CN1151562C - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光元件及其制造方法。该半导体发光元件包括：衬底；半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；和电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP(0＜x＜1)的材料制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件，例如发光二极管，并涉及这种元件的制造方法。
背景技术
由于多种原因，通常将用AlGaInP半导体材料制成的半导体发光元件用作可见光发光元件。这就是说，AlGaInP材料具有能够与GaAs衬底晶格匹配，在III-V族化合物半导体中有最大的直接跃迁带隙的优越特性，以及类似特性。特别是，在通过直接跃迁发出550到690nm范围的光的发光二极管(LED)中，可获得高的发射效率。
然而，常规的由AlGaInP材料制成的表面发射型半导体发光元件，在光输出效率方面存在问题。这一问题将用图12所示的常规LED作为例子来说明。
图12所示常规LED包括半导体多层结构1212，该结构由在n-型GaAs衬底121上形成的n-型AlGaInP第一包层123，GaInP有源层124，和p-型AlGaInP第二包层125构成。在p-型包层125的中央部分上形成有p-侧电极1211，而在n-型衬底121的背面上形成有n-侧电极1210。
在LED的光发射部分即GaInP有源层124中产生的光，经p-型包层125上没有形成p-侧电极1211的表面部分发出。为提高这种LED的发射效率，需使从p-侧电极1211流出的电流扩展到整个GaInP有源层124。然而实际上，由于p-型AlGaInP包层125的电阻率大，电流只扩展到p-型包层125的一个小的范围，并因此只有位于p-侧电极1211的正下方的GaInP有源层124部分发光。结果，在图12所示常规LED中，经LED上表面的光输出效率极低。
为克服上述问题，R.M.Fletcher等的美国专利No.5 008 718提出一种半导体发光元件，其中提供GaP电流扩散层，使电流能够扩展到更宽的范围。参照图13，将描述在上面公开文本中提出的半导体发光元件。
这种半导体发光元件是一种LED，它包括半导体多层结构1312，该结构由在n-型GaAs衬底131上形成的n-型AlGaInP第一包层133，GaInP有源层134，和p-型AlGaInP第二包层135构成。在半导体多层结构1312上形成有p-型GaP电流扩散层136。在p-型GaP电流扩散层136的中央部分上设置有p-侧电极1311，而在n-型衬底131的整个背面上设置有n-侧电极1310。
在这种半导体发光元件中，p-型GaP电流扩散层136的电阻率小于p-型AlGaInP第二包层135的电阻率，并因此使电流能够在p-型电流扩散层中扩展。从而在GaInP有源层134的更宽范围内获得光发射，提高了发射效率。此外，p-型GaP电流扩散层136的带隙大于p-型AlGaInP第二包层135的带隙。因此，当在有源层134中产生的光要从p-侧电极1311一侧输出时，所发射的光穿过p-型电流扩散层136而不被吸收。这进一步提高了发射效率。
然而在图13所示常规半导体发光元件中，电流扩散层GaP的使用引起下列问题。
第一个问题是GaP层不能提供好的结晶度。由于在GaP晶体中Ga原子与P原子的牢固结合，Ga原子在晶体的生长表面上有微小的扩散(迁移)，导致晶体的岛状生长，而非良好的层状生长。这势必产生晶体缺陷，降低GaP层的结晶度，并从而增加其电阻率。结果，所获得的半导体发光元件的发射效率和可靠性下降。
第二个问题是GaP层的晶格常数明显不同于GaAs衬底和与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP半导体层。GaAs的晶格常是5.65A，而GaP的晶格常数是5.45A，造成-3.54％的晶格失配。这一晶格失配导致上述第一问题。即，在GaP晶体中产生晶体缺陷，并因此降低了结晶度。结果，如对于第一个问题所描述的，所获得的半导体发光元件的发射效率和可靠性下降。
第三个问题是以上作为第二个问题描述的GaP与GaAs的晶格失配对光发射部分产生不良影响。由于因-3.45％的晶格失配而产生的位错，在作为光发射部分的有源层，包层和类似层中出现晶体缺陷。这引起非发射复合中心的产生。结果，所获得的半导体发光元件的发射效率和可靠性显著下降。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能大大提高元件发射效率和可靠性的半导体发光元件，以及提供一种制造这种半导体发光元件的方法。
本实例的半导体发光元件包括：衬底；半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；和电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP(0＜x＜1)的材料制成。
在本发明一个实施例中，电流扩散层的In克分子系数x在约0＜x＜0.49的范围内。
在本发明另一实施例中，电流扩散层的In克分子系数x在约0＜x＜0.27的范围内。
或者，本发明的半导体发光元件包括：衬底；半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；和电流的扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP(0＜x＜1)的材料制成，其中电流扩散层的In克分子系数x在厚度方向上变化。
在本发明一个实施例中，电流扩散层的变化的In克分子系数x在约0＜x＜0.49的范围内。
在本发明另一实施例中，电流扩散层的变化的In克分子系数x在约0＜x＜0.27的范围内。
在本发明再一实施例中，有源层由(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)，(AlpGa1-p)zAs(≤0≤p≤1)，或InqGa1-qAs(0≤q≤1)制成。
