515106 A7 B7 五、發明説明（1 ) 【技術領域】 本發明係相關雙極性電晶體、半導體發光元件、及半 導體元件。 【技術背景】 屬於m — V族化合物半導體的G a A s系電晶體，相 較於S I電晶體之下，具有高動作頻率數、低雜音、高輸 出、高增益、低動作電壓、高動作效率、及低消耗電力等 各種優越特徵。因爲該等特徵，G a A s系異質接合雙極 型電晶體（Heterojuction Bipolar TranSIster，以下稱「Η B Τ」）、或G a A s系異質接合電場效應型電晶體（high electron mobility tranSIster，以下稱「Η EMT」），在作 爲移動通訊用元件等方面，已然被實用化。 即便此GaAs系電晶體中，GaAs系HBT相較 於Η Ε Μ T下，因爲可利用較少電源個數進行驅動，所以 適用於裝置小型化。另，G a A s系Η Β Τ因爲採用植入 於集極中的「熱電子（Hot-electron )」的可變導電，所以 具優越的高速動作性。因此，GaAs系HBT便形成支 撐行動電話等移動通訊等的關鍵元件，而被迫切的期待著 〇 在此類行動電話等之中，一般需要依約4 . 7V或約 3 · 5 V之低動作電壓，便可獲得較高電流增益的功率元 件。上述G a A s系HB T因爲利用較基極層更大能隙的 材料形成射極層，並抑制由基極層對射極層的少數載子植 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 4 - 515106 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 入，所以相較於同質接合雙極型電晶體的話，便可獲得較 大的電流增益。但是，在習知G a A s系HBT中，被要 求更高的電流增益。即，雖習知射極層亦如同基極層等採 用G a A s層，但因爲產生由基極層對射極層的反植入， 而造成電流增益降低的課題。 針對此課題的解決方法，在日本特開平1 1 -2 7 4 1 6 7號公報等之中，便有提案在射極層中，採用 I n G a P層的雙極型電晶體。此乃屬於使射極層形成擁 有較大能帶的I n G a P，俾減少上述反植入的發明。但 是，即便採用I n G a P之情況下，因爲亦無法稱謂其能 帶具足夠大，而無法大大的減少反植入。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另，在日本特開平9 — 307100號公報中，於利 用G a A s系Η Ε Μ T提高閘極與汲極間之耐壓的方法， 有提案採用寬能帶半導體的方法。此乃在G a A s系 HEMT中的電子供給層，採用較上述I n G a P具更大 能帶的S I C、或I HA 1 GaN等寬能帶半導體的方法 。但是，Η Ε Μ T中的電子供給層，乃屬爲將電子供給於 高純度G a A s層的層，膜厚度僅要數十nm的話便已足 夠。相對於此，GaAs系HBT中的η型射極層，屬於 構成電晶體中之η ρ η接合的其中一層，因爲ρ型基極層 上封閉正孔，所以其膜厚度便必需數百n m左右。因此可 判定G a A s系HBT的射極層，在利用如同G a A s系 HEMT相同的方法，形成寬能帶半導體上，乃屬極爲困 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 5151〇6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7_ 五、發明説明（3 ) 有鑑於斯，本發明者遂就爲對射極層與基極層形成能 帶差較大的異質接合，而獲得較高G a A s系HB T電流 增益，進行各種重複實驗。結果便獨自先知藉由在 GaAs系HBT中，射極層採用I nGaN或I nN的 話，便可獲得較高電流增益的HBT。另，本發明者再重 複實驗的結果，發現採用此類形成較大能帶差之異質接合 的方法，即便在G a A s系半導體發光元件等之中，亦可 獲得高性能元件。 【發明開示】 本發明爲解決上述課題，其目的在於形成能帶差較大 的異質接合，而提供一種更高性能的半導體元件。 本發明雙極性電晶體的特徵在於具備有： 基板； 形成於該基板上，且由第一導電型半導體所構成的集 極層； 形成於該集極層上，且由含有GaAs、 InGaAs、AlGaAs、InAlGaP、 I n G a A s P、GaSb、GaAsSb、GaNAs 、：[nGaNAs、SiGe、HgCdTe 中之任何材 料的第二導電型半導體所構成的基極層；以及 形成於該基極層上，且含有較該基極層更大能帶之第 一導電型的InpGax-pN (〇<p$l)的射極層。 再者，本發明之半導體發光元件，其特徵在於具備有 本張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -. 、-5'u 線 515106 A7 _____B7_ _ 五、發明説明（4 ) 由第一導電型半導體所構成的第一導電型覆蓋層； 形成於該第一導電型覆蓋層上，且含有 I HaA 1 bG 3. 1-a-bA S cP 1-c ( 〇 ^ S ^ 1 ’ 0 — b$l ，OSa+bSl，OScSl)，並經電流貫入 而發光的活性層；以及 形成於該活性層上，並含有第二導電型之 I n r G a 1 - r N (0<r$l)的第二導電型覆蓋層。 再者，本發明之半導體元件，其特徵在於具備有： 由IntGai-tN (0<tSl)所構成的第一半導 體層；以及 與該第一半導體層異質接合，且含有較該第一半導體 更小電子親和力的GaAs、InGaAs、
