TW494583B - Nitride based semiconductor device and method of forming the same - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 【發明背景】 本發明係關於 於一種包含有氮化 命週期之半導體雷 通常應用在發 通位錯的現象。基 體裝置的層狀結構 有报大的不同點。 之活化層在組成與 體之活化層在組成 光效率會下降，並 然而在氮化物半導 缺陷。載體會被缺 缺陷中。因此形成 個問題，以便將載 中。如果將載體定 捕獲，且無發光現 射二極體與其它半 為非均勻組成。 一種半導體裝置及 I豕基之活化層氮化 射二極體，及其製 光裝置中的氮化物 於這個原因，所以 而言，其設計概念 一般較好的狀況是 能量頻帶隙中為均 與能量頻帶隙中並 造成非所望之多重 體雷射二極體中， 陷所捕獲，且無發 活化層電位的水平 體定位在電位波動 位在電位波谷中， 象不會出現在缺陷 導體裝置不同，較 其製造方法，尤有關 鍊基且具有改善之生 造方法。 半導體層會有許多貫 針對氮化物基底半導 會與其他半導體裝置 ’半導體雷射二極體 勻一致的。如果半導 非均勻一致的，則發 波長雷射輻射現象。 活化層部分卻有許多 光現象可能會出現在 波動即可有效避免這 所提供的電位波谷 則其不可能被缺陷所 中。氮化物半導體雷 佳之情況為其活化層 通常，氮化鎵基之半導體裝置之活化層係由很難在無 結晶形狀態中成長的InAlGaN所製成，其中在InN、與GaN 或A1N間可能會出現相分離現象。基於這個原因，所以 I n A1G a N活化層的銦組成並非均勻一致的。而這種相分離 現象係自然形成的，並在活化層中形成水平電位波動，藉

第5頁 494583 五、發明說明（2) 此抑制載體中的無發光爯姓入^ ^ 降低臨限電壓。 再。合效應，進而改善發光效率並 上述=術内容係揭示於日本公開專利公報第 10一 1 2969號中。/以下亦將針對該日本公開專利八報進行解 說。InGaN不僅很難在無結晶形狀態中成長，且L斑_ 間具有高傾向的相分離趨勢。量子井 二 不均性，會造成頻帶隙4量 有高電位能量。然後二=銦組成區域則具 从古如知# π坡士與疋位在具有低電位能量 的同钔、、且成區或中，猎此形成所定位的激子。而位之 激子會降低雷射二極體的臨限值並增加輸出。 以下類似的技術内容亦揭示於1 997年々叩1 “d

Ph=icS Letter，νο1·71，刊物第 2346 頁上。 的緣故，使得InGaN很難在無結晶形狀態中成長。、而 == 成則會在InGaN量子井層中波動。至於量子碟或量子點則 會限制激子的運動，藉此抑制無發光再結合效應。爯、 動對於抑制無發光再結合效應；改善發光 以下類似的技術内容亦揭示於1 997年人卯丨 Physics Utter，vol. 70，刊物第 983 頁上。以橫 輸電子顯微鏡照片為基礎’進行InGaN量子井結構？= 組成波動的觀察。合外物之定位可抑制無發光的 此讓InGaN基底雷射二極體具有高量子效率。 工 曰 當半導體雷射二極體具有InGaN量子井層的情況時，

五、發明說明（3)

與GaN的相分離現象。此相分離 能夠改善發光效率、臨限值與雷

在InGaN層中可能會有InN 現象所導致的銦組成波動 射輸出。 活4匕層中之你ϊ心丄、人 動或不均自，藉此；：上；成活化層中之能量頻帶隙的波 ^ ^ ^ ^ η 之夕重波長雷射輻射，並因注入電流 而使传杳先波長分佈產生變化。 11 3二了80避上上4述問題，在曰本公開專利公報第 『340580就中揭示如何有效地使活化層 9 牵 j^S /t 〇 /一旦 y 6之組成則是利用發光峰部波長分佈來進 的恭丄將組成之均勻性抑制在士〇·03以内，以便讓 二=i X光峰部波長分佈不要超過l5〇 fflev，進而抑制 多重波長雷射輕射。 a ”划& I $對於改善氮化物基底半導體雷射二極體之生 印=的要求逐漸增加。如果將氮化物基底半導體雷射二 影像磁碟等下一世代的光學儲存裝置之光 源守，則八生〒週期至少必須要有5 0 0 0個小時以上，其中 的^命週期是以70 °c、30mW條件下的Apc檢測方式來進行 測量。

於 1 9 99 年刊物 Physica Status s〇Udi

第1 5頁中冒揭示，對於改善雷射二極體之生命水 降低基板的位錯密度是很有效的方法。該雷射二^來說 用已降低位錯密度之基板，與A1GaN/GaN調制^參—極體中' 層。如果在室溫、2mW之條件下實行APC檢測的話"包覆 得不小於1 0 0 0 0個小時的生命週期。如果在6〇 α ’則可 Λ 3〇mW>

第7頁 494583 五、發明說明（4) 條件下實行APC檢測的話，則獲得的生命週期僅有4〇〇個小 時。故此習用之雷射二極體並不符合上述的要求。 近來發展的『琢面開始磊晶橫向成長』方法已揭示於 1 99 9 年Applied Sysics’ v〇l. 68-7 刊物第 774一779 頁中。 此方法能夠有效地讓GaN基板的位錯密度大幅降低。圖i為 -種習用氮化鎵基之半導體雷射二極體之橫剖面圖，其中 ΠΊ板具有低表面位錯密度，並利用琢面開始磊晶 =^成長製備而成。η型包覆層丨〇2係設置在11_(；』基板丨〇】

二二上X ’lot 覆層1〇2所含之石夕摻雜nMA1°_lGa°.9N 層二有4x 10 cm3的矽不純度為與12微米 型^限制層1〇3係設置如型包覆層1〇2的頂面上，盆“ ί=1層103所含之矽摻雜n型GaN層具有4χ，⑽-3的 ΪΓΛ: 的厚度。再者，多重量子井層104係設 二型光學限制層103的頂面上，其 包含兩個厚度為4奈米的z Ga w , 开 X l〇18cm-3且厚度為井層，與矽不純度為5 声。此外，摻雜1η。'。5%.』電位障壁 ί中iU係設置在多重量子井層104的頂面上， 限制#1曰06係3有鎂摻雜之口型^如^層。又，Ρ型光學 限制層1 0 6係設置在罩屛〗n R P 土 70子 層106所含之鎂狹ί 的頂面上，其中P型光學限制 制層1〇6的頂面上，Ρ 31:7係設置在Ρ型光學限 八1一。^層具有2><^ ^層10，含之鎂摻約型 度。另外，ρ型接觸二二!^、純度與〇.5微米的厚 係叹置在Ρ型包覆層1 0 7的頂面

494583 五、發明說明（5) 二，其中P型接觸層108所含之鎮摻雜, cor:鎂不純度與〇」微米的厚度。而那些層i〇2、x T、104、105、106、107與108乃是在2 0 0 hpa的磨力 ::，壓金屬有機氣相遙晶法所形成。對於作為 勺虱瑕刀，其壓力維持在147 hpa。此的 f源材料。X以TMA作為A1的來源材料。並以= : 來源材料。除了 I nGaN多重量子井活彳b @彳n4 、 、 ς，蚪間的成長溫度維持在105〇1。至於仏⑽多重量 一 /舌化層104成長時，其成長溫度則維持在78()tt 钕刻製程’以便選擇性地钱刻？型包覆層1〇7盘p 土接觸層108 ’進而形成臺地結構1〇9。而二氧化矽削 =形成在臺地結構丨09與ρ型接觸層1〇8之頂面上。並利用 曝，技術的運用而從臺地構造1〇9的頂面上選擇性地去除 7氧化矽膜1 1 0，藉此不僅顯示出ρ型接觸層丨〇8的頂面了 $形成隆起部結構。此外，n型電極U1係形成在基板ι〇ι 白、底面上，其中η型電極！ i 1包含鈦層與鋁層的疊片結構。 而P型電極1 12則係形成在p型接觸層1〇8的頂面上，其中p =電極112包含鎳層與黃金層的疊片結構。接著將上述的 結構切開，以便形成第一與第二琢面。然後在第一琢面上 =佈二層反射率為95%的高反射塗佈，其中高反射塗佈包 含二氧化鈦膜與二氧化矽膜的疊片結構。 、 所獲得的臨限電流密度為3· 7kA/cm2，而臨限電壓則 為4.7V。在7〇c、3〇 mey的條件下實行雷射二極體的Ape 檢查。平均生命週期為2 0 0個小時。

而在丫 u c ύυ mev的條件下實行雷 μ is的APC檢 極體並不符合生命週 查，習用之氮化物基底半導體雷 期不小於5 0 0 0小時的要求。 由於上述的環境，因此需要 穎性氮化物基底半導體裝置。 心不曰肓上述問碭的噺 發明概述 因此，本發明之一目 穎性氮化物基底半導體裝 的乃是提供無上述問題的一種新 置。

本發明更進一步之目的乃是提供一種具有高發光效> 之新穎性氮化物基底半導體雷射二極體。 本發明又進一步之一目的乃是提供形成無上述問題^ 新穎性氮化物基底半導體裝置的一種新穎性方法。 本發明又一之目的乃是提供形成能於高溫與高輸出之 條件下改善生命週期之新穎性氮化物基底半導體雷射二極 體的一種新穎性方法。

t 本發明另一之目的乃是提供形成具有高發光效率之新 穎性氮化物基底半導體雷射二極體的一種新穎性方法。 本發明第一實施樣態的半導體裝置包含：由一氮化鎵 基之材料製成的一基底層；延伸形成於該基底層上的一包 覆層；延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層包

第10頁 494583 五、發明說明（7) 、 含至少一 InxAlyGanyN製成的一發光層（0<x<1 〇 · 2 )，其中，在該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏 差Δχ不超過0.067。 本發明第二實施樣態的半導體裝置包含··由一氮化鎵 基之材料製成的一基底層；延伸形成於該基底層上的一包 覆層；延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層包 含至少一 I nx A ly Ν製成的一發光層（〇<x<l，Ogy$ Ο · 2 ) ’其中’在該發光層之該發光層之一頻帶隙能量的該 ^放觀波動標準偏差σ不超過4 〇 m e V。 本發明第三實施樣態的半導體裝置包含：由一氮化鎵 基之材料製成的一基底層；延伸形成於該基底層上的一包 ^層ι’延伸开》成於該包覆層上的一活化層，且該活化層包 合至少一InxAlyGai、x_yN製成的一發光層（0<χ<1，〇 $ Ο . 2 )，盆中，兮、、不儿a ^ T 及/舌化層之一微分增益『dg/dn』滿足dg/dn -1· 〇 X 10，（m2)。 本發明之上述與其他目的、特性及優點將可由以下的 描述更加清楚。 【發明之揭示内容】