在本发明另一实施例中，形成一对电极，该对电极具有插入其间的衬底，半导体多层结构，和电流扩散层，并且形成电流阻挡层，使之面对在电流扩散层一侧的一个电极，此时电流扩散层插入在该一个电极和电流阻挡层之间。
在本发明另一实施例中，在电流扩散层一侧的电极是在电流扩散层中心部分形成的，从而经电流扩散层周边部分输出光。
在本发明另一实施例中，在电流扩散层一侧的电极在电流扩散层周边部分形成，包围其中心部分，从而经电流的扩散层中心部分输出光。
在本发明另一实施例中，电流阻挡层是由包括Ga1-aInap(0＜a＜1)的材料制成的。
在本发明另一实施例中，电流阻挡层是由含有Al的化合物半导体制成的。
在本发明另一实施例中，电流阻挡层是由AlbGa1-bAs(0≤b≤1)或(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)制成的。
根据本发明另一方案，提供一种制造半导体发光元件的方法。该半导体发光元件包括：衬底；半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；第一导电类型的电流阻挡层，该层在半导体多层结构的一部分上形成；电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP(0＜x＜1)的材料制成，覆盖电流阻挡层；和一对电极，电极之一在电流扩散层上形成，经过电流的扩散层面对电流阻挡层，另一电极在衬底表面上形成。该方法包括下列步骤：在衬底上形成半导体多层结构，并在半导体多层结构上形成由不包含Al的材料制成的保护层，和用于形成电流阻挡层的、由包含Al的化合物半导体制成的层；并通过有选择地蚀刻用于形成电流阻挡层的层，在半导体多层结构的一部分上形成电流阻挡层。
在本发明一个实施例中，进行蚀刻用于形成电流阻挡层的层的步骤，以使电流阻挡层在半导体多层结构的中心部分上形成。
在本发明另一个实施例中，进行蚀刻用于形成电流阻挡层的层的步骤，以使电流阻挡层在半导体多层结构的周边部分上形成，包围其中心部分。
在本发明另一实施例中，AlbGa1-bAs(0≤b≤1)层或(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)层被用作电流阻挡层。
这样，这里描述的本发明使下列优点成为可能：(1)提供能大大提高元件发射效率和可靠性的半导体发光元件，以及(2)提供制造这种半导体发光元件的方法。
附图说明
参照附图，通过阅读和理解下面的详细说明，对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其它优点将变得显而易见。
图1是根据本发明例1的半导体发光元件剖视图。
图2是说明Ga1-xInxP的In克分子系数x和与GaAs的晶格失配之间关系的曲线图。
图3是说明Ga1-xInxP的In克分子系数x和带隙Eg之间关系的曲线图。
图4是根据本发明例2的半导体发光元件剖视图。
图5是根据本发明例3的半导体发光元件剖视图。
图6是根据本发明例4的半导体发光元件剖视图。
图7是根据本发明例5的半导体发光元件剖视图。
图8是根据本发明例6的半导体发光元件剖视图。
图9是根据本发明例7的半导体发光元件剖视图。
图10A到10C是说明根据本发明例8的半导体发光元件制造工艺的剖视图。
图11A到11C是说明根据本发明例9的半导体发光元件制造工艺的剖视图。
图12是传统半导体发光元件的剖视图。
图13是另一传统半导体发光元件的剖视图。
具体实施方式
首先将描述本发明的功能。
根据本发明，电流在半导体多层结构上形成的Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层中扩展，使光在有源层更宽的区域中产生。GaInP电流扩散层包括具有比P原子半径大的In原子。这种大的In原子在GaInP晶体生长期间阻挡P原子的容易的运动，从而防止容易产生的晶体缺陷。此外，与GaP相比，GaInP与GaAs衬底和在GaAs衬底上形成的半导体层的晶格失配较小。这不仅在电流扩散层本身内防止了容易产生的晶体缺陷，而且在作为光发射部分的有源层，包层和类似层中也是如此。
当电流扩散层的In克分子系数x为0＜x＜0.49时，从GaInP或AlGaInP有源层发射的光可穿过电流扩散层而不被吸收。此外，可减少由于与GaAs衬底和在GaAs衬底上形成的半导体层的晶格失配引起的晶体缺陷的产生。
当电流扩散层的In克分子系数x为0＜x＜0.27时，电流扩散层的带隙基本与GaP的相同。因此，从有源层发射的光在电流扩散层中不被吸收。从而电流扩散层不会因光吸收而退化。
通过在厚度方向逐步改变电流扩散层的In克分子系数x，晶格畸变逐步减轻。以此方式可减少晶格畸变。
当逐步改变的电流扩散层的In克分子系数x为0＜x＜0.49时，从GaInP或AalGaInp有源层发射的光可穿过电流扩散层而不被吸收。此外，可减少由于GaAs衬底和在GaAs衬底上形成的半导体层之间的晶格失配引起的晶体缺陷的产生。
当逐步改变的电流扩散层的In克分子系数x为0＜x＜0.27时，电流扩散层的带隙基本与GaP的相同。因此，从有源层发射的光在电流扩散层中不被吸收。从而电流扩散层不会因光吸收而退化。
化合物半导体，如(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)，AlpGa1-pAs(0≤p≤1)，和InqGa1-qAs(0≤q≤1)可用做有源层。通过使用这些材料，可获得晶体缺陷减少的光发射部分。
可使形成的电流阻挡层面对在电流扩散层上形成的一个电极，同时电流扩散层插入电流阻挡层和该电极之间，该电极是被设置为将衬底，半导体多层结构和电流扩散层夹在中间的一对电极之一。以这种布置，电流朝向电流扩散层下面没有形成电流阻挡层的部分流动。这样，由于电流被有效地引向所希望的有源层的区域，因而该区域中发射效率提高。由于在光发射区域上没有形成电极，因而经过电流扩散层上没有形成电极的部分的光输出效率得到提高。
例如，当电极在电流扩散层的中心部分形成，且使形成的电流阻挡层通过电流扩散层与电极面对时，电流被引向有源层的周边部分，提高了周边部分的发射效率，并因而提高了经过扩散层上没有电极形成的周边部分的光输出效率。
或者，当电极在电流扩散层的周边部分形成，包围其中心部分，且使形成的电流阻挡层通过电流扩散层与电极面对时，电流被引向有源层的中心部分，提高了中心部分的发射效率，并因而提高了经过扩散层上没有电极形成的中心部分的光输出效率。
