CN1114959C - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有双异质结构的光发射层形成部分包括一铝镓铟磷基化合物半导体的n型包覆层，一激活层和一P型包覆层依次外延制作在n型砷化镓基片上，P型包覆层的载流子浓度达1×1016到5×1016/立方厘米。P型铝镓砷化合物半导体的电流扩散层生长在P型包覆层上，并再制作P侧和n侧电极，当晶体生长时包覆层中的P型杂质向电流扩散层的扩散被减少，从而元件的发光效率和亮度得到改善。

Description

半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法，以便改进发光效率，使之不仅可适用于高亮度光源，如户外显示，汽车尾灯、方向指示器等；而且还可适用于低功耗光源，如背光光源、仪表照明光源以及电池供电的便携式电器等。
背景技术
常规发射可见光的半导体发光器件的结构已公开在如：日本临时专利公开号NO.平4-212476，其中采用一个如4图所示的铝镓铟磷基的半导体材料作为其发光层。即在图4中，在一n型砷化镓半导体基片1上外延生长出一层n型铝镓铟磷基化合物半导体材料的n型包覆层2，一层无掺杂铝镓铟磷基化合物半导体材料的激活层4，一层P型铝镓铟磷基化合物半导体材料的P型包覆层5，以及一层铝镓砷基化合物半导体材料的电流扩散层6(电流扩散层)。再通过砷化镓接触层7制作一上电极(P侧电极)8和在半导体基片的背部制作一下电极(N侧电极)9，并分别形成金铍镍合金和金锗镍合金，或相类似的合金。
这种发光器件的结构是一种双异质结构，它将激活层4夹在两个包覆层2，5之间，以将载流子限在其中。而二层铝镓铟磷基材料的包覆层2，5和一层激活层4所构成的发光层形成部分10是用它们的结晶混合比来加以选定的，以便提高其发光效率。
同时，包覆层2，5的载流子浓度是(5×1017到2×1018)/立方厘米，就如日本临时专利公开NO平4-212479所述。这是因为考虑到如果载流子浓度太低则限制载流子的作用就要下降。
常规的如图4所示的半导体发光器件的结构使发光器件的效率很低，亮度也不能达到给定的数值，用什么方法才能改进呢？为此，本发明即对半导体发光器件的发光效率的改进作用了大量反复的研究，其结果发现，发光效率低和难于提高亮度的关键问题是P型包覆层中的锌和镁等的P型杂质向激活层中扩散从而导致激活层和P型包覆层之间交界面上的结晶性能受到破坏，或者当外延生长P型包覆层或电流扩散层时导致激活层中结晶性能受到破坏。
发明内容
本发明就是为了解决这个问题以改进半导体发光器件的发光效率，所以本发明的一个目的就是提供一种半导体发光器件能抑制P型杂质使之以最小程度扩散到激活层中以提高其发光效率。
本发明的另一目的就是提供一种具有如上高亮度的半导体发光器件的制造方法。
本发明人进行了如上所述的大量反复的研究在如上所述的外延生长半导体层时防止P型杂质扩散到激活层中去，其结果表明，可以依赖控制注入到P型包覆层中P型杂质的量使其中载流子在P型包覆层中的浓度最终达到1×1016到5×1016/立方厘米来抑制由扩散而引起的结晶破坏，从而提供一高亮度的半导体发光器件。
根据本发明的半导体发光器件包括：一种半导体发光器件，包括n型半导体基片；光发射层形成部分，该光发射层形成部分是通过将夹在一层n型包覆层和一层P型包覆层之间的激活层复盖在所说的半导体基片上制成的，所述p型包覆层是由载流子浓度为1×1016到5×1016/立方厘米的铝镓铟磷基化合物半导体制成的；P型电流扩散层，其设置在所说的光发射层形成部分上，并且具有1×1018到3×1019/立方厘米的载流子浓度；分别设置与所述电流扩散层和所述半导体基片进行电连接的电极；P型第二包覆层，其相对于所说的激活层设置在所说P型包覆层的相对一面上，并由铝镓铟磷基化合物半导体层制成且具有5×1017到2×1018/立方厘米的载流子浓度；其中用P型铝镓砷基化合物半导体制成的所述电流扩散层覆盖在所述P型第二包覆层上。。在此种结构中，P型杂质的绝对量较少，以致即使在此后当生长半导体层的过程中P型杂质扩散到激活层一侧中去，扩散量也是很小的，并且不致引起结晶的破坏和降低光发射的特性。
