CN1705143A - 半导体发光器件用外延片和半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供使得由GaAs构成的p型复盖层的Zn不向披覆层和活性层扩散的发光器件用外延片，进而提供可以得到能够进行稳定的高输出工作和高温工作、且可靠性高的LED和LD的发光器件。本发明的半导体发光器件用外延片，是在n型衬底(1)上至少顺次层积n型披覆层(4)、活性层(6)、p型披覆层(7)、(9)、及p型复盖层(11)，且p型披覆层(7)、(9)的p型掺杂剂是Mg的半导体发光器件用外延片，所述p型复盖层(11)由从衬底侧顺次形成的掺杂Mg的层(11a)和掺杂Zn的(11b)的至少两个层构成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件(发光二极管、半导体激光器)用外延片、特别是适用于使用镁(Mg)作为P型掺杂剂的磷化铝镓铟(AlGaInP)系发光器件的半导体发光器件用外延片，及使用其制作的半导体发光器件。
背景技术
使用有机金属气相成长(MOVPE)法的半导体发光器件用AlGaInP系晶体生长中，以往一般使用硅(Si)、硒(Se)作为n型掺杂剂，锌(Zn)、镁(Mg)作为p型掺杂剂。用于半导体激光器(LD)的外延片，使用Zn作为p型掺杂剂时，p型披覆层的载流子浓度通常被设定为4×1017cm-3左右的相对较低的浓度。
近年来，半导体激光器中，将AlGaInP系可见光半导体激光器用于光源的高密度光盘装置等正在被积极地开发。作为这种高密度光盘装置的读取、写入用光源，要求其稳定的高输出和高温工作，为此需要使p型披覆层中的载流子浓度更加高浓度化。
但是，将Zn高浓度掺杂时，在外延生长过程中Zn会扩散至活性层，带来器件特性和可靠性劣化的问题。为此只能将Zn以低浓度掺杂。最近，可以使用扩散常数比Zn小的Mg作为p型掺杂剂，使p型披覆层得以高载流子浓度化。
另外，对于在p型衬底上顺次层积p型披覆层、活性层、n型披覆层、n型电流扩散层的n朝上结构的发光二极管(LED)，为了解决磷化镓(GaP)衬底的p型掺杂剂Zn扩散至活性层，形成非发光中心而导致辉度下降的问题，已知有在p型披覆层和衬底之间、或者p型披覆层的一部分形成锌扩散防止层的方法。(例如参考特开2002-111052号公报)
还有，以往的光器件用外延片，为了形成低电阻的电极，在最上层形成高浓度掺杂的低电阻的复盖层(接触层)。该复盖层通常是由砷化镓(GaAs)形成，并使用能够高浓度添加的Zn作为掺杂剂。(例如参考特开平9-69667号公报)
发明内容
但是，已知LED和LD在高输出工作或高温工作时，从活性层向p型披覆层的电子溢流引起的泄漏电流增大，所以阈电流和工作电流也增大。为了实现稳定的高温、高输出工作，最好是使p型披覆层具有极高的载流子浓度。但是，以往使用Zn作为p型掺杂剂的情况下，p型披覆层的高载流子浓度化的同时Zn向活性层中扩散，从而，活性层的光致发光光谱的半宽度(以下称为PL半宽度)增大等，损害活性层的晶体品质，成为阈电流或工作电流增大和可靠性下降的原因。
作为其对策，本申请人在在先审请中提出了这样的结构：使用MOVPE法作为晶体生长方法，在n型GaAs衬底上至少顺次层积n型AlGaInP披覆层、多量子阱(MQW)活性层、p型AlGaInP第1披覆层、p型磷化镓铟(GaInP)刻蚀停止层、p型AlGaInP第2披覆层、及p型砷化镓(GaAs)接触层的LD用外延片中，p型AlGaInP第1披覆层、p型GaInP刻蚀停止层、及p型AlGaInP第2披覆层的p型掺杂剂为Mg，且p型GaAs接触层的p型掺杂剂为Zn，且p型AlGaInP第1披覆层和p型AlGaInP第2披覆层中至少p型AlGaInP第1披覆层的载流子浓度在8×1017cm-3～1.3×1018cm-3的范围。
这样，对p型AlGaInP披覆层的p型掺杂剂使用Mg，对p型GaAs接触层的p型掺杂剂使用比较容易得到大于等于1×1019cm-3的载流子浓度且可以得到充分小的接触电阻的Zn是有效的。由此，能够使p型披覆层的载流子浓度高浓度至1×1018cm-3左右。