AlGaAs、InAlGaP、InGaAsP、 GaSb、GaAsSb、GaNAs、I n G a N A s 、S i Ge、HgCdTe中之任何材料的第二半導體層 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明第一實施態樣之雙極性電晶體的剖面 示意圖。 第2圖係本發明第二實施態樣之半導體發光元件的剖 面示意圖。 第3圖係本發明第三實施態樣之半導體發光元件的剖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) 777 '一 - I--- n I >tl n.—τ ϋ I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 515106 A7 —_B7_______ 五、發明説明（5 ) 面示意圖。 第4圖係本發明第四實施態樣之半導體元件的剖面示 意圖。 【發明實施態樣】 以下，請參閱圖示，針對本發明實施態樣進行說明。 以下分別針對第一實施態樣的G a A s系異質接合雙極性 電晶體、第二實施態樣的G a A s系發光二極體、第三實 施態樣的G a A s系雷射二極體、及第四態樣的G a A s 系Η Ε Μ T進行說明。 (第一實施態樣） 第一實施態樣的雙極性電晶體特徵之一，由第1圖所 示得知，在G a A s系元件中，射極層1 0 6與射極接觸 層1 0 7係採用I n G a N之點。 第1圖所示係本發明第一實施態樣之雙極性電晶體的 剖面示意圖。在S I — G a A s基板（半絕緣性G a A s 基板）10 1上，依序形成由未摻雜的G a As所構成的 緩衝層1 0 2、由高濃度η型G a A s所構成膜厚5 0 0 nm的集極接觸層1 〇 3、由η型G a A s所構成膜厚 5 0 0 nm的接觸層1 〇 4、及由ρ型G a A s所構成膜 厚5 〇 nm的基極層1 〇 5。另，亦有將該等層稱之爲 G a A s層1 0 1〜1 〇 5的情況。在基極層1 0 5上依 序形成由η型I n〇.5G a q.5N所構成的射極層1* 〇 6 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) 7^1 im m·— Mam ——ϋ 1·- - ι_ϋ -gjv· «—·ϋ I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 515106 A7 B7 五、發明説明（6 ) 、由組成傾斜之η型I n G a N所構成的射極接觸層 1 0 7。射極層1 0 6與射極接觸層1 0 7之膜厚，總計 爲 4 0 0 n m。 在上述射極層1 06中，透過射極接觸層1 07，由 射極電極1 1 2賦加電流、電壓。此處爲較容易取得射極 電極1 1 2與射極層1 0 6的歐姆接觸，射極接觸層 107的I η組成在圖中越往上端越高的話。另，在基極 層1 0 5中，由基極電極1 11賦加電流、電壓。再者， 在接觸層1 0 4上，透過集極接觸層1 0 3，由接觸電極 1 1 0賦加電流、電壓。第1圖的雙極性電晶體係在接觸 層104上，依序接合基極層105、射極層106的 η ρ η接合構造，如同一般電晶體，對各自層賦加特定的 電壓、電流，而使電晶體動作。 第1圖的雙極性電晶體係由G a A s所構成的基極層 105、與由I nGaN所構成的射極接合的異質接合雙 極性電晶體（Η B T )。然後，第1圖的Η Β Τ係採用 GaAs基板1 0 1而形成的GaAs系ΗΒΤ。另，第 1圖之雙極性電晶體在爲說明容易上，便變更倍率顯示。 其次，針對第1圖所示雙極性電晶體的製造方法進行 說明。（1)首先，將SI— GaAs基板1〇1配置於 晶座上，將其加熱至7 0 0 °C左右的溫度。然後，流通 TMG (三甲基鎵）、AsH3及氫載子氣體，而成長由無 摻雜的GaAs所構成的緩衝層102。另，GaAs的 結晶構造係屬閃鋅構造。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ g _ ^15106 A7 B7_ i、發明説明（7 ) (2 )其次，將基板溫度保持7 0 0°C，並流通 (三甲基鎵）、AsH3、η型摻雜材料的s丨 、及氮載子氣體，而成長由η型G a A s所構成的集極接 觸層103及接觸層104。 (4 )接著’將基板溫度保持7 0 0 °C，並流通 TMG (三甲基鎵）、AsH3、p型摻雜材料、及氫載子 氣體，而成長由P型GaAs所構成的基極層1〇5。