TW413972B - Semiconductor laser device - Google Patents

Description

413972 五、發明說明（1) [發明所屬技術領域] 本發明是有關於I ί〖-V族氮化物半導體雷射元件，其能 輸出所期望之達到光資訊處理領域等之應用的短波長雷射i 丨光。 [習知技術] 近年來’數位影像光碟（digital video disk)裝置等之 大容量光碟裝置是已經實用化，甚至謀求光碟（disk)容量 之大容量化。在更加了解光碟裝置之大容量化方面，最有 效之一種方法是謀求變成記錄資訊用或是播放用光源之雷 射光的短波長化。已裝入現今之數位影像光碟裝置的半導 體雷射元件，在I I I -V族半導體材料内主要是使用由 八1〇&111?所構成之半導體材料，其振盪波長是65()奈米 (nm)。因此，在對應於現今開發中之高密度數位影像光碟 裝置’使用I I I - V族良化物半導體材料之更短波長的雷射 元件是變成不可缺的》 以下’是參考附圖來說明習知之π [ - V族氮化物半導體 |雷射元件。 j 圖10是圖示習知之ΠΙ—V族氮化物半導體雷射元件的截 面構造： 如圖10所示，在由藍寶石所構成之基板1〇1上面，是依 序形成：緩衝（buffer)層102，是由能緩和在基板1〇1和該 基板1 0 1上面所成長之氮化物半導體晶體和其晶格常數之 不穩定的GaN所構成；和η型接觸層103，是由低電阻之n型 i GaN所構成。在η型接觸層103上面之元件形成領域，是交 413972 五、發明說明（2) 替堆積：n型包覆（ciad)層丨04，是由在後述之活性層封閉 電子及輕射光所構成；11型導光層105，是由容 易封閉在活性輻射光之n SGaN所構成；和由Gai_xInxN所構 t 成之井層及由Ga^ylriyN所構成之障壁層（但是，X及y是 〇<y<x<l);並且依序形成：多重量子井活性層1〇6，是能使· 封閉之電子及電洞再結合來產生輻射光；p型導光層丨07， 是由容易封閉在該活性層1 〇 6之輻射光的p型GaN所構成； 和ρ型接觸層108，是由在上面具有幅度是3微米 微米左右之田故狀脊形條纹（ridge stripe)部108a，並在 活性層1 0 6封閉電洞及輻射光之p型a 1 g a n所構造。 在P型包覆層108上面’是形成p型接觸層1〇9，其是由低 電阻之p型GaN所構成，並且藉用絕緣膜丨丨〇來覆蓋在p型包 覆層1 0 8上面之脊形條紋部I 〇 § a的兩側部分及元件形成領 域側面。 · 在絕緣膜1 1 0上面是與P型接觸層丨〇 9接觸，例如，是形 成堆積經（N i )和金（A u )之條紋形p側電極1 11，而在^型接 觸層1 03之元件形成領域侧方’是形成堆積鈦（Τι )和鋁 (A丨）之η側電極11 2。 相對於如以上所形成之半導體雷射元件，η側電極丨1 2是i 接地，如果在p側電極丨丨1施加預定電壓，是會產生振盪波 長為3 70 nm~43 0 nm之雷射振盪。是藉用構成多重量子井 活性層106之Gai_xIn)tN及Gai_yInyN之結構和薄膜厚度，來使 該振盪波長產生變化。現在，已經完成在室溫以上之溫度 環境下連續振盪，並且已接近實用化。

