CN1484324A - 化合物半导体发光器件的外延衬底及制造方法和发光器件 - Google Patents
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Abstract
为了提高发光效率而不致降低发光层结构的保护性能，设置了一种与发光层结构相接触的由第一到第三层组成的3－层p－型层结构。第一层是一层n－型AlGaN层，它用作保护层，第三层是一层GaN∶Mg层，它用作接触层，形成在这两层之间的第二层是一层作为中间层的AlGaN∶Mg层，设置中间层，即使在n－型AlGaN层做得很薄的情况下，也能使InGAN层在其上生长延层时得到彻底的防热保护，以此可以使GaN∶Mg层设置得接近发光层结构，以增强向发光层结构中注入空穴的效率，从而提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及用于化合物半导体发光器件的外延衬底及其制造方法和发光器件，该化合物半导体发光器件由III-V族元素的氮化物系列化合物半导体薄膜的叠层构成。
背景技术
用通式InxGayAlzN(其中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的III-V族化合物半导体被认为是用于紫色、兰色和绿色发光二极管和兰色和绿色激光二极管的材料。以下，通式中用的符号x、y和z有时用于分别表示InN混合晶体比、GaN混合晶体比和AlN混合晶体比。III-V族化合物半导体，特别是含InN 10％及其以上混合晶体比的那些，对于显示应用特别重要，其原因是，通过调节InN混合晶体比可以调节它在可见光范围内的发射波长。
人们已知它们的混合晶体比强烈影响着化合物半导体的物理性能。例如，不含In的GaAlN-系列混合晶体具有极好的热稳定性，因此可以在1000℃及其以上的温度生长以获得良好的结晶度。相反，尽管InN的混合晶体比不同，含In的InGaAlN-系列混合晶体的热稳定性就不是那么好，所以该化合物半导体通常在800℃左右的较低温度下生长。结果构成可见光范围发光器件发光层结构的重要生长层的InGaAlN-系列混合晶体生长层就必须在低温下生长，因此热稳定性通常较差。
另一方面，一旦生长了发光层结构，它就要用须在高温下生长的P-型层覆盖。为了保护来自这种高生长温度的热不稳定发光层结构，因此常规办法是首先在发光层结构上生长一层具有高耐热性的保护层，然后在此保护层上在高生长温度下生长P-型层。
该保护层是一层重要的膜层，它不仅起保护发光层结构的作用，还对发光器件的发射特性具有重要的影响。具体的说，它与发光过程深切相关，发光是从形成在保护层上的P-型层向发光层结构中注入的空穴和从其下边向发光层结构中注入的电子进行有效复合引起的。为了提高从P-型层一侧注入发光层结构中的空穴效率，保护层最好具有P-型导电性或低载流子密度的n-型导电性。
但是，在与生长发光层结构的温度相同的温度下生长含Al的保护层时，保护层的结晶度不好。由于存在许多晶格缺陷，因此，它展现出正常载流子密度的高n-型导电性。因此向发光层结构中注入空穴的效率降低，并很难获得高发光效率。
因此，必须从提高保护性能和保持空穴注入效率两个方面考虑优化保护层和P-型层的生长条件。在保持高晶体质量的同时要求保护层保护发光层结构不受热，来控制导电率，以保证从P-型层向发光层结构中有效地注入空穴。
现有技术提供了两种能够作此优化的方法：方法(a)是首先生长AlGaN保护层，然后，将保护层加热到P-型GaN层(接触层)的生长温度，最后，生长P-型GaN层，和方法(b)是形成作为可以在低温生长的无Al的GaN层的保护层，以提高保护层的结晶度并使背景型的载流子密度有某些降低。
但是，当用(a)法时，保护层必须至少生长到一定的厚度，以防止在生长过程损坏P-型GaN层(接触层)。由于产生膜层厚度的增加使pn结界面与发光层结构分开，造成向发光层结构中空穴注入效率降低。而且，由于随着Al含量的减少作为保护层的AlGaN层的性能下降，现有技术(b)法的GaN保护层的厚度也需增加，所以，不能指望它提高发光效率。
