CN1320665C - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光元件，该元件包括在其间保留特定距离的第一DBR和第二DBR形成谐振器，且单量子阱有源层设置在该谐振器中的驻波的波腹处。但量子阱有源层由一个Ga0.5In0.5P阱层和一对将Ga0.5In0.5P阱层夹在其间的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层组成。(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层的杂质浓度高于Ga0.5In0.5P阱层的。例如，Ga0.5In0.5P阱层的杂质浓度设置为2×1016cm-3，而(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层的杂质浓度设置为2×1018cm-3。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件，例如适用于发射和显示用途的元件。
背景技术
近年来，半导体发光元件已经广泛用于光通信及信息显示板。这些半导体发光元件有必要具备高发光效率。用于光通信的半导体发光元件还有必要具备高响应速度，且它们最近已经广泛发展。
常规的表面发射型LED(发光二极管)在高速响应度中并不很令人满意，且其限度大约为150至200Mbps。因而，已经发展了所谓“谐振器型LED”半导体发光元件。这种谐振器型LED是一种半导体发光元件，该半导体发光元件通过在由两个镜面形成的空腔内产生的驻波的波腹设置发光层控制自发的光发射，由此实现高速响应度和高效率[见JP-A-3-229480，和US专利No.5226053]。
特别地，POFs(塑料光纤)已经开始用于适用例如IEEE1394或USB2标准的高速通信，且用AlGaInP型半导体材料作发光层的谐振器型LED已经发展，其能够在处于POF的低损耗波导区的650nm波长下高效率的发光[High Brightness Visible(660nm)Resonant-Cavity Light-EmittingDiod：IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.10，No.12，December1998]。这种谐振器型LED具有多量子阱结构，且多量子阱结构中的垒层和阱层是未掺杂的。即，在多量子阱结构中，垒层和阱层具有相同的杂质浓度。这能使谐振器型LED获得大约3ns的上升/下降时间，但是由于高速通信的需要，需要进一步改善上升/下降时间。例如，为了符合IEEE1394S-200的标准，需要上升/下降时间不大于1.6ns。
发明内容
本发明的目的是提供具有优良高速响应的半导体发光元件。
为获得上述目的，在本发明的半导体发光元件中，第一多层反射膜、量子阱发光层和第二多层反射膜依序叠置在半导体衬底上。在其之间具有特定间距的第一和第二多层反射膜形成谐振器，在该谐振器中产生驻波，且量子阱发光层设置在该谐振器中的驻波的波腹处。量子阱发光层具有至少一个阱层和将该至少一个阱层夹在其中的垒层。垒层具有的杂质浓度高于阱层的杂质浓度。一形成在该第二多层反射膜上的电流限制层。
贯穿本说明书全文，组分比率y和z在化合物半导体之间独立。
根据具有上述构造的半导体发光元件，由于垒层的杂质浓度比阱层的高，注入载流子在垒层中很容易被复合。这促进当响应信号关闭时注入载流子的湮灭。由此，当执行光通信时，例如，当响应信号关闭时下降时间变短。相应地，可以提高响应速度。
如后面所述，如果垒层的杂质浓度不高于一定水平，光输出特性不会受到有害影响。
在一个实施例中，垒层的杂质浓度设置为2×1018cm-3或更高，由此将要形成不发光复合中心的杂质增加。结果，促进了注入载流子的复合，这样使其能够提高响应速度。
通过将杂质浓度设置到1×1019cm-3或更少，阻止杂质到阱层的扩散，因而使其能够阻止由于杂质扩散产生的光输出中的下降。
在一个实施例中，将垒层的杂质浓度设置为5×1018cm-3或更高，由此将要形成不发光复合中心的杂质极度增加。结果，更加促进注入载流子的复合，且可以进一步提高响应速度。
在一个实施例中，阱层中的杂质浓度为5×1017cm-3或更少，所以可以在不降低阱层的发光效率的条件下增加光输出，而不同于对阱层使用高浓度杂质的情况。
阱层中的杂质浓度可以是零。
在一个实施例中，优选地，量子阱发光层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在这种情况中，可以由量子阱发光层获得在大约550nm至680nm的波长的光发射。
在一个实施例中，优选地，第二多层反射膜由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在这种情况中，第二多层反射膜对在大约550nm或更高波长的光发射变得透明，这样使其能够有效地发射具有大约550nm或更高波长的光。
在一个实施例中，优选地在第二多层反射膜上形成电流限制层。
