包含In(v＞0)時，通過采用較佳為不超過0.1的In比例v，可抑制晶體特性的惡化。更佳的是，可應(yīng)用不大于0.05的范圍。當(dāng)In比例v超過0.1時，可促進(jìn)Al與In在生長間的反應(yīng)，而惡化晶體特性，因此，無法形成較佳膜。此外，通過采用v≤0.05，形成具有更佳晶體特性的壁壘層。
此外，如上所述，比較于井層，較寬In比例可應(yīng)用于壁壘層，及帶隙能量差異主要由Al比例設(shè)定，因此可采用v≥y。通過采用該In比例，可改變井層或壁壘層的臨界厚度，可在量子井結(jié)構(gòu)內(nèi)相對自由地設(shè)定厚度，而可設(shè)計具有所需特性的活性層。
此外，在具有量子井結(jié)構(gòu)的活性層內(nèi)，壁壘層與井層可交替地形成，或多層壁壘層可相對于一層井層設(shè)置。明確而言，可設(shè)置由井層夾住的2層或更多壁壘層，或可設(shè)置結(jié)構(gòu)，其中多層壁壘層與一層井層交替地層壓。
此外，壁壘層可用p型雜質(zhì)或n型雜質(zhì)摻雜，或可以未摻雜，如上述井層內(nèi)。較佳的是，壁壘層用n型雜質(zhì)摻雜或無摻雜或未摻雜。據(jù)此，當(dāng)壁壘層例如用n型雜質(zhì)摻雜時，濃度至少為5×1016/cm3或更大。明確而言，例如，在LED的情況下，壁壘層具有n型雜質(zhì)范圍為不低于5×1016/cm3而不大于2×1018/cm3。此外，在較高輸出LED與高輸出LED的情況下，壁壘層較佳用范圍為不低于5×1017/cm3而不大于1×1020/cm3，更佳用范圍為不低于1×1018/cm3而不大于5×1019/cm3摻雜。當(dāng)壁壘層在如同此的高濃度下?lián)诫s時，較佳的是，井層實(shí)質(zhì)上不含n型雜質(zhì)，井層未摻雜生長。
此外，當(dāng)壁壘層用n型雜質(zhì)摻雜時，可摻雜活性層中所有壁壘層，其一部份可摻雜，其另一部份可未摻雜。當(dāng)一部分摻雜層用n型雜質(zhì)摻雜雜時，較佳的是，摻雜配置在活性層n型層側(cè)上的壁壘層。明確而言，通過摻雜自n型層側(cè)計數(shù)的第n個壁壘層Bn(n＝1，2，3…)，電子可有效地注入到活性層內(nèi)，導(dǎo)致發(fā)光效率與內(nèi)部量子效率皆優(yōu)異的元件。此不但應(yīng)用于壁壘層而且應(yīng)用于井層。此外，當(dāng)二者被摻雜時，通過摻雜自n型層計數(shù)的第n個壁壘層Bn(n＝1，2，3…)及第m個井層Wm(m＝1，2，3…)，即，通過自靠近n型層的側(cè)摻雜時，有獲得上述功效的傾向。
此外，如后述實(shí)施方式所示，當(dāng)設(shè)置Mg-摻雜p側(cè)電子限制層時，特別是，接觸活性層及/或壁壘層時，因?yàn)镸g會擴(kuò)散，當(dāng)配置在活性層內(nèi)大部分p型層側(cè)上的p側(cè)壁壘層用n雜質(zhì)摻雜時，有共同摻雜發(fā)生的傾向而惡化活性層的功能。因此，當(dāng)設(shè)置Mg-摻雜p側(cè)電子限制層時，較佳的是，此可因采用此實(shí)質(zhì)上不含n型雜質(zhì)的p側(cè)壁壘層而避免。明確而言，n型雜質(zhì)為低于5×1016/cm3。
壁壘層的厚度不受特別限制但不大于50nm，可構(gòu)成量子井結(jié)構(gòu)。較佳的是，在井層中厚度范圍為不低于1nm而不大于30nm。其理由如下通過采用不大于30nm，可抑制晶體特性的惡化，通過采用不低于1nm，可得壁壘層功能良好的該厚度。更佳的是，厚度范圍為不低于2nm而不大于20nm，這樣，當(dāng)厚度不低于2nm時，形成相當(dāng)均勻的膜，壁壘層具有較佳功能，當(dāng)厚度不大于20nm時，可得較佳的晶體特性。
本發(fā)明中具有量子井層的活性層的一較佳實(shí)施例具有一對或多對包含上述四元混合晶體AlxInyGa1-x-yN(0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＜1)的井層及包含四元混合晶體AluInvGa1-u-vN(0＜u＜1，0＜v＜1，u+v＜1)或三元混合晶體AluGa1-uN(0＜u＜1)的壁壘層。明確而言，如圖7所示，活性層12具有一層或多層InAlGaN井層1及一層或多層InAlGaN或AlGaN壁壘層2。通過這種結(jié)構(gòu)，含有In的氮化物半導(dǎo)體的井層導(dǎo)致內(nèi)部量子效率與發(fā)光效率優(yōu)異的井層。此外，通過含有Al的氮化物半導(dǎo)體調(diào)整Al比例，如圖10所示，可得可在380nm或更短的短波長區(qū)下發(fā)光的井層。此外，亦在上述短波長區(qū)內(nèi)，通過形成具有比采用InAlGaN或AlGaN的井層1的帶隙能量更大帶隙能量的壁壘層2，可得優(yōu)異壁壘層。
如圖11可知，在370nm或更長的波長區(qū)，即使將井層內(nèi)In混合晶比x不低于Al混合晶比y(x≥y)，閾值電流密度不會改變很大，而可得具有較佳振蕩特性的激光元件。即，通過采用x≥y在Al混合晶比y為0＜y≤0.1范圍，可得較佳的發(fā)光元件與激光元件。另一方面，如圖10所示，通過采用井層內(nèi)Al混合晶比y大于In混合晶比x(y≥x)，可得在不大于380nm發(fā)光波長(振蕩波長)的范圍的短波長發(fā)光。即，通過在井層內(nèi)In混合晶比x為0＜x≤0.1范圍使Al混合晶比y大于x(y≥x)，可得短波長發(fā)光。在井層內(nèi)Al混合晶比與In混合晶比間的關(guān)系中，通過采用Ga混合晶比z(z＝1-x-y)大于上述四元混合晶體InAlGaN的井層內(nèi)In混合晶比及Al混合晶比，即，z＞x及z＞y，可得顯示上述傾向的井層與活性層。最好使用四元混合晶體InAlGaN，可在0＜x≤0.1及0＜y≤0.1中成為z＞x及z＞y。
本發(fā)明的另一實(shí)施例1B為一種激光元件，具有一結(jié)構(gòu)，如氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述第一實(shí)施例的活性層由第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層夾住。明確而言，如圖2A所示，第二實(shí)施例具有一種結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電型層11、活性層12及第二導(dǎo)電型層13被層壓在襯底上，及另外具有一種結(jié)構(gòu)，其中至少一層第一導(dǎo)光層26設(shè)置于第一導(dǎo)電型層11而第二導(dǎo)光層29設(shè)置于第二導(dǎo)電型層13內(nèi)，以及活性層由所述第一與第二導(dǎo)光層26、29夾住，且其中波導(dǎo)由第一與第二導(dǎo)光層與其間的活性層所形成。此外，如后所述，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電型層具有上包覆層25而第二導(dǎo)電型層具有下包覆層30時，包含活性層的區(qū)由所述上、下包覆層25、30夾住，形成波導(dǎo)。當(dāng)導(dǎo)光層設(shè)置于由上包覆層25與下包覆層30夾住的波導(dǎo)內(nèi)時，閾值電流密度會減少，其造成高輸出激光元件。以下說明具有導(dǎo)光層于波導(dǎo)內(nèi)的元件結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的實(shí)施例1B中，如圖2A所示，波導(dǎo)具有一種結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置有活性層12、第一導(dǎo)電型層11內(nèi)第一導(dǎo)光層29及第二導(dǎo)電型層內(nèi)第二導(dǎo)光層26。此實(shí)施例為一種元件，其特征為一種結(jié)構(gòu)，其中特別是設(shè)置上述使用380nm或更短波長的活性層的波導(dǎo)。
此波長供導(dǎo)引主要來自活性層的光線。根據(jù)此波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)而定，發(fā)光效率、閾值電流密度及其他元件特性隨不同激光元件及發(fā)光元件而改變。導(dǎo)光層同此形成在活性層的二側(cè)上。導(dǎo)光層可形成于第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層中至少一層內(nèi)，即，不是第一導(dǎo)光層就是第二導(dǎo)光層可存在。較佳的是，通過設(shè)置導(dǎo)光層在活性層的二側(cè)上，閾值電流密度會降低，導(dǎo)致高輸出激光元件。
關(guān)于本發(fā)明的第一導(dǎo)光層26或第二導(dǎo)光層29，使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體。此外，如圖3B至圖6中的能帶結(jié)構(gòu)41所示，波導(dǎo)的構(gòu)造通過采用至少比量子井結(jié)構(gòu)內(nèi)活性層27的井層1有更大帶隙能量并使活性層27與導(dǎo)光層26、29間的折射率的差異變小而得。此外，導(dǎo)光層可具有較壁壘層更小的帶隙能量，如圖6所示，或可具有較大帶隙能量，如圖3B至5所示。關(guān)于導(dǎo)光層的組成物，明確而言，使用InαAlβGa1-α-βN(0≤α，0＜β，α+β≤1)。較佳的是，通過采用不含In的氮化物半導(dǎo)體，即，通過采用具有In比例為0的氮化物半導(dǎo)體，可防止由于加入In的光吸收并可獲得具有抑制的光損耗。另外，通過較佳使用AlβGa1-βN(0≤β≤1)，可得波導(dǎo)，其可應(yīng)用至自子紫外線至紅色的寬波長區(qū)。為了導(dǎo)引上述380nm或更短的短波長光線，最好使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)。其理由如下GaN吸收在上述短波長的光線，其導(dǎo)致?lián)p耗，而惡化閾值電流密度及電流-光輸出特性。特別是，最好調(diào)整導(dǎo)光層內(nèi)Al比例β，可大于導(dǎo)光層內(nèi)帶隙能量Eg或活性層內(nèi)發(fā)光的光子能量Ep的量為0.05eV或更大(Eg-Ep 0.05eV)。這樣，可得波導(dǎo)，其中由于導(dǎo)引層光損耗被抑制在上述短波長。更佳的是，通過采用Eg-Ep≥0.1，形成更優(yōu)異波長。
此處，圖3A與3B顯示本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體元件中的層壓結(jié)構(gòu)40及對應(yīng)能帶結(jié)構(gòu)41。層壓結(jié)構(gòu)40顯示一種結(jié)構(gòu)，其中具有井層1與壁壘層2的量子井結(jié)構(gòu)的活性層27由第一導(dǎo)電型層11與第二導(dǎo)電型層13夾住。圖4至6顯示如同圖3B的能帶結(jié)構(gòu)41。
任一第一導(dǎo)光層26與第二導(dǎo)光層29可由單一膜形成，或可由多層膜形成。當(dāng)形成包含單一膜氮化物半導(dǎo)體的導(dǎo)光層時，如圖3A所示，設(shè)置層壓結(jié)構(gòu)40，其中第一導(dǎo)光層26與第二導(dǎo)光層29夾住活性層27，而其能帶結(jié)構(gòu)41的帶隙能量大于活性層的帶隙能量。明確而言，使用上述AlβGa1-βN(0≤β≤1)而在上述短波長區(qū)使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)。更佳的是，如上所述，調(diào)整Al比例β，使第一導(dǎo)光層的帶隙能量Eg與第二導(dǎo)光層的帶隙能量大于光子能量Ep的量為0.05eV或更大(Eg-Ep≥0.05eV，較佳為Eg-Ep≥0.1)。
第一導(dǎo)光層或第二導(dǎo)光層的厚度不受特殊限制，但其明確范圍為不低于10nm及不大于5μm，較佳為不低于20nm及不大于1μm，更佳為不低于50nm及不大于300nm。這樣，有傾向形成波導(dǎo)，其在不低于10nm下作為導(dǎo)引層且其在不低于20nm下減少閾值電流密度。有閾值電流密度在不低于50nm下進(jìn)一步減少的傾向。此外，亦有波導(dǎo)在不大于5μm下作為導(dǎo)引層的傾向、在不大于1μm下導(dǎo)光期間減少損耗及在不大于300nm下進(jìn)一步抑制光損耗。
本發(fā)明導(dǎo)光層可由多層氮化物半導(dǎo)體組成。又在該情況下，如上所述，較佳使用不含In的氮化物半導(dǎo)體，更佳的是使用上述AlβGa1-βN(0≤β≤1)，在上述短波長區(qū)，最好使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)。使用此氮化物半導(dǎo)體以得多層膜，其中一層或多層具有不同組成物的氮化物半導(dǎo)體層使用于各導(dǎo)光層內(nèi)。明確而言，第一層與具有不同于第一層組成物的第二層使用于第一導(dǎo)光層26內(nèi)，而第三層與具有不同于第三層組成物的第四層使用于第二導(dǎo)光層29內(nèi)。此處，第一至第四層包含氮化物半導(dǎo)體。這樣，通過采用在各導(dǎo)引層中第一層與第二層之間，第三層與第四層之間的不同的Al比例，可得具有不同帶隙能量與折射率的多層結(jié)構(gòu)。
例如，在層壓第一導(dǎo)電型層、活性層及第二導(dǎo)電型層的結(jié)構(gòu)中，可得該結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)光層具有第一層與第二層、第二導(dǎo)光層具有第三層與第四層、第二層及第三層配置在活性層側(cè)上以及第四層配置在遠(yuǎn)離活性層的位置上，導(dǎo)致一種結(jié)構(gòu)，其中帶隙能量接近活性層時逐步減少。
明確而言，通過采用在活性層上的第二層與第三層的Al比例β2與β3小于遠(yuǎn)離活性層的第一層與第四層的Al比例β1與β4，即，β1＞β2，β4＞β3，可得逐步能帶結(jié)構(gòu)，載流子可有效地注入波導(dǎo)的活性層內(nèi)，活性層及活性層附近的折射率變成較大，這樣，可得一種結(jié)構(gòu)，其中許多光分布在波導(dǎo)的活性層附近。如此，當(dāng)導(dǎo)光層由多層膜形成時，有Al比例的增加惡化晶體特性的傾向。由于晶體特性的惡化當(dāng)其很難形成單一膜的導(dǎo)光層時，當(dāng)特性的惡化發(fā)生時，多層膜的形成可降低晶體特性的惡化。
此外，雖然其可通過采用β1＜β2，β4＜β3相反于β1＞β2，β4＞β3增加導(dǎo)引層(第二層、第三層)在活性層附近的帶隙能量并減少導(dǎo)引層的折射率，及減少遠(yuǎn)離導(dǎo)引層(第一層、第四層)的帶隙能量并增加遠(yuǎn)離導(dǎo)引層的折射率，最好采用β1＞β2，β4＞β3，因?yàn)樯鲜鲚d流子限制及光線分布變成較佳。此外，當(dāng)導(dǎo)光層由多層膜形成時，各導(dǎo)光層除了上述第一至第四層以外可由3或以上層所組成，導(dǎo)光層可通過交替地層壓負(fù)數(shù)層第一層(第三層)與第二層(第四層)，即，通過層壓多對第一層與第二層而構(gòu)成。
此外，為了形成多層膜的導(dǎo)光層，當(dāng)計算上述條件等式Eg-Ep≥0.05eV時，使用整個導(dǎo)光層的平均組成物做計算。例如，在第一導(dǎo)光層由含有Alβ1Ga1-β1N(0＜β1≤1)具有厚度為d1的第一層與含有Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1≠β2)具有厚度為d2的第二層所構(gòu)成的情況下，自βm＝(d1×β1+d2×β2)/(d1+d2)獲得Al的平均組成βm。
此外，在本發(fā)明的導(dǎo)光層中，如圖4所示，可采用GRIN結(jié)構(gòu)，其中有一梯次組成物，使帶隙能量接近活性層時生長較小。明確而言，通過采用梯次Al比例β，即，通過采用一梯次組成物，使Al比例β接近活性層時生長較小，可得GRIN結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)致注射載流子功效的改良。據(jù)此，如圖4所示，梯次組成物可為連續(xù)梯次組成物或中斷與逐步梯次組成物。此外，亦在層壓上述第一導(dǎo)光層的多對第一層/第二層的結(jié)構(gòu)中，帶隙能量可通過梯次Al比例作成接近活性層時較小。在此情況下，僅至少一層，例如，僅第一層可具有梯次組成物。此外，所有構(gòu)成一對的層，例如，第一層與第二層可具有梯次組成物。另外，以導(dǎo)光層的厚度方向，可部份具有梯次組成物，較佳的是，當(dāng)所有厚度方向的區(qū)具有梯次組成物時，有更加改良注射載流子功效的傾向。
此外，多層導(dǎo)光層可具有多層超晶格結(jié)構(gòu)，如圖5所示。通過使用超晶格結(jié)構(gòu)，可抑制晶體特性由于上述含Al的氮化物半導(dǎo)體的惡化，而可形成具有較佳晶體特性的波導(dǎo)。明確而言，采用一種結(jié)構(gòu)，其中在第一導(dǎo)光層26中，上述第一層與第二層被層壓，使其至少一層具有2或以上層較佳的是，各層具有2或以上的層，或多對第一層與第二層被層壓。據(jù)此，各層中氮化物半導(dǎo)體的組成物與上述的氮化物半導(dǎo)體的組成物相同。較佳的是，通過使用Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0≤β2≤1，β1≠β2)作為第一層/第二層，及在上述短波區(qū)，Alβ1Ga1-β1N(0＜β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1≠β2)，形成波導(dǎo)，其可抑制光損耗并可通過超晶格結(jié)構(gòu)抑制晶體特性的惡化。為了使導(dǎo)光層變成超晶格結(jié)構(gòu)，設(shè)定構(gòu)成多層膜的各層厚度，可形成超晶格。厚度端視各層的組成物及組成而不同，但明確而言，不大于10nm，較佳為不大于7.5nm，這樣，晶體特性可保持較佳。更佳的是，通過采用不大于5nm，可得進(jìn)一步較佳的晶體特性。