此 處將A s Η 3 / T M G原料供給比設定在1以下。p型摻雜 材料係可採用CB r 4或TMA s (三甲基砷）等。 (4 )其次，將基板溫度保持7 0 0 °C，並流通 TMG、TMI (三甲基銦）、NH3、n型摻雜材料的 S 1 H4、及氫載子氣體，而成長由η型I n G a N所構成 的射極層1 〇 6及射極接觸層1 〇 7。此射極層1 〇 6、 射極接觸層1 0 7的η型I n G a N之結晶構造，係屬閃 鲜構造。 (5 )接著，將基板1 〇 1冷卻至室溫後並取出，並 施行蝕刻而形成如第1圖所示形狀之後，便形成接觸電極 1 10、基極電極1 1 1、及射極電極1 1 2。 在藉由上述說明的方法所形成的第1圖之G a A s系 HBT中，因爲將由GaAs所構成的基極層105、與 由I n G a N所構成的射極層1 〇 6予以異質接合，便可 提供電流增益較高、特性穩定的元件。換句話說，構成基 極層1 0 5的G a A s之能帶約1 . 4 e V，相對於此， 構成射極層1 0 6的I η。. 5 G a 〇 . 5 N之能帶約 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515106 A7 _____B7 五、發明説明（8 ) ϋϋ ml m In p>fti ϋϋ ϋ>^Γ1 1 n 磷 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 · 4 e V，藉由將此種能帶差較大的半導體施行異質接 合’便可抑制由基極層1 〇 5對射極層1 〇 6的載子反植 入’而可提昇電流增益。 原本在習知GaAs系HBT中，採用如I nGaN 之類能帶較大的材料，由結晶成長觀點觀之，可判定爲極 困難。此乃晶隔常數的不整合、及成長溫度的不同所致。 以下便予以詳細說明。 經濟部智慧財產苟員工消費合作社印製 能帶較大的半導體材料，有如所周知的G a N、 AlGaN、S I C、ZnSe等寬能帶半導體。此處所 謂寬能帶半導體，大多指具有相當於藍色發光之2 · 6 v 以上能帶的半導體。此寬能帶半導體與G a A s系半導體 的晶格常數有著較大不同。譬如當在G a A s層上形成 G a N層之情況時，G a A s (閃鋅構造）的晶格常數爲 0 · 5 6 5 n m，相對於此，因爲G a N (閃鋅構造）的 晶格常數爲0 · 4 5 n m左右，該等層的晶格不整便形成 2 0 . 5 %的較大値。若除此之外，尙在G a N層中添加 A 1的話，晶格不整的値便將變得再更大。此若考慮習知 所採用的G a A s與A 1 G a A s之異質接合中的晶格不 正爲1 %以下的話，便屬於非常大的値。如此若利用晶格 不正較大的結晶形成異質接合的話，結晶便較容易產生龜 裂。除此之外，該等之寬能帶半導體的晶格常數，亦小於 G a A s。因此，若將第1圖之雙極性電晶體的射極層 106、射極接觸層107形成寬能帶半導體的話，在此 寬能帶半導體中，便在被拉張的方向上被賦加應力。如此 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） · 11 - 515106 Α7 Β7 五、發明説明（9 ) ’在被拉張方向上被賦加應力，與在被壓縮方向被賦加應 力的情況相較之下，特別容易產生龜裂。再者，第1圖之 雙極性電晶體的射極層1 〇 6、射極接觸層1 0 7係構成 η ρ η接合的其中一層，因爲在p型基極層1 〇 5上將正 孔封閉，所以需要數百n m的膜厚。如此形成數百n m以 上膜厚之情況，與形成數十n m左右膜厚之情況不同，極 容易產生龜裂。 再者，通常寬能帶半導體的結晶成長溫度極高。譬如 MOCVD法的成長溫度，GaAs爲600 °C〜 700 t：左右，相對於此，GaN爲1 100°C左右， A 1 G a N爲1 2 0 0 t左右。在如此高溫下，當形成第 1圖的寬能帶半導體層106，107時，將產生由 G a A s層1〇2〜105的激烈的拔脫人3，而無法保 持G a A s層1 〇 2〜1 0 5的品質。所以爲規避此，若 將寬能帶半導體層在與G a A s層相同程度的低溫下成長 的話，通常此寬能帶半導體層的結晶特性便將顯著的劣化 〇 如上所述，如第1圖G a A s系HBT的射極層 1 0 6、射極接觸層1 〇 7採用如寬能帶半導體之類的能 帶較大的半導體，就由結晶成長的觀點論之，可判定屬極 爲困難。 惟，本發明者便就G a A s系Η B T的射極層1 0 6 、射極接觸層1 0 7，採用能帶較大的半導體而應獲得較 高電流增益的元件，重複進行各種實驗。結果獨自先知藉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫· ^#1. 寫本頁一 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） _ 12 _ 515106 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（10 ) 由射極層106、射極接觸層107採用InpGai — PN (0 < P ^ 1 )，便可解決。此InpGax-pN的能帶 1 · 9eV〜1 · 4eV，較GaAs能帶的約 1 · 4eV 爲大。另，此 I nPGai-PN (0<ρ$1) 係可將結晶成長溫度下降至8 0 0 °C以下，即便通常的 G a A s系極晶成長裝置，亦不致使結晶品質劣化，可充 分成長。同時，當將此I nPGa i-PN使用於G a A s系 HB T時，並無產生上述龜裂。相關其理由，本發明判斷 爲如下所述。 首先，可認爲乃因I η結晶具有柔性特性所致。 GaA與I npGax — ΡΝ之晶格不整在1 2%左右以上。 若著眼此晶格不正之大小的話，在習知技術常識中，在數 //m之GaAs層101〜105上形成數百之 I nPGai — PN層，乃屬極困難。實際上，依照本發明者 的實驗，當將射極層1 0 6的I η 〇 . 5 G a 〇 . 5 N，取代 爲晶格常數幾乎相等的I n A 1 G a N層之情況時，便將 產生龜裂。但是，依本發明者的實驗，當射極層1 〇 6、 射極接觸層1 0 7採用I n p G a i - p N之情況時，便不致 產生龜裂。此是乎可認爲乃相對A 1結晶較硬，I η結晶 較爲柔軟所致。如此便可判定因爲I η結晶較柔軟，即便 射極層106、射極接觸層1〇7採用I nPGai-PN， 亦不致產生龜裂。 其次，可認爲n p G a 1 - p N的結晶構造較容易形成閃 鋅構造所致。在上述晶格常數的說明中’ G a N系材料形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13 - ί - - m-1 ........ m· —·--1 —ϋ m I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 _! 515106 Α7 Β7 五、發明説明（彳1 ) 1 —-ϋ mi n ϋϋ <—層 Βϋ nf I— ·ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 成閃鋅構造者進行說明。此乃第1圖之G a a s層1 〇 1 〜1 0 5的結晶構造亦較容易形成閃鋅構造，而形成於其 上的半導體層106，107之結晶構造，亦較容易形成 閃鋅構造所致。但是，G a N系材料，通常較容易形成纖 鋅礦。特別A 1摻入的A 1 N、A 1 GaN、 A 1 I n G a N，此傾向較強烈。所以，若將a 1摻入的 GaN系材料形成於GaAs層1 〇 1〜1 〇 5上的話， 便容易形成纖鋅礦。但是，纖鋅礦構造的G a Ν系材料， 在相較於閃鋅礦構造的G a N系材料下，晶格常數變得較 小。即，與G a A s的晶格不正將再變大。因此，可判定 若將A 1摻入的GaN系材料形成GaAs層1 0 1〜 1 0 5上的話，便將容易產生龜裂。相對於此，在將 I n p G a 1 — P N形成於G a A s層1 〇 1〜1 〇 5上的情 況下，便較容易形成與G aA s層1 〇 1〜1 〇 5相同的 結晶構造。因此可判定較不容易產生龜裂。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 綜上所述，在第1圖的G a A s系HBT中，藉由射 極層1 0 6、射極接觸層1 0 7採用I nPG a 1- pN，便 可獲得電流增益較大的元件。 在以上所說明的第1圖之G a A s系Η B T中，雖於 由η型I nQ.5Ga〇.5N所構成的射極層1〇6上，設 置由組成傾斜的η型I n G a N構成的射極接觸層1 〇 7 ，該等總膜厚合計設爲4 0 0 n m，但即便未設置由η型 InGaN構成的射極接觸層107，而將射極層106 設爲膜厚4 0 0 n m組成傾斜的η型I n G a N，亦可把 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 OX297公釐） -以- 515106 A7 ________B7_ 五、發明説明（12 ) 握开>成如弟；[圖所示G a A s系HB T。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另’在第1圖所示的GaA s系HBT中，雖將射極 層1 0 6與其上的射極接觸層1 〇 7，設成膜厚總計 4 0 0 n m ’但依照本發明的實驗，若此厚度約 2 0 0 nm以上的話，便可將基極層1 〇 5中的正孔予以 _寸W Μ旦’其厚度則隨射極層1 〇 6、射極接觸層1 〇 7 的I n G a Ν之I η組成値而變化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，在第1圖所示GaAs系ΗΒΤ中，基極層 105的材料雖採用GaAs ，但亦可採用如與In的三 族混晶，如 I n G a A s、I n A 1 G a P、 InGaAsP;或與Sb的五族混晶，如GaAsSb ' G a A b等。