CN1176498A - 氮化镓序列的复合半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

高可靠性氮化镓序列的复合半导体发光器件可用低门限电流和低工作电压操作而不劣化性能。它包括具有高载流子浓度容易形成低电阻p侧电极并均匀有效地将载流子注入有源层的p型半导体结构。将掺Mg的p电极接触层用作p型半导体层。在源层上至少形成Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2=1,0≤x2,z2≤1,0< y2≤1)光滑层。p型接触层表面上形成具有Pt层、包含TiN的Ti层和Ti层的层叠结构。在p型接触层和Pt层之间形成Pt半导体制成的合金。

Description

氮化镓序列的复合半导体发光器件
本发明涉及诸如氮化镓序列的紫蓝半导体激光器(下文称为LD)或具有高发光度的氮化镓序列的蓝/绿发光二极管(下文称为LED)的氮化镓序列的复合半导体发光器件。
传统的短波半导体激光器已被改进到这样一种程度，从而运用InGaAlP的600nm带光源可以执行对光盘的读/写，并且已经将它讨诸实际应用。
为了进一步改进录制密度，已发展了短波蓝半导体激光器。振荡波短的激光器束在减小收敛尺寸并改进录制密度方面是十分有用的。
由于这一原因，近来认为诸如GaN，InGaN，GaAlN，InGaAlN的氮化镓序列的复合半导体发光器件是短波半导体激光器的材料，以改进对于高密度光盘系统的应用。
例如，在运用GaN序列材料的半导体激光器中，证实具有380至417nm波长的室温脉冲振荡。然而，在运用GaN序列材料的半导体激光器中，不能得到令人满意的特性，室温脉冲振荡的门限电压范围在10到40v之间，而且值的变化大。
这种变化是由于在氮化镓序列的复合半导体层的晶体生长中出现的困难和大的器件电阻引起的。更准确地说，不能形成具有光滑表面和高载流子浓度的p型氮化镓序列的复合半导体层。此外，由于p侧电极的接触电阻很高，要产生大幅度的电压降，因而即使脉冲振荡起作用，产生的热量和金属反应仍会毁坏半导体层。考虑到模拟值，除非把门限电压减到小于10v，否则不能获得室温连续振荡。
此外，当注入激光生成所必需的电流时，大电流局部流动并且载流子不能均匀地注入有源层，而且发生器件的瞬时损坏。结果，不能获得激光的连续生成。
于是，为了实现由在光盘中用到的低门限电流和低门限电压操作的具有高可靠性的氮化镓序列的紫蓝半导体激光器，下列要点是重要的：
特别地，将载流子有效均匀地注入有源层并减小由电极接触引起的电压降是重要的。
然而，在现有情况下，完全执行这些要点是困难的。
如上所述，在氮化镓序列的复合半导体激光器中，要获得具有良好的p型氮化镓序列并没有小孔缺陷的复合半导体激光器是困难的。此外，由于p侧电极接触电阻很高，所以电极接触产生大的电压降。此外，由于不能将载流子均匀地注入有源层，所以难以实现具有低门限电流及低工作电压的器件。
在GaN序列的发光器件中，由于p侧电极接触电阻高，所以提高了工作电压。此外，作为p侧电极金属的镍和形成p侧半导体层的镓彼此起反应、熔化，导电性恶化。结果，难以连续生成激光。
本发明的目的在于通过运用可以容易地形成低电阻p侧电极并可均匀有效地将载流子注入有源层的具有高载流子浓度的p型氮化镓序列的复合半导体结构，提供具有高可靠性的氮化镓序列的复合半导体发光器件，它可由低门限电流和低工作电压操作而没有损坏。
为了达到上述目的，提供一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)的复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，复合半导体发光器件包括：
衬底；
半导体层，它在衬底上形成；
n型半导体层，它在半导体层上形成，具有至少一个n型包层；
有源层，它在n型半导体层上形成；
p型半导体层，它在有源层上形成，具有至少一个p型包层；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在p型半导体层或有源层上形成；
p型接触层，它在p型半导体层上形成，具有添加到其上的Mg；
p侧电极，它在p型接触层上形成；和
n侧电极，它在n型半导体层或衬底上形成。
于是，在至少包含In元素的GaInAlN光滑层上形成添加Mg的氮化镓序列p型半导体层，诸如多孔微缺陷的晶体缺陷的数量很少，而且可以增加p型半导体层的受主浓度。
有源层可以是一种多量子阱结构，具有至少由Gax3Iny3Alz3N形成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)形成的势垒层，二者交替成层。
此时，当In成分y2比阱层的In成分y3低时，形成的Gax2Iny2Alz2N光滑层，其厚度比阱层的厚。因此，增大了有源层6的有效折射系数，从而可以改进光导特性。在Gax2Iny2Alz2N光滑层中，p型载流子浓度可为1×1018cm-3或更高。因此，可以防止电子溢出，而且可由低门限值生成激光。
另一方面，当In成分y2比阱层的In成分y3高时，形成的Gax2Iny2Alz2N光滑层，其厚度比阱层的薄。因此，光滑层起到饱和吸收层的作用，从而可以减小激光器的噪声。
此外，p型接触层可具有Pt半导体制成的合金层，在表面上有选择地形成。p侧电极具有层叠结构，由在合金层上形成的Pt层、在其上包含TiN的Ti层和其上的Ti层制成。可以通过第二Pt层在Ti层上形成Au层。