此外，較佳的是，本發(fā)明導(dǎo)光層至少用各導(dǎo)電雜質(zhì)摻雜，因?yàn)檩d流子的移動與注入變成較佳。據(jù)此，導(dǎo)電型雜質(zhì)可摻雜入一部分導(dǎo)光層內(nèi)，或可被局部摻雜，或可摻雜入整個導(dǎo)光層內(nèi)。此外，在多層導(dǎo)光層內(nèi)，例如，在具有上述第一與第二層的第一導(dǎo)光層內(nèi)，兩者可被摻雜，或第一層與第二層可在不同量下?lián)诫s，或其中的一可以改良摻雜方式摻雜而另一可未摻雜。例如，在超晶格多層結(jié)構(gòu)如交替層壓第一層與第二層的結(jié)構(gòu)中，或多對設(shè)置于上述第一導(dǎo)光層內(nèi)，較佳的是，以改良摻雜方式通過僅摻雜一層，例如，僅調(diào)制攙雜地對第一層進(jìn)行攙雜，可抑制晶體特性由于雜質(zhì)摻雜的惡化。更佳的是，通過僅摻雜一具有低Al比例的層，可得具有較佳的晶體特性的層，可抑制晶體特性由于雜質(zhì)摻雜的惡化，由于雜質(zhì)摻雜的活化變成更佳。例如，通過雜質(zhì)摻雜具有小Al比例的第二層并使第一層在具有超晶格多層結(jié)構(gòu)的第一導(dǎo)光層內(nèi)未摻雜，其中上述第一/第二層為Alβ1Ga1-β1N(0≤β1≤1)/Alβ2Ga1-β2N(0＜β2≤1，β1＜β2)，具有較小Al比例的第二層具有較第一層更佳的晶體特性。因此，通過雜質(zhì)摻雜具有較佳晶體特性的層，可實(shí)現(xiàn)較佳活化，導(dǎo)致載流子移動及注入優(yōu)異的導(dǎo)光層。
此外，在有關(guān)本發(fā)明中導(dǎo)光層的雜質(zhì)摻雜的圖6A至6D中摻雜量42改變所示，通過使雜質(zhì)摻雜量接近活性層時更小，或使靠近活性層的區(qū)的摻雜量較第一與第二導(dǎo)光層26、29內(nèi)遠(yuǎn)離活性層的區(qū)更小，光損耗在波導(dǎo)內(nèi)，特別是導(dǎo)光層內(nèi)進(jìn)一步降低，而實(shí)現(xiàn)較佳導(dǎo)光，導(dǎo)致閾值電流密度的減少及驅(qū)動電流的減少。其理由如下當(dāng)光線被導(dǎo)入雜質(zhì)摻雜的區(qū)內(nèi)時，光吸收由于雜質(zhì)發(fā)生而造成光損耗。
此外，如上所述，波導(dǎo)具有至少一種結(jié)構(gòu)，其中活性層27由第一導(dǎo)光層26與第二導(dǎo)光層29夾住，以及一種結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光層或波導(dǎo)的外側(cè)由具有較導(dǎo)光層更小折射率的上、下包覆層25、30所夾住，導(dǎo)致一種結(jié)構(gòu)，其中光線限制于波導(dǎo)內(nèi)，通過這種方式，許多光線分布于波導(dǎo)中活性層內(nèi)或活性層附近。通過使活性層附近的區(qū)內(nèi)雜質(zhì)摻雜量較小，分布許多光線的區(qū)內(nèi)的光損耗會降低，導(dǎo)致光損耗小的波導(dǎo)。
明確而言，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)光層與第二導(dǎo)光層在各層厚度一半的區(qū)分開而考慮靠近活性層的區(qū)及遠(yuǎn)離活性層的區(qū)時，使靠近活性層區(qū)內(nèi)導(dǎo)電雜質(zhì)濃度小于遠(yuǎn)離活性層區(qū)內(nèi)導(dǎo)電雜質(zhì)濃度。導(dǎo)光層內(nèi)雜質(zhì)濃度不受特殊限制，但明確而言不大于靠近活性層區(qū)內(nèi)5×1017/cm3。此處，上述雜質(zhì)摻雜表示具有第一導(dǎo)電型雜質(zhì)的第一導(dǎo)光層的摻雜及具有第二導(dǎo)電型雜質(zhì)的第二導(dǎo)光層的摻雜。
改變導(dǎo)光層摻雜量的形式的例包括，如圖6B至6D摻雜量42a、42b及42c的改變所示，一種接近各導(dǎo)光層(42a)內(nèi)活性層時使摻雜量平緩又連續(xù)地變小的形式、一種使摻雜層間歇又逐步地變小(42b)的形式、一種使逐步摻雜量改變且局部設(shè)定導(dǎo)光層(42c)摻雜量改變的形式及其組成。
較佳的是，使具有離開活性層側(cè)不大于50nm的距離的區(qū)在導(dǎo)光層內(nèi)未摻雜，其變成可減少光損耗。較佳的是，通過使100nm或更小的區(qū)未摻雜，其變成可減少光損耗及減少閾值電流密度及驅(qū)動電流。據(jù)此，當(dāng)使50nm或更小的區(qū)成為未摻雜區(qū)時，導(dǎo)光層的厚度為不低于50nm。當(dāng)使100nm或更小的區(qū)成為未摻雜區(qū)時，當(dāng)然厚度為不低于100nm。據(jù)此，當(dāng)上述未摻雜區(qū)設(shè)置于導(dǎo)光層內(nèi)時，較佳的是，其用于與具有上述梯次組成物結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光層的組成。其理由如下如圖4所示，通過采用一種能帶結(jié)構(gòu)，其中帶隙能量接近活性層時生長較小。即使當(dāng)雜質(zhì)非摻雜區(qū)設(shè)置在活性層附近時，亦可形成導(dǎo)光層，其可降低載流子注入效率。據(jù)此，較佳的是，具有梯次組成物的導(dǎo)光層具有上述GRIN結(jié)構(gòu)。此外，在上述多層結(jié)構(gòu)中，即使在帶隙能量接近活性層時生長較小的結(jié)構(gòu)中，其亦具有形成未摻雜區(qū)的功效。此處，在各導(dǎo)光層中，即使在生長時未用雜質(zhì)摻雜，即，即使當(dāng)導(dǎo)光層未摻雜生長時，在有些情況下雜質(zhì)亦自鄰接層擴(kuò)散。
明確而言，在較佳用作p型雜質(zhì)的Mg中，容易造成該擴(kuò)散現(xiàn)象。如實(shí)施方式1所示，即使當(dāng)p側(cè)導(dǎo)光層未摻雜形成時，p型雜質(zhì)由于自鄰接電子限制層及包覆層的擴(kuò)散亦摻雜于其中。當(dāng)雜質(zhì)摻雜被如此擴(kuò)散影響時，如上所述，使得靠近活性層區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)濃度小于遠(yuǎn)離區(qū)的雜質(zhì)濃度。較佳的是，該摻雜區(qū)設(shè)置于導(dǎo)光層中至少一層內(nèi)。更佳的是，該摻雜區(qū)于二導(dǎo)光層內(nèi)的設(shè)置可得減少光損耗的波導(dǎo)。
另外，上述導(dǎo)光層的層構(gòu)造、雜質(zhì)摻雜的形式、組成物及上述導(dǎo)光層的厚度可相同或不同于第一導(dǎo)光層與第二導(dǎo)光層的層構(gòu)造、雜質(zhì)摻雜的形式、組成物與厚度。例如，第一導(dǎo)光層具有單一膜而第二導(dǎo)光層則具有多層膜，使二導(dǎo)光層的膜構(gòu)造不同。
(包覆層)上述實(shí)施例1A與1B為氮化物半導(dǎo)體元件，具有一種結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電型層、活性層及第二導(dǎo)電型層被層壓，第一導(dǎo)電型層具有下包覆層，而第二導(dǎo)電型層具有上包覆層。明確而言，如圖2A所示，元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電型層11、活性層12及第二導(dǎo)電型層13被層壓在一襯底上，而另具有一種結(jié)構(gòu)，其中至少一層下包覆層25設(shè)置于第一導(dǎo)電型層11內(nèi)而上包覆層30設(shè)置于第二導(dǎo)電型層13內(nèi)，活性層夾在上、下包覆層25、30之間。上述導(dǎo)光層可設(shè)置于夾在上包覆層25與下包覆層30間的波導(dǎo)內(nèi)。以下說明具有包覆層的元件結(jié)構(gòu)。
上、下包覆層25、30的組成物的帶隙能量大于活性層的帶隙能量，如圖3B至6A中能帶結(jié)構(gòu)41所示。此外，當(dāng)上述激光元件與端發(fā)光元件具有第一與第二導(dǎo)光層26、29時，帶隙能量幾乎與導(dǎo)光層的帶隙能量相同或略大。據(jù)此，上、下包覆層用以限制載流子或限制光線，且當(dāng)導(dǎo)光層被隱藏時，用作限制光線的層。關(guān)于用于包覆層的氮化物半導(dǎo)體，較佳使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，使用由InaAlbGa1-a-bN(0≤a，0＜b，a+b≤1)表示的氮化物半導(dǎo)體。較佳的是，通過使用具有In比例為0的氮化物半導(dǎo)體，由于含有In的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)包覆層的吸收，有容易產(chǎn)生光損耗的傾向。因此，通過較佳使用由AlbGa1-bN(0＜b≤1)表示的氮化物半導(dǎo)體，可良好限制光線，當(dāng)未設(shè)置導(dǎo)引層時，可良好限制載流子。
在激光元件及端發(fā)光元件中，在波導(dǎo)由上、下包覆層夾住的結(jié)構(gòu)中，通過設(shè)定波導(dǎo)與包覆層之間，明確而言，活性層及/或?qū)Ч鈱又g折射率的充分差異，可得該光線限制于波導(dǎo)內(nèi)及光線被導(dǎo)引的構(gòu)造。為了設(shè)定該折射率的差異，較佳使用AlbGa1-bN(0＜b≤1)，通過滿足至少下面關(guān)系導(dǎo)光層內(nèi)Al比例(平均組成物)與β間的關(guān)系是β≤b，較佳的是，通過采用b-β≥0.05，設(shè)定充分的折射率的差異。因?yàn)橥ㄟ^包覆層的光限制亦端視包覆層的膜厚而定，所以氮化物半導(dǎo)體的組成物亦可考慮膜厚來決定。
本發(fā)明的包覆層可由單一膜形成或可由多層膜形成或可具有多層超晶格結(jié)構(gòu)如同上述導(dǎo)光層。當(dāng)包覆層由單一膜形成時，通過形成包含上述氮化物半導(dǎo)體的單一膜，其較容易設(shè)計一種光與載流子限制結(jié)構(gòu)，而比較于多層膜的形成，可縮短生長包覆層的所需時間。另一方面，其很難生長具有較佳晶體特性的含有Al的氮化物半導(dǎo)體如AlGaN。特別是，氮化物半導(dǎo)體在大于恒定厚度的厚度下生長如在單一膜內(nèi)，容易造成裂痕。
當(dāng)包覆層由多層膜形成時，多個具有不同組成物的氮化物半導(dǎo)體被層壓，明確而言，多個具有不同Al比例的氮化物半導(dǎo)體被層壓。當(dāng)多層膜如此形成時，可抑制如在單一膜內(nèi)晶體特性的惡化及裂痕的發(fā)生。
明確而言，作為多層膜，具有不同組成物的第一層與第二層被層壓以提供多層具有不同折射率與帶隙能量的層。例如，可得多層膜，其具有一種結(jié)構(gòu)，其中具有Al比例b1的第一層與具有Al比例b2(b1≠b2)的第二層被層壓。據(jù)此，通過采用一種構(gòu)造，其中Al比例為b1＜b2(0≤b1，b2≤1)，具有較大Al比例的第一層可使折射率與帶隙能量更大，而具有較小Al比例的第二層可抑制晶體特性由于第一層的形成的惡化。另外，多層具有不同組成物的層可進(jìn)一步通過層壓第一層與第二層并層壓具有不同于第二層組成物的第三層而層壓。此外，可采用一種結(jié)構(gòu)，其中多層第一層與第二層被交替地層壓，或可采用一種結(jié)構(gòu)，其中形成多對至少一第一層與第二層。因?yàn)橐种坪蠥l的氮化物半導(dǎo)體晶體特性的惡化及可使厚度在該多層結(jié)構(gòu)中加大，所以其可得限制光重要的厚度。
在多層結(jié)構(gòu)包覆層中，通過采用超晶格結(jié)構(gòu)，可形成具有較佳晶體特性的包覆層。此處，超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置于至少一部分包覆層內(nèi)，較佳的是，超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置于整個包覆層內(nèi)，通過這種結(jié)構(gòu)，可形成具有較佳晶體特性的包覆層。據(jù)此，超晶格結(jié)構(gòu)可為一種結(jié)構(gòu)，其中多層至少一層第一層與第二層被交替地層壓，或多對至少一層第一層與第二層如在導(dǎo)光層內(nèi)設(shè)置。構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的各層厚度端視組成物及各層的組成而不同，但明確而言，不大于10nm，較佳為不大于7.5nm，通過這種結(jié)構(gòu)，晶體特性可保持較佳。更佳的是，通過采用不大于5nm，可得更佳晶體特性。
包覆層較佳用至少各導(dǎo)電型雜質(zhì)摻雜，并可全部或局部摻雜如同導(dǎo)光層。此外，亦在多層膜的情況下，例如，在具有第一層與第二層的多層膜中，二層可被摻雜，或第一層與第二層可在不同量下?lián)诫s，或其中一層可以改良摻雜方式如同導(dǎo)光層被摻雜而另一層按調(diào)制攙雜的方式可未摻雜。例如，在超晶格多層結(jié)構(gòu)的情況下，其中上述第一層/第二層為Alb1Ga1-b1N(0≤b1≤1)/Alb2Ga1-b2N(0＜b2≤1，b1＜b2)，通過雜質(zhì)摻雜具有較小Al比例的第二層并使第一層未摻雜，可使晶體特性更佳如同導(dǎo)光層。
包覆層的厚度不受特殊限制，但在范圍為不低于10nm而不大于2μm，不低于50nm而不大于1μm。當(dāng)厚度不小于10nm時，可限制載流子。當(dāng)厚度不大于2μm時，可抑制晶體特性的惡化。另外，當(dāng)厚度不低于50nm時，可限制光線。這樣，包覆層可用于激光元件及端發(fā)光元件內(nèi)。當(dāng)厚度不大于1μm時，可行成具有較佳晶體特性的包覆層。
此處，關(guān)于上包覆層及下包覆層，較佳使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，這樣，可使折射率的差異在波導(dǎo)與二包覆層之間變大。據(jù)此，較佳的是，包覆層用的氮化物半導(dǎo)體不含In，因?yàn)楹琁n的氮化物半導(dǎo)體比較于不含In的氮化物半導(dǎo)體易于惡化晶體特性。特別是，在活性層上具有p側(cè)包覆層的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)含In的氮化物半導(dǎo)體用于p側(cè)包覆層時，晶體特性明顯惡化且元件特性亦明顯惡化。據(jù)此，關(guān)于用于包覆層的氮化物半導(dǎo)體，明確而言，較佳使用AlbGa1-bN(0＜b＜1)。
(載流子限制層<p側(cè)電子限制層>)在本發(fā)明中，載流子限制層28可設(shè)置于活性層27的內(nèi)部或活性層的附近，如圖3B與4所中能帶結(jié)構(gòu)41所示。如圖所示，在具有導(dǎo)光層26、29及包覆層25、30的結(jié)構(gòu)如激光元件與端發(fā)光元件的情況下，可設(shè)置在導(dǎo)光層26、29與活性層27之間，或作為活性層或?qū)Ч鈱拥囊徊糠帧４颂?，此載流子限制層可限制活性層或井層內(nèi)的載流子。在激光元件及高輸出發(fā)光元件中，可防止由于元件驅(qū)動而溫度上升載流子自活性層的溢流與電流密度的增加，導(dǎo)致一種載流子可有效地注入活性層內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
明確而言，如圖4所示，來自第一導(dǎo)電型層的載流子由配置在第二導(dǎo)電型層側(cè)上的載流子限制層28b所限制，而來自第二導(dǎo)電型層的載流子由配置在第一導(dǎo)電型層側(cè)上的載流子限制層28a所限制。較佳的是，此載流子限制層設(shè)置于其中至少一層內(nèi)。如實(shí)施方式1所示，在第一導(dǎo)電型層為n型而第二導(dǎo)電型層為p型的元件中，較佳的是，載流子限制層至少設(shè)置于p型層側(cè)上。其理由如下在氮化物半導(dǎo)體中，因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散長度較空穴的擴(kuò)散長度更長，所以電子更易自活性層溢流，因此，通過設(shè)置限制電子的載流子限制層28在p型層側(cè)上，可得高輸出激光元件與發(fā)光元件。以下說明載流子限制層作為p側(cè)電子限制層設(shè)置在p型層側(cè)上的例。此可通過取代導(dǎo)電型層應(yīng)用至n型層側(cè)。特別是，較佳的是，設(shè)置至少p側(cè)電子限制層，因?yàn)殡娮泳哂休^空穴更長載流子擴(kuò)散長度，因此，電子較易自活性層溢流。
關(guān)于此p側(cè)電子限制層，使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，明確而言，AlcGa1-cN(0＜c＜1)。這時，作為Al比例c，為了作為載流子限制層的功能，需要與活性層相比具有充分大的帶隙能量(偏移)，據(jù)此，Al比例c至少范圍為0.1≤c＜1，較佳范圍為0.2≤c＜0.5。其理由如下當(dāng)c不大于0.1時，電子限制層在激光元件內(nèi)不具充分功能。當(dāng)c不低于0.2時，電子被充分限制(載流子限制)，而可抑制載流子的溢流。此外，當(dāng)c不大于0.5時，電子限制流可生長而可降低裂痕的發(fā)生。更佳的是，當(dāng)c不大于0.35時，可生長具有較佳晶體特性的電子限制層。此外，當(dāng)上述導(dǎo)光層被隱藏時，較佳的是采用具有比導(dǎo)光層的帶隙能量更大帶隙能量的載流子限制層。當(dāng)上述包覆層被隱藏時，較佳的是采用具有相同或大于包覆層帶隙能量的載流子限制層。其理由如下對于限制載流子，需要具有較限制光線的包覆層更高混合晶比的氮化物半導(dǎo)體。