在本專利說明查Φ r A Λ0 V, # 曰中，『銦組成的波動』一詞表示在銦 組成，精由空間分配邮μ丄 ^ Jr ^ , ^ t _所占有、與位置有關的波動，即相當 一 q矣-+ ^彿有關的變化。而『頻帶隙能量的波動』 Η表不在頻帶（¾、紈旦 關的波動，即相當，藉由空間分配所占有、與位置有 田、在頻帶隙能量與位置有關的變化。至

494583 五、發明說明（8) -----

於『微觀波動』> 一詞表示，在次微米或小於丨微米規模之 更小規模所定義的微觀空間中，與位置有關的波動。另外 『巨觀波動』一詞表示，在}微米或更大規模所定義的巨 觀空間中，與位置有關的波動。『巨觀波動』係利用直徑 不小於1微米束點的微發光量測方法來進行測量。但『微 觀波動』部很難利用直徑不小於丨微米束點的微發光量測 方法來進行測量。此外，詞彙『發光層』與『發光層』表 示包含在活化層内並允許互換位置的層，進而產生確定的 增显。假使活化層包含一量子井構造，則一或多量子井層 即相當於發光層。假使活化層具有一多重量子井構造，則 該波動即表示位在所有量子井層中的波動。假使活化層沒 有量子井構造，則活化層通常就相當於發光層。 本發明第一實施樣態的半導體裝置，包含：由一氮化 鎵基之材料製成的一基底層；延伸形成於該基底層上的一 包覆層；延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層 包含至少一IrixAlyGa^yN製成的一發光層（〇<x<1，〇 $ 〇 · 2 )，其中，在該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏 差Δχ不超過〇. 〇67。

較佳之情況為，在該發光層之該銦組成的該微觀波動 標準偏差Ax不超過0.04。 較仏之情況為’在該發光層之一頻帶隙能量的該微觀

波動標準偏差σ不超過40 meV。更佳之情況為，在該發光 層之该頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過3 0 meV °

第12頁 五、發明說 r dg/1外較佳之情況為’该活化層之一微分增益 dn』滿足dg/dn$1.0x 1 〇,（ 2、 該微分增益『d〜 度係::Γχ 該基底層之-頂面的表面位錯密 的表面1卜11之情況為’該包覆層與該活化層間之-介面 衣面位錯密度係小於lx 108 cnr2。 _。另Λ較佳，情況為，一發光峰部波長分佈不超過40 meV。 土之月況為，该發光峰部波長分佈不超過20 力外較佳 T ^ //U ^ ηχΑΐΑ—x_yN (0<χ“·: 另外較佳之情況為 "具有低於該活化層的 另外較佳之情況為 上。更佳之情况為，該 構成之族群中的一材料 不小於〇· 05的鋁係數。 度不小於1微米。 另外較佳之情況為 的一基板。 本發明第二實施樣 基之材料製成的一基底 ，該至少一發光層包含 3，〇Sy$〇.〇5)。 ’該包覆層所含之一氮化鎵基之材 一反射係數。

’該基底層係延伸形成於一基板之 基底層包含選自於由GaN與AlGaN所 ，且該包覆層所含之A IGaN具有一 又更佳之情況為，該基底層之一厚 ，該基底層包含一氮化鎵基之材料

態的半導體裝置包含：由一氮化鎵 層；延伸形成於該基底層上的一包

第13頁 494583 五、發明說明α〇) , 覆層；延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層包 含至少一IrixAlyGa^N製成的一發光層（0<又<1，0$7$ 0 · 2 )，其中，在該發光層之該發光層之一頻帶隙能量的該 微觀波動標準偏差σ不超過40 meV。 較佳之情況為，在該發光層之該頻帶隙能量的該微觀 波動標準偏差σ不超過30 meV。 另外較佳之情況為，在該發光層之一銦組成的一微觀 波動標準偏差△ X不超過〇 · 〇 6 7。更佳之情況為，在該發光 層之該銦組成的該微觀波動標準偏差不超過〇, 04。 另外較佳之情況為，該活化層之一微分增益 『dg/dn』滿足dg/dn - 1 · 〇 X 1 〇-2Q (m2 )。更佳之情況為，該 活化層之該微分增益『dg/dn』滿足dg/dngl.4x 10_20(m2) 〇 另外較佳之情況為，該基底層之一頂面的表面位錯密 度係小於1 X 1 08 cm-2。 另外較佳之情況為，該包覆層與該活化層間之一介面 的表面位錯密度係小於1 X 1 〇8 cm-2。 另外較佳之情況為，一發光峰部波長分佈不超過4 0 meV。更佳之情況為，該發光峰部波長分佈不超過20 meV ° 另外較佳之情況為，該至少一發光層包含 InxAlyGahX_yN(0<x$0.3，0$y$0.05)。 另外較佳之情況為，該包覆層所含之一氮化鎵基之材 料具有低於該活化層的一反射係數。

494583 五、發明說明（11) 另外較佳之情況為’该基底層係延伸形成於一基板之 上。更佳之情況為，該基底層包含選自於由GaN與A1GaNm 構成之族群中的一材料，且該包覆層所含之AiGaN具有一 不小於0 · 0 5的鋁係數。又更佳之情況為，該基底層之一厚 度不小於1微米。 另外較佳之情況為’該基底層包含一氮化鎵基之材料 的一基板。 本發明第三實施樣態的半導體裝置包含：由一氮化鎵 基之材料製成的一基底層；延伸形成於該基底層上的一包 覆層；延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層包 含至少一 I nx A ly Ga卜x_y N製成的一發光層（〇<χ<ι，〇Sy$ Ο · 2 )，其中，該活化層之一微分增益『d g / d η』滿足d g / d η -1· 0 x 10-2〇( m2) 〇 較佳之情況為，該活化層之該微分增益『dg/dn』滿 足dg/dn ^ 1. 4 X 1 0_20 (m2) 〇 另外較佳之情況為，在該發光層之該發光層之一頻帶 隙能量的該微觀波動標準偏差〇·不超過40 meV。更佳之情 況為，在該發光層之該頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差 σ不超過30 meV。 另外較佳之情況為，在該發光層之一銦組成的一微觀 波動標準偏差△ X不超過〇 . 〇 6 7。更佳之情況為，在該發光 層之該銦組成的該微觀波動標準偏差A X不超過〇 · 〇 4。 另外較佳之情況為，該基底層之一頂面的表面位錯密 度係小於1 X 1〇8 cnr2。

第15頁 494583 五、發明說明（12) 另外較佳之情況為，該包覆層與該活化層間之一介面 的表面位錯密度係小於1 X 1 〇8 c m-2。 另外較佳之情況為，一發光峰部波長分佈不超過4〇 meV。更佳之情況為，該發光峰部波長分佈不超過2〇 meV 〇 另外較佳之情況為，該至少 贫光層包含

InxAlyGa卜x_yN (0<x $0· 3，0 gy $〇. 〇5) 另外較佳之情況為，該包覆層所含之一氮化鎵基之材 料具有低於該活化層的一反射係數。 另外較佳之情況為，該基底層係延伸形成於一基板之 :更佳之情況為，該基底層包含選自於由GaN與AlGaN所 構成之族群中的一材料，且該包覆層所含之AiGaN具有一 =小於0. 05的鋁係數。又更佳之情況為，該基底一 度不小於1微米。 一 也更佳之情況為，該基底層包含一氮化鎵基之材料的 —基板。 本發明第四實施樣態的層狀結構包含：一活化層，其 含有InxAlyGa卜x_yN 的至少〆第一層（〇<x<12), 其中’在該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏差Δχ 不超過0 . 〇 6 7。 另外較佳之情況為，在該 波動標準偏差Ax不超過〇〇4 另外較佳之情況為，在該 微觀波動標準偏差σ不超過40 發光層之該銦組成的該微觀 發光層之一頻帶隙能量的該 meV。更佳之情況為，在該

第16頁

494583 五、發明說明（13) 發光層之該頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過 30 meV 〇 另外較佳之情況為，該第一層之一底面位錯密度係小 於1 X 1 08 cm-2 〇 另外較佳之情況為，一發光峰部波長分佈不超過 4 0 meV。更佳之情況為，該發光峰部波長分佈不超過 20 meV 〇 另外較佳之情況為，該至少一發光層包含 InxAlyGabX_yN(0<xS0.3，0SyS0.05)。 本發明第五實施樣態的層狀結構包含：一活化層，其 含有 I nx A ly Ga^x—y N 的至少一第一層（0<x<l ，0$yS0.2)， 其中，在該發光層之一頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差 σ不超過40 meV。 較佳之情況為，在該發光層之該頻帶隙能量的該微觀 波動標準偏差σ不超過30 meV。 另外較佳之情況為，在該發光層之一銦組成的一微觀 波動標準偏差△ X不超過(K 〇 6 7。更佳之情況為，在該發光 層之該銦組成的該微觀波動標準偏差△ X不超過0. 04。 另外較佳之情況為，該第一層之一底面位錯密度係小 於 1 X 1 08 cm-2 〇 另外較佳之情況為，一發光峰部波長分佈不超過 4 0 m e V。更佳之情況為，該發光峰部波長分佈不超過 20 meV 〇 另外較佳之情況為，該至少一發光層包含

第17頁 494583 五、發明說明（14)

InxAlyGa 卜 x_yN ( Ο <x ^ 0 . 3，0 Sy SO· 05)。 本發明第六實施樣態之形成半導體裝置的方法，包含 如下步驟：於一氮化鎵基之材料製成的一基底層上形成一 包覆層；及藉由使用一包含氨氣的來源氣體之金屬有機氣 相磊晶方法於該包覆層上形成一活化層，且該活化層包含 至少一 IrixAlyGa^x-yN 製成的一發光層（0<x<l，0Sy$ 0 . 2 )，其中，至少當形成該發光層時，將該氨氣之局部壓 力維持在不超過110 hPa。 較佳之情況為，當形成該發光層時，將該氨氣之該局 部壓力維持在至少不超過95 hPa。 另外較佳之情況為，該基底層之一頂面的表面位錯密 度係小於1 X 1 08 cm-2。 另外較佳之情況為，該包覆層與該活化層間之一介面 的表面位錯密度係小於1 X 1 08 cm_2。 另外較佳之情況為，該至少一發光層包含 InxAlyGa卜x_yN (0<χ$0·3，0SyS0.05)。 另外較佳之情況為，該包覆層所含之一氮化鎵基之材 料具有低於該活化層的一反射係數。 另外較佳之情況為，該基底層係延伸形成於一基板之 上。更佳之情況為，該基底層包含選自於由GaN與AlGaN所 構成之族群中的一材料，且該包覆層所含之A IGaN具有一 不小於0. 0 5的鋁係數。又更佳之情況為，該基底層之一厚 度不小於1微米。 另外較佳之情況為，該基底層包含一氮化鎵基之材料