发明内容
本发明的目的是，提供用于化合物半导体发光器件的外延衬底及其制造方法和用此制成的发光器件，它可以克服上述现有技术中的缺陷。
本发明的另一目的是，提供用于化合物半导体发光器件的外延衬底及其制造方法和发光器件，它能高效率地将空穴注入发光层结构而不损害保护层对发光层结构的保护性能。
实现本发明上述目的的方法是，在保护层与P-型层之间插入一层中间层，使得即使在保护层做得很薄的情况下，也能保证具有优良的保护性能，并通过使P-型层接近发光层结构，来提高空穴注入效率和增强发光效率。
本发明的特征是，用于化合物半导体发光器件的外延衬底包括：双异质发光层结构，它包括一个pn结和与发光层结构相接触形成的p-型侧层结构，p-型侧层结构包括按与发光层结构相接触的膜层为起始的顺序：用InxAlyGazN(其中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的n-型第一层，用InuAlvGawN(其中，u+v+w＝1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤w≤1)表示的p-型第二层，和用InpAlqGarN(其中，p+q+r＝1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤r≤1)表示的p-型第三层；三层膜各自与其邻层接触形成。它们的厚度最好是：第一层厚度d1(埃)的范围是5≤d1≤200，第二层厚度d2(埃)的范围是5≤d2≤30,000。
本发明的另一个特征是，在用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法中，使第一层的生长温度T1和第二层的生长温度T2满足T1≤T2的关系。
本发明的另一特征是第二层的生长满足关系：
5≤d2≤30,000 (900≤T2≤1,150)
T2≤0.4d2+700 (700≤T2＜900)，式中T2(℃)是第二层的生长温度，d2(埃)是第二层的厚度。
用按上述方式制造的外延衬底制造发光器件来制成具有优异发射特性的发光器件。
本发明的一项特征是，在用于包括一双异质发光层结构的化合物半导体发光器件的外延衬底中，包括一pn结，和与发光层结构相接触形成的一层p型侧层结构，p-型侧层结构包括按与发光层结构相接触的膜层为起始的顺序：用InxAlyGazN(其中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的n-型第一层，用InuAlvGawN(其中，u+v+w＝1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤w≤1)表示的n-型第二层，和用InpAlqGarN(其中，p+q+r＝1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤r≤1)表示的p-型第三层，三层膜各自与其邻层接触形成。
这里，最好是第二层的p-型掺杂剂浓度不小于1×1017m-3和不大于1×1021cm-3，而第二层的n-型载流子密度不大于1×1019cm-3。
此外，优选第一层厚度d1(埃)的范围是5≤d1≤200，第二层厚度d2(埃)的范围是5≤d2≤500。
本发明的另一特征是，要使第一层的生长温度T1和第二层的生长温度T2满足T1≤T2的关系。这里第二层的生长最好满足关系：
T2≥0.4d2+700 (5≤d2≤500)
1,150≥T2≥700，式中T2(℃)是第二层的生长温度，d2(埃)是第二层的厚度。
从以下参照附图对优选实施例所作详细描述中将会更好地理解本发明的其他目的和优点。
附图说明
图1示出本发明一项实施例的结构图。
图2是关于本发明第一到第八工作例和第一到第三对照例的总数据表。
图3是用图2的数据画出的曲线图，绘示在按图1所示结构形成的发光器件中发光强度随第二层的厚度和生长温度的变化。
图4是关于本发明第九到第十六工作例的总数据表。
具体实施方式