在P型包覆层的与激活层相反的另一面上再制作一层P型第二包覆层，而该层由与P型包覆层相同的材料作为半导体层的基础，并且其载流子浓度达到5×1017到2×1018/立方厘米，可能阻止在具有较低载流子浓度的P-型包覆层和与P-型包覆层相邻的具有较高载流子浓度的半导体层之间所易于发生的异质壁垒效应而出现的电压降。此处所说的相同材料作为半导体的基础是指具有相同的几个元素所组成的化合物半导体但其中所含的元素的组分比例则有所不同。
发光层形成部分是由铝镓铟磷基的化合物半导体的叠加层所形成，并且再在铝镓铟磷基化合物半导体的P型第二包覆层上叠加上-P型铝镓砷基化合物半导体的电流扩散层，则所构成的半导体发光器件适用于发射高亮度的红光，而且电流扩散层的载流子浓度为1×1018到3×1019/立方厘米，可防止因异质壁垒效应所产生的电压降，所以电流就可以充分扩散；由此而使半导体发光器件获得很高的亮度。
此处的铝镓铟磷基化合物半导体即是指一种化学式为(AlxGa1-x)0.51In0.49P的物质，其中x是一个0到1的变量。同时，铝镓砷基物质即是指一种化学式为AlYGa1-yAs的物质，其中y是一个0.6到0.8的变量。
根据本发明的一种制造半导体发光器件的方法包括的步骤为：一种半导体发光器件的制造方法，其特征在于包括的步骤为：(a)在半导体基片上依次叠加制作出光发射层形成部分，该光发射层形成部分具有n型包覆层，不掺杂的激活层和P型包覆层，所述n型包覆层，激活层和P型包覆层都是用叠加铝镓铟磷基化合物半导体制成的，并使所说的P型包覆层最终的载流子浓度为1×1016到5×1016/立方厘米；(b)用铝镓铟磷基化合物半导体形成的半导体层在p型包覆层上生成P型第二包覆层，同时掺入杂质使其载流子浓度达5×1017到2×1018立方厘米；(c)在所述的p型第二包覆层上生成用铝镓砷基化合物半导体制成的p型的电流扩散层；及(d)制成与所述电流扩散层和所述半导体基片分别电连接的电极。
优选的是，如果半导体层是由金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)制得，则即可采用控制导入掺杂气的气流量的方法来控制载流子的浓度，这样控制浓度是很容易的。
上述所得的半导体发光器件适用于发射高亮度的红光，并可阻止由于异质壁垒效应而产生的电压降。
附图说明
图1是表示一种根据本发明的半导体发光器件的剖面结构视图。
图2是一表示发光强度随着P型包覆层的载流子浓度的变化而改变的曲线图。
图3是一种进一步改进的本发明的半导体发光器件的剖面视图。
图4是常规的半导体发光器件的剖面结构视图。
具体实施方式
现对本发明的半导体发光器件及其制造方法参照附图予以详细说明。
本发明的半导体发光器件具有如图1所示的实例的剖面结构。其中有一n型半导体基片1、例如为n型砷化镓基片；一复盖在半导体基片1上的光发射形成部分10、该形成部分10具有一夹在一层n型包覆层3和一层P型包覆层5之间的激活层4；一设置在光发射层形成部分10上具有p型电流扩散层6、例如为P型铝镓砷基化合物半导体；分别设置在电流扩散层6和半导体基片1上用于电连接的P侧电极8和n侧电极9，其中的P型包覆层的载流子浓度是1×1016到5×1016/立方厘米。
如上所述，本发明人已对改进常规半导体发光器件的效率作了深入研究，其结果表明常规半导体发光器件的光发射效率之所以得不到改善的原因是在于在P型包覆层中的高杂质浓度，它使P型杂质向激活层扩散而导致在外延生长包覆层或电流扩散层时使激活层的结晶受到损伤。在这种情况下，本发明人深入研究了减少P型杂质从P型包覆层向激活层扩散的条件。其结果表明，如图2所示，只要当注入P型杂质来制作P型包覆层时，使P型包覆层中的载流子浓度最终达到1×1016到5×1016/立方厘米，那末即可获得较高的光发射效率。为了寻找P型包覆层中载流子浓度的最佳范围，采用了如图1所示的半导体发光器件的结构。
在n型砷化镓基片1上用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)顺序生长出；一层约0.1微米厚的砷化镓作为缓冲层2并注入载流子浓度约为1×1018/立方厘米的硒；一层厚度约为0.5微米的(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P作为n型包覆层3并注入载流子浓度约为1×1016 1/立方厘米的硒；一层厚度约为5微米的未经掺杂的(Al0.25Ga0.75)0.51In0.49P作为激活层4；一层厚度约为0.5微米的(Al0.7Ga0.3)0.51I0.49P作为P型包覆层5，而其载流子浓度随锌的注入量的变化而改变；一层厚度约为5微米的Al0.7Ga0.3As作为电流扩散层6，并注入其载流子浓度约为1×1018/立方厘米的锌；以及一层砷化镓的接触层7，注入在其中的锌的浓度约为2×1019/立方厘米。
