TW454234B - A semiconductor device - Google Patents

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Description

^^4234 五、發明說明（1) 發明背景 1. 發明領域： 本發明是有關於一種丰導體裝置’尤其是但並不是唯一 的有關於能發射出可見光輕射的半導體裝置，波長在 630 nm至680 nm的範圍内，比如半導體雷射裝置或發光二極 體。該裝置可以是邊緣發光型或表面發光型。 一 ° 2. 相關習用技術說明： 雷射裝置或雷射二極體（LDs)是從（A1，Ga，ln)p村料系 統中製造出來的，能發射出波長在63〇nm至68〇11111的範圍内 的可見光，該雷射裝置或雷射二極體已經是越來越為重要 的高級產品元件以及消費性產品元件。例如，直覺上數位 影音光碟（DVD)系統使用635nm至650nm波長的LD，能傳送 高達3 0 m W輸出功率到高達6 0 °C的溫度。下一代半導體雷射 需要更大的最最大功率輸出’更高的操作溫度（比如7〇〇c) 〇 (Al，Ga ’ In)P系統是指具有一般配方（AixGa^l In p的 化合物家族，其中X與y是在0與1之間。該半導體系^先&優 點是，當銦的莫耳分率y等於0. 48時，對於GaAs基底來說 是晶格匹配的。 (A 1，G a，I n ) P雷射二極體的主要限制是，在最高特定 操作溫度下’不能做長時間的操作（或是夠低的臨f電 。一般相信’這是從裝置的.主動區流向周圍光學導光區以 及流入p型彼覆層的t 土 i漏電所引起的。 °° 要產生6 3 0nm至68 0nm光線的分立式局限雷射結構的典型
第5頁 4 54 2 34 五、發明說明（2) 結，將會參閱圖Ka)，1(b)與1(C)來做說明。 pp ΐ在（M ，Ga，In)P材料系統中製造的分立式局 二田冓的能帶示意結構。包括n型摻雜的（A1G.7Gau)〇.52 。.48 披覆區1 ，（AlD5Ga<)5)()52lnQ48P 光學導光區2，4 與 刑二5〜.5 °·52Ιη〇·48Ρ光學導光區内的GalnP主動區3，以及ρ 二:隹 ^j(Al0_7Ga。3)。52ιη。48p 披覆區5 β p 型接觸層〔圖 1(a) 曰+頌不j ί在P型坡覆層5上，而n型接觸層（圖中未顯示） ^ n ^ 復層1上。GaInP量子位阱主動區内Γ帶的電子 田二=¾:致雷射一極體的量子位胖主動區3發生雷射反應’ 因而產生光學傳輪。 而ί ί:ί Ζ的Γ帶與X帶是指布里勞因區内的對稱點， "而且疋固f物理中的標準術語，見RA_化丨讣所著的 ?1 con 二tors"，(由Cambridge University 在 1 9 7 8 年
At = 。 ^小值與X極小值分別是指：Γ帶與χ帶中的最低 月&階0 /·(2ι! 傳導帶中的最低能量是銘含量的函數。 Ί辰度丁’從Γ帶最小值到X帶最小值會連在 一起0 批ί ί f V、』的ΐ莫耳分率不需要是〇 ·7 ’假設已足夠提 圖、1 ( Μ顯' ΐ ^障值’來限定住光學導光區内的Γ電子。 日Λ A 1 Τ Ρ不而圖1 ( & )相類似的雷射結構，但彼覆層1與5 疋由AllnP而非（Aip„、 , 阻障值，來限定0.3)Q52lnfl.48P所構成，以便增加電壓 住光學導光區2與4内的Γ電子。 & x圖1 (b)的雷射結構中’主動區3是單一GaInP量
第6頁 454234_____ 五、發明說明（3) 子位阱層。該主動區可以包括二層或更多層的量子位拼 層，由阻障層分隔開1 圖1(c)是（A1 ，Ga，In)P雷射裝置的r傳導帶以及價電 子帶，其中主動區包括複數個量子位阱層。圖丨^)的實施 例中，主動區3包括三層GalnP量子位阱層，被阻障層3b分 隔開。構成阻障層3 b材料具有比形成量子位阱層3 a的材料 還高的 Γ 能帶，比如（AluGauh.uIhjP 或（AlG5Ga().5)0.52 Ιη0·48Ρ。圖1(c)的雷射中，阻障層3b是由（AluGa。」）。』 I no.48P所構成’與光學導光區2與4的材料相同。 半導體雷射的劣化已經是開發商用裝置的主要問題。
AlGaAs/GaAs雷射具有約0.85#m的雷射波長，在1970年代 開始被開發出來’但是早期的景射在使用後會很快劣化掉 ’結果使用壽限很短，而且不適合商業應用。花費相當長 的時間克服掉與這些雷射有關的嚴重劣化問題，但是能長 時間使用的A1 G a A s / G a A s雷射到現在才商業化》在Μ.