4139ι?2 五、發明說明（3) [發明所欲解決之課題] 雷射元件，其短波長之 ’該者以上之短波長化 但是，上述習知之氮化物半導體 振堡臨界值在現今是在37〇 nm左右 在原理上是有困難。 為了半導體雷射之短波長化，是使用大禁制帶之能量間 隙幅度（Energy gap)，如果是使用所謂寬間隙Uide 半導體來作為活性層則是最好。如果採用上述之多重量子 井活性層丨06來作為例子，Gai_xlnxN之卜結構比χ是〇來二為 井層’即是使用GaN，甚者，使用含有更大能量間隙 (energy gap)之鋁（A1)的AlGaN亦是能實現。 可是’有關在活性層封鈉載體（c ar r i er )及輻射光之雙 重雜質（double hetero)構造的雷射元件，是有使用與活 性層比較具有更大能量間隙之半導體材料的必要，以便作 為包覆層》 在—般’為了得到室溫以上可動作之實際能階（丨e ve丄） 的動作特性，與活性層比較，是有必要使用具有至少〇 4 電子伏特（eV)左右大之能量間隙的包覆層。為了，A1GaN 半導體在3. 4 eV〜6. 2 eV之範圍大幅變更能量間隙，是有 可能形成大能量間隙之包覆層。但是，如果以由A 1 GaN所 構成之半導體來作為大能量間隙結構，特別是，得到p型 半導體之p型雜質摻雜物（dop i ng )，是有使電洞之熱活性 化率降低之困難。因此，現今，A 1之結構最大是達到 2(Alo.2GaQ_8N來作為混合晶），且僅能得到能量間隙最大 是達到4. 〇 eV左右之p型半導體。 五、發明說明（4) 如此，習知之II I-V族氮化物 列之第1間題：僅能得到P型半導 是達到4, 0 eV左右》 半導體雷射元件，是有下 體層之能量間隙大小最大 =者’ b果堆積大晶體之A1結構和小晶體之M結 體彼此間因相互之晶格常數差異而產生之應力: = H/1結構是必須成長到必要之1⑽以上白 _ : 士&亚以大半導體晶體來作為包覆層該半導體晶爱 雜=全產生裂化（crank),而有下列之第2問題：使雷射 寻性…、化並且降低雷射元件之可靠性。 士發明，《用來解決上述之習知問題，其第i目的是在 兔外光領域亦能實現可振盪之半導體雷射元件’而其第2 目的疋谋求提昇半導體雷射元件可靠性。 [用來解決課題之方法] 本案發明者，檢討下列之各種理由之結果：p型丨〗丨_ v族 I化物半導體，特別是由p型AlGaN所構成之半導體能量間 隙僅能得到4. 0 eV左右，而得到如以下之結論。 圖Π疋p型氮化鎵（Galium, GaN)和p型氮化紹 (Alumirnum，A1N)之各個能量能階，縱軸是圖示電子之能 量。如圖1 1所示，在GaN及A1N之價電子帶Ev的上側，是形 成為Ρ型摻雜物（dopant)之鎂（Magnesiuin，Mg)的受體 (a c c e p t 〇 r )能階E a。該鎂（M g)，相對於氮化物半導體是最 淺，即是一般所認為：能量間隙是最小且容易活性化之受 體（acceptor)，而廣泛使用來作為p型摻雜物（d〇pant)。 但是’鎂亦是，從G a N價電子帶£ v上端部之受體能階，

413872 五、發明說明（5) 因為與0. 1 5 ev比較是較大，在室溫之熱活性化率是沒有 超過1 %左右。因此，為了在P型包覆層得到所必要之載體 (carrier)濃度的1 X 1017〜1 X 1018 cm-3，是有必要使鎂之 雜質（doping)濃度是在1 X 1 ο”〜;ι X 102。cm-3左右。鎂之 雜質濃度是變成1 X 1 02e cm-3值，就接近能得到良好半導 體晶體之臨界值，如果在該者以上摻雜鎂，就顯著降低晶 體性質。因此，如果是以雜質濃度是1 X丨02〇 cm_3之值來 作為雜質濃度之臨界值，為了得到1 X丨〇n cm-3以上之載 體（carrier)濃度，是有必要使受體之熱活性化率是在 0 · 1 %以上。 另一方面，如圖11所示，在A1N，鎂之受體能階Ea是更 加變深，幾乎亦達到0. 6 eV e例如，在A yN之情況， 是從0 . 1 5 eV到〇 . 6 eV呈大致線性變化來使A丨結構丫變化。 受體之熱活性化率是變成〇. 1%以上，因為有必要使受體能 階Ea和價電子帶上端部之能量Ev之差變+，而不社 構y變大。 如上述般，習知 紫外光領域要呈短 360 nm左右是視為 之氮化物半導體雷射元件的振盪波長在 波長化是極端困難，而振盪波長在 feii界值。 因此，本發明，為了完成上述第i目的， 物半導體雷射7L件之p型半導體層結構添加碟或是础素 (砷，As)，來依舊維持該p型半導體層之大能 ’： 使受體能階和價電子帶上端部之能量差變小二： 受體能階變淺之結構…本發明，為了完 ；使