当电流阻挡层由Ga1-aInaP(0＜a＜1)制成时，电流阻挡层与GaAs衬底和在GaAs衬底上形成的半导体层的晶格失配降低，从而进一步减少了晶体缺陷的产生。
或者，电流阻挡层可由包含Al的化合物半导体如AlbGa1-bAs(0≤b≤1)和(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)制成，并且这种电流阻挡层可通过保护层在半导体多层结构上形成，该保护层由不包含Al的材料制成。这使得通过有选择地蚀刻保护层和电流阻挡层，在所需的位置形成电流阻挡层成为可能。
下面，将通过举例的方式，参照附图描述本发明。
(例1)
在例1中.将描述包括Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层的AlGaInP半导体发光元件。图1是例1的半导体发光元件的剖视图。
半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底1上形成的n-型GaAs缓冲层2(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层2上形成有一半导体多层结构12，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zp(0≤y≤1，0≤z≤1)包层3(例如y＝0.5，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层4(例如y＝0.5，z＝0.5，厚：约0.5μm)，以及一p-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层5(例如y＝0.5，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层6(例如x＝0.40，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构12上形成。一P-侧电极11在p-型电流扩散层6的中心部分上形成。一n-侧电极10在n-型衬底1的整个背面上形成。
由于本例的半导体发光元件包括Ga1-xInxP(x＝0.4)电流扩散层6，如下面参照图2所描述的，晶格畸变可被减少。
图2是说明Ga1-xInxP的In克分子系数x和Ga1-xInxP对于GaAs的晶格失配之间关系的曲线图。如从图2可看出的，当In克分子系数x约为0.49时，Ga1-xInxP的晶格常数与GaAs的晶格常数匹配，即它们之间的晶格失配为0。在本例中(x＝0.40)Ga1-xInxP电流扩散层6与GaAs的晶格失配约为-0.60％。因此，与图13所示GaP电流扩散层与GaAs的晶格失配为约-3.54％的传统半导体发光元件相比，在本例中晶格畸变减少了约83％。
在本例的半导体发光元件中，电流扩散层6由Ga1-xInxP(x＝0.40)制成，而有源层4由(AlyGa1-y)zIn1-zP(y＝0.5，z＝0.5)制成。按这种安排，有源层4中产生的光不被电流扩散层6吸收。下面将参照图3对此进行详细说明。
图3是说明Ga1-xInxP的In克分子系数x和Ga1-xInxP的带隙Eg之间关系的曲线图。如从图3可看出的，当Ga1-xInxP的In克分子系数x为0＜x＜0.27时，出现X跃迁，它为间接跃迁。从而获得与GaP基本相同的带隙。即Eg＝2.27eV。当Ga1-xInxP的In克分子系数x为0.20＜x＜1时，出现Γ跃迁，它为直接跃迁。因此带隙比GaP的小。在本例中Ga1-xInxP(x＝0.40)电流扩散层6的带隙Eg约为2.0eV，大于有源层4的带隙，即Eg＝1.9eV。这样，在有源层4中产生的光可经过半导体发光元件的上表面输出，而不被电流扩散层6吸收。
这样，在本例的半导体发光元件中，电流扩散层6中的晶体缺陷数可减少，并且由于作为光发射部分的有源层4的位错和类似原因产生的晶体缺陷数也可显著减少。这大大提高了元件的发射效率和可靠性。此外，因有源层4中产生的光不被电流扩散层6吸收，因此发射效率不降低，半导体发光元件性能也不会因光吸收而变坏。实际上，当半导体发光元件为650nm波长的红色LED时，与传统元件相比，发射效率提高约20％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约1.5倍，可靠性也得到提高。
在本例中，构成n-型包层，有源层和p-型包层的(AlyGa1-y)zIn1-zP的克分子系数y和z可适当改变。这也适用于后面的例子。根据本发明的半导体发光元件不限于本例中描述的以及后面的例子中也将描述的LED，而可以是任何其它形式，只要是使用与GaAs衬底晶格匹配的化合物半导体材料的表面发射型半导体发光元件即可。
(例2)
在例2的半导体发光元件中，Ga1-xInxP电流扩散层的In克分子系数x与例1中的不同。图4是例2的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底21上形成的n-型GaAs缓冲层22(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层22上形成有一半导体多层结构212，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层23(例如y＝1.0，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层24(例如y＝0.45，z＝0.5，厚：约0.5μm)，和一p-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层25(例如y＝1.0，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约10μm)构成。一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层26(例如x＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构212上形成。一P-侧电极211在p-型电流扩散层26的中心部分上形成。一n-侧电极210在n-型衬底21的整个背面上形成。