第18頁 五、發明說明（15) 的—基板。 在次微米或更小規模的 依本發明 S空占：銦τ成的波動』-詞表示在銦組成， 組成與位置有關的變化與：ΐ:!:”的：相當於在銦 :在:Γ，，·由空=分 軔，即相當於在頻帶Ρ+、#旦 另 I有關的波 觀波動』一1# 里與位置有關的變化。至於『微 模所定義的微觀；間：次： = =1微米規模 波動-門中與位置有關的波動。3外『巨觀 中，鱼位i ; U1微米或更大規模所定義的巨觀空間 1微半、φ有關的波動。『巨觀波動』係利用直徑不小於 動水束點的微發光量測方法來進行測量。但『微觀波 來利用直徑不小於1微米束點的微發光量測方法 依照習知常識可知，由於含有丨nGaN活化層的習用氮 处、永雷射二極體具有許多位錯，為了獲得良好的雷射效 此’因此我們要考慮理想的銦組成波動。 广 在本兔明中將與習知常識相反，盡可能大幅降低基 氐層之表面位錯密度或活化層之底面位錯密度，並進一步 $在活化層中之發光層的銦組成與頻帶隙能量之微波動兩 控制在如上所定義、各自預定的程度内，以便維持高發 光效率與理想的臨限值，且進一步達成可能長的雷射裝^ 生命週期，以上是很重要的。 有關於半導體雷射裝置的退化有兩個主要原因。一個

第19頁 五、發明說明（16)

是琢面的退化。另〜個則H 化亦稱之為撞擊退化，^ ^活化層上缺陷的增加。琢面退 於活化層缺陷的增加則:^流雷射輻射會即時中止。至 逐漸減少的原因。巳確：口緩而一非即時的’此即操作電流 活化層缺陷的逐漸增加^回斤不的習用雷射二極體由於 況。為了實現裝置的長 f現出操作電流逐漸減少的情 的方式是很有效的。' 〒週期，以避免活化層缺陷增加 在組成與頻帶隙能旦 上產生局部應變。由於^、、w活化層波動，可能會在活化層 載體所接收到的能量，的裝置操作而自熱能、光子^ 缺陷。本發明者認為，彳于那些局部應變造成活化層中 少組成與頻帶隙能量之活二=置的長生命週期，以減 有關組成與頻帶隙波動的方式是很有致的。 類’第-為巨觀規模的『b; = :活化層/皮動可劃分為兩 的『微觀波動』。又『巨動^，第二則為微觀規模 1微米束點的微發光量測方法』表不能利用直徑不小於 中『微觀波動』是以所測得之發光于之規w的波動，其 發光峰部波長分佈範圍從；峰=::佈表示。該 最小值。在先前技術的常識中，的最大值到 量所測得的『巨觀波動目A k㊉表不由發光測 小於1料丰由 因為u發光量測是利用直栌不 i於1被未束點進行，所以命名為丨微米 直佐不 本公開專利公報第1 1 -340 580號中所产、十、、’、動。在日 桓的『只a 斤4田返的波動為巨觀指 杈的巨硯波動』，且該先前技術是要減少『百*广規 動』，以避免多波長的雷射輻射。 彳 嬈波

第20頁 本發明乃是著重在較上习A h 更短或更小規模中的波動。且i : ^識中的『巨觀波動』 散長度短、例如幾近1微采的發明乃是著重在較載體擴 動』。本發明的『微觀波動中的『微觀波 則是在5 0 0奈米以下。為了實^疋在^次微米規模中的，典型 命週期，本發明計劃利用控^導體雷射二極體的長生 有發光層之活化層中的局部應變1波動』，以便控制含 在日本公開專利公報第丨丨^34 制多波長的雷射輻射，而減少巨，中’提及為了控 j中波動的減少不會實現在；：=::j觀規 本發明是以減匕；：，例中描述。 發光量測所測得之微觀規；的、、G 隙能；、！由微 溫度操作中裝置的長生命週期。π彳』，錯此貫現鬲 過去並沒有針對微觀規模中之『 研究’也沒有任何有關⑨『 λ二2制之 報告。因此並不知道任何墟：二波動』對^置效能影響的 規模中的『微t_ ，可利用的方法來減少微觀 』。如曰本公開專利公報第 1 3 4 0 5 8 0號所揭不，p左π姑 調整活化層的成長速率/糟由降低基板的位錯密度與 動』。但在那此減少巨觀規模中的『巨觀波 方法。 白用方法中部得不到減少『微觀波動』的 本發明的建立，县肢：Ώ 、# , 考慮 成與 的 /ώ/ 疋將目私導引至先前技術中從未 你支觀波動』。本於昍&者 ^月的貝方也，疋減少活化層之組

本發明中的活化層具有降低的位錯密度。該現象能夠 有效避免在高溫的裝置操作時活化層中的缺陷。而活化層 中缺陷形成的防止，能夠避免載體被困在缺陷中而造成無 發光再結合效應。如此一來便實現裝置的長生命週期與高 頻帶隙能量 二極體之半 觀波動』的 層中的局部 化。此外， 層内並允許 化層包含一 層。假使活 位在所有量 造5則活化 本發明 層、延伸形 包覆層上的 而成。而基 由於基底層 低。對基底 殘留應變減 層中的殘留 活化層具有 之微觀規模 導體裝置維 減少所提供 應變，並避 詞彙『發光 互換位置的 量子井構造 化層具有一 子井層中的 層通常就相 所提供之半 成於該基底 一活化層。 底層頂面的 的表面位錯 層所選擇的 少。這種包 應變減少。 降低之位錯 的『微觀波 持在理想的 之效果為： 免1¾溫操作 層』與『發 層，進而產 ’則一或多 多重量子井 波動。假使 當於發光層 導體裝置含 層上的一包 该基底層係 表面位錯密 密度低，因 氮化鎵基之 覆層殘留應 針對本發明 密度與減少 動』，並將 高微分增益 減少活化層 條件下在活 光層』表示 生確定的增 量子井層即 構造，則該 活化層沒有 Ο 有多層結構 覆層，與延 由氮化鎵基 度係小於1 X 此活化層的 材料將可容 變的減少， 來說，較佳 之殘穹應變 應用到雷射 。那些『微 所含之發光 化層中的退 包含在活化 益。假使活 相當於發光 波動即表示 量子井構 的一基底 伸形成於該 之材料製造 10δ cur2 〇 位錯密度亦 許包覆層的 會導致活化 之情況為，， 效率。舉例來說，在溫度70 t、輸出能量30_的操作下

494583 五、發明說明（19) 可實現不小於5 0 0 0小時的長生命週期， 效率。 本發明將顛覆習知的技術常識。按 來說，假使在各個發光層的組成與頻帶 動』與『微觀波動』均減少的情況下， 需要考慮增加臨限電流密度。又按照習 言，各個發光層的組成與頻帶隙能量的 『微觀波動』均減少的情況下，將报難 置互換。即便降低活化層的位錯密度， 降低將造成無發光再結合效應。因此ι， 會考慮增加臨限電流密度。 本發明者確認在各個發光層的組& 觀波動』與『微觀波動』均減少的情$兄 在臨限電流密度實質增加的事實，此點 常識相反。各個發光層的組成與頻帶時、 動』減少，確實增加有助於抑制臨限電 增益。 本發明之基底層係由氮化鎵基之# 具有小於1 X 1 08 cm—2的低表面仅錯密| 底層上形成。至於含有發光層之活彳匕$ 成。又，該活化層係藉由使用包含氨氣 有機氣相蠢晶方法而形成，其中f 氣之局部壓力不超過一預定值，舉彳列& 氮化鎵基之材料基底層的低表面位錯@ 並且不降低裝置的 照習知的技術常識 隙能量，『巨觀波 則因為以下原因而 知的技術常識而 『巨觀波動』與 導致發光層中的位 則發光層中的位錯 習知的技術常識才 與頻帶隙能量『巨 下，不會造成彳壬何 與上述習知的技術 月$的『微觀波 流密度增加的微分 料製造而成，且其 。而包覆層係於基 則是於包覆層上％ 的來源氣體之金屬 該發光層時，該氨 說如110 hPa。在 度與氣氣之局部壓

第23頁 494583 五、發明說明（20) 力的控制下’即可減少活化層的銦組成與、頻帶隙中的『微 觀波動』’藉此增加微分增益。如此一來使得裝置具有理 想的長生命週期與高效率。另外，基底層可包^氮&鎵基 之材料的基板，舉例來說如GaN^AlGaN。當然，該基底層 所包含的氮化鎵基之材料層可形成於任何基板上，舉例^ 况如半導體或半絕緣基板。而半絕緣基板可包含鈇寶石芙 板。該藍寶石基板可容易地理想並高精確度的控&活化^ 的銦組成與頻帶隙中的『微觀波動』。如果基板包含sic 基板，則因熱膨脹係數關係而在半導體層上產生 Ϊ 與=化— 的銦組成與頻帶隙中的『微觀波動』< 目的 如上所述，為了使得活化層的 觀波動』#『微觀波動』兩者均七組隙中『巨 晶製程以形成至少該發光層中，有1在，屬有機氣相磊 控制在不超過110 hPa的情況下以達 丨&刀 的。而氨氣之局部壓力的控制產生兀1丨调正成長速率之目 微分增益。至於此高微分增益不；：1X l0’ Μ的高 頻帶隙中所需的『微觀波動』減少，化層的銦組成與 佈限制在不超過2〇 meV的範圍内 义谷洚將發光波長分 於頻帶隙能量的『巨觀波動』。 务光波長分佈即相當 根據本發明得知’在P型雷 摻雜層’ ϋ將成長溫度維持在、1,自制異構層包含無 卞隹不小於ll〇(TC高溫的情況 互、發明說明⑵） 側之Γ可有效地減少内部損失。簡言之，以鎂在13型電極 度的j制異構層中進行摻雜時，會造成不完美結晶與不純 内部/成。這些不元美結晶舆不純度的形成，將很難減少

刑^貝失。而根據本發明，為了減少内部損失，將不在P :，極侧之自制異構層中進行摻雜，並進一步選擇適卷 成長條件。 田的 么根據本發明得知，為達到有效降低臨限電流之目的， 故^光峰部波長分佈較佳之情況為不超過40 meV，而更佳 ^ ^況，不超過2〇 meV。假使發光峰部波長分佈的範圍^ meV鬲出許多時，則不僅臨限電流高，且消耗量亦高。 基底層係代表構成雷射二極體的層設置於其上之一 Ϊί上所述，基底層可包之類的氮化鎵基 結晶成長基板。又，該基底層可包含設置於半： ΐϋΐί基板等任何基板上的基底層。舉例來說半絕緣 ;;:巧寶石基板。而『表面位錯密度』-詞表示Ϊ ^方、^ Μ通位錯密纟。不論利用琢面開始m向過 穷；遙晶方法所獲得的基底層，其表面位錯 名度舉例來呪會小於1 X 1 〇8 cnr2。 护成該I 3 明甘在琢面，始蠢晶橫向過成長方法中如何 #咬二t $ :中^薄層係於藍寶石基板上形成。而 ?、、文狀一：化矽遮蔽則是形成在Μ薄層上。從條紋狀二 乳化石夕遮敝的開口部分來餘 ’、、’、 以便獅層具有一已;:：】aN層的選擇性橫向成長’ 化石夕遮蔽封鎖位炉的Λ 面 密度，其中藉二氧 位錯的擴展，並在選擇性橫向成長中，朝著