图1示出本发明一项实施例的发光器件的膜层结构。图1所示的发光器件是用本发明用于化合物半导体发光器件的外延衬底制造成的。
首先要说明发光器件20的膜层结构。此结构包括：在兰宝石衬底1上用金属有机物气相外延(MOVPE)工艺按顺序外延生长形成的低温GaN缓冲层2、n-型GaN:Si层3、n-型GaN:Si层4和GaN层5。在GaN层5上形成AlGaN层6，并在AlGaN层6上形成发光层结构7。AlGaN层6和发光层结构7用MOVPE外延生长法陆续形成。
要注意到本发明不仅限于本实施例中所用的兰宝石衬底。也可以使用各种其他的衬底，包括：用埋置生长法减少了位错密度的SiC、GaN衬底、在Si上的GaN衬底、独立式GaN衬底、AlN衬底等等。此外，缓冲层不一定必须由低温GaN层形成，可以用任何其他材料取代，包括：低温AlN、低温AlGaN、低温InGaAlN等等。
发光层结构7是有一pn结的双异质结构，它由4组交替生长的InGaN层7A和GaN层7B以及在最上面一组上生长的InGaN层8构成的多层量子阱结构构成。InGaN层8的生长温度是780℃。由第一、第二和第三层构成的p-型层侧的3-层结构形成在发光层结构7上并与其接触。本实施例中所形成的与发光层结构7相接触的p-型层侧结构是由从与发光层结构7相接触的膜层开始的顺序形成的n-型AlGaN层(第一层)9、AlGaN:Mg层(第二层)10和GaN:Mg层(第三层)11构成的。这3层膜分别与其邻层接触形成。
第一层，即n-型AlGaN层9，是用MOVPE法在与生长InGaN层8的相同生长温度780℃下生长晶体形成的。第二层，即AlGaN:Mg层10是用MOVPE法在比n-型AlGaN层9高的生长温度1000℃下生长晶体形成的。第三层，即GaN:Mg层11是用MOVPE法在比AlGaN:Mg层10高的生长温度1040℃下生长晶体形成的。
本实施例中，AlGaN:Mg层(第二层)10和GaN:Mg层(第三层)11是低电阻p-型层。一欧姆n电极12形成在n-型GaN:Si层4上，而一欧姆p电极13则形成在GaN:Mg层11上。
在上述有膜层结构的发光器件20的制造中，首先在兰宝石衬底1上通过形成上述的膜层结构制造用于化合物半导体发光器件的外延衬底，然后用该外延衬底按图1所示的形式制造发光器件20。
与发光层结构7相接触形成的p-型层侧3-层结构中，n-型AlGaN(第一)层9用作保护层，GaN:Mg(第三)层11用作接触层，位于这两层之间的AlGaN:Mg层(第二层)10作为中间层。由于设置了该中间层，即使n-型AlGaN层9作得薄，也能使InGaN层8在其上生长膜层时得到彻底的防热保护。由于GaN:Mg层11可以因此而接近发光层结构7，因而能更有效地将空穴注入发光层结构7，能够提高发光器件20的发光效率。
尽管图1所示实施例中的AlGaN:Mg层(第二层)10具有p-型导电性，但并不限于这种导电性，它可以具有n-型导电性。通过改变生长条件可以形成作为n-型化合物半导体的第二层。即使形成作为n-型AlGaN:Mg层的第二层来代替p-型AlGaN:Mg层10，InGaN层7A和8仍然能在其上生长薄层时受到有效的防热，并能提高向发光层结构7中注入空穴的效率，正如该第一实施例一样地增强发光效率。
现在给出有关构成p-型层侧结构的第一到第三层的概略说明。
因为在发光层结构7的p-型层侧上设置了第一层，从它的基本功能考虑，最好应该具有p-型或低浓度n-型的导电性，以提高发光效率。但是，第一层的生长温度通常设置在与发光层结构7的生长温度相同的较低温度下(本实施例中是780℃)，以免损坏含In的耐热性低的发光层结构7的结晶度。由于出现由晶格缺陷引起的n-型载流子，所以，即使不掺杂它也具有n-型导电性。由于低生长温度，所以，在实践中，用p-型掺杂剂补偿n-型电荷很难使n-型AlGaN层9成为低浓度n-型层或p-型层。