因此，稍稍将作为电极金属的薄Pt层扩散到P型半导体层，从而增加有效电极接触区域。此外，Pt元素起到在添加Mg的同时引入的氢元素和由于晶体生长后暴露在空气中引起的表面氧化物薄膜的还原催化剂的作用。结果，可改进Mg的活化比率，并可提高有效受主浓度。此外，上部分的Ti层与氮化镓序列的半导体层的氮元素反应，从而形成十分稳定的TiN。结果，可以抑制作为上部分的电极金属的第二Pt层和Au层向下扩散，并可提高晶体的质量。
此外，当p型接触层包含碳时，在包含Ti的Ti层和Pt层之间的边界的碳浓度比p型接触层的碳浓度高。
当p型接触层包含氧时，在包含Ti的Ti层和Pt层之间的边界的氧浓度比p型接触层的氧浓度高。由Pt和p型接触层制成的合金层，其MgO紧紧邻接着添加在p型接触层中的Mg。
换句话说，在作为催化剂的Pt将半导体层的碳和氧移到p型接触层外面的过程中，由包含TiN的Ti层阻止它们。结果，可引起与上述相同的功能。此外，对于p型接触层具有低的接触电阻的MgO更减小了有效电极接触电阻。
当p型接触层包含氢时，在第二Pt层和Au层之间的边界的氢浓度比p型接触层的氢浓度高。
换句话说，作为催化剂的Pt将半导体层的氢移到p型接触层的外面。结果，可引起与上述相同的功能。
n侧电极可具有层叠结构，在其中依次形成的Ti层和Au层。当衬底是绝缘材料时，在暴露于衬底表面的n型半导体层上形成n侧电极。当衬底是诸如SiC的导电衬底时，在衬底的后表面上形成n侧电极。
此外，在内部条状结构中，根据本发明，提供一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，复合半导体发光器件包括：
衬底；
半导体层，它在衬底上形成；
n型包层，它在半导体层上形成；
n型波导层，它在n型包层上形成；
有源层，它在n型波导层上形成；
p型波导层，它在有源层上形成，具有条状脊；
阻挡层(block layer)，它在沿着p型波导层的脊的侧面部分上有选择地形成；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在阻挡层和p型波导层的脊上形成；
p型包层，它在Gax2Iny2Alz2N光滑层上形成；
p型接触层，它在p型包层上形成，具有添加到其上的Mg；
p侧电极，它在p型接触层上形成；和
n侧电极，它在n型半导体层或衬底上形成。
在这种情况下，阻挡层可由Gax5Iny5Alz5N(x5+y5+z5＝1，0≤x5，y5≤1，0＜z5≤1)制成。这适合于抑制裂缝。此外，阻挡层可由Gax5Iny5Alz5N(x5+y5+z5＝1，0≤x5，z5≤1，0＜y5≤1)制成。这适合于横向模的控制。上面解释了有源层、电极结构、和光滑层的一些状况。
此外，通过尽可能满足下列条件，可获得上述本发明的适当的特殊形式：
(1)添加到p型电极接触层的Mg的量在表面附近具有高浓度分布。
(2)由成分互相不同的两种或更多种的氮化镓序列的复合半导体形成p型电极接触层。
(3)形成GaInAlN光滑层，使有源层是一种多量子阱结构。
(4)当在p型电极接触层的下部存在n型导电层时，至少将一个GaInAIN光滑层插入p型导电层和n型导电层之间。换句话说，重要的是在上层形成电极接触层，而不是在GaInAlN光滑层上形成电极接触层在GaInAlN光滑层与P型电极接触层之间是形成包层还是波导层，这倒并不重要。
(5)形成与p型电极接触层接触的电极结构，从而在厚度为10nm或更少的薄Pt层的上部形成Ti/Pt/Au层。
在下面的叙述中将列出本发明的其它目的和好处，从该叙述一部分变得明显，或通过本发明的实践可知道。通过在附加的权利要求书中特别指出的工具和组合的方法可以实现并获得本发明的目的和好处。
插入并构成说明书的一部分的附图显示了本发明的较佳实施例，并与上面的总体描述及下面将要给出的较佳实施例的详细说明一起用来说明本发明的原理。
图1是示出根据本发明第一实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图2是示出根据本发明第二实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图3是示出根据本发明第三实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图4是示出根据本发明第四实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图5是示出根据本发明第五实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图6是示出该实施例的变更示意结构的剖面图；
图7是示出根据本发明第六实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图8是示出该实施例的变更示意结构的剖面图；
图9是示出根据本发明第七实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图10是示出该实施例的变更示意结构的剖面图；
图11是示出根据本发明第八实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图12是示出该实施例的变更示意结构的剖面图；