Fukuda的報舍中，"Reliability and Degradation of Semiconductor Lasers and LEDs" ， ISBN 0-89006-465-2 ，八168人5/63八5雷射的使用壽限高於10，000小時.，目前已 經商業化。 為了讓（A1，Ga，In)P雷射能成功的商業化’這些雷射 必須具有能與A 1G a A s / G a A s雷射相容的使用壽限° 現在，可見光區帶操作下的寬能隙磷化雷射’波長 '約 6 5 0 nm，會有嚴重的劣化問題。雖然低能磷化雷射胃的使\用@ 壽限約為1 0，0 0 0小時，可以滿足商業化目的’但是典裂·
第7頁 454234 五、發明說明（4) 高能磷化雷射的使用壽限約為5，〇 〇 〇小時，無法讓商業化 接，。此外，必須對進行雷射退火處理，以’便'得到這呰使 用壽限，而沒有經過退火處理的雷射會有报短的使用壽 限。 使用分子束蟲晶（MBE )製造雷射時，劣化問題尤其廒重 。目剞，利用MBE成長的攝化雷射結構必須做退火處理， 以改善其可靠度並降低雷射操作時的臨界值/彳嗖退火處 理能去除掉（或至少除掉）材料中的一些非輻射^復合中心 。然而，並不需要進行退火步驟。鋇是一種p型彼覆區中 常用的P型雜質，而且如果鋇摻雜雷射裝置被退火處理過 ,鋇旎從p型披覆區擴散到主動區。這種擴散作用會劣化 掉雷射裝置的性能，而且還會降低製程的良率。曰 填化雷射劣化的理由是主動區被氧所污染。含鋁磷化材 料很容易受到氧的污染’因為鋁與氧的反應性很高。氧會 加入非輪射性缺陷到主動區内，導致較高的雷射振盪臨界 值。 乳對於含紹的合金來說是一般的污染物，因為銘與含氧 物之間具有很高的反應性。長出AlGaAs/GaAs半導體結構 時’已知磊晶製程中的氧原子具有足夠的游動率，能遷移 動界面上’並在界面上被捕捉到。氧在GaAs與AlGaAs内形 成非輻射性中心，而氧的出現會降低A 1 GaAs/GaAs雷射的 性能以及可靠度。N. Chand等人在1賴2:年"J. Vac. Sci
Techno 1 · B" Vo 1. 10(2)， p 8 0 7的報告中指出，鋁莫耳分 率為0.3或更高的AlGaAs層，一般的氧原子密度至少為
第8頁
454234 五、發明說明（5) 1 017ciir3。相對的，GaAs中的氧濃度一般都太小而無法偵測 到。 N.Chand等人指出，氧很容易聚集在AlGaAs/GaAs界面上 ，導致該裝置的主動區内具有"氧尖峰π 。同時還指出，鋇 摻雜的披覆層比矽摻雜的披覆層，具有較高的氧濃度。 圖3(a)顯示圖1(c)雷射的氧濃度。圖3(b)重複雷射的帶 結構，讓氧濃度能很方便的關聯到裝置中的各薄層。 圖1(c)雷射主要是包括含鋁的（A1 ，Ga，Ιη)Ρ，讓背景 氧濃度約為1 017cnr3。長出該結構中，氧會遷移到四元素層 與Gal nP量子位阱層3a之間的界面上。導致每個界面區域 广 内的局部性較高氧濃度，或是"尖峰"。這些氧濃度尖峰會（ 增加主動區的氧濃度，因而在量子位阱主動區内形成非輻 射性陷阱。這些陷阱會讓雷射丨的性能以及可靠度變差，如 上所述。 圖4是在（Al ，Ga，In)P系統中所製造出傳統雷射結構的 氧濃度分佈。利用第二離子質譜儀（S I MS )量測氧濃度。圖 4是在不同掃速描率下的量測結果。 所量測到的樣品具有包含3層G a I η P量子位啡層的主動 區，其中Ga I nP量子位阱層是夾在（A 1。5Ga〇. 5 )〇 521 nfl 48Ρ阻障 層’（人1〇.5〇9>〇.5)().5211^〇.48卩導波層以及（人1。.7〇3。..3)().、52111〇.48?披覆 層之間。坡覆層與導波層都具用SIMS量測約1 017cnr3的氧濃「 度，比GalnP量子位阱層（不含銘）中的氧濃度1015cnr3還高 。因此阻障層與量子位拼層（類似於GaAlAs/GaAs)之間界 面上氧濃度會有尖銳的尖峰。SIMS儀器無法解析出這種尖