第10頁 413972 五、發明說明（6) ~~~~ —-- 的，挾雜含有鎵之氮化物半導體雷射元件的活性層之半 體層晶格常數是與氮化鎵之晶袼常數大致一致的構造。 與：發明有關之第U導體雷射元件，是完成上述以目 道V、具備有：第1半導趙層，是由在基板上面所形成之苐 1導电型第1氮化物半導所構成；第2半導體4 ,是在第 :體：面成丄並由禁制帶幅度是比第1氣化物半導 2%·、導二 體所構成；"3半導體層，是在第 導/Λ^γ形成’並由禁制帶幅度是比第2氮化物半 V胆大之第2導電型第3氮化物半導 物半導體或是第3氮化物半導趙是含有斤:成，而第1氛化 是半，導體f射元件’ Α 了形成第2半導體層， = Λ是比該第2半導體層大之第1導電型第1 Ϊ2半導體層2電型第3半導體層來從上下方向挾雜著； Γ體層及第2:;:列…層相等，該活性層是從第1半 合光I $導組層各別產生提供給載體彼此間之再結 輻射光。® μ·""匕覆層或疋導光層是在活性層封閉載體及 =是二V第1半導體層或是第3半導體層為了含有： 及傳導*下^大幅維持禁制帶幅度並使價電子帶上端部 在第L 7部躍遷（shi⑴到高能量側（上方）。 導電型是Di體雷射元件，最好是：第1導電型是。型，第2 果是如上述；搆：A1GaNl:p“但是’x及y是"…）。如 又因為P型第3半導體層之磷結構與n型第】半

第11頁 413972 I五、發明說明（7) 丨 I i 導體層之磷結構比較是較大，到價電子帶上端部上方之躍 | 遷是變得比較大。為此，受體能階和價電子帶上端部之能 i ! ί量間隙是變得比較小。 丨 ! ^ 在此情況，η型第I氮化物半導體結構最好是A 1 GaN。如 果是如上述般，為了防止&體（donor)能階和傳導帶下端 部之能量間隙變大，是變成能確實輸出紫外光領域之振盪 波長。 與本發明有關之第2半導體雷射元件，是完成上述第i目 的，其具備有：第1半導體層，是由在基板上面所形成之第 1導電型第1氮化物半導體所構成；第2半導體層，是在第1 半導體層上面所形成，並由禁制帶幅度是比第1氮化物半 導體小之第2氮化物半導體所構成；和第3半導體層，是在 i 第2半導體層上面所形成，並由禁制帶幅度是比第2氮化物 半導體大之第2導電型第3氮化物半導體所構成；第1氪化 物半導體或是第3氮化物半導體是含有础素（砷）。 如果藉用第2半導體雷射元件，是與第1半導體雷射元件 相同，因為第1半導體層或是第3半導體層含有砒素（砷，

As )，能依舊大幅維持禁制帶幅度，並能使價電子帶上端 j 部及傳導帶下端部躍遷（sh i f t)到高能量側。 i 在第2半導體雷射元件，最好是：第1導電型為η型，第2 j |導電型是ρ型，第1氮化物半導體結構是AlGaNhAs,，第3氮j I化物半導體結構是AlGaIVyAsy(但是，X及y是0 Sx Sy)。如 |

第頁 413972 五、發明說明（8) . 躍遷（shi ft)就變得較大。為此，是能使受體能階和價電 子帶上端部之能量間隙變得比較小。 在該情況’ n型第1氮化物半導體結構最好是A 1 GaN。如 果疋如上述般’為了防止施體能階和傳導帶下端部之能量 間隙變大’是變成能確實輪出紫外光領域之振盪波長。 與本發明有關之第3半導體雷射元件，是完成上述第2目 的’其具備有：第1半導體層，&由在基板上面所形成 1導電型第1氮化物半導體所構纟；第2半導體層是在 半體士面所形成，並由含有鎵且禁制帶幅度是比第 T :第2V導之坪第居2 I化物半導體所構成；和第3半導體層， !乱化物半導體及第3氮化物第；而第 Ε化鎵之晶格常數大致相同其0曰“數疋具有與 如果藉用第3半導體雷射元件由含有 是比第1氮化物半導體小之' 不制帶幅度 ，體層’在實質上是變成活；：物=體；構成之第2 疋導光層之第1半導體層及第3神 專於包覆層或 是具有與氮化鎵之晶格常數大致相υ為其晶格常數 時，是不會產生因晶格常數之差里^广在晶體成長 在第1〜3之半導體雷射元差::而〃 W成之應力。 氮化物半導體之禁制帶幅度最拟f1釓化物半導體或是第3 [發明之實施例] 取好疋在4 eV以上。 (第1實施例）