如从图2可看出的，由于本例的半导体发光元件包括Ga1-xInxP(x＝0.2)电流扩散层26，晶格失配为约-2.1％。这意味着与图13所示GaP电流扩散层与GaAs的晶格失配为约-3.54％的传统半导体发光元件的情况相比，本例的晶格畸变减少了约40％。
虽然在本例中降低晶格畸变的效果小于例1中所获得的效果，但本例中电流扩散层的带隙可做得大于例1中的带隙。如从图3可看出的，Ga1-xInxP(x＝0.2)电流扩散层26的带隙Eg与GaP的带隙基本相同，即2.27eV，这大于有源层24的带隙Eg，即2.18eV。这样，在有源层24中产生的绿光不被电流扩散层26吸收，而是经过半导体发光元件的上表面输出。
这样，在本例的半导体发光元件中，电流扩散层26中的晶体缺陷的产生可减少。运大大提高了元件的发射效率和可靠性。此外，因有源层24中产生的绿光不被电流扩散层26吸收，因此发射效率不降低，半导体发光元件性能也不会因光吸收而变坏。实际上，当半导体发光元件为550nm波长的绿色LED时，与传统元件相比，发射效率提高约30％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约两倍，可靠性也得到提高。
(例3)
在例3的半导体发光元件中，Ga1-xInxP电流扩散层的In克分子系数x与例1和2中的不同。图5是例3的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底21上形成的n-型GaAs缓冲层32(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层32上形成有一半导体多层结构312，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层33(例如y＝1.0，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层34(例如y＝0.30，z＝0.5，厚：约0.5μm)和一p-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层35(例如y＝1.0，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层36(例如x＝0.01，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构312上形成。P-侧电极311在p-型电流扩散层36的中心部分上形成。n-侧电极310在n-型衬底31的整个背面上形成。
如从图2可看出的，由于本例的半导体发光元件包括Ga1-xInxP(x＝0.01)电流扩散层36，相对于图13所示GaP电流扩散层与GaAs的晶格失配为约-3.54％传统半导体发光元件的情况来说，晶格畸变稍有减少。但与GaP层的使用相比，在本例中Ga1-xInxP(x＝0.01)电流扩散层36的使用起到提高结晶度的作用，其原因在下面说明。
在GaP层中，由于在GaP晶体中Ga原子与P原子牢固地结合，Ga原子在晶体生长表面上仅有微小的扩散(迁移)，造成晶体的岛状生长，而不是良好的层状生长，这势必产生晶体缺陷。相反，在包含In原子的GaInP层中，即使In原子数量小，晶体缺陷的产生也仍显著降低。这是因为In原子与P原子的结合能微弱，使In原子能够在晶体生长表面上扩散(迁移)。由于In原子的这种扩散，Ga原子也势必扩散。这提供了良好的晶体层状生长，减少了晶体的缺陷的产生，并因此提供好的结晶度。
在本例的半导体发光元件中，如从图3可看出的，Ga1-xInxP(x＝0.01)电流扩散层36的带隙Eg与GaP的带隙基本相同，即2.27eV，这大于(AlyGa1-y)zIn1-zP(y＝0.30，z＝0.5)有源层34的带隙。因此，在有源层34中产生的黄光不被电流扩散层36吸收，而是经过半导体发光元件的上表面输出。
这样，在本例的半导体发光元件中，电流扩散层36中的晶体缺陷的产生可减少。这大大提高了元件的发射效率和可靠性。此外，因有源层34中产生的黄光不被电流扩散层36吸收，因此发射效率不降低，半导体发光元件性能也不会因光吸收而变坏。实际上，当半导体发光元件为590nm波长的黄色LED时，发射效率提高约20％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约1.5倍，可靠性也得到提高。
(例4)
在例4的半导体发光元件中，在厚度方向上逐步改变Ga1-xInxp电流扩散层的In克分子系数x，并将InqGa1-qAs(0≤0≤q)用做有源层。图6是例4的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底61上形成的n-型GaAs缓冲层62(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层62上形成有一半导体多层结构612，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层63(例如y＝0.5，z＝0 5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一InqGa1-qAs(0≤q≤0)有源层64(例如q＝0.6，厚：约0.5μm)和一P-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层65(例如y＝0.5，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层66(例如x＝0.4→0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构612上形成。一P-侧电极611在p-型电流扩散层66的中心部分上形成。一n-侧电极610在n-型衬底61的整个背面上形成。
在本例中，从p-型包层65一侧开始，在厚度方向上从约0 4到约0.2逐步改变Ga1-xInxP电流扩散层66的In克分子系数x。因此可逐步减少由晶格失配引起的晶格畸变，从而可将光发射部分中晶格畸变的出现减至最小。