454234 五、發明說明（6) 峰特性’所以實際上圖4是跨越這三層量子位阱層的氧程 度迴旋結果。氧濃度中的單一尖峰是量測技術的外來圖像 (A 10.7G a0.5 )0· 層經量測後具 這個值高出很 測技術的外來 深度2. 6-2. 。氧濃度尖峰 構與基底之間 沒有將氧完全 已經有一些 射裝置。A. A 1 Letters" V ο 1 章中，提出一 射裝置。此雷 出此雷射具改 52111().48?彼覆層與（八1().5〇3。.5 )().52 1 11().48 ?光學導光 有約有1017cnr3的氧濃度。主動區的氧濃度比 多。（如上所述，圖4的單一氧濃度尖峰是量 圖像。） 的區域是GalnP層，具有較低的氧濃度 發生在深度度2 . 8 -3 . 0 y m的區域，是酹晶結 的界面，是因為在進行磊晶成長製程之前， 從基底中去除掉所造成。 嚐試要製造出具有不含鋁主動區的半導體雷 -Muhanna 等人已經在"A...p. p .1. i e d P h y s i c s .72， No. 6， Pages 64卜642 (1998)的文 種在具InGaAsP主動層之InGaAlP系統内的雷 射所發出之光其波長為7 3 0 nm。他們報告指 良之效率，並認為此乃不含鋁主動區所造成
Wade 等人在"八卩卩116(1?1173卜3 1^1;士6犷3"¥〇1.70，^1〇· 2， Pages 149-1 5 1 (1997)的文章中，提出會發出830 nm雷 射光的雷射，而且具有不含鋁的主動區。該裝置再一次使 用InGaAsP層當作主動層，並安置在inGaP光學導光區内。 Wade等人改善雷射的可靠度，因為使用不含鋁的主動區》 同時還指出，具有改良的COD(嚴重的光學鏡面損壞)功率
第10頁 454234 五、發明說明（7) 密度程度。 然而，使用I nGaAsP主動層的方法不能用來得到發出波 長6 3 0 nm至6 8 0 nm雷射光的雷射裝置，因為inGaAsP的能隙 太小，無法產生該波長範圍内的光線。所有的I I I -V族半 導體都是這種情形（除了氣化物雷射以外）。 專利公報中ΕΡ-Α- 0 4 76 68 9的專利，揭示出一種發出波 長6 3 0 nm至6 80 nm雷射光的雷射裝置，其中主動區是由受應 變的AlGalnP層所構成。阻障層是在拉伸應變下，而量子 位阱層是在壓蹲應變下，不同的應變會在阻障層與量子位 阱層中引發不同的能帶結構。該文章還建議，相類似的 法可以用在受應變的G a I η P層主動區，雖然沒有鋁而合辦 加雷射的發光波長。 s曰 ΕΡ-Α-0 4 76 689所建議的雷射具有A1GaInP波導， 到主動區。氧污染會在波導中發生，因為包含有鋁， 主動區與波導之間的界面上會有氧濃度的尖峰發生。且 US-A-5 331 656揭示出一種GaInP雷射，可以發 550至590 ^ m範圍的雷射光。主動區包括量子位所邀 九長 ’都是用/¾ #雜的G a I η P構成。然而，用氮做摻雜·^ Ρ早層 上很難達到。此外，摻雜少量的氮不會大幅改變合實際 成’因此不會造成很大的應變，而用氮做重摻雜^合的級 降低能隙大小。 ^ ^'大鴨 具有里子位拼與阻障層為相反應變狀態下之主動^ 射，也在US-A 5 903 587，JP-A-11 145 549，與^。的雷
5 841 1.52中揭示出來。然而，這些文章都與發出、、由A 吸長
454234 五、發明說明（8) 630nm至680 nm雷射光的（A1，GA，In)P雷射無關。JP-11 145 549揭示出一種MQW雷射，其中量子位阱層與阻丈 層都是InGaAsP層。US-A- 5 9 03 5 8 7的雷射會發出0.98至 1.02 範圍的雷射光，並具有包含GaAsP阻障層與GalnAs 量子位阱的主動區。US-A-5 841 852揭示出一種發出1‘. 3 雷射光的1射，其中阻障層是InGaAsP，量子位阱是 I n G a A s ° 發明摘要 本發明的第一目的在於提供一種半導體裝置，具有不含 鋁的主動區，該主動區包括一個或多個量子位阱層，以及^ 一個或多個阻障層，該量子位阱層與阻障層是交錯安置； 其中該阻障層為一緊拉層；且其中該裝置進一步包括第一 彼覆層與不含鋁層，該不含鋁層是在第一彼覆層以及接近 第一披覆層的量子位拼層之間。 "不含鋁層"在此是指不用鋁來當作所需成份的薄層。 對半導體材料層施加應變，是會增加該材料的能隙大小 。利用受應變的薄層當作阻障層，可以提供具有必要Γ能 帶的阻障層，以便對相鄰量子位阱層間的Γ電子傳輸提供 有效的阻障作用，而不需加入鋁到阻障層中。因此本發明 可以製造出具有不含鋁主動層的裝置。 此外，氧很容易在成長製程中聚集在第一彼覆層的界面（ 上，導致高含氧濃度區。第一彼覆層以及最接近第一披覆 層的量子位阱層之間的不含鋁層，會間隔開主動層與高含 氧濃度區，並降低高含氧濃度區對裝置操作特性的影響。
