TW299516B - - Google Patents

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第831 07401號專利申請案 2梦⑦書修正頁（84年7患)五、發明説明（/ ) 經濟部_央標準局員工消費合作社印製 本發明係闞於發出輻射之半導體二棰體*下文通常簡稱 為二極體，包含一半導體主體具有第一導電型之半導體底 材Κ及覆製於上方之半導體層结構，該结構之姐合序列係 至少有一第一導霄型之第一包覆層，一發出較低波段之活 動層，Κ及與第一型相反之第二導電型之第二包覆層，同 時第一與第二包覆層均配·置電接點装置。 此種發出輻射之二極體，尤其構製成雷射而且發射波長 i於光譜較低波段Θ，在各種應用中均可成為穩定之^射 源：光碟糸統内之輯射源，固態雷射之泵雷射，或者部份 B學分析或治療應用上須有幾乎為線光譜之高能源之輻射 源。LED類之二極體堪有許多用。 一種於”半導體雷射與異質接面LEDs”， Η.柯瑞塞爾 (H. Kressel)及J.巴特勒（J. Butler)合著，學術出版社 1977年，第505 - 506頁中提及之習知之發出輻射二極體。 其中述及之二極體包含一 Ga As底材，底材上方配置一夾置 於AlGaAs包覆層中之AlGaAs活動層。圖示於上述書中第 505頁，此種二極體，依活動層内鋁含量可獲得涵蓋高於 約770 ηπ之發光波長之較低光譜波段，相當於雷射發射波 長約780 nm。低於此波長則因捤限損失而無法獲致令人滿 蕙之操作二極體。活動層InAlGap夾置於InAlGaP包覆層 中間之二極體早已行之有年，此外，還有例如上述K GaAs為底材之二極體，摘錄自H.何曼達等人（H, Hama da et al.)之文章，IEEE之量子霄子學期刊，第27卷，第6 號，1991年，第1483 - 1490頁。此種二棰體可發出之波長 -----------γ装---- (請先閲讀背面之注意^再填寫本頁) 訂 線 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 83.3.10,000 第83107401號專利申誧案 中文說明書修正頁（85年4月）A7 ------ 五、發明説明（） 由約680 η·變化至約600 η·。當活動層MInGaP (鋁含量 =0)組成時，Μ及對其胨加壓懕力（絪含量> 50原子分率 )，發射波長提高至約690 nm，相當於約7 00 η*之雷射發 射° 習知二極體之缺點係未涵蓋介於880至600 η·之間之較 低光譜範園都份，即介於約770 nm及690 η»之間。習知發 出此坡段（雷射發射波長約780至約700 η·)之雷射之啟動 電流很高，因此不薄用於前述之應用，尤其更不麵於上述 須要高發射功率之應用》例如醫學應用Μ及充當泵雷射之 應-用。 本發明目的係揭示一種發出輻射之半専體二極體-更詳 綑言之為半導體雷射二極體-不具該缺點，或至少少很多 ，Κ及搛此之發光發射波長介於約770及690 η·之間，而 且發射功率很高。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據本發明*在序言中述及此種發出輻射之半導體二極 體旨在強調其特徽係活動層MAUanAs組成，包覆層僅 由為^3«11111-，组成，而且活動層之鋁含置（*)及厚度 (d)使得發光發射波長介於約770及690 nm之間。本發明 係特別根據面臨之目的可賴AlGaAs活動磨與InAlGaP包覆 層结合而實現之認知為之。由於InAlGaP之能帶間隙堪大 於AlGaAs，只有相當低之發射波長出現*因此捐限效應足 以獲取令人滿意具有相當高功率之操作（雷射）二極體。 活動曆内給定適量鋁含量（X)以及合宜厚度（d)則可能發 出所須之光譜波段。此種成份與厚度之組合就習知之 _____~ 5 - __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 _B7_五、發明説明（3 ) AlGaAs二極體而言並無法製造成實際ί效之二極體，而於 此提出之二極體不僅可發出該波長範圍之波段*更具其他 優異性脣，例如低啟動電流，有效壽命長，以及能供應高 功率。 值得一提的是Κ.尹特依等人（K. Itay et al.)撰寫的文 章，應用物理書信，62卷（18號），1993年，第2176至 2丨78頁*揭示一種發出蝠射之二極體，包含一未含 InAlGaP夾置於In/UGaP包覆層之間之活動層。而且活動 國非由A 1 G a A S姐成而是G a A s。根據此發明以此種活動層無 法發出此波長範園之光。K活動層厚度（0 . 