再分别在基片的顶面和底面上外延生长出一Au-Be-Ni合金的上电极8(P侧电极)和一Au-Ge-Ni合金的下电极9(N侧电极)。将基片切割成小方块以便制成独立器件。附带说明，接触层7是为了在P侧电极8和电流扩散层6之间建立起一个欧姆接触层而已。正因为光发射表面是处在半导体复盖层顶表面一侧，所以P侧电极8和接触层7必将遮蔽或吸收光发射层形成部分10发出的光，所以必须做得尽量的小，只要满足电流供给即可。此外，因为构成光发射层形成部分10的激活层4和两层包覆层3、5采用的材料有所不同，即其中的铝结晶体的混合比不同，所以形成了双异质结构，从而加强了激活层中限制载流子的作用。
采用这种半导体发光器件结构型式，只要不论何时在上述的生长条件下，在P型包覆层中注入杂质的浓度与别的半导体层不同并作各种变化，就能使得P型包覆层5中的载流子浓度也作各种变化，从而可以制得多种不同的半导体器件。由此而制得的器件经测试后所得的光发射强度见图2所示。载流子浓度是在一个单层上用C-V测量方法获得的。(该方法可按载流子浓度与层电容损失量的相关性来测出载流子浓度)。其中载流子的浓度是与每时每刻的杂质供给剂量(即气流率)有关。
图2中，横轴表示P型包覆层5中的载流子浓度NA(cm-3)，纵轴表示用上述结构的发光二极管(LED)中按任意单位(a.u)的光发射强度。从图2中可以得知，当P型包覆层中载流子浓度达到如常规方案那样高于约1×1017到1×1018/立方厘米时光发射强度即很快下降。最高光发射强度是当注入的P型杂质浓度为1×1016到5×1016/立方厘米时为最高，而与常规的P型包覆层中载流子浓度约为1×1017到1×1018相比其光发射强度提高到大约1.5倍。如果载流子浓度太低，则P型包覆层中的电阻就高了，以致载流子难于得到控制，反而增加了质量的不稳定性。
为了制造这种半导体发光器件，将一块n型砷化镓基片1，例如，放入一MOCVD装置中，导入的反应气体是三乙基镓(此后略作TEG)或三甲基镓(此后略作TMG)，砷化氢(此后作AsH3)。以及用作硒掺杂气体的H2Se并与载体气体H2一起导入。于n型砷化镓缓冲层2，在温度为600到750℃条件下外延生长到厚度约为0.1微米，并用硒注入生长使其浓度达到约1×1018/立方厘米。。然后，再导入磷化氢(此后作PH3)以置换AsH3，且加入三甲基铟(此后略作TMIn)用以外延生长出以n型(Al0.7Ga0.3)0.51Ino0.49P为材料的n型包覆层3，其载流子浓度约为5×1016到1×1018/立方厘米，而厚度达0.5微米。降低反应气体TMA而增加反应气体TEG或TMG以使制作不加注入的(Al0.25Ga0.75)0.51In0.49P作为激活层4，其厚度约达0.5微米。运用制作n型包覆层3相类似的反应气体并导入二甲基锌(此后略作DMZn)代替H2Se作为锌的剂量气体再外延生长出一层以(AL0.7G0.3)0.51In0.49P为材料的P型包覆层5，其载流子浓度约1×1016到5×1016/立方厘米，厚度为约0.5微米。
进一步，导入DMZn作为剂量气体并采用TMA，TEG或TMG和AsH3作为反应气体，外延生长出一层以Al0.7Ga0.3As为材料的电流扩散层6，其载流子浓度约为1×1018/立方厘米，而厚度约为5微米。再导TEG或TMG，AsH3和DMZn，制作GaAs的接触层7，其载流子浓度约为2×1019/立方厘米，而厚度约为0.05到0.2微米。此外，为了获得所期望的载流子浓度值，要注意载流子的浓度将随剂量气体的气流率的增加而增加，而载流子的浓度又将随气体的气流率的减少而减少。
已作如上外延生长的基片再在顶面和低面分别用真空蒸发等方法制作以Au(金)，Be(铍)，Ni(镍)等为材料的金属膜，并经退火而使其上制成一Au-Be-Ni合金的上电极(P侧电极)8和一Au-Ge-Ni合金的下电极(n侧电极9)，之后再切成小片以成独立基片。对于如上所述采用了铝镓铟磷基化合物半导体材料(AlxGa1-x)0.51In0.49P作为发光层形成部分而言，如果该形成部分中的激活层所用材料的X值约为0到0.4范围内，而包覆层所用材料的X值约为0.6到1范围内，则所得的半导体发光器件的光发射特性有可能达到优越的效果。
