CN100413102C - 半导体发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供半导体发光装置，其中在活性层中自发电场的产生减小，从而能够提高亮度。半导体发光装置(1)装备有n-类型包层(3)；安置在n-类型包层(3)上的p-类型包层(7)；以及由氮化物构成并安置在n-类型包层(3)与p-类型包层(7)之间的活性层(5)，其中其特征在于通过正交于n-类型包层(3)和活性层(5)之间的界面的轴与活性层(5)的c-轴形成角度，以及通过正交于活性层(5)和p-类型包层(7)之间的界面的轴与活性层(5)的c-轴形成的角度，每个所述角度都大于零。

Description

半导体发光装置

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置。

背景技术

最近几年，关于短波半导体发光装置的开发蓬勃发展，短波半导体发光装置包括蓝光发射二极管(LEDs)和紫外光LEDs。相对较大带隙的材料III-V族化合物如InGaN和AlGaN以及II-VI族化合物如ZnO都理想适用于半导体发光装置。在这类半导体发光装置的一个实例中，在含有AlGaN的n-类包层与同样含有AlGaN的p-类包层之间安置有包含InGaN的活性层。在另一个实例中，在含有MgZnO的n-类包层与同样含有MgZnO的p-类包层之间安置有包含ZnO的活性层。

由III-V族化合物如InGaN或者II-VI族化合物如ZnO构成的晶体在很多情况下构成六方晶结构。在具有由六方晶系晶体化合物构成的活性层的半导体发光装置中，已知在活性层的异质界面上会发生自发电场如压电场的形成。这种自发电场越大，在活性层中的电子和空穴的波函数的重叠部分变得越窄，降低了电子和空穴重新复合的概率。该装置的发光效率因此降低了自发电场继续增长的程度。由于活性层越厚，自发电场越强，因此为了抑制由于自发电场导致发光效率降低而限制了活性层(尤其是在量子阱结构的势阱层)的厚度。这种对于活性层厚度的限制是限制了半导体发光装置亮度提高的一个因素。

发明内容

考虑前面的问题，本发明目的是可以获得半导体发光装置，其中在活性层产生的自发电场减小，从而能够提高亮度。

为了解决上面讨论的问题，根据本发明的半导体发光装置装备有：由六方晶化合物(hexagonal compound)构成的第一导电型的半导体层；由六方晶化合物构成的并安置在第一导电型半导体层上方的第二导电性半导体层；以及活性层，由六方晶化合物构成并安置在第一导电型半导体层与第二导电性半导体层之间。其中，所述半导体发光装置的特征在于在它的第一导电型半导体层侧上与所述活性层界面正交的轴以及在它的第二导电型半导体层侧上与所述活性层界面正交的轴分别与在活性层中的c-轴形成的角度大于零。

根据本发明的另一个方面的半导体发光装置装备有：第一导电型氮化物半导体层；第二导电型氮化物半导体层，其安置在第一导电型氮化物半导体层上方；以及活性层，安置在第一导电型氮化物半导体层与第二导电型氮化物半导体层之间并且由氮化物构成。其中，所述半导体发光装置的特征在于与沿着第一导电型氮化物半导体层的活性层界面正交的轴和与沿着第二导电型氮化物半导体层的活性层界面正交的轴分别与在活性层中的c-轴形成的角度都大于零。

在由六方晶化合物如氮化物半导体构成的活性层的实施方案中，当与在活性层侧面的两个边界面正交的轴与在活性层中的c-轴相符时(即，当活性层在c-平面生长时)，在活性层中自发电场的发生将最大。在上面描述的任一个半导体发光装置中，与沿着第一导电型半导体层(或第一导电型氮化物半导体层)的活性层界面正交的轴和与沿着第二导电型半导体层(或第二导电型氮化物半导体层)的活性层界面正交的轴分别与在活性层内的c-轴形成的夹角都大于零(即，在活性层侧面的两个边界面都不是c-平面的事实)的事实有助于减少自发电场在活性层的产生。因为这样减少的自发电场加宽了在活性层中的电子和空穴的波函数的重叠部分，提高了电子和空穴重新复合的可能性，因此活性层可以变得更厚，这使得发光装置的亮度更大程度提高。

根据本发明另一方面的半导体发光装置装备有：由六方晶化合物构成并具有主表面的基材；由六方晶化合物构成并外延生长到基材主表面的第一导电型半导体层；外延生长到第一导电型半导体层上并由六方晶化合物构成的活性层；以及由六方晶化合物构成并外延生长到活性层上的第二导电型半导体层。其中所述半导体装置的特征在于正交于基材主表面的轴与基材c-轴形成的角度大于零。