0 5 5 u m )结果顯 示，與成塊GaAs(約880 n m >發出之發射波畏相較，其發 射波畏並未降低。這篇文章述及之二極體旨在了解GaAs二 橱體放動雷流與最低可能之溫度關係，即異於本發明目的 之目的。 根撺本發明二極體之主要具體茛施例之特激ί糸活動層之 鋁含量（X)至少為約14.8原子分率，同時活動層厚度（d) 至少約20 n is 。此種二極體顯示最高之發光波長約770 Din，這^謂著發生雷射發射最高約780 nm。活動層極厚時 刖可能獲此吸引人之發射波長，即厚度高於約20 n m 。這 種極厚層之製造很容易而且再現性良好，是重要之^點。 對相同厚度（d>之活動層而言，活動層内給定鋁含量（X) 至少約18.0原子分率時*發射波長最高約750 ηπι，相對之 雷射發射最高約760 rim。這種二極體尤其適於上述之豁學 應用，因為此波長幾乎等於色劑之吸收光譜，所以非常適 -------{ I裝------訂-----{-線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 第831 07401號専利申請案 中文說明軎修正頁（85年4月）A7 B7 五、發明説明（） 於此懕用。 一項特優具體實施例之特徵係活動層内鋁含置（X)介於 約1及約15原子分率之間，活動層具有量子井结構•而且 量子井厚度約2.5 nm。此種極厚量子井層之首要優黏係Μ 現在最廣用之OMVPE (=有機金層氣相磊晶）沈積技術仍 然極易製成。此外* Μ約2.5 η·之量子井曆而言·微小之 厚度變化仍可接受。低於2.5 nm，則發射波長鼸厚度劇烈 變化，因為厚度變化使發射波長大幅變化*應避免。瑄些 觀點意即本具體實施例尤其適於工業級製造。本具體實施 钒亦可使極低鋁含量（X)之活動層，發出所須波長範圍内 之發射光。此具有之重要優點如内部及鏡面袞搣較少。進 一步改良中♦活動層之鋁含量介於約5及約20原子分率同 時量子井厚度約4 η·。後者之厚度仍然易於製造，同時述 及鋁含最範圍可能裨使發射介於約765及715 nm之間。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本貰) 較佳狀況係最後提及之兩種改良中•活動層具有多重最 子井结檮，至少有四層量子井層且彼此M AUGanAs *能 帶間隙至少約200 neV較相對之發射波長之能帶間隙大之 陣壁層分隔而且厚度介於約4及50 nm之間。此種結構與 此種障壁暦產生具有高發射功率之二棰體，誠如上述，是 迫切霈要的。較佳吠況下，具異曲同工之妙，偁量子并结 構僅K/UGa As·具上述障壁層同量級之鋁含量組成之”分 離式"包覆層分隔*同時分離式包覆層厚度介於5及150 n m之間。 此種由AUanAs組成之”分離式"包覆層之重要優黏 _______-7j-______ 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4规格了210X297公釐） '~" 第83 107 401號專利申請案 中文說明書修正頁（85年4月）A7 B7五、發明説明（） 將在根據本發明之二極體製造中顯現。事實上，成長遇程 中，最可能在遠雛量子井廉出現富含Al* Ga及As轉換成富 含In，Ga，A丨及P之現象。在此種主要轉換中發生之任何 異狀現在均脅出規在輻射產生區域遇遭而且四處敗佈◊ 較佳狀況下，活動層厚度不超過約0.05 w»。具此微小 厚度時，無須大為提昇啟動霣流即可獲得具極佳黼形對稱 遵場圖案之雷射二極體，誠如習用具微小活動«厚度之雷 射二極體。活動區表面積最好介於約25 x 500 wb2及100 X 5 00 wb2之間。根據本發明之雷射二極體且具此表面 積時產生習用二極體無法達到之特高發射功率，以致根攞 本發明之二極體尤適於述及之應用。 所有說明具體實施例中，包覆層之鋁含量（y)最好儘量 提高。仍然有效之鋁含量（y)上限值為約35原子分率。絪 含最維持約50原子分率，K使極厚包覆層之晶格常數與底 材一致。 絕大部份述及之懕用中，所須者為雷射而非LED 。根據 本發明二極體之較佳具體實施例，據此，係指笛射二極體 ---------^ -裝------訂-----A線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ______~ 8 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 第83107401號專利申請栗 中文說明書修正頁（84年7五、發明説明（厶） Zm» ' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 發出輻射之半導髁二極體之製造方法係由半導體底材上 方依下順序配置：第一導電型之第一包覆層，發出發射光 譜中較低波段之活動層，以及相對於第一塑之第二導電型 之第二包覆層，之後包覆層配置電接装置，根據本發明， 其特徵係選擇/UxGh-xAs充當活動層之半導體材料K及選 擇AlyGawIni-y-wP充當包覆層之半導體材料*同時選定之 i動層之鋁含量（X )及厚度（d )使發射波長介於約7 7_0及 690 nm之間。