專利名稱：半導(dǎo)體激光二極管的mbe生長的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的生長，尤其是一種在氮化材料系統(tǒng)中，舉例如(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件的生長。本發(fā)明可以應(yīng)用于例如半導(dǎo)體激光二極管(LD)的生長。
本發(fā)明的背景(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)包括具有一般公式為AlxGayIn1-x-yN的材料，其中0≤x≤1并且0≤y≤1。在該應(yīng)用中，(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)中的一個具有非零克分子比的鋁、鎵和銦的成員將作為AlGaInN被談到，一個具有零的鋁克分子比但是具有非零的鎵和銦克分子比的成員將作為InGaN被談到，一個具有零的銦克分子比但是具有非零的鎵和鋁克分子比的成員將被作為AlGaN被談到，等等。因為以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造的器件能夠發(fā)射出在藍(lán)—紫光譜的波長范圍內(nèi)的光(對應(yīng)于近似380-450nm范圍內(nèi)的波長)，當(dāng)前對以該系統(tǒng)制造半導(dǎo)體發(fā)光器件具有很大的興趣。
例如S.Nakamura et al在“Jap.j.Appl.Phys.”Vol.35，ppL74-L76(1996)中，描述了以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造的半導(dǎo)體發(fā)光器件。在教授了使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD))生長工藝來制造以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造的發(fā)光器件的US-A-5 777 350中也有描述。MOCVD(也公知為金屬有機(jī)汽相外延或MOVPE)一般在通常為大氣壓下的裝置中發(fā)生，但是有時在輕微減小的壓力下，一般約10kPa。提供氨和具有一種或更多種用于外延生長的三族元素的種類基本平行于將要在其上發(fā)生外延生長的襯底的表面，因此形成與襯底表面相鄰并流經(jīng)襯底表面的邊界層。在該氣態(tài)邊界層中發(fā)生分解以形成外延淀積的氮氣和其它元素，因此外延生長是由汽相均衡驅(qū)動的。
另外一個已知的半導(dǎo)體生長技術(shù)是分子束外延(MBE)。與MOCVD相比，MBE是在高真空環(huán)境下進(jìn)行的。在MBE例如被應(yīng)用到該(Al，Ga，In)N系統(tǒng)的情況下，使用一般約1×10-3Pa的超高真空環(huán)境(UHV)。氮前體氣以供應(yīng)管道的方式提供給MBE容器，并且在外延生長過程中具有了鋁、鎵和/或銦的種類、也可能具有適當(dāng)?shù)膿诫s種類由適當(dāng)?shù)脑垂?yīng)，該源位于安裝有可控制的閘門來控制供應(yīng)到MBE容器中的種類的量的熱滲出單元內(nèi)。該控制閘門從滲出單元輸出并且氮提供管道面對其上將發(fā)生外延生長的襯底的表面。原始的氮和從滲出單元提供的種類穿過MBE容器，并且到達(dá)襯底，在該襯底上以淀積動力驅(qū)動方式發(fā)生外延生長。