根据本发明再一方面的半导体发光装置装备有：由III族氮化物构成并具有主表面的基材；外延生长到氮化物基材的主表面上的第一导电型氮化物半导体层；外延生长到第一导电型氮化物半导体层上并由氮化物构成的活性层；以及外延生长到活性层上的第二导电型氮化物半导体层。其中所述半导体发光装置的特征在于正交于氮化物基材主表面的轴与氮化物基材的c-轴形成的角度大于零。

在上面描述的任一个半导体发光装置中，与基材(或氮化物基材)主表面正交的轴与基材(或氮化物基材)的c-轴形成的角度大于零(即，在基材(或氮化物基材)主表面不是c-平面的事实)的事实意味着在主表面上外延生长的活性层的两个边界面都不是c-平面，因此使得可以减少自发电场在活性层中的产生。因此自发电场的减小使得活性层可以变得更厚，这使发光装置的亮度提高到更大程度。

前述的半导体发光装置也可以特征在于基材(或氮化物基材)主表面包括基材(或氮化物基材)的{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面中的任意一个。由于这将意味着活性层的两个边界面包含这些平面中的任意一个，因此可以有效减少在活性层中自发电场的减少。在此处使用的{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面可认为是表示等效平面族。例如，(1010)平面、(0110)平面、(1100)平面、(1010)平面、(0110)平面和(1100)平面都将包括在{1010}平面族内。

前述半导体发光装置可以特征在于还装备有安装在基材(或氮化物基材)反面上并与基材(或氮化物基材)欧姆接触的第一电极，和安置在第二导电型半导体层(或第二导电型氮化物半导体层)上并与第二导电型半导体层(或第二导电型氮化物半导体层)欧姆接触的第二电极。在半导体发光装置的两个表面上以这种方式提供电极有利于向活性层中非常有效地注入电子和空穴，这样进一步有助于半导体发光装置的亮度提高。

在上面所述本发明方面的半导体发光装置也可以特征在于第一导电型半导体层、第二导电型半导体层以及活性层的六方晶化合物包括II族原子和VI族原子。由于包含II族原子和VI族原子的II-VI族化合物的晶体将构成六方晶晶体结构，因此与沿着第一导电型半导体层的活性层界面正交的轴和与沿着第二导电型半导体层的活性层界面正交的轴分别与在活性层内的c-轴形成的角都将大于零，这有助于有效地减小在活性层中自发电场的产生。在这些实施方案中半导体发光装置可以特征在于II族原子为锌原子，或者特征在于六方晶化合物为ZnO基化合物。

另外，在本发明某些方面的半导体发光装置可以特征在于第一导电型半导体层、第二导电型半导体层以及活性层的六方晶化合物包括III族原子和V族原子。由于包含III族原子和V族原子的III-V族化合物的晶体将构成六方晶晶体结构，因此与沿着第一导电型半导体层的活性层界面正交的轴和与沿着第二导电型半导体层的活性层界面正交的轴分别与在活性层内的c-轴形成的夹角都将大于零，这有助于有效地减小在活性层中自发电场的产生。在这些实施方案中半导体发光装置可以特征在于V族原子为氮原子，或者特征在于六方晶化合物为GaN基化合物。

此外，在本发明相关方面的半导体发光装置可以特征在于在氮化物基材的主表面的位错密度为1×10⁸cm^-2或更小。通过这样装备的具有其中主表面中位错密度较小的氮化物基材的半导体发光装置，穿过第一导电型氮化物半导体层到达活性层的位错密度可以保持较低，从而进一步提高装置的发光效率。

此外，本发明的半导体发光装置可以特征在于活性层具有量子阱结构，该结构包括势阱层和在势阱层侧面的多个阻挡层，所述阻挡层使用大于3nm的势阱厚度在势阱层中形成了势类。由于出现了如前面讨论的自发电场，因此在量子阱结构中的势阱厚度通常限制为不大于3nm。相反，在势阱层中自发电场发生可以通过前述半导体发光装置减小，这一事实使得势阱层能够变得比传统情况更厚。

本发明半导体发光装置的特征还可以在于：势阱层由Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1，0＜y≤1)。在其中势阱层在它们的组成中包括铟(In)的传统装置中，In的原子分数越大，自发电场的发生越明显。相反，在本发明的每个前述方面中在势阱层中自发电场的发生能够通过半导体发光装置而减少，这一事实使得即使在装备有由Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1，0＜y≤1)构成的势阱层的半导体发光装置中也能够提高亮度。