此外，p-型掺杂剂倾向于留在反应炉内。因而它对后来的生长阶段所制造的发光层质量会造成超过用它掺杂生长时的更大负面影响。这就是被称为的存储效应。克服这个问题的一个有效措施是要利用一种反应炉，它被设计成使p-型掺杂剂的存储效应降至最小。另一个措施是，用p-型掺杂剂进行晶体生长的反应炉和不用p-型掺杂剂进行晶体生长的反应炉要分开使用，在发光层结构制造的全部晶体生长中尤其要如此。n-型AlGaN层(第一层)9是继发光层结构7之后生长的一层保护层，因此，最好应在未使用p-型掺杂剂的炉子内生长。由于上述的原因，当不使用p-型掺杂剂时第一层往往成为n-型。因而本实施例中，使用了n-型的第一层，即n-型AlGaN层9。但是，如前面清楚表明的那样，也可以用在适当的晶体生长条件下形成的p-型第一层代替。
对第一层中Al含量规定优选范围所要考虑到的事实是，过量的Al含量损坏表面平整性和其他结晶性能，而Al含量不够则会损坏保护性能，这就必须增加保护层的厚度，以致降低发光效率。考虑到这些因素，Al含量的优选范围约为0到0.5。根据第一层的厚度和第二层的生长温度确定Al含量的优选范围。在第一层的厚度较薄和第二层的生长温度较高时，必须按比例增加Al的含量以增强保护性能。
确定第一层厚度的优选范围时所要考虑到的事实是，厚度太大时，膜层的结晶性变差，空穴注入效率下降使发光效率降低，而厚度太小时，膜层的保护性能下降，导致发光层结构损坏。考虑到这些因素，第一层厚度的优选范围约为5埃-200埃。层厚的优选范围取决于第一层中的Al含量和第二层的生长温度。当第一层中的Al含量降低时，为了达到适当的保护性能，必须按比例增加第一层的厚度。当第二层的生长温度增高时，为了防止发光层结构的高温损伤，必须按比例增大第二层的厚度。
现在描述第二层，考虑到通过有效的载流子约束增强发光特性，最好将第二层中的Al含量设置为高，以增加导带中相对于发光层结构的势垒。但是，第二层中过多的Al含量会损坏结晶性，使p-型或低浓度n-型的导电性难以实现，从而降低了空穴的注入效率。因此第二层中的Al含量最好是落在一定的范围内。具体地说，第二层中的Al含量最好落入约为0.001-0.3的范围内。Al含量的优选范围取决于生长温度、p-型掺杂剂的流速、和膜层的厚度。当生长温度较低时，由晶格缺陷引起的n-型导电率增大的趋势，使空穴注入效率按比例下降。为了防止由这种机制引起的损伤，必须减少Al含量来保持良好的结晶性。当p-型掺杂剂流速较小时，也会增大向n-型导电性的趋势，从而按比例降低空穴的注入效率。为了防止由这种机制引起的损伤，必须减少Al含量，以抑制向n-型导电的趋势。此外，随着膜层厚度的增大，由于晶格失配引起的应力增大所造成的结晶度下降趋向于变得更明显。为了防止出现这种情况，必须使Al含量小。
现在描述关于第二层的厚度。第二层构成设置在发光层结构7的p-型层侧上的3-层p-型结构的第二层。如早先说明的，第二层的导电性可以是n-型，也可以是p-型。因此，就要分别对第二层的导电性是n-型和p-型说明膜层的厚度。
n-型的第二层太厚时，晶体质量变坏，向发光层结构7中注入空穴的效率可能下降到使发光效率下降。基本上，厚度越薄越好，层厚最好落在一定的范围内。p-型的第二层太厚时，晶体质量下降。因此，层厚落在一定的范围内。但是，p-型第二层对发光效率的影响不如n-型的第二层那样明显，所以，优选的厚度范围较宽。n-型层的厚度d2最好是在约5埃-500埃的范围内。P-型层的厚度d2最好是在约5埃-30,000埃的范围内。厚度d2太薄在制造时难以保持第二层的重复性，考虑到厚度至少必须是在5埃左右。n-型的第二层厚度的上限可以作为最大厚度由实验确定，它不会造成由于空穴注入效率降低而引起的光输出的显著降低。P-型的第二层厚度的上限被确定为最大厚度，它不会损坏晶体质量或降低生产效率。
第二层的优选厚度取决于第二层的生长温度、Al含量和p-型掺杂剂流速。在n-型层的情况下，随着生长温度的降低、p-型掺杂剂流速减小以及Al含量的增高，n-型载流子密度就成比例地增大。载流子密度增加使向发光层结构中注入空穴的效率降低，由此，可能降低发光效率。要防止出现这种情况就必须使膜层厚度减小。在X-轴和Y-轴上分别表示第二层的厚度d2和生长温度T2，n-型第二层的厚度和生长温度的优选范围规定为：
5≤d2≤500
T2≥0.4d2+700
1,150≥T2≥700。