在上述实施例中，构成半导体发光器件中的各个半导体层都用具体的半导体材料的特定的厚度及载流子浓度以实例方式加以说明了。但是正如前面已经叙述，因为存在一个最佳发光效率的最佳区域的倾向，这取决于P型包覆层中的载流子的浓度。所以，在如图1所示的由一层n型包覆层3和一层P型包覆层5夹持一层激活层4构成一光发射成型层10这种结构的半导体发光器件中，即使其中的材料仍然是在通常的半导体发光器件的范围内作变化，只要不是其中的P型层而是其他半导体层的载流子浓度和半导体层的厚度亦有多种变化的话，仍然可能获得相类似半导体发光器件。
图3是本发明的半导体发光器件的进一步改进结构的剖面图，在图3中与图1相同的部分采用了相同的字母和标号，此处省略其说明。图3实施例的特征在于在P型包覆层5和电流扩散层6之间再制作一厚度为0.5微米的P型第二包覆层5a，它是用与P型包覆层5相同的基础成分(即其元素的构成相同，但其元素的结晶混合比不同)，外延生长而得，而其注入杂质，例如锌的载流子浓度则高达约5×1017/立方厘米。正是因为该半导体层与P型包覆层5的基础成分相同而其载流子浓度却如此之高，所以就可能防止由于异质壁垒效应而产生的电压降，也就是说，如果在一AlGaAs为材料，载流子高达约1×1018到3×1019/立方厘米的电流扩散层6和一AlGaInP基化合物半导体为材料，载流子浓度为低到约3×1016/立方厘米的P型包覆层5之间有一直接接触，则才会因异质壁垒效应而产生电压降。然而，加上一层与P型包覆层5基础成分相同但其有较高载流子浓度的半导体层之后，就不会因异质壁垒效应发生电压降。并进一步阻止了P型杂质向激活层4中的扩散，从而提供出一种高性能的半导体发光器件，这种半导体夹层，即第二包覆层5a，只要其载流子浓度约在5×1017到2×1018/立方厘米，其厚度约在0.1微米或更厚一些，即能阻止因异质壁垒效应而产生的电压降。工业应用
本发明的半导体光发射器件有很高的光发射效率和亮度而其激活层的结晶性能并未下降。而且，在晶体生长的条件下，P型杂质的扩散也未改变，由此而提供的半导体发光器件的亮度是稳定的。可以采用作为需要高亮度光源处的光发射元件，例如，户外显示，汽车尾灯，方向指示器等，也可用于需要低功耗处的光源，如背光光源，指示仪表盘的光源，以及用在电池供电的便携式电器中。

Claims (3)

1、一种半导体发光器件，包括：
n型半导体基片；
光发射层形成部分，该光发射层形成部分是通过将夹在一层n型包覆层和一层P型包覆层之间的激活层复盖在所说的半导体基片上制成的，所述p型包覆层是由载流子浓度为1×1016到5×1016/立方厘米的铝镓铟磷基化合物半导体制成的；
P型电流扩散层，其设置在所说的光发射层形成部分上，并且具有1×1018到3×1019/立方厘米的载流子浓度；
分别设置与所述电流扩散层和所述半导体基片进行电连接的电极；
P型第二包覆层，其相对于所说的激活层设置在所说P型包覆层的相对一面上，并由铝镓铟磷基化合物半导体层制成且具有5×1017到2×1018/立方厘米的载流子浓度；
其中用P型铝镓砷基化合物半导体制成的所述电流扩散层覆盖在所述P型第二包覆层上。
2、一种半导体发光器件的制造方法，其特征在于包括的步骤为：
(a)在半导体基片上依次叠加制作出光发射层形成部分，该光发射层形成部分具有n型包覆层，不掺杂的激活层和P型包覆层，所述n型包覆层，激活层和P型包覆层都是用叠加铝镓铟磷基化合物半导体制成的，并使所说的P型包覆层最终的载流子浓度为1×1016到5×1016/立方厘米；
(b)用铝镓铟磷基化合物半导体形成的半导体层在p型包覆层上生成P型第二包覆层，同时掺入杂质使其载流子浓度达5×1017到2×1018/立方厘米；
(c)在所述的p型第二包覆层上生成用铝镓砷基化合物半导体制成的p型的电流扩散层；及
(d)制成与所述电流扩散层和所述半导体基片分别电连接的电极。
3、一种如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，其中所说半导体层都用一种金属有机物化学气相沉积法制成的，从而通过控制导入的掺杂气体的流速来控制其载流子浓度。
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