图13是示出根据本发明第九实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图14是示出该实施例的变更示意结构的剖面图；
图15是示出根据本发明第十实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图；
图16是示出该实施例的变更示意结构的剖面图。
参照附图，将叙述本发明的实施例。
(第一实施例)
图1是示出根据本发明第一实施例的蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。蓝色半导体激光器具有多层结构，其中，多层结构具有通过MOCVD在蓝宝石衬底1上依次形成的GAN缓冲层2、n型GaN接触层(掺Si5×1018cm-3，4μm)3、n型A10.2Ga0.8N包层(掺Si，5×1017cm-3，0.3μm)4、GaN波导层(未掺杂，0.1μm)5、有源层6、p型GaN波导层(掺Mg，0.3μm)7、p型Al0.2Ga0.8N包层(掺Mg，5×1017cm-3，0.3μm)8和p型GaN接触层(掺Mg，1×1018cm-3，1μm)9。
在p型GaN接触层9上，具有依次层叠的厚度为10nm的Pt层10、包括由热处理的TiN(后面将说明)的Ti层11a、厚度为30nm的Ti层11、厚度为10nm的Pt层12和厚度为1μm的Au电极焊接片13，从而形成p型电极。
Au电极焊接片13的最上面表面的部分和p型GaN接触层9通过干腐蚀向上移到达到n型GaN接触层3的部分。因此，在露出的n型GaN接触层3上，形成n侧电极14。
由互相交替层叠以总共形成10层的In0.2Ga0.8N多量子阱(未掺杂，2.5nm)和In0.05Ga0.95N势垒壁层(未掺杂，5nm)形成有源层6。此外，在p型GaN波导层、p型AlGaN包层和p型GaN层中的杂质不限制于Mg，而可以是诸如Zn的任何p型杂质。
接着，下面将解释蓝色半导体激光器的制造方法和它的功能。
在图1中，有一种MOCVD法在蓝宝石衬底1上形成每个GaN缓冲层2-p型GaN接触层9。
在蓝色半导体激光器中，将包含In的GaInAlN光滑层用作InGaN量子阱有源层6，并且在其上形成添加Mg的氮化镓序列的半导体18和19。因此，GaInAlN光滑层阻止从衬底1扩散的小孔缺陷和诸如裂缝与跃迁的晶体缺陷。结果，可以在p侧电极侧面上获得光滑p型半导体层。
根据本发明的发明者所做的实验，即使不形成GaInAlN光滑层，那么当p型GaN接触层9的厚度为0.6μm或更多时，可将多孔缺陷埋入p型GaN接触层9的表面中。换句话说，除了GaInAlN光滑层的形成以外，将p型GaN接触层9的厚度设为0.6μm或更多。因此，一定可以改进P型半导体层的质量。
接着，在p型GaN接触层9表面的10宽度μm区域上依次形成Pt(5nm)/Ti(30nm)/Pt(10nm)/Au(1μm)层。
然后，当在350℃的氮气中向整个衬底作热处理时，Pt向下扩散的深度最大为层叠膜的厚度三倍的深度。然后，Pt是与p型GaN接触层9的Ga起反应的固相，从而形成Pt半导体的合金层15。与此同时，Ti是与从p型GaN接触层9向上扩散的N起反应的固相。结果，Ti和N互相稳定地结合起来，在Ti层和Pt层之间的边界表面处形成包括TiN的Ti层11a。通过这种热处理，Pt起催化剂的作用，并且将防止Mg(p型掺杂物)作为受主活化的氢元素与碳元素、或者在形成电极前由空气暴露使之与接触层9的表面组合的氧元素从薄膜移出。结果，增高了受主的浓度，而且Mg的活化比率大体上变成100％(由于在生长时期的各种原因，将氢、碳和氧元素分布在多层结构中，其中多层结构的各半导体层在上述热处理前大体上保持固定的浓度。
此外，在包括TiN的Ti层11a和Pt层10之间的边界表面上，碳和氧元素的每一种元素的浓度比在p型GaN接触层9中的每一种元素的浓度高。换句话说，在由Pt催化剂将半导体层的碳和氧元素移到外面的过程中，它们被包括TiN的Ti层11a阻制。
此外，在Pt层12和Au层13之间的边界表面上，氢浓度比p型GaN接触层9中的氢浓度高。换句话说，在由Pt催化剂将半导体层的碳和氧元素移到外面的过程中，它们被Au层13阻制。
接着，形成包括P侧电极的平台形以形成n侧电极14。在出现在平台形下部的n型GaN接触层3上形成由Ti/Au制成的n侧电极14。在这种情况下，在形成n侧电极14后，可以形成p侧电极。此外，将蓝宝石衬底1镜面抛光到50μm，并在与p侧电极的纵向方向垂直的方向将它劈开。从而，形成长度为1mm的激光芯片。
以80mA的门限电流在室温下连续生成上述的蓝色半导体激光。在这种情况下，波长为420nm，工作电压为7v，而且在50℃和30mw驱动的条件下，器件的寿命为5000小时。在这种激光器的情况下，增大了Pt层10和P型GaN接触层9之间的实际接触面积。因此，将电阻减小到1×10-5Ωcm2。此外，将p型GaN接触层9的Mg活化比率提高到大约100％。结果，得到高载流子浓度，并通过p型AlGaN包层8将载流子均匀地注入有源层6。