第12頁 454234 五、發明說明（9) 本發明之第二目的，在於提供一種半導體裝置，具有不 含鋁的主動區，該主動區包括一個或多個量子位阱層，以 及一個或多個阻障層，該量子位阱層與阻礙層是交錯安置 ;其中該阻障層為一緊拉層；且其中該裝置使用時其放射 燈之波長範圍在6 3 0至6 80nm之間。 如上所述，使用受應變層當作阻障層可以避免加入鋁到 阻障層中。因此本發明可以製造出具有不含鋁主動層的裝 置，而且能發出可見光範圍中波長6 3 0 nm至6 8 0 nm的雷射光 。例如，避免加入鋁到雷射裝置的阻障層中，讓該裝置因 主動區受氧污染而產生的劣化會降低，同時該裝置的使用 壽限可以因此而延長。 依據本發明第二特點的裝置可以進一步包括：第一披覆 層；以及不含鋁間隔層，安置在第一披覆層以及最接近第 一披覆層的量子位拼層之間。 依據本發明第一特點的裝置在使用時可以發出波長 630nm至680nm的雷射光。 依據本發明另一特點的裝置在使用時可以發出波長 635nm至650nm的雷射光。 每個阻障層都可以是拉伸應變層。 每個阻障層與每個量子位阱層之間的晶格不匹配會很小 。增加阻障層的臨界厚度。 每個量子位阱層與披覆層是晶格匹配的。另外，每個量 子位阱層可以是受壓應變層。利用受壓應變層當作量子位 阱層，而拉伸應變層當作阻障層，而讓裝置具有應變補償
第13頁 454234 五、發明說明（ίο) 主動區。 每個阻障層都包括銦。加入銦到阻障層中，降低阻障層 的臨界厚度。 不含鋁層可以是應變層。 該裝置是在（A 1 ，Ga，I η )P材料系統中製造出來的。例 如提供一種發射出波長在630-680nm範圍雷射光的裝置， 並具有不含鋁主動層。 每個主動層都可以是GaxIni_xP層，而每個阻障層都可以 是Gayln^yP層，其中y>x。例如，每個主動層都可以是 GaQ.52I nfl.48P層，而每個阻障層都可以是GaQ.611 nQ.39P層，或 j 者，每個主動層都可以是Gafl.52Infl.48P層，而每個阻障層都 可以是G aQ. 71 I η〇. 29P 層。G a〇. 611 nQ. 39P 與 GaQ. 711 n〇. 29P 的拉伸應變 層分別具有約與（八1〇.3〇3().7)().52111().48?以及（八1。.563^.5)().52111().48? 相同的能隙，所以能用來取代這些材料，而不會對能隙分 佈有很大的影響。 另外，每個主動層都可以是Gam Irio.^P層。這些材料具 有比G a A s逛小的晶格常數，所以會在與G a A s成晶格匹配的 薄層上成長時，形成意展應變層。 該裝置可以是雷射裝置。另外，該裝置可以是發光二極 體。 圖式的簡單說明 現在將利用解說性的實例，參閱相關圖式，說明本發明 的較佳實施例。 圖1(a)是傳統（A1 ，Ga，In)P雷射裝置的能帶示意圖；
第14頁 4 54 2 34 五、發明說明（11) 圖1(b)是另一傳統（A1 ，Ga，In)P雷射裝置的能帶示意 圖； 圖1(c)是傳統（A1 ，Ga，In)P雷射裝置的能帶示意圖， 其中的主動區包括複數個量子位胖層； 圖2是Ga I nP能帶當作是I η濃度函數的分佈圖； 圖3(a)與圖3(b)是圖1(c)雷射的傳導帶與價電子帶，以 及該結夠中的氧濃度； 圖4是傳統AlGalnP/GalnP雷射結構的氧濃度分佈圖； 圖5 (a )是依據本發明實施例的雷射裝置能帶圖； 圖5(b)是圖5(a)雷射裝置的氧濃度分佈圖； . 圖6 (a )是依據本發明第二實施例的雷射裝置能帶示意 ' 圖， 圖6(b)是圖6(a)雷射裝置的氧濃度分佈圖； 圖7是未摻雜GalnP的氧濃度分佈圖； 圖8是鋇摻雜（八1〇.763 1).3 )().52 1 11 ().48的氧濃度分佈圖。 較佳實施例的詳細說明 圖5(a)是依據本發明發光範圍在波長630-680nm之雷射 裝置的Γ傳導帶（上部曲線）與價電子帶（VB )(下部曲線）。 如上述習用技術中的雷射裝置，該雷射裝置具有η型披覆 區11 ，光學導光區12與14，在光學導光區内的主動區13 ， 以及Ρ型彼覆區15。在圖5(a)的實施例中，本發明的雷射 （: 裝置是在（A1 ，Ga，Ιη)Ρ材料系統中製造出來的。η型彼覆 區11與Ρ型披覆區15是由（A 1〇 I nfl.48P所構成，光學 導光區12與14是由（AlD.5GaQ.5)fl.52InQ.48P所構成，使得彼覆層