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I五、發明說明（9) 一'~~

I I 參考附圖來說明本發明之第1實施例。 | 圖1是圖示與本發明之第1實施例有關之多重量子井型氣 |化物半導體雷射元件截面構造。在此，是以形成雙重雜質 接合來作為各個半導體層製造方法來說明雷射元件構造。 如圖1所示’首先，是使用有機金屬氣態成長法例 、 如’在由面方位是（〇〇〇1)面之藍寶石所構成的基板11上 面’疋依序成長：緩衝層12，是由能緩和在基板1丨和該基 板11上面所成長之氮化物半導體晶體及其不穩定之晶格常 數’並為了得到無晶體缺陷之半導體層的氮化鎵所構成； π型接觸層13，是由以矽來作為n型摻雜物（d〇pant)之低電 阻η型氣化紅所構成，η型包覆層1 4，是由在後述之活性層 封閉電子及輻射光之η型八1() 3Ga(| 所構成；型導光層 1 5，疋由在活性層容易封閉輻射光之η型Α 所構 成。 .·。 接著’在η型導光層15上面，是藉用交互堆積由 Alo.Jh aN所構成之井層和由Α1() 所構成之障壁層， 來依序成長：多重量子井活性層16，是能產生輻射光，該 轄射光是由再結合所封閉之電子及電洞來形成；ρ型導光 層17，是以錯來作為ρ型摻雜物（d〇pant)，並由在活性層i :16容易封閉輕射光之p型a1q 25GaQ ^所構成；p型包覆層 i | 1 8，是由在活性層1 6封閉電洞及輻射光之p塑 j 所構成；和卩型接觸層19，是由低電阻之p 蜇氮化鎵所構成。藉此，活性層丨6從上下方向，是形成外 延（ep I tax 1 a 1)層’該外延層是具有夾住與該活性層丨6比

第14頁 413972 i五、發明說明u〇) 較是具有大能量間隙之η型包覆層1 4及p型包覆層1 8來形成 之雙重雜質接合部。 · 形成外延層之後，相對於p型接觸層1 9及p型包覆層1 8之t 元件形成領域，藉用選擇地進行乾式蝕刻（dry e t c h i n g)，來形成脊形條紋部1 8 a，該脊形條紋部1 8 a之幅' 度是在5απι左右且上部是由p型接觸層19所構成之田畝 形》 j 其次，在脊形條紋部1 8a之p型接觸層1 9上面，是選擇地 |形成由鎳和金（Ni和Au)之堆積體所構成的p侧電極2〇，接 著，以掩膜（mask)覆蓋外延層之元件形成領域，到露出η 型接觸層13，並進行乾式触刻（dry etching)，而在η型接 觸層1 3上面形成π側電極形成領域，接著，在η型接觸層1 3 上面之η側電極形成領域選擇地形成鈦和鋁（T i和Α丨）之堆 積體所構成的η侧電極21。 其次’在ρ型包覆層1 8上面之脊形條紋部1 8 a的兩側部分 !及元件形成領域側面，是形成由矽（s i丨i c〇n )氧化膜等所 構成之保護絕緣膜2 2。 、 其次’在含有保護絕緣膜22上面之p側電極2〇的領域， |是形成與該P側電極20電氣連接之配線電極23，來得到圖t |所示之氮化物半導體雷射元件。 |以下，是參考附圖來說明如上述所構成之半導體雷射元 件動作及其動作特性。 與本實施例有關之半導體電射元.件的多重量子井活性層 1 6之有效能量間隙是約為4 ev。於此，η側電極2丨是接

第15頁 413972 五、發明說明（11) 地’如果在p側電極2 0施加預定電壓，相對於活性層1 6， 從p側電極20是注入電洞，而從η侧電極21是注入電子，在 活性層16是產生光增益，並產生振盪波長是約為31〇 nm之 雷射振盪。 圖2是表示由AlGaNP所構成之氮化物半導體的A1及P之各 個結構比和能量間隙之關係，而該A 1 GaNP是構成與本實施 例有關之半導趙雷射元件。如圖2所示，A 1之結構此是〇. 3 而P之結構比是0之η型包覆層1 4及A 1結構比是〇. 4而P之結 構比是0 0 2之p型包覆層1 8 ’共同之能量間隙大小是變成 約4 _ 4 eV ’是能將電子及電洞確實封閉在活性層1 6。 圖3是表示依照貝加德（Beggar d )定律來4隹算出由A 1 GaNP 所構成之氮化物半導體的A 1及P之各個結構比和價電子帶 上端部之能量Εν之關係結果，而A 1 GaNP是構成與本實施例 有關之半導體雷射元件》在圖3，縱軸上之〇 eV是A1之結 構比X及P之結構比y在共同是〇之情況，是表示氮化鎵 (GaN)晶體之價電子帶上端部的能量Εν。 如圖3所示*在A 1之結構比是0 _ 4而Ρ之結構比是0之情 況，與GaN混合晶比較，價電子帶上端部之能量Εν是僅降 低0. 1 7 eV。藉此 > 受體能階是僅變深〇. 1 7 eV。但是，在 本實施例，因為是使用A 1之結構比是0 , 4而P之結構比是0. 02之AluGauN。98P。。2來作為p型包覆層1 8，而與GaN混合晶 之價電子帶上端部的能量Εν是幾乎一樣，反之，則受體能 階變淺一些。 在此，是說明相對於本實施例之特徵的η型包覆層1 4及ρ