在这种情况中，将要注入到电流限制层下部的电流密度增加，这样使其能够进一步增加响应速度。
根据一个实施例的半导体发光元件，优选地电流限制层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在这种情况中，电流限制层对在大约550nm或更高波长的光发射变得透明，这样使其能够有效地发射具有大约550nm或更高波长的光。
根据一个实施例中的半导体发光元件，优选地在电流限制层上形成扩散层。
在这种情况中，如果提供具有开孔的电流限制层，例如，电流可以均匀地注入到电流限制层的开孔，这样使其能够将工作电压控制到低电平。
在一个实施例中，优选地，电流扩散层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在这种情况中，电流扩散层对在大约550nm或更高波长的光发射变得透明，这样使其能够有效地发射具有大约550nm或更高波长的光。
在一个实施例中，优选地，至少一个阱层和/或多个垒层掺有Si、Zn、Mg和Se的任意一种。
可以很容易地通过各种晶体生长方法加入Si、Zn、Mg和Se。
在一个实施例中，半导体衬底是GaAs衬底。
附图说明
从下文给出的详细描述和仅作为示例性说明并从而不对本发明构成限制而给出的附图可以更全面的理解本发明，其中：
图1(a)是本发明的实施例1的半导体发光元件的顶视平面图，而图1(b)是沿图1(a)的1b-1b线截取的剖面图；
图2是实施例1的半导体发光元件在制造过程中的剖面图；
图3(a)是实施例1的半导体发光元件在制造过程中的另一顶视平面图；而图3(b)是沿图3(a)的3b-3b线截取的剖面图；
图4是示出实施例1的半导体发光元件的单量子阱有源层的能带隙的视图；
图5是示出垒层的杂质浓度与下降时间之间关系的图表；
图6是示出垒层的杂质浓度与光输出(光功率)之间关系的图表；
图7是示出阱层的杂质浓度与光输出(光功率)之间关系的图表；
图8(a)是本发明的实施例2的半导体发光元件的顶视平面图，而图8(b)是沿图8(a)的8b-8b线截取的剖面图；
图9是实施例2的半导体发光元件在制造过程中的剖面图；
图10(a)是实施例2的半导体发光元件在制造过程中的另一顶视平面图；而图10(b)是沿图10(a)的10b-10b线截取的剖面图；以及
图11是示出实施例2的半导体发光元件的多量子阱有源层的能带隙的视图。
具体实施方式
根据示例性说明的实施例将更加详细描述本发明的半导体发光元件。
(实施例1)
图1(a)是实施例1的作为半导体发光元件的谐振器型半导体发光元件的顶视平面图，而图1(b)是沿图1(a)的1b-1b线截取的剖面图。图2是在制造工艺步骤中的半导体发光元件的剖面图。图3(a)是另一制造工艺步骤中半导体发光元件的顶视平面图，而图3(b)是沿图3(a)的3b-3b线截取的剖面图。
实施例1的半导体发光元件是AlGaInP型，且其以下述方式制造。
首先，如图2中所示，在作为半导体衬底的一个例子的n型GaAs衬底1上叠置n型GaAs缓冲层2、作为第一多层反射膜的一个例子的第一DBR(分布式布拉格反射器)膜3、n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一覆层4、作为量子阱发光层的一个例子的单量子阱有源层5、P型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二覆层6、作为第二多层反射膜的一个例子的第二DBR膜7、p型AlGaInP中间层8、p型GaP蚀刻保护层9、n型GaP电流限制层10和未掺杂GaAs盖帽层11，它们通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法依序形成。n型GaAs衬底1具有相对于在[011]方向中的(100)平面倾斜15°角的平面取向。在实施例1中，n型GaAs缓冲层2、p型AlGaInP中间层8、p型GaP蚀刻保护层9、n型GaP电流限制层10和GaAs盖帽层11的厚度分别设置成例如1μm、0.1μm、1μm、0.3μm和0.01μm。
第一DBR膜3由30.5对n型AlAs和n型Al0.5Ga0.5As组成，而第二DBR膜7由12对p型(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P和p型Al0.5In0.5P组成。形成这些第一和第二DBR膜3、7以便反射光谱的中央波长为650nm。在它们之间留有特定间隔的第一DBR膜3和第二DBR膜7形成谐振器。调节谐振器的长度以便谐振波长同样为650nm。在实施例1中，谐振器的长度设置成两倍的波长。而且，单量子阱有源层5设置在由第一和第二DBR膜3和7形成的谐振器中产生的驻波的波腹处。同样地，单量子阱有源层5的发光峰波长设置为650nm。
存在于n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一覆层4与p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二覆层6之间的能带隙示于图4中。在图4中，在上层部分中的带隙能量比在图的下层部分的高。