通过本发明的半导体发光装置，在活性层中自发电场的爆发最小化，从而提高了亮度。

对于本领域技术人员而言，从下面结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它目的，特征，方面和优点都将变得更明显。

附图说明

图1是解释涉及本发明一个实施方案的半导体发光装置的图；

图2所示为解释该实施方案基质的等距视图，其中图2B所示为用于解释在图2A所描述基质中的晶体取向的图；

图3是从侧面透视图的半导体发光装置的横截面图，用于更详细解释该实施方案中的活性层；

图4A-4C是横截面图，解释用于该实施方案的基材的制备方法。

图5A-5C是横截面图，解释使用基材制备半导体发光装置的方法；和

图6所示为阐述在其中MgZnO晶体分别生长到{0001}平面、{1010}平面和在{1124}平面上的情况下，在没有掺杂的MgZnO内的残留电子密度以及在用氮掺杂的MgZnO内p-类型载体的浓度的图表。

具体实施方式

参考附图，下面进行根据本发明的半导体发光装置的实施方式的详细解释。应该理解为在讨论附图时，用相同的标记符号指代相同元件，这些元件的多余描述将省略。

图1所示为本发明一个实施方案的半导体发光装置的图；在图1说明的半导体发光装置是平面发光光学元件如发光二极管的最佳结构。

如图1所示，半导体发光装置1装备有支撑基底11、n-类型包层3、活性层5、p-类型包层7、p-类型接触层17、阴极21和阳极23。

构建支撑基底11使其包括基材13和外延生长到基材13的主表面13a上的n-类型缓冲层15。插入n-类型缓冲层15，是为了将n-类型包层3、活性层5、p-类型包层7和p-类型接触层17层叠在基材13的主表面13a上。使基材13包括六方晶化合物如含有III族原子和V族原子的III-V化合物，或者含有II族原子和VI族原子的II-VI化合物。作为具体实例，由含有V族原子的氮原子(N)的III族氮化物(例如，氮化镓(GaN)基化合物或氮化铝(AlN)基化合物)构成的氮化物基材、或者由含有作为II族原子的锌原子(Zn)的化合物(如氧化锌(ZnO))构成的基材能够用作基材13。

基材13为矩形板形式，其中例如其厚度为300μm，而其平面尺寸为10mm×10mm。基材13的另外一个性质为：例如，加入n-类型掺杂剂如硅(Si)使其具有n-类型导电性。在基材13中n-类型掺杂剂的最佳浓度为例如1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3。此外，为了在活性层5中产生的光最佳地通过基材13，相对于波长为450～750nm的光，基材13的吸收系数优选为2～100cm^-1。

为了说明目的，图2A是描述本实施方案中基材13的等距视图，而图2B是用于解释在图2A所述的基材13中的晶体取向的图。形成了在本实施方案中基材13的主表面13a，以使通过垂直于至少部分主表面13a的轴A与根据沿着c-轴(即，<0001>方向)的基材13晶格的单位晶胞方向形成的角度将大于零。具体地，主表面13a优选以如下方式形成，即如图2B所述，轴A在基材13单位晶胞内以<1010>方向运转。根据不同情况，基材13的至少部分主表面13a优选在基材13单位晶胞中含有{1010}平面(图2B中平面31)。应该理解，此处所述的“包含{1010}平面”并不限制于使至少部分主表面13a与{1010}平面绝对重合；例如，只要通过{1010}平面与至少部分主表面13a形成的角的绝对值为10°或更小，可以获得几乎相当于使至少部分主表面13a与{1010}平面绝对一致的操作性能。

另外，优选这样形成主表面13a，即应使轴A根据基材13晶格的单位晶胞以<1124>方向或<1120>方向运转。根据不同条件，基材13的至少部分主表面13a优选在基材13单位晶胞中含有<1124>平面或<1120>平面。

本实施方案的再一个优选是沿c-轴(即，在[0001]方向)的基材13的晶格常数在

范围内，在a₁轴([2110]方向)、或在a₂轴([1210]方向)或在a₃轴([1120]方向)上的常数在

范围内。另外，优选通过X-射线衍射分析测定X-射线摇摆曲线的半高全宽(FWHM)，在基材13的主表面13a的单位表面积(1mm×1mm)内，为1000毫秒或更小。具有上述任一区别特征的基材13可以认为是具有优异结晶性能的基材13。而且，该种基材13可通过下面描述的制备方法最佳地实现。

另一个优选是在其中基材13是由III族氮化物构成的氮化物基材的实施方案中，在基材13的主表面13a的位错密度为较小值，如1×10⁸cm^-2。而且，该基材13通过下面描述的制备方法最优地实现。将基材13的主表面13a中的位错密度固定在较低值，使得在活性层5形成和作为非辐射中心中的“管”位错密度减小。