第16頁 413972 五、發明說明（12) 型包覆層18之雜質摻雜。 η型包覆層14，是使用矽（si)來作為摻雜物 (dopant) ’實現1 χΐ〇【8 CD1-3左右之載體濃度。 又，如圖3所示，由III-V族氮化物半導體所構成之p型 包覆層18，相對於該p型包覆層18是將v族之磷（p)加在其 結構，並藉由p型摻雜物之鎂（Mg)，是能使所產生之受體 能階Ea是為與GaN大致同等級之0.15 eV左右。 由圖3可了解到，在I I I -V族氮化物半導體，如果A丨之結 構比是變大1價電子帶上端部之能量E v是躍遷到低能量側| (下方）。但是，在本實施例，如圖2及圖3所示，是藉由添1 加磷’來依舊維持4 eV以上之能量間隙，並能使價電子帶| 上端部之能量E v躍遷到高能量側（上方），藉此，來提昇受 體之活性化率。 . 一般’如果要單純地表示電洞之熱活性化率，是能以下 列之式子來表示： p = e Xp{ -(Ea -Ev)/kT} 在此’ Ea是表示受體能階，Εν是表示價電子帶上端部之能 量’k是表示波茲曼（Baltzmann)常數，Τ是表示絕對溫 度。實際上’是並不單純，如果受體能階E a和價電子帶E v 之差變大’ P型摻雜物之活性化率p是急遽地降低則是不 變。 如圖3所示’因為A 1之結構比是變大而價電子帶上端部 之能量Εν是變小’為受體能階Ea和價電子帶上端部之能量 Εν之差的雜質深度是增大，完全使活性化率變小。

第17頁 ___ 413972_ 五、發明說明（13) 於此，如上述般’有關本實施例’是在11卜V族氮化物 半導體之V族元素添加磷（p)，並進一步使磷之結構比最佳 化’來使價電子帶上端部之能量E v躍遷（s h f t)到高能量 匍。藉此，來使受體能階以和價電子帶Ev之差（Ea-Ev)變 /J、 〇 可是，如圖2所示’如果在由AlGaN所構成之氮化物半導 體添加磷（P)，為了亦使能量間隙變小，和得到預定之能 量間隙，是有必要使a 1之結構比變大。 如此，若藉用本實施例，相對於含有A 1之π I -V族氮化 物半導體，藉由使A1之結構比變大’來維持預定之能量間 隙，並且將磷（p)添加在其結構，是能使受體能階Ea和價 電子帶Εν之差變小。藉此，受體之熱活性化率是變高，在 使具有等於紫外光領域之振盪波長的能量間隙之活性層j 6 動作方面，是能得到必要之Ρ型包覆層1 8 ° 又，在得到紫外光領域之振盪波長情況，如果添加磷 (Ρ)，反之，施體（d〇n〇r)能階就變深’為了使施體之活性 化率降低〆些’在n型包覆層1 4最好是使P之結構變小，甚 者’最好是使用沒有添加磷（P)之AiGaN。 但是，在振盪波長是青色程度、振盪波長是比較長之情 況，如果以η裂包復層14來作為細型包覆層18相同之4元 混合晶’❻照晶體成長裝置之運作理由，是能使製造雷射 元件變得容易、。因此，如果是依照雷射光之振盪波長，即 依照用途，來决定η型包覆層丨4之結構是最好。 如上述之説明，藉由在含有鋁（Alumimium，Α1)之ΠΙ_ν

第18頁 413972 五、發明說明（14) 族氮化物半導體結構添加磷（P )，來依舊維持預定之能量 間隙，是能產生淺受體能階。其結果，如果將由p型置 A 1 GaNP所構成之混合晶使用於雙重雜質型半導體雷射元件 之P型包覆層’在能達到紫外光領域之短波長領域，是能 實現可振盪之半導體雷射元件·^ ^ 又，與活性層1 6比較，相對於大能量間隙之〇型導光層 1 5及p型導光層1 7，特別是相對於p型導光層17，亦是可以 在其結構添加磷（P )。 (第2實施例） 以下’是參考附圖來說明本發明之第2實施例6 圖4是圖示與本發明之第2實施例有關的多重量子井型氮 化物半導體雷射元件之截面構造。在圖4 ’與圖1所示之結 構構件相同的結構構件，是附有相同符號來省略說明。。 如圖4所不，有關本實施例，是藉用由摻雜鎂（之口型 所構成之半導體層，來形成p型包覆声 28。 s 圖5是表示由AlGaNAs所構成之氮化物半導體的A】及As之 ^個結構比和能量間隙之關係，而該A丨GaNAs是構成與本 戶、鈀例有關之半導體雷射元件。又，圖6是表示依照貝加 德疋律來計算由AlGaNAs所構成之氮化物半導體的A1及“ 之各個結構比和價電子帶上端部之能量Ev之關係結果，而 該A IGaNAs是構成與本實施例有關之半導體雷射元件。 如圖5所示，因為在p型包覆層28，Ai之結構比是〇· 4且 As(砷）之結構比是〇· 〇2，能量間隙大小是變成4. 3 eV左

