CN100481660C - Ⅲ族氮化物半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的III族氮化物半导体发光器件包括：由III族氮化物半导体构成的有源层(105)；电流阻挡层(108)，其在有源层(105)上形成且具有条形孔(108a)；超晶格层(p型层109)，其掩埋孔(108a)并且由包括Al的III族氮化物半导体构成；和包层(110)，其在超晶格层上形成并且由包括Al的III族氮化物半导体构成。当超晶格层的平均Al组分比表示为x1并且包层(110)的平均Al组分比表示为x2时，其表示为x1＜x2。

Description

Ⅲ族氮化物半导体发光器件
技术领域
本发明涉及一种具有电流阻挡层的III族氮化物半导体发光器件。
背景技术
近些年，作为典型光盘的数字通用盘(称作DVD)被广泛用在非常宽的领域中，从诸如电影、音乐、游戏和汽车导航等读出系统到诸如TV记录器和个人电脑安装驱动器等记录系统。其记录容量是CD的大约七倍，例如，其容量足够用于以标准图像质量记录当前的TV视频。然而，当以高质量直接记录未来期望变得普遍的数字高品质电视视频时，与之前相比，信息量势不可挡地增加；因此，当前DVD仅能记录大约20至30分钟。因此，对能够记录多达常规DVD的大约5倍的大容量的下一代光盘系统的期望逐步增加。
作为在下一代光盘系统中使用的光源，使用具有405nm波长的氮化物基蓝紫光半导体激光器。这是由于与在常规DVD中使用的具有650nm波长的AlGaInP基红光半导体激光器相比，光能够变窄，且光适合于信号的高密度记录。
由于材料固有特性，现有氮化物基半导体激光器不易于制造，且通过干法蚀刻p型包层(cladding layer)以具有脊形结构是惯例。更具体地，如图4中所示，以此顺序堆积n型衬底11、n型包层13、有源层15和脊形结构的p型包层20。而且，n型衬底11的下表面和p型包层20的脊形部分的上表面分别具有电极22和23。在具有脊形结构的氮化物基半导体激光器的情况下，由与脊形结构的外部空气的折射率差来控制水平光学限制。因此，p型包层20的蚀刻后剩余厚度d是决定束形状的重要参数。
然而，出现如下问题。首先，由于脊形的外部是具有小折射率的空气，因此水平折射率差Δn相比较有所增加。因此，其易于产生较高横模，且难以以高输出进行单横模工作。需要增加p型包层20的剩余厚度d，以降低具有脊形结构的氮化物基半导体激光器中的Δn。这种情况下，由于p型包层20中的水平电流加宽增加了；增加对于激光振动无贡献的无效电流成分，从而引起工作电流的增加。
而且，由于脊形结构外部是热导率低的空气，因此仅从n侧进行来自发光区的大部分热辐射。因此，具有脊形结构的氮化物基半导体激光器辐射性能低，并且难以进行高输出和在高温下工作。
而且，通过用诸如干法蚀刻的方法处理p型包层20来形成脊形波导。因此，p型包层20的剩余厚度d易于产生变化，该厚度对于控制束形状非常重要；且这是使得产量降低的因素之一。
为了解决这些问题，提出了一种具有内部条形结构的氮化物基半导体激光器，例如在专利文献1中所公开的。如图5中所示，在该结构的情况下，由于条形的外部覆盖有氮化物基材料，因此水平折射率差Δn相对低。因此，容易实现具有高输出的单横模工作。
而且，条形的外部覆盖有具有高导热系数的氮化物基材料，因此，辐射性能高并且可进行高输出和高温工作。
而且，由于在晶体生长中形成了与脊形结构的p型包层中的剩余厚度相对应的部分d，所以层厚度的变化小，并且能够稳定控制束形状。因此，其产量高且在批量生产中较佳。
此外，由于采用与p电极接触的大面积，因此与如图4中所示的脊形结构相比，能降低接触电阻。
[专利文献1]日本未决公开专利公开No.2003-78215
发明内容
然而，上述文献中公开的现有技术在以下几点具有改进的空间。
首先，在具有专利文献1中公开的内部条形结构的氮化物基半导体激光器的情况下，通常不容易稳定地获得低器件电阻。原因解释如下。