在本例的半导体发光元件中，Ga1-xInxP(x＝0.4→0.2)电流扩散层66的带隙Eg大于InqGa1-qAs(q＝06)有源层64的带隙。因此，有源层64中产生的红外光可经过半导体发光元件的上表面输出，而不被电流扩散层66吸收。
这样，在本例的半导体发光元件中，晶格畸变减少，并因此发射效率和可靠性也显著提高。此外，因有源层64中产生的红外光不被电流扩散层66吸收，因此发射效率不降低，半导体发光元件性能也不会因光吸收而变坏。实际上，当半导体发光元件为950nm波长的红外LED时，发射效率提高约30％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约1.8倍，可靠性也得到提高。
在本例中，构成有源层的InqGa1-qAs的克分子系数q可适当改变。InqGa1-qAs(1≤q≤1)层可用做n-型和p-型包层。
(例5)
在例5中将描述AlGaAs半导体发光元件，在该元件中Ga1-xInxP电流扩散层的In克分子系数x在厚度方向上逐步改变。图7是例5的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，其包括一在n-型GaAs衬底71上形成的n-型GaAs缓冲层72(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层72上形成有一半导体多层结构712，该结构由一n-型AlpGa1-pAs(0≤p≤1)包层73(例如p＝0 7，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一AlpGa1-pAs(0≤p≤0)有源层74(例如p＝0，厚：约0.5μm)和一P-型AlpGa1-pAs(0≤p≤1)包层75(例如p＝0.7，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层76(例如x＝0.2→0.01，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μ m)在半导体多层结构712上形成。此外，一P-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层77(例如x＝0.01，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约2.0μm)在电流扩散层76上形成。一p-侧电极711在p-型电流扩散层77的中心部分上形成。一n-侧电极710在n-型衬底71的整个背面上形成。
在本例中，从p-型包层75一侧开始，在厚度方向上从0.2到0.01逐步改变Ga1-xInxP电流的扩散层76的In克分子系数x。因此晶格畸变被逐步减少，从而将光发射部分中晶格畸变的出现减至最小。
在本例的半导体发光元件中，Ga1-xInxP(x＝0.2→0.01)电流扩散层76的带隙Eg大于AlpGa1-pAs(p＝0)有源层74的带隙。因此，有源层74中产生的红外光可经过半导体发光元件的上表面输出，而不被电流扩散层76吸收。
这样，在本例的半导体发光元件中，晶格畸变减少，并因此发射效率和可靠性提高。此外，因有源层74中产生的红外光不被电流扩散层76吸收，从而发射效率不降低，半导体发光元件的性能也不会因光吸收而变坏。实际上，当半导体发光元件为850nm波长的红外LED时，发射效率提高约10％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约1.3倍，可靠性也得到提高。
在本例中，构成n-型包层，有源层，和p-型包层的AlpGa1-pAs的免分子系数p可适当改变。
(例6)
在例6中将描述AlGaInP半导体发光元件，在该元件中电流阻挡层在半导体多层结构的中心部分上形成，并且Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层形成于电流阻挡层之上。图8是例6的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底81上形成的n-型GaAs缓冲层82(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层82上形成有一半导体多层结构812，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层83(例如y＝1.0，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层84(例如y＝0.15，z＝0.5，厚：约0.5μm)和一P-型(ALyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层85(例如y＝10，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。
一n-型Ga1-aInaP(0＜a＜1)电流阻挡层88(例如a＝0.2，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)在半导体多层结构812的中心部分上形成。一p-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层86(例如x＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构812上形成，从而覆盖电流阻挡层88。一P-侧电极811在p-型电流扩散层86的中心部分上形成，通过电流扩散层86面对电流阻挡层88，一n-侧电极810在n-型衬底81的整个背面上形成。
在本例中，电流阻挡层88在半导体多层结构812的中心部分上形成，并且电流扩散层86在电流阻挡层88之上形成。以这种布置，从p-侧电极811流出的电流进一步向电流扩散层86的周边部分扩展。这进一步提高了经过其上没有形成p-侧电极811的电流扩散层86周边部分的光输出效率。此外，由于电流阻挡层88是由n-型Ga1-aInaP(0＜a＜1)制成的，象电流扩散层86一样，它起到减少晶格畸变和提高元件发射效率和可靠性的作用。实际上，当半导体发光元件为610nm波长的橙色LED时，发射效率提高约30％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约2.5倍，可靠性也得到提高。