現(xiàn)有技術(shù)的確認(rèn)MBE生長工藝已經(jīng)被成功地應(yīng)用于以各種材料系統(tǒng)的生長。例如，US-A-5 513 199揭露了以II-VI材料系統(tǒng)并且具有例如CdZnSe有源層的激光器件的MBE生長。但是目前為止將MBE生長技術(shù)用于氮化半導(dǎo)體材料的生長一直都很困難，并且由MBE生長的GaN，InGaN和p-型氮化材料的質(zhì)量如M.Johnson et al.在“Ma.Res.Soc.Proc.”Vol.537，G5.10.(1999)中報道的一樣，普遍地低。因此，目前，高質(zhì)量的氮化半導(dǎo)體層的生長主要是使用MOCVD工藝來操作的。該MOCVD工藝允許在超過1000∶1的V/III優(yōu)選比率下發(fā)生生長。該V/III比率是在生長工藝期間V族元素對III族元素的摩爾比率。氮化物半導(dǎo)體材料的生長中優(yōu)選高的V/III比率，由于它允許使用更高的襯底溫度，該溫度依次產(chǎn)生更高質(zhì)量的半導(dǎo)體層。
目前，以MBE生長高質(zhì)量的氮化半導(dǎo)體層比用MOCVD生長這樣的層更困難。對于用具有藍(lán)—紫光譜區(qū)域的發(fā)射波長并且使用分子束外延生長的氮化半導(dǎo)體制造的動造作的激光二極管還沒有已知的示范或是報道。首要的困難在于在生長工藝中提供足夠的氮。
EP-A-1 182 697描述了以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件的制造。該文件主要涉及由MOVCD技術(shù)的生長，并且包括一個適當(dāng)?shù)腗OCVD生長條件的詳細(xì)描述。該文件建議MBE也可以是一個可選擇的生長方法，但是沒有給出例如由MBE工藝怎樣生長半導(dǎo)體器件的細(xì)節(jié)。
US-A-6 456 640，US-A-5 972 730，和JP-A-2000 072 692與EP-A-1 182 697包含相類似的揭示內(nèi)容。這些文件涉及到以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)的以MOCVD生長的半導(dǎo)體器件(例如在US-A-6 456 640的情況下的自脈動激光器件)，他們建議MBE作為半導(dǎo)體器件生長的一個可能選擇的生長方法，但是沒有包含怎樣把MBE工藝實際應(yīng)用到該器件的生長的細(xì)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)前發(fā)明的第一方面提供一種以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，該方法包括在襯底上方依次生長第一覆層區(qū)域，第一光制導(dǎo)區(qū)，有源區(qū)域，第二光制導(dǎo)區(qū)和第二覆層區(qū)域；其中該方法包括使用氨氣作為氮前體，通過分子束外延淀積每一個第一覆層區(qū)域，該第一光制導(dǎo)區(qū)，該有源區(qū)域，該第二光制導(dǎo)區(qū)和該第二覆層區(qū)域；其中該襯底是GaN襯底或是GaN模板襯底；并且其中生長有源區(qū)域的步驟包括生長一個包含銦的層。
在本發(fā)明的方法中，第一覆層區(qū)域，第一光制導(dǎo)區(qū)，第二光制導(dǎo)區(qū)和第二覆層區(qū)域的每一個區(qū)都是使用氨氣作為氮前體通過MBE生長的，并且每一個包含一種(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)的一員的材料。該有源區(qū)域包括一層或是多層有源層，和/或有源區(qū)域的每個有源層由MBE生長并包含一種(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)的一員的材料。至少該有源區(qū)域的層的一層含有銦。
作為MOCVD的一個選擇，本發(fā)明可能使用MBE生長技術(shù)制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如一個具有在光譜的藍(lán)—紫區(qū)域的發(fā)射波長的連續(xù)波激光二極管。使用MBE生長代替MOCVD生長給出下列優(yōu)點i)當(dāng)使用MBE的時候，源材料例如氨氣和氫氣的明顯較低的污染；ii)器件中更少的雜質(zhì)，因為MBE是一個UHV工藝；iii)在由MBE生長的器件中，p型注入(通常是鎂)的熱激活是不必要的。但是在由MOCVD生長的器件中，氫必須被熱退火從鎂注入半導(dǎo)體層中出來以激活p-型的傳導(dǎo)。