第25頁 494583 五、發明說明（22) 與基板面橫向平行的方向來改變位錯的擴散。至於琢面開 始磊晶橫向過成長方法則是揭示於1 99 9年4口口1丨6(1 physics νο1·68， 7 第774-779頁中。 以下將會說明在p e n d i 〇磊晶方法中如何形成該基底 層。其中低溫緩衝層係於基板上形成。而GaN單晶層是於 緩衝層上形成。至於蝕刻遮蔽則是設置在GaN單晶層上。 藉由蝕刻遮蔽之使用來選擇性地蝕刻GaN單晶層，以便形 成條紋狀的GaN單晶圖案。又，從條紋狀GaN單晶圖案的頂 =或側面進行長晶工作，進而形成具有已降低之表面位錯 密度的基底層。此pendio磊晶方法係由Tsvetankas Zheleva 等人於 1 999 年腿3 Internet Nitride

Semiconductor Res 4Si，G3 38 中所報導的。 以下的方 基板。其中緩 單晶層則是形 之單晶層，以 基之單晶島是 表面位錯密度 可選擇氮化鎵 氮化鎵基之單 根據本發 為小於1 X 1 〇8 底層的位錯密 成與頻帶隙中 法也可用以獲得具有更加 衝層係形成在藍寶石基板 成在緩衝層上。然後選擇 於緩衝層上形成氮化鎵基 作為長晶之用的種子，以 的基底層。由於取代了選 基之單晶層的成長條件，' 晶島。 明得知，基底層的表面位 cm~2 降低之位錯密度的 上。而氮化録基之 性地蝕刻氮化鎵基 之單晶島。氮化鎵 便形成具有降低之 擇性蝕刻製程，故 以於緩衝層上成長 而更佳之情況為1 χ 度較1 X 1 08 cm-2高出許多 的『微觀波動』#以， 錯密度較佳之情況 1〇7 cnr2。假使基 時，即便減少銦組 叩4583 五、發明說明（23) 讓裝置具有 制到小於1 X 得低位錯密 許裝置的生 能。至於表 測量層的餘 區域。藉由 已降低之表 基底層 板上成長的 始蠢晶橫向 晶層。另外 上成長的低 晶方法而於 底層也可包 板上成長的 法、亦即從 早晶層。當 可卩現思將基 基底層並不 如上所 材料。而『 任何材料。 的原因是為 長的生命週期。而如果將基底層的位錯密度抑 1〇8 cnr2，特別是小於1 X 1〇7 cnr2時，即可獲 度與『微觀波動』減少的多重效果。此情況容 命週期獲得改善，並使其保有良好之裝置效 面位錯密度是利用已知的方法進行測量，例如 刻坑洞，或利用發射電子顯微鏡觀察層的截面 以單晶島作為長晶之用的種子，即可獲得具有 面位錯密度的基底層。 可包含以琢面開始蠢晶橫向過成長方法而於基 低位錯GaN單晶層。基底層也可包含以琢面開 過成長方法而於基板上成長的低位錯人丨^]^單 ’基底層也可包含以pendio磊晶方法而於基板 位錯GaN單晶層。基底層也可包含以pendi〇蠢 基板上成長的低位錯A 1 GaN單晶層。再者，基 含以長晶方法、亦即從氮化鎵基之單晶島於基 低位錯G a N單晶層。基底層也可包含以長晶方 氮化鎵基之單晶島於基板上成長的低位錯GaN 低位錯GaN或AlGaN單晶層成長在基板上後，即 板去除。由於基底層為低表面位錯密度，因此 含有存放在如50 0 °C低溫中的低溫緩^軒"層。 述’基底層包含諸如AlGaN舆GaN的鳟化铉芙之 氣化嫁基之材料』-詞表示至少包 對基底層來說’選擇AlGaN與GaN任何一種較佳 了同時改善光學限制率與裝置的生命週期。在

第27頁 494583 五、發明說明（24) 氮化錁基之半導體雷射二極體的案例中，包覆層可由 A 1 GaN製造而成，其中若想要獲得理想的高光學限制率， 則較佳情況是南链含JC比例之包覆層與較厚之包覆層。如 果為了光學磁碟之目的’而將半導體雷射二極體應用來輻 射發光波長範圍為3 9 0 - 4 3 0奈米之雷射束的話，較佳之情 況疋讓包覆層的厚度為1微米以上，且紹含量比例不小於 〇· 、更佳之情況為不小於〇· 〇7。在這種情況下對基底層 來說，選擇GaN或AlGaN是較佳之情況，以便使得基底層與 包^層的膨脹係數與晶格常數類似，藉此讓包覆層之殘留 應艾相車义於基底層之材料與包覆層不同的狀況中要減少。 ^覆層之殘留應變的減少能夠有效地避免高溫操作時活化 gL化就上述對於基底層的材料選擇，不僅增加厚度 :::::圍f包覆層的鋁含量比例，並且更容易獲得高 佳之俨=二=果基底層是由GaN或AlGaN製造而成，則較 變故：佳：f ::的厚度夠#，且為了有效地減少殘留應 文仏之N況為不小於5微米。 能夠ίί讓銦組成與頻帶隙能量❸『微觀波動』 發光層的成手ί:得期望的高微分增益’故最好考慮到 UGaN量子丼。圖3為微分增益對形成作為發光層的 力之變化g 一 g之五屬有機氣相蠢晶中的氨氣局部壓 的微分增i : ί降低氨氣的局部壓力時，則可獲得增加 上述銦組成盥,二：獲得理想的高微分增益，^為了減少 為氨氣的能量的『微觀波動』，故較佳之情況 口局4昼力不小於如11〇 hPa的預定水平，且更佳

第28頁 494583 五 發明說明（25) 之情況為9 5 h P a。 置 動 根據本發明得知，為了在高溫 & 且右具从a入、Ώ 巧 里與尚輸出操作下能讓裝 具百長的生命週期，因此發光μ Λ π - m ^ . A / U此\尤層的錮組成的『微觀波 況是不超過0.04。 起做⑽7，且更佳之情 根據本發明得知，為了在；έ;、、w 番置古為了在网/皿與高輪出操作下能讓裝 =有長的生命週期’目此發光層的頻帶隙能量的『微觀 波動』標準偏至σ較佳之情況是不超過4〇 meV，且更佳之 情況是不超過3 0 m e V。 根據本發-明得知，為了在高溫與高輸出操作下能讓裝 置具有長的生命週期，因此活化層中的微分增益 dg/dn』較佳之情況是不超過ι·〇χ 1 q-2〇 (m2 )，且更佳之 情況是不超過1 · 4 X 1 〇-2〇 (m2) 〇 對於本發明來說，減少發光層的銦組成與頻帶隙能量 的『微觀波動』是很重要的。而微發光量測方法僅適用於 測量『巨觀波動』，卻不能應用在『微觀波動』的量測 上。且根據本發明得知，『微觀波動』是利用發光之生命 週期的關係而測得的。 由於設置在圖1所示之InGaN量子井層二極體、作為發 光層的InGaN量子井層的銦組成的『微觀波動』，因此實 行下列的量測方式以便測量其頻帶隙能量的『微觀波 動』。圖4為所測量之發光壽命對圖1半導體雷射二極體的 溫度之變化圖。至於發光壽命的量測如下。將光線照射在 半導體雷射^一極體的表面上以便造成雷射輪射’其中该光

第29頁 494583 貝石雷射的次局諸 ' 5 mw的輸出與80 極體的光線會穿過 測光譜光線，並藉 測。時間解析度量 藉著使用液態氦的 的範圍内改變。 度之變化與頻帶隙 由光子所激發之電 波動』的波谷部所 微觀波動』是由銦 所捕獲到的電子不 。运表不將電子捕 ，而使發光壽命加 的電子會吸收熱能 能量或頻帶隙能量 表示將電子捕獲到 使發光哥命減短。 會讓發光壽命迅速 配適或代表之。 五、發明說明（26) 線包含微微秒鈦藍 有370奈米的波長 射自半導體雷射二 其中以光放大器偵 進行時間解析度量 機的使用來進行。 讓溫度在5K至30 0K 發光壽命隨溫 間存有相互關係。 帶隙能量之『微觀 或頻帶隙能量的『 所提供。而波谷部 位障壁而自由移動 心之内的機率減低 則波谷部中所捕獲 電子可能跨越電位 位IV壁而移動。這 内的機率增高，而 果增高溫度，則將 可以下列方程式來 波，而該次高諧波具 MHz的循環頻率。輻 透鏡而抵達分光鏡， 由單光子計算方法來 測也可利用掃描照相 可變溫低溫怪溫器， 能量之『微觀波動』 子會被電位能量或頻 捕獲，其中電位能量 組成的『微觀波動』 可能從波谷部跨越電 獲到缺陷或非輻射中 I °假使增高溫度， 而被熱激，且經熱激 <『微觀波動』的電 缺陷或非輻射中心之 圖4顯示從100K起如 變短。圖4中的曲線 其中

PL ^o^+AT172 exp(-T0/T) PL為發光哥命’ T為溫度 ......(1 數（nuing parameters)了二果=二y二與則為配適參 破捕獲在具有『微觀波動』白勺電位：：’則電子仍然- 及夺部，這也就是為什