此p側(cè)電子限制層可用于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體。特別是，在大量載流子通過大電流驅(qū)動注入活性層內(nèi)如在激光元件中的情況下，載流子可比無p側(cè)層電子限制層更有效地限制，其不但可用于激光元件而且可用于高輸出LED內(nèi)。
本發(fā)明載流子限制層的厚度至少為不大于100nm，較佳為不大于40nm。其理由如下因?yàn)楹諥l的氮化物半導(dǎo)體較其他氮化物半導(dǎo)體(不含Al)具有更大表體阻力而如上所述較高下設(shè)定p側(cè)電子限制層內(nèi)Al混合晶比，當(dāng)載流子限制層在超過100nm厚度下設(shè)置于元件內(nèi)時，其變成一極高電阻層，導(dǎo)致前向電壓Vf的顯著增加。當(dāng)厚度大于40nm時，可抑制Vf的上升。更佳的是，通過采用不大于20nm，可抑制上升。此處，p側(cè)電子限制層厚度的下限至少為不低于1nm，較佳為不低于5nm，這樣，電子限制層作用良好。此處，電子限制層可由單一膜形成，或可由具有不同組成物的多層膜形成。
此外，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件中，在未設(shè)置導(dǎo)光層而僅設(shè)置包覆層的情況下，當(dāng)限制載流子的充分帶旁支(band offset)存在于活性層與包覆層之間，如上所敘述，不必自包覆層分開地設(shè)置載流子限制層。然而，在包覆層隔開活性層配置作為具有導(dǎo)光層的結(jié)構(gòu)的情況下，最好設(shè)置載流子限制層在活性層與包覆層之間，較佳為活性層的附近。其理由如下當(dāng)載流子限制層設(shè)置在隔開活性層的位置時，抑制上述載流子溢流的功效會失去。明確而言，通過采用活性層與p側(cè)電子限制層(載流子限制層)間的距離為不大于100nm，載流子限制層起作用。更佳的是，通過采用不大于500的距離，較佳的載流子限制變成可能。當(dāng)載流子限制層配置于活性層的外側(cè)時，最佳的是，通過配置接觸活性層，載流子可最有效地限制于活性層內(nèi)。當(dāng)配置于活性層的內(nèi)部時，其可作為壁壘層或其一部分。明確而言，通過配置在最靠近活性層內(nèi)各導(dǎo)電型層的位置，即，作為活性層的最外層，載流子可有效地注入活性層內(nèi)部的井層內(nèi)。
例如，在圖4中，通過設(shè)置載流子限制層28作為活性層的最外壁壘層，其變成最靠近各導(dǎo)電型層的層。在載流子限制層如此設(shè)置于活性層內(nèi)的情況下，使得帶隙能量較活性層內(nèi)部的壁壘層更大?；钚詫觾?nèi)部的壁壘層為最外側(cè)以外的壁壘層且為井層夾住的壁壘層。
本發(fā)明的p側(cè)電子限制層(載流子限制層)可被未摻雜或可用p型雜質(zhì)(各導(dǎo)電型雜質(zhì))摻雜。較佳的是，用各種導(dǎo)電型的雜質(zhì)摻雜。例如，通過p型雜質(zhì)摻雜p側(cè)電子限制層，雜質(zhì)的可動性由于摻雜增強(qiáng)而可減少Vf。
當(dāng)通過大電流如激光元件或高功率LED驅(qū)動時，為了增強(qiáng)載流子的可動性，最好在高濃度下?lián)诫s。特定摻雜量為至少5×1016/cm3或更大，較佳為1×1018/cm3或更大。在上述以大電流驅(qū)動的元件中，摻雜量為1×1018/cm3或更大，較佳為1×1019/cm3或更大。p型雜質(zhì)的量的上限不受特殊限制但不大于1×1021/cm3。當(dāng)p型雜質(zhì)的量生長較大時，體電阻易于增加而可增加Vf。為了避免如此，較佳的是，上限為最小p型雜質(zhì)濃度，其可保持必要載流子可動性。通過形成未摻雜的載流子限制層，摻雜可通過雜質(zhì)自鄰接層的擴(kuò)散而完成。
此外，當(dāng)p型載流子限制層設(shè)置在n側(cè)上時，不必再活性層與壁壘層之間設(shè)定大的帶旁支如同上述p側(cè)電子限制層。當(dāng)電壓施加至元件時，限制電子的旁支變成較小，因此，需要具有大Al比例的氮化物半導(dǎo)體的限制層。然而，因?yàn)橄拗瓶昭ǖ呐灾晕⒏淖儯恍枰O(shè)定Al比例高達(dá)p側(cè)電子限制層。明確而言，配置在活性層大部分n側(cè)上的n側(cè)壁壘層可作為空穴限制層。特別是，通過采用不低于10nm的厚度，可運(yùn)用優(yōu)異空穴限制功能。
即，如實(shí)施方式所示，n側(cè)壁壘層2a可通過使厚度比其他壁壘層更大來限制載流子。在多重量子井結(jié)構(gòu)中，因?yàn)槠渌趬緦?b、2c具有一種結(jié)構(gòu)，其中其被井層夾住，當(dāng)厚度加大時，在有些情況下，載流子被防止有效地注入到井層內(nèi)。另一方面，因?yàn)閚側(cè)壁壘層2a并非由井層夾住所形成，所以通過增強(qiáng)載流子限制的功能，可得較佳活性層的結(jié)構(gòu)。因?yàn)榇薾側(cè)壁壘層較佳為配置在活性層最外側(cè)上的層，所以n側(cè)壁壘層可有效地用來限制載流子。厚度的上限不受特殊的限制，但不大于30nm。另外，其亦可由多層膜形成。又在單一量子井結(jié)構(gòu)中，容許n側(cè)壁壘層2a用來限制載流子，載流子可適當(dāng)?shù)刈⑷刖畬觾?nèi)。
在本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體的激光元件與端發(fā)光元件中，如實(shí)施方式所示，設(shè)置脊柱作為條狀波導(dǎo)，將為嵌入層的絕緣膜形成在脊柱側(cè)上。據(jù)此，嵌入層最好由氧化物所形成，除了SiO2作為第二保護(hù)膜的材料以外，氧化物包含至少一個元素選自Ti、V、Zr、Nb、Hf及Ta，及SiN、Bn、SiC及AlN中至少一個所組成的群。最好使用Zr與Hf以及Bn與SiC的氧化物。另外，關(guān)于嵌入層，半絕緣與i型氮化物半導(dǎo)體，在實(shí)施方式中對脊柱部分反相的導(dǎo)電型，可使用n型氮化物半導(dǎo)體。通過含有Al的氮化物半導(dǎo)體的如AlGaN設(shè)定折射率的差異并容許作為電流防止層，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向光限制。通過含有In的氮化物半導(dǎo)體設(shè)定光吸收系數(shù)的差異，可實(shí)現(xiàn)激光元件的光學(xué)特性。此外，無設(shè)置具有蝕刻的脊柱，電流流動于其中的結(jié)構(gòu)可通過注入B與Al的離子并使非注入?yún)^(qū)成為條狀而得。
另外，通過采用脊柱寬度不低于1μm而不大于3μm，較佳的是不低于1.5μm而不大于2μm，可得作為光盤系統(tǒng)優(yōu)異的斑點(diǎn)狀或束流狀激光光。
(實(shí)施例2)以下說明本發(fā)明的實(shí)施例2，實(shí)施例2可通過組合上述實(shí)施例1A及/或1B使用。
(活性層)本發(fā)明的活性層較佳具有量子井結(jié)構(gòu)，具有含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體的井結(jié)構(gòu)及具有由含有Al的氮化物半導(dǎo)體或含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的壁壘層。此外，特別是，關(guān)于活性層的波長，較佳使用具有在375nm以下發(fā)光的短波長，明確而言，上述井層的帶隙能量具有375nm或更短的波長。據(jù)此，用于活性層的氮化物半導(dǎo)體可為非摻雜、n型雜質(zhì)摻雜或p型雜質(zhì)摻雜。較佳的是，通過設(shè)置非摻雜或未摻雜、或n型摻雜的氮化物半導(dǎo)體，可在氮化物半導(dǎo)體元件如激光元件與發(fā)光元件內(nèi)實(shí)現(xiàn)高輸出。較佳的是，通過容許井層被未摻雜及壁壘層被n型雜質(zhì)摻雜，可得該元件，使激光元件與發(fā)光元件具有高輸出及發(fā)光效率高。此處，量子井結(jié)構(gòu)可為多重量子井結(jié)構(gòu)或單一量子井結(jié)構(gòu)。較佳的是，多重量子井結(jié)構(gòu)使其可改良輸出并減少振蕩閾值。關(guān)于活性層的量子井結(jié)構(gòu)，可使用至少一層上述井層與至少一層上述壁壘層被層壓的結(jié)構(gòu)。據(jù)此，在量子井結(jié)構(gòu)的情況下，不低于1而不大于4的井層數(shù)目可減少發(fā)光元件內(nèi)閾值電流。更佳的是，具有井層數(shù)是2或3的多重量子井結(jié)構(gòu)易于提供高輸出激光元件及發(fā)光元件。
(井層)較佳的是，含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體用作本發(fā)明的井層及由含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體型成的至少一層井層被隱藏于活性層內(nèi)。在多重量子井結(jié)構(gòu)中，較佳的是，通過設(shè)置所有含有上述氮化物半導(dǎo)體井層的井層，容許較短的波長而可得高輸出發(fā)光元件與激光元件。當(dāng)發(fā)光光譜具有接近單一尖峰時，此構(gòu)造較佳，另一方面，在具有多個尖峰的多色發(fā)光元件中，通過設(shè)置至少一層含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體的井層，可得較短波長的發(fā)光尖峰，而可得各種發(fā)光顏色的的發(fā)光元件，或與在較短波長激發(fā)的螢光物質(zhì)組成的發(fā)光設(shè)備。據(jù)此，在多色發(fā)光元件的情況下，通過使用InαGa1-αN(0＜α≤1)作為特定組成物，可得在自紫外線至可見區(qū)域的范圍下可較佳的發(fā)光及振蕩的井層。據(jù)此，發(fā)光波長可由In混合晶比決定。
本發(fā)明含有Al的氮化物半導(dǎo)體的井層可提供一種先前InGaN井層難以達(dá)到的波長范圍，明確而言，對應(yīng)于GaN的帶隙能量的約365nm的波長，或更短波長。一種特殊井層具有帶隙能量，通過其可在375nm或更短的波長下發(fā)光及振蕩。在先前InGaN的井層中，在對應(yīng)于GaN的帶隙能量的約365nm的波長下，例如，在370nm下，必須調(diào)整In比例約1％或更小，當(dāng)In比例變成如此極小時，發(fā)光效率會降低，因此，很難獲得具有充分輸出的發(fā)光元件與激光元件。此外，當(dāng)In比例為1％或更小時，很難控制該生長。在本發(fā)明中，通過較佳使用含有GaN或Al的氮化物半導(dǎo)體的井層，Al比例會增加以增加在先前很難有效發(fā)光的375nm的波長區(qū)域內(nèi)帶隙能量，其可用于較短波長的激光元件內(nèi)。
此處，用于井層內(nèi)含有Al的氮化物半導(dǎo)體的特定組成物為由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y≤1，x+y＜1)表示的組成物，較佳的組成物為AlxGa1-xN(0≤x≤1)。包括上述井層為GaN情況的本發(fā)明較佳井層的組成物為使用由AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的氮化物半導(dǎo)體。在用于生長氮化物半導(dǎo)體的氣相生長法如MOCVD等中，當(dāng)構(gòu)成元件的數(shù)目變成較大時，反應(yīng)易于在構(gòu)件間造成。因此，雖然五元或以上混合晶體的復(fù)數(shù)化通過使用B、P、As、Sb等如上所敘述，較佳為通過使用AlInGaN的四元混合晶體成為可能，可防止所述元素間的反應(yīng)以生長具有較佳晶體特性的晶體。此外，在上述組成物AlxInyGa1-x-yN的四元混合晶體中，因?yàn)橛蠥l與In間的反應(yīng)在生長時變成晶體特性惡化的問題傾向，所以較佳的是，通過使用AlxGa1-xN，其變成可能以形成具有進(jìn)一步較佳晶體特性的井層。在所述含有Al的氮化物半導(dǎo)體中，通過增加Al混合晶比，可得一種元件，其可在上述較短波長區(qū)域(λ≤375nm)下發(fā)光及振蕩。此處，Al比例x不受特殊限制，但對應(yīng)于所需帶隙能量的波長可通過改變Al比例獲得。
在一較佳實(shí)施例中，本發(fā)明量子井結(jié)構(gòu)的活性層具有一對或多對包含上述二元或三元混合晶體AlxGa1-xN(0≤x≤1)的井層及包含四元混合晶體AluInvGa1-u-vN(0＜u＜1，0＜v＜1，u+v＜1)或三元混合晶體AluGa1-uN(0＜u＜1)的壁壘層。
明確而言，如圖12A、12B及圖14A、14B中活性層12所示，活性層具有1或以上AlGaN井層1及1或以上InAlGaN或AlGaN壁壘層2。這樣，可得內(nèi)部量子效率與發(fā)光效率優(yōu)異的井層。此外，通過含有Al的氮化物半導(dǎo)體調(diào)整Al比例，如圖12A所示，可得井層，其可在375nm或更短的較短波長區(qū)域下發(fā)光。此外，通過采用InAlGaN或AlGaN于具有較井層1更大帶隙能量的壁壘層2內(nèi)，可提供亦在上述較短波長區(qū)域優(yōu)異的壁壘層。
(活性層與鄰接層)在本發(fā)明的實(shí)施例2中，在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層在活性層二側(cè)上被層壓的結(jié)構(gòu)中，特別是以下說明在靠近活性層配置的層，明確而言，鄰接并接觸活性層的層與活性層之間的關(guān)系。
先前提出的激光元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中帶隙能量在活性層二側(cè)上的導(dǎo)光層26、29以及在其二外側(cè)上的包覆層25、30以此順序變成較大，如圖13A與13B所示，而圖2A的層壓結(jié)構(gòu)中Al混合晶比的改變顯示于圖16。例如，在圖16中具有410nm的波長的AlGaN/InGaN系列氮化物半導(dǎo)體激光元件中，通過采用導(dǎo)光層26、29的Al比例為0作為開端并用具有較其更小帶隙能量的活性層內(nèi)In混合晶比取代，可得先前元件的帶隙結(jié)構(gòu)。此外，在紫外線區(qū)域內(nèi)較短波長下先前AlGaN系列半導(dǎo)體激光元件中，如圖16所示，提出一種結(jié)構(gòu)，其中Al混合晶比在活性層外側(cè)的導(dǎo)光層26、39及另一外部包覆層內(nèi)以此順序增加，這樣，帶隙能量自活性層朝向外側(cè)增加，如圖13A與13B所示。此外，在紫外線區(qū)域內(nèi)發(fā)光先前AlGaN系列半導(dǎo)體發(fā)光元件中，提出一種元件，其中省略上述激光元件內(nèi)包覆層或?qū)Ч鈱?。明確而言，提出一種結(jié)構(gòu)，其中圖16所示的導(dǎo)光層26、29與包覆層25、30被用作載流子限制層，即，Al比例大于發(fā)光層(活性層27)的Al比例，因此，形成具有大帶隙能量的層。然而，在Al混合晶比朝向活性層外側(cè)連續(xù)增加時，由晶體特性的惡化，特別是裂痕的發(fā)生而引起嚴(yán)重的問題。
在本發(fā)明中，如圖2A所示，通過采用一種結(jié)構(gòu)，其中夾住活性層27的導(dǎo)光層26、29具有較活性層內(nèi)壁壘層2更小的帶隙能量以及Al混合比例亦小，可適當(dāng)?shù)匾种粕鲜鱿惹敖Y(jié)構(gòu)的裂痕發(fā)生，而可得一種結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)振蕩在室溫下成為可能。明確而言，第一氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置余地一導(dǎo)電型層內(nèi)，第一氮化物半導(dǎo)體層的帶隙能量小于活性層內(nèi)壁壘層的帶隙能量，即，在AlGaN系列活性層中，使小于壁壘層的第一氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)Al混合晶比變小。據(jù)此，井層與第一氮化物半導(dǎo)體層之間的關(guān)系為，在活性層內(nèi)井層中，第一氮化物半導(dǎo)體層的帶隙能量做成大于發(fā)光再結(jié)合的井層的帶隙能量。此外，此關(guān)系亦可應(yīng)用至第二導(dǎo)電型層。明確而言，第二導(dǎo)電半導(dǎo)體層內(nèi)第二氮化物半導(dǎo)體層的帶隙能量作成小于活性層內(nèi)壁壘層的帶隙能量。通過使用具有較壁壘層更小Al混合晶比的第一氮化物半導(dǎo)體層(第二氮化物半導(dǎo)體層)并配置氮化物半導(dǎo)體層較佳鄰接至活性層，可實(shí)現(xiàn)具有較佳載流子限制及較佳晶體特性的活性層。又，通過使用所述層作為導(dǎo)光層，可形成適于較短波長的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此將詳細(xì)敘述如下。
如圖2A與12A所示，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中活性層12設(shè)置在第一導(dǎo)電型層11與第二導(dǎo)電型層13之間。關(guān)于特定層壓體結(jié)構(gòu)，如圖所示，元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中作為第一導(dǎo)電型層11，接觸層23、下包覆層25即下導(dǎo)光層26被連續(xù)層壓，而在其上方有一活性層27，在活性層上方，作為第二導(dǎo)電型層13，載流子限制層28、上導(dǎo)光層29、上包覆層30及接觸層24被連續(xù)層壓。此處，載流子限制層、導(dǎo)光層、包覆層及接觸層的交互鄰接層不限于圖所示接觸的情況，但其可通過設(shè)置另一層在各個層之間而隔離。