該等情況下，可將更加大射極層1 〇 6與 S極層1 0 5之間的能帶差，便可使開啓電壓降低。另， S極層1 〇 5的材料，亦可採用與氮的五族混晶，如 G a G a M A s、G a A s Ν。但是，此情況下，必須將 氮的混晶比設定在〇 · 〇 2以下。此乃一般與氮的混晶的 能帶’大於G a A s所致。另，基極層1 〇 5的材料，亦 可採用 AlGaAs、S iGe、HgCdTe。另，上 述所說明的材料，亦可使用於接觸層1 〇 4中。 另’在第1圖所示G a A s系Η B T各層的角落，因 S較容易隨電流極中而產生劣化，所以可預先在各層間形 成通稱山脊的突出部。 再者’在第1圖的G a A s系ΗΒΤ中，爲求各層蝕 刻去除的穩定性，可在必要部分適當的插入蝕刻頂層。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 515106 A7 ____ B7 五、發明説明（13 ) (第一變化例） 相關第一實施態樣的第一變化例，乃將G a A s系 HBT設成雙異質接合型。變化點乃在第1圖中，接觸層 採用η型InGaN之點。當採用此類材料之情況時，便 可獲得更高的電流增益。如此當接觸層1 〇 4利用 I n G a N形成之情況時，由基板1 〇 1至集極接觸層 1 〇 3爲止的構造，可依如下三種方法構成。 第一方法，如同第一實施態樣，將S I - G a A s作 爲基板1 〇 1用，而緩衝層1 〇 2則採用G a A s、集極 接觸層103則採用η型GaAs或η型InGaN的方 法。此方法可採用大口徑的G a A s作爲基板。 第二方法，係以第一方法爲基本，更進一步改善 I n G a N層1 〇 3或1 0 4之結晶品質的方法，乃將緩 衝層1 0 2分割成第一 G a A s緩衝層與第二G a N緩衝 層的方法。在此方法中，第二G a N緩衝層最好爲將 G a A s表面予以氮化的程度。另，集極接觸層1 〇 3最 好爲η型inGaN層。 第三方法，係基板1 0 1採用藍寶石或S I C等原本 在G a N系結晶成長中經常採用的材料，緩衝層則採用 G a N或a 1 n、I η N等氮化層的情況。在此情況下， 亦因爲更進一步改善結晶品質，所以集極接觸層1 0 3最 好爲η型inGaN。此情況下，接觸層1〇3、集極接 觸層1 0 4的I n G a N結晶構造係形成纖鋅礦構造，相 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
’IT 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 -16- 515106 A7 B7 五、發明説明（14 ) 對於此’因爲射極層106、射極接觸層107的 I n G a N結晶構造則爲閃鋅礦構造，因此亦可利用因結 晶構造不同的能帶差。 (第二變化例） 相關第一實施態樣的第二變化例，將基極層1 〇 5設 定爲GaNAs。在此材料系統中，因爲隨氮（n)含量 而變成較I n G a A s更小的能帶能量，因此可期待低電 壓動作。對五族整體的氮（N )混晶比最好在2 %以下。 另，對三族整體的I η混晶比爲〇 · 5。 (第三變化例） 相關第一實施態樣的第三變化例，將射極接觸層 107設定爲依序形成η型I nGaP、η型GaAs、 η型I nGaAs的構造之點。n型i nGaP、η型 G a A s、η型I n G a A s則依此順序降低能帶。所以 ，藉由採用此射極接觸層， 便較容易獲取射極電極1 1 2與射極層1 0 6的歐姆 接觸。此情況下，在射極層1 0 6的I n G a N中，雖亦 由圖中上端賦加拉張方向的應力，亦未發現有龜裂的產生 〇 (第二實施態樣） 第二實施態樣係將本發明使用於半導體發光元件，由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） 「17 - -----— ^ — 峰| (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 515106 A7 B7 五、發明説明（15 ) 第 2 圖中得知，GaAs 系 LED ( Light Emitting Diode ) 中，採用由p型I nGaN所構成的p型覆蓋層2 2 3。 第2圖所示係本發明第二實施態樣之半導體發光元件 的剖面構造圖。此半導體發光元件係採用由η型G a A s 所構成厚度250 · 0//m的基板210，而所形成的 GaAs系LED。在基板2 1 0上，依序形成由η型 I no.5 (Al〇.6Ga〇.4) 〇.5Ρ 所構成之膜厚 1 . 0 //m的η型覆蓋層221、由 1 n〇.5 (A l〇.4Ga〇.6) 〇.5Ρ 所構成之膜厚 1 · 0 //m的發光層2 2 2、由η型G a A s所構成的電流阻止 層2 24、由P型I no.2Gao.8N所構成的p型埋藏 層225、由P型GaAs所構成的p型接觸層230。 