根據本發明之二極體因而得以簡單方法製 得。 本發明現在參考一具體實施例並以附圖詳加解說，其中 釀1所示為根據本發明之發出辐射之半導體二極涠之具 體實施例之截面圖；K及 圔2所示為根據本發明（曲線21 )之發出輻射之半導體 二極體Μ及具相同特徵且幾乎相同發射波長之習用二極體 (曲線22)之光输出對霉流作圖。 這些圖僅為輪廊示意圖並未晝出比例，厚度方向尺寸特 別加大可一目了然。不同實例中對應之物件通常Κ相同序 號表示。相同導鼋型之半導體區域一般Κ同方向之斜線加 註0 圖1所示係根據本發明之發出輻射之半導體二極體之第 一具體實施例之截面。半導賭二極髁包含一半導體主體 10，具有第一型之底材1 ，此為η-導霣型，本實例中Κ單 结晶砷化鎵製成並配置一接觸導體8 。半導體層结構覆置 (請先閲讀背面之注意备；再填寫本頁) 裝 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 83.3.10,000 第83107401號專利申請案 中文說明書修正頁（84年7 K) 五、發明説明（/7 ) 經濟部个央標準局员工消費合作社印製 其上方，尤指由第一型姐成之第—包覆層2 *此為η -導電 型，一層發射較低光譜之活動層，以及一層第二型之第二 包覆層4 ，此為Ρ-導霄型。根據本發明，活動層3Α由 AUGanAs組成而包覆層2* 4由AUGawInmP组成，同 時活動層3 A所具該鋁含量（X)及該厚度（d)使發光發射介 於約770及690 η π»之間。'因此，根據本發明之二極體涵蓋 了較低光譜中之最要空窗。本實例中，活動層鋁含量（χ) • . * ，， 至少5原子分率而最高20原子分率，此例為8原子分率， 同時活動層3 Α為量子井層約4 ηιη厚之量子井結構。此例中 之活動層3纟包含四層彼此以障壁餍/\1*〇31-*/\3分隔之量子 井層，本例中鋁含最（z)約40原子分率且厚度約4.5 nm。 活動層3AM /UzGai-zAs，此處鋁含量（z)約40原子分率 組成之分離式包覆層3B分隔包覆層2，4，而且厚度介於約 5及150 ηιη之間，本例中為9 nm。部份因為這些分離式包 覆蹰，使本實例中之二極體可供懕特別高之光功率，實為 眾多臞用之一項重要優點。事實4分離式包覆層3BM AlGaAs姐成取代InAlGaP組成之包覆層提供製造上之另一 項重大優點*因為這些極厚AIGaAs層3B無論鋁含量多寡均 幾乎與GaAs底材1具相同晶格常數。這就是InGaAlP姐成 之對比層。本實例中之二極體之發光波長約740 nm。此處 之二極體構裝成雷射二極體而且雷射發射波長約7 50 η®。 本實例中構裝之雷射尤為吸引人*因為雷射二極體非常適 於簡介中介於該波長範圍述及之懕用。一層薄的InGaP中 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 83.3.10,000 (請先閲讀背面之注意#.¾再填寫本頁) -裝 IJ M6 線 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) 間層5 ，銦含最約50原子分率而且P型GaAs層6置於第二 包薄層4上方。本實例中·包覆層2及4由 In〇，fs/\lf>，3f5Ga〇.ii；P组成。 一絕緣層9 ，此處為二氧化矽，其中出現之條形開口寬 度約2 5 u ra ，位於接觸層6上方。覆蓋其上的則是延伸導 雷蹰7 ，其上方配置一接線導體（未示於圖中）。此種接 ' 線導髑亦出現在配置底材1上之另一導電層8上 AUGh-ds媛衝屑11之鋁含最（t)約20原子分率，置於底 材1及第一包覆_ 2之間。半導體主體1 0内有一長條型區 域1 2，其内部置放p η -接面，通人足夠順向電流強度，造 成雷磁蝠射發射，此状況下由於位於二極體画示平面之正 而及背面均磨成鏡面而產生雷射軸射。下列成份，摻雜程 度，W及厚度均為本宵例中各半導體層採用者。 -------《一裝------訂-----C ·線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1 ii 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 A丨裝 訂 .