第30頁 494583 五、發明說明（27) 麼再結合效應的出現取決於本身的生命週期。且在 溫時’上述方程式的第二項將會無效，而僅第_項有^ 此表示生命週期在為恆定。一旦增高溫度時，即會%。 成電子的熱激發。假定由『微觀波動』所提供的電位^辟 為kTQ，其中k為波茲曼常數，則激發載體的百分比與早土 exP(~TG/T)成比例。熱激發載體可由『微觀波動』所 之電位波谷跨越電位障壁而移動，然後被捕獲。埶 t 體有可能被捕獲於缺陷或非韓射中心。至 電子t载 :，而『S』則為捕獲橫剖面。若僅著眼於溫度的^ g 再結合經常二:上述機制，非輕射 的第二項所表ί。再合速度是由上述方程式 :數U用來表示銦組成之『微觀波動』程度該 得的^列來說4為_，此係基於圖4的酉己適方法^獲 下列敘述將會著重於參數τ盥册处曰 動』兩者間的關係。『kT ，、犯置之『微觀波 ，能量之『微觀波動』電子跨越頻 所而之熱能。且『kTG』是盥分佈 的電位障壁移動 位中的『微觀波動』成比、。特疋工間中電子之電 在量子井等二維空間中電子之㊁：=觀波動』是由分佈 間平均電位值的電子將會：：：；：二；能量低 …忐~越電位障壁自由 494583 五、發明說明（28) 移動，而m量高於空間平均電位值的電子則可 壁自由移動。那些是由古血渗透理^入电 早 ^ ^ $蔣『kT相透淪所推論出來的結果。 因此，了將kT()』視為由谷底部至平均電位水平 量水平差。假定電位能量的空間分佈 千曰 常分佈，則能量水平中的電位山谷 低的正 …藉此可導“，〇斗另外，InGaN二值^1 的『微觀波動』標準偏差\相當於值道册+ A f丨承此里 動』與知^的祕硯波動』之總和。於1 9 96年切1)116(1 PhySlcs Letters νο1· 68第2541 頁中Martin 如果InGaN基底化合物半導體中傳#冊 :曰Λ 為3:7，則γ3.33σ=1 67kT中傳；7；舆價帶的偏位比例 " 〇 之頻帶隙能量的 〜U减波動』払丰偏差^即是利用上述方程 得。在圖4的情況中，可發現頻帶έ、胃 0 ϋ π〜見頭V隙能量的『微觀波動』 &旱偏差為例如6 6 me V這樣很大的值。 極體：直Γ/;?微束點、針對圖1所示之半導體雷射二 搜體貫行微發光量測。其中菸 至+1太丰# „ u j a A先峰部波長的分佈在-1奈米 過並1 ϋ t 疋相當於~9託V至+ 9 meV的範圍。不 此模超過1微米以上的銦組成波動。儘管如 種不：=波動依然可利用與溫度有關之發光壽命此 剛所ϋ、ail k表不銦組成的波動是發光量 斤無法測罝的次微米規模『微觀波動』。 能量的描述中，自組成的『微觀波動』是由頻帶隙 皮動』標準偏“來代表。下列的描述將會 “、、且nxGai_xN的『微觀波動』標準偏差Δχ，與頻 第32頁 五、發明說明（29) ^ 帶隙能量的『微觀波動 年期刊Applied physic』標準偏差〇*之間的關係。在1975 所做的描述如下。Ιγ^Ζ’ ν〇ι . 46第3432頁中〇samura等人 式而來。 X七〜χΝ的頻帶隙能量是由以下的方程 Ε§(χ)-3.4〇(1^) + 2 如果X的範圍在大· 7χ〜1·〇χ(1-X)(單位：eV) 於〇. 6 (e V)。至於銦級、、· 3至大約〇 · 1之間，則d E g / d X等 與頻帶隙能量的『微f成的『微觀波動』標準偏差△ x， 是由以下的方程式而來波動』標準偏差crg之間的關係則 Δχ = ^g/O. 6(eV) 如果頻帶隙能量的『 40 meV，這就表示鋼έ 彳放硯波動』標準偏差不超過 0 · 0 6 7。 組成的『微觀波動』標準偏差不超過 進 『微觀 的關係 觀波動 增益詞· 圖，其 量的『 頻帶隙 態密度 的微分 小，則 一步的描 波動』標 。各個頻 』，均與 頻帶隙能 中微分增 微觀波動 能量的『 ’藉此可 增益。相 建立於二 述將會 準偏差 帶隙能 微分增 量的『 ϋ是由 』標準 微觀波 獲得由 較之下 維量子 著重於InxGai_xN之頻帶隙能量的 σ ’與雷射二極體的微分增益之間 量的『微觀波動』與銦組成的『微 盈具有交互關係。圖5是說明微分 微觀波動』標準偏差（Jg的變化 理論計算而來。一旦增加頻帶隙能 偏差，則微分增益降低。如果 動』大’則通常會升高帶邊界的狀 載體注射的增益滲透。因此獲得小 ’如果頻帶隙能量的『微觀波動』 井之步驟作用的狀態密度即為有效

第33頁 494583 五、發明說明（30) 的’藉此獲得大的微分增益。在圖5中’如果頻帶隙能量 的『微觀波動』標準偏差為40 meV，則微分增益即是 1. 0 X 1 〇-2Gm2。如果頻帶隙能量的『微觀波動』標準偏差σ g不超過40 meV，即表示微分增益不小於1 · 0 X 1 〇_2Qm2。 上述通常可應用在具有InxAlyGa卜x_yN(0<x<l，0六 • 2 )之發光層的裝置。儘管如此，特別佳之情況為發光 層具有 I nx A lyGan-y Ν (0<χ$〇·3，0$y$0_05)的組成，或 是 I nx G N ( 0 < x $ 0 · 3 )的另一個組成。 描述接著將會著重於本發明與上述第一、第二及第三 種先前技術之關係。第一先前技術乃是揭示於1 9 97年6月 的 IEEE 期刊Selected Topics In Quantum Electrics v〇 1 · 3中。而第二與第三先前技術則是揭示於曰本公開專 利公報第1 1 -340 580號中。 根據本發明得知，為了界定活化層的組成與活化層的 頻帶隙能量之波動，因此對基板材料來說，氮化鎵基之材 料或藍寶石為較佳的選擇。當然也可選擇碳化矽作為基板 材料。然而這種選擇將不容易調整活化層之組成的『微觀 波動』。在熱膨脹係數方面，藍寶石大於氮化鎵基之材 料’而氮化鎵基之材料則大於碳化矽。在氮化鎵基之半導 體層形成於碳化矽基板後，即實行冷卻製程，藉此讓拉伸 應變留在與基板表面平行的氮化鎵基之半導體層平面中。 $果將碳化石夕基板應用於半導體雷射二極體，則拉伸熱應 變會留在活化層上。而殘留的拉伸應變將报難穩定地調g 組成波動，特別是組成微觀波動。 0即

第34頁 IS) 讓壓^ i將藍寶石基板應用於半導體雷射二極體，則僅會 平面中5…、應變留在與基板表面平行的氮化鎵基之半導體層 來黏ρ 1相對於拉伸應變來說，半導體層具有更高的強度 波動几壓縮應變。因此，相對來說較容易穩定地調整組成 。如果選擇GaN*A1GaN作為基板材料，則氮化鎵基之 體層在熱膨脹係數方面與GaN或A1GaN*板類似，因為 ^ 7的原因所以在氮化鎵基之半導體層中幾乎不會出現殘 的熱應變。也就因為如此，所以容易穩定地調整組成波 、、S特別是微觀組成波動。基於上述原因，所以較佳之情 况疋選擇氮化鎵基之材料或藍寶石作為基板材料。 本發明將會由波動與增益兩方面來與先前技術做一比 =二圖2是說明利用藍寶石基板之習用半導體雷射二極體 *弟一先刖技術中所設置之多重量子井結構的能量頻帶 ^其中GaN、緩衝層是設置在藍寶石基板上。而MGaN包覆 运疋於GaN緩衝層上設置。至於inQaN的五重量子井活化声 則是於AlGaN包覆層上設置。 / 曰 第二與第三先前技術係關於在碳化矽基板 化鎵基之半導體雷射二極體。其中就第二先前技 體雷射二極體而言，其活化層之發光波長分佈的凹處大約 為150 meV。而以第三先前技術的半導體雷射二極體來 說’其活化層之發光波長分佈的凹處則大約為9〇 。至 於上述日本公報為何選擇碳化矽作為基板材料 以下提及。在短波長半導體雷射二極體中，選擇對氮化物 基底化合物半導體來說具有13%、較大之晶格錯配的藍寶

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石作為成長基板，這也就是活化層之位錯密度的凹處為 I X 1 oig cm-2的原因。儘管如此，在氮化物基底化合物半導 歧中’先技術中認為位錯不會形成無發光中心，也不合 對裝置性能產生任何影響。因此先前技術中不考慮活化^ =的位錯密度。然而實際上，位錯密度與組成不均勻間^ 著交互關係。一旦降低位錯密度，則也會降低組成的不均 句。使用碳化石夕基板會大幅將晶格錯配降低至3 %。而曰 曰白不口 羯配的大幅降低會使得位錯密度降低至不超過 1夕X 1 09cnr2，且至少到1 χ 1 〇7cm-2。如此即可獲得能夠抑制

^重波長輻射的短波長半導體雷射二極體。這段落的描述 是在第二與第三先前技術中的。 田L 圖6是針對本發明與第一至第三先前技術，說明其銦 組成的『巨觀波動』與『微觀波動』間的關係圖。其中水 平軸為次微米規模之銦組成的『微觀波動』。而垂直軸則 為不小於1微米之銦組成的『巨觀波動』。至於劃斜線區 if是代表本發明。第一至第三先前技術所具有之較大的 /微觀波動』不小於丨〇〇 meV。而第一先前技術提供 〕· 8 X 10 17cm2的微分增益，經由換算後大約為1〇() meV。 相反f本發明中的『微觀波動』則是不超過40 meV。本發 明與第一至第三先前技術不同，其『微觀波動』是降低至 不超過40 meV，更佳之情況是不超過2〇 mev。 …以下的描述將會著重於測量半導體雷射二極體之反射 f的方法。樣品雷射的反射率『R』是由R=(n—1/n + 1)2而 來’至於『η』是由簡單切開、沒有塗佈之半導體所提供

五、發明說明（33) 數：η數。已知雷射束波長為4°〇奈米時，GaN的 。在這種情況中的:二:折 用介電多層結構e盔 K』局19/。。應 層結構包含高折紐:奴侍到尚度反射的鏡子，其中介電多 疊片構造。而反:;率低折射係數介電膜交錯的 數、膜的個別厚度^ 使用個別折射係 2 3 ”且片胰的數里。τ 1 〇2的折射係數為 『R斜/具1 2的折射係數則為L 44。圖7為代表反射率 η〇2』膜變化的反射光譜之說明圖’其中叫膜與 2 、疋杈“對、兩對、三對與四對的方式交錯組成疊 、，而Sl〇2膜與Ti〇2膜的厚度為10〇奈米。反射率『R』在 ，，大約400奈米時會變大。而在波長大約4〇〇奈米的反射 f『R』則取決於成對的數量，亦即疊片構造的數量。在 早。對Si〇2膜與Ti〇2膜的情況下，反射率『R』的最大值約為 5 0%。在兩對Si〇2膜與Ti〇2膜的情況下，反射率『R』的最 大值約為80%。在三對Si〇2膜與Ti〇2膜的情況下，反射率 『R』的最大值約為90%。在四對Si〇2膜與Ti〇2膜的情況 下，反射率『R』的最大值則超過90%。而反射率是由材 料、厚度與疊片數量計算而來。 還有另一種測量高度反射塗佈之反射率的方法，其中 會應用到半導體雷射二極體。其中由半導體雷射二極體第 一與第二琢面之第一與第二反射率R1、R2而來的第一與第 二輸出PI、P2，具有以下的關係：ρι/Ρ2二（l〜R1)/(卜R2) X (R2/R1)0·5。第一與第二反射率ri、R2兩者中的一個是 由P1/P2的比值及第一與第二反射率Ri、R2兩者中的另一

第37頁 五、發明說明（34) 個計算而求得。如果第一與第二琢面其中之一沒有塗佈的 f ’則估計未塗佈琢面的反射率為丨9%。這種方法對^ 异剩餘的已塗佈琢面之反射率很有效。 、口 通常，諸如Si 〇2膜與Ti〇2膜交錯之疊片結構的介電多 層鏡子是作為氮化物基底半導體雷射二極體的高反射兔塗^佈