此處，圖2A為顯示本發(fā)明具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的元件的層壓結(jié)構(gòu)的截面圖，圖12A與12B顯示活性層與靠近活性層配置可夾住活性層的層的層壓結(jié)構(gòu)40，及對應(yīng)于層壓結(jié)構(gòu)40的偏壓狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)41，特別是，第一導(dǎo)電型層11在n型層側(cè)上，而第二導(dǎo)電型層13在p型層側(cè)上的情況。圖13A、13B與圖14A、14B的能帶結(jié)構(gòu)41與圖12B的能帶結(jié)構(gòu)相同。在途中，白色圓圈表示空穴，黑色圓圈表示電子，箭頭表示各載流子的移動，實(shí)線表示傳導(dǎo)帶Ec及價電子帶Ev，及虛線表示偽費(fèi)米能級Ef。由圖12B可知，具有比夾住井層1的壁壘層2a、2b更小帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層26與第二氮化物半導(dǎo)體層29被夾住活性層配置，而其用作上、下導(dǎo)光層。
此處，載流子限制層28靠近，較佳為鄰接活性層設(shè)置在第二氮化物半導(dǎo)體層29與活性層27之間于第二導(dǎo)電型層(P型層側(cè))內(nèi)。即，空穴通過活性層內(nèi)壁壘層2a限制于井層內(nèi)，電子通過鄰接壁壘層2b及/或活性層27的載流子限制層28限制。在顯示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的圖13A與13B中，限制載流子的旁支(offset)設(shè)置在第一導(dǎo)電型層內(nèi)的層26及活性層27與壁壘層2a之間。具有較活性層27或壁壘層2a更大帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體層或?qū)Ч鈱?6鄰接活性層設(shè)置，并用以限制載流子。然而，在鄰接活性層27及壁壘層2a的氮化物半導(dǎo)體層26中，并無載流子限制于活性層內(nèi)的結(jié)構(gòu)。載流子通過配置在大部分第一導(dǎo)電型層側(cè)上的第一壁壘層2a限制于井層1a內(nèi)。
以下說明井層、壁壘層與第一氮化物半導(dǎo)體層(第二氮化物半導(dǎo)體層)間的關(guān)系。如上所敘述，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電型層、活性層及第二導(dǎo)電型層被層壓。此處，說明一種情況，其中第一導(dǎo)電型層為具有n型氮化物半導(dǎo)體的n型層而第二導(dǎo)電型層為具有p型氮化物半導(dǎo)體的p型層。如上所敘述，說明一種情況，其中在供量子井結(jié)構(gòu)的活性層內(nèi)，最靠近n型層側(cè)配置的n側(cè)壁壘層為第一壁壘側(cè)，另一方面，最靠近p型層側(cè)配置的p側(cè)壁壘層則為第二壁壘側(cè)。此處，在本發(fā)明中，在與設(shè)置于第一導(dǎo)電型層(n型層)，較佳為靠近n側(cè)壁壘層內(nèi)的第一氮化物半導(dǎo)體層的關(guān)系中，第一氮化物半導(dǎo)體層具有較第一壁壘層更大的帶隙能量。因此，活性層至少具有第一壁壘層與井層。據(jù)此，第一壁壘層必須設(shè)置在n型層側(cè)而非井層上。因此，在本發(fā)明中，活性層至少具有一井層，第一壁壘層設(shè)置在n型層側(cè)而非井層上。較佳的是，提供設(shè)置在p型層側(cè)而非井層上的第二壁壘層(p側(cè)壁壘層)，提供該井層由至少第一壁壘層與第二壁壘層夾住的結(jié)構(gòu)。其理由如下因?yàn)樘峁A住井層于其間的第一壁壘層與第二壁壘層為分別最靠近n型層與p型層設(shè)置的壁壘層，所以其具有不同功能。
第一壁壘層為最靠近活性層內(nèi)n型層配置的壁壘層。更佳的是，第一壁壘層設(shè)置在最外側(cè)及最靠近活性層內(nèi)n型層上，亦更佳的是，它與n型層及第一氮化物半導(dǎo)體層接觸設(shè)置。其理由如下因?yàn)榈谝槐趬緦油ㄟ^由井層隔開n型層設(shè)置，例如，在圖13B所示的形式中，載流子注入到井層內(nèi)在n型層側(cè)上多于在第一壁壘層2a上，而載流子在n型層側(cè)上產(chǎn)生溢流，另一方面，當(dāng)n型層側(cè)上的溢流由厚的第一壁壘層阻止時，載流子不會注入到井層內(nèi)在更多n型層側(cè)上，井層的功能如發(fā)光再結(jié)合會惡化。反之，第一壁壘層用作限制井層內(nèi)載流子在由第一壁壘層與p型層夾住的活性層內(nèi)的壁壘層，而第二壁壘層類似地用作限制載流子進(jìn)入第二壁壘層與n型層之間的井層內(nèi)，而由井層夾住的壁壘層，例如，圖14A與14B中壁壘層2c、2d具有分散與限制載流子進(jìn)入各井層內(nèi)的功能，因此，第一壁壘層與第二壁壘層以及井層之間的壁壘層具有不同功能。因此，未了達(dá)到第一壁壘層功能的最大用途，其可通過配置第一壁壘層與第二壁壘層在活性層最外側(cè)上而適當(dāng)?shù)叵拗戚d流子進(jìn)入井層內(nèi)。
此外，關(guān)于第二壁壘層(第二p側(cè)壁壘層)，代替提供此第二壁壘層(第二p側(cè)壁壘層)，通過提供后述載流子限制在活性層外側(cè)，較佳接觸活性層，在第二導(dǎo)電型層(p型層)中，載流子可限制于活性層的井層內(nèi)。較佳的是，除了此活性層內(nèi)載流子限制層28以外，通過設(shè)置第二壁壘層，可改良電子較空穴易于擴(kuò)散的本質(zhì)以及氮半導(dǎo)體內(nèi)載流子擴(kuò)散長度的傾向，因此，可得一種結(jié)構(gòu)，其中載流子可適當(dāng)?shù)叵拗撇⒆⑷牖钚詫觾?nèi)，特別是井層內(nèi)。此處，如同第一壁壘層，第二壁壘層配置在p型層(第二導(dǎo)電型層)而非井層上，更佳的是，最靠近p型層配置，最佳的是，配置在活性層內(nèi)最外側(cè)及p型層側(cè)上，這樣，可適當(dāng)?shù)刈⑷胼d流子。另外，關(guān)于載流子限制層，第二壁壘層可隔開載流子限制層配置。然而，通過形成第二壁壘層接觸p型層內(nèi)載流子限制層28，載流子限制層內(nèi)載流子通過第二壁壘層的補(bǔ)充限制以及注入到井層內(nèi)成為可能。
此外，亦可設(shè)置在活性層內(nèi)的壁壘層中除了最外壁壘層以外的壁壘層，其較活性層內(nèi)井層更靠近第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層配置如同上述第一壁壘層與第二壁壘層，使壁壘層2c由井層1a及井層2b所夾住，而壁壘層2d由井層1b及井層1c夾住，例如，如圖14A與14B所示。特別是，在多重量子井結(jié)構(gòu)中，通過使用該由井層所夾住的壁壘層，載流子被適當(dāng)?shù)胤稚?、注入以及限制于多層井層?nèi)各井層內(nèi)。即，其具有不同于上述第一壁壘層2a與第二壁壘層2b的功能。即使當(dāng)厚度小于第一壁壘層或第二壁壘層的厚度時，可得該量子井結(jié)構(gòu)，使由井層夾住的壁壘層的功能不會惡化，及可抑制整個活性層的厚度并可抑制Vf的增加。此外，通過使用由井層夾住的壁壘層2c來代替第一壁壘層2a與第二壁壘層2b，如圖14A所示，自各導(dǎo)電型層注入的載流子通過此具有大壁壘干擾井層的壁壘層2c直接并適當(dāng)?shù)叵拗撇⒆⑷豚徑拥木畬觾?nèi)。此外，通過使用由井層夾住的壁壘層2c、2d來代替第一壁壘層2a與第二壁壘層2b，如圖14B所示，由位于所述壁壘層內(nèi)部的壁壘層限制的功能會減弱，位于其外側(cè)的第一壁壘層2a與第二壁壘層2b會較所述壁壘層強(qiáng)化。這樣，即使當(dāng)井層的數(shù)目增加時，外壁壘層形成大壁壘，種結(jié)構(gòu)，其中可適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)各井層內(nèi)載流子的注入與限制。
如上所敘述，因?yàn)榈谝槐趬緦?a與第二壁壘層2c，其為外部壁壘層，具有不同于該等由井層夾住的內(nèi)部壁壘層的功能，所以厚度、帶隙能量及組成物可在內(nèi)部壁壘層與外部壁壘層之間改變，因此，可得具有所需元件特性的元件。此外，在具有多層內(nèi)部壁壘層的活性層中，如圖14B所示，組成物、帶隙能量及厚度可在各個內(nèi)部壁壘層之間改變。另外，組成物、帶隙能量及厚度可在各個內(nèi)部壁壘層之間大約相同。較佳的是，通過采用大約相同的組成物、帶隙能量及厚度，大約均勻的功能提供至內(nèi)部壁壘層，因此，載流子可適當(dāng)?shù)刈⑷敫鱾€井層內(nèi)。
此外，如上所敘述，對于上述理由，較佳的是，關(guān)于各個壁壘層用雜質(zhì)的摻雜，位于大部分n型層側(cè)上的第一壁壘層2b用n雜質(zhì)摻雜。較佳的是，配置在大部分p型層側(cè)上的第二障比層實(shí)質(zhì)上不用n型雜質(zhì)摻雜，明確而言，在雜質(zhì)濃度為5×1016/cm3下?lián)诫s而非用n型雜質(zhì)摻雜。其理由如下用于氮化物半導(dǎo)體的N型雜質(zhì)在許多情況下具有高擴(kuò)散性。例如，有常用Mg與Zn被廣泛地擴(kuò)散于層壓的結(jié)構(gòu)內(nèi)的傾向。當(dāng)p型雜質(zhì)摻雜于壁壘層內(nèi)時，擴(kuò)散入鄰接井層會發(fā)生，而有抑制載流子于井層內(nèi)的發(fā)光再結(jié)合的傾向。此外，通過使靠近p型層側(cè)的第二壁壘層未摻雜，雜質(zhì)自p型側(cè)的擴(kuò)散終止于壁壘層內(nèi)，而防止雜質(zhì)于井層內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)散。特別是，當(dāng)載流子限制層28隱藏于p型層內(nèi)并配置于第二壁壘層附近，較佳為接觸第二壁壘層時，因?yàn)橛休d流子限制層變成相當(dāng)高阻力層的傾向，所以p型雜質(zhì)易于在高濃度下?lián)诫s，因此，此雜質(zhì)擴(kuò)散變成問題。然而，使第二壁壘層未摻雜，可防止井層的功能由于擴(kuò)散而惡化。此外，因?yàn)橛衟-n接點(diǎn)形成于載流子限制層附近的傾向，且如圖12B與14A等所示，載流子限制層在最大Al混合晶比下形成于元件結(jié)構(gòu)內(nèi)，大壓電現(xiàn)象由具有高Al混合晶比的氮化物半導(dǎo)體施加，其易于在井層上具有不利影響。然而，通過形成具有較再體限制層更小Al混合晶比的第二壁壘層，有可抑制井層上不利影響的傾向。
此外，當(dāng)?shù)谝槐趬緦泳哂休^第二壁壘層更大厚度比較于第一壁壘層與第二壁壘層時，通過設(shè)置載流子限制層28于第二導(dǎo)電型層內(nèi)，通過第二壁壘層限制載流子于活性層的功能會減少，即，壁壘層如同上述內(nèi)部壁壘層般作業(yè)?？傻靡婪N結(jié)構(gòu)，其中載流子主要于活性層內(nèi)的限制通過載流子限制層28實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榭蓽p少整個活性層的厚度，所以可減少Vf。此外，在氮化物半導(dǎo)體中，因?yàn)榭昭ǖ臄U(kuò)散長度小于電子的擴(kuò)散長度，當(dāng)作為空穴入口的第一壁壘層的厚度小時，載流子可有效地注入井層內(nèi)。另一方面，當(dāng)設(shè)置用p型雜質(zhì)摻雜的載流子限制層28時，或當(dāng)靠近活性層，較佳為接觸活性層配置的第二氮化物半導(dǎo)體層29具有較第一壁壘層更大帶隙能量時，具有高Al混合晶比的層鄰接活性層設(shè)置。因此，因?yàn)榫哂懈逜l混合晶比的層為高阻力，所以在元件操作期間此層產(chǎn)生高熱，當(dāng)其靠近井層時，熱對井層的不利影響會發(fā)生，其易于降低元件特性。此外，在該具有高Al混合晶比的層與活性層之間的界面，或在具有高Al混合晶比的層的活性層側(cè)上的界面，或在其附近，當(dāng)形成p-n接點(diǎn)及設(shè)置活性層的井層在其附近時，如圖12B、14A及14B所示，有偏壓會對井層內(nèi)發(fā)光再結(jié)合具有不利影響。即，較佳的是，使第一壁壘層作為隔離井層與具有高Al混合晶比的層的隔離片，使得上述具有高Al混合晶比的層對井層無不利影響。在此情況下，當(dāng)?shù)谝槐趬緦拥奶囟ê穸戎辽贋?0或以上時，可顯示上述作為隔離片的功能。當(dāng)厚度為40?；蛞陨蠒r，可得對井層具有抑制影響的活性層。
關(guān)于本發(fā)明第一導(dǎo)光層26與第二導(dǎo)光層29，可述及含有Al的氮化物半導(dǎo)體。此外，如圖12B與圖14A、14B內(nèi)能帶結(jié)構(gòu)41所示，導(dǎo)光層被做成具有至少較量子井結(jié)構(gòu)內(nèi)活性層27的井層更大帶隙能量，并使活性層27與導(dǎo)光層26、29間的折射率的差異變成小，這樣，可得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此外，如圖12B與圖14A、14B所示，導(dǎo)光層可具有較壁壘層更小的帶隙能量。此外，如圖13A、13B所示，導(dǎo)光層的一部分可具有較壁壘層更小的帶隙能量。在此情況下，除了第一壁壘層以外，導(dǎo)光層或其一部分可具有較壁壘層更大的帶隙能量。此外，如圖14A、14B所示，導(dǎo)光層可具有較內(nèi)部壁壘層，即，一部分活性層內(nèi)壁壘層更大的帶隙能量。
即，較佳的是，當(dāng)導(dǎo)光層具有較第一壁壘層更小的帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體，更佳的是，導(dǎo)光層包含第一氮化物半導(dǎo)體，或整個導(dǎo)光層具有較具有除了第一氮化物半導(dǎo)體以外的層的多層膜導(dǎo)光層內(nèi)第一壁壘層更小帶隙能量時，可適當(dāng)?shù)仫@示上述第一壁壘層的載流子限制層的功能。此外，當(dāng)形成具有低Al混合晶比的導(dǎo)光層時，例如，通過此形成滴導(dǎo)光層時，可形成活性層而抑制由于含有Al的氮化物半導(dǎo)體晶體特性的惡化，因此，可得發(fā)光元件與激光元件優(yōu)異的元件。如同在第一氮化物半導(dǎo)體層情況下導(dǎo)光層于第一導(dǎo)電型層內(nèi)的設(shè)置，在導(dǎo)光層設(shè)置于第二導(dǎo)電型層內(nèi)的情況下，如上所敘述，可設(shè)置具有較第二壁壘層更小帶隙能量的第二氮化物半導(dǎo)體層。運(yùn)用如第一氮化物半導(dǎo)體層相同的功效。
此外，在第二氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置于上導(dǎo)光層的情況下，關(guān)于導(dǎo)光層的組成物，明確而言，使用InαAlβGa1-α-βN(0≤α，0＜β，α+β≤1)。較佳的是，通過使用不含In的氮化物半導(dǎo)體，即，通過使用具有In比例為0的氮化物半導(dǎo)體，可防止由于In的加入光的吸收，因此，可得可降低光損耗的波導(dǎo)。此外，通過較佳使用AlβGa1-βN(0≤β≤1)，可得一種波導(dǎo)，其可應(yīng)用至自紫外線區(qū)至紅色區(qū)的寬波長區(qū)。特別是，為了導(dǎo)引在380nm或更短的較短波長區(qū)內(nèi)的光線，如上所敘述，較佳使用AlβGa1-βN(0＜β≤1)，因?yàn)樵贕aN中，上述較短波長區(qū)光線被吸收，導(dǎo)致?lián)p耗，而惡化閾值電流密度及電流-光輸出特性。特別是，較佳為調(diào)整導(dǎo)光層內(nèi)Al比例β，使導(dǎo)光層的帶隙能量Eg大于活性層的發(fā)光的光子能量Ep為0.05eV或大于(Eg-Ep≥0.05eV)。這樣，可得一種波導(dǎo)，其中可抑制上述較短波常區(qū)內(nèi)由于導(dǎo)光層光線的損耗。更佳的是，通過采用Eg-Ep≥0.1，形成更優(yōu)異波導(dǎo)。
在第一氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置于導(dǎo)光層內(nèi)的情況下，導(dǎo)光層可具有超晶格結(jié)構(gòu)或由單一膜所形成。比較于超晶格結(jié)構(gòu)，單一膜的形成可便利載流子電流的流動并減少Vf。在單一膜的厚度厚至至少量子效應(yīng)不會發(fā)生的情況下，較佳為較第一壁壘層更厚(在第二氮化物半導(dǎo)體層的情況下第二壁壘層)，更佳為300或以上。
另一方面，在導(dǎo)光層具有超晶格的情況下，所有構(gòu)成超晶格的層較佳可包含Al，或其較佳為構(gòu)成超晶格的層中至少一層較佳可包含Al且其帶隙能量小于活性層最外壁壘層的帶隙能量及大于活性層的內(nèi)壁壘層的帶隙能量。此可充分地便利載流子限制于活性層內(nèi)。
第一傳導(dǎo)型層與第一壁壘層之間的界面較佳被晶格不匹配。明確而言，當(dāng)?shù)谝槐趬緦佑葾luInvGa1-u-vN(0＜u＜1，0＜v＜1，u+v＜1)形成時，第一氮化物半導(dǎo)體層可由AlxGa1-xN(0≤x＜1)形成。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電型層由欲與第一壁壘層晶格不匹配的氮化物半導(dǎo)體的四元混合晶體形成時，希望層包含In而含有In的氮化物半導(dǎo)體的四元混合晶體很難形成例如300或以上的厚度。因此，第一導(dǎo)電型層較佳由不含In的AlGaN形成，其具有晶格不匹配特性。