对于p-型第二层的情况，随着生长温度降低和Al含量增大晶体质量可能成比例地降低。因此，为了防止发光效率降低必须使膜层厚度减小。在X-轴和Y-轴上分别表示第二层的厚度d2和生长温度T2，p-型第二层的厚度和生长温度的优选范围规定为：
0.4d2+700≤T2≤1,150 (5≤d2≤500)
900≤T2≤1,150 (500≤d2≤30,000)
p-型第二层的厚度和生长温度更佳的优选范围是：
0.4d2+700≤T2≤1,100 (5≤d2≤500)
900≤T2≤1,100 (500≤d2≤30,000)。
现在描述有关第二层的导电性控制、载流子密度和生长温度。由于与上述有关第二层厚度说明相同的原因，将再作有关第二层的导电性控制、载流子密度和生长温度的说明，必要时要分开第二层的导电性属于n-型和p-型的情形。
如早先指出过的，第二层的导电性可以是n-型，也可以是p-型。第二层的导电性是p-型时，载流子密度没有特别优选的范围，可以采用在技术合理范围内的任何值。该范围从1×1016cm-3左右至1×1020cm-3左右。第二层的导电性是n-型时，载流子密度最好尽可能地小，以免降低空穴注入效率。载流子密度范围因而最好约为1×1014cm-3-1×1019cm-3，在1×1014cm-3-1×1018cm-3就更好。
通过控制生长温度、II/III族元素比(即，p-型掺杂剂与III族源材料的送料比；当III族源材料的供给恒定时，是p-型掺杂剂的流速)和V/III族元素比(V族源材料与III族源材料之比)能够控制载流子密度。
无论第二层是p-型导电性或是n-型导电性，随着提高生长温度使晶体质量改善，就更容易控制载流子密度。特别是在n-型第二层的情况下，控制导电性所需的p-型掺杂剂流速随着生长温度的升高而减小。
随着反应炉的结构、尺寸、源气体的流动模式、生长温度、压力和其他条件的不同，II/III比和V/III比的优选范围变化极大，使得设置一般的数值限已毫无意义。就总的倾向而言，II/III族元素比的优选范围随着生长温度的增大向着更小值一边扩展。
现在将更详细的说明第二层的生长温度。从保持n-型AlGaN(第一)层9的保护特性和避免损坏发光层结构7的观点出发，选择第二层生长温度接近发光层结构7的生长温度就更好。但是，另一方面，从提高第二层的晶体质量和导电性控制的观点出发，则是高生长温度更好。所以，第二层生长温度最好是落入一定的范围内。优选的温度范围约在700℃和1150℃之间。
第二层的优选生长温度范围随着第一层的膜层厚度和Al含量以及第二层的Al含量和p-型掺杂剂流速而变化。由于随着膜层厚度和Al含量的增加提高了第一层对发光层结构的保护能力，所以，通过使第二层的生长温度优选范围向高温一侧移动可以提高第二层的晶体质量。另一方面，随着第二层中Al含量的增大，导电性控制变得更困难，所以，随着第二层中的Al含量的增加第二层的生长温度优选范围更加向方便于导电性控制的生长温度一侧移动。由于事实上是随着第二层的p-型掺杂剂流速减小而更难成比例地建立p-型导电性，所以，必须提高第二层的优选生长温度以获得p-型导电性或低浓度的n-型导电性。
在用III-V族化合物半导体制造发光器件的情况下，必须进行用p-型掺杂剂掺杂的步骤。但是，p-型掺杂剂源材料保留在反应炉内，它造成出现存储效应对以后的生长工艺有负面影响。更具体地说，当将新的衬底放进反应炉中并进行下一次外延生长工艺时，由于存在先前步骤留下的p-型掺杂剂源材料，就会损坏衬底上形成的发光层的结晶度并使p-型导电性密度控制变得困难。
用两个反应炉可以避免由存储效应引起的麻烦，如图1所示，为生长发光器件结构的外延衬底，一个炉用p-型掺杂剂源材料，另一个炉不用。也就是，可以采用所谓的再生长方法。
对此将作更具体的说明，当制成图1所示的膜层结构的化合物半导体发光器件的外延衬底时，在生长了n-型AlGaN(第一)层9之后一旦从反应炉中取出衬底并在使用p-型掺杂剂源材料的分开的反应炉中生长AlGaN:Mg(第二)层10和随后的层。以此可能避免存储效应并制成具有稳定特性的外延衬底。