之用，且其反射率不小於80%。如果第一與第二琢面為JjR ，佈，則鏡子損失將近lcnrl。如果第一與第二琢面其中之 為R 佈且凹處長度大約為4 0 0微米時，則鏡子損失將 近2 0 cm—1 。 、守 【較佳實施例】 〔第一實施例〕 苓照圖示，將詳細地進行本發明第一實施例的解說。 2中低位錯密度2n — GaN基板是利用上述琢面開始磊晶橫 二過成長方式製備而成。將所製備之基板與磷酸為基底的 :液接觸，以便形成蝕刻坑洞。接著測量基板的蝕刻坑洞 1度、，以便測量表面位錯密度。而所測量的表面位錯密度 確 s忍為 1 . 〇 X 1 〇7 cm-2。 此低表面位錯密度之n—GaN基板是用來形成氮化鎵基 之运射二極體。圖8為本發明第一實施例中的半導體雷射 =極體之橫剖面圖。n型包覆層2係設置在n_GaN基板i的頂 4 "^7其3中〇型包覆層2所含之石夕摻雜_A1HGa"N層具有 4 X 10 km-3的矽不純度為與12微米的厚度。又，n型光學 限制層3係設置在η型包覆層2的頂面上，其中η型光學限制 II iiiii liii ηϋ·ΙΒ1 II i 111 五、發明說明（35) 層具有4xl〇17cm〜夕不純度與 限=Γ;:再：中2量子：層4係設置知型光學 ,^ 上 其中多重量子井層4包含兩個戽声 不只的In"GaG 8N井層，與石夕不純度為5 χ i 又产、 6微米的矽摻雜丨η Γ ΛΤ _ w且/子度為 置在多重旦早株=5 G·95龟位障壁層。此外，罩層5係設 J !的頂面上，其中罩層5含有鎂摻雜之p Ν層，㈣光學限制層6係設置在 2Λ:Λ中；型光學限制層6所含之鎮摻雜遺aN層具有 0 cm的鎂不純度與〇1微米的厚度。再者 帝 層7係設置在p型光學限制層6的了頁面上 P = 所含之鎮摻雜恤…一層具们嗜以 與0. 5微米的厚度。另外型接觸在、、勹^ 2“厂、鎂不純度與〇 ι微米的厚度二、a有、 4、5、6、7與8乃是在20〇 hPa的壓力下、 二二2 氣相磊晶法所形成。 低反金屬有機 圖9Α顯示用於形成圖8之半導體雷 立層的成長系統中平面形反應器之平面 \ Q、各個一獨 於形成圖8之半導體雷射二極體的各個獨圖。圖9匕則顯示用 中侧面形反應器之侧視圖。該反應器是 s的成長糸統 之反應器，其中第m族之來源材料與第早二流？管線型態 別透過分開的管線而各自引入反應器中。：之來源材料個 族之來源材料是透過下方管線引入， 圖9B中第111 則是透過上方管線引入。亦可修正為從知之$源材料 κ下方管線引入第v Η

494583 發明說明（36) 族之來源材料，而從上方管線引入第丨丨I族之來源材料。 將基板&至反應器的圓圈區域中。且在反應器的圓圈區域 上方提供未顯示的熱能。 圖1 〇 A顯示用於形成圖8之半導體雷射二極體的各個獨 立層的成長系統中平面形另一反應器之平面圖。圖丨〇B則 ,、、、員，用於开/成圖8之半導體雷射二極體的各個獨立層的成 長，統中侧面形其他反應器之侧視圖。該反應器是單一流 ，管線型態之反應器，其中第II I族之來源材料與第V族之 Μ源材+料個別透過分開的管線而各自引入反應器中。在圖 10Β中第I I ί族之來源材料是透過上方管線引入，而第V族 t來源^料則是透過下方管線引入。亦可修正為從上方管 t P入第V私之來源材料，而從下方管線引入第I I I族之來 =、3料。、將基板導至反應器的圓圈區域中。且在反應器的 員圈區域上方提供未顯示的熱能。。 # a 了1nGaN多重量子井活化層4成長時以外，其餘時間 夕舌=來源之氨氣局部壓力維持在120 hpa。而針對丨^_ ^ 子井活化層4成長時，4氣局部壓力則會改變。在 1 n 〇 5、6中，氰氣局部壓力分別為147、 料"、〇、107、、93、53 hPa。此外以TMG作為Ga的來源材 料。广作為A1的來源材料。並以TMI作為In的來源材 tr:多重量子井活化層4成長時以外，其餘時： \持在1 05 0 t。至於在inGaN#重量子井活化 曰4成長日守，其成長溫度則維持在78(rc。 回頭參照圖8 ’接下來將實行乾燥蝕刻製程，以便選

五、發明說明（37) 9擇性地_钱刻p型包覆層7與13型接觸層8，進而形成臺地結構 而一氧化矽膜1 〇係形成在臺地結構9與{)型接觸層8之頂 上。並利用曝光技術的運用而從臺地構造9的頂面上選 地去除二氧化矽膜1〇，藉此不僅顯示出P型接觸層δ的 \ 1 &’广亚形成隆起部結構。此外，η型電極1 1係形成在基 Μ 、&面上，其中η型電極1 1包含鈦層與鋁層的疊片έ士 型電=型勺電人極12則係形成在Ρ型接觸層8的頂面上，其。中ρ 構鎳層與黃金層的疊片結構。接著將上述的結 構切開，以便形成第一與第二 ^ ^ ： 二氧反射塗佈，其中高反射塗佈包含 乳化欽與二氧化矽膜的疊片結構。 壓的ΐ ΐ各：ΐ面之樣品1-6進行臨限電流密度與臨限電 3. 8 〜3. 6 與3, 8 、2、3、4、5與6的測 4.7與4·8 V。在這些 ’其臨限電流密度與 與6的測量值分別為38、37、37樣印1 2、3、4、5 kA/Cm2 ;至於臨限電壓部分，樣品j 量值則分別為4.8、4.7、49、5 〇 處於上述不同成長條件 臨限電壓並沒有报大的丄\ 6間’巧 臨限電壓兩者盘成具 就疋說ε品限電流畨度 〃、成長條件無關。 起、位在含㈡J層： = 成 <『微觀波動』所5 波動』標準偏差分別為82、：員量所測得的『微觀 因此，針對樣品卜6，^=、41、22與51^。 /、CI、、且成所測得的『微觀波 五、發明説明，（38) 動』標準偏差分別為〇· 14、〇· U、〇· 87、〇· 〇67、〇 〇37歲 〇·0083 。 、

接著測量弛豫頻率以便測得微分增益。而樣品卜6所 測得的微分增益分別為〇. 6 χ 1〇-2〇m2、〇. 7 x Q 8 X 10-2°m2、1·、0χ l〇-2〇m2、ι 4χ 1〇,ffl2 與2. 2χ i〇—。且所 得之微分增益值也幾乎相當於圖5所示的理論值。至於微 分增益的量測則是利用參考書『半導體雷射』第i47_i54 頁上所揭示的已知技術來進行。藉由直徑丨微米之微束 點，同樣針對上述樣品的InGaN活化層 ".^4Ι,]Γ ^ ^50" ^ ^ ^ 米_1+1 ί有樣 中’發光峰部波長之分佈均落在-1太 光峰部的Ϊ圍内。此外’在25 00随2限制區域内，ί 此實扩i丨:之/刀佈會朝均一方向呈現拖尾現象。圖11顯示 光譜圖二射二極體所輕射出的雷射束之 度。且此弁碰π 3車代表波長’而垂直軸則代表光的強 11所示，雷：輻：：0出別率來進行測量。如圖 f為臨限電流密度二2倍。早以確直刃模式/，其中電流密 二人小於1微米的『巨觀波動 、，1〜的疋，在錮組成依 位錯密度之GaN基板上的InG』aN’二不會出現成長於低表面 習用之半導體雷射二極W…:。晶形層中。這表示對於 量挪時，儘管在次微米規%微米鑑別率進行發光 疋微分增 體的擴散 圖12 射二極體 波動』標 輸出之條 命週期的 頻帶隙能 中在頻帶 於60 meV 米規模之 時，則生 的次微米 局部應變 局部應變 在缺陷内 成局部熱 缺陷。如 小，則不 時，即便 層中的缺 益主要 長度。 是顯示 之量子 準偏差 件下， 量測。 量的次 隙能量 時，則 『微觀 命週期 規模之 現象。 會容許 出現載 能的產 果頻帶 會在發 接收到 陷0 取决於較小規模的『 倣截波動』，而非载 在樣品6中、梦署+、τ Λ ® ώ, 又 之平均生命週期對雷 开層的頻帶隙能量的次科半招π夕田 間的關係。在例如7 ί Q規杈之微觀 而方法來進行各個樣品η之Z 找t =广與咼輪出的條件時，生命週期對 模之『微觀波動』為高靈敏度。其 决=镟米規模之『微觀波動』標準偏差高 週期較短。反之當頻帶隙能量的次微 合、』標準偏差從60降低至40 meV t ^速增加至5 〇 〇 〇小時。假使頻帶隙能量 微觀波動』很大，則會在發光層中形成 ^於熱能、光子與載體能量的關係，因此 ♦光層中形成缺陷。一旦形成缺陷，則會 體的無發光再結合效應，藉此在缺陷内造 生。而該熱能的產生會更進一步造成新的 隙能量的次微米規模之『微觀波動』很 光層中形成局部應變。一旦沒有局部應變 熱能、光子與載體能量，亦不會造成發光 〔比較例1〕 替換掉低表面位錯密度的n —GaN基板1，在此使用不小

第43頁 發明說明（4〇) ;5 X 1 08 cnr2之高表面位錯密度的藍 ，溫條件下，將低溫緩衝層形成於藍諸石基^反。在5〇〇°C的 第-實施例的相同製程+，將如同第：：，上。在如同 結構形成於緩衝層之上，以便形成例之相同多層 體雷射二極體。在此確認生命週期石基板的半導 帶二測體雷射二極體之頻帶心量的波動。頻 -的範圍内。因此可假定頻帶在80-化，即會使得裝置之生命週期亦之波動若沒有變 迥二r父第一實施例舆比較賴’即可°確認裝置之生命 y;;n:之波動間的交互關係。而在上述的實施例與 而精由調整銦氣局部壓力’即可獲得銦組成。 4何其匕用於控制銦組成的方法均可使用。 〔第二實施例〕 參照圖示，將詳細地進行本發明第二實施例的解說。 二2位錯岔度之n—GaN基板是利用上述琢面開始磊晶橫 、二、、長方式製備而成。將所製備之基板與磷酸為基底的