iv)MBE比MOCVD更適宜于環(huán)境。
該第一覆層區(qū)域可以在襯底的表面的第一部分上方生長，并且該方法可以包括在該襯底表面的第二部分上方淀積第一電極。
可在襯底的第一表面上生長第一覆蓋區(qū)，并且其方法可包括在襯底的第二表面上淀積第一電極。其方法可包括在第二覆蓋區(qū)上淀積第二電極。
該器件可以是一個半導(dǎo)體激光二極管，并且它可以是一個連續(xù)波激光二極管。連續(xù)波激光二極管是一個激光二極管，當(dāng)施加持續(xù)驅(qū)動電流(超過了激光振動的電流門限)時，放射其強(qiáng)度基本上隨著時間恒定的激光——如果希望，盡管使用變量的驅(qū)動電流可以控制連續(xù)波激光器以致提供一個隨時間變化的輸出強(qiáng)度。相反地，一個自振動激光，如在US-A-6456 640中揭示的，當(dāng)施加持續(xù)電流時，具有在高亮度和低(或零)亮度之間變化的光學(xué)輸出。
本發(fā)明的第二方面提供由第一方面的方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
附圖的具體描述當(dāng)前發(fā)明的首選特征將結(jié)合附圖以舉例說明的形式進(jìn)行描述，其中

圖1是一個在(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)中由MBE制造的半導(dǎo)體激光二極管的一般結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖2是一個在(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)中由MBE制造的半導(dǎo)體激光二極管的截面示意圖；圖3示出了圖2中激光二極管的受激發(fā)射光譜；圖4示出了圖2中的激光二極管的光功率輸出；圖5是一個適于實現(xiàn)本發(fā)明的MBE裝置的示意圖；和圖6是一個在(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)中由MBE制造的另一個半導(dǎo)體激光二極管的一般結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
整個附圖中同樣的參數(shù)指示同樣的部件。
較優(yōu)實施例的詳細(xì)描述圖1是一個在(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)中由MBE制造的半導(dǎo)體激光二極管的一般結(jié)構(gòu)的截面示意圖。圖1中的激光二極管包含多個由MBE方法淀積在襯底1上以形成一個p-n結(jié)的層。該襯底是一個GaN襯底或是由在基礎(chǔ)襯底上方生長的GaN層組成的GaN“模板襯底”。在該實施例中該襯底1是一個“模板襯底”并且由在藍(lán)寶石晶片2上的n-型摻雜的GaN3層組成。
如圖1所示，淀積在襯底1上的層包括由第一導(dǎo)電型的覆層4形成的第一覆層區(qū)域和由與第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的覆層8形成的第二覆層區(qū)域。在該實施例中，該覆層4、8是AlGaN層，并且第一覆層4是n-型摻雜，第二覆層8是p-型摻雜。在第一覆層4和第二覆層8之間被提供一個光制導(dǎo)區(qū)5、7。在該實施例中，該光制導(dǎo)區(qū)包括在第一覆層上淀積的并且具有與第一覆層相同導(dǎo)電類型的第一光制導(dǎo)區(qū)5，和一個第二覆層8置于其上并且具有與第二覆層8具有相同導(dǎo)電類型的第二光制導(dǎo)區(qū)7。在該實施例中，該第一和第二光制導(dǎo)區(qū)5、7的每一個是由適當(dāng)摻雜的GaN光制導(dǎo)層形成。