在本例中，电流阻挡层在半导体多层结构的中心部分上形成。以便阻挡电流流向光发射部分的中心部分。或者，可在衬底中心部分形成半导体多层结构，并可使形成的电流阻挡层遮盖包围半导体多层结构的部分。在本例中，电流阻挡层是导电的，具有与衬底相同的导电类型。或者，电流阻挡层可由绝缘材料制成。这也适用于后面将描述的例8。
(例7)
在例7中将描述AlGaInp半导体发光元件，在该元件中电流阻挡层在半导体多层结构的周边部分上形成，包围其中心部分，并且Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层形成于电流阻挡层之上。图9是例7的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底91上形成的n-型GaAs缓冲层92(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)，缓冲层92上形成有一半导体多层结构912，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层93(例如y＝1.0，z＝0 5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层94(例如y＝0.4，z＝0.5，厚：约0.5μm)和一P-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层95(例如y＝1.0，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约10μm)构成。
一n-型Ga1-aInaP(0＜a＜1)电流阻挡层98(例如a＝0.2，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)在半导体多层结构912的周边部分上形成，包围其中心部分。一p-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层96(例如x＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)在半导体多层结构912上形成，从而覆盖电流阻挡层98。一P-侧电极911在p-型电流扩散层96的周边部分上形成，包围其中心部分，一n-侧电极910在n-型衬底91的整个背面上形成。
在本例中，电流阻挡层98在半导体多层结构912的周边部分上形成，包围其中心部分，并且电流扩散层96在电流阻挡层98之上形成。以这种布置，从p-侧电极911流出的电流集中在电流扩散层96的中心部分。这进一步提高了经过其上没有形成p-侧电极911的电流扩散层96中心部分的光输出效率。此外，由于电流阻挡层98是由n-型Ga1-aInaP(0＜a＜1)制成的，象电流扩散层96一样，它起到减少晶格畸变和提高元件发射效率和可靠性的作用。实际上，当半导体发光元件为550nm波长的绿色LED时，发射效率提高约35％，并且因在60℃，20mA驱动下光强降到一半所需时间增加到约2.7倍，可靠性也得到提高。
在本例中，电流阻挡层在半导体多层结构的周边部分上形成。包围其中心部分，以便阻挡电流流向光发射部分的周边部分。或者，可在衬底周边部分形成半导体多层结构，包围其中心部分，并可使形成的电流阻挡层遮盖半导体多层结构所包围的部分。在本例中，电流阻挡层是导电的，具有与衬底相同的导电类型。或者，电流阻挡层可由绝缘材料制成。这也适用于后面将描述的例9。
(例8)
在例8中将描述AlGaInP半导体发光元件，在该元件中电流阻挡层由包含Al的化合物半导体，如(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)制成，形成在半导体多层结构的中心部分上，并且Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层形成于电流阻挡层之上。图10C是例8的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底101上形成的n-型GaAs缓冲层102(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层102上形成有一半导体多层结构1012，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层103(例如y＝1.0，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层104(例如y＝0.45，z＝0.5，厚：约0.5μm)和一P-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层105(例y＝1.0，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。
在半导体多层结构1012上形成一p-型Ga1-rInrP(0＜r＜1)保护层109(例如r＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约0.5μm)，在保护层109上形成一n-型(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)电流阻挡层108(例如c＝0.2，d＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约5.0μm)，在半导体多层结构1012上形成一p-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层106(例如x＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)，覆盖电流阻挡层108。一p-侧电极1011在p-型电流扩散层106的中心部分上形成。通过电流扩散层106面对电流阻挡层108，一n-侧电极1010在n-型衬底101的整个背面上形成。