線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本筲) .f 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（9 ) 半等體層 1 GaAs 11 AI(ypGa〇.*〇As 2 3B Al〇4〇Ga〇6〇As 3A - Al0#QgGa〇〇92As (4x) AIo^oGafl.^o^s (3x) 3B Alo^oGao^oAs 4 In0,5Al0,35Ga〇l5P 5 In05Ga〇,5P 6 GaAs 本寘例中底材1上之導 10 0 0埃（A )。本實例中之 * Μ及一層金姐成*厚度 2500 埃。 述及之發出輻射之半導 (見围1)。此法首先準備 材1 。（ 0 01)指向面經過 置半等體層结構，例如藉 )之氣相及7 6 0 π之成長 11。然後是I η Α1 G a Ρ第一 犁別 摻雜濃度厚度 (原子啤/公分3丨（微米> 能帶間隙 (成塊） (霣子伏特) (eV) N 2x10'* 150 1,4 N 2x10'* 0,1 1,7 N 5x10'^ 0,8 2,3 - - 0,009 1A - - 0,004 1,5 - - 0,0045 1,9 - - 0,009 1,9 P 3xl0,7 0,8 2,3 P 1χ10ιβ 0,1 1,9’ P 2x10U 0,5 1,4 電 層8 是 金 - 緒 - II 層 ， 厚 度 約 導 電層 7 包 含 有 — 層 鉑 —- 層 靼 各 約 1000 > 約 500 K 及 約 體 二極 髑 係 根 據 本 發 明 製 造 如 下 (001) 面 之 單 结 晶 Π - 型 砷 鎵 底 拋 光及 紬 刻 後 » 接 著 於 其 上 方 配 由0MVPE (=有機金饜氣相磊晶 溫度達成··首先是AlGaAs緩衝層 包覆層2 *AlGaAs分離式包覆層 -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 經济部中央標準局負工消費合作社印製 A7 _ _B7_____ 五、發明説明（1〇 ) 3B，活動賻3 ,具有四層AlhAs鼉子層&彼此以三層
AlGaAs障荦騎分隔之，再一曆分離式A1GaAs接觭層3B. TnAIGaP第二包费蹰4 ，InGaP中間層5 ，Μ及GaAs接觸 蹰6 。成份壤定，導雷型別，摻雜濃度’厚度*及半導體 蹰能帶間隙，相關資料製成包含上述及圖1說明之表格。 從畏晶裝置取出結構後，在结構上配置一 厚之二氧 化的絕緣層9 ，例如K濺敗法為之。長條形開口藉以光蝕 刻或蝕刻法製成寬25«m K及長軸垂直圖1之圖面。结構 清潔後，置上導雷膚7與8，例如濺敗法為之。费開後變成 分開的發出辐射二橘膊，本例之雷射二極體為增益導向型 ，最後封装後即可使用。 . 圖2中，為根據本發明（曲線21 )之發出輻射二極體，此 處為根據具髑蓠腌例之雷射二極體’ W及相同特性具有一 活動圖及AlGaAs包覆層之習用二極體（曲線22 )之光输對 雷流作鬮。根撺本發明·之雷射二極體發出750 ηι#’習用二 欏膜亦構裝成雷射，但其發出約760 這些曲線在SOt CW.(=連繽操作）横測得。根據本發明之（雷射）二極體 具有非常低之放動鼋流（50 mA，60t!) ’相對啟動電流密 度為0.4 kA/cm2。習用雷射二極體（曲線22)在60 t：之啟 動窜流高於200 mA，相對啟動電流密度為1·δ kA/cm4。若 要習用雷射二極體發出如同根據本發明之雷射發出約750 nm,刖前者之放動霄流及放動雷流密度須提高約兩倍之多 。此棟二樺鵂無法實際用在面臨之應用上，不如根據本發 明之二極體。這些測試顯示，根據本發明之二極體可發出 -13 - 本紙張又度適用中國國家搮準（CNS ) M規格（210x297公釐） 《 I裝 訂 I線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本買) Α7 Β7 五、發明説明（n ) 介於770 nm罕690 nm範圖内之發射波長，同時極低啟動電 流及紊生極高功率遂可用為提及應用上之實用二極體。 本發明未受給定實例限制·因為精於該技藝者在本發明 之範β内可執行許多改良及變化。因此，半導體材枓成份 之選定非僅實例中述及方可使用。導電型別亦可全部（同 時）W其對梨置換。亦可採用其他結構，例如奇狀结構。 依應用決定，LED構装或根據本發明之發出輻射之雷射二 極體之雷射構装均可採用。雷射二極體構装當中·增益導 向及指數導向结構兩者均可使用。最後•應了解具體實拖 例中製造半導體層之方法亦可K非M0VPE技術為之。除了 M0VPE之外，於此亦可採用M0HBE (=金靨有櫬分子束磊 晶），Μ B E (=分子束磊晶），V Ρ Ε (=氣相磊晶），或 LPE (=液相嘉晶）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) —裝------訂-----線 經濟部中夬標準局員工消费合作社印製 -14 - 本紙张尺度適用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）