由一個或多個(Al，Ga，In)N層形成的有源區(qū)域6位于第一光制導(dǎo)區(qū)5和第二光制導(dǎo)區(qū)7之間的光制導(dǎo)區(qū)內(nèi)。至少有源區(qū)域中的一層含有銦。該有源區(qū)域可以是例如一個InGaN單個或多個量子阱有源區(qū)域。
電源通過第一和第二電極9、10耦合到激光二極管。該第一電極9設(shè)置在襯底1的作為第一覆層4的相同表面上——該第一覆層不完全覆蓋襯底的表面。該第二電極10設(shè)置在堆疊層上——在圖1中接觸層19設(shè)置在第二覆層8的上方，并且第二電極10通過淀積在接觸層19上的絕緣SiO2中的窗口淀積在接觸層19之上。
附圖2是一個實際連續(xù)波激光二極管的截面示意圖。該激光二極管是在由MOCVD在藍(lán)寶石襯底2上淀積的9-10μm厚的硅摻雜GaN層3構(gòu)成的批量供應(yīng)的“模板襯底”1上，通過MBE制造的。然后在襯底1上由MBE生長多個層，由MBE生長的層如下i)摻雜硅的GaN層11，0.3μm厚；ii)摻雜硅的Al0.08Ga0.92N覆層4，0.9μm厚；iii)摻雜硅的GaN光學(xué)引導(dǎo)層5，0.1μm厚；iv)未摻雜的Al0.15Ga0.85N有源區(qū)域下部阻擋層12，20nm厚；v)未摻雜的Inl0.1Ga0.9N量子阱層13，2nm厚；vi)未摻雜的GaN阻擋層14，12nm厚；vii)未摻雜的In0.1Ga0.9N量子阱層15，2nm；viii)未摻雜的GaN阻擋層16，12nm厚；ix)未摻雜的In0.1Ga0.9N量子阱層17，2nm；x)未摻雜的Al0.2Ca0.8N有源區(qū)域上部阻擋層18，5nm；xi)摻雜Mg的GaN光制導(dǎo)層8，0.5μm厚；xii)摻雜Mg的Al0.08Ga0.92N覆層7，0.1μm厚；和xiii)摻雜Mg的GaN接觸層19，20nm厚該GaN層11(上述層(i))是一個緩沖層。提供它以埋藏可能存在于襯底1的表面的任何殘留的污染物。
激光二極管的有源區(qū)域是由有源區(qū)域，下部阻擋層12，量子阱層13、15、17，阻擋層14、16，和有源區(qū)域上部阻擋層18構(gòu)成的(即，該有源區(qū)域是由層(iv)到層(x)構(gòu)成的)。這些層并不是有意摻雜的。
上面的(i)到(xiii)的層的每一個是由MBE生長的。氨氣被用作V族氮源，并且鋁、鎵和銦元素被用作III族的源。在摻雜層的生長中，硅元素被用作n-型的摻雜劑并且bis(cylopentadienyl)鎂(Cp2Mg)被用作p-型摻雜劑。
在900℃的MBE的生長溫度下生長GaN緩沖層11，第一覆層和第一光制導(dǎo)層5(即上述層(i)到(iii))。在630℃的MBE的生長溫度下生長形成有源區(qū)域的層12-18(即上述層(iv)-(x))。在970℃的MBE的生長溫度下生長第二光制導(dǎo)層7，第二覆層8和該接觸層19(即上述層(xi)-(xiii))。
在淀積了每一個有源區(qū)域下部阻擋層12，阻擋層14，16，和該有源區(qū)域上部阻擋層18之后，立即對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火。當(dāng)?shù)矸e有源區(qū)域下部阻擋層12后立即執(zhí)行該退火步驟的溫度是890℃，當(dāng)?shù)矸e阻擋層14，16之后立即執(zhí)行的退火步驟的溫度是920℃，和淀積有源區(qū)域上部阻擋層18之后立即執(zhí)行的退火步驟的溫度是970℃。在未授權(quán)的UK專利申請No.0325099.0中給出了該退火步驟的更細(xì)致的描述。
然后蝕刻向下半導(dǎo)體層和包括淀積在襯底1上的n-型GaN層11，以形成一個臺面，如圖2中所示。襯底1的GaN層的表面的一部分在該蝕刻步驟中被暴露出來。接著在第一蝕刻步驟中蝕刻接觸層19和第二覆層8以在第二覆層8中形成一個脊?fàn)顥l紋結(jié)構(gòu)，以定義一個脊形波導(dǎo)管。該蝕刻步驟是使用常規(guī)的光刻和干化學(xué)蝕刻進(jìn)行的。該平臺為300μm寬和1μm長(在圖2中，該長度方向上延伸進(jìn)入紙的平面/伸出紙的平面)，并且該脊形波導(dǎo)管為5μm寬和1mm長。該激光面使用一個干和濕化學(xué)蝕刻而形成。