(實(shí)施例3)以下說明本發(fā)明的第三實(shí)施例，說明元件結(jié)構(gòu)的特定實(shí)施方式。
(實(shí)施例3-1)活性層(AlGaN壁壘層/GaN井層/AlGaN壁壘層)SCH結(jié)構(gòu)p-GaN接觸層p-Al0.1Ga0.9N/Al0.05Ga0.95N超晶格包覆層(上包覆層30)p-Al0.04Ga0.96N導(dǎo)引層(上導(dǎo)引層29)p-Al0.3Ga0.7N(載流子限制層28)活性層(Al0.15Ga0.85N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15Ga0.85N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-Al0.04Ga0.96N導(dǎo)引層(下導(dǎo)引層26)n-Al0.1Ga0.9N/Al0.05Ga0.95N超晶格包覆層(下包覆層25)n-InGaN裂痕防止層n-Al0.02-0.03GaN(Si摻雜載流子濃度2×1018cm-3)襯底(缺陷密度5×105/cm3通過HVPE法在ELOG襯底上的晶體生長GaN獲得的襯底)(實(shí)施例3-2)活性層(AlInGaN壁壘層/GaN井層/AlInGaN壁壘層)SCH結(jié)構(gòu)活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))(實(shí)施例3-3)
活性層(AlGaN壁壘層/AlGaN井層/AlGaN壁壘層)SCH結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
活性層(Al0.20Ga0.80N壁壘層(第一壁壘層)(100)/Al0.05Ga0.95N井層(100)/Al0.20Ga0.80N壁壘層(第二壁壘層)(45))(實(shí)施例3-4)活性層(AlInGaN壁壘層/AlGaN井層/AlInGaN壁壘層)SCH結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))(實(shí)施例3-5)活性層(AlGaN壁壘層/GaN井層/AlGaN壁壘層)GRIN結(jié)構(gòu)p-GaN接觸層未使用導(dǎo)光層，包覆層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格包覆層(上包覆層30)n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN超晶格包覆層(下包覆層25)(實(shí)施例3-6)活性層(AlInGaN壁壘層/GaN井層/AlInGaN壁壘層)GRIN結(jié)構(gòu)未使用導(dǎo)光層，包覆層及活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格包覆層(上包覆層30)活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(45)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN超晶格包覆層(下包覆層25)(實(shí)施例3-7)活性層(AlGaN壁壘層/AlGaN井層/AlGaN壁壘層)GRIN結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)未使用導(dǎo)光層，包覆層及活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格包覆層(上包覆層30)活性層(Al0.20Ga0.80N壁壘層(第一壁壘層)(100)/Al0.05Ga0.95N井層(100)/Al0.20Ga0.80N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlcGa1-cN/AldGa1-dN超晶格包覆層(下包覆層25)(實(shí)施例3-8)活性層(AlInGaN壁壘層/AlGaN井層/AlInGaN壁壘層)GRIN結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)未使用導(dǎo)光層，包覆層及活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AleGa1-eN梯次比例包覆層(上包覆層30)活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlfGa1-fN梯次比例包覆層(下包覆層25)(實(shí)施例3-9)活性層(AlGaN壁壘層/GaN井層/AlGaN壁壘層)GRIN-SCH結(jié)構(gòu)導(dǎo)光層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlgGa1-gN梯次比例導(dǎo)引層(上導(dǎo)引層29)活性層(Al0.15Ga0.85N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15Ga0.85N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlhGai-hN梯次比例導(dǎo)引層(下導(dǎo)引層26)(實(shí)施例3-10)活性層(AlInGaN壁壘層/GaN井層/AlInGaN壁壘層)GRIN-SCH結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)包覆層與活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlgGa1-gN梯次比例導(dǎo)引層(上導(dǎo)引層29)活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlhGai-hN梯次比例導(dǎo)引層(下導(dǎo)引層26)(實(shí)施例3-11)活性層(AlGaN壁壘層/AlGaN井層/AlGaN壁壘層)GRIN-SCH結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)包覆層與活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlgGa1-gN梯次比例導(dǎo)引層(上導(dǎo)引層29)活性層(Al0.20Ga0.80N壁壘層(第一壁壘層)(100)/Al0.05Ga0.95N井層(100)/Al0.20Ga0.80N壁壘層(第二壁壘層)(45))n-AlhGa1-hN梯次比例導(dǎo)引層(下導(dǎo)引層26)(實(shí)施例3-12)活性層(AlInGaN壁壘層/AlGaN井層/AlInGaN壁壘層)GRIN-SCH結(jié)構(gòu)(振蕩波長360nm)包覆層與活性層顯示如下，其他具有如實(shí)施例3-1相同的結(jié)構(gòu)。
p-AlgGa1-gN梯次比例導(dǎo)引層(上導(dǎo)引層29)活性層(Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第一壁壘層)(100)/GaN井層(100)/Al0.15In0.03Ga0.82N壁壘層(第二壁壘層)(45))p-AlgGa1-gN梯次比例導(dǎo)引層(下導(dǎo)引層26)以下分別說明上述實(shí)施例3-1～3-12的特性。
實(shí)施例3-1具有一種超晶格結(jié)構(gòu)，其中活性層通過上、下包覆層夾住，上導(dǎo)光層與下導(dǎo)光層設(shè)置在各個包覆層與活性層之間，包覆層的一被改良摻雜，各個導(dǎo)光層具有較第一壁壘層或第二壁壘層更小的帶隙能量并具有較小的Al混合晶比，壁壘層由AlGaN三元混合晶體所形成。
實(shí)施例3-2與實(shí)施例3-1的不同點(diǎn)在于第一壁壘層與第二壁壘層由AlInGaN四元混合晶體所形成。
實(shí)施例3-3與實(shí)施例3-1及3-2的不同點(diǎn)在于井層為AlGaN三元混合晶體。實(shí)施例3-4與實(shí)施例3-1，2及3的不同點(diǎn)在于井層為AlGaN三元混合晶體而壁壘層為AlInGaN四元混合晶體。
實(shí)施例3-5與實(shí)施例3-1，2，3及4的不同點(diǎn)在于上包覆層與下包覆層的一以改良摻雜方式摻雜以形成超晶格包覆層，使包覆層的一中Al比例A與C接近活性層時較小，活性層附近(具有離開活性層的距離為0.1μm或更小的區(qū)域)的帶隙能量Ec大于Ep為0.05eV或更大，另一方面，在此附近區(qū)內(nèi)，使得Al比例與帶隙能量比第一壁壘層與第二壁壘層的Al比例與帶隙能量更小。據(jù)此，Al比例為a＞b，c＞d。
實(shí)施例3-8與實(shí)施例3-1～7的不同點(diǎn)在于，在作為上包覆層與下包覆層的AlGaN層中，Al混合晶比e與f接近活性層時較小，活性層附近(具有離開活性層的距離為0.1μm或更小的區(qū)域)的帶隙能量Ec大于Ep為0.05eV或更大，另一方面，在此附近區(qū)內(nèi)，使得Al晶體比例與帶隙能量比第一壁壘層與第二壁壘層的Al晶體比例與帶隙能量更小。
實(shí)施例3-9與實(shí)施例3-1～8的不同點(diǎn)在于，導(dǎo)引層具有梯次比例結(jié)構(gòu)，使Al混合晶比g與h接近活性層時較小，一部分導(dǎo)引層具有比第一壁壘層與第二壁壘層的Al晶體比例與帶隙能量更小的Al晶體比例與帶隙能量。
關(guān)于實(shí)施方式，以下說明一種激光元件，其中氮化物半導(dǎo)體用于圖1所示的激光元件結(jié)構(gòu)及圖1所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此處，第一導(dǎo)電型層由n型氮化物半導(dǎo)體所形成而第二導(dǎo)電型層由p型氮化物半導(dǎo)體所形成。然而，本發(fā)明不限于此，反而第一導(dǎo)電型層可為p型而第二導(dǎo)電型層則可為n型。
GaN襯底用于此實(shí)施方式中。此外，不同于氮化物半導(dǎo)體的多相襯底可用作襯底。關(guān)于多相襯底，可使用眾所周知氮化物半導(dǎo)體可生長于其上的不同于氮化物半導(dǎo)體的襯底，如藍(lán)寶石、尖晶石(絕緣襯底如MgAl2O4)、SiC(包括6H，4H及3C)、ZnS、ZnO、GaAs及Si，可與氮化物半導(dǎo)體晶格相容而具有主平面為C面、R面與A面中任一平面的氧化物襯底。較佳的多相襯底為藍(lán)寶石及尖晶石。此外，多相襯底可為斜角。在此情況下，當(dāng)使用階梯狀斜角的多相襯底時，生長具有較佳晶體特性的包含氮化鎵的接地層。此外，當(dāng)使用多相襯底時，作為氮化物半導(dǎo)體單一襯底的元件襯底可通過在元件結(jié)構(gòu)形成前生長作為接地層的氮化物半導(dǎo)體并通過方法如磨擦法除去多相襯底而形成。此外，在元件結(jié)構(gòu)形成后，可除去多相襯底。除了GaN襯底以外，亦可使用氮化物半導(dǎo)體的襯底如AIN等。
在使用多相襯底的情況下，當(dāng)元件結(jié)構(gòu)通過由緩沖層(低溫生長層)及包含氮化物半導(dǎo)體的接地層(較佳為GaN)形成時，氮化物半導(dǎo)體生長較佳。此外，當(dāng)通過ELOG(外延側(cè)向附生)法生長的氮化物半導(dǎo)體用作設(shè)置在多相襯底上的接地層(生長襯底)時，可得具有較佳晶體特性的襯底。關(guān)于ELOG層的實(shí)施方式，由生長氮化物半導(dǎo)體層在多相襯底上并在氮化物半導(dǎo)體很難生長的上面設(shè)置保護(hù)膜的遮蔽區(qū)與生長氮化物半導(dǎo)體的非遮蔽區(qū)被條狀設(shè)置，氮化物半導(dǎo)體自非遮蔽區(qū)生長。這樣，除了厚度方向生長以外亦實(shí)施側(cè)向方向生長。這樣，氮化物半導(dǎo)體亦在遮蔽區(qū)上生長以得ELOG層的例。以其他形式，開口設(shè)置在多相襯底上生長的氮化物半導(dǎo)體內(nèi)，而側(cè)向方向生長自開口的側(cè)實(shí)施以得ELOG層的例。
(襯底101)在做為襯底的多相襯底上生長的氮化物半導(dǎo)體，此實(shí)施方式中為GaN，生長在厚度為100μm后，除去多相襯底，并使用含有GaN為80μm的氮化物半導(dǎo)體襯底。形成襯底的方法的細(xì)節(jié)如下具有C面作為主平面的包含2英寸Φ藍(lán)寶石的多相襯底放入MOVPE反應(yīng)器內(nèi)，溫度保持在500℃下，使用三甲鎵(TMG)與氨(NH3)以生長含有GaN的低溫生長緩沖層在厚度為200下，此后，上升溫度，未摻雜的GaN生長在厚度為1.5μm以得接地層。然后，多個條狀遮罩形成在接地層的表面上，氮化物半導(dǎo)體，GaN自遮罩開口(窗部)選擇性生長以形成由側(cè)向生長法(ELOG)的生長獲得的氮化物半導(dǎo)體層(側(cè)向生長層)，隨后，GaN通過HVPE法生長在厚度為100μm，以及除去多相襯底、緩沖層及接地層以得含有GaN的氮化物半導(dǎo)體襯底。
據(jù)此，遮罩在選擇性生長下包含SiO2。寬度為15μm及開口(窗部)寬度為5μm的遮罩可減少滲透重新配置。明確而言，在側(cè)向生長的區(qū)內(nèi)如遮罩的上部分，滲透重新配置會減少。在遮罩的開口，膜通過近似膜生長法獲得。因此，滲透重新配置方面無改變，導(dǎo)致一種層，其中具有大滲透重新配置密度的區(qū)與具有小密度的區(qū)被分布。對于形成厚氮化物半導(dǎo)體層，HVPE法由于大生長速率而較佳。通過使用GaN或AlN作為由HVPE法生長的半化物半導(dǎo)體，可生長具有較佳晶體特性的厚膜。當(dāng)GaN襯底由HVPE法形成時，有三維生長形式的傾向，其中隨著自產(chǎn)生的核生長的定域以后度方向生長，各個定域被組成以形成膜。在該情況下，因?yàn)闈B透重新配置用核生長傳輸，所以有由上述側(cè)向生長層分布的滲透重新配置被分散的傾向。
(緩沖層102)在溫度為1050℃下，使用TMG(三甲鎵)、TMA(三甲鋁)及氨以在氮化物半導(dǎo)體襯底上生長厚度為4μm包含Al0.05Ga0.95N的緩沖層102。此層可在AlGaN n側(cè)接觸層與含有GaN的氮化物半導(dǎo)體襯底之間作為緩沖層。
明確而言，當(dāng)由使用該層形成的側(cè)生長層或襯底為GaN時，可使用具有較GaN，AlaGa1-aN(0＜a≤1)更小熱膨脹系數(shù)的包含氮化物半導(dǎo)體的緩沖層102以減少凹坑。最好設(shè)置在GaN上，其為氮化物半導(dǎo)體的側(cè)生長層。此外，當(dāng)緩沖層102內(nèi)Al混合晶比a為0＜a＜0.3時，可形成具有較佳晶體特性的緩沖層。此緩沖層可形成為n側(cè)接觸層。在形成緩沖層102后，形成由上述緩沖層的組成等式表示的n側(cè)接觸層，因而使緩沖層102及其上的n側(cè)接觸層104具有緩沖效果。即，此緩沖層102設(shè)在使用側(cè)生長或形成其上的側(cè)生長層的氮化物半導(dǎo)體襯底與元件結(jié)構(gòu)之間，或元件結(jié)構(gòu)內(nèi)主動層與側(cè)生長層(襯底)或形成于其內(nèi)的側(cè)生長層(襯底)之間，更佳的是，設(shè)在元件結(jié)構(gòu)內(nèi)襯底側(cè)下包覆層與側(cè)生長層(襯底)至少一層之間，這樣，可減少凹坑而可改良元件特性。
另外，當(dāng)n側(cè)接觸層為緩沖層時，為了獲得與電極的較佳歐姆接觸，n側(cè)接觸層內(nèi)Al混合晶比a最好為0.1或更小。此第一氮化物半導(dǎo)體層或欲設(shè)在形成于其上的側(cè)生長層上的緩沖層可在不低于300℃而不高于900℃的低溫下，在不低于800℃而不高于1200℃的溫度下生長，如同欲設(shè)在上述多相襯底上的緩沖層一般。較佳的是，當(dāng)單晶體在不低于800℃而不高于1200℃的溫度下生長時，可得上述凹坑減少效果。此緩沖層可摻雜有n型或p型雜質(zhì)，或可未摻雜。為了獲得較佳晶體特性，此緩沖層最好未摻雜形成。當(dāng)設(shè)置2層或以上的緩沖層時，可改變n型或p型雜質(zhì)濃度及Al混合晶比。
然后，欲成為元件結(jié)構(gòu)的各個層層壓在包含氮化物半導(dǎo)體的接地層上。此處，設(shè)置n側(cè)接觸層110至n側(cè)導(dǎo)光層作為第一導(dǎo)電型層，而設(shè)置p側(cè)電子限制層108至p側(cè)接觸層111作為第二導(dǎo)電型層。
(n側(cè)接觸層103)然后，在所得緩沖層102上，使用TMG、TMA、氨及硅烷以在1050℃下，生長包含Si摻雜的Al0.05Ga0.95N的n側(cè)接觸層103在厚度為4μm。通過使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體，明確而言，AlxGa1-xN(0＜x≤1)于n側(cè)接觸層或接地層如緩沖層內(nèi)，有由于使用ELOG晶體特性惡化的傾向，特別是，可抑制凹坑的發(fā)生，因此，比較于不含Al的氮化物半導(dǎo)體如GaN，可設(shè)置較佳的接地層表面，這樣，較佳使用含有Al的氮化物半導(dǎo)體。
(裂痕防止層104)然后，使用TMG、TMI(三甲銦)及氨以在800℃下，生長包含In0.06Ga0.94N的裂痕防止層104在厚度為0.15μm。可省略裂痕防止層。
(n側(cè)包覆層105(下包覆層25))使用TMA、TMG及氨作為原料以在1050℃下，生長包含未摻雜Al0.14Ga0.86N的A層在厚度為25。隨后，停止TMA，硅烷氣體用作雜質(zhì)氣體以生長在5×1018/cm3下用Si摻雜含有GaN的B層在厚度為25。重復(fù)交替層壓A層與B層的程序120次以層壓A層與B層以生長包含多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))具有全部厚度為0.6μm的n側(cè)包覆層106。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))然后，在相同溫度下，使用TMG及氨作為原料氣體以交替地層壓包含厚度為25的Si摻雜GaN的A層與包含厚度為25的Al0.06Ga0.95N的B層(通過加入TMA作為原料氣體)30次，以生長包含超晶多層膜具有厚度為0.15μm的n側(cè)導(dǎo)光層106。