但发现的问题是，如果掺杂至p型披覆层的载流子浓度比1×1018cm-3为高浓度，则Zn和Mg的相互扩散变得显著，发生p型接触层的Zn会向完全没有掺杂Zn的p型披覆层和活性层扩散的现象。因而，在比1×1018cm-3更高浓度掺杂时，和仅使用Zn作为p型掺杂剂的情况相同，都存在活性层的PL半宽度增大的问题。
也就是说，在以往的技术中，将易于扩散的Zn用作形成于最上层的p型GaAs复盖层的p型掺杂剂时，添加到该p型GaAs复盖层的Zn，在其生长过程中通过下层的p型披覆层扩散至活性层，存在使活性层的发光特性劣化的问题。
如作为上述在先审请例子说明，使用Mg作为p型披覆层的掺杂剂的情况下，尤其是该Zn的扩散显著，进而还助长原本应该是比较难以扩散的Mg的扩散，因此产生使活性层的发光特性和器件的寿命劣化的严重问题。
所以，本发明的目的是解决这些问题，提供使GaAs复盖层的Zn不会扩散到披覆层和活性层的半导体发光器件用外延片，进而提供可以进行稳定的高输出工作及高温工作、且可靠性高的半导体发光器件(LED、LD)。
为了达到上述目的，本发明是如下构成的。
权利要求1的发明涉及的半导体发光器件用外延片，是在n型衬底上至少顺次层积n型披覆层、活性层、p型披覆层、及p型复盖层，且p型披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于：所述p型复盖层由从衬底侧顺次形成的掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成。
权利要求2的发明是，在由GaAs构成的n型衬底上至少顺次层积由AlGaInP构成的n型披覆层、活性层、由AlGaInP构成的p型披覆层、及由GaAs构成的p型复盖层，且p型披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于：所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
权利要求3的发明是，在n型衬底上至少顺次层积n型披覆层、活性层、p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层、及p型复盖层，且p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于：所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型第2披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
权利要求4的发明是，在由GaAs构成的n型衬底上至少顺次层积由AlGaInP构成的n型披覆层、活性层、由AlGaInP构成的p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、由AlGaInP构成的p型第2披覆层、及由GaAs构成的p型复盖层，且p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于：所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型第2披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
权利要求5的发明是，根据权利要求1或2所述的半导体发光器件用外延片，其特征在于：在上述p型披覆层和上述p型复盖层之间，设置掺杂了能够降低两者间(上述p型披覆层和上述p型复盖层之间)带隙不连续而引起的界面电阻的Mg的p型中间层。
权利要求6的发明是，在由GaAs构成的衬底上通过外延生长AlGaInP系材料的化合物半导体来制作，且主要使用Mg作为p型掺杂剂的半导体发光器件用外延片，其特征在于：形成于最上层的GaAs系材料的复盖层是由从衬底侧顺次形成的掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成。
权利要求7的发明涉及的半导体发光器件的特征在于：使用权利要求1～6中的任一项所述的半导体发光器件用外延片来制造。