作为第三层形成的GaN:Mg层11是一层p-型层，用于构建与n-型GaN层13的欧姆接触。在本发明中，如前面说明的，在InGaN层8上形成3-层p-型层结构的目的是，确定构成第一层和第二层的n-型AlGaN层9和AlGaN:Mg层10的结构和生长条件，就可以任意确定第三层和随后的一些层的结构。因此，GaN:Mg层11可以是例如单层结构，或者可以是由不同的p-型载流子密度的两层或多层构成的多层结构，或者是由不同组分的两层或多层构成的多层结构。另外可以是这样一种多层结构，它的多层的最外表面一层是高浓度的p-型薄层。
(例1)
图1所示的多层发光器件是按如下说明在兰宝石衬底上用MOVPE工艺制成的。首先，用兰宝石衬底1开始制造用于化合物半导体发光器件的外延衬底。将兰宝石衬底1放进MOVPE生长炉内，用NH3、MO(TMG)和硅烷作为源气体并用H2作为载运气体，在兰宝石衬底1上生长一层GaN薄层作为低温GaN的缓冲层2。然后在1040℃生长n-型GaN:Si层3。
然后一旦从MOVPE生长炉中取出兰宝石衬底1，须经一次规定的检查，再将兰宝石衬底1放回MOVPE生长炉。然后，在生长温度1040℃下用NH3、MO(TMG、TMA和TMI)和硅烷作为源气体，并用H2作为载运气体，在n-型GaN:Si层3上生长n-型GaN:Si层4。然后，在n-型GaN:Si层4上生长未掺杂的GaN层5。在未掺杂的GaN层5形成之后，反应炉的温度下降到780℃，并用N2气作为载运气体形成AlGaN层6。然后，生长分别由InGaN层7A和GaN层7B构成的四膜层组，并在最上面的GaN层7B上生长IGaN层8，以此形成发光层结构7。InGaN层8生成后，n-型AlGaN层9(未掺杂的n-型层)作为Al含量为0.15的第一层生长达110埃的厚度，然后从MOVPE生长炉中取出衬底。
然后将衬底放到另一个MOVPE生长炉内，用NH3和MO作为源气体，用N2作为载运气体，生长AlGaN:Mg层10作为Al含量为0.05的第二层。这里，作为Mg材料供给的EtCp 2Mg的流速设定为600sccm，在1,000℃连续生长到250埃，然后，反应炉的温度上升到1040℃，生长GaN:Mg层11。从生长炉取出生成物作为用于化合物半导体发光器件的外延衬底。
按上述方式生成的用于化合物半导体发光器件的外延衬底在800℃的N2气氛中热处理20分钟，以此使AlGaN:Mg(第二)层10和GaN:Mg(第三)层11为低电阻的p-型层。
然后，用光刻法在表面形成p-型电极图形，真空气相淀积Ni和Au，用剥离法形成电极图形，并将制成品进行热处理形成欧姆的p电极13。然后，通过光刻形成掩模图形，并通过干法刻蚀露出n层。除去掩模后，用光刻方法在经干法刻蚀的表面上形成n电极图形，用真空气相淀积Al，并用剥离法形成电极图形用作n电极12。p电极13的电极面积是3.14×10-4cm2。
按前述方式制造的用于化合物半导体发光器件的外延衬底被用于制造化合物半导体发光器件。将发光器件加上电压以检测它在晶片状态的发射特性。发现发光器件具有在正向电流为20mA下有1,505mcd的优良发射特性，在5V反向偏置电压下的漏电流为0.25nA。
为了评估在前述条件下生成的第二层的导电性，在兰宝石衬底上生长厚度达3μm的未掺杂的GaN层，并在与以前陈述的第二层10相同的条件下在其上生长厚度达0.3μm的一层AlGaN:Mg层。利用一种电解液经过循环伏安(CV)测量法评估，由此所获得的样品发现具有p-型导电类型，载流子密度是9×1018cm-3。
(例2-8和对照例1-3)
用例1所述的方法制造发光器件，只是在生长温度、膜层厚度、Al含量和Mg流速的各种不同生长条件下形成AlGaN:Mg层。发光器件的生长条件和特性汇总在图2中。
在例4、6、7和8中，尽管AlGaN:Mg形成的第二层用p-型掺杂剂掺杂，但它具有n-型导电性和不大于1×1019cm-3的n型载流子密度，此数值处在本发明第九种方面的范围内。
在对照例1中，第二层的厚度d是750埃，该值在本发明规定的优选范围之外。要注意发光器件的光强度较例4明显低劣，例4是在除第二层的厚度不同之外的相同条件下制造的。具体地说，3层叠层使第二层的厚度从250埃(例4)增加到750埃(对照例1)，使发光强度减小到例4值的1/4左右。