(活性層107)然后，如圖7所示，使用TMI(三甲銦)、TMG及TMA作為原料氣體以在800℃下，層壓包含Si摻雜的Al0.1Ga0.9N的壁壘層及包含未摻雜的In0.03Al0.02Ga0.95N的井層于其上，其順序?yàn)楸趬緦?a/井層1a/壁壘層2b/井層1b/壁壘層2c。據(jù)此，如圖7所示，壁壘層2a形成在厚度為200，而壁壘層2b、2c形成在厚度為40，及井層1a、1b形成在厚度為70?；钚詫?07具有全部厚度為約420的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(p側(cè)電子限制層108(載流子限制層28))然后，在相同溫度下，使用TMA、TMG及氨作為原料氣體以及Cp2Mg(環(huán)戊二烯鎂)作為雜質(zhì)氣體以生長包含Al0.3Ga0.7N在1×1019/cm3下用Mg摻雜的p側(cè)電子限制層108在厚度為10mm。此層不用設(shè)置。然而，通過由設(shè)置，此層用來限制電子并促進(jìn)閾值的減少。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))然后，在溫度為1050℃下，使用TMG及氨作為原料氣體以交替地層壓包含厚度為25的Mg摻雜GaN的A層與包含厚度為25的Al0.06Ga0.94N的B層(通過加入TMA作為原料)20次，以生長具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的p側(cè)導(dǎo)光層109。
因?yàn)榇藀側(cè)導(dǎo)光層109通過Mg自鄰接層如p側(cè)電子限制層108、p側(cè)包覆層109等的擴(kuò)散用Mg摻雜，即使形成未摻雜時，可使導(dǎo)引層109成為Mg摻雜的層。
(p側(cè)包覆層110(上包覆層30))隨后，在1050℃下，包含未摻雜Al0.14Ga0.86N的A層生長在厚度為25。隨后，使用Cp2Mg以生長包含Mg摻雜的Al0.14Ga0.86N的B層在厚度為25。重復(fù)交替層壓A層與B層的程序100次以層壓A層與B層以生長包含超晶格多層膜具有全部厚度為0.5μm的p側(cè)包覆層110。
(p側(cè)接觸層111)最后，在1050℃下，包含在1×1020/cm3下用Mg摻雜的p型GaN在p側(cè)包覆層110上生長在厚度為150。p側(cè)接觸層111可由p型InXAlYGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)，較佳的是，用p型雜質(zhì)摻雜的GaN或具有Al比例為0.3或更小的AlGaN所組成。這樣，可得與p電極120最佳的歐姆接觸，最佳的是，通過采用GaN，最佳歐姆接觸變成可能。因?yàn)榻佑|層111為其上形成有電極的層，所希望有1×1017/cm3或更大的高載流子濃度。當(dāng)濃度低于1×1017/cm3時，有其變成很難獲得與電極較佳歐姆接觸的傾向。此外，通過采用GaN作為接觸層的組成物，易于獲得與電極材料較佳的歐姆接觸。在反應(yīng)完成后，晶圓在700℃下氮氛圍內(nèi)反應(yīng)器中退火，以使p型層降低阻力。
在生長氮化物半導(dǎo)體以如上述層壓各個層后，自反應(yīng)器除去晶圓，包含SiO2的保護(hù)膜形成在最上面p側(cè)接觸層的表面上，其使用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)法以SiCl4氣體蝕刻，以暴露n側(cè)接觸層103的表面，欲形成n電極于其上，如圖1所示。因此，為了蝕刻氮化物半導(dǎo)體深，最好SiO2作為保護(hù)膜。
然后，關(guān)于上述條狀波導(dǎo)區(qū)，形成脊柱條。首先，包含氧化硅(主要為SiO2)的第一保護(hù)膜161使用PVD元件在最上面p側(cè)接觸層(上接觸層)的幾乎表面上形成厚度為0.5μm的膜之后，具有預(yù)定形狀的遮罩放置在第一保護(hù)膜上，其用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)設(shè)備使用CF4氣體實(shí)施光刻技術(shù)以得具有條寬為1.6μm的第一保護(hù)膜161。據(jù)此，脊柱條的高度(蝕刻深度)通過蝕刻一部分p側(cè)接觸層111、p側(cè)包覆層109及p側(cè)導(dǎo)光層110并蝕刻p側(cè)導(dǎo)光層109至0.1μm的厚度而形成。
然后，在脊柱條形成后，包含氧化鋯(主要為ZrO2)的第二保護(hù)膜162在由蝕刻暴露的第一保護(hù)膜161及p側(cè)導(dǎo)光層109上連續(xù)形成在0.5μm的厚度。
在第二保護(hù)膜162形成后，晶圓在600℃下熱處理。當(dāng)SiO2以外的材料如此形成為第二保護(hù)膜時，在第二保護(hù)膜形成后，通過在溫度不低于300℃，較佳為不低于400℃而不高于氮化物半導(dǎo)體的降解溫度(1200℃)下熱處理，第二保護(hù)膜變成很難在溶解第一保護(hù)膜的材料(鹽酸)內(nèi)溶解，因此，其更希望加入此步驟。
然后，晶圓浸泡于鹽酸內(nèi)以通過提升法除去第一保護(hù)膜161。此除去設(shè)置在p側(cè)接觸層111上的第一保護(hù)膜161以暴露p側(cè)接觸層。因此，如圖1所示，第二保護(hù)膜(嵌入層)162形成在脊柱條與連續(xù)平面(p側(cè)導(dǎo)光層109的暴露平面)上。
因此，在除去設(shè)置在p側(cè)接觸層112上的第一保護(hù)膜161后，如圖1所示，包含Ni/Au的p電極120形成在暴露的p側(cè)接觸層111的表面上。p電極120具有條寬為100μm并如圖1所示，形成在第二保護(hù)膜162上方。在第二保護(hù)膜162形成后，包含Ti/Al的條狀n電極121形成在與條帶平行的已暴露n側(cè)接觸層103的表面上。
然后，為了提供取樣電極在由蝕刻暴露的側(cè)上的p，n電極內(nèi)以形成n電極，遮蔽所需區(qū)，包含SiO2與TiO2的介電多層膜164設(shè)置于其上，而包含Ni-Ti-Au(1000-1000-8000)的取樣(圖樣)電極122、123分別設(shè)置在p，n電極上。據(jù)此，活性層107的寬度為200μm(垂直于共振器方向的方向?qū)挾?，而包含SiO2與TiO2的介電多層膜設(shè)置在共振器的表面(反射側(cè))上。因此，在形成n電極與p電極后，氮化物半導(dǎo)體的M平面(GaN的M平面，如(11-00))以垂直于條狀電極的方向分成桿狀，進(jìn)一步細(xì)分桿狀晶圓以得激光元件。據(jù)此，共振器的長度為650μm。
當(dāng)轉(zhuǎn)化成桿狀時，在由蝕刻端夾住的波導(dǎo)區(qū)內(nèi)進(jìn)行裂解，所得裂解平面可為共振器平面。此外，裂解亦可在波導(dǎo)區(qū)外側(cè)進(jìn)行，蝕刻端可為共振器平面?？尚纬梢粚哂幸黄矫孀鳛槲g刻端而另一平面作為裂解平面的共振器平面。此外，包含介電多層膜的反射膜設(shè)置在上述蝕刻端的共振器平面上。此外，反射膜亦可在裂解后設(shè)置在裂解表面的共振器平面上。據(jù)此，關(guān)于反射膜，使用至少一個選自SiO2、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgO及聚亞胺所組成的群。另外，亦可使用通過層壓在厚度為λ/4n(λ為波長，n為材料的折射率)獲得的多層膜，或僅可使用一層，或反射膜亦可作為防止共振器端暴露的表面保護(hù)膜。為了作為表面保護(hù)膜，形成膜在厚度為λ/2n。此外，蝕刻端未在元件加工步驟中形成，即，僅暴露n電極形成平面(n側(cè)接觸層)，而可得具有一對裂解平面作為共振器平面的激光元件。
又當(dāng)桿狀晶圓進(jìn)一步細(xì)分時，可使用氮化物半導(dǎo)體(單一襯底)的裂解平面。當(dāng)裂解成桿狀時垂直于裂解平面的氮化物半導(dǎo)體(GaN)可在由六角形系統(tǒng)近似的M面或A面({1010})，而可取出晶片。另外，當(dāng)裂解成桿狀時，可使用氮化物半導(dǎo)體的A面。
所得激光元件為氮化物半導(dǎo)體元件，其在室溫下，在370nm波長下連續(xù)振蕩。此外，n側(cè)或p側(cè)導(dǎo)光層由具有Al平均比例為0.03的AlGaN所組成，并形成波導(dǎo)，其中第一導(dǎo)光層及第二導(dǎo)光層的帶隙能量Eg與激光光的光子能量Ep(活性層的發(fā)光波長)間的差異，Eg-Ep，為0.05eV或更大。
除了活性層如下述形成于實(shí)施方式1以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得激光元件。
(活性層107)以壁壘層2a/井層1a/壁壘層2b/井層1b/壁壘層2c的順序?qū)訅喊琒i摻雜的In0.01Al0.1Ga0.89N的壁壘層及包含未摻雜的In0.03Al0.02Ga0.95N的井層于其上。據(jù)此，如圖7所示，壁壘層2a形成在厚度為200，而壁壘層2b、2c形成在厚度為40，及井層1a、1b形成在厚度為70?；钚詫?07具有全部厚度為約420的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
所得激光元件為氮化物半導(dǎo)體元件，其如實(shí)施方式1在室溫下，在370nm波長下連續(xù)振蕩。
除了活性層、導(dǎo)光層及包覆層如下述形成于實(shí)施方式1以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得激光元件。
(n側(cè)包覆層105(下包覆層25))重復(fù)交替層壓包含未摻雜Al0.3Ga0.7N的A層在厚度為25與包含在5×1018/cm3下用Si摻雜含有Al0.2Ga0.8N的B層在厚度為25的程序120次以層壓A層與B層以形成包含多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))具有全部厚度為0.6μm的n側(cè)包覆層106。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))交替地層壓包含厚度為25的Si摻雜Al0.1Ga0.9N的A層與包含厚度為25的Al0.03Ga0.1N的B層30次，以生長包含超晶多層膜具有厚度為0.15μm的n側(cè)導(dǎo)光層106。
(活性層107)以壁壘層2a/井層1a/壁壘層2b/井層1b/壁壘層2c的順序?qū)訅喊琒i摻雜的Al0.2Ga0.8N的壁壘層及包含未摻雜的In0.03Al0.02Ga0.95N的井層于其上。據(jù)此，如圖7所示，壁壘層2a形成在厚度為200，而壁壘層2b、2c形成在厚度為40，及井層1a、1b形成在厚度為70?；钚詫?07變成具有全部厚度為約420的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))交替地層壓包含厚度為25的Mg摻雜Al0.1Ga0.9N的A層與包含厚度為25的Al0.1Ga0.9N的B層30次，以生長具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的p側(cè)導(dǎo)光層109。
(p側(cè)包覆層110(上包覆層30))包含未摻雜Al0.3Ga0.7N的A層生長在厚度為25，及包含Mg摻雜的Al0.1Ga0.9N的B層生長在厚度為25，及重復(fù)交替地層壓A層與B層的程序100次以生長包含超晶格多層膜具有全部厚度為0.5μm的p側(cè)包覆層110。
所得激光元件為氮化物半導(dǎo)體元件，其在室溫下，在350nm波長下，在較實(shí)施方式1更短波長區(qū)連續(xù)振蕩。n側(cè)或p側(cè)導(dǎo)光層由具有Al平均比例為0.2的AlGaN所組成。形成波導(dǎo)，其中第一導(dǎo)光層及第二導(dǎo)光層的帶隙能量Eg與激光光的光子能量Ep間的差異，Eg-Ep，為0.05eV或更大。
除了各個導(dǎo)光層如下述形成于實(shí)施方式1以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得激光元件。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))包含Si摻雜Al0.03Ga0.97N的n側(cè)導(dǎo)光層106(實(shí)施方式1的Al平均比例)形成在厚度為0.15μm以提供單一膜導(dǎo)光層。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))包含Mg摻雜Al0.03Ga0.97N的p側(cè)導(dǎo)光層109(實(shí)施方式1的Al平均比例)形成在厚度為0.15μm以提供單一膜導(dǎo)光層。
雖然所得激光元件具有如實(shí)施方式1相同Al平均比例，有由于單一膜導(dǎo)光層的設(shè)置惡化晶體特性的傾向。此外，因?yàn)閷?dǎo)光層的摻雜區(qū)大，所以有由于雜質(zhì)摻雜光損耗嚴(yán)重地發(fā)生而增加閾值電流密度的傾向。
此外，關(guān)于另一單一膜導(dǎo)光層，在實(shí)施方式1中，p側(cè)導(dǎo)光層與n側(cè)導(dǎo)光層由未摻雜Al0.035Ga0.965N形成在厚度為75nm以形成具有單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層，其中未設(shè)置壁壘層2c及井層1b。在所得激光元件中，因?yàn)閷?dǎo)光層比較于實(shí)施方式1為單一膜，所以晶體特性會惡化。另一方面，通過采用厚度的一半，可抑制元件由于晶體特性的惡化而惡化。此外，通過形成為摻雜導(dǎo)光層，可得一種結(jié)構(gòu)，其中可抑制波導(dǎo)中的光損耗。另外，因?yàn)榛钚詫泳哂袉我涣孔泳Y(jié)構(gòu)，通過抑制活性層內(nèi)晶體特性的惡化，可得大約等效于實(shí)施方式1的激光元件。此處，未摻雜意指未在生長時故意進(jìn)行摻雜。如上所敘述，由于Mg自鄰接p側(cè)電子限制層及p側(cè)包覆層的擴(kuò)散，p側(cè)導(dǎo)光層略為用Mg摻雜。Si會略為擴(kuò)散，這樣，n側(cè)導(dǎo)光層變成未摻雜。在氮化物半導(dǎo)體中，因?yàn)閚型載流子的擴(kuò)散長度較p型更長，未摻雜的氮化物半導(dǎo)體顯示n型但由于N原子空缺而高阻力，即使轉(zhuǎn)換成未摻雜的n側(cè)導(dǎo)光層，載流子亦可注入活性層內(nèi)。
除了導(dǎo)光層如下述圖4所示的梯次組成物形成于實(shí)施方式1以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得激光元件。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))AlxGa1-xN形成在厚度為0.15μm。據(jù)此，生長時，Al比例x自0.01改變成0.05，以提供以厚度方向具有梯次組成物的n側(cè)導(dǎo)光層106。據(jù)此，n側(cè)導(dǎo)光層在第一厚度為50nm的區(qū)通過Si摻雜形成并在厚度為0.1μm的其余區(qū)(在活性層側(cè)上的0.1μm區(qū))未摻雜形成。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))AlxGa1-xN形成在厚度為0.15μm。據(jù)此，生長時，Al比例x自0.01改變成0.05，以提供以厚度方向具有梯次組成物的p側(cè)導(dǎo)光層109。據(jù)此，p側(cè)導(dǎo)光層在第一厚度為0.1μm的區(qū)(在活性層側(cè)上的0.1μm區(qū))未摻雜形成并在厚度為50nm的其余區(qū)通過Mg摻雜形成。
所得激光元件具有幾乎如實(shí)施方式1相同Al平均比例。然而，如圖4所示，通過設(shè)置具有梯次帶隙能量的導(dǎo)光層，注入載流子于活性層內(nèi)的功效變成較佳而改良內(nèi)部量子效率。此外，因?yàn)槲磽诫s區(qū)設(shè)置在靠近導(dǎo)光層內(nèi)活性層側(cè)(活性層側(cè))上，所以可得一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中由雜質(zhì)摻雜的光損耗會降低，而有減少閾值電流密度的傾向。
除了導(dǎo)光層如下述圖4所示的梯次組成物形成于實(shí)施方式5以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得激光元件。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))交替地層壓包含厚度為25的AlxGa1-xN的A層與包含厚度為25的AlyGa1-yN(x＞y)的B層30次，以生長具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的n側(cè)導(dǎo)光層。據(jù)此，生長時，Al比例x自0.05改變成0.03，而Al比例y在0.015為常數(shù)，以提供具有梯次組成物的n側(cè)導(dǎo)光層106。據(jù)此，在n側(cè)導(dǎo)光層中，A層與B層均在第一厚度為50nm通過Si摻雜形成，僅A層通過Si摻雜形成而B層以改良摻雜方式在厚度為0.1μm的其余區(qū)(在活性層側(cè)上的0.1μm區(qū))未摻雜形成。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))交替地層壓包含厚度為25的AlxGa1-xN的A層與包含厚度為25的AlyGa1-yN(x＞y)的B層30次，以形成具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的p側(cè)導(dǎo)光層109。此處，在p側(cè)導(dǎo)光層中，A層通過Mg摻雜形成而B層在第一厚度為0.1μm(在活性層側(cè)上的0.1μm區(qū))未摻雜形成，A層與B層在厚度為50nm的其余區(qū)通過Mg摻雜形成。