在上部p-型GaN接觸層19上通過在接觸層19上淀積的絕緣SiO2層20形成Ni-Cu-Au電極10。在襯底的部分GaN層3上淀積Ti/Al電極9，該部分GaN層3是在半導(dǎo)體層的蝕刻步驟中暴露出來以形成臺面——因此，該接觸是淀積在該臺面的一側(cè)的。通過該兩個電極9、10制作激光二極管的有源區(qū)域的電接觸是可能的。
取決于有源區(qū)域的層的確切成分，圖2中的該激光二極管具有從近似380nm到近似450nm波長范圍的發(fā)射波長。因此，本發(fā)明使得通過MBE制造連續(xù)波激光二極管成為可能，該二極管具有從近似390nm到近似410nm范圍的發(fā)射波波長，其為藍(lán)光DVD標(biāo)準(zhǔn)的波長范圍的波長。
在未授權(quán)的UK專利申請No.0325100.6中揭示了圖2的激光二極管的具體細(xì)節(jié)，例如激光二極管的半導(dǎo)體層的優(yōu)選成分范圍，在此結(jié)合其內(nèi)容作為參考。
圖3示出了從圖2中的激光二極管發(fā)出的受激發(fā)射光譜。圖3示出了來自作為波長函數(shù)的激光的光學(xué)輸出的亮度(在任何裝置中)。進(jìn)行這些測試該激光二極管在室溫時的脈沖電流條件下產(chǎn)生激光。在低于400nm的波長時光學(xué)發(fā)射峰值的最大發(fā)光強(qiáng)度的一半的全寬度小于0.2nm，這表示該二極管是產(chǎn)生激光的。
圖4示出了相對于圖2中的激光二極管的應(yīng)用電流的光學(xué)輸出強(qiáng)度的曲線特性(在任何裝置中)?？梢钥吹?，在近似0.6A的應(yīng)用電流處該輸出強(qiáng)度有一個明顯的彎曲，并這表示產(chǎn)生激光的開始——也就是說，激光控制的開始電流為近似0.6A。在應(yīng)用電流低于0.6A時不發(fā)生并且該二極管作為一個非發(fā)生激光的發(fā)光二極管控制。圖4的曲線也是在室溫時在脈沖低電流條件下再次得到的。
圖5是適于激光二極管在氮化半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中由根據(jù)本發(fā)明的方法的分子束外延的裝置的示意圖。該裝置包括一個生長容器21其中安置一個支持并加熱一個襯底S的加熱支架22。該生長容器21通過一個延伸到生長容器21中的排氣管24與超高真空泵23連接。排氣管24的內(nèi)部終點定義了生長容器21的一個真空出口25。該真空出口25安置在該襯底支架22的附近。
該生長容器21進(jìn)一步被提供一個延伸到生長容器內(nèi)的第一供給管26，由此第一供給管26的一個出口27接近并面向于其上將發(fā)生外延生長的基板S的表面。該第一供給管26可以相對于容器調(diào)整地安裝，以至于在外延生長工藝中在第一供給管26的出口27和基板S的外延生長表面之間可以變化相對小的距離。第一供給管26的縱軸是與外延生長的平面基本上垂直的。
該第一供給管26被用于提供氨，其為外延生長工藝中需要的氮前體。由于第一供給管26的出口27在相對接近襯底S處定位，一個相對高的氨的汽相壓力局限于外延生長物質(zhì)的表面，而通過泵23依然能達(dá)到生長容器21內(nèi)的超高真空環(huán)境。在生長工藝中，該高的氨汽相壓力能使一個高的V/III比率實現(xiàn)。
該裝置進(jìn)一步包括獨立可操作的、閘門控制的滲出單元28、29，該滲出單元包含用于外延生長工藝的元素銦、鎵和鋁(自圖5中示出了兩個這樣的單元，盡管實際中將提供更多的滲出單元)。常規(guī)地定位該滲出單元28和29并且分別的定義第二和第三供給管?？商峁└郊拥臐B出單元來在生長工藝中供給例如摻雜劑種類。