除去第二层的厚度再次规定为大数值750埃之外，在与例5相同的生长条件下制造了对照例2。要注意到发光强度大致降至1/4。
除第二层的厚度再次规定为大数值750埃除之外，在与例6相同的生长条件下制造了对照例3，要注意到发光强度大致降至1/4。
图3是根据图2中例子的数据画出的曲线图，其中，Mg的流速是600sccm，第二层中的Al含量是0.05。垂直轴表示第二层的膜层厚度(埃)，水平轴表示生长温度(℃)。图中画圈的数字表示发光强度(mcd)。
例2发光器件的发光强度是405mcd，例6则与其相近为334mcd。显现在这两个测试点的连接线段上及其上方的发光强度值的发光器件是符合实用的，而发光强度值位于连线下面的发光器件则不实用。因此若生长温度确定为T，第二层的厚度确定为d，则在包括连接线段在内的连线上方凭经验确定的这一范围可用下式表示：
T-800≥2(d-250)/5。
T和d的关系可以表示成：
T≥0.4d+700。
换句话说，为了保证优异的发光强度，第二层的生长温度必须等于或高于0.4倍的膜层厚度d加700的数值。
(例9-16)
现在描述本发明的例9-16。例9-16中，在与例1相同的条件下制造发光器件，只是用Al含量为0的AlGaN层9作为第一层，即第一层形成厚度180埃的n-型GaN层，并在各种不同生长温度、Al含量和Mg流速的生长条件下形成AlGaN:Mg(第二)层10。
图4示出例9-16中制造的各个发光器件的生长条件和特性，具体的就是第二层的生长条件(生长温度(℃)、厚度(埃)、Al含量、和Mg流速(sccm))和第二层的特性(导电类型和载流子密度(cm-3))，以及测试的发光特性(发光强度(mcd))。例9-16中，第二层的生长温度等于或高于0.4倍的膜层厚度d加700的值数。例13-16中，尽管第二层是用p-型掺杂剂掺杂的AlGaN:Mg形成的，但它展现为n-型导电性，n-型载流子密度不大于1×1019cm-3，该值在本发明第九种方面的范围内。评估例9-16发光器件的发光特性，如从图4可见，发现所有展现的发光强度都符合实用水平。
如上所述，本发明优化了与发光层结构相接触形成p-型层结构所构成的结构，也就是说，规定p-型层结构为3-层p-型层结构，它包括：一层保护层(第一层)、一层p-型层(第三层)和夹在第一与第三层之间的一层中间层(第二层)，而且还优化了3-层p-型层结构的生长条件。正因如此，本发明改善了pn结附近的结晶度，使空穴易于注入，而不致损伤3-层p-型层结构对发光层结构的保护性能。其结果是，即使保护层(第一层)的厚度小，也能提供优异的保护性能，并能增强空穴注入效率以提高发光效率。
Claims (19)
1.一种用于化合物半导体发光器件的外延衬底，包括：
包括一pn结的一双异质发光层结构；和
与发光层结构相接触形成的一p-型层侧层结构，从与发光层结构相接触的膜层起始依次包括用InxAlyGazN(x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示的一n-型第一层，用InuAlvGawN(u+v+w＝1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤w≤1)表示的一p-型第二层，和用InpAlqGarN(p+q+t＝1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤r≤1)表示的一p-型第三层，三层膜各自与其邻层接触形成。
2.按权利要求1的用于化合物半导体发光器件的外延衬底，其中，第一层的厚度d1(埃)范围是5≤d1≤200，第二层的厚度d2(埃)范围是5≤d2≤30,000。
3.一种权利要求1的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其特征是，使第一层的生长温度T1与第二层的生长温度T2满足T1≤T2的关系。