此外，在其中提供两步掺杂的蓝色半导体激光器中，进一步改进了特性。在这种情况下，两步掺杂意味着在从表面到0.2μm的范围内将添加到上述第一实施例的p型GaN接触层的Mg的量加倍，并在0.8μm的剩余范围内将它设为1/2。更准确地说，在这样构造的半导体激光器中，与第一实施例相比较，将工作电压进一步减小到6.5v。通过用两步掺杂的方法形成p型接触层，获得减小表面上的电极接触电阻有利之处，另一个优点是增加了接触层下部的电阻以控制水平方向的漏泄电流。
根据上述第一实施例，在至少包含In的GaInAlN光滑层上形成添加Mg的氮化镓序列的半导体层，从而减小诸如小孔缺陷的晶体缺陷。
此外，在p型GaN接触层9上形成Pt层10，而且稍微将Pt层扩散到p型GaN接触层9。因此，增大了有效电极接触面积。Pt元素对由于各种原因存在于p型半导体层中的氢元素、碳元素和氧元素的还原催化剂的作用。然后，将这些杂质元素从p型半导体层移出。结果，可以改进Mg的活化比率，并且可以增大有效受主浓度。
此外，在Pt层10上形成Ti层11，而且Ti层与氮化镓序列半导体层的N元素起反应，从而形成非常稳定的TiN。结果，可以阻止作为上电极金属的第二Pt层12和Au层13向下扩散。
利用这些GaInAlN光滑层，Pt层10和Ti层11的各种优点，可以提高晶体的质量。
因此，可以实现具有高载流子浓度的p型氮化镓序列的复合半导体结构，它可以容易地形成低电阻p侧电极，而且可以将载流子均匀有效地注入有源层。然后，可以限制由电极接触产生的电压降，在低的低门限电流和低的工作电压条件下，没有发生特性劣化和损坏，从而可以产生良好的可靠性。
(第二实施例)
接着，将解释第二实施例的蓝色半导体激光器。图2是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。在图2中，将与图1相同的标号添加到为图1共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图1不同的部分。
与第一实施例相比较，该实施例的半导体激光器进一步改进了接触电阻。更准确地说，图2显示将p型In0.1Ga0.9N接触层21插在p型GaN层9和Pt电极10之间的结构。
p型In0.1Ga0.9N接触层21是半导体层(掺Mg，1×1019cm-3，0.2μm)。
除了p型InＸ0.1Ga0.9N接触层21的形成以外，用与第一实施例相同的方法制造这种蓝色半导体激光器。
以75mA的门限电流在室温下连续生成上述的蓝色半导体激光。在这种情况下，波长为420nm，工作电压为6v，而且器件在50℃和30mW驱动的条件下的寿命为5000小时。根据这种激光器，在与Pt层10接触的接触层21中，由于带隙比p型GaN层9的带隙窄，减小了肖特基势垒。因此，和实际接触面积增加的作用一起，将电极接触电阻减小到7×10-6Ωcm2。此外，接触层21的Mg活化比率提高到大约100％。结果，获得了高载流子浓度，并且通过p型AlGaN包层8将载流子均匀地注入有源层6。
于是，根据第二实施例，将带隙比p型GaN层9窄的接触层21插在p型GaN层9和Pt电极10之间。结果，除在第一实施例中所解释的好处以外，可以进一步减小具有p侧电极的接触电阻，从而可以改善工作电压的减小。
(第三实施例)
接着，将解释第三实施例的蓝色半导体激光器。图3是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。在图3中，将与图1相同的标号添加到为图1共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图1不同的部分。
与第一实施例有所不同，该实施例的半导体激光器具有一种内部条状结构。特别是，如图3所示，在内部条状结构中，形成多个n型GaN电流阻挡层31(1×1018cm-3，0.5μm)和厚度为0.1μm的In0.1Ga0.9N光滑层32。其中，在p型Al0.2Ga0.8N包层8上有选择地形成多个n型GaN电流阻挡层31，而在包层8和每一电流阻挡层31上形成In0.1Ga0.9N光滑层32。
类似的，在In0.1Ga0.9N光滑层32上，形成p型GaN接触层9。
除了由于内部条状结构使得用MOCVD方法生长的次数为三次以外，通过与第一实施例相同的方法制造这种蓝色半导体激光器。
以70mA的门限电流在室温下连续生成上述蓝色半导体激光。在这种情况下，波长为420nm，工作电压为6.5V，而器件在50℃和30mW驱动的条件下的寿命为5000小时。根据这种激光器，除了在第一实施例中所解释的优点以外，由于形成了内部条状结构，所以增大了p侧电极的面积，并将p侧电极接触电阻减小到5×10-6Ωcm2。换句话说，内部条状结构进一步改进了低电压工作。
于是，根据第三实施例，除了在第一实施例中解释的优点以外，还可以减小接触电阻。
即使在In0.1Ga0.9N光滑层32上形成p型GaN接触层9，光滑层32也可阻止小孔缺陷的扩散。因此，可以提高晶体的质量。
(第四实施例)
接着，将解释第四实施例的蓝色半导体激光器。图4是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。在图4中，将与图1相同的标号添加到为图1共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图1不同的部分。
与第一实施例有所不同，该实施例的半导体激光器有一种埋藏内部条状结构。特别是，如图4所示，形成GaN波导层5到p型Al0.2Ga0.8N包层8以具有宽度为10μm的平台结构。然后，在平台结构的两端上形成无掺杂的Al0.1Ga0.9N阻挡层41。此外，在Al0.1Ga0.9N阻挡层41、p型Al0.2Ga0.8N包层8和p型GaN接触层9之间形成InGaAlN光滑层42。