所得激光元件具有幾乎如實(shí)施方式4相同Al平均比例。然而，由于超晶格結(jié)構(gòu)晶體特性變成較佳，而改良元件特性。另一方面，因?yàn)閷?dǎo)光層的未摻雜區(qū)較實(shí)施方式4小，所以有光損耗變成較大而減少閾值電流密度的傾向。
以下說明圖8所示的端發(fā)光激光元件。
(襯底501)使用如實(shí)施方式1的氮化物半導(dǎo)體襯底101相同的襯底501。
交替地層壓各三層包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)的第一層531與具有不同于第一層組成物包含AlyGa1-yN(0＜y≤1，x＜y)的第二層532作為反射膜530在氮化物半導(dǎo)體襯底501上。據(jù)此，設(shè)置各層在符合等式λ/(4n)(λ為光波長，n為材料的折射率)的厚度。關(guān)于氮化物半導(dǎo)體反射膜，可使用交替地層壓第一、第二層與由AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示具有不同組成物的氮化物半導(dǎo)體的多層膜。據(jù)此，形成一層或多層各個層及一對或多對第一/第二層。明確而言，第一/第二層可由AlGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、AlGaN/AlN、GaN/AlN等所形成。在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0＜x，x＜y＜1)的情況下，因?yàn)槠錇锳lGaN多層膜，所以可使熱膨脹系數(shù)的差異變小，并可形成較佳晶體特性。在GaN/AlyGa1-yN(0＜y＜1)的情況下，由于GaN層，可得具有改良晶體特性的多層膜。此外，當(dāng)Al比例的差(y-x)的差異變大時，第一層與第二層之間的折射率的差異變大而折射率變高。明確而言，通過采用y-x≥0.3，較佳為y-x≥0.5，可形成具有高折射率的多層反射膜。此外，如實(shí)施方式1中，通過形成AlyGa1-yN(0＜y≤1)作為多層膜，其作為緩沖層102，而可得凹坑減少功效。此外，緩沖層亦可設(shè)置在襯底與活性層之間或活性層上。上述介電多層膜可應(yīng)用至活性層上的反射膜。此外，其亦可應(yīng)用至端發(fā)光發(fā)光元件，其中反射膜分開在襯底與活性層之間。
隨后，在如實(shí)施方式1相同條件下，層壓n側(cè)接觸層533、活性層534、p側(cè)電子限制層(圖未顯示)及p側(cè)接觸層535以提供具有圓形開口的含有SiO2的塊狀層536。Mg摻雜的GaN自圓形開口生長以形成第二p側(cè)接觸層537。據(jù)此，可形成p側(cè)接觸層535或第二p側(cè)接觸層537。包含SiO2/TiO2的介電多層膜形成在第二p側(cè)接觸層537上以得反射膜538，其設(shè)置在上述圓形塊狀層536的開口上。進(jìn)行蝕刻到達(dá)暴露n側(cè)接觸層533的深度，環(huán)狀n電極521形成在暴露的n側(cè)接觸層533上，環(huán)繞反射膜538的p電極520形成在第二p側(cè)接觸層537上。如此所得的端發(fā)光激光元件為激光元件，其如實(shí)施方式1般在短波長下振蕩。
除了包覆層、導(dǎo)光層即活性層如下述形成于實(shí)施方式1以外，根據(jù)如實(shí)施方式1相同方式，可得具有元件結(jié)構(gòu)的激光元件。
關(guān)于上、下包覆層，交替地層壓具有厚度為25的Al0.1Ga0.9N及具有厚度為25的Al0.05Ga0.95N100次，以得超晶格多層結(jié)構(gòu)(500)。據(jù)此，在p側(cè)與n側(cè)包覆層內(nèi)，超晶格的一分別用Mg及Si作為摻雜物摻雜。
關(guān)于上、下導(dǎo)光層，未摻雜的Al0.04Ga0.96N形成在厚度為0.15μm。包含Al0.15In0.01Ga0.84N(200)的壁壘層、具有厚度為100的井層及包含Al0.15In0.01Ga0.84N(45)的壁壘層被層壓作為活性層以得量子井結(jié)構(gòu)。
圖10所示Al混合晶比x(x＝0.03，0.06，0.08)的依附性顯示閾值電流密度及使用AlxIn0.04Ga0.96-xN作為井層在脈沖振蕩下波長的改變。圖11所示In混合晶比y(y＝0.02，0.03，0.04，0.07)的依附性顯示閾值電流密度及使用Al0.03InyGa0.97-yN在脈沖振蕩下波長的改變。
如圖11所示，在閾值電流密度Jth中，當(dāng)In混合晶比y生長大于約0.02時，顯示下降曲線，可見最小值范圍為0.03至0.05而在超過0.05的區(qū)中，顯示增加的傾向。此外，關(guān)于Al混合晶比x，如圖10所示，在x≤0.1的范圍內(nèi)，有Al混合晶比x增加的增加傾向而在在0＜x≤0.6的范圍內(nèi)，較佳可減少閾值電流。
以下說明圖1所示脊柱型氮化物半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。
n型接觸層103、裂痕防止層104、n型包覆層105及n型導(dǎo)光層106，其為n型氮化物半導(dǎo)體，通過由緩沖層102形成在襯底101上。除了n型包覆層105以外，可省略其他層，端視元件而定。n型氮化物半導(dǎo)體層必須具有較活性層更寬帶隙，至少其部分接觸活性層。因此，以含有Al的組成物較佳。此外，各層可為生長而用n型雜質(zhì)摻雜的n型，或可為未摻雜生長的n型。
活性層107形成在n型氮化物半導(dǎo)體層103～106上。如上所敘述，活性層107具有MQW結(jié)構(gòu)，其中重復(fù)交替地層壓Alx1Ga1-x2N井層(0≤x1＜1)及Alx2Ga1-x2N壁壘層(0＜x2＜1，x1＜x2)適當(dāng)次數(shù)，在活性層二端有一壁壘層。井層未摻雜形成，所有壁壘層較佳在濃度為1×1017～1×1019cm-3下用n型雜質(zhì)如Si、Sn等摻雜。
最后壁壘層未摻雜形成，并包含在有些情況下，在濃度為1×1016～1×1019cm-3下，自其次生長的p型電子限制層108擴(kuò)散的p型雜質(zhì)如Mg等。
最后壁壘層可在濃度為1×1019cm-3或更小下生長而用p型雜質(zhì)如Mg等摻雜。如同其他壁壘層，最后壁壘層可用p型雜質(zhì)如Si摻雜。p型電子限制層108、p型導(dǎo)光層109，p型包覆層110及p型接觸層111作為p型氮化物半導(dǎo)體形成在最后壁壘層上。除了p型包覆層以外，可省略其他層，端視元件而定。P型氮化物半導(dǎo)體層必須具有較活性層更寬帶隙，至少其部分接觸活性層。因此，以含有Al的組成物較佳。各層可為生長而用p型雜質(zhì)摻雜的p型，或可為自鄰接其他層擴(kuò)散p型雜質(zhì)的p型。
p型電子限制層108包含具有較p型包覆層110更高Al混合晶比的p型氮化物半導(dǎo)體，較佳具有AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)的組成物。此外，層108可在高濃度下，較佳濃度為5×1017～1×1019cm-3下用p型雜質(zhì)如Mg等摻雜。這樣，P型電子限制層108可有效地限制電子進(jìn)入活性層內(nèi)，導(dǎo)致激光閾值的減少。此外，P型電子限制層108可生長在厚度為約30～200，當(dāng)厚度較小時，層108可在較p型導(dǎo)光層109或p型包覆層110更低溫度下生長。
此外，p型電子限制層108可供應(yīng)p型雜質(zhì)至通過擴(kuò)散未摻雜生長的最后壁壘層。二者一起保護(hù)活性層107不受降解，同時，可增強(qiáng)空穴注入活性層107內(nèi)的效率。
在p型氮化物半導(dǎo)體層中，脊柱條形成在p型導(dǎo)光層109的中間，形成保護(hù)膜161、162、p型電極120、n型電極121、p-pat電極121及n-pat電極123以構(gòu)成半導(dǎo)體激光。
本實(shí)施例具有如實(shí)施方式1相同的結(jié)構(gòu)及制造方法，活性層107內(nèi)量子井層的組成物改變成以下AlGaN的三原材料，以設(shè)定較實(shí)施方式1振蕩波長(370nm)更短的振蕩波長(366nm)。此外，n側(cè)包覆層105、n側(cè)導(dǎo)光層106、p側(cè)導(dǎo)光層109及p側(cè)包覆層110亦改變?nèi)缦隆?br> (n側(cè)包覆層105下包覆層25)然后，在溫度上升至1050℃下，使用TMA、TMG及氨作為原料及硅烷氣體做為雜質(zhì)氣體以生長包含在5×1018/cm3下用Si摻雜的Al0.05Ga0.95N的A層在厚度為25。隨后，停止雜質(zhì)。包含未摻雜的Al0.1Ga0.9N的B層生長在厚度為25。然后，重復(fù)層壓A層與B層的此程序100次以生長包含多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))的n型包覆層106。據(jù)此，當(dāng)未摻雜AlGaN的Al混合晶比范圍為不低于0.05而不大于0.3時，可設(shè)定充分作為包覆層的折射率的差異。
(n側(cè)導(dǎo)光層106下導(dǎo)光層26)然后，在相同溫度下，使用TMA、TMG及氨作為原料氣體以生長包含未摻雜的Al0.05Ga0.95N的n型導(dǎo)光層106在厚度為0.15μm。另外，n型雜質(zhì)可摻雜于其內(nèi)。此層作為第一氮化物半導(dǎo)體層。
(活性層107(27，12))然后，在相同溫度下，使用TMA、TMG及氨作為原料氣體，及硅烷氣體做為雜質(zhì)氣體以層壓包含在5×1018/cm3(B)下用Si摻雜的Al0.15Ga0.85N的壁壘層(第一壁壘層2a)在厚度為100及，在TMA及硅烷氣體的停止后，包含未摻雜GaN(W)在厚度為100下的井層及，作為最后壁壘層(第二壁壘層2b)，在厚度為45下未摻雜的Al0.15Ga0.85N，其順序?yàn)?B)/(W)/(B)?；钚詫?07可通過以(B)/(W)/(B)順序重復(fù)層壓成為多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(p側(cè)導(dǎo)光層109上導(dǎo)光層29)然后，在溫度保持在1050℃下，使用TMA、TMG及氨作為原料氣體以生長包含未摻雜的Al0.05Ga0.95N的p側(cè)導(dǎo)光層109在厚度為0.15μm。此p型導(dǎo)光層109未摻雜生長，而此層109具有Mg濃度為5×1016/cm3，通過Mg自鄰接層如p型電子限制層108、p型包覆層110等的擴(kuò)散，顯示p型。此外，此層亦可在生長時故意用Mg摻雜。此層作為第二氮化物半導(dǎo)體層。
(P側(cè)包覆層110上部包覆層30)隨后，停止TMA，在1050℃下，使用Cp2Mg以生長包含Mg摻雜的Al0.05Ga0.95N的層在厚度為25。隨后，停止Cp2Mg，包含未摻雜的Al0.10Ga0.90N的層生長在厚度為25。重復(fù)此100次，以生長包含超晶格層具有全部厚度為0.45μm的p型包覆層115。當(dāng)由超晶格制成，其中p型包覆層中至少一層包含有Al的氮化物半導(dǎo)體層及具有不同帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體層，任一層在較大量下用雜質(zhì)摻雜以實(shí)施所謂改良摻雜，這樣，有晶體特性變成較佳的傾向。此外，二層亦可以相同方式摻雜。因?yàn)榭昭ò矊拥腁l混合晶比可通過容許p側(cè)包覆層110具有超晶格結(jié)構(gòu)而增加，所以包覆層本身的折射率會會減少，而且，帶隙能量會增加，在減少閾值方面極有效，另外，超晶格比較于無超晶格可減少包覆層本身所產(chǎn)生的凹坑，降低短路的發(fā)生。
可得在室溫下具有閾值電流為53mA、電流密度為3.5kA/cm2及振蕩波長為366nm的連續(xù)振蕩激光元件。
本實(shí)施方式除了下述活性層以外與實(shí)施方式9相同，可得激光元件。
(活性層107(27，12))具有單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層通過連續(xù)地層壓包含Si摻雜的Al0.15Ga0.85N具有厚度為200的第一壁壘層2a、包含未摻雜的GaN具有厚度為100的井層1b及包含未摻雜的Al0.15Ga0.85N具有厚度為45的第二壁壘層2b而得。
所得激光元件具有井層的晶體特性由于第一壁壘層的厚度的增加而惡化的傾向，并具有閾值電流Jth增加至100mA的傾向。
本實(shí)施方式除了下述活性層以外與實(shí)施方式9相同，可得激光元件。
(活性層27)具有單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層通過連續(xù)地層壓包含Si摻雜的Al0.15Ga0.85N具有厚度為100的第一壁壘層2a、具有厚度為100的井層1b及包含未摻雜的Al0.15Ga0.85N具有厚度為150的第二壁壘層2b而得。
所得激光元件具有Vf由于第二壁壘層的厚度較實(shí)施方式1增加而增加的傾向，并具有閾值電流Jth增加至100mA的傾向。此處，可得一種結(jié)構(gòu)，其中第二壁壘層具有較第一壁壘層更大的厚度(100?；蚋?，p-n接點(diǎn)附近的p側(cè)電子限制層具有高阻力，而產(chǎn)生高熱的層用第二壁壘層隔離井層，這樣，可增加第二壁壘層的影響，另一方面，影響阻力由于第二壁壘層的增加。
本實(shí)施方式除了下述活性層以外與實(shí)施方式9相同，可得激光元件。
(活性層27)具有單一量子井結(jié)構(gòu)的活性層通過連續(xù)地層壓包含Si摻雜的Al0.05Ga0.95N具有厚度為100的第一壁壘層2a、包含未摻雜的GaN具有厚度為100的井層1b及包含未摻雜的Al0.05Ga0.95N具有厚度為150的第二壁壘層2b而得。
所得激光元件具有傾向，即，因?yàn)槭沟谝槐趬緦优c第二壁壘層的Al混合晶比變小，所以使帶隙能量變小而使帶隙能量與井層的差異較實(shí)施方式1更小，載流子的限制進(jìn)入井層會惡化及閾值電流Jth增加至200mA。此處，井層與壁壘層(第一壁壘層)間Al混合晶比的差異，XB1-XW為0.05。通過使用此Al混合晶比的差異作為邊界并增加井層與壁壘層之間Al混合晶比的差異，有減少閾值的傾向。
本實(shí)施方式除了下述導(dǎo)光層由梯次比例形成如圖6B所示以外與實(shí)施方式9相同，可得激光元件。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))通過形成AlxGa1-xN在厚度為0.15μm，據(jù)此，當(dāng)生長時改變Al比例x自0.1至0.02，即，當(dāng)接近活性層時，設(shè)置以厚度方向具有梯次比例的n側(cè)導(dǎo)光層106。據(jù)此，n側(cè)導(dǎo)光層通過Si摻雜形成在厚度為50nm的第一區(qū)并未摻雜形成在厚度為0.1μm的其余區(qū)(在活性層側(cè)上厚度為0.1μm的區(qū))。此處，在活性層附近的導(dǎo)光層中，具有較第一壁壘層更小帶隙能量的一部分區(qū)變成第一氮化物半導(dǎo)體層。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))通過形成AlxGa1-xN在厚度為0.15μm，據(jù)此，當(dāng)生長時改變Al比例x自0.02至0.1，以厚度方向形成比例梯次，設(shè)置p側(cè)導(dǎo)光層109，其中當(dāng)接近活性層時，Al混合晶比變成較小及帶隙能量變成較小。此處，p側(cè)導(dǎo)光層通過未摻雜形成在厚度為0.1μm的第一區(qū)(在活性層側(cè)上厚度為0.1μm的區(qū))并用Mg摻雜形成在厚度為50nm的其余區(qū)。此處，在活性層附近的p側(cè)導(dǎo)光層29中，具有較第二壁壘層更小Al混合晶比與帶隙能量的一部分區(qū)變成第二氮化物半導(dǎo)體層。
所得激光元件與實(shí)施例9比較，具有大約與實(shí)施方式相同的Al平均比例。然而，如圖6B所示，通過設(shè)置具有梯次帶隙能量的導(dǎo)光層，有注入載流子進(jìn)入活性層的效率變成較佳及改良內(nèi)部量子效率的傾向。此外，因?yàn)槲磽诫s區(qū)設(shè)置在靠近導(dǎo)光層內(nèi)活性層(活性層側(cè))側(cè)上，所以可得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過其降低由于雜質(zhì)摻雜的光損耗，而有減少閾值電流密度的傾向。
本實(shí)施方式除了下述導(dǎo)光層由梯次比例形成如圖6B所示以外與實(shí)施方式9相同，可得激光元件。
(n側(cè)導(dǎo)光層106(第一導(dǎo)光層26))交替地層壓包含厚度為25的AlxGa1-xN的A層與包含厚度為25的AlyGa1-yN(x＞y)的B層30次，以形成具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的n側(cè)導(dǎo)光層。據(jù)此，通過改變A層內(nèi)Al比例x自0.05改變成0.03，并在生長時B層內(nèi)Al比例y在0.015為常數(shù)，提供具有梯次組成物的n側(cè)導(dǎo)光層106。據(jù)此，在n側(cè)導(dǎo)光層中，在具有厚度為50nm的第一區(qū)，A層與B層均通過Si摻雜形成，而在厚度為0.1μm的其余區(qū)(在具有厚度或0.1μm的活性層側(cè)上的區(qū))，僅A層通過Si摻雜而B層以改良摻雜方式未摻雜形成。此處，n側(cè)導(dǎo)光層具有較活性層內(nèi)第一壁壘層更小帶隙能量與Al混合晶比，導(dǎo)致第一氮化物半導(dǎo)體層。