构建n-类型缓冲层15以使其包括与基材13相同的材料，即六方晶化合物如包含III族原子和V族原子的III-V族化合物或包含II族原子和VI族原子的II-VI族化合物，并向其中加入n-类型掺杂剂如Si。

再参考图1。n-类型包层3是本实施方案的第一导电型半导体层，而且其构成方式应使其包括六方晶晶体半导体化合物如包含III族原子和V族原子的III-V族化合物或包含II族原子和VI族原子的II-VI族化合物。具体地，n-类型包层3可以是例如由含有作为V族原子的氮原子(N)的III族氮化物(如GaN-基化合物如Al_x1Ga_1-x1N(0≤x1≤1))构成的第一导电型氮化物半导体层，或者可以是由含有作为II族原子的锌原子(Zn)的化合物(例如，ZnO基化合物如Mg_y1Zn_1-y1O(0≤y1≤1))构成的半导体层。例如，n-类型掺杂剂如硅加入到n-类型包层3中。该n-类型包层3外延生长到支撑基底11上即n-类型缓冲层15上。

活性层5是在半导体发光装置1中的发光区域。活性层5的结构包括六方晶化合物如包含III族原子和V族原子的III-V族化合物或包含II族原子和VI族原子的II-VI族化合物。具体地，活性层5例如由含有作为V族原子的氮原子(N)的III族氮化物(如GaN-基化合物如Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1，0＜y≤1))构成，或者由含有作为II族原子的锌原子(Zn)的化合物(例如，ZnO基化合物如ZnO)构成。活性层5外延生长到n-类型包层3上。

p-类型包层7和p-类型接触层17在本实施方案中是第二导电型半导体层，而且其构成包括六方晶结晶半导体化合物如包含III族原子和V族原子的III-V族化合物或包含II族原子和VI族原子的II-VI族化合物。具体地说，p-类型包层7可以是例如由含有作为V族原子的氮原子(N)的III族氮化物(如GaN-基化合物如Al_x2Ga_1-x2N(0≤x₂≤1))构成的第二导电型氮化物半导体层，或者可以是由含有作为II族原子的锌原子(Zn)的化合物(例如，ZnO基化合物如Mg_y2Zn_1-y2O(0≤y₂＜1))构成的半导体层。在p-类型包层7包含III-V族化合物的实施方案中，例如镁(Mg)加入p-类型包层7中作为p-类型掺杂剂。同样地，在其中p-类型包层7包含II-VI族化合物的实施方案中，例如氮(N)加入p-类型包层7中作为p-类型掺杂剂。p-类型包层7外延生长到活性层5上。这意味着活性层5夹在n-类型包层3和p-类型包层7中间。

n-类型包层3向活性层5供应电子，而p-类型包层7向活性层5供应空穴。此外，通过含有AlInGaN或ZnO的活性层5、每个都由AlGaN或MgZnO构成的n-类型包层3和p-类型包层7，n-类型包层3和p-类型包层7的势垒(带隙)变得比活性层5的势垒更高。因此，供应到活性层5中的载体(电子和空穴)通过n-类型包层3和p-类型包层7的作用而限制在活性层5内部，这促进了电子和空穴在活性层5中的重新复合，而更有效地发光。

在该实施方案中，由于n-类型缓冲层15、n-类型包层3、活性层5和p-类型包层7都依次外延生长到基材13的主表面13a上，因此在n-类型包层3侧的活性层5的边界面和在p-类型包层7侧的活性层5的边界面的每个沿面取向都反映出主表面13a的沿面取向。这表示垂直于活性层5与n-类型包层3的边界面的轴和垂直于活性层5与p-类型包层7的边界面的轴都与活性层5中c-轴方向形成的角将大于零。例如，如果至少部分主表面13a包含{1010}平面，则在活性层5侧面的两个界面都将包含{1010}平面。此处优选如主表面13a那样，在活性层5侧面的两个界面都包含位于活性层5中中的{1010}平面、{1124}面平和{1120平}面中的任一个平面。

用于电连接p-类型包层7和阳极23的p-类型接触层17由其中加入有p-类型掺杂剂的六方晶晶体半导体化合物构成。例如在本实施方案中，p-类型接触层17由氮化物半导体如掺杂有镁的氮化镓构成，或者由ZnO基半导体化合物如掺杂有氮的氧化锌构成。p-类型接触层17在p-类型镀层7上形成。