为了形成如图5中所示的内部条形结构，使用Mg作为掺杂剂，在具有条形孔的电流阻挡层18的凸凹表面上进行晶体生长，以形成p型包层20。此时，在掩埋于该孔中的p型包层20的部分中，在中部和端部处的Mg引入效率不同，因此必然不会保持Mg的面内均匀性。结果，通常不容易稳定实现低器件电阻。
本发明人已经发现需要形成在电流阻挡层的孔中具有超晶格结构的层(以下称作超晶格层)，以稳定实现这种低器件电阻。然而，如所述，由于通过晶体生长将超晶格层形成至电流阻挡层的孔，因此存在超晶格结构中的变化变得显著的情况。因此，层厚度厚的部分处的电阻增加，并且低器件电阻仍不能稳定地实现。如上所述，需要能够稳定地获得低器件电阻的III族氮化物半导体发光器件。
根据本发明，提供了一种III族氮化物半导体发光器件，包括：
有源层，其由III族氮化物半导体制成；电流阻挡层，其在有源层上形成且具有条形孔；
超晶格层，其掩埋所述孔并且含有包括Al的III族氮化物半导体；和
包层，其形成在超晶格层上且由包括Al的III族氮化物半导体制成，
其中，当超晶格层的平均Al组分比表示为x1且包层的平均Al组分比表示为x2时，其表示为x1<x2。
根据本发明，超晶格层的平均Al组分比小于包层的平均Al组分比，其中超晶格层掩埋电流阻挡层的孔且含有III族氮化物半导体，包层形成于超晶格层上。因此，能够提供一种能够稳定地获得低器件电阻的III族氮化物半导体发光器件。
此外，超晶格层指的是具有超晶格结构的层。
根据本发明，能提供一种能够稳定地获得低器件电阻的III族氮化物半导体发光器件。
附图说明
根据以下描述的优选实施例和以下的附图，上述的目的和其它目的以及特征和优点将变得更加明显。
图1是根据第一实施例的III族氮化物半导体发光器件的示意性截面图；
图2是根据第二实施例的III族氮化物半导体发光器件的示意性截面图；
图3是根据第三实施例的III族氮化物半导体发光器件的示意性截面图；
图4是具有常规脊形结构的氮化物基半导体激光器通常示出的截面图；和
图5是具有常规内部条形结构的氮化物基半导体激光器的示意性截面图。
具体实施方式
以下使用附图描述根据本发明的实施例。此外，在所有附图中，对于相似的构成元件给出相同的参考标号，且不重复其描述。
第一实施例
图1是根据第一实施例的III族氮化物半导体发光器件的截面图。在该III族氮化物半导体发光器件中，以此顺序在n型衬底101上叠置n型缓冲层102、n型包层103、n型光限制层104、有源层105、p型帽层106和p型光限制层107。
在p型光限制层107上形成具有条形孔108a的电流阻挡层108。而且，形成作为超晶格层的p型层109，以便掩埋电流阻挡层108的孔108a。p型包层110和p型接触层111叠置在电流阻挡层108和p型层109上。n电极112提供在n型衬底101的下表面上，且p电极113提供在p型接触层111的上表面上。
n型衬底101例如包括GaN衬底。n型缓冲层102例如含有GaN，并大约1μm厚。n型包层103例如含有Al0.1Ga0.9N，并且大约2μm厚。n型光限制层104例如含有GaN。有源层105具有由阱层和垒层构成的多量子阱结构。阱层例如含有In0.15Ga0.85N，且大约3nm厚。垒层例如含有In0.01Ga0.99N，且大约4nm厚。p型帽层106例如含有Al0.2Ga0.8N。p型光限制层107例如含有GaN，且大约0.1μm厚。p型接触层111例如含有GaN，且大约0.1μm厚。n型掺杂剂例如是Si，且p型掺杂剂例如是Mg。
电流阻挡层108含有AlwGa1-wN(0.4≤w≤1)，且例如含有AlN。在孔108a的外部形成含有具有高热导率的氮化物基材料的电流阻挡层108，因此能够提供辐射性能高且在高输出特性和高温工作特性方面较佳的III族氮化物半导体发光器件。电流阻挡层108的层厚度能够优选等于或者小于0.2μm，更优选等于或者小于0.12μm。在本实施例中，其例如大约为0.1μm。