4.一种权利要求2的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其特征是，使第一层的生长温度T1与第二层的生长温度T2满足T1≤T2的关系。
5.按权利要求3或4的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中，第二层的生长满足关系：
5≤d2≤30,000 (900≤T2≤1,150)
T2≥0.4d2+700 (700≤T2＜900)，式中T2(℃)是第二层的生长温度，d2(埃)是第二层的厚度。
6.按权利要求3或4的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中，第二层和第三层是在第一层生长后用再生长方法生长的。
7.按权利要求5的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中，第二层和第三层是在第一层生长后用再生长方法生长的。
8.一种利用权利要求1或权利要求2的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的发光器件。
9.一种利用权利要求3、4、5或6的制造方法的发光器件。
10.一种用于化合物半导体发光器件的外延衬底，包括：
包括pn结的双异质发光层结构；和
与发光层结构相接触形成的一p-型层侧层结构，从与发光层结构相接触的膜起始依次包括：用InxAlyGazN(x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤v≤1，0≤z≤1)表示的一n-型第一层，用InuAlvGawN(u+v+w＝1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤w≤1)表示的一n-型第二层和用InpAlqGarN(p+q+r＝1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤r≤1)表示的一p-型第三层，三层膜各自与其相邻层接触形成。
11.按权利要求10的用于化合物半导体发光器件的外延衬底，其中，第二层的p-型掺杂剂浓度不小于1×1017cm-3且不大于1×1021cm-3，而第二层的n-型载流子浓度不大于1×1019cm-3。
12.按权利要求10的用于化合物半导体发光器件的外延衬底，其中，第一层的厚度d1(埃)范围是5≤d1≤200，第二层的厚度d2(埃)范围是5≤d2≤500。
13.按权利要求11的用于化合物半导体发光器件的外延衬底，其中，第一层的厚度d1(埃)范围是5≤d1≤200，第二层的厚度d2(埃)范围是5≤d2≤500。
14.一种权利要求10、11、12或13的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其特征是，使第一层的生长温度T1与第二层的生长温度T2满足T1≤T2的关系。
15.按权利要求14的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中第二层的生长满足关系：
T2≥0.4d2+700 (5≤d2≤500)
1,150≥T2≥700，式中T2(℃)是第二层的生长温度，d2(埃)是第二层的厚度。
16.按权利要求14的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中第二层和第三层是在第一层生长后用再生长方法生长的。
17.按权利要求15的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的制造方法，其中第二层和第三层是在第一层生长后用再生长方法生长的。
18.一种利用权利要求10、11、12或权利要求13的用于化合物半导体发光器件的外延衬底的发光器件。
19.一种利用权利要求14、15、16或权利要求17的制造方法的发光器件。
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