本例的半导体发光元件例如以下面方式制造。
首先如图10A所示，n-型GaAs缓冲层102，n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP包层103，(AlyGa1-y)zIn1-zP有源层104，p-型(AlyGa1-y)zIn1-zP包层105，p-型Ga1-rInrP保护层109和用于形成由n-型(AlcGa1-c)dIn1-dP制成的电流阻挡层的层108a顺序形成在n-型GaAs衬底101上。
然后如图10B所示，蚀刻用于形成电流阻挡层的层108a，以便仅留下位于保护层109中心部分的部分，由此形成电流阻挡层108。在这一蚀刻中，使用蚀刻速度取决于Al的蚀刻剂，例如磷酸(H3PO4)蚀刻剂。通过使用这种蚀刻剂，可有选择地蚀刻由包含Al的化合物半导体制成的、用于形成电流阻挡层的层108a，以及由不包含Al的材料制成的保护层109，以便当到达保护层109时停止蚀刻。
之后，如图10C所示，在所获得的结构上生长p-型Ga1-xInxP电流扩散层106，并形成n-侧电极1010和p-侧电极1011，从而制成半导体发光元件。
这样，在本例的半导体发光元件中，电流阻挡层108由含有Al的(AlcGa1-c)dIn1-dP(c＝0.2，d＝0.5)制成。因此有可能在电流阻挡层108和Ga1rInrP(r＝0.2)保护层109之间进行有选择的蚀刻。这显著提高了制造工艺中的产量，并降低了成本。
(例9)
在例9中将描述AlGInP半导体发光元件，在该元件中电流阻挡层由包含Al的化合物半导体，如AlbGa1-bAs(0≤b≤1)制成，形成在半导体多层结构的周边部分上，包围其中心部分，并且Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层形成于电流阻挡层之上。图11C是例9的半导体发光元件的剖视图。
本例的半导体发光元件为一LED，包括一在n-型GaAs衬底111上形成的n-型GaAs缓冲层112(例如，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)。缓冲层112上形成有一半导体多层结构1112，该结构由一n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层113(例如y＝1.0，z＝0.5，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)，一(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)有源层114(例如y＝0.4，z＝0.5，厚：约0.5μm)和一P-型(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)包层115(例如y＝1.0，z＝0.5，Zn浓度：5×1017cm-3，厚：约1.0μm)构成。
一p-型Ga1-rInrP(0＜r＜1)保护层119(例如r＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约0.5μm)在半导体多层结构1112上形成。一n-型AlbGa1-bAs(0≤b≤1)电流阻挡层118(例如b＝0.2，Si浓度：5×1017cm-3，厚：约0.5μm)形成在保护层119的周边部分上，包围其中心部分。一p-型Ga1-xInxP(0＜x＜1)电流扩散层116(例如x＝0.2，Zn浓度：5×1018cm-3，厚：约5.0μm)，在半导体多层结构1112上形成，覆盖电流阻挡层118。一p-侧电极1111在p-型电流扩散层116的周边部分上形成，包围其中心部分，通过电流扩散层116面对电流阻挡层118，一n-侧电极1110在n-型衬底111的整个背面上形成。
本例的半导体发光元件例如以下面方式制造。
首先如图11A所示，n-型GaAs缓冲层112，n-型(AlyGa1-y)zIn1-zP包层113，(AlyGa1-y)zIn1-zP有源层114，p-型(AlyGa1-y)zIn1-zP包层115，p-型Ga1-rInrP保护层119和用于形成由n-型AlbGa1-bAs制成的电流阻挡层的层118a顺序形成在n-型GaAs衬底111上。
然后如图11B所示，蚀刻用于形成电流阻挡层的层118a，以便仅留下位于保护层119周边部分的部分，包围其中心部分，由此形成电流阻挡层118。在这一蚀刻中，使用蚀刻速度取决于Al的蚀刻剂，例如磷酸(H3PO4)蚀刻剂。通过使用这种蚀刻剂，可有选择地蚀刻由包含Al的化合物半导体制成的、用于形成电流阻挡层的层118a，以及由不包含Al的材料制成的保护层119，以便当到达保护层119时停止蚀刻。
之后，如图11C所示，在所获得的结构上生长p-型Ga1-xInxP电流扩散层116，并形成n-侧电极1110和p-侧电极1111，从而制成半导体发光元件。
在本例的半导体发光元件中，电流阻挡层11 8由含有Al的AlbGa1-bAs(b＝0.2)制成。因此有可能在含有铝的电流阻挡层118和不含有铝的Ga1-rInrP(r＝0.2)保护层119之间进行有选择的蚀刻。这显著提高了制造工艺中的产量，并降低了成本。
如上所述，根据本发明，电流扩散层中的晶格畸变可被减少。这不仅可降低电流扩散层本身中晶体缺陷的产生，而且可防止有源层的光发射部分和类似层中晶体缺陷的产生。结果显著提高了发射效率和可靠性。
通过将电流扩散层In克分子系数设置为o＜x＜0.49，从GaInP层或AlGaInP层发射的光可穿过电流扩散层而不被吸收。同时，电流扩散层中晶体缺陷的产生也被降低。结果发射效率可靠性进一步提高。
通过将电流扩散层的In克分子系数设置为0＜x＜0.27，光在电流扩散层中不被吸收，并且电流扩散层的结晶度提高。结果发射效率和可靠性进一步提高。
通过在厚度方向上逐步改变电流扩散层的In克分子系数x，使晶格畸变逐渐减轻。这进一步减少了晶格畸变，从而提高发射效率和可靠性。
通过在0＜x＜0.49范围上逐步改变电流扩散层的In克分子系数x，从GaInP层或AlGaInP层发射的光可穿过电流扩散层而不被吸收。同时晶体缺陷的产生也降低。结果发射效率和可靠性进一步提高。