第15頁 454234 五、發明說明（12) 與光學導光區能晶格匹配到G a A s結構（未顯示於圖5 ( a )中） 〇 主動區13包括複數個量子位阱層133，被阻障層13b分隔 開。與圖1 ( c)習用技術的雷射裝置做比較，量子位阱層 1 3a與阻障層1 3b都是Gaxini xP所構成。阻障層與量子位阱 層都不含A 1 ’所以大幅降低主動層的氧濃度。既然主動區 不包括任何含紹合金，所以主動區内的氧雜質濃度希望能 低於1 016cm—3。
GaP是非直接型半導體，Γ - Γ與Γ _χ能隙分別為2. 9eV 與2.3eV。晶格常數是5.451A »InP是直接型半導體，Γ-Γ，Γ - X能隙分別為1 . 4ev與2. 3eV。晶格常數是5. 85 Α。 隨著G ax I η卜x P中銦？辰度的增加’ g、I r^_xp也會增加。 Ga〇.52In〇.48P的晶格常數是5_ 6 5 3 A ，所以能晶格匹配到GaAs 二隨著GaxI η^Ρ中銦莫耳分率的增加，其能隙會降低。圖2 是GaxIn^xP能隙對其組成的關係。顯示出在77Κ下從電反射 (實心圓圈）’波長調變反射（空心圓圈），以及吸收量測 (二角形）中所得的實驗數值。（藍道爾—柏恩思坦，卷i 7， 斯普林傑-韋拉格） 施加拉伸力或擠壓力到GaP與GaInp層，會改變該材料預 期的本體材料能隙數值大小。相對MGaAs，薄的Gap層具 有3.7%的不匹配率。如果GaP層是在GaAs上形成，或是在 與GaAs會晶格匹配的薄層上形成，則是處在拉伸應變的狀 態。这種拉伸應變會從本體GaAs能隙降低o.HdeV的 能隙，得到約2. 7 56eV的Γ _ Γ能隙。拉伸應變也會輕微的
第一 454234 五、發明說明（13) 增加Γ - X能隙到約2. 30eV。 因此可以看出來，Gax In^P層中銦莫耳分率的變化會改 變該層的能隙大小。所以，可以適當的選取銦莫耳分率， 而用約具相同能隙的GaJn^P應變層，來取代含鋁合金層 。例如，拉伸應變G a P層的Γ - Γ與Γ - X能隙很類似於 A 1 I nP的能隙。另一實例是，Ga I nP材料的鎵莫耳分率在 0.53至0.75的範圍内（亦即銦莫耳分率是在0.47至0.25的 範圍内），其能隙等於（八1;^&1_5{)。.52111。.48?，0.1<乂<0.5。 在圖5 ( a )實施例中，量子位阱層1 3 a是由G aQ. 521 n〇. 48 P所構 成，這些層歐是晶格匹配到彼覆層1 1與1 5，以及光學導光 層1 2與1 4。該材料的Γ - Γ能隙約為2 . 0 e V。 圖5 (a )的阻障層1 3 b由G afl 611 n〇 39 P所構成。晶格常數為 5.617A，且相對於Gao.^InmP主動層13a的晶格不匹配值 約為0 . 6 %。一般’具有這種晶格不匹.配的二種材料’其間 的界面會有晶格錯位發生。在此是不希望有這種情形發 生，因為這種晶格錯位會讓雷射裝置的性能變差。 已知如果底層與長長磊晶層之間的晶格不匹配夠小的話 ，遙晶層的第一原子層將會有應變，而晶格匹配到_底層的 晶格常數，形成一致性的界面。然而，隨著成長磊晶層厚 度的增加，均勻應變能量也會增加，直到較會發生不匹配 晶格錯位的臨界厚度為止。這種臨界厚度首先由J . H . V a η der Merwe 在"Journal of Applied Physics" Vo 1. 34， p 1 2 3 ( 1 9 6 2 )中提出。本發明的阻障層並不是晶格匹配到量 子位阱層，而阻障層的厚度最好是小於臨界厚度，以避免
第17頁 ^54234 __ 五、發明說明（14) 發生晶格錯位。此時，阻障層是在受應變的狀態下。 當Ga〇.61Infl.39P層在晶格匹配到GaAs的Gao.wIno.uP層上成長 時，阻撞層是在拉伸應變狀態，因為其晶隔常數小於量子 位解的晶格常數。 對於0 _ 6 %的晶格不匹配值，會發生錯位的臨界厚度預 估為 90A ’ 見 R.people 等人的文章，"Applied Physics
Letters" V〇i 74 ’ N〇. 3 pages 322-324 (1985)。因此 ’在應變Gaui I h 39P層當作阻障層的地方，如圖5 (a)所示 ’每個阻障層的厚度最好是9 0 A或更小。