413972 五、發明說明（15) 右，是能在活性層1 6封閉電子及電洞。 甚者，如圖6所示，受體能階£3和價電子帶上端部之能 量Εν之差（Ea-Ev)，As(砷）之結構比，在與〇之情況比較是 變小。 因此，與第1實施例相同，在含有鋁（Alumimi⑽，A1)之 I I I - V族氮化物半導體結構添加珅（a s )，並且，將a 1之結 構比設定在0. 4左右高些，來依舊維持預定之能量間隙， 與不含有砷（As)之情況相比較，是能產生淺受體能階。其 結果，如果將由p型A IGaNAs所構成之混合晶使用於雙重雜 質型半導體雷射元件之p型包覆層，是能在達到紫外光領 域之短波長領域實現可振盪之半導體雷射元件。、 又，在得到紫外光領域之振堡波長的情況，目為如果添 加砷（As)來使施體（d〇nor)之活性化率降低一些，最好是 使η型包覆層14之砷（As)結構變小，甚者，最^是不添= 石申〇 混合 造雷射元件就變得容易。因此 ，但是’在振盪波長是青色程度、振盪波長是比較長之情 況，=果以n型包覆層丨4來作為與P型包覆層28相同之4元 如果依照用途 來決定Π型包覆層14之結構是最好 又，與活性層1 6比較，相對於大能量間隙之 型導光層17，特別是相對”型導光層17，亦導是先可層以 在其結構添加钟（A s )。 (卓3實施例） 、下疋參考附圖來說明本發明之第3實施例。

第20頁 413872 五、發明說明（16) 圊7是圖示與本發明之第3實施例有關的多重量子井型氮 化物半導體雷射元件之截面構造。在圖7，與圖1所示之結 構構件相同的結構構件是附有相同符號來省略說明。 ° 如圖7所示，有關本實施例，是藉用由摻雜碎（g丨）之n型 I A 所構成之半導體層’來形成η型包覆層34， ' 並藉用由摻雜鎂（Mg)之ρ型Q2所構成之半導體 層，來形成p型包覆層38。 在此亦是與第1實施例相同，多重量子井活性層〗6之實 質有效能量間隙是約為4 eV。因此，從活性層I 6所輸出之 雷射光振盪波長是變成約3丨〇 nm。 如圖2所示’ n型包覆層34及p型包覆層38之能量間隙大 共同是4. 4 eV左右，是能在活性層1 6確實封閉電子及 電洞。 氣化物半導體以2:施，，有關含有A1⑷之〖"-V族 體活性化工：：；70件丄是說明能提昇P型半導體層之受 質。 導“射％件的半導體晶體之晶體品 如上 要比 隙變 ，包 變大 產生 需 間 此 比 牡t有A1之lii-V族氮 較厚之薄骐厚度的包覆層物半導肽，例如， 大之A1 ’在包覆層是容易產生：是含有多數使能量 覆層自身之薄膜厚度，是限制：化(：k卜因 。 .^在不會產生使A1結構 裂4匕之理由，上 „ ^ , 傅&變大，是會擴大含有