通过在0＜x＜0.27范围上逐步改变电流扩散层的In克分子系数x，光在电流扩散层中不被吸收，并且电流扩散层的结晶度提高。结果发射效率和可靠性进一步提高。
对于包括由(AlyGa1-y)zIn1-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)，AlpGa1-pzAs(0≤p≤1)，InqGa1-qAs(0≤q≤1)或类似物质制成的光发射部分的半导体光发射元件，通过使用上述电流扩散层，防止了光发射部分产生晶体缺陷。这提高了元件的发射效率。
通过形成通过电流扩散层面对电极的电流阻挡层，电流被有效地引向电流扩散层下面没有形成电流阻挡层的部分。这提高了发射效率和经过电流扩散层上没有形成电极的部分光输出的效率。
例如，可在电流扩散层中心部分上形成电极，并且可形成通过电流扩散层面对电极的电流阻挡层。在这种情况下，通过电流扩散层上没有形成电极的周边部分的光输出效率得到提高。
或者，可在电流扩散层周边部分上形成电极，包围其中心部分，并且可形成通过电流扩散层面对电极的电流阻挡层。在这种情况下，经过电流扩散层上没有形成电极的中心部分的光输出效率得到提高。
通过将Ga1-aInaP(0＜a＜1)用做电流阻挡层，电流阻挡层中的晶格畸变减少。这提高了元件的发射效率和可靠性。
通过将包含Al的化合物半导体，如AlbGa1-bAs(0≤b≤1)和(AlcGa1-c)dIn1-dP(0≤c≤1，0≤d≤1)用于电流阻挡层，可通过有选择的蚀刻在需要的位置形成电流阻挡层。这明显提高了制造工艺中的产量，并降低了生产成本。
对于本领域技术人员来说，各种其它修改是显而易见并容易做出，而不偏离本发明的实质和范围的。因此，所附权利要求的范围并不限于这里所做的描述，而是相反，对权利要求应宽范围地理解。
Claims (18)
1.一种半导体发光元件包括：
衬底；
半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；和
电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInx P的材料制成，其中0＜x＜1。
2.如权利要求1的半导体发光元件，其特征在于电流扩散层的In克分子系数x在0＜x＜0.49的范围内。
3.如权利要求1的半导体发光元件，其特征在于电流扩散层的In克分子系数x在0＜x＜0.27的范围内。
4.如权利要求1的半导体发光元件，其特征在于有源层由(AlyGa1-y)zIn1-zP，(AlpGa1-p)zAs，或InqGa1-qAs制成，(AlyGa1-y)zIn1-zP中0≤y≤1，0≤z≤1，(AlpGa1-p)zAs中0≤p≤1，InqGa1-qAs中0≤q≤1。
5.如权利要求1的半导体发光元件，其特征在于形成有一对电极，该对电极具有插入其间的衬底、半导体多层结构、和电流扩散层，并且形成有电流阻挡层，其面对在电流扩散层一侧的一个电极，此时电流扩散层插入在该个电极和电流阻挡层之间。
6.如权利要求5的半导体发光元件，其特征在于在电流扩散层一侧的电极是在电流扩散层中心部分形成的，从而经电流扩散层周边部分输出光。
7.如权利要求5的半导体发光元件，其特征在于在电流扩散层一侧的电极在电流扩散层周边部分形成，包围其中心部分，从而经电流扩散层中心部分输出光。
8.如权利要求5的半导体发光元件，其特征在于电流阻挡层是由包括Ga1-aInaP的材料制成的，其中0＜a＜1。
9.如权利要求5的半导体发光元件，其特征在于电流阻挡层是由含有Al的化合物半导体制成的。
10.如权利要求9的半导体发光元件，其特征在于电流阻挡层是由AlbGa1-bAs或(AlcGa1-c)dIn1-dP制成的，AlbGa1-bAs中0≤b≤1，(AlcGa1-c)dIn1-dP中0≤c≤1，0≤d≤1。
11.一种半导体发光元件包括：
衬底；
半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；和
电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP的材料制成，其中0＜x＜1，且电流扩散层的ln克分子系数x在厚度方向上从第二包层侧开始逐渐减小。
12.如权利要求11的半导体发光元件，其特征在于电流扩散层的变化的In克分子系数x在0＜x＜0.49的范围内。
13.如权利要求11的半导体发光元件，其特征在于电流扩散层的变化的In克分子系数x在0＜x＜0.27的范围内。
14.如权利要求11的半导体发光元件，其特征在于形成有一对电极，该对电极具有插入其间的衬底、半导体多层结构、和电流扩散层，并且形成有电流阻挡层，其面对在电流扩散层一侧的一个电极，此时电流扩散层插入在该个电极和电流阻挡层之间。
15.一种制造半导体发光元件的方法，该半导体发光元件包括：衬底；半导体多层结构，该结构至少包括第一导电类型的第一包层，有源层和第二导电类型的第二包层，它们按此顺序在衬底上形成；第一导电类型的电流阻挡层，该层在半导体多层结构的一部分上形成；电流扩散层，该层由包括在半导体多层结构上形成的第二导电类型的Ga1-xInxP的材料制成，覆盖电流阻挡层，其中0＜x＜1；和一对电极，电极之一在电流扩散层上形成，通过电流扩散层面对电流阻挡层，另一电极在衬底表面上形成，该方法包括下列步骤：
在衬底上形成半导体多层结构，并在半导体多层结构上形成由不包含Al的材料制成的保护层，和用于形成电流阻挡层的、由包含Al的化合物半导体制成的层；并
通过有选择地蚀刻用于形成电流阻挡层的层，在半导体多层结构的一部分上形成电流阻挡层。
16.如权利要求15的制造半导体发光元件的方法，其特征在于进行蚀刻用于形成电流阻挡层的层的步骤，以使电流阻挡层在半导体多层结构的中心部分上形成。
17.如权利要求15的制造半导体发光元件的方法，其特征在于进行蚀刻用于形成电流阻挡层的层的步骤，以使电流阻挡层在半导体多层结构的周边部分上形成，包围其中心部分。
18.如权利要求15的制造半导体发光元件的方法，其特征在于将一AlbGa1-bAs层或一(AlcGa1-c)dIn1-dP层用作电流阻挡层，AlbGa1-bAs中0≤b≤1，(AlcGa1-c)dIn1-dP中0≤c≤1，0≤d≤1。
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