當作圖5(a)雷射裝置中阻障層13b的應變GaQ 6iInQ 39p層， 具有與（A1D JaQ 7)。52ln。48p層相同的厚度。所以，在圖丨（c) 雷射=所使用的（A1。3GaQ 7)。52ln。48p阻障層3b，可以用圖 5(a)雷射裳置的拉伸應變GaQ 6iInQ 3gP阻障層13b所取代。產 生不含鋁的主動區。 ^發明並不限定使用GaG 611 n〇.39P當作應變阻障層1 3b。如 ，量子位畔是用Gafl 52ΐηα 48p，則阻障層13b可以用鎵莫耳分 率約0.53至0.75的GalnP應變層。組成在該範圍内的拉伸 應變阻，層，其能隙比晶格匹配的GaQ 52ln。48p能隙還大， 以產生量子位阱。（如上所述，Ga丨nP材料的鎵莫耳分率約
為0.53至0.75 ’具有與（a lxGai-Jo.Hl nQ 48p相同的能隙’其 中 0. 1<x<〇. 5。 例如’ Gafl_71lnQ 29p應變層的Γ _ Γ能隙約2. 3eV，大約與 (Alfl.5GaQ.5)Q 52ln〇 48p 的能隙相同。因此，Ga。7iIn。29p 應變層 可以用來取代圖WO雷射中的（Alfl.5GaG.5)Q 52ιη。48p阻障層，
第18頁 414234_ 五、發明說明（15) 且能產生不含鋁的主動區，而不需大幅改變主動區的能隙 分佈。Gao.^In^gP具有5. 5 7 7 A的晶格常數，其中 GaQ.711 nQ.29P層是在能與GaAs晶格匹配的薄層上成長的，厚 度約4 2 A。所以，為了避免形成晶格錯位，阻障層1 3 b的 厚度最好是小於4 2 A。 如上所述，本發明的雷射會發出6 3 0 - 6 8 0 nm波長範圍的 雷射光。對於量子位阱層1 3a的固定鎵/銦比率來說，主動 區能隙以'及雷射的發光波長都可以藉改變量子位阱層的厚 度來做調節，因而改變主動區1 3的整體厚度。所以藉改變 · 量子位阱層的厚度，可以將本發明雷射的發光波長調節到 630-680nm波長範圍内所選取的波長，尤其是到630-650nm 波長範圍。例如，為了得到發光波長6 5 0 n m，圖5 ( a)實施 例中的G a0.521 nQ 48P量子位阱層1 3a的厚度必須約為1 0nm。另 一實例，圖6 ( a)的實施例中的量子位阱層厚度必須約為 6 0 n m，以得到6 5 0 m的發光波長。 如果需要厚的阻障層，必需使用幾乎晶格匹配到主動區 的Ga I nP層，讓臨界厚度變大。對於Ga〇 521 nQ 48P主動區，使 用GaQ.55InQ.45P的拉伸應變層會提供約3 0 0 A的臨界厚度給阻 障層。該材料的拉伸應變層具有約2. 7 5 e V的Γ - Γ能隙。 雖然圖5 ( a)的主動區1 3不含鋁，而且具有很低的氧濃度 ，但是無可避免的，光學導光區12與主動區13之間的界面（ 中會有很高的氧濃度。這是因為氧在成長製程中，很容易 聚集在界面中，如上所述。 為了極小化氧濃度尖峰對雷射性能的影響，最好是在主
第19頁 454234 五、發明說明（16) 動區η側上最外層的量子位拼層以及光學導光區的η側部分 1 2之間，提供一種不含鋁的間隔層。圖5 ( a )的雷射裝置具 有不含鋁的間隔層1 3 c。在圖5 ( a)的實施例中，不含鋁的 間隔層是由GaQ.61Infl.39P所構成，而且該層是在拉伸應變下 。該間隔層並不限定要用Gao.wInugP，而可以是GayInwP ，其中0.5SyS0.65。也可以在主動區p側上最外層的量 子位阱層以及光學導光區的p側部分1 4之間，提供第二不 含銘的間隔層1 3 d。 圖5(a)雷射裝置的量子位阱層13a正常是沒有應變的， 因為是晶隔匹配到基底上。然而，有可能利用拉伸應變的 阻障層1 3 b，將應變加到量子位阱層内，進而在主動區内 產生淨應變。雖然有時會需要受應變的主動區，例如要降 低臨界電流，但是可以避免用某材料製造出相對於彼覆層 與光學導光層是受擠壓應變的量子位阱層，而在主動動區 内建立大量的應變。為了將擠壓應變加入鎵莫耳分率為 0.52的量子位阱層中，而且讓量子位阱層的晶格常數大於 GaAs的晶格常數。 圖6 (a)顯示出本發明雷射裝置的實施例，其中量子位阱 層1 3 a是擠壓應變層，而阻障層是拉伸應變層。在該實施 例中，_基底（未顯示）又是GaAs，量子位啡層13a是Ga〇.43 I n〇 57P層，而阻障層是G a〇. 61 I n〇 39P。在該實施例中，產生沒 有淨應變的應變補償主動區。T . K a t s u y a m a等人已經在 "Electronics Letters" V 01 26， No. 17， pages 1375-1377 (1990)的文章中建議過，利用應變補償主動