在歐洲專利申請No.98301842.5/0 864 672描述了上述類型的MBE裝置，在此結(jié)合其內(nèi)容作為參考。然而，應(yīng)注意到，本發(fā)明并不限于歐洲專利申請No.98301842.5中描述的MBE裝置類型，而且在任何可以提供需要的V/III比率的MBE裝置中實現(xiàn)。
圖6是另一個可以由本發(fā)明的方法生長的連續(xù)波激光二極管的截面示意圖。該激光二極管與圖1的激光二極管是普遍類似的，除了第一(n-型)接觸9不是安裝在與臺面結(jié)構(gòu)相同的襯底1的表面上。相反，該臺面結(jié)構(gòu)生長在襯底1的第一表面，并且該第一(n-型)接觸9設(shè)置在與襯底1的相反的第二表面。在圖6的激光二極管中，該襯底1是一個n-型摻雜的GaN襯底。
圖6的激光二極管的臺面結(jié)構(gòu)的層與圖1中的激光二極管的臺面結(jié)構(gòu)的層普遍對應(yīng)，它們的描述將不再重復(fù)。圖6中的激光二極管的有源區(qū)域6可以是，例如一個InGaN單量子阱區(qū)域，或者它可以是一個InGaN多量子阱有源區(qū)域，如圖2所示。
在上述實施例中，該第一覆層區(qū)域，第一光制導(dǎo)區(qū)，第二光制導(dǎo)區(qū)和第二覆層的每一個由單個半導(dǎo)體層構(gòu)成。然而大體上，該覆層區(qū)域和/或該光制導(dǎo)層可能由不止單個半導(dǎo)體層組成。
權(quán)利要求
1.一種以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，該方法包括在襯底上方依次生長第一覆層區(qū)域，第一光制導(dǎo)區(qū)，有源區(qū)域，第二光制導(dǎo)區(qū)和第二覆層區(qū)域；其中該方法包括通過分子束外延使用氨氣作為氮前體來淀積該第一覆層區(qū)域，該第一光制導(dǎo)區(qū)，該有源區(qū)域，該第二光制導(dǎo)區(qū)和該第二覆層區(qū)域的每一個；其中該襯底選自由GaN襯底和GaN模板襯底構(gòu)成的組；并且其中生長有源區(qū)域的步驟包括生長包含銦的層。
2.一種如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在襯底的表面的第一部分的上方生長該第一覆層區(qū)域，并且其中該方法包括在該襯底的該表面的第二區(qū)域淀積第一電極。
3.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中在襯底的第一表面上生長該第一覆層區(qū)域，并且其中該方法包括在該襯底的第二表面上方淀積第一電極。
4.一種如權(quán)利要求1所述的方法，包括在該第二覆層區(qū)域上方淀積第二電極。
5.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中該器件是半導(dǎo)體激光二極管。
6.一種如權(quán)利要求5所述的方法，其中該器件是連續(xù)波激光二極管。
7.一個由權(quán)利要求1中定義的方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
全文摘要
一種以(Al，Ga，In)N材料系統(tǒng)制造連續(xù)波半導(dǎo)體激光二極管的方法包括依次生長第一覆層區(qū)域(4)，第一光制導(dǎo)區(qū)(5)，有源區(qū)域(6)，第二光制導(dǎo)區(qū)(7)和一第二覆層(8)。該第一覆層區(qū)域(4)，該第一光制導(dǎo)區(qū)(5)，該有源區(qū)域(6)，該第二光制導(dǎo)區(qū)(7)和該第二覆層(8)中的每一個都是由分子束外延生長淀積的。
文檔編號H01S5/00GK1619904SQ200410102390
公開日2005年5月25日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者S·胡帕, V·鮑斯奎特, K·L·約翰遜, M·考厄, J·赫弗南 申請人:夏普株式會社