2液接觸，以便形成蝕刻坑洞。接著測量基板的蝕刻坑洞 密度、，以便測量表面位錯密度。而所測量的表面位錯密度 確 s忍為 1 . 〇 X 1 〇7。m-2。

此低表面位錯密度之n — GaN基板是用來形成氮化鎵基 之雷射二極體。圖1 3為本發明第二實施例中的半導體雷射 二極體之橫剖面圖。11型包覆層22係設置在^GaN基板21的

第44頁 五、發明說明（41) 頂面上，其中η型包靂S9〇w人 具有4 X l〇ncm-3的石夕曰:二之石夕摻雜η型Al0.lGa〇.9N層 光學限制層23係設置在微的， 學限制層23所含之石夕摻雜二層;=面上，其中η型光 純度與〇·ι微米的厚度。再者，N多層會Ά4χ 1〇17cm_3的石夕不 型光學限制層23的頂面上，並 里旦子井層24係設置在η 厚度為4奈米的Ga _ „ ^子井層24包含兩個 5x UPcnrS且；^ t 79井層，與矽不純度為 异度為6¼米的秒換雜a】τ n 壁層。此外，罩層2 5係执晋# /舌曰°; n°.Q5 Ga°.94 N電位障 甘a明 係5又置在多重量子井層24的頂面i· 二中:層25含有鎂摻雜之㈣ 型’ 限制層26係設置在罩層25的頂面上，其中 二先子 26所含之鎂掺雜ρ型Gn声且. 予义Js 忾乎的厘声i去 cm的鎂不純度與〇. 1 ^水的厚度。再者’ p型包覆層27係設 26的頂面上，其中p型包覆層7所含之鎂摻雜 '層 層具有2 X l(Fcir3的鎂不純度與〇. 5微米的厚度。另外G，9 型接觸層28係設置在p型包覆層27的頂面上，其中p型接 層28所含之鎂摻雜p型GaN層具有2 χ 1〇1?cnr3的鎂不純度與 〇· 1微米的厚度。而那些層22、23、24、25、26、27與^ 乃是在20 0 hPa的壓力下、以低麗金屬有機氣相蠢晶法所 形成。除了 A1 InGaN活化層24成長時以外，其餘時間作為 氮來源之氨氣局部壓力維持在120 hPa。而針對AHnGaN活 化層2 4成長日守’氣氣局部壓力則會改變。在樣品7、$、 9、10、11、12中，氨氣局部壓力分別為147、134、120、 107、93、53 hPa。此外以TMG作為Ga的來源材料。又以 第45頁 494583 五、發明說明（42) TMA作為A1的來源材料。並以m作為匕的 重量子井活化層24成長時以夕卜，其餘時間的成 ίΙΐΓ;1:5，。至於在A1InGaN多重量子丄 24成長牯，其成長溫度則維持在78〇它。 包f = i將實行乾燥㈣製程’以便選擇性地钱刻p型 已覆曰27，、p型接觸層28，進而形成臺地結構29。而二 2: 形成在臺地結構29細型接觸層28之頂面上。 去技術的運用而從臺地構造29的頂面上選擇性地 面于、：：上矽膜3〇，藉此不僅顯示出P型接觸層28的頂 隆；Γ?广卜，η型電極31係形成丄 椹。而剂带八中11里電極3 1包含鈦層與鋁層的疊片結 Ρ型電二G3銲型接觸層28的頂面上，其中 塗佈一層反射秦炎〇1。 ”弟一琢面。然後在第一琢面上 含二氧化鈦腹ί為L的咼反射塗佈’其中高反射塗佈包 ••…、一氧化矽膜的疊片結構。 、’十對各個上面揭^ 7 _ 1 Ο μ. 壓的量測。如同卜、+、7 =、+進仃^限電流密度與臨限電 品7-12間，j：㉟=一 ^些處於上述不同成長條件的樣 處。也就是ί ^電^禮度與臨限電壓並沒有很大的不同 關。 "限電流密度、臨限電壓兩者與成長條件無 起、位：i ί 2:: ’進行由銦組成 <『微觀波動』所引 動』量測。針；樣層:發光層之頻帶隙能量㈣『微觀波 樣卩口 10-12，其頻帶隙能量所測得的『微 494583 五、發明說明（43) 觀波動』標準偏差均不會超過4 〇 meV。因此， 1 0-6，其銦組成所測得的『微觀波動茬，樣品 過0· 0 6 7。 平偏差亦不會超 接著測量弛豫頻率以便測得微分增益。 所測得的微分增盈不會低於1 . 〇 χ 1 〇_別Μ。 7 12 在例如70°c、30rnW的高溫與高輪出之條 APC一測試方法來進行各個樣品丨〇_丨2之生命週期的旦測用 在兩溫與尚輸出的條件時，生命週期對铲f =而 米規模之『微觀波動』為高靈敏度。的久微 々外*招f^ ^ 具中在頻帶隙能量的 =^卡規核之『微硯波動』標準偏差低於4〇 ^時，則生勺 :不：小於5〇〇〇小時。假使頻帶隙能量的 J『微觀波動』很大，則會在發光層中形成局部應變現核 六二由於熱此、光子與載體能量的關係，因此局部應變會 谷許叙光層中形成缺陷。一旦形成缺陷，則會在缺陷内出 見載體的無發光再結合效應，藉此在缺陷内造成局部熱能 的^生。而該熱能的產生會更進一步造成新的缺陷。如果 ^ :隙此里的次微米規模之『微觀波動』很小，則不會在 舍光層中形成局部應變。一旦沒有局部應變時，即便接收 到熱此、光子與載體能量，亦不會造成發光層中的缺陷。 在此第二實施例中，多重量子井活化層2 4係由 A1 InGaN等四元素所構成之化合物的半導體所製成。因為 對生命週期來說，有效的組成波動為銦組成波動，因此也 確認了生命週期的改善。

第47頁 494583

五、發明說明（44) 〔比較例2〕 在I n G a N活化層成長時’將氨氣局部壓力維持在1 4 γ hPa的狀況下，即可形成、設置半導體雷射二接體。利用 具有1微米鑑別率之微觀發光量測方式，進行銦^成『巨 觀波動』的量測。因而確認發光波長分饰將不超過2 〇 meV ° 進行銦組 動』為82 再者 波動』的 子井活化 定波長、 製程之電 的觀察是 發光影像 但卻有『 而對 與本發明 為介紹之 在本發明 所涵蓋。 一步藉由能夠測量微分增益的弛豫頻率量測法， 成『微觀波動』的量測。因而確認該『微觀波 meV ° ，藉由觀察陰極發光的現象，進行錮組成『微觀 量測。在觀察陰極發光時，當罩層形成於多重量 層後，即停止成長製程，以便形成樣品。並在 加速電壓3 kV與室溫等條件下，以用於實行映射 J光譜將電子束發射至樣品之上。確定陰極發光 4^-50 0奈米的範圍内進行。而圖14即為陰極 =妝片。故確定比較例2中沒有『巨觀波動』， 微觀波動』。 』

於熟悉本技藝去腺A 者將可針對本發明進行修正，對於 相關者’將可理艇ό _ 田 行七 %所顯示與解說之貫施例乃是作 用，而沒有要你i分 ^ ^ ^ 為其限制的意思。因此，對於落 之積神與靶圍内 ^ | ^ 间n的所有修正，應該均由專利範圍

第48頁 圖式簡單說明 ί…、附> 圖’將進行本發明較佳實施例的詳細解說。 圖1是說明具有低表面位錯密度之n-GaN基板上的一種 習用氮化鎵基之半導體雷射二極體之橫剖面圖。 ” 是說明作為，第一先前技術之藍寶石基板上的一種 白用氮化鎵基之半導體雷射二極體之橫剖面圖，並附有多 重量子井結構的能量頻帶隙之圖示。 圖3是說明在用於形成作為發光層之I riGaN量子井活化 1的金屬有機氣相磊晶巾，微分增益對氨氣局部壓力 間之變化圖。 ^ μ圊4疋"兒月測畺的發光哥命對圖1所示之半導體雷射二 極體的溫度兩者間之變化圖。 圖5是說明微分增益對頻帶隙能量的『微觀波動』標 ^ ^ 兩者間之變化圖’其中微分增益是利用理論 鼻而來。 _ f 6疋針對本> 發明與第一至第三先前技術的情形，說 、’、、且、A、巨觀波動』與『微觀波動』兩者間之關係 圖。 日m圖#是^代表反射率『R』對波長之變化的反射光譜之說 "、二$丨〇2膜與T i 〇2膜是按一對、兩對、三對與四對 ^方式父錯組成疊片，而Si〇2膜與Ti02膜的厚度為1〇〇奈 米0 炉μ = 8疋"兒明本發明第一實施例的半導體雷射二極體之 才頁剖面圖。 圖9A疋忒明用於形成圖8的半導體雷射二極體之各個

第49頁 494583 圖式簡單說明 獨立層的成長系統中平面形反應器之平面圖。 圖9B是說明用於形成圖8的半導體雷射二極體之各個 獨立層的成長系統中侧面形反應器之侧視圖。 圖1 0A是說明用於形成圖8的半導體雷射二極體之各個 獨立層的成長系統中平面形另一反應器之平面圖。 圖1 0B是說明用於形成圖8的半導體雷射二極體之各個 獨立層的成長系統中側面形其他反應器之側視圖。

圖11是說明此實施例中的各個樣品從雷射二極體所輻 射出的雷射束之光譜圖，其中水平轴代表波長，而垂直軸 則代表光的強度。 圖1 2是說明在樣品1 -6中，裝置之平均生命週期對雷 射二極體之量子井層的頻帶隙能量之次微米規模的『微觀 波動』標準偏差兩者間之關係圖。 圖1 3是說明本發明第二實施例的半導體雷射二極體之 橫剖面圖。 圖1 4為陰極發光影像之照片 【符號說明】

1、 2 1、1 0 1〜基板 2、 22、102〜η型包覆層 3、 2 3、1 0 3〜η型光學限制層 4、 24、104〜多重量子井層 5、 25、105〜罩層 6、 26、106〜ρ型光學限制層

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Claims (1)

1. 494583 六、申請專利範圍 1· 一種半導體裝置，包含： (a) 由一氮化鎵基之材料製成的一基底層； (b) 延伸形成於該基底層上的一包覆層；以及 (c) 延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層 至少包含一 I nx A lyGahy N製成的一發光層（〇<x<i，〇$y$ 0.2)， 其中，在該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏差 Δχ不超過0.06 7。 2. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，在 該發光層之該銦組成的該微觀波動標準偏差△ X不超過 0· 04 。 3· 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，在 该發光層之一頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差（j不超過 40 meV 〇 ^ 如申請專利範圍第3項的半導體裝置，其中，在 ^光層之該頻帶隙能量的該微觀波動標準偏 α 00 meV 〇 活化層之 l〇〜2〇(m2) 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該 一微分增益『dg/dn』滿足dg/dn-l.〇x β • 如申請專利範圍第5項的半導體裝置，其中，該 1 0'2Q (^) ^微分增益『dg//dn』滿足dg/dn—1·4χ 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該