第20頁 454234 五、發明說明（17) 區會降低雷射裝置的臨界值。 圖6(b)顯示出圖6(a)雷射的氧濃度。可以又再次看到， 主動區的氧濃度非常低，約1016cnr3。雖然光學導光區12界 面上的氧分佈中會有"尖峰"，但是該尖峰對雷射性能的影 響又再次用不含鋁的間隔層1 3 c與1 3 d而被極小化，如圖 5 ( a )的實施例。 圖7是未摻雜GalnP的氧濃度分佈，是利用第二離子質譜 儀（S I MS )所量測到的。這顯示，該材料的氧濃度是在量測 裝置的偵測極限中或之下（約lxl016cnr3)。 未摻雜G a I η P的氧濃度約為1 015 c πτ3。（低於約0 . 1 # m深度^ 的氧濃度尖峰部分是由於樣品表面氧污染，部分是由於 SIMS儀器"被設定到"蝕刻中。） 相對的，AlGalnP的氧濃度顯示於圖8中。這顯示，包括 厚度l#m的AlGalnP層，GalnP層以及基底的樣品，其氧濃 度的分佈圖。延伸到深度約1 // m的A 1 G a I η P層具有約1 X 1017cnr3的氧濃度。延伸到約1至1. 6 深度的GalnP層氧濃 度如圖7所示，是在積測儀器的横側極限（1 X 1 〇16 cm-3 )之 下。（深度約1 . 6 # m 至1. 8 // m 的氧濃度尖峰是在磊晶層 與基底之間的界面上，而且是因為沒有在磊晶成長製程之 前，將氧完全的從基底表面上去除掉所引起的。） 圖8是二個等效A 1 Ga I nP樣品的S I MS結果。這些樣品是相： 隔許多年成長出來的，而且可以看出來，氧雜質濃度不是 會隨時間而改變的函數。 本發明已經參閱上述的雷射裝置做過說明。然而，本發
第21頁 454234 五、發明說明（18) 明並不限定使用雷射裝置，而是可以應用到其它的半導體 裝置，比如發光二極體。 ill· 第22頁

Claims (1)

  1. ;號 89115862 年 月 曰 修正才1. 包括 子位 第一 層與 2. 體裝 線。 3. 體裝 線。 4. 體裝 5. 體裝 很小 6. 體裝 7. 體裝8. 體裝 9. 一種具 一個或 有不含鋁主 多個量子位 及阻障層是 阻障層是應 阱層以 其中該 披覆層以及不含鋁 最靠近該第一彼覆 如申請 置，可 專利範圍中 以用來發射 如申請 置，可 如申請 置，其 如申請 置，其 〇 如申請 置，其 如申請 置，其 如申請 置，其 如申請 專利範圍中 以用來發射 專利範圍中 中該阻障層 專利範圍中 中該阻障層 專利範圍中 中該量子位 專利範圍中 中該量子位 專利範圍中 中該阻障層 專利範圍中 動區的半導體裝置，其中該主動區 阱層以及一個或多個阻障層，該量 交錯安置的； 變層；以及其中該裝置進一步包括 層，該不含銘層是安置在第一彼覆 層的量子位味層之間。 第1項之具有不含鋁主動區的半導 出波長在630至680nm範圍内的光 第1項之具有不含鋁主動區的半導 出波長在635至650nm範圍内的光 第1項之具有不含鋁主動區的半導 是拉伸應變層® 第1項之具有不含鋁主動區的半導 與量子位阱層之間的該晶格不匹配 第1項之具有不含鋁主動區的半導 阱層是晶格匹配到第一披覆層。 第1項之具有不含鋁主動區的半導 阱層是擠壓應變層。 第1項之具有不含鋁主動區的半導 包含有銦。 第1項之具有不含鋁主動區的半導
    ililw O:\65\65750.ptc 第1頁 2001.07. 02. 024 454234 案號89115862_年月日__ 六、申請專利範圍 體裝置，是從（A1 ，Ga，In)P材料系統中所製造出來的。 1 0.如申請專利範圍中第9項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該量子位阱層是GaxI 層，而阻障層是G a y I nwP 層’其中 y >x。 11.如申請專利範圍中第9項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該主動層是 ◦3·0.52ΐη〇.48Ρ 層’而阻 P早層疋 Ga〇.61In〇.39P 層。 1 2.如申請專利範圍中第9項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該主動層是Ga〇 52In〇.48P層，而阻障層是Ga〇.7i I n〇. 29 P 層。 