阴极21在本实施方案中是第一电极。阴极21装备在基材13的反面13b上，而且在本实施方案中阴极21安装在基材13反面13b的单一部分(接近中心部分)。例如，阴极21是一些金属的顺序层叠的层如Ti-Al-Au，并且在其中实现了阴极和基材13的反面13b之间的欧姆接触。

在本实施方案中，阳极23是第二电极。阳极23是安置在p-类型接触层17的顶上，而且在本实施方案中，阳极23是安置在p-类型接触层17的整个面上。例如，阳极23是一些金属的顺序层叠的层如Ni-Au-Al-Au，并且在其中实现了阳极和p-类型接触层17之间的欧姆接触。此外，阳极23的功能是反射在活性层5中产生的光。

在这一点上，为了对本实施方案的活性层5给出更详细描述，现在转向描述图3，半导体发光装置1的侧面横截面图。如图3所描述，活性层5包括一个或多个势阱层(例如，势阱层25a-25c)和多个阻挡层(例如，阻挡层27a-27d)。在本实施方案中，形成了势阱层25a-25c，以使势阱层25a-25c每个的厚度都将大于3nm。

势阱层25a-25c与阻挡层27a-27d交替层叠，这样就构成了在活性层5中的量子阱结构。在其中活性层5由III族氮化物构成的实施方案中，势阱层25a-25c示范性地由Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1，0＜y≤1)构成，而阻挡层27a-27d示范性地由Al_x3In_y3Ga_(1-x3-y3)N(0≤x3≤1，0≤y3＜1)构成。量子阱结构应能使阻挡层27a-27d的带隙比势阱层25a-25c的带隙大，因此阻挡层27a-27d在势阱层25a-25c中形成势垒。应该理解为虽然在本实施方案中的活性层5具有多个量子阱(MQW)结构，但是也可具有单个量子阱(SQW)结构。

活性层5的再一个特征是因为势阱层25a-25c和阻挡层27a-27d分别交替外延生长，势阱层25a-25c和阻挡层27a-27d之间界面的每个沿面取向都反映基材13的主表面13a的沿面取向。这意味着垂直于势阱层25a-25c和阻挡层27a-27d之间界面的轴与在势阱层25a-25c和阻挡层27a-27d中c-轴方向形成的角将大于零。优选如主表面13a那样，势阱层25a-25c和阻挡层27a-27d之间的界面包括{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面中的的任一个平面。

此处，为了获得使用半导体发光装置1获得较强的亮度，与活性层5厚度方向相交的截面的表面积优选为0.1mm²或更大。而且为了维持高效率的发光，在刚才提到的在活性层5中的截面表面积内，其中植入载体的表面积比例使得发光区域比例优选为90％或更高。

具有前述配置的半导体发光装置1的操作如下。应用阳极23和阴极21间的驱动电压，于是电子和空穴都集中在活性层5内部的势阱层25a-25c中。然后，通过电子和空穴在势阱层25a-25c内部重新组合，就产生了光。在活性层5产生的光中，直接朝向阳极23的射线在阳极23上反射，然后该光通过基材13的反面13b输出到半导体发光装置的外部。

此处将解释在前面描述的本实施方案的半导体发光装置1的制备方法。参考图4A-4C，它是用于解释制备本实施方案的基材13(参见图2A)的制备方法的截面图，而图5A-5C是用于解释使用该基材13制备半导体发光装置1的方法的截面图。应该理解，尽管其中基材13由氮化镓(GaN)构成的实施方案将在下面详细描述，但是其中由氮化铝(AlN)构成基材13的实施方案也可以通过下面的相同方法制备。

首先，如图4A所示，准备具有主表面41a(为{111}平面)的GaAs晶片41。然后，通过将在下面解释的称为外延侧向过度生长(epitaxiallateral overgrowth，ELO)的一项技术，GaN在GaAs晶片的主表面上生长。在ELO中，最初在GaAs晶片41的主表面41a上形成具有窗口的掩膜43。应该使用在其上不能直接生长GaN的物质作为开了窗口的掩膜43的材料。

该制备方法继续进行如下：穿过开孔掩膜43的窗口，在GaAs晶片41的主表面41a上外延生长GaN，由此形成GaN晶块45。在该过程中，GaN沿着c-轴生长。虽然在该过程中产生由于GaAs和GaN之间的晶格错配而导致的晶格缺陷(位错等)，但是因为直接在GaAs晶片41上生长后的GaN在开口掩膜43上以平行于主表面41a的方向上生长，因此，晶体缺陷也在相同方向生长。然后，晶格缺陷集中在其中GaN在平行于主表面41a的方向上生长的相邻情况相抵触的位置，成为平面缺陷。这样，引起分散在GaN内部的晶格缺陷通过ELO集中成为平面缺陷，这有助于最优地获得低位错密度的GaN晶块45，例如其中位错密度可以为1×10⁸m^-2。