单量子阱有源层5由Ga0.5In0.5P阱层41和一对(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层42，42组成，在42，42之间放置Ga0.5In0.5P阱层41。Ga0.5In0.5P阱层41未掺杂，例如，具有100的厚度和2×1016cm-3的杂质浓度。(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层42，42为Si掺杂，例如，具有200的厚度和2×1018cm-3的杂质浓度。
接着，用硫酸/过氧化氢型蚀刻剂除去图2中示出的GaAs盖帽层11，且然后通过光刻和硫酸/过氧化氢型蚀刻剂蚀刻n型GaP电流限制层10的一部分直到到达p型GaP蚀刻保护层9为止。结果，如图3(a)和图3(b)中所示在p型GaP蚀刻保护层9上获得n型GaP电流限制层10a。形成具有70μm直径的圆形通孔的GaP电流限制层10a，且填充孔的物质成为电流路径的一部分。
接下来，如图1(a)和图1(b)中所示，在GaP蚀刻保护层9和n型GaP电流限制层10a上形成具有例如7μm厚度的p型AlGaInP电流扩散层12。之后，在p型AlGaInP电流扩散层12上沉积AuBe/Au，其通过光刻并用/Au蚀刻剂处理以形成表面电极。表面电极的热处理导致在p型AlGaInP电流扩散层12上形成p型电极13。然后，从与面向n型GaAs缓冲层2的面相对的面抛光n型GaAs衬底1以获得大约280μm厚GaAs衬底1a。在该GaAs衬底1a的抛光表面上，即在图1(b)中GaAs衬底1a的下面的表面上沉积AuGe/Au，且对其热处理以形成n型电极14。
在以这种方式制造的半导体发光元件中，由于(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层42的杂质浓度比Ga0.5In0.5P阱层41的高，注入载流子更容易在(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层42中被复合。当响应信号关闭时促进载流子的湮灭。结果。下降速度变为1.6ns一样快。
在用具有8×1017cm-3的杂质浓度的垒层代替具有2×1018cm-3的杂质浓度的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层42的情况下，下降时间为2.6ns。
图5示出在其中绘制量子阱有源层的垒层的杂质浓度与下降时间之间的关系的图表。根据图5，当垒层的杂质浓度设置成8.0×1017cm-3时，下降时间为2.6ns。当垒层的杂质浓度设置成2.0×1018cm-3时，下降时间为1.6ns。当垒层的杂质浓度设置成5.0×1018cm-3时，下降时间为1.3ns。当垒层的杂质浓度设置成1.0×1019cm-3时，下降时间为1.3ns。
如上所述，在垒层的杂质浓度设置成2.0×1018cm-3或更高的情况下，下降时间为1.6ns、1.3ns或1.3ns，显示出高速响应。与此相比较，在垒层的杂质浓度设置成小于2.0×1018cm-3的情况下，下降时间急剧增加至2.6ns或更高。这样，因为可以制得更高的响应速度而优选2.0×1018cm-3或更高的垒层的杂质浓度。更为优选的是，在垒层的杂质浓度设置成5.0×1018cm-3或更高的情况下，下降时间可以进一步减小。
根据上述制造的半导体发光元件，初始光功率在30mA处为1.6mW。在30mA时的工作电压为2.3V。这样低工作电压的获得是由于电流在p型AlGaInP电流扩散层12中被充分地扩散以至于电子电流被均匀地注入到GaP电流限制层10a中的圆形通孔的中心。
图6示出在其中绘制量子阱有源层的垒层的杂质浓度与光功率之间的关系的图表。
从图6中看出，当垒层的杂质浓度超过1.0×1019cm-3时，垒层中的杂质扩散到阱层，且光功率急剧降低。这样，从阻止由于杂质到阱层的扩散引起光功率减少的观点出发，垒层的杂质浓度优选地设置成不超过1.0×1019cm-3。
图7中示出在其中绘制量子阱有源层的阱层的杂质浓度与光输出的关系的图表。
从图7中可以看出，当阱层的杂质浓度设置在0cm-3至5×1017cm-3范围时，阱层具有比垒层的杂质浓度低的杂质浓度，且可以避免光功率的急剧下降。因此，优选地将阱层的杂质浓度设置在上述范围内。
在实施例1中，由MOCVD方法制造半导体发光元件。可选地，可以用例如MBE(分子束外延)方法、溅射方法等等来制造。
构成第一和第二DBR膜的每一个的膜的组成成分和它们的对数并不受实施例1所描述的限制。
在实施例1中，单量子阱发光层可以由具有不同于上面提到过的组分比的AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。即，单量子阱发光层可以有一层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成的阱层，和每个都由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成的垒层，垒层中间夹着该阱层。