第21頁 主由，如果使A1結構卜 413S72 五、發明說明（17) a 1之π I - y族氮化物半導體之晶格常數和η I _ v族氮化物半| 導體之主要半導體的氮化鎵（GaN)之晶格常數的差。 | 圖8疋表示由AlGaNP所構成之氮化物半導體的a丨及p之各丨 個結構比和晶格常數之關係。在圈8,縱軸上之白圓圏是·| Α1之結構比X及Ρ之結構比7共同是〇之情況，是表示氮化 / (GaN)晶體之晶格常數。 如圖8所示，因為該半導體雷射元件之包覆層34、38在 A 1結構比是0，4而P結構比是〇. 〇 2 ’各個包覆層3 4、3 8之晶 格常數，是與氮化鎵（GaN)晶體之晶格常數3.丨9六（埃）大3 致一致。因此，在晶體成長時，於n型接觸層13和^型包覆； 層34之間，及在ρ型接觸層19和口型包覆層38之間，因為各 別是不會產生應力，而能抑制裂化等之晶格缺陷1並 - 到高品質之半導體晶體。 $ 如此，若藉由本實施例，在由寬間隙（wide以㈨半 所構成之氮化物半導體雷針开杜，古、θ Μ 丁〒祖田訂兀件，有必要使能量間隙變大 之包覆層，因為晶格缺陷是由極少之高品質的半導體晶體 所構成，是具有壽命長且能以低臨界值電流動作，來 高性能之短波長半導體雷射元件。 又，圖9是表示由A1GaNAs所構成之氮化物半導體的η及 As之各個結構比和晶格常數之關係。因此，如果使用由n 型Ale.4GaG.6NG 所構成之半導體層，來作為圖7所示之η 型包覆層34，並且，在使用由f w 夕主道辦思办从达 型0 4 °.G °.38As“2所構成 之+ V脱層來作為p型包覆層38之情況’亦是能使各個包 覆層34、38之晶格常數是與氮化鎵（GaN)晶體之晶格常數

第22頁 五、發明說明（18) 大致一致 [發明效果] =果藉用與本發明有關之第1半導體雷射元件，因為第1 瑞部躍遷ή r 1 藉 活性化率 2層或是第3半導體層是含有磷（P)，要依舊大幅維持 〃幅度，而能使價電子帶上端部及傳導帶下端部P通 :1 f t)到高能量側，在第1半導艘層及第3半導艘層之 ：摻雜受體之半導體層，是能使受體能階變… ㈣^為了使第1半導體層或是第3半導體層之電洞活 /"主道在具有等於達到紫外光領域之波長的能量間隙之第 μ Λ體層（活性層），因為藉由第1半導體層或是第3半導 =止疋迠確實封閉載體（car r i er),並能確實振盪達到紫 外光領域之短波長雷射光。 、 !第：半導體雷射元件，如果第】導電型是n型，苐2導電 ί C，第1氮化物半導體結構是……义，第3氮化物 ml结構是A1GaNi-yP〆但是，x及y是0 ，因為P型 θ 租層之磷結構與11型第1半導體層之磷結構相比較 =Α’又因為移向價電子帶上端部上方之躍邊是變得更 疋把使文體能階和價電子帶上端部之能量間隙變小。 :相對於第2半導體層是在基板側形成η型第丨半導體 :骞：1目對於第2半導體層，因為在基板和相反側形成Ρ型 导體層，是能提昇所形成之半導體晶體之品質。 二。f Ϊ用與本發明有關之第2半導體雷射元件'，是與本 二连料弟1半導體雷射元件相同，因為第1半導體層或是第 肢層3有碎（A S ),因為是能依舊大幅维持禁制帶幅

第23頁 413972 五、發明說明（19) _____ $ 能使價電子帶上端部及傳導^ ' 側’在第1半導體層及第3 、。卩移向高能量 導體層，是能使受體能階二 ’於摻雜受體之半 體層或是第3半導體層之電W’因為能使第1半導 盪達到紫外光領域之短波長雷射光 ％ Α '是能磑實振 如果藉用與本發明有關之f 體 晶體成長時，是不會產生因B 导肚田射兀件，因為在 在有需要相對大之薄犋厚声數差異所造成之應力， 是第3半導體層之情況，是尺^"’使用第1半導體層或 半導體層不易產生裂化，因：上該第1半導體層或是第3 並能提昇長期可靠性。 —〃導體晶體之品質提昇， 在第1〜3之半導體雷射-杜 L β ^ 第3 II化物半導體之禁制帶幅度/ ^第^化物，導體及 振盪波長達到紫外光領域之雷又射光。e以上，是能輸出 [附圖之簡單說明] ，是圖示與本發明之第1實施例有關的多重量子井型氣 化物半導體雷射元件構造载面圖/關的多重量子井良氣 個圖上是二ΤΓ所構成之氛化物半導體的A1及P之各 關係圖表(graph)，而該⑽—是 構成，、本發明之第1實施例有關的半導體雷射元件e 圖3是表示由MGaNP所構成之氣化物半導體的M及？之各 個結構比和價電子帶上端部能量Ev之關係圖表，而該 A 1 GaNP疋構成與本發明之苐！實施'例有關的半導體雷射元 件。