然后该方法继续进行如下：从GaN晶块45切割出GaN晶片47。在该过程中，切割使得例如GaN晶片47的主表面47a将平行于在GaN晶块的c-轴方向，从而使得能够获得在主表面47a中包含{1010}平面或{1120}平面的GaN晶片47(图4C)。另外，切片使得例如GaN晶片49的主表面49a与在GaN晶块45中c-轴方向对角相交，从而使得能够最优获得在主表面49a中包含{1124}平面的GaN晶片49。在以下描述中，此处将详细描述在主表面47a中包含{1010}平面的GaN晶片47从晶块切割的情况。

然后，该方法继续进行如下：如图5A所示，在GaN晶片47的主表面47a上依次外延生长n-类型缓冲层51、n-类型包层53、活性层55、p-类型包层57和p-类型接触层59。这些层都分别与前面描述的n-类型缓冲层15、n-类型包层3、活性层5、p-类型包层7和p-类型接触层17的材料相同。如图5B所示，这种外延生长后，通过如气相沉积方法在p-类型接触层59上形成阳极61。依次，有预定图案的掩膜在GaN晶片47的反面47b上形成，其中多个阴极21通过气相沉积阴极材料随后除去掩膜而形成。

在下一阶段中，GaN晶片47和重叠层经从它们的厚度方向劈开而制备出半导体发光装置1，所述装置1装备有GaN构成的基材13、n-类型缓冲层15、n-类型包层3、活性层5、p-类型包层7、p-类型接触层17、阳极23和阴极21。

在基材13由氧化锌(ZnO)构成的实施方案中，虽然晶块生长的方式不同于当基材由氮化镓构成时的晶块生长方式，但是半导体发光装置1可以通过从其中将晶片从晶块切割的阶段与前述制备方法相同的方法制备。在该实施方案中，最初氧化锌(ZnO)晶片从导电ZnO晶体中切割。在这样做的过程中，切片使得例如ZnO晶片的主表面平行于在ZnO晶体中c-轴方向，从而能够获得在主表面包含{1010}平面或{1120}平面的ZnO晶片。另外，切片使得例如ZnO晶片的主表面与ZnO晶体中c-轴方向对角相交，从而能够获得包含{1124}平面的ZnO晶片。

在该实施方案中，该方法继续进行如下：在ZnO晶片上依次分子束外延生长每个厚度为10～1000nm的由n-类型ZnO构成的n-类型缓冲层和由n-类型MgZnO构成的n-类型包层，再在其上生长厚度为1～10nm的由掺杂ZnO构成的活性层，再在其上生长厚度为10～1000nm的由p-类MgZnO构成的p-类缓冲层和由ZnO构成的p-类接触层。然后分别在ZnO晶片的反面上和在p-类型接触层上形成欧姆电极，而ZnO晶片与在ZnO晶片上的层从它们的厚度方向劈开以形成半导体发光装置。

解释在前面所述根据本实施方案的半导体发光装置1的性能。通常在制备III族氮化物半导体或ZnO基半导体中，在大多数情况下半导体层如活性层在基材的c-平面上生长。这是由于晶体表面的平面性和装置发光性质的缘故，因此优选沿着c-轴生长III族氮化物或ZnO基化合物。

然而，在与活性层侧面的两个界面(异质界面)正交的轴与在活性层中c-轴相合的情况下(即，活性层在c-平面上生长的情况下)，在活性层的异质界面上生长的自发电场如压电场变成最大。在根据本实施方案的半导体发光装置1中，形成活性层5，使得与活性层5和n-类型包层3的界面正交的轴和与活性层5和p-类型包层7的界面正交的轴中的每一个与活性层5中的c-轴相交形成的角都大于零(即，在活性层5侧面的两个异质界面都不是c-平面)。这有助于减少在活性层5中发生的自发电场。这样，就拓宽了在活性层5中电子和空穴的波函数的重叠部分，因而提高电子和空穴重新组合的可能性，这使得活性层5可以比传统厚度更厚，因而能够提高发光装置的亮度。

根据本实施方案的半导体发光装置1的再一个特征是：基材13的主表面13a的构造使得与主表面13a正交的轴A(参见图2A和2B)与基材13的c-轴形成的角大于零(即，基材13的主表面13a不是c-平面)。结果，在主表面13a上外延生长的活性层5的两个异质界面都不是c-平面，这使得能够减少自发电场在活性层5中发生。这也能够使得活性层5变得比通常的厚，有助于提高半导体发光装置的亮度。