在实施例1中，第二DBR膜可以由具有不同于上面提到过的组分比的AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例1中，电流限制层可以由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例1中，电流扩散层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例1中，可以将作为杂质的Zn、Mg和Se的任意一种加入垒层。在这种情况中，同样地，可以与垒层掺入Si的情况一样以相同的方式获得改善响应时间的效果。
在实施例1中，阱层可以掺入作为杂质的Si、Zn、Mg和Se的任意一种。
例如，可以将实施例1的半导体发光元件引入与POFs一起使用的通信模块中或显示器件中。
(实施例2)
图8(a)是实施例2的谐振器型半导体发光元件的顶视平面图，而图8(b)是沿图8(a)的8b-8b线截取的剖面图。图9是在制造工艺步骤中半导体发光元件的剖面图。图10(a)是在另一制造工艺步骤中半导体发光元件的顶视平面图，而图10(b)是沿图10(a)的10b-10b线截取的剖面图。
实施例2的半导体发光元件为AlGaInP型，且以下述方式制造。
首先，如图9中所示，在作为半导体衬底的一个例子的n型GaAs衬底上叠置n型GaAs缓冲层2、作为第一多层反射膜的一个例子的第一DBR膜3、n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一覆层4、作为量子阱发光层的一个例子的多量子阱有源层25、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二覆层6、作为第二多层反射膜的一个例子的第二DBR膜7、p型AlGaInP中间层8、p型GaP蚀刻保护层9、n型GaP电流限制层10和未掺杂GaAs盖帽层11，它们通过MOCVD方法依序形成。n型GaAs衬底1具有相对于在[011]方向中的(100)平面倾斜15°角的平面取向。在实施例2中，n型GaAs缓冲层2、p型AlGaInP中间层8、p型GaP蚀刻保护层9、n型GaP电流限制层10和GaAs盖帽层11的厚度分别设置成例如1μm、0.1μm、1μm、0.3μm和0.01μm。
第一DBR膜3由30.5对n型AlAs和n型Al0.5Ga0.5As组成，而第二DBR膜7由12对p型(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P和p型Al0.5In0.5P组成。形成这些第一和第二DBR膜3、7以便反射光谱的中央波长为650nm。以特定距离彼此间隔的第一和第二DBR膜3、7形成谐振器。调节谐振器的长度以便谐振波长同样为650nm。在实施例2中，谐振器的长度设置成两倍的波长。而且，多量子阱有源层25设置在由第一和第二DBR膜3、7形成的谐振器中产生的驻波的波腹处。同样地，多量子阱有源层25的发光峰波长设置为650nm。
存在于n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一覆层4与p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二覆层6之间的能带隙示于图11中。在图11中，在上层部分中的带隙能量比在图的下层部分的高。
多量子阱有源层25具有四层Ga0.5In0.5P阱层91，......，91和五层(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层92，......，92组成，每一层Ga0.5In0.5P阱层91被夹在两层垒层之间。Ga0.5In0.5P阱层91，......，91为Si掺杂，例如，具有100的厚度和2×1017cm-3的杂质浓度。(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P垒层92，......，92同样为Si掺杂，例如，在相邻的阱层之间具有100的厚度而在相邻的阱层与覆层之间具有200的厚度，且具有5×1018cm-3的杂质浓度。
接着，用硫酸/过氧化氢型蚀刻剂除去GaAs盖帽层11，且然后通过光刻和硫酸/过氧化氢型蚀刻剂蚀刻n型GaP电流限制层10的一部分直到到达p型GaP蚀刻保护层9为止。结果，如图10(a)和图10(b)中所示在p型GaP蚀刻保护层9上获得n型GaP电流限制层10a。形成具有70μm直径的圆形通孔的GaP电流限制层10a，且填充孔的物质成为电流路径的一部分。