   494583 六、申請專利範圍 基底層之一頂面的表面位錯密度係小於1 X 1 08 cm—2。 8. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該 包覆層與該活化層間之一介面的表面位錯密度係小於 1 X 1 08 cm-2 〇 9. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，一 發光峰部波長分佈不超過40 meV。 10. 如申請專利範圍第9項的半導體裝置，其中，該 發光峰部波長分佈不超過20 meV。 11. 如申請專利範圍第9項的半導體裝置，其中，該 至少一發光層包含 I nx A ly Ga^x—y N (0<xS0.3，0$y$ 0.05)。 12. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該 包覆層所包含之一氮化鎵基之材料具有低於該活化層的一 反射係數。 13. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該 基底層係延伸形成於一基板之上。 14. 如申請專利範圍第1 3項的半導體裝置，其中，該 基底層包含選自於由GaN與AlGaN所構成之族群中的一材 料，且該包覆層所含之A IGaN具有一不小於0. 05的鋁係 數。 15. 如申請專利範圍第1 4項的半導體裝置，其中，該 基底層之一厚度不小於1微米。 16. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中，該 基底層包含一氮化鎵基之材料的一基板。

   第53頁 ^、申請專利範圍 "" --—--- 17· —種半導體裝置，包含： \a)由一氮化鎵基之材料製成的一基底層； b延伸形成於該基底層上的一包覆層；以及， (c)延伸形成於該包覆層上的一活化層，且該活化層 包含至少一InxAlyGabX-yN製成的一發光層（〇<χ<1，◦‘y $ 0.2)， 其中、，在該發光層之該發光層之一頻帶隙能量的該微 觀波動標準偏差σ不超過4〇 meV。 18·如申請專利範圍第1 7項的半導體裝置，其中，在 違發光層之遠頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過 3 0 meV 〇 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項的半導體裝置，其中，在 該發光層之一錮組成的一微觀波動標準不 0.067。 ^义2 〇 ·如申請專利範圍第1 9項的半導體裝置，其中，在 5亥2光層之該銦組成的該微觀波動標準偏差△ X不超過 21·如申請專利範圍第17項的半導體裝置，其中，該 之一微分增益『dg/dn』滿足dg/dn^1.0〆 Ο Γ) 其中，該 、、 ·如申請專利範圍第2 1項的半導體裝置 二之該微分增益『dg/dn』滿足dg/d11-1· 其中，該 2 3 ·如申請專利範圍第丨7項的半導體裝置

   第54頁 494583 六、申請專利範圍 基底層之一頂面 2 4. 如申請 包覆層與該活化 1 X 108 cm-2。 25. 如申請 發光峰部波長分 2 6. 如申請 發光峰部波長分 27. 如申請 至少一發光層包 0^y^0.05) 〇 28. 如申請 包覆層所含之一 射係數。 29. 如申請 基底層係延伸形 3 0.如申請 基底層包含選自 料，且該包覆層 數。 31.如申請 之表面位錯密度係小於1 X 1〇8 cnr2。 專利範圍第1 7項的半導體裝置，其中，該 層間之一介面的表面位錯密度係小於 其中，一 其中，該 其中，該 專利範圍第1 7項的半導體裝置 佈不超過40 meV。 專利範圍第2 5項的半導體裝置 佈不超過20 meV。 專利範圍第1 7項的半導體裝置 含 I nx A1 G a卜 N ( 0 < X $ 0 · 3， 專利範圍第1 7項的半導體裝置，其中，該 氮化鎵基之材料具有低於該活化層的一反 專利範圍第1 7項的半導體裝置，其中，該 成於一基板之上。 專利範圍第2 9項的半導體裝置，其中，該 於由GaN與AlGaN所構成之族群中的一材 所含之A IGaN具有一不小於0. 05的鋁係 專利範圍第3 0項的半導體裝置，其中，該 基底層之一厚度不小於1微米。 32.如申請專利範圍第17項的半導體裝置，其中，該 基底層包含一氮化鎵基之材料的一基板。

   第55頁 494583 六、申請專利範圍 33. 一種半導體裝置，包含： (a) 由一氮化鎵基之材料製成的一基底層； (b) 延伸形成於該基底層上的一包覆層；以及， (c) 延伸形成於该包覆層上的一活化層，且該活化層 包含至少一InxAlyG N製成的一發光層（0<x<l 0.2)， —— 其中’该活化層之一微分增益『dg/dn』滿足dg/dn -1· 0 X l〇-20(m2)。

   3 4.如申請專利範圍第3 3項的半導體裝置，其中，該 活化層之該微分增益『dg/dn』滿足dg/dn^l.4x 10-2°(m2)。 * 3 5.如申請專利範圍第3 3項的半導體裝置，其中，在 该發光層之该發光層之一頻帶隙能量的該微觀波動標準偏 差¢7不超過4 0 m e V。 3 6·如申請專利範圍第3 5項的半導體裝置，其中，在 該發光層之該頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過 30 meV 〇 3 7·如申請專利範圍第3 3項的半導體裝置，其中，在

   該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏差△χ不超過 0.0 67。 38·如申請專利範圍第37項的半導體裝置，其中，在 該發光層之該銦組成的該微觀波動標準偏差△ χ不超過 0.04。 39.如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該

   第56頁 494583 六、申請專利範圍 基底層之一頂面的表面位錯密度係小於1 X 1 〇8 cm—2。 40. 如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該 包覆層與該活化層間之一介面的表面位錯密度係小於 1 X 1 08 cm-2 〇 41. 如申請專利範圍第3 3項的半導體裝置，其中，一 發光峰部波長分佈不超過40 meV。 42. 如申請專利範圍第4 1項的半導體裝置，其中，該 發光峰部波長分佈不超過20 meV。

   43. 如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該 至少一發光層包含 I nx A ly Gaity Ν (0<χ$0·3，0Sy$ 0.05)。 44. 如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該 包覆層所含之一氮化鎵基之材料具有低於該活化層的一反 射係數。 45. 如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該 基底層係延伸形成於一基板之上。 46. 如申請專利範圍第45項的半導體裝置’其中’該 基底層包含選自於由GaN與AlGaN所構成之族群中的一材

   料，且該包覆層所含之A IGaN具有一不小於0. 05的鋁係 數。 47. 如申請專利範圍第46項的半導體裝置，其中，該 基底層之一厚度不小於1微米。 48. 如申請專利範圍第33項的半導體裝置，其中，該 基底層包含一氮化鎵基之材料的一基板。

   第57頁 494583 六、申請專利範圍 "~一 4 9· 一種層狀結構，包含：一活化層，其含有 Ir^AlyGaityN 的至少一發光層（〇<x<i，0$y$〇2)， 其中’在該發光層之一銦組成的一微觀波動標準偏差 △ X不超過0.067。 50·如申請專利範圍第49項的層狀結構，其中，在該 發光層之該銦組成的該微觀波動標準偏差A X不超過 0 · 0 4 〇 51·如申請專利範圍第49項的層狀結構，其中，在該 發光層之一頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過4 0 meV ° 乂 ^ 5 2 ·如申請專利範圍第5 1項的層狀結構，其中，在該 &光*層之該頻帶隙能量的該微觀波動標準偏差σ不超過3 0 meV ° 請專利範圍第49項的層狀結構，其中，該第 位錯密度係小於1 X 1 08 cnr2。 請專利範圍第49項的層狀結構，其中，一發 佈不超過40 meV。 5 3. 如申 一層之一底面 5 4·如申 光峰部波長分 5 5 l ^ ·如甲請專利範圍第54項的層狀結構，其中，該發 先峰部波長分佈不超過20 meV。 5 6 少如申請專利範圍第49項的層狀結構，其中，該至 夕 $發光層包含InxAlyGai—"Ν (0<χ$0·3，0-y$〇.〇5)。 7 · —種層狀結構，包含··一活化層，其含有 i n A 1 p x ^ai-x-yN 的至少一發光層（〇<χ<1，〇sy$〇 2)， 其中’在該發光層之一頻帶隙能量的該微觀波動標準

   第58頁 「專利範圍 是σ不超過40 meV。 發光5属8·如申請專利範圍第57項的層狀結構，其中，在1 層之該頻帶隙能量的該微觀波動標在該 meV。 平艰差π不超過3〇 發光如申請專利範圍第57項的層狀結構，其中，在該 0.〇6^之一銦組成的一微觀波動標準偏差Δχ不超過 ^ 發光6〇.如申請專利範圍第59項的層狀結構，其中，在該 ^ 〇4層之該銦組成的該微觀波動標準偏差Δχ不超過 ^ 6 1.如申請專利範圍第57項的層狀結 ^ ^ &一底面位錯密度係小於1 X 1 〇8 cm-2 光6a2·如申請專利範圍第57項的層狀結 波長分佈不超過40 meV。 光 7·如申請專利範圍第62項的層狀結 部波長分佈不超過2〇 meV。 構，其中，該發 0 構，其中，一發 構，其中，該發 少—64·如申請專利範圍第57項的層狀結構，其中，該至 务光層包含InxAlyGah—yN (0<x$0.3，〇Sy$(K〇5)。 已5 · 種开》成半導體裝置的方法，其包含如下步驟： (a)在由氮化鎵基之材料製成的一基底層上形成一包 覆層； (b)藉由使用包含氨氣的來源氣體之金屬有機氣相磊 晶方法’而於該包覆層上形成一活化層，且該活化層至少 包含由ΙηχΑ1^&1-χ—yN製成的一發光層（〇<x<l，〇 -

   第59頁 494583 六、申請專利範圍 0· 2)， 其中，當形成該發光層時，將該氨氣之一局部壓力維 持在至少不超過11 0 hPa。 6 6. 如申請專利範圍第6 5項的方法，其中，當形成該 發光層時，將該氨氣之該局部壓力維持在至少不超過9 5 hPa ° 67. 如申請專利範圍第65項的方法，其中，該基底層 之一頂面的表面位錯密度係小於1 X 1 08 cm—2。

   68. 如申請專利範圍第65項的方法，其中，該包覆層 與該活化層間之一介面的表面位錯密度係小於 1 X 1 08 cm-2 〇 6 9. 如申請專利範圍第6 5項的方法，其中，該至少一 發光層包含InxAlyGah—yN (0<x $0· 3，0 - y $0. 05)。 70. 如申請專利範圍第65項的方法，其中，該包覆層 所含之一氮化鎵基之材料具有低於該活化層的一反射係 數。 71. 如申請專利範圍第6 5項的方法，其中，該基底層 係延伸形成於一基板之上。

   72. 如申請專利範圍第71項的方法，其中，該基底層 包含選自於由GaN與A IGaN所構成之族群中的一材料，且該 包覆層所含之A IGaN具有一不小於0. 05的鋁係數。 73. 如申請專利範圍第72項的方法，其中，該基底層 之一厚度不小於1微米。 74. 如申請專利範圍第65項的方法，其中，該基底層

   第60頁 494583 六、申請專利範圍 包含一氮化鎵基之材料的一基板。 1