在有源层105和电流阻挡层108之间的距离优选等于或者小于0.2μm，更优选等于或者小于0.15μm。在本实施例中，其大约为0.1μm。
p型层109具有超晶格结构，其由大约2.5nm厚的GaN和大约2.5nm厚的Al0.1Ga0.9N组成。
而且，在本实施例中，当具有超晶格结构的p型层109的平均Al组分比表示为“x1”，且p型包层110的平均Al组分比表示为“x2”时，其能够表示为x1<x2。更具体地，当p型层109具有由2.5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.1Ga0.9N构成的超晶格结构时，p型包层110能够是例如由2.5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.2Ga0.8N构成的超晶格结构。而且，例如，当p型层109具有由5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.15Ga0.85N构成的超晶格结构时，p型包层110能够是例如由2.5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.2Ga0.8N构成的超晶格结构。
这种III族氮化物半导体发光器件能够适合用于蓝紫光半导体激光器。
接下来，将描述根据第一实施例的制造方法。
将300hPa低压MOVPE生长系统用于制造根据本实施例的III族氮化物半导体发光器件。氢气和氮气的混合气体用作载气，且可分别将三甲基镓(trimethylgallium)、三甲基铝(trimethylaluminum)和三甲基铟(trimethylindium)用作Ga、Al和In源。而且，可将硅烷用作n型掺杂剂，且可将双环戊二烯基镁(bis-cyclopentadienyl magnesium)用作p型掺杂剂。
首先，在将n型GaN衬底101置于生长系统中之后，升高衬底温度同时提供氨气，且当温度达到生长温度时开始生长。在第一生长中，形成n型GaN缓冲层102、n型Al0.1Ga0.9N包层103、n型GaN光限制层104、有源层105、p型Al0.2Ga0.8N帽层106、p型GaN光限制层107和电流阻挡层108，其中有源层105具有由In0.15Ga0.85N阱层和In0.01Ga0.99N垒层构成的多量子阱结构。例如将生长温度设置成：在电流阻挡层108处为200至700℃，在有源层105处为800℃和在其它位置处为1100℃。
电流阻挡层108例如是AlN，且其层厚度设置为0.1μm。由于AlN电流阻挡层108在低温下生长，因此在第一生长完成时其变成无定形状态。在其上沉积SiO2膜，并使用通常的光刻技术形成具有条形孔的SiO2掩模。接下来，将磷酸和硫酸的混合液保持在50至200℃，以用作蚀刻剂，并且在AlN电流阻挡层108中形成条形孔。
接下来，在将其再次置于生长系统中之后，升高衬底温度同时提供氨气，并且当温度达到生长温度时开始第二生长。此时，在具有0.1μm厚度的AlN电流阻挡层108中，在衬底的加热处理期间形成了结晶。
之后，形成具有超晶格结构的p型层109、p型包层110和p型GaN接触层111。具有超晶格结构的p型层109是例如由2.5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.1Ga0.9N构成的超晶格结构。p型包层110是例如由2.5nm厚的GaN和2.5nm厚的Al0.2Ga0.8N构成的超晶格结构。之后，在下表面上形成n电极112，并且在上表面上形成p电极113。
在本实施例中，III族氮化物半导体发光器件可通过这种简单方法来制造，并且其在批量生产方面较佳。
以下将描述根据第一实施例的效果。
在本实施例中，具有超晶格结构的p型层109的平均Al组分比小于p型包层110的平均Al组分比。
如所述的，降低了提供在条形孔108a内部的作为超晶格层的p型层109的平均Al组分比，从而降低了由于超晶格结构的不均匀性对电阻退化的影响，从而能够稳定地获得低器件电阻。