然後，分別在基板2 1 0於圖中的下方形成η端電極 250，Ρ型GaAs接觸層2 30於圖中的上方形成Ρ 端電極240。其中，在p端電極240採用Au — Zn 合金，而η端電極2 5 0採用Au — G e合金乃屬一般。 另，在第2圖中，爲說明上的容易，改變倍率顯示。 在第2圖的GaAs系LED中，由η端電極2 5 0 與Ρ端電極240，向發光層222貫入電流。此時，η 型覆蓋層2 2 1與Ρ型覆蓋層2 2 3係較發光層2 2 2有 更大的能帶能量，而具有在發光層2 2 2上封鎖載子的作 用。所以，藉由電流的貫入，便可使發光層2 2 2發光。 在第2圖的G a A s系L ED中，爲ρ型覆蓋層 2 2 3採用能帶較大的I nG.2Gao.sN，所以便可抑 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） :18: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、^τ 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 515106 A7 B7 五、發明説明（16 ) 制來自發光層2 2 2之電子的溢流，相較於習知的 GaAs系LED下，發光效率約改善30%。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 相對於此，習知P型覆蓋層2 2 3採用能帶小於 I n〇.2Ga〇.8N 的 I Π 0 . 5 (A l〇.6Ga〇.4) 0 . 5 P 〇 此 I n〇.5 (A 1〇.6〇3〇.4) 0.5?的晶格常數，接近於 構成基板210的GaAs之晶格常數〇·565nm， 晶格不正爲1 %以下。但是， 1 η〇·5 (A l〇.6Ga〇.4) 〇.5P因爲與構成發光層 2 2 2之111。.5(六1。.4〇3〇.6)〇.5?的能帶相接 近，便將引起從發光層2 2 2的電子溢流。原本，習知如 第一實施態樣中所說明單的晶格整合、及晶格成長溫度的 觀點觀之，認爲將能帶能量大於 1 n〇.5 (A l〇.6Ga〇.4) q.sP的材料採用爲p型覆 蓋層2 2 3上較爲困難。特別在如第2圖的發光二極體中 ，因爲抑制從發光層2 2 2的載子溢流，所以p型覆蓋層 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 2 3的膜厚便需要數百/zm，在爲成長此程度膜厚的結 晶，可判定必需採用晶格常數與G a A s或 I η。· 5 ( A 1。· 4 G a 〇 . 6 )。· 5 P 較接近的材料。惟， 本發明者利用實驗，獨自得知p型覆蓋層2 2 3可採用 I nrGai-rN (〇<r^l)。此理由如同在第一實施 態樣中所說明分析。 在上述所說明的第2圖之半導體發光件中，雖將？型 覆蓋層2 2 3的膜厚設定爲2 0 0 nm，但依照本發明者 本^張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^- 515106 A7 B7 五、發明説明（彳7 ) 的實驗，此膜厚僅要在約1 〇 〇 nm以上的話， 便可獲得改善發光效率的功效。 另，在第2圖的半導體發光元件中，雖將η型覆蓋層 22 1 設爲 I n〇.5 (A l〇.6Ga〇.4) 〇.5Ρ，但亦可 將其設成I n G a Ν。此情況下，雖可更進一步提昇抑制 從發光層2 2 2的電子溢流的效果，但因爲將引起隨晶格 不整合的結晶特性劣化，所以發光效率便與第2圖的半導 體發光件相同程度。 再者，在第2圖的半導體發光元件中，於元件形成後 ’亦可剝離GaAs基板210，或在基板210與覆蓋 層2 2 1之間插入由A 1 P/G a P等所構成的多層反射 膜。如次的話，隨G a A s基板2 1 0的光吸收將消失， 可獲得更高發光效率的半導體發光元件。 (第三實施態樣） 第三實施態樣乃將本發明作爲半導發光元件的雷射二 極體（LD)，由第3圖中得知，GaAs系LED採用 η型I nGaN覆蓋層303，p型I nGaN覆蓋層 3 0 9。 第3圖所示係本發明第3實施態樣之半導體發光元件 的剖面構造圖。此半導體發光元件係採用由η型G a A s 所構成的基板301而所形成的GaAs系LD。在基板 30 1上，依序形成緩衝層302、由η型I nGaN所 構成的第一 η型覆蓋層3 0 3、由η型InA 1 G a P所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 20 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .·! 