除了由于埋藏内部条状结构使得用MOCVD方法生长的次数为三次以外，通过与第一实施例相同的方法制造这种蓝色半导体激光器。
以60mA的门限电流在室温下连续生成上述蓝色半导体激光。在这种情况下，波长为420nm，工作电压为5V，而器件在50℃和30mW驱动的条件下的寿命为5000小时。根据这种激光器，除了在第一实施例中所解释的优点以外，由于形成了埋藏的内部条状结构，所以增大了p侧电极的面积，而且将p侧接触电阻减小到5×10-6Ωcm2。换句话说，通过由厚度比临界薄膜厚度小的薄膜量子阱有源层和埋藏的内部条状结构引起的振荡门限的增益电平的减小，进一步改进了低电压工作。
于是，根据第四实施例，除了在第一实施例中解释的好处以外，可以形成内部条状结构。
(第五实施例)
接着，将解释第五实施例的蓝色半导体激光器。图5是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。在图5中，将与图1相同的标号添加到为图1共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图1不同的部分。
与第一实施例有所不同，该实施例的半导体激光器具有一种内部条状结构。特别是，如图5所示，通过InGaAlN光滑层42，在GaN波导层7和p型Al0.8Ga0.2N包层8之间形成一个结。然后，由无掺杂的Al0.1Ga0.9N阻挡层51制成内部条状结构。
在有源层6上形成的GaN波导层7是宽度为10μm、厚度为0.2μm的平台形的无掺杂半导体层。GaN波导层7的平台下部具有0.1μm的厚度，而且在它的上面形成无掺杂的Al0.1Ga0.9N阻挡层51。
p型Al0.8Ga0.2N包层8有一宽度为10μm的窗口。通过InGaAlN光滑层42，在GaN波导层7和无掺杂的Al0.1Ga0.9N阻挡层51的平台上部形成p型Al0.8Ga0.2N包层8，从而窗口与GaN波导层7的平台上部相对。p型Al0.8Ga0.2N包层8是一掺Mg，5×1017cm-3，(窗口)厚度为0.3μm)的层。
除了由于内部条状结构使得用MOCVD方法生长的次数为三次以外，通过与第一实施例相同的方法制造这种蓝色半导体激光器。
以60mA的门限电流在室温下连续生成上述蓝色半导体激光。在这种情况下，波长为420nm，工作电压为5V，而器件在50℃和30mW驱动的条件下的寿命为5000小时。在这种激光器的情况下，具有与第四实施例相同的优点。
(改进)
如图6所示，可用InGaN阻挡层52代替AlGaN阻挡层51。运用InGaN层52的改进还可以控制横向模阱。
(第六实施例)
接着，将解释第六实施例的蓝色半导体激光器。图7是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图。在图7中，将与图1相同的标号添加到为图1共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图1不同的部分。
与将有源层(MQW)6用作包含In的GaInAlN光滑层的第一实施例有所不同，在p型AlGaN包层8和p型GaN波导层7之间形成包含In的GaInAl序列材料的InGaN光滑层61。
可在其中In成分超过例如0和0.3或更小的范围内形成InGaN光滑层61。如果In成分比有源层6的量子阱层的In成分高，那么将InGaN光滑层61的厚度形成比量子阱层的厚度薄。例如，在第一实施例中，运用厚度为2.5nm的In0.2Ga0.8N阱层。根据这种情况，第六实施例的InGaN光滑层61运用厚度为1.5nm的In0.3Ga0.7N层。
于是，在具有高In成分和厚的薄膜厚度的情况下，光滑层起到过饱和吸收层的作用。因此，本实施例的结构可以起到低噪声激光器的作用，这对于例如光盘系统是必要的。
如果In成分比有源层6的量子阱层的In成分低，那么将InGaN光滑层61的厚度形成比量子阱层的厚度厚。例如，在第一实施例中，运用厚度为2.5nm的In0.2Ga0.8N阱层。根据这种情况，本实施例的光滑层61运用厚度为0.1μm的In0.1Ga0.9N层。可用如图8所示的p型GaN波导层7替代In0.1Ga0.9N光滑层61。
于是，在具有低In成分和高薄膜厚度的情况下，增大了有源层6的有效折射系数，从而可以改进光导(或限制)特性。根据光导特性的提高，即使减小薄膜厚度，p型AlGaN包层8也有效。
在In成分低的情况下，增大薄膜厚度，并将p型载流子浓度设为1×1018cm-3或更大。因此，可以防止电子的溢出，而且能以低门限值生成激光。
(第七实施例)
接着，将解释第七实施例的蓝色半导体激光器。图9是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图，而图10是示出变更的剖面图。在这些图中，将与图2相同的标号添加到为图2共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图2不同的部分。
与具有p型In0.1Ga0.9N接触层21的第二实施例相比，如图9所示，在p型AlGaN包层8和p型GaN波导层7之间形成包含In的GaInAlN序列材料的InGaN光滑层61，这与第六实施例相似。或者，如图10所示，形成InGaN光滑层61代替p型GaN波导层7。