(p側(cè)導(dǎo)光層109(第二導(dǎo)光層29))交替地層壓具有厚度為25的AlxGa1-xN的A層與具有厚度為25的AlyGa1-yN(x＞y)的B層30次，以形成具有厚度為0.15μm的超晶格多層結(jié)構(gòu)的p側(cè)導(dǎo)光層109。此處，通過改變A層內(nèi)Al比例x自0.03改變成0.05，并在生長時B層內(nèi)Al比例y在0.015為常數(shù)，提供具有梯次組成物的p側(cè)導(dǎo)光層109，其中當(dāng)離開活性層與p側(cè)電子限制層108時，帶隙能量生長較大及Al平均比例生長較大。此處，在p側(cè)導(dǎo)光層中，在具有厚度為0.1μm的第一區(qū)(在具有厚度為0.1μm的活性層側(cè)上的區(qū))，僅A層通過Mg摻雜形成而B層為摻雜形成，在具有厚度為50nm的其余區(qū)，A層與B層均通過Mg摻雜。此處，在A層與B層均定期層壓的多層膜中，僅一層具有梯次組成物。此外，二層均可具有梯次組成物。
所得激光元件具有大約與實(shí)施方式13相同的Al平均比例。然而，晶體特性由于超晶格結(jié)構(gòu)變成較佳而改良元件特性。另一方面，因?yàn)閷?dǎo)光層內(nèi)未摻雜區(qū)較實(shí)施方式13更小，所以有增加光損耗及有略為增加閾值電流密度的傾向。
制造一種激光元件，其具有一種結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光層具有較活性層內(nèi)井層及壁壘層更大帶隙能量，如圖14A所示，導(dǎo)光層內(nèi)Al混合晶比大于活性層的Al混合晶比，另外，包覆層內(nèi)Al混合晶比大于導(dǎo)光層的Al混合晶比，如圖16所示。除了導(dǎo)光層與包覆層如下述實(shí)施方式9以外，根據(jù)實(shí)施方式9相同方式，可得激光元件。
(N側(cè)包覆層[下包覆層25])交替地層壓具有厚度為25的Si摻雜的n型Al0.17Ga0.83N的A層與具有厚度為25的Si摻雜的N型Al0.20Ga0.75N的B層100次，以形成超晶格多層包覆層。
(N側(cè)導(dǎo)光層[下導(dǎo)光層26])未摻雜的Al0.17Ga0.8N形成在厚度為0.15μm。
(P側(cè)導(dǎo)光層[上導(dǎo)光層29])未摻雜的Al0.17Ga0.8N形成在厚度為0.15μm。
(P側(cè)包覆層[上包覆層30])交替地重復(fù)層壓具有厚度為25的Mg摻雜的p型Al0.2Ga0.8N的A層與具有厚度為25的Mg摻雜的p型Al0.25Ga0.75N的B層100次，以形成超晶格多層包覆層。
整個所得激光元件產(chǎn)生裂痕而激光元件無法操作。此外，即使元件可操作，亦會產(chǎn)生由于晶體特性的惡化的漏泄電流因此，無法獲得激光振蕩。
參照圖15A、15B說明本發(fā)明的發(fā)光元件200。此處，如200b所示，制造一種發(fā)光元件，具有一種結(jié)構(gòu)，其中一對正電極與負(fù)電極設(shè)置在襯底的相同側(cè)上。
由藍(lán)寶石(C面)組成的襯底201設(shè)定于MOVPE的反應(yīng)器內(nèi)，襯底的溫度上升至1050℃同時流動氫以清潔襯底。
緩沖層(圖未顯示)隨后，包含GaN的低溫生長緩沖層在襯底1上生長在厚度約100。此低溫生長層在較其次欲生長的層更低溫度下生長，這樣，與襯底的晶格不相容性會緩和，而此低溫生長可省略，端視襯底的種類而定。
接地層(圖未顯示)在緩沖層生長后，未摻雜的GaN在溫度為1050℃下生長在厚度為1.5μm。此層生長作為未摻雜層并作為欲形成其上的元件結(jié)構(gòu)的接地層及作為生長襯底。
N型接觸層202包含在4.5×1018/cm3下用Si摻雜的Al0.05Ga0.95N的n型接觸層(電子注入層)202在1050℃下生長在厚度為2μm。此處，n型接觸層202作為第一氮化物半導(dǎo)體層。
活性層203包含未摻雜的Al0.15Ga0.85N的壁壘層(第一壁壘層2A)生長在厚度為100，隨后，包含未摻雜的Al0.05Ga0.95N的井層生長在厚度為30。隨后，生長包含Al0.1Ga0.9N具有厚度為30的內(nèi)部壁壘層(圖未顯示)，交替地層壓四層井層(圖未顯示)及三層內(nèi)部壁壘層(圖未顯示)，最后，作為第二壁壘層2b的Al0.15Ga0.85N生長在厚度為40以生長具有全部厚度為380的多重量子井結(jié)構(gòu)的活性層203。如圖14B所示，此活性層具有一種結(jié)構(gòu)，其中形成具有較第一壁壘層2a及第二壁壘層2b更小Al混合晶比與帶隙能量的內(nèi)部壁壘層(如2b)。
p側(cè)包覆層204包含未摻雜的Al0.2Ga0.8N的A層204生長在厚度為40，隨后，包含在5×1019/cm3下用Mg摻雜的Al0.05Ga0.95N的B層205。重復(fù)所述程序以此順序?qū)訅焊魑鍖覣層與B層，最后，A層生長在厚度為40以得多層超晶格結(jié)構(gòu)。因此，包含該多層膜的p側(cè)多層包覆層204生長在厚度為365。第一B層具有較第二壁壘層更小帶隙能量并作為具有小Al混合晶比的第二氮化層。
p側(cè)接觸層205隨后，包含在1×1020/cm3下用Mg摻雜的GaN的p側(cè)接觸層205長在厚度為200。
在完成反應(yīng)以后，溫度下降至室溫，晶圓在700℃下于氮氛圍內(nèi)于反應(yīng)器中退火，以使p型層降低阻力。
在退火以后，晶圓自反應(yīng)器除去，具有規(guī)定形狀的遮罩形成在最上面p側(cè)接觸層205的表面上，用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)設(shè)備自p側(cè)接觸層205進(jìn)行蝕刻以暴露n側(cè)接觸層202的表面，如圖15A所示。
在蝕刻以后，含有Ni與Au具有厚度為200的可透射光的p電極形成在最上面p側(cè)接觸層205的幾乎所有側(cè)上，而包含連接用Au的p-pad電極(圖未顯示)在p電極206上形成在厚度為0.5μm。另一方面，包含W與Al的n電極207形成在由蝕刻暴露的n側(cè)接觸層202的表面上，以得LED元件。
此LED元件顯示在波腸胃355nm下的紫外線發(fā)光。特別是，通過設(shè)置上述第一氮化物半導(dǎo)體層，可形成具有較佳晶體特性的活性層而可得發(fā)光特性優(yōu)異的發(fā)光元件。
工業(yè)應(yīng)用性[本發(fā)明功效]
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件可提供可在380nm或更短的短波長區(qū)下激光振蕩的活性層與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。特別是，在InAlGaN的井層中，通過采用In混合晶比范圍為0.02至0.05，較佳為0.03至0.05并改變Al比例以形成具有所需發(fā)光波長的禁止帶，這樣，可得具有短波長區(qū)的發(fā)光元件與激光元件并可得內(nèi)部量子效率與發(fā)光效率均優(yōu)異的元件。
此外，本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件亦可提供具有低閾值電流的375nm或更短的短波長的發(fā)光元件與激光元件。因此，與規(guī)定螢光體組成的發(fā)光二極管可提供螢光燈的取代物。另一方面，激光元件顯示優(yōu)異的FWHM并可提供優(yōu)異的解析度，因此，其可用作光刻元件。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，包含設(shè)置在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間的活性層，其特征在于該活性層具有一量子井結(jié)構(gòu)，包括至少一層由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的井層及由含有Al的氮化物半導(dǎo)體所形成的壁壘層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)形成，而該壁壘層由AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層的厚度小于壁壘層的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層內(nèi)In組成比y的范圍為不低于0.02而不大于0.05。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層內(nèi)In組成比y的范圍為不低于0.03而不大于0.05。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該活性層的發(fā)光波長為380nm或更短。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件具有一種激光元件結(jié)構(gòu)，其中該第一導(dǎo)電型層具有第一導(dǎo)光層，該第二導(dǎo)電型層具有第二導(dǎo)光層，及該活性層設(shè)置在該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層之間，及該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層的帶隙能量Eg比激光的光子能量Ep大0.05eV或大得更多(Eg-Ep≥0.05eV)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一導(dǎo)光層及/或該第二導(dǎo)光層由AlxGa1-xN(0≤x≤1)形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該活性層的發(fā)光波長為380或更短的光，及該第一導(dǎo)電型層及/或該第二導(dǎo)電型層由AlxGa1-xN(0＜x≤1)形成。
10.一種氮化物半導(dǎo)體元件，具有設(shè)置在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間的活性層，其特征在于該活性層具有一量子井結(jié)構(gòu)，包括至少一個由含有Al的氮化物半導(dǎo)體形成的井層，以及具有比自井層起在靠近第一導(dǎo)電型層的一側(cè)的井層內(nèi)的帶隙能量更大的帶隙能量的氮化物半導(dǎo)體所形成的第一壁壘層，及該第一導(dǎo)電型層包括具有比該第一壁壘層的帶隙能量更小帶隙能量的第一氮化物半導(dǎo)體層，該第一氮化物半導(dǎo)體層靠近該第一壁壘層設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一壁壘層配置在最靠近活性層內(nèi)第一導(dǎo)電型層的側(cè)內(nèi)，該第一氮化物半導(dǎo)體層與活性層接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一導(dǎo)電型層為n型而該第二導(dǎo)電型層為p型。
13.根據(jù)權(quán)利要求10到12中的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一壁壘層內(nèi)Al混合晶比XB1與井層內(nèi)Al混合晶比XW符合下面關(guān)系XB1-XW≥0.05。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13中的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一壁壘層的厚度為30?；蚋?。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14中任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中波導(dǎo)被導(dǎo)光層夾在其間的活性層所構(gòu)成，及導(dǎo)光層設(shè)置于第一導(dǎo)電型層內(nèi)，并具有該第一氮化物半導(dǎo)體層。
16.根據(jù)權(quán)利要求10到15中的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件可以在375nm或更短波長振蕩，AlxGa1-xN量子井層(x≥0)被夾在由AlyInzGa1-y-zN(z≥0)形成的壁壘層之間，及，井層的帶隙能量Ew大于壁壘層的帶隙能量Eb的量為0.2eV或更大。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的氮化物半導(dǎo)體元件，其中井層的厚度為300或更小。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的氮化物半導(dǎo)體元件，其中壁壘層的厚度為300或更小。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件具有SCH結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光層與包覆層互相隔開設(shè)置，導(dǎo)引層的帶隙能量Eg大于在振蕩下的光子能量Ep的量為0.05eV。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的氮化物半導(dǎo)體元件，其中導(dǎo)光層包含AlaGa1-aN/AlbGa1-bN(a≠b)超晶格層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的氮化物半導(dǎo)體元件，其中包覆層包含AlcGa1-cN/AldGa1-dN(c≠d)超晶格層，而包覆層的帶隙能量Ec大于導(dǎo)光層的帶隙能量。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件具有GRIN結(jié)構(gòu)，其中具有階梯狀變化的折射率的光限制層形成在量子井層外側(cè)，而非摻雜層設(shè)置在活性層的上、下方。
23.根據(jù)權(quán)利要求10到15之間的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件可以在380nm或更短波長振蕩，活性層設(shè)置在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間，及，該活性層具有量子井結(jié)構(gòu)，包括至少一層由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體形成的井層，及由含有Al的氮化物半導(dǎo)體形成的壁壘層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層由AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y＜1)形成而該壁壘層由AluInvGa1-u-vN(0＜u≤1，0≤v≤1，u+v＜1)形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層的厚度小于壁壘層的厚度。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層內(nèi)In組成比y的范圍為不低于0.02而不大于0.05。
27.根據(jù)權(quán)利要求24或25的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該井層內(nèi)In組成比y的范圍為不低于0.03而不大于0.05。
28.根據(jù)權(quán)利要求23到27的任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該元件具有一種激光元件結(jié)構(gòu)，其中該第一導(dǎo)電型層具有第一導(dǎo)光層，該第二導(dǎo)電型層具有第二導(dǎo)光層，及該活性層設(shè)置在該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層之間，及，該第一導(dǎo)光層與該第二導(dǎo)光層的帶隙能量Eg大于激光光的光子能量Ep的量為0.05eV或更大(Eg-Ep≥0.05eV)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該第一導(dǎo)光層及/或該第二導(dǎo)光層由AlxGa1-xN(0＜x≤1)形成。
30.根據(jù)權(quán)利要求23到29中任何一項的氮化物半導(dǎo)體元件，其中該活性層的發(fā)光波長為380nm或更短，及該第一導(dǎo)電型層及/或該第二導(dǎo)電型層由AlxGa1-xN(0＜x≤1)形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體元件，其在第一導(dǎo)電型層與第二導(dǎo)電型層之間具有活性層12，其采用量子井結(jié)構(gòu)，其中活性層12具有至少一層由含有In與Al的氮化物半導(dǎo)體形成的井層11及由含有Al的氮化物半導(dǎo)體形成的壁壘層2，通過此可得在短波長區(qū)發(fā)光效率優(yōu)異的激光元件。特佳的是，該井層1由Al
文檔編號H01L21/20GK1528037SQ02807309
公開日2004年9月8日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月28日
發(fā)明者長濱慎一, 彌, 柳本友彌 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會社