訂 經濟部智慧財產苟員工消費合作社印製 、經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515106 A7 B7 五、發明説明（18 ) 構成的第二η型覆蓋層3 04、由η型I nA 1 Ga P所 構成的第一導層3 0 5、由MQW構造I nA 1 G a P/ InAlGaP所構成的活性層306、由 I nAlGaP所構成的第二導層307、由p型 InAlGaP所構成的第一 p型覆蓋層308、由p型 I nGaN所構成的第二p型覆蓋層309。然後，在第 二P型覆蓋層3 0 9上，選擇性的形成由p型 I nA 1 Ga P構成的第三覆蓋層3 1 0、及由η型 G a A s所構成的電流阻止層3 1 1 ，在該等之上，則形 成由P型GaAs所構成的p型接觸層312。在此p型 接觸層3 1 2的圖中上端，一端的電極上形成p端電極 3 2 0。另一電極則形成η端電極3 3 0，則形成於基板 30 1的圖中下端。此外，第一 η型覆蓋層30 3與第二 Ρ型覆蓋層3 0 9之I n G a Ν結晶構造形成閃鋅構造。 在第3圖的GaA s系LD中，由η端電極3 3 0與 Ρ端電極3 2 0，將電流貫入於活性層3 0 6中。此時， η型覆蓋層303，304與ρ型覆蓋層308，309 ，3 1 0的能帶能量大於活性層3 0 6，而具有將載子封 閉於活性層3 0 6中的作用。另，電流阻止層3 1 1中並 未流通電流，此電流阻止層3 1 1係具有將第三覆蓋層 3 1 0下端之活性層3 0 6的電流變狹窄的作用。被貫入 電流之電流阻止層3 1 1下端的活性層3 0 6，放射出振 盪波長約6 8 0 nm的雷射光。此時，第一導層3 0 5與 第二導層3 0 7係具有將雷射光封閉於活牲層3 0 6中的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 21 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
515106 Α7 Β7 彡、發明説明（19 ) 作用。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在第3圖所示的G a A s系LD中，因爲第一 η型覆 藎層3 0 3與第二ρ型覆蓋層3 0 9，採用能帶能量較高 的I n G a Ν，因此可將光與電流封閉於活性層3 0 6周 圍，而可實現量子效率較高的L D。 相對於此，在習知的第一 η型覆蓋層3 0 3與第二p 型覆蓋層3 0 9中，採用能帶能量低於I n G a Ν的 I n A 1 G a P。此乃如同第二實施態樣，就由晶格整合 與晶格成長溫度的觀點，可認爲採用能帶能量大於 I n A 1 G a P的材料較爲困難所致。但是，本發明者經 由實驗獨自得知p型覆蓋層可採用I nsGai — SN (0< s ^ 1 )。此理由，如同第一實施態樣中所說明分析。 以上所說明的第3圖之半導體發光元件，雖活性層 3 〇 6採用I nA 1 Ga P，但配合振盪波長亦可採用不 同的材料。譬如，當振盪波長爲6 8、0 n m之情況時便可 採用I n G a P，當振盪波長爲7 8 0 n m之情況時便可 採用A 1 G a A s ，當振盪波長爲8 6 0 n m之情況時便 、經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可採用G a A s ，振盪波長爲9 8 0 n m之情況時便可採 用I n G a A s等。該等材料均可形成於G a A s基板 3 0 1 上。 再者，在第3圖所示的半導體發光元件中，雖基板 3 0 1採用G a A s ，但亦可採用G a N。此情況，基板 301、緩衝層302、第一η型覆蓋層303的結晶構 造便形成纖鋅礦構造，圖中較第一 η型覆蓋層3 0 3更往 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐）_ 22 _ 515106 A7 B7 五、發明説明（20 ) 上方的各層則爲閃鋅礦構造。在此構造中，因爲第一；Q型 覆蓋層3 0 3與第二P型覆蓋層3 0 9的結晶構造不同， 而利用該等能帶差與折射率差等，便可獲得雷射特性的改 善° (第四實施態樣） 第四實施態樣乃因爲將本發明採用雙異構造的 G a A s系Η Ε Μ T，如第4圖中得知，第一電子供給層 403與第二電子供給層405，採用 I no.5Gao.5N 〇 第4圖所示係本發明第四實施態樣之半導體元件的示 意圖。此半導體元件係採用由S I — G a A s所構成的基 板40 1而所形成的GaAs系HBT。在基板4 0 1上 ，形成由無摻雜I nGaAs所構成的緩衝層402、由 無雜摻I n G a N所構成的第一電子供給層4 0 3、由無 雜ί爹I nGaAs所構成的通道層404、由η型 I n G a Ν所構成的第二電子供給層4 〇 5、由η型 I n G a Ν所構成的歐姆接觸層4 0 6。然後鄰接歐姆接 觸層4 0 6形成由A u/T i層合構造所構成之屬歐姆電 極的源極電極4 1 0與汲極電極4 1 1。另，鄰接第二電 子供給層4 0 5形成由A u / N i層合構造所構成之宵特 基電極的閘極電極4 1 2。另，第二電子供給層4 0 5的 膜厚爲3 0 nm，歐姆接觸層4 0 6的膜厚爲2 0 nm。 第4圖所示半導體元件係採用電子親和力較大的 ------rll^ — Λυ — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -線 Hi! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 23 - 515106 A7 B7 五、發明説明（21 )