第24頁 413S72 五、發明說明（20) ^- 圖4是圖示與本發明之第2賞施众/省 化物丰導體雷射元件構造截西腐。 一 圖5是表示由iUGaNAs所構成费介# 棚往m u- i此且时《丄 扣 战I化物4導體的k I i 個L構比和能量間隙之關係圖表’而 本發明之第2實施例有關的半導體雷二 a S疋‘ SU是表示由AlGaNAs所構成之氮化與 各個結構比和價電子帶上端部能量❿m MGaNAs是構成與本發明之第2實妨匆的'赤" 件。 圖7是圖示與本發明之第3實施例有Μ的多重量子井髮氣 1化物半導體雷射元件構造截面圖。 i 圖δ是表示由AlGaNP所構成之氮化物半導體的及Ρ之各 1個結構比和晶格常數之關係圖表，而該A〗GaNP是構成與本 發明之第3實施例有關的半導體雷射元件=> 圖9是表示由AlGaN As所構成之氮化物半導體的A i及As之 1各個結構比和晶格常數之關係圖表，而該A ! GaWA s是構成 j與本發明之第3實施例有關的半導體雷射元件。 | I 圖ίο是圖示習知之多重量子丼型氤化物半導體雷射元件 I 1構造裁面圖° i I 圖U是圖示P型氮化鎵和P型氮化鋁之各個能量能階圖》 I [符號說明] I、 \ 11 基板 ί

第25頁 413972 I五、發明說明（21) 14 η型包覆層 15 η型導光層 16 多重量子井活性層 17 Ρ型導光層 18 Ρ型包覆層 18a 脊形條紋部 19 Ρ型接觸層 20 ρ側電極 21 η側電極 22 保護絕緣膜 23 配線電極 28 Ρ型包覆層 34 η型包覆層 38 Ρ型包覆層 i mm ΚΙ

第26頁

Claims (1)

1. 413972 六、申請專利範圍 1. 一種半導體雷射元件，其具備： 第1半導體層I是由在基板上面所形成之第1導電型第 1氮化物半導體所構成； . 第2半導體層*其在上述第1半導體層上面所形成，並 由禁制帶幅度比上述第1氮化物半導體小之第2氮化物半導' 體所構成； 第3半導體層，其在上述第2半導體層上面所形成，並 由禁制帶幅度比上述第2氮化物半導體大之第2導電型第3 氮化物半導體所構成；且 上述第1氮化物半導體或上述第3氮化物半導體含有 鱗。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體雷射元件，其中：上述 第1導電型是η型，上述第2導電型是p型，上述第1氮化物 半導體結構是A IGaNhP,，而上述第3氮化物半導體結構是 AlGalVyPy(但是，X及y 是OSxSy)。 3. —種半導體雷射元件，其具備有： 第1半導體層，其由在基板上面所形成之第1導電型第 1氮化物半導體所構成； 第2半導體層，是在上述第1半導體層上面所形成，並 由禁制帶幅度比上述第1氮化物半導體小之第2氮化物半導 體所構成； 第3半導體層，其在上述第2半導體層上面所形成，並 由禁制帶幅度比上述第2氮化物半導體大之第2導電型第3 i氮化物半導體所構成； I

   第27頁 413972 I六、中請專利範圍 . | | 其特徵在於：上述第1氮化物半導體或上述第3氮化物 | 半導體含有砷。 4.如申請專利範圍第3項之半導體雷射元件，其中：上述. 第1導電型是η型，上述第2導電型是p型，上述第1氮化物 半導體結構是AlGaNi_xAsx，而上述第3氮化物半導體結構是' :AlGaIVyAsy(但是，X 及y 是 0 Sx Sy )。 | ! 5. —種半導體雷射元件，其具備有： I ! 第1半導體層，其由在基板上面所形成之第1導電型第| 1氮化物半導體所構成； | 第2半導體層，其在上述第1半導體層上面所形成，並^ 由含有鎵且禁制帶幅度比上述第1氮化物半導體小之第2氮| !化物半導體所構成； 第3半導體層，其在上述第2半導體層上面所形成，並 由禁制帶幅度比上述第2氮化物半導體大之第2導電型第3 ；氮化物半導體所構成； | 其特徵在於：上述第1氮化物半導體及第3氮化物半導 !體具有其晶格常數是與氮化鎵冬晶格常數大致一致之結 丨 丨構° ί 6.如申請專利範圍第5項之半導體雷射元件，其中：上述 丨 第1氮化物半導體及第3氮化物半導體結構，係A IGaNP或 A i GaNAs 〇 I 7.如申請專利範圍第1、3及5項之任一項的半導體雷射 丨 I元件，其中：上述第1氮化物半導體或第31化物半導體之 丨 禁制帶幅度在4 eV以上β ί

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