以下将描述获得这种效果的原因。
当例如在电流阻挡层中形成的条形孔内部形成GaN/AlGaN的超晶格层时，在超晶格结构中的每个界面处引入载流子。因此，与体结构相比，在面内方向上的载流子迁移率增加了。因此，不论孔中Mg分布的面内均匀性好坏如何，在孔内的载流子分布都变得均匀。结果，能稳定地获得低器件电阻。
然而，由于通过晶体生长在电流阻挡层108的条形孔108a内部形成超晶格层，在超晶格结构中层厚度变化可能变得显著。这种情况下，例如，当超晶格层含有GaN/AlGaN且每一层的厚度变化时，尽管不失去由于超晶格结构导致的载流子分布均化效果，在AlGAaN层的层厚度厚的部分处电阻变高，因此不能稳定地获得低器件电阻。
为了降低该效应，降低形成超晶格层的AlGaN的Al组分是重要的。然而，在电流阻挡层108附近侧上的包层(p型包层110)是控制垂直光分布的主要层，因此考虑到光分布控制来确定其Al组分比的下限。因此，在本实施例中，考虑到光分布控制，确定在电流阻挡层108附近侧上的p型包层110的平均Al组分比，且关于此，考虑到器件电阻，将条形孔108a中提供的超晶格结构的平均Al组分比设置得低。这能够降低由于超晶格结构的不均匀性对电阻退化的影响，同时即使当超晶格结构不均匀时也能保持光限制效果。结果，在III族氮化物半导体发光器件中，能稳定获得低器件电阻。
而且，本实施例中，电流阻挡层的层厚度能够优选等于或者小于0.2μm，尤其等于或者小于0.12μm。
将电流阻挡层的层厚度设置在上述范围以内，从而抑制在条形孔内部形成的超晶格结构的自身变化。
更具体地，在GaN层上提供AlN电流阻挡层的情况下，例如在低温下形成电流阻挡层，以便成为无定形状态，从而防止发生由两种晶格常数之差导致的破裂。在该无定形状态的电流阻挡层中，在第二晶体生长的加热处理中加速了结晶，且此时，如果电流阻挡层过厚，则第二晶体生长开始于充分地进行电流阻挡层的结晶之前。由于其上方的结晶度低且将很多原料气体提供到条形孔，因此电流阻挡层上方的晶体生长速度低，因此，引起了产生提供于条形孔内部的超晶格结构的不均匀性。为了抑制超晶格结构的不均匀性，需要电流阻挡层的厚度比在第二晶体生长的加热处理中充分地单晶化电流阻挡层的上限值要薄。
在本实施例中，将电流阻挡层的厚度设置成上述范围，从而抑制了在条形孔内部形成的超晶格结构的不均匀性。结果，能进一步稳定地获得低器件电阻。
在本实施例中，电流阻挡层能够由AlwGa1-wN(0.4≤w≤1)制成。
即使当电流阻挡层的厚度薄的情况下，这也能充分地获得电流收缩功能。更详细地，如果关于电流阻挡层的载流子的势垒变小，则对激光器振荡无贡献的电流分量成指数增加，并且工作电流快速退化。电流阻挡层越薄，该趋势就越显著。为了抑制该效应，将电流阻挡层的势垒设置成大于对激光器振荡无贡献的电流分量开始快速增加的下限值，并且当电流阻挡层含有AlGaN时，将Al组分设置成较高。更具体地，即使当电流阻挡层的厚度薄、等于或小于0.12μm时，能够通过将电流阻挡层的Al组分设置成0.4或者更大且1或者更小来实现足够的电流收缩功能。
在本实施例中，在电流阻挡层和有源层之间的间距能够优选等于或者小于0.2μm，更优选等于或者小于0.15μm。
将电流阻挡层和有源层之间的间距设置成上述范围，从而显著地降低了在其间的水平方向上流动的无效电流，从而能实现低工作电流。
总之，如果电流阻挡层接近有源层，则水平折射率差Δn增加，因此难以以高输出进行单横模工作。这种情况下，如果电流阻挡层的厚度和材料如上所述地指定，则即使当电流阻挡层和有源层之间的距离接近上述范围时，也能够将水平折射率差Δn保持为足够小的值，例如大约0.005。因此，能够显著地降低工作电流，同时以高输出保持单横模工作。
第二实施例
图2是根据第二实施例的截面图。
与第一实施例的不同点在于p型再生长层201和具有超晶格结构的p型层109包括在电流阻挡层108的条形孔108a中。在这种情况下，p型再生长层201含有GaN、AlGaN、InGaN等。