为了实现上述目的，本发明中，使用MOVPE法作为晶体生长方法，进而作为与活性层相邻的p型第1披覆层、刻蚀停止层及p型第2披覆层的p型掺杂剂，使用扩散常数小的Mg来代替以往的Zn。还有，本发明的p型复盖层的p型掺杂剂，与在先审请一样，使用了大于等于1×1019cm-3的掺杂比较容易的Zn，但是为了防止Zn向p型披覆层和活性层扩散，使p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，从p型披覆层侧顺次形成掺杂Mg的层和掺杂Zn的层。由此，可以制造出使以往在不损害活性层品质的条件下难以高浓度化的p型披覆层的载流子浓度，即使在大于等于1×1018cm-3的高浓度区域，活性层的PL半宽度也几乎不增加，且能够得到可以高输出和高温工作的LD的外延片。
也就是说，本发明中把p型复盖层制成至少被分割为两层的结构，使靠近衬底和活性层的层为掺杂了Mg的层(Mg掺杂p型复盖层)、使另一层为掺杂了Zn的层(Zn掺杂p型复盖层)。如果为这样的结构，掺杂了Mg的层起到抑制另一掺杂了Zn的层中的Zn扩散的锌扩散抑制层的作用，所以Zn因掺杂了Mg的层而几乎不向活性层侧扩散。其结果能够解决使活性层的发光特性和器件的寿命劣化的以往问题。
这样将用于抑制Zn向p型披覆层和活性层扩散的p型复盖层制成至少被分割为两层的结构，使靠近衬底和活性层一侧的层为掺杂Mg的层，使另一层为掺杂Zn的层的想法，在上述特开平9-69667号公报、特开2002-111052号公报中都没有记载。
根据本发明，将由GaAs构成的p型复盖层制成至少被分割为两层的结构，且使靠近n型衬底和活性层一侧的层为由GaAs构成的Mg掺杂p型复盖层(掺杂了Mg的层)，使另一层为由GaAs构成的Zn掺杂p型复盖层(掺杂了Zn的层)，使得Mg掺杂p型复盖层起到抑制另一Zn掺杂p型复盖层中的Zn扩散的锌扩散抑制层的作用，因此，p型复盖层中的Zn，因Mg掺杂p型复盖层而几乎不向活性层侧扩散。也就是说，能够极其有效地抑制p型复盖层的Zn向披覆层尤其是活性层扩散，因此不会使活性层的发光特性和器件的寿命劣化。其结果，由于减少了扩散，因此可以充分利用将能够高浓度掺杂的Mg用于p型披覆层等的优点，可以提供适用于制作高输出和高温特性优异的红色半导体激光器等光器件的半导体发光器件用外延片。
附图说明
图1是表示本发明的半导体发光器件(LD)用外延片的实施例的断面模式图。
图2是表示伴有本发明的锌扩散抑制层的半导体发光器件(LD)用外延片的SIMS(二次离子质谱仪)分析结果的图。
图3是表示本发明的半导体发光器件(LED)用外延片的实施例的断面模式图。
图4是表示以往使用Zn掺杂复盖层的半导体发光器件(LD)用外延片的SIMS分析结果的图。
图中，1为n型衬底；2为n型缓冲层；3为n型缓冲层；4为n型披覆层；5为未掺杂引导层；6为活性层；7为Mg掺杂p型第1披覆层；8为p型刻蚀停止层；9为Mg掺杂p型第2披覆层；10为Mg掺杂p型中间层；11为p型复盖层；11a为Mg掺杂p型复盖层(掺杂了Mg的层)；11b为Zn掺杂p型复盖层(掺杂了Zn的层)；12为Zn的分布曲线；13为Mg的分布曲线。
具体实施方式
以下，基于图示的实施方式说明本发明。
图1所示半导体发光器件(LD)用外延片，是在由GaAs构成的n型衬底1上，顺次层积由GaAs构成的n型缓冲层2、由GaInP构成的n型缓冲层3、由AlGaInP构成的n型披覆层4、由AlGaInP构成的未掺杂引导层5、由多量子阱(MQW)构成的活性层6、由AlGaInP构成的p型第1披覆层7、由GaInP构成的p型刻蚀停止层8、由AlGaInP构成的p型第2披覆层9、由GaInP构成的p型中间层10、及由CaAs构成的p型复盖层11的结构。
最上层的p型复盖层11，是由掺杂了Mg的层(Mg掺杂p型复盖层11a)和掺杂了Zn的层(Zn掺杂p型复盖层11b)的至少两个层构成，而且，在p型第2披覆层9侧形成有所述掺杂了Mg的层(Mg掺杂p型复盖层11a)，并且在表面侧形成有所述掺杂了Zn的层(Zn掺杂p型复盖层11b)。掺杂在p型第1披覆层7、p型第2披覆层9、及p型刻蚀停止层8的p型掺杂剂为Mg。
如果为这种结构，Mg掺杂p型复盖层11a能够起到抑制另一Zn掺杂p型复盖层11b中的Zn扩散的锌扩散抑制层的作用，所以Zn因Mg掺杂p型复盖层11a而几乎不向活性层6侧扩散。