InGaN光滑层61的成分和薄膜厚度与在第六实施例中解释的一样。上述结构可获得与第二和第六实施例相同的优点。
(第八实施例)
接着将解释第八实施例的蓝色半导体激光器。图11是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图，而图12是示出变更的剖面图。在这些图中，将与图3相同的标号添加到为图3共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图3不同的部分。
与具有内部条状结构的第三实施例比较，如图11所示，省略In0.1Ga0.9了光滑层32。然后，在p型AlGaN包层8和p型GaN波导层7之间形成包含In的GaInAlN序列材料的InGaN光滑层61，这与第六实施例相同。或者，如图12所示，形成InGaN光滑层61代替p型GaN波导层7。
InGaN光滑层61的成分和薄膜厚度与在第六实施例中解释的相同。上述结构可获得与第三和第六实施例相同的优点。特别是，在具有阻挡层31的第八实施例中，通过增大有源层6的有效折射系数，增大了有源层6的等效折射系数，扩大了有源层6和阻挡层31之间折射系数的差异。结果，基本的横向模得以稳定，并减小了像散差异，从而可以实现适于光学系统的激光器。
(第九实施例)
接着将解释第九实施例的蓝色半导体激光器。图13是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图，而图14是示出变更的剖面图。在这些图中，将与图4相同的标号添加到为图4共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图4不同的部分。
与具有埋藏内部条状结构的第四实施例比较，如图13所示，省略了In0.1Ga0.9N光滑层42。然后，在p型AlGaN包层8和p型GaN波导层7之间形成包含In的GaInAlN序列材料的InGaN光滑层61，这与第六实施例相同。或者，如图14所示，形成InGaN光滑层61代替p型GaN波导层7。
InGaN光滑层61的成分和薄膜厚度与在第六实施例中解释的相同。上述结构可获得与第四和第六实施例相同的优点。
(第十实施例)
接着将解释第十实施例的蓝色半导体激光器。图15是示出蓝色半导体激光器示意结构的剖面图，而图16是示出变更的剖面图。在这些图中，将与图5相同的标号添加到为图5共有的部分，并省略具体的解释。于是，只介绍与图5不同的部分。
与具有内部条状结构的第五实施例比较，如图15所示，省略了In0.1Ga0.9N光滑层42。然后，形成包含In的GaInAlN序列材料的InGaN光滑层61代替p型GaN波导层7，这与第六实施例相同。
InGaN光滑层61的成分和薄膜厚度与在第六实施例中解释的相同。上述结构可获得与第五和第六实施例相同的优点。特别是，在具有阻挡层51的第十实施例中，与第三实施例相同，基本的横向模得以稳定，并减小了像散差异，从而可以实现适于光学系统的激光器。如图16所示，根据本实施例，不用说，可用InGaN阻挡层52代替AlGaN阻挡层51。
(其它实施例)
(p侧电极结构)
在上述第一到第十实施例中，在形成p侧电极过程中，蒸发Pt/Ti/Pt/Au以形成Pt/TiN/Pt/Au的分层结构。本发明并不限制于这些实施例。代替Ti和Au之间的Pt，可形成多个导电层或单个Ni或Mo。原因在于，Ni和Mo具有如Pt一样高的耐干腐蚀性，而且它们适合于干腐蚀处理。存在这样一种情况，其中在电极布线中需要具有多个导电层的结构。Ti阻止每一导电层的材料向下扩散。Au或Al较适于用作p侧电极的顶部。Au适合于运用Au丝的布线装配，而且这可以防止p侧电极的表面氧化。也可将Al用于布线装配。此外，与p型GaN接触层接触的金属层不局限于Pt，而可以是另一个金属层，例如Pd或Ni。在这种情况下，金属层的厚度最好减薄到50nm或更小。
(N侧电极结构)
在第一至第十实施例中，用Ti/Au制成n侧电极。然而，本发明不局限于上述实施例。可用Al/Ti/Au制成n侧电极。如果在形成n电极后，没有400℃或更高温度的加热过程的处理，那么Al/Ti/Au结构具有较低的接触电阻。
(相关发明)
以下将解释与上述本发明相关的发明。为了向GaN序列的p型半导体提供电流，形成钯(Pd)或Pt和Ti各含1％或更多的p型半导体层。因此，改进了工作电压的减小和加热值的控制。此外，防止了由构成元素的电传导引起的扩散，从而提高了可靠性。
例如，为了向六角形晶体结构的III-V族复合半导体器件的p型半导体层提供电流，形成包含每一种1％或更多的Pd或Pt和Ti的p型半导体层。因此，增大了实际电极接触面积，而且将电极电阻减小到大约10-5Ωcm2。此外，在离GaN序列的半导体表面浅的该区域中形成的层包括Ti和N的组合。结果，形成了稳定的防扩散层，而且可以抑制在通电时出现的元素扩散，并可阻止器件的劣化。
此外，将p型半导体层构造成GaxInyAlzN(0≤x，y，z≤1，和x+y+z＝1)半导体。因此，可以将对于每一种包含1％或更多的Pd或Pt和Ti的p型半导体层的电极电阻减小到10-6Ωcm2。此外，在具有Pd或Pt(达到10nm或更少)、Ti(达到50nm或更少)和电极金属的半导体器件中，可以形成厚度为20nm或更小并每一种包含1％或更多的在300℃或更高温度的热处理中具有化学强力组合的Pd或Pt和Ti的p型半导体层。其中，Pd或Pt形成在六角形晶体结构的III-V族复合半导体器件的p型半导体层的表面，在其上形成Ti，再在其上形成向p型半导体层提供电流的电极金属。