第二实施例也能够获得与第一实施例相同的效果，并且还获得了改善再生长界面的平整度的效果、调整垂直光分布的效果等。而且，同样在第二实施例中，p型层109具有超晶格结构。因此，即使其是包括除了具有在电流阻挡层108的条形孔108a中的超晶格结构的p型层109之外的层的结构，与第一实施例中相同，其也能获得在电流阻挡层108的条形孔108a中的载流子分布的均化效果。
此外，上述实施例是范例，能作出各种修改，且本领域技术人员意识到，这种修改也在本发明的范围内。例如，不仅是p型再生长层201，而且还有除了该层之外的层，也可以包括在电流阻挡层108的条形孔108a中，作为除了具有超晶格结构的p型层109之外的层。
第三实施例
图3是根据第三实施例的截面图。
与第一实施例的不同点在于作为超晶格层的p型层109不仅形成在电流阻挡层108的条形孔108a中而且还形成在电流阻挡层108上。
例如通过减薄电流阻挡层108来加速在电流阻挡层108上方p型层109的生长。第三实施例也能获得与第一实施例中相同的效果。
此外，上述实施例是范例，可作出各种改进，且本领域技术人员将意识到这种改进也在本发明的范围内。例如，能作出组合第二实施例和第三实施例的实例。而且，例如，能通过多级或者多层来构成p型包层110。而且，例如，n型包层103可由超晶格结构构成。
如上所述，尽管参考附图描述了根据本发明的实施例，但是也可采用本发明的这些范例和除了上述之外的各种结构。
例如，如果其是在电流阻挡层的条形孔中具有超晶格层的结构，则电流阻挡层也能提供于n侧上。
而且，电流阻挡层可以在除了条形孔之外的部分处不连续，并且电流阻挡层的端部可以与器件的端部不一致。
而且，例如，同样在根据本发明的第一至第三实施例的任一个中，作为超晶格结构的p型层109可以通过例如含有InGaN和AlGaN的超晶格结构构成。这种情况下，尤其是使用GaN作为n型衬底101的情况下，与超晶格结构的p型层109通过含有GaN和AlGaN的超晶格结构构成的情况相比，能获得补偿晶格应力的效果。因此，包括超晶格结构的每一层的层厚度和组分的设计自由度增加了，并且能通过改善结晶度改善各种特性。
而且，例如，关于层厚度方向和垂直于层厚度方向的方向，作为超晶格层的p型层109可以改变构成超晶格结构的每一层的组分以及层厚度。在这种情况下，尤其是在第二生长的开始阶段，根据条形孔和电流阻挡层之间结晶度之差产生相似于选择性生长的功能。因此，趋于增加条形孔处的Al组分，并且存在孔的电阻增加的情况。在这种情况下，通过倾斜地改变构成超晶格结构的组分和层厚度，能获得抑制条形孔处的电阻退化的效果。

Claims (6)

1.一种III族氮化物半导体发光器件，包括：
由III族氮化物半导体构成的有源层；
电流阻挡层，其在所述有源层上形成并具有条形孔；
超晶格层，其掩埋所述孔并且由包括Al的III族氮化物半导体构成；和
包层，其在所述超晶格层上形成并且由包括Al的III族氮化物半导体构成，
其中，当所述超晶格层的平均Al组分比表示为x1并且所述包层的平均Al组分比表示为x2时，其表示为x1<x2。
2.如权利要求1的III族氮化物半导体发光器件，
其中所述电流阻挡层的层厚度等于或者小于0.2μm。
3.如权利要求2的III族氮化物半导体发光器件，
其中所述电流阻挡层由AlwGa1-wN构成，其中0.4≤w≤1。
4.如权利要求1的III族氮化物半导体发光器件，
其中包括所述超晶格层的每个层的组分或者层厚度相对于层厚度方向或者垂直于层厚度的方向变化。
5.如权利要求1的III族氮化物半导体发光器件，
其中所述超晶格层由InyGa1-yN和AlzGa1-zN构成，其中0≤y≤1，0<z≤1。
6.如权利要求1的III族氮化物半导体发光器件，
其中在所述电流阻挡层和所述有源层之间的间距等于或者小于0.2μm。
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