而且，本发明人发现对于II-VI族化合物，在除c-轴方向的其它方向的晶体生长比使用c-轴方向作为生长方向的II-VI族晶体生长产生更好的半导体性质。在这点上，参考图6，该图描述了在其中MgZnO晶体分别在{0001}平面、{1010}平面和{1124}平面上生长的情况下，没有被掺杂的MgZnO内的残余电子密度和氮掺杂的MgZnO内的p-类型载体浓度。从图6可以理解，在其中MgZnO晶体在{0001}平面上生长的情况下(即，在其中ZnO晶体使用c-轴方向作为生长方向的情况下)，对于没有掺杂的MgZnO，残余电子密度为较大的5×10¹⁶cm^-3，而对于氮掺杂的MgZnO，p-类型载体浓度不能测量，这意味着晶体没有表现出p-类型导电性。相反，在MgZnO晶体在{1010}平面生长的情况下，对于没有掺杂的MgZnO，残余电子密度为较小的8×10¹⁴cm^-3，而对于氮掺杂的MgZnO，p-类型载体浓度可测出为较大的值，该值为5×10¹⁷cm^-3。同样，在其中MgZnO晶体在{1124}平面生长的情况下，对于没有掺杂的MgZnO，残余电子密度变小成2×10¹⁵cm^-3，而对于氮掺杂的MgZnO，p-类型载体浓度可测出为较大的值，该值为3×10¹⁷cm^-3。

使用从c-轴倾斜的生长方向生长MgZnO晶体，使得能够获得所需的杂质浓度，并获得优异的半导体性质。这大概因为：在其中MgZnO晶体具有直接沿着c-轴的生长方向进行生长的情况下，在晶体内部锌(Zn)和氧(O)之间的平衡容易打乱，在晶体中产生了很多缺陷，并使该晶体在电学上不稳定。然而，通过本发明的半导体发光装置1，因为基材13的主表面13a的形成方式使得通过与主表面13a正交的轴与基材13的c-轴方向形成的角将大于零，因此在主表面13a上生长的p-类型半导体层(p-类型包层7和p-类型接触层17)的杂质浓度可以容易地控制在所需值。应该注意通过将铬原子(Cd)混入到MgZnO晶体中，能够进一步改善MgZnO晶体的晶体性质。

还优选在本实施方案中，基材13的主表面13a包括基材13的{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面中的任意一个面。这将意味着在活性层5上的两个异质界面将包含这些面中的任意一个，这有助于有效减少自发电场在活性层5中的出现。

在本实施方案中，另外优选将阴极21装备在基材13的反面13b上，而阳极23安装在p-类型接触层17上。在半导体发光装置1的两个面上装备电极的方式能够使电子和空穴被有效地植入活性层5中，以利于进一步改善半导体发光装置的亮度。

在本实施方案中，也优选基材13的主表面13a的位错密度为1×10⁸cm^-2或更小。由于基材13的主表面13a的位错密度较小的这种方式，穿过n-类型缓冲层15和n-类型包层3到达活性层5的位错密度可以保持较低，这使得能够进一步升高装置的发光效率。

本发明的再一个优选方案是，在本实施方案中，活性层5具有包括势阱层25a-25c的量子阱结构以及在势阱层25a-25c侧面并在势阱层25a-25c中形成势垒的阻挡层27a-27d，所述势阱层25a-25c的厚度大于3nm。通常在量子阱结构中，由于在活性层的异质界面上导致自发电场，因此势阱层厚度限制在不大于3nm。但是通过根据本实施方案的半导体装置1，能够减少在上述的势阱层25a-25c中的自发电场，能够使势阱层25a-25c变得比通常更厚(厚度大于3nm)。

而且，如本实施方案中所述的情况，势阱层25a-25c可以由Al_xIn_yGa_(1x-y)N(0≤x≤1，0＜y≤1)组成。在其中势阱层25a-25c在其组成中包括铟(In)的实施方案中，虽然In的原子分数越大，自发电场的发生将越显著，但是，在根据本发明的半导体发光装置1中，因为在势阱层25a-25c中自发电场能够减小，在其中势阱层25a-25c在它们的组成中包括铟(In)的实施方案中能够提高亮度。

此外，在本实施方案中，构成n-类型包层3、活性层5和p-类型包层7的六方晶化合物可以包含II族原子和VI族原子，或者它可以包含III族原子和V族原子。由于包含II族原子和VI族原子的II-VI族晶体化合物和包含III族原子和V族原子的III-V族晶体化合物每个都构成六方晶晶体，因此垂直于活性层5与n-类型包层3的界面的轴和垂直于活性层5与p-类型包层7的轴中的每一个与活性层5中的c-轴形成的角都大于零，这能够有效减少在活性层5中的自发电场。