(其它)
本发明和相关发明不局限于第一至第十实施例。半导体层的成分及厚度可作各种改变，而且可以相反地制成导电率。此外，可将本发明应用于诸如受光器件的电子器件和除了发光器件外的晶体管。
对于那些熟悉本技术的人员来说，容易获得附加的优点及变更。因此，在更广的方面，本发明不局限于这里所述的具体细节和各个器件。相应地，在不偏离由权利要求书及它们的等同文件定义的总发明构思的精神和范围的条件下，可以做各种变更。

Claims (19)

1.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成；
n型半导体层，它在所述半导体层上形成，具有至少一个n型包层；
有源层，它在所述n型半导体层上形成；
p型半导体层，它在所述有源层上形成，具有至少一个p型包层；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述p型半导体层或所述有源层上形成；
p型接触层，它在所述p型半导体层上形成，具有添加的p型杂质；
p侧电极，它在所述p型接触层上形成；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成。
2.如权利要求1所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述有源层是多量子阱结构，它具有至少由Gax3Iny3Alz3N制成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)制成的势垒层，它们是交替成层的。
3.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成；
n型半导体层，它在所述半导体层上形成，具有至少一个n型包层；
有源层，它在所述n型半导体层上形成；
p型半导体层，它在所述有源层上形成，具有至少一个p型包层；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述p型半导体层或所述有源层上形成；
p型接触层，它在所述p型半导体层上形成，具有添加的p型杂质；
合金层，它由Pt半导体制成，在所述p型接触层的表面上有选择地形成；
p侧电极，它包括有在所述合金层上形成的Pt层、在其上包括TiN的Ti层和在其上Ti层构成的层叠结构；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成。
4.如权利要求3所述的复合半导体发光器件，其特征在于，通过第二Pt层在所述Ti层上形成Au层。
5.如权利要求3所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层包括碳，而且在包含TiN的Ti层和所述Pt层之间的边界的碳浓度比所述p型接触层的碳浓度高。
6.如权利要求3所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层包括碳和氧，而且在包含TiN的Ti层和所述Pt层之间的边界的碳浓度比所述p型接触层的碳浓度高，而所述边界的氧浓度比所述p型接触层的氧浓度高。
7.如权利要求3所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层包括氢，而且在所述第二Pt层和所述Au层之间的边界的氢浓度比所述p型接触层的氢浓度高。
8.如权利要求3所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述n侧电极具有Ti层和Au层依次形成的层叠结构。
9.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成；
n型半导体层，它在所述半导体层上形成，具有至少一个n型包层；
有源层，它在所述n型半导体层上形成，具有多量子阱结构，其中多量子阱结构具有至少由Gax3Iny3Alz3N制成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)制成的势垒层，它们是交替成层的；
p型半导体层，它在所述有源层上形成，具有至少一个p型包层；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述p型半导体层上形成；
p型接触层，它在所述p型半导体层上形成，具有添加的p型杂质；
p侧电极，它在所述p型接触层上形成；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成，其中当In成分y2比所述阱层的In成分y3低时，形成的所述Gax2Iny2Alz2N光滑层其厚度比所述阱层的厚。
10.如权利要求9所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层具有合金层，它是由在接触层上有选择地形成的Pt半导体制成，而且所述p侧电极具有层叠结构，它是由在所述合金层上形成的Pt层、在其上包含TiN的Ti层和在其上的Ti层制成的。