1 3.如申請專利範圍中第9項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該主動層是〇&().43 1 11().57 ?層。 1 4.如申請專利範圍中第1項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該裝置是雷射。 1 5.如申請專利範圍中第1項之具有不含鋁主動區的半導 體裝置，其中該裝置是發光二極體。 1 6. —種具有不含鋁主動區的半導體裝置，其中該主動 區包括一個或多個量子位阱層以及一個或多個阻障層，該 量子位阱層以及阻障層是交錯安置的； 其中該阻障層是應變層；以及其中該裝置在使用時， 可以發射出波長在6 3 0至6 8 0 n m範圍内的光線。 1 7.如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，進一步包括： 第一披覆層；以及
    O:\65\65750.ptc 第2頁 2001.06.29.025 4 2 3 4 案號 89115862_年月日__ 六、申請專利範圍 不含鋁層，安置在第一披覆層與最靠近該第一披覆層 的量子位味層之間。 1 8.如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，在使用時可以發射出波長在6 3 5至6 5 0 nm範圍内 的光線。 1 9 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該阻障層是拉伸應變層。 2 0 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該阻障層與量子位阱層之間的該晶格不匹 配很小。 2 1 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該量子位阱層是晶格匹配到第一披覆層。 2 2 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該量子位阱層是擠壓應變層。 2 3.如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該阻障層包含有銦。 2 4.如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該不含鋁層是應變層。 2 5.如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，是從（A 1，G a，I n ) P材料系統中所製造出來 的0 2 6 .如申請專利範圍中第2 5項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該量子位阱層是GaJn^P層，而阻障層是 Gay I ni_yP 層，其中 y> X。
    O:\65\65750.ptc 第3頁 2001.06. 29. 026 454234 _案號89115862_年月日__ 六、申請專利範圍 2 7.如申請專利範圍中第2 5項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該主動層是Gao^In。48P層，而阻障層是Ga0 61 I n0. 39 P 層。 2 8 .如申請專利範圍中第2 5項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該主動層是68〇.52 1 11().48 ?層，而阻障層是680 71 ϊ n0_ 29 P 層。 2 9 .如申請專利範圍中第2 5項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該主動層是Ga^Ino.^P層。 . 3 0 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該裝置是雷射。 3 1 .如申請專利範圍中第1 6項之具有不含鋁主動區的半 導體裝置，其中該裝置是發光二極體。
    O:\65\65750.ptc 第4頁 2001.06.29.027
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