并且，作为另外一种结构，有图3所示的半导体发光器件(LED)用外延片。其是在由GaAs构成的n型衬底21上，顺次层积由GaAs构成的n型缓冲层22、由Al0.5Ga0.5As和AlAs的薄膜多层结构构成的n型DBR(布拉格反射)层23、由AlGaInP构成的n型披覆层24、由多量子阱(MQW)构成的活性层25、由AlGaInP构成的p型披覆层26、由GaP构成的p型电流扩散层27及由GaAs构成的p型复盖层28的结构。
最上层的p型复盖层28，由掺杂了Mg的层(Mg掺杂p型复盖层28a)和掺杂了Zn的层(Zn掺杂p型复盖层28b)的至少两个层构成，而且，在p型披覆层26侧形成所述掺杂了Mg的层(Mg掺杂p型复盖层28a)，并且在表面侧形成所述掺杂了Zn的层(Zn掺杂p型复盖层28b)。掺杂在p型披覆层26、及p型电流扩散层27的p型掺杂剂为Mg。
如果为这种结构，与图1的半导体发光器件(LD)用外延片相同，Mg掺杂p型复盖层28a起到抑制另一Zn掺杂p型复盖层28b中的Zn扩散的锌扩散抑制层的作用，所以Zn因Mg掺杂p型复盖层28a而几乎不向活性层25侧扩散。
实施例1
下面，说明本发明的实施例。
如图1所示，在由GaAs构成的n型衬底1上，顺次外延生长由GaAs构成的n型缓冲层2、由与它晶格匹配的GaInP构成的n型缓冲层3、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的n型披覆层4，在此之上，再顺次生长由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的未掺杂引导层5、由阻挡层和应变GaInP阱层构成的多量子阱(MQW)构成的活性层6、进而由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的Mg掺杂p型第1披覆层7、由GaInP构成的p型刻蚀停止层8、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的Mg掺杂p型第2披覆层9、由GaInP构成的Mg掺杂p型中间层10。
这样，在最上部顺次生长伴有本发明的锌扩散抑制层的由GaAs构成的Mg掺杂p型复盖层(掺杂了Mg的层)11a、和由GaAs构成的Zn掺杂p型复盖层(掺杂了Zn的层)11b。其中在Mg掺杂p型第2披覆层9侧的Mg掺杂p型复盖层11a的厚度为50nm，载流子浓度为1×1018cm-3，上侧的Zn掺杂p型复盖层11b的厚度为450nm，载流子浓度为5×1018cm-3。
对于具有本实施例(本发明)的层结构的半导体发光器件(LD)用外延片，由SIMS分析检查其Zn和Mg的分布状况。将其结果示于图2。图中，曲线12为Zn的分布曲线，曲线13为Mg的分布曲线。图2的曲线12表示的锌浓度，在Mg掺杂p型第1披覆层7和Mg掺杂p型第2披覆层9中成为1×1015cm-3左右的非常小的值。即可以确认本实施例的情况，最上层的Zn掺杂p型复盖层11b的Zn几乎没有扩散到Mg掺杂p型第1披覆层7和Mg掺杂p型第2披覆层9中。
作为比较，在图4表示对于p型复盖层11仅由Zn掺杂p型复盖层11b构成的以往例的情况进行了SIMS分析的结果。Mg掺杂p型第1披覆层7和Mg掺杂p型第2披覆层9中的Zn(曲线12)的值变高，表明Zn已扩散至活性层6。
采用本发明外延片制作的红色半导体激光器的器件特性也非常良好。
实施例2
本发明的锌扩散抑制层(Mg掺杂p型复盖层11a)，可以将其镁的掺杂量在一定程度上自由地设定。所以，作为另一实施例，把作为锌扩散抑制层的Mg掺杂p型复盖层(掺杂了Mg的层)11a的载流子浓度定为4×1018cm-3，把Zn掺杂p型复盖层(掺杂了Zn的层)11b也同样定为4×1018cm-3来构成的结果，可以发挥同样的效果。
实施例3
如图3所示，在由GaAs构成的n型衬底21上，顺次外延生长由GaAs构成的n型缓冲层22、由Al0.5Ga0.5As和AlAs的薄膜多层结构构成的n型DBR层23、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的n型披覆层24，在此之上，再顺次生长由阻挡层和应变GaInP阱层构成的多量子阱(MQW)构成的活性层25、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的Mg掺杂p型披覆层26、及由GaP构成的p型电流扩散层27。