InGaAs ，與電子親和力較小的InGaN之二個異 質接合構造的電場效應電晶體。在第4圖的G a A s系 HEM 丁中，利用電子親力較大的通道層4 0 4使電子游 走。 第4圖之G a A s系HEMT的特徵之一，乃第二電 子供給層4 0 5與第一電子供給層4 0 3係採用電子親和 力較小的I n〇.5G a q.5N之點。藉此，在第4圖所示 GaAs系HEMT中，便可將電子供給層403， 40 5、與通道層404的電子親和力差予以變大。結果 ，便可由通道層4 0 4將更多的電子予以封閉，而獲得更 佳的夾止特性，較高的相互電容、閘極與汲極間較高的耐 壓。 在上述所說明的第4圖之G a A s系HEMT中，雖 電子供給層403，405採用I no.5Gao.5N，但 此I η組成可變化。惟，依照本發明者的實驗，當將電子 供給層4 0 3，4 0 5所採用I n G a Ν之I η紅成設定 爲4 0 %以上的話’特別在兀件特性將變佳。相關其理由 ，本發明者認爲在當如電子供給層4 0 3，4 0 5之類形 成數十nm的較薄膜厚時，若提高I η組成的話，比較可 使結晶特性變佳的原因所致。 另，在第4圖的HEMT中，雖通道層採用 InGaAs，但在採用 GaAs、AlGaAs、 InAlGaP、InGaAsP、GaSb、 GaAsSb、GaNAs、InGaNAs、SiGe 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 〇X 297公釐） ^24- " -----L_ί—AW— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515106 A7 B7 五、發明説明（22 ) 、H g C d T e等之情況時，亦獲得與本發明相同的效果 〇 再者，在第4圖中，雖針對雙異質接合構造的 Η EMT進行說明，但即便單異質構造的Η EMT亦可獲 得相同的效果。 【圖示符號說明】 101 SI— GaAs 基板 102 緩衝層 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) "經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 0 3 集 極 接 觸 層 1 0 4 接 觸 層 1 〇 5 基 極 層 1 0 6 射 極 層 1 〇 7 射 極 接 觸 層 1 1 0 接 觸 電 極 1 1 1 基 極 電 極 1 1 2 射 極 電 極 2 1 0 基 板 2 2 1 η 型 覆 蓋 層 2 2 2 發 光 層 2 2 5 Ρ 型 埋 藏 層 2 2 3 Ρ 型 覆 蓋 層 2 2 4 電 流 阻 止 層 2 3 0 Ρ 型 接 觸 層 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 25 - 515106 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（23 ] 1 2 4 0 P 丄山 m 電 極 2 5 0 η 丄山 m 電 極 3 0 1 基 板 3 0 2 緩 衝 層 3 0 3 第 一 η 型 覆 蓋 層 3 0 4 第 二 η 型 覆 蓋 層 3 0 5 第 一 導 層 3 0 6 活性 層 3 0 7 第 二 導 層 3 0 8 第 一 Ρ 型 覆 蓋 層 3 〇 9 第 二 Ρ 型 覆 蓋 層 3 1 0 第 二 覆 蓋 層 3 1 1 電 流 阻 止 層 3 1 2 Ρ 型 接 觸 層 4 0 1 基 板 4 0 2 緩 衝 層 4 0 3 第 一 電 子 供 給 層 4 0 4 通 道 層 4 0 5 第 二 電 子 供 給 層 4 0 6 歐 姆 接 觸 層 3 2 0 Ρ 端 電 極 3 3 0 η 丄山 m 電 極 4 1 0 源 極 電 極 4 1 1 汲 極 電 極 (請先閲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） _ 26 - 515106 A7 B7 五、發明説明（24 ) 412 閘極電極 經濟部智慧財產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)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 -