接下来，如图8(a)和图8(b)中所示，在GaP蚀刻保护层9和n型GaP电流限制层10a上形成具有例如7μm厚度的p型AlGaInP电流扩散层12。之后，在p型AlGaInP电流扩散层12上沉积AuBe/Au，其通过光刻和Au蚀刻剂来处理以形成表面电极。表面电极的热处理导致在p型AlGaInP电流扩散层12上形成p型电极13。然后，从与面向n型GaAs缓冲层2的面相对的面抛光n型GaAs衬底1以获得大约280μm厚GaAs衬底1a。在该GaAs衬底1a的抛光表面上，即在图8(b)中GaAs衬底1a的下面的表面上沉积AuGe/Au，且对其热处理以形成n型电极14。
以这种方式获得的实施例2的半导体发光元件与实施例1的半导体发光元件的不同之处就在于前者具有多量子阱有源层25。即，在实施例1中用单量子阱有源层5作为量子阱发光层，而在实施例2中用多量子阱有源层25作为量子阱发光层。多量子阱有源层25的使用提高改善了光功率，且初始光功率在30mA下达到2.2mW。不必说，实施例2的半导体发光元件获得与实施例1的半导体发光元件相同的效果。
同样在实施例2中，由于与实施例1的相关描述相同的原因，优选地，垒层的杂质浓度设置在2.0×1018至1.0×1019cm-3的范围内，更为优选地设置在5.0×1018至1.0×19cm-3的范围内。而且，由于与实施例1的相关描述相同的原因，优选地，阱层的杂质浓度设置在0cm-3至5×1017cm-3的范围内。
在实施例2中，由MOCVD方法制造半导体发光元件，且可以用例如MBE(分子束外延)方法、溅射方法等等来制造。
构成第一和第二DBR膜的每一个的膜的组成成分和它们的对数并不受实施例2所描述的限制。
在实施例2中，多量子阱发光层可以由具有不同于上面提到过的组分的AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。即，多量子阱发光层可以具有每个都由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成的阱层，和每个都由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成的垒层，各阱层被夹在两层垒层中间。
在实施例2中，第二DBR膜可以由具有不同于上面提到过的组分的AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例2，电流限制层可以由具有不同于上面提到过的组分的AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例2中，电流扩散层由AlyGazIn1-y-zP(0≤y≤1，0≤z≤1)构成。
在实施例2中，可以将Zn、Mg和Se的任意一种掺入各个垒层和/或阱层。同样在这种情况中，可以与使用Si的情况一样获得提高响应时间的效果。
例如，可以将实施例2的半导体发光元件引入与POFs一起使用的通信模块或显示器件中。
本发明可应用于谐振器型LED。
从上述的描述中显而易见的，在本发明的半导体发光元件中，由于垒层的杂质浓度高于阱层的，在垒层中的载流子很容易被复合。这减小了响应信号关闭时的下降时间。结果，可以提高高速响应度。
这样描述的发明，显而易见的可以在很多方面改变。这样的改变并不被认为偏离本发明的精神和范围，且由于所有这样的修改对于本领域技术人员是显而易见的，因此将要包含在所附权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种半导体发光元件，包括：
一由一半导体衬底支撑的第一多层反射膜和一在该第一多层反射膜上方离该第一多层反射膜特定距离形成的第二多层反射膜；
一由该第一和第二多层反射膜形成的、内部产生驻波的谐振器；以及
一形成在该谐振器中的驻波的波腹处的量子阱发光层，
该量子阱发光层具有至少一个阱层和将该至少一个阱层夹在其间的多个垒层；
该垒层具有的杂质浓度高于该阱层的杂质浓度；
一形成在该第二多层反射膜上的电流限制层。
2.根据权利要求1的半导体发光元件，其中该垒层的杂质浓度在2×1018cm-3至1×1019cm-3的范围内。
3.根据权利要求2的半导体发光元件，其中该垒层的杂质浓度在5×1018cm-3至1×1019cm-3的范围内。
4.根据权利要求2的半导体发光元件，其中该阱层的杂质浓度为小于或等于5×1017cm-3。
5.根据权利要求1的半导体发光元件，其中该量子阱发光层由AlyGazIn1-y-zP构成，其中0≤y≤1，0≤z≤1，。
6.根据权利要求1的半导体发光元件，其中该第二多层反射膜由AlyGazIn1-y-zP构成，其中0≤y≤1，0≤z≤1。
7.根据权利要求1的半导体发光元件，其中该电流限制层由AlyGazIn1-y-zP构成，其中0≤y≤1，0≤z≤1。
8.根据权利要求1的半导体发光元件，包括一形成在该电流限制层上的电流扩散层。
9.根据权利要求8的半导体发光元件，其中该电流扩散层由AlyGazIn1-y-zP构成，其中0≤y≤1，0≤z≤1。
10.根据权利要求1的半导体发光元件，其中该至少一个阱层和/或该垒层掺入Si、Zn、Mg和Se中的任意一种。
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