根据本发明的半导体发光装置并不限制于上面所述的实施方案，而是可以由除上述之外的各种改进。例如，尽管在上述实施方案中描述了作为半导体发光装置的平面发射半导体装置如发光二极管，但是本发明也使用激光二极管。

Claims (17)

1. 一种半导体发光装置，具有：

第一导电型半导体层，其由六方晶化合物构成；

第二导电型半导体层，其由六方晶化合物构成并安置在第一导电型半导体层上方；和

活性层，其由六方晶化合物构成并安置在第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间；

所述发光装置的特征在于：

正交于活性层与第一导电型半导体层的界面的轴和正交于活性层与第二导电型半导体层的界面的轴中的每个都与活性层中的<0001>方向形成角度，每个角度都大于零。

2. 一种半导体发光装置，具有：

基材，其由六方晶化合物构成并具有主表面；

第一导电型半导体层，其由六方晶化合物构成并外延生长到基材主表面上；

活性层，其外延生长到第一导电型半导体层上并由六方晶化合物构成；和

第二导电型半导体层，其由六方晶化合物构成并外延生长到活性层上；其中所述半导体发光装置的特征在于：

正交于基材主表面的轴与基材的<0001>方向形成的角度大于零。

3. 如权利要求2所述的半导体发光装置，其特征在于基材的主表面包括基材的{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面中的任一个平面。

4. 如权利要求2或3所述的半导体发光装置，其特征在于还装备有：

第一电极，其安置在基材反面上并与基材欧姆接触；和

第二电极，其安置在第二导电型半导体层上并与第二导电型半导体层欧姆接触。

5. 如权利要求1～3中任一项所述的半导体发光装置，其特征在于第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和活性层的六方晶化合物包括II族原子和VI族原子。

6. 如权利要求5所述的半导体发光装置，其特征在于II族原子为锌原子。

7. 如权利要求5所述的半导体发光装置，其特征在于六方晶化合物为ZnO基化合物。

8. 如权利要求1～3中任一项所述的半导体发光装置，其特征在于第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和活性层的六方晶化合物包括III族原子和V族原子。

9. 如权利要求8所述的半导体发光装置，其特征在于V族原子为氮原子。

10. 如权利要求8所述的半导体发光装置，其特征在于六方晶化合物为GaN基化合物。

11. 一种半导体发光装置，装备有：

第一导电型氮化物半导体层；

第二导电型氮化物半导体层，其安置在第一导电型氮化物半导体层上方；和

活性层，其安置在第一导电型氮化物半导体层和第二导电型氮化物半导体层之间并由氮化物构成；所述半导体发光装置的特征在于：

正交于活性层和第一导电型氮化物半导体层的界面的轴和正交于活性层和第二导电型氮化物半导体层的界面的轴中的每个与活性层中的<0001>方向形成的角度都大于零。

12. 一种半导体发光装置，装备有：

基材，其由III族氮化物构成并具有主表面；

第一导电型氮化物半导体层，其外延生长到氮化物基材的主表面上；

活性层，其外延生长到第一导电型氮化物半导体层上并由氮化物构成；和

第二导电型氮化物半导体层，其外延生长到活性层上；

其中所述半导体发光装置的特征在于：

正交于氮化物基材主表面的轴与氮化物基材的<0001>方向形成的角度大于零。

13. 如权利要求12所述的半导体发光装置，其特征在于所述氮化物基材的主表面包括氮化物基材的{1010}平面、{1124}平面和{1120}平面中的任一个平面。

14. 如权利要求12或13所述的半导体发光装置，其特征在于还装备有：

第一电极，其安置在所述氮化物基材反面上并与所述氮化物基材欧姆接触；和

第二电极，其安置在第二导电型半导体层上并与第二导电型半导体层欧姆接触。

15. 如权利要求12或13所述的半导体发光装置，其特征在于氮化物基材的主表面中的位错密度为1×10⁸cm^-2或更小。

16. 如权利要求11～13中任一项所述的半导体发光装置，其特征在于活性层具有量子阱结构，所述量子阱结构包括势阱层以及在势阱层侧面并在势阱层中形成势垒的阻挡层，所述势阱层的厚度大于3nm。

17. 如权利要求16所述的半导体发光装置，其特征在于势阱层由Al_xIn_yGa_(1-x-y)N构成，其中0≤x≤1，0＜y≤1。

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