Claims (1)

  1. ABCD 第83107401號専利申請案 中文申講專利範圍修正本（85年4月) 六、申請專利範圍 1. 一種發出韁射之半導*二極體，其包括一半導«主«· 該主體具有第一導«型之半導«底材（1) *覆製其上方 為半導邇層结構*其以前述次序包括一第一導電型之第 —包覆層（2> · —發出光譜之較低波段之活動層（3A)* 以及與第一型相反之第二導«型之第二包覆層（4)，同 時第一及第二包覆層（2* 4)均配置霣接黏装置（5, 6， 7，其特徴係活動®(3A)包括AUGanAs，包覆曆 (2，4)包括A“GawInmP· Μ及活動曆（3A>之鋁含Λ (X)及厚度（d>使發光發射波長介於約770及690 η·之間 Ο 2. 根搛申請專利範圍第1項之發出辐射之半専艏二極篇， 其中活動層（3Α)之鋁含量（X)至少約14.8原子分率，同 時活動層（3Α)厚度（d)至少約20 ηβ。 3. 根搛申請專利範画第1項之發出輻射之半専通二極應， 其中活動層（3Α)之銘含量（X)至少約18〇原子分率而且 活動層（3Α)厚度至少約20 nm。 4. 根據申請專利範圔第1項之發出輻射之半導强二極通， 其中活動層（3A)之錯含悬（X)至少的1原子分率而且最 高約15原子分率·活動層（3A)具有最子井结構，以及量 子井厚度約2.5 na。 5. 根據申諝專利範圍第1項之發出輥射之半導應二極應， 其中活動層（3A〉之銘含量（X)至少約&原子分率而且最 高約20原子分率，活動層（3A)具有鸷子并结構，以及量 子并厚度至少約4 nm。 6. 根據申請專利範圍第4或第5項之發出福射之半導體二極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇f29}公;I ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 袈· 、1T 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 A8 B8 ^ ^ t/ 5 ΐ 6 D8 六、申請專利範圍 體*其中活動層（3Α)具有多重量子井結構*至少4層具 該鋁含量（X)及該厚度（d)之AUGanAs量子井層，而 且彼此K能帶間隙至少200 »eV且大於相對發射波長之 能帶間陳之障壁層Al*GanAs分隔K及厚度介於4及 50 η丨之間。 7. 根據申請專利範圃第1項之發出輜射之半導《二極體， 其中分戆式AUGai-*As包覆思（3Β)之能帶間陳至少200 eV且大於相對發射波長之能帶間隙K及厚度介於約5 及150na之間*且置於活動層（3A)及包覆曆（2，4)之 間〇 8. - 根據申請專利範圍第1項之發出鞴射之半専«二極體， 其中活動曆厚度小於約0.05 wn*活動區表面積介於 25 X 500 u βι2& ΙΟΟχ 500 w ·2 之間0 9. 根據申請專利範園第1項之發出輻射之半導《二極«， 其中分離式包覆層（3Β)之鋁含悬（y)最高約35原子分率 以及銦含量（w)約50原子分率。 10. —種發出轘射之半導體二極體之製造方法，係由半導體 底材上方依頼序配置：第一導電型之第一包覆》(2)， 發出發射光譜中較低波段之活動層材料（3 A) *以及相對 於第一型之第二導霄型之第二包覆層（4) *之後包覆層 (2，4)配置霣接點裝置（5，6，7* 8)，其特徽係選擇 AUGanAs充當活動層之（3A)之半導«材料Μ及凿擇 AUGawInmP充當包覆層（2，4)之半専體材料，同時 壤定之活動層（3A)之鋁含量（X)及厚度（d)使發射波長介 於約770及690 nm之間。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X29”公釐） (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 装' 訂
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