11.如权利要求9所述的复合半导体发光器件，其特征在于，形成的所述Gax2Iny2Alz2N光滑层，其厚度比所述阱层的厚，而且当In成分y2比所述阱层的In成分y3低时，p型载流子浓度为1×1018cm-3或更高。
12.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成；
n型半导体层，它在所述半导体层上形成，具有至少一个n型包层；
有源层，它在所述n型半导体层上形成，具有多量子阱结构，其中多量子阱结构具有至少由Gax3Iny3Alz3N制成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)制成的势垒层，它们是交替成层的；
p型半导体层，它在所述有源层上形成，具有至少一个p型包层；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述p型半导体层上形成；
p型接触层，它在所述p型半导体层上形成，具有添加的p型杂质；
p侧电极，它在所述p型接触层上形成；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成，其中当In成分y2比所述阱层的In成分y3高时，形成的所述Gax2Iny2Alz2N光滑层其厚度比所述阱层的薄。
13.如权利要求12所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层具有合金层，它是由在接触层表面上有选择地形成的Pt半导体制成的，而且所述p侧电极具有层叠结构，它是由在所述合金层上形成的Pt层、在其上包含TiN的Ti层和在其上的Ti层制成的。
14.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成；
n型包层，它在所述半导体层上形成；
n型波导层，它在所述n型包层上形成；
有源层，它在所述n型波导层上形成；
p型波导层，它在所述有源层上形成，具有条状脊；
阻挡层，它在沿着所述p型波导层脊的侧面部分上有选择地形成；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述阻挡层和所述p型波导层的所述脊上形成；
p型包层，它在所述Gax2Iny2Alz2N光滑层上形成；
p型接触层，它在所述p型包层上形成，具有添加的p型杂质；
p侧电极，它在所述p型接触层上形成；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成，其中所述阻挡层由Gax5Iny5Alz5N(x5+y5+z5＝1，0≤x5，y5≤1，0＜z5≤1)制成。
15.如权利要求14所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述有源层是多量子阱结构，它具有至少由Gax3Iny3Alz3N制成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)制成的势垒层，它们是交替成层的。
16.如权利要求14所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层具有合金层，它是由在接触层表面上有选择地形成的Pt半导体制成的，而且所述p侧电极具有层叠结构，它是由在所述合金层上形成的Pt层、在其上包含TiN的Ti层和在其上的Ti层制成的。
17.一种具有氮化镓序列(Gax1Iny1Alz1N，x1+y1+z1＝1，0≤x1，y1，z1≤1)复合半导体的氮化镓序列的复合半导体发光器件，所述复合半导体发光器件，其特征在于包括：
衬底；
半导体层，它在所述衬底上形成，
n型包层，它在所述半导体层上形成；
n型波导层，它在所述n型包层上形成；
有源层，它在所述n型波导层上形成；
p型波导层，它在所述有源层上形成，具有条状脊；
阻挡层，它在沿着所述p型波导层脊的侧面部分上形成；
Gax2Iny2Alz2N(x2+y2+z2＝1，0≤x2，z2≤1，0＜y2≤1)的光滑层，它在所述阻挡层和所述p型导电层的所述脊上形成；
p型包层，它在所述Gax2Iny2Alz2N光滑层上形成；
p型接触层，它在所述p型包层上形成，具有添加的p型杂质；
p侧电极，它在所述p型接触层上形成；和
n侧电极，它在所述n型半导体层或衬底上形成，其中所述阻挡层由Gax5Iny5Alz5N(x5+y5+z5＝1，0≤x5，z5≤1，0＜y5≤1)制成。
18.如权利要求17所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述有源层是多量子阱结构，它具有至少由Gax3Iny3Alz3N制成的阱层(x3+y3+z3＝1，0≤x3，y3，z3≤1)和Gax4Iny4Alz4N(x4+y4+z4＝1，0≤x4，y4，z4≤1)制成的势垒层，它们是交替成层的。
19.如权利要求17所述的复合半导体发光器件，其特征在于，所述p型接触层具有合金层，它是由在接触层表面上有选择地形成的Pt半导体制成的，而且所述p侧电极具有层叠结构，它是由在所述合金层上形成的Pt层、在其上包含TiN的Ti层和在其上的Ti层制成的。
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