这样，在最上部顺次生长伴有本发明的锌扩散抑制层的由GaAs构成的Mg掺杂p型复盖层(掺杂了Mg的层)28a、和由GaAs构成的Zn掺杂p型复盖层(掺杂了Zn的层)28b。其中在Mg掺杂p型披覆层侧的Mg掺杂p型复盖层28a的厚度为70nm，载流子浓度为1×1018cm-3，上侧的Zn掺杂p型复盖层28b的厚度为450nm，载流子浓度为5×1018cm-3。
其中，上述实施例1和3中，Mg掺杂p型复盖层的厚度分别为50nm、70nm，但从实用性角度考虑优选为30nm～100nm。
这是因为，锌扩散抑制层的下层中不存在实用性问题的锌浓度为约小于等于1×1016cm-3，但为了实现该程度的锌浓度，则需要使锌扩散抑制层的厚度大于等于30nm。
另外，对于半导体发光器件，实际应用中所允许的电阻值为约小于等于3Ω，但为了实现该程度的电阻值，则需要使锌扩散抑制层的厚度小于等于100nm。
Claims (7)
1.一种半导体发光器件用外延片，是在n型衬底上至少顺次层积n型披覆层、活性层、p型披覆层、及p型复盖层，且p型披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于，所述p型复盖层由从衬底侧顺次形成的掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成。
2.一种半导体发光器件用外延片，是在由GaAs构成的n型衬底上至少顺次层积由AlGaInP构成的n型披覆层、活性层、由AlGaInP构成的p型披覆层、及由GaAs构成的p型复盖层，且p型披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于，所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
3.一种半导体发光器件用外延片，是在n型衬底上至少顺次层积n型披覆层、活性层、p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层、及p型复盖层，且p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于，所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型第2披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
4.一种半导体发光器件用外延片，是在由GaAs构成的n型衬底上至少顺次层积由AlGaInP构成的n型披覆层、活性层、由AlGaInP构成的p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、由AlGaInP构成的p型第2披覆层、及由GaAs构成的p型复盖层，且p型第1披覆层、p型刻蚀停止层、p型第2披覆层的p型掺杂剂为Mg的半导体发光器件用外延片，其特征在于，所述p型复盖层由掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成，且从p型第2披覆层侧顺次形成有所述掺杂Mg的层和所述掺杂Zn的层。
5.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件用外延片，其特征在于，在上述p型披覆层和上述p型复盖层之间，设置掺杂了能够降低两者间带隙不连续而引起的界面电阻的Mg的p型中间层。
6.一种半导体发光器件用外延片，是在由GaAs构成的衬底上通过外延生长AlGaInP系材料的化合物半导体来制作，且主要使用Mg作为p型掺杂剂的半导体发光器件用外延片，其特征在于，形成于最上层的GaAs系材料的复盖层是由从衬底侧顺次形成的掺杂Mg的层和掺杂Zn的层的至少两个层构成。
7.一种半导体发光器件，其特征在于，使用权利要求1～6中的任一项所述的半导体发光器件用外延片来制造。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |