TW536859B - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
536859 A7
536859 A7 ______B7 五、發明説明（2 ) 重要。又在其他應用中，許多用途可藉具有進一步更短波 長的光源實現。 為了在氮化物半導體雷射裝置或發井裝置内獲得在短波 長下之發光，發射波長可藉改變活性層或發光層内含有In 的氮化物半導體中In晶體混合比例而不同，明確而言，發 射波長可藉減少In晶體混合比例而縮短。為了在氮化物半 導體雷射裝置或發光裝置内獲得在短波長下之發光，發射 波長可藉改變含有In的氮化物半導體於活性層或發光層内 的In晶體混合比例而不同，明確而言，發射波長可藉減少 In晶體混合比例而縮短。此外，當活性層具有一種結構， 其中在端發射裝置或雷射裝置中該活性層夾在上包覆層與 下包覆層之間，致使二包覆層的折射指數變小以及致使上 包覆層與下包覆層間之導波内側的折射指數變高，光線可 有效地限制在導波内，其造成雷射裝置内門檻電流密度的 減少。 然而，當波長生長較短時，其變成很難使用先前用作發 光層的InGaN或InGaN/InGaN的量子井結構，而在對應於 GaN的帶隙不大於365 nm的波長下，其變成很難使用InGaN 作為發光層。此外，當波長變成較短時，損耗由於導波内 引導層的光吸收而發生，導致增強的門檻電流。另外，又 在藉上包覆層與下包覆層的光限制中，因為（}_的使用可 保持由於導波内光吸收與光限制的損耗折射指數的差異， 所以必須使用具有大A1比例的氮化物半導體，因此，晶化 特性的問題變成更重要。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 B7 五、發明説明（3 此外，嘗試使該氮化物半導體裝置的波長變短，使用 AlGaN/AlGaN的量子井結構，然而，比較於傳統InGa]s^ 統’有無法獲得充分產量的傾向。 此外，在含有A1如AlGaN的氮化物半導體用於裝置中的 情況下，比較於其他不含A1的氮化物半導體時，熱膨脹係 數與彈性的差異極為不同，因此，當使用含有刈的氮化物 半導體時，容易產生裂痕，裂痕的產生會損害裝置，不像 其他晶化特性，因此，若無法防止裂痕之發生時，裝置無 法作為鼠化物半導體裝置。為了此理由，在使用上述具有 3 80 nm或更短發射波長的活性層的發光裝置與雷射裝置中 ’因為含有A1的氮化物半導體可使帶隙能量在氮化物半導 體内更大，其用於活性層及載體限制層、導光層及具有較 活性層更大帶隙能量的光限制層。即，在上述較短波長面 積發光裝置中，含有A1的氮化物半導體具有多層結構。另 一方面，上述產生裂痕的問題變成嚴重，因此，有較短波 長及裂痕產生的防止具有相反關係的傾向，而此變成對氣 化物半導體的發光裝置更短波長的嚴重障礙。此外，因為 GaN對在360 nm下的光線具有一吸收端且即使在較端部更 長波長的區約10 nm下亦具有高吸收係數，其變成彳艮難使 用上述380 nm或更短的較短波長面積的發光裝置與雷射裝 置内之GaN。 、 此外’因為發光裝置或雷射裝置内活性層具有發射效率 及内部量子效率，端視上述其晶化特性而定，配置載活性 層下方之導電型層的晶化特性對改良裝置的特性變成一種 張尺度通用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公爱) —----- 536859
極重要因素。通常，氮化物半導體發光裝置具有一種n型 層、活性層及Ρ型層按序層壓的結構，在此情況下，必須 使η型層的晶化特性變佳。另一方面，如上所述，有一種 傾向，即，含有Α1的氮化物半導體的晶化特性比較於其他 不含Α1的氮化物半導體惡化很多，以前，為了避免該問題 ’含有In的氮化物半導體層用作含有μ的氮化物半導體的 基材層以緩和由於熱膨脹係數的差異内部應力的發生，不 含A1如Ga的氮化物半導體設置在含有A1的氮化物半導體層 的附近以完成晶化特性的恢復及内部應力的緩和，藉此其 容許一種具有其内設置含有A1的氮化物半導體層結構的裝 置如雷射裝置實際運用。然而，在上述具有較短波長的發 光裝置與雷射裝置中，不含A1的氮化物半導體變成光吸收 層而其在裝置結構中的用途不佳，因此，大部分裝置結構 使用含有A1的氮化物半導體層。因此，由於上述晶化特性 及裂痕的發生，無法獲得具有實用門檻Vf及發射效率的發 光裝置與雷射裝置，特別是，在使用許多含有A1並具有A1 晶體混合比例的氮化物半導體於導光層及光限制的包覆層 内的雷射裝置中，無法獲得可在室溫下連續振盪的雷射裝 置。 發明概述 本發明之一目的為在氮化物半導體裝置内，明確而言， 在具有光波長為380 nm或更短的雷射裝置或發光裝置内增 加發射產量以在導波中抑制光吸收低，其中活性層具有減 少的門梭電流密度並設置在包覆層之間，以有效地限制光 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 玎
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線進入包括活性層之導波内，及形成一具有較佳晶化特性 的裝置結構。 本發明之另一目的為說明問題之原因，即，門檻内特別 顯著的增加出現在380 nm或更短下的雷射振盪並提供解決 問題的手段。 雲於上述環境，本發明可得一種氮化物半導體裝置，其 在裝置特性如門檻電流密度方面優異、具有較佳晶化特性 、發射產量方面優異及可實現較短波長。 即’本發明的氮化物半導體裝置可藉下列特性達到上述 目的。 (1) 氮化物半導體裝置，其包含一設置在第一導電型層 與第二導電型層間之活性層，其中該活性層具有一量子井 結構’包括至少一個由含有比與八丨的氮化物半導體形成的 井層，及一個由含有八丨的氮化物半導體形成的障壁層。 藉此，井層内In的包含物改良發射效率，另一方面，A1 比例的改變，可得對應於其帶隙能量的所欲發射波長，導 致在發射效率及内部量子效率優異的雷射裝置或發光裝置 。此外，藉容許障壁層包含至少A1，可實現具有量子井結 構的活性層，其中其帶隙能量大於井者，俾可調整發射波 長，因此，可得在380 nm或較短波長的短波長區下具有優 異裝置特性的活性層。 (2) 在上述特性中較佳的是，該井層係由A1JnyGamN (0<G1 ’ 0<y$l，x+y<1)所形成而該障壁層係由A1JnvGaiuvN (0<uSl，〇Sv$l，u + v<i)所形成。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐） 536859
裝 藉形成InAlGaN四元混合晶體的井層，構成元件數目降 至最低及抑制晶化特性的劣化，導致具有高發射效率的井 層與活性層。為了此理由，以〇<χ<1及〇<y<1較佳。此外 ’ AlGaN或InAiGaN障壁層的形成，形成量子井結構，其 中帶隙能量之所欲差異設定在井層與障壁層之間。另一方 面错使用如井層者相同構成元件或使之變小，活性層之 曰曰化特性可保持較佳。較佳的是，X<u可提供具有優異晶 化特性的活性層。 (3) 在上述特性中較佳的是，該井層的厚度小於障壁層 ^ ° 土日
線 因此，載體可有效地注入活性層内，導致發射效率優異 的i子井結構。特別是，藉採用在活性層内配置於最接近 η型氮化物半導體層之側内的η侧障壁層厚度大於井層厚度 ’其他障壁層厚度，尤其是井層間之障壁層厚度，ρ型載 體可有效地限制於活性層内。較佳的是，使η側障壁層的 厚度成為10 nm或更大，其可作為優異孔道限制層，導致 具有較佳特性的活性層。 (4) 在上述特性中較佳的是，該井層的In組合物比例乂範 圍為不低於0.02及不大於〇.〇5。 因此，藉採用y為0.02或更大，可得發射效率及内部量 子效率方面優異的井層及活性層。藉採用）^為〇 〇5或更小 ，可得活性層，其中抑制含有匕與八丨的混合晶體系統内淨 化特性的劣化。藉採用〇.〇2至〇·05的範圍，門播電流密度 可保持較低。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4現格(2ι〇 X 297公 、發明説明（ ()在上述特性中較佳的是，該井層的In組合物比例y範 圍為不低於0.03及不大於〇 〇5。 因此，藉採用y為〇·03或更大，可得發射效率及内部量 子效率方面優異的井層及活性層。藉採用〇 〇5或更小，可 件'舌性層’其中抑制含有In與A1的混合晶體系統内淨化特 性的劣化。 (6) 在上述特性中較佳的是，該活性層的發射波長為380 nm 或更短。 上述活f生層結構可提供一種在Mo nm或更短的短波長區 内具有優異特性的裝置。 (7) 在上述特性中較佳的是，該裝置具有一種雷射裝置 、’T構，其中該第一導電型層具有第一導光層，該第二導電 型層具有第二導光層，及該活性層設置在該第一導光層與 該第二導光層之間，及 該第一導光層與該第二導光層的帶隙能量Eg均大於雷射 光的質子能量Ep為〇·〇5 eV或更大（Eg—E^〇 〇5 eV)。 因此，在雷射裝置與端發射型裝置中，可得引導光線方 面優異的導波。更佳的是，Eg—Ep^〇」可在上述短波長中 形成更佳導波，導致裝置特性的改良。 (8) 在上述特性中較佳的是，該第一導光層及/或該第二 導光層係由AlxGaNxN (OSxSl)所形成。 藉此，可得在短波區内具有低光損耗的導波結構，其導 致雷射裝置與端發射裝置的特性的改良。 (9) 在上述特性中較佳的是，該活性層發射波長為38〇 nm -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) 536859 A7 B7
或更短的光，而該第一導電型層及/或該第二導電型層係 由 AlxGai_xN (0<χ$1)所形成。 例如，藉形成AlGaN包覆層，載體限制與光線限制可更 佳。當導光層設置在包覆層與活性層之間時，藉改變包覆 層與導光層中之A1比例以在二層間設定折射指數的所欲差 異’可得優異特性的雷射裝置與端發射裝置。 (10)氮化物半導體裝置在第一導電型層與第二導電型層 之間具有一活性層，其中該活性層具有一量子井結構，包 括至少一層由含有A1的氮化物半導體所形成之井層，及一 層在自井層靠近第一導電型層的側内具有帶隙能量大於井 層的氮化物半導體所形成之第一障壁層，及 該第一導電型層包括具有帶隙能量小於該第一障壁層之 第一氮化物半導體層，及該第一氮化物半導體層設置在該 第一障壁層附近。 在傳統AlGaN系列活性層中，在設置於活性層二側内作 為載體注入層的各個導電型層通常需要大於井層的帶隙能 量。然而，在此構造中，藉設置在活性層内具有小於第一 障壁層的帶隙能量的第一氮化物半導體層在第一導電型層 ，可實現新穎裝置結構，其形成具有較佳晶化特性的活性 層且其具有載體自第二導電型層進入具有第一障壁層的井 層内的限制功能。 對於井層，可使用具有至少相同於GaN的帶隙能量的含 有A1氮化物半導體，明確而言，可使用上述組合物。又對 於第一障壁層，可使用具有上述組合物的氮化物半導體。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 536859
對於第一氮化物半導體層，藉較佳使用具有大於井層的 帶隙能量之氮化物半導體，其作為有效地注入載體進入活 性層及井層内的層。明確而言，可使用含有A1的氮化物半 導體，及具有較佳晶化特性的活性層可藉較佳使用AlxGa^N (0$ χ<1)所形成。 (11) 在上述特性中較佳的是，該第一障壁層配置於最靠 近活性層内第一導電型層的側内，該第一氮化物半導體層 係與活性層接觸。 藉此，藉配置第一障壁層於靠近第一導電型層之側内， 即，較活性層内其他障壁層更靠近第一導電型層，如上所 述，第一障壁層適於作為第一導電型層之側内的載體限制 層’因而可增強井層的發射效率。因此，較佳的是，在活 性層的最外側及最靠近第一導電型層的配置可容許上述載 體限制功能。 (12) 在上述特性中較佳的是，該第一導電型層為η型而 該第二導電型層為ρ型。 即’藉此特性，上述第一障壁層具有限制孔道的功能， 藉此’在上述第一氮化物半導體層中，因為障壁層可注入 電子（第一導電型載體）進入第一導電型層内，另一方面， 限制孔道的功能（第二導電型載體）有困難，所以可得一種 活性層結構，其可藉第一障壁層實現孔道的限制。 (13) 在上述特性中較佳的是，該第一障壁層内八丨晶體混 合比例XB i與井層内A1晶體混合比例xw可滿足下面關係： Xbi-Xw2 0.05 〇 本紙張尺度適财國國家標準(CNS) A4規格(21()Χ29"7ϋ
裝 訂
536859 A7 B7 五、發明説明（ 即，藉上述相等關係設定A1晶體混合比例，第一障壁層 可適用作第二導電型載體（較佳為孔道）的限制。更佳的是 ，藉Xbi-Xw- 〇·1，可形成偏位（位障），其可充分地作為 上述載體限制。因此，Α1晶體混合比例（XB1-Xw)差異的上 限不限於限制功效，而考慮晶化特性，以〇·5或更小較佳 。更佳的是，藉上限為〇·3或更小，含有活性層及第一導 電型層的裝置結構可形成有較佳晶化特性即充分光限制。 (14) 在上述特性中較佳的是，該第一障壁層的厚度為 3 0 A或更大。 藉此特性，第一障壁層可具有容許載體限制的厚度。較 佳的是’藉厚度為50A或更大，可得具有增強限制效率的 結構，因為當第一障壁層的厚度小時，載體的隧穿現象會 如圖14B所示般發生。藉厚度為5〇 a或更大，可增強限制 效率。上限並非特別限制於限制效率，而考慮晶化特性， 上限為200 A或更小。當上限為15〇 A或更小時，可得第一 p早壁層，其具，較佳晶化特性並適當地抑制隧穿效應。 (15) 在上述特性中較佳的是，導波係由一對導光層與其 間的活性層構成，及 曰”八 導光層設置於第一導電型層内，並具有第一氮化物半 體層。 藉容許上述氮化物作為導光層或其一部分，即使當形成 具有所需導光厚度的導引層日夺，藉使用抑制Αΐ晶體混合比 例的第-I化物半導體層，活性層可形成有較佳晶化特性 。具有該導波的光裝置之例包括雷射袭置、端發射裝置及 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公嫠） 536859 A7 B7 五、發明説明（Μ 超螢光二極管。 (16) 在上述特性中較佳的是’該裝置可操作以振i 375 nm 或更短波長的光。
AlxGa^xN篁子井層（xg 〇)設置在由 AlylnzGa卜y.zN (z$ 0) 所形成的障壁層之間，及 井層的帶隙能iEw大於障壁層的帶隙能量匕為〇.2 更大。 當量子井層為GaN時，較佳為經考慮上述帶隙的差異來 決定AlyGabyN與AlyInzGa1-y-zN的組合物。此外，當量子井 層為AlGaN時，較佳為經考慮上述帶隙的差異來決定 AlyGa1-yN 與 AlylrizGai-y-zN 的組合物。 雖然活性層僅可由上述量子井層形成，惟單一量子井層 可藉配置障壁層在量子井層二側而形成。 當形成多重量子井層時，活性層係藉組合量子井層與障 壁層形成，最後層可由井層或障壁層所形成。可進行調整 ，端視與連接至活性層的層結構（覆蓋層、導引層、包覆 層）的關係而定。雖然多重量子井層的數目約2或3即足夠 ，惟井層可以未抑制活性層内内部量子效率的範圍而增加 。此外，因為靠近P側區内井層的重組速率在許多情況下 南’所以可做改變，使靠近P側的區為非掺雜層而靠近η側 區内的井層可用矽等摻雜。 (17) 在上述特性中較佳的是，井層的厚度為3 〇〇 a或更小 ，較佳為2 0 0 A或更小。 (18) 在上述特性中較佳的是，障壁層的厚度為3〇〇 A或更
12 五、發明説明（ 小，較佳為200 A或更小。 (19) 在上述特性中較佳的是，該裝置具有SCH(分離限 制異質）結構，其中導光層與包覆層為互相分開設置，導 引層的帶隙能量Eg在振£下大於f子能量E^G()5 eV。 (20) 在上述特性中較佳的是，導光層包含AiaGa^N/ AUGa^bNiagb)超晶格層。 (21) 在上述特性中較佳的是，包覆層包含AicGa^N/ AUGauNC^d)超晶格層，包覆層的帶隙能量κ大於導光 層者。 (22) 在上述特性中較佳的是，該裝置具有grin(分級指 數）結構，其中具有階梯式改變折射指數的光限制層形成 在量子井層外側，及非摻雜層設置在活性層的上、下方。 此GRIN結構可與上述SCh—起使用以得GRIN-Sch結構。 此外，以下說明本發明之另一態樣，此態樣可藉組合任 一上述特性使用。 #2 {解決問題的手段} 其一態樣為AlGaN系列半導體發光裝置，其包含 量子井層（x$ 0)作為活性層形成在GaN基材上，其中該裝 置可在375 nm或更短下振盪。另一態樣惟獲得依種裝置結 構，其亦可用於在較短波長下具有導波的發光裝置及雷射 裝置，其可防止裂痕的發生。
GaN基材比較於藍寶石基材或氮化矽基材通常可減少形 成其上的蠢晶層的缺陷密度。特別是，較佳的是GaN基材 的晶體缺陷為107/cm2或更小，進一步104/cm2。因此，晶 ___-15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 536859 A7 _ B7 五、發明説明（13 ) 體缺陷主要由於滲透移位，較佳為導波或電流注入區形成 於此較少缺陷區内的發光裝置。此晶體缺陷密度或更低的 值可製造不具導波缺陷的雷射裝置。 如本文所用’ GaN基材意指一種基材，其中GaN可藉 MOCVD (金屬氧化物化學氣相沉積）或MBE (分子束磊晶） 法氣相方式生長，例如，根據EL0 (磊晶側向附生）法，藉 選擇性生長在多相基材如藍寶石基材等上側向生長GaN形 成的GaN基材（例如，包含對複數個形成在GaN層上的Si〇2 條狀區及暴露在此等區間的GaN區選擇性生長，藉側向生 長GaN形成的GaN層）、根據HVPE (鹵化物氣相磊晶）法或 與MOCVD法的組合方法，藉層壓及氣相生長GaN層在此 基材上獲得的GaN基材、根據上述ELO法，藉氣相生長 GaN層在此基材上獲得的GaN基材、藉再晶化GaN在超臨 界流體NH;内的GaN種晶上形成的GaN基材等。 在GaN基材為由上述ELO法形成的GaN基材及形成在基 材上的發光裝置為脊型半導體雷射的情況下，較佳的是， 自上數量子井層型成的導波係與上述Si02條平行形成，因 為晶體缺陷係由平行於Si02條的濃度發展並形成較低稠密 度條狀，因此，導波内缺陷可在具有低缺陷密度的區内藉 形成導波而排除。 附圖簡述 圖1為說明根據本發明一具體例的雷射裝置結構的概略 截面圖。 圖2 A為說明根據本發明一具體例的層壓結構的概略截 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 B7 五、發明説明（14 ) 面圖而圖2B為說明各層與…比例間之關係的視圖。 圖3A為說明根據本發明一具體例裝置的層壓結構的概 略圖而圖3B為其能量帶的視圖。 圖4為說明根據本發明一具體例的能量帶的概略圖。 圖5為說明根據本發明一具體例的能量帶的概略圖。 圖6 A為說明根據本發明一具體例的能量帶的概略圖， 圖6B至6D顯示各導電型雜質（摻雜物）摻雜量的改變。 圖7為說明根據本發明一具體例的活性層之層壓結構的 概略截面圖。 圖8為說明根據本發明一具體例的裝置結構的概略截面 圖。 圖9A為說明In比例與發射效率間之關係的概略圖，而圖 9B為說明根據本發明之活性層中In比例與門檻電流密度間 之關係的概略圖。 圖10為說明根據本發明之活性層中在脈衝振盪下A1晶體 混合比例在門檻電流密度與波長上依附性的概略圖。 圖11為說明根據本發明之活性層中在脈衝振盪下A1晶體 混合比例在門檻電流密度與波長上依附性的概略圖。 圖12 A為說明根據本發明一具體例的層壓結構的概略截 面圖而圖12B為說明對應於層壓結構的偏壓狀態的帶結構 的概略圖。 圖13A與13B為說明先行技藝雷射裝置偏壓狀態的帶結 構的概略圖。 圖14A與14B為說明本發明一具體例之裝置偏壓狀態的 ______ -17 -__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 B7 五、發明説明（15 帶結構的概略圖。 圖1 5 A為說明本發明一具體例之發光裝置的層壓結構的概 略截面圖而圖1 5B為說明各層與A1比例間之關係的視圖。 圖16為說明對應於先行技藝雷射裝置層壓結構的各層的 A1比例之關係的視圖。 較佳具體例之說明 用於本發明氮化物半導體裝置的氮化物半導體為ιιι·ν 族氮化物半導體（IriaAlpGaba-pN，0$(Χ，〇$β，α+β£ΐ)如 GaN ，AIN或InN或其混合晶體。此外，混合晶體可使用，其 中B (觸）用作III族元素或一部(氮）作為v族元素係用p (磷）或As (砷）取代。此外，含有μ的氮化物半導體具有 β>〇，而含有In的氮化物半導體具有α>〇。 此外’作為用於氮化物半導體層的η型雜質，可使用以 族元素或VI族元素如Si (矽）、Ge (鍺）、Sn (錫）、S (硫）、 〇 (氧）、Τι (鈦）、Zr (锆）等。較佳使用Si、Ge&Sn，最佳 使用Si。此外’ p型雜質不受特別限制但其例包括(鈹） 、Zn (鋅）、Μη (猛）、Cr (鉻）、Mg (錤）及Ca⑼）。較佳使 用Mg。藉此，形成各導電型氮化物半導體層，構成後述 各導電型層。 [具體例1A (量子井結構）】 本發明之氮化物半導體裝置具有一種結構，其中活性層 至；设置在第一導電型層與第二導電型層之間。以下詳述 本發明之氮化物半導體裝置。 (活性層） 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297^----- 536859 A7 B7 五、發明説明（16 ) 本發明之活性層具有量子井結構，具有由含有至少^ (姻） 與A1 (銘）之氣化物半導體形成的井層及由含有八丨之氮化物 半導體形成的障壁層。此外，活性層發射較佳為38〇啷或 更短的短波長的光，明確而言，上述井層具有38〇 nm或更 短的波長之帶隙能量。因此，用於活性層的氮化物半導體 可為為摻雜、摻雜η型雜質或摻雜p型雜質。較佳的是，藉 設置非摻雜或未摻雜或11型雜質摻雜的氮化物半導體於活 性層内，可達成高產率於氮化物半導體裝置如雷射裝置及 發光裝置内。較佳的是，藉使井層未摻雜並使障壁層11型 雜質摻雜，可得具有高產率的雷射裝置及發光裝置，導致 具有问發射效率的裝置。此處，量子井結構可為多重量子 井結構或單一量子井結構。較佳的是，藉採用多重量子井 結構，產率的改良及振盪門檻的減少變成可能。作為活性 層的量子井結構，可使用一種結構，其中上述井層中至少 一層與上述障壁層中至少一層被層壓。因此，在量子井結 構的情況下，較佳的是，藉採用不小於丨而不大於4的井層 數目’門檻電流的減少可例如減少於雷射裝置及發光裝置 内。更佳的是，藉採用具有井數目為2或3的多重量子井結 構’可得高產率雷射裝置及發光裝置。 (井層） 在本發明之井層中，較佳的是，使用含有比與八丨的氮化 物半導體，而含有In與A1的氮化物半導體之至少一層井層 包含於活性層内。在多重量子井結構中，較佳的是，藉採 用所有井層皆由含有“與刈的氮化物半導體形成之該井層 本紙張尺度適用巾g g家標準(CNS) Μ規格(⑽公着) 536859
可得奴短波長，導致具有高產率及效率的發光裝置盥雷 射裝置。當發光光譜具有幾乎單一尖峰時，以此構造較佳 另一方面，在具有複數個尖峰的多色發光裝置中，藉採 用包含上述含有In與A1的氮化物半導體之至少一層井層， 可得在較短波長區的發射尖峰，因此，可得在較短波長區 激發之具有各種發射顏色或螢光體而與發光構件組合的發 光裝置。因此，在多色發射的裝置的情況下，藉使用 haGa^aN (0<α$1)作為井層的特定組合物，可得可發射及 振盡自务、外線至可見光區的井層。因此，發射波長可藉in 晶體混合比例測定。 由本發明含有In與A1之氮化物半導體所形成的井層提供 傳統InGaN井層難以提供的波長區，明確而言，對應於 GaN帶隙能量之約365 nm的波長，或較短波長。特別是， 井層為發光與振盪可在380 nm或更短波長之具有帶隙能量 的井層。在傳統InGaN井層中，在對應GaN帶隙能量之波 長約365 nm，例如，在370 nm，需要調整In比例在約1%或 更小。當In比例生長極小如同此時，發射效率會減少，而 很難獲得具有充分產率的發光裝置與雷射裝置。另一方面 ，當In此例為1%或更小時，其亦很難控制其生長。在本發 明中，在先前有效發光很難的380 nm波長區下，藉使用含 有In與A1之氮化物半導體所形成的井層，帶隙能量可藉增 加A1比例X而增加。另一方面，藉In的加入，其可用於具 有較佳内部量子效率與發射效率的發光裝置與雷射裝置。 用於井層之含有In與A1之氮化物半導體的特定組合物為 __-20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） A7 B7 536859 五、發明説明（18 ) 一種由 AlxInyGai|yN (0<d , 〇<y£l，x+y<1)表示的組合 物，用於生長氮化物半導體的氣相生長法如m〇cvd等 + ’當構成元件的數目增加時，構成元件間的反應變成較 易發生。因此，雖然四元或以上混合晶體的複數可如上述 使用B ’ P ’ As，Sb等，惟較佳的是，藉採用A1InGaN四元 w合晶體’可防止在元件間之此反應而可發展具有較佳晶 化特丨生的井層。藉採用低於〇 〇2的比例，比較於上述低 於〇·〇2可實現較佳發射效率與内部量子效率。此外，藉採 用於〇.〇3 ’因為效率會進一步改良，所以較佳可得在38〇 nm 或更短波長下於井層内具有優異特性的發光裝置與雷射裝 置。此外’ In比例的上限不受特別限制，但是藉採用 y^O· 1 ’可抑制晶化特性由於In的加入之惡化。更佳的是 ,藉採用y$0·05，可形成井層而不會惡化晶化特性，因此 ，當在多重量子井結構中設置複數個井層時，各井層的晶 化特性變成較佳。因此，In比例y較佳範圍為不低於〇〇2而 不大於0.1 ’更佳範圍為不低於〇〇3而不大於〇〇5，其最好 應用於上述InAlGaN四元混合晶體。此處，A1比例χ不受 特別限制’但是藉改變Α1比例可得所欲帶隙能量及波長。 在本發明中由 AlxIriyGak.yN (0<d，〇<yy，x+y<1)所 形成的井層中，在氮化物半導體中In比例y為〇至範圍各 特性改變很大，如圖9A及9B所示。如圖9A所示，發射效 率自In比例y約〇·〇2增加很大，自約〇〇5顯示溫和下降曲線 。另一方面，在門檻電流密度Jth中，自約〇 〇2顯示溫和下 降曲線，最小值在〇.〇3至〇·〇5範圍内存在，在超過0 05面 1 __- 21 - 本紙張尺度適用宁國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公釐）-----
裝
k 536859 A7 B7 五、發明説明（19 ) 積下，顯示快速增加曲線。此處，圖9A及9B以定量顯示 AlJriyGabx.yN (0<x$l，〇<y£l，x+y<l)的井層及 AIJnvGai.u.vN (0<u$l，OSvSl，U+V<1)的障壁層中各特性的傾向，其中y 軸為任意單元。 在本發明中，較佳的是，對應於3 80 nm或更短波長的帶 隙能量係由含有In與A1之氮化物半導體的井層所設定。因 此，使A1比例X為〇 ·〇2或更大。此外，在對應於GaN的帶隙 能量之不大於365 nm波長的區域中，藉採用X為〇 〇5或更 大，較佳的發光與振盪在短波長下成為可能。 此外，亦可任意決定井層的厚度與數目。特定厚度之範 圍為不低於1 nm而不大於30 nm。當厚度低於1 nm時，井 層有功能不足的傾向。當厚度高於3〇 nm時，變成很難生 長具有晶化特性的含有In與A1之氮化物半導體，導致裝置 特性的下降。較佳的是，藉採用範圍為不低於2 nm而不大 於20 nm，可減少門檻電流密度Vfe自晶體生長的觀點而 言，當厚度為2 run或更大時，可得不具厚度大改變並且有 相當均句膜特性之層。藉採用2〇 nm或更小，可降低晶體 缺陷的發生，@晶體生長變成可能。更佳的是，藉採用井 層的厚度為不低於3.5 nm，有可得高產率雷射裝置盘發光 裝置的傾向。此可視為如下··藉增加井層的厚度完成相 對於如由大電流驅動的雷射裝置内注入大量載趙且有高發 射效率與内部量子效率的發光重組。此視為在多重量子井 結構中具有功：。在單-量子井結構中，藉採用5nm或更 大的厚度’可侍上述類似功效。活性層内井層數目不受特
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殊限制但可為1或以上。因此，在井層數目為4或以上時， ，個活性層的厚度會增加，導致Vf的增加。因此，較佳的 疋，活性層的厚度係藉採用範圍為1〇 nm或更小的井層厚度 而降低。在多重量子井結構中，在複數層井層中，設置至 >、層具有上述範圍厚度的井層，最好使所有井層具有上 述範圍的厚度。此外，各井層的厚度可不同或大約相同。 本發明之井層可用P型雜質型雜質摻雜或亦可未摻雜 。較佳的是，藉採用η型雜質作為欲摻雜於井層的雜質， 其可促進改良發射效率。然而，有含有“與A1之氮化物半 導體用於井層的傾向，當雜質濃度生長成較高時，晶化特 性會惡化。因此，較佳的是，具有較佳晶化特性的井層係 藉降低雜質濃度而得。明確而言，為了使晶化特性變成最 佳，井層被未摻雜生長。因此，雜質濃度為5xl〇i6/cm3或 更小，導致實質上不含雜質的井層。此外，例如，在用n 型雜質摻雜井層的情況下，當在11型雜質濃度範圍為不低 於lxl018/cm3而不大於5xl〇u/cm3下摻雜時，可降低晶化 特性的惡化，同時，可增加載體濃度，因而可降低門檻電 流密度Vf。因此，最好是藉採用井層中η型雜質濃度約相 同或略為小於障壁層者，有促進井層中發光重組並改良發 射產率的傾向。因此，井層與障壁層可未摻雜生長，俾可 構成一部分活性層。此外，在複數層設置於活性層的多重 量子井結構中’各井層的雜質濃度可大約相同或不同。 特別是’當裝置被大電流（如高產率LI)、高功率LED及 超光致發光二極管）驅動的情況下，當井層未摻雜並實質 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210X297公董） 536859 A7 B7 21 五、發明説明 i不含η型雜質時，可促進載體於井層内的重組而在高效 率下貫現發光重組。反之，當井層用η型雜質摻雜時，因 為載體濃度在井層内高，所以發光重組的或然率反而減低 ’導致在恆定產率下驅動電流的增加的不正確循環發生， 造成裝置可靠性（裝置使用壽命）的降低。因此，在該高產 率裝置中，井層的η型雜質濃度至少為lxl〇18/cm3或更小， 較佳為該濃度使井層未摻雜貨實質上不含η型雜質，可得 具有高產率並可穩定地驅動的氮化物半導體裝置。此外， 井層係用η型雜質摻雜的雷射裝置有雷射光的光譜寬度在 尖峰波長下加寬的傾向，此不佳。濃度為lxl〇i8/cm3或更 小’較佳為1 x 1 q 1 7/〇爪3或更小。 (障壁層） 在本發明中’作為障壁層的組合物，使用含有A1的氮化 物半導體之障壁層。此處，在本發明之活性層中，活性層 中至少一層障壁層必須包含有A1的氮化物半導體。活性層 中所有障壁層可包含有八丨的氮化物半導體，或包含不具A1 的氮化物半導體的障壁層可設置於活性層内。障壁層比較 於井層必須為具有較大帶隙能量的氮化物半導體。在井層 内發射波長為380 nm的區内，含有A1的氮化物半導體最好 用於對應障壁層。作為含有A1的氮化物半導體的障壁層， 較佳的疋使用由 AluInvGai.vN (OcuSi，OSvSl，u+v<l)表 示的氮化物半導體。明確而言，在含有A1的氮化物半導體 的障壁層中，可使用由組合物所表示的AlInGaN四元混合 晶體及AlGaN三元混合晶體。此外，障壁層内A1比例U大 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 ___ _ B7 五、發明説明（22 ) 於含有A1的氮化物半導體之井層内A1比例X。藉採用u>x並 設定井層與障壁層間帶隙能量之充分差異，形成具有較佳 發射效率的量子井層結構、雷射裝置及發光裝置。此外， 當障壁層包含In (v>〇)時，藉採用較佳為不超過〇1的以比 例v，可抑制晶化特性的惡化。更佳的是，可應用不大於 0.05的範圍。當In比例v超過〇1時，可促進八丨與以在生長 間的反應，而惡化晶化特性，因此，無法形成較佳膜。此 外’藉採用ν^Ο.05，形成具有更佳晶化特性的障壁層。此 外，如上所述，比較於井層，較寬Ιη比例可應用於障壁層 ，及帶隙能量差異主要由Α1比例設定，因此可採用v>y。 藉採用該In比例，可改變井層或障壁層的臨界厚度，可在 量子井結構内相對自由地設定厚度，而可設計具有所欲特 性的活性層。 此外’在具有量子井結構的活性層内，障壁層與井層可 交替地形成，或複數層障壁層可相對於一層井層設置。明 確而言’可設置由井層固持的2或更多障壁層，或可設置 結構，其中多層障壁層與一層井層交替地層壓。 此外，障壁層可用p型雜質或η型雜質摻雜可未摻雜，如 上述井層内。較佳的是，較佳的是，障壁層係用η型雜質 摻雜或無摻雜或未摻雜。據此，當障壁層例如用η型雜質 摻雜時，濃度至少為5x1016/cm3或更大。明確而言，例如 ，在LED的情況下，障壁層具有η型雜質範圍為不低於 5><l〇16/cm3而不大於2><1018/cm3。此外，在較高產率LED與 高產率LED的情況下，障壁層較佳用範圍為不低於 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 536859 五 發明説明 A7 B7
Lx:::::cm:而不大於1^^ 1/CrnJ而不大於s】ni9/ 3 .Α α/ , 之古、曲由+大於5X10 /Cm摻雜。當障壁層在如同此 ，：：度下掺雜時，較佳的丨，井層實質上不含n型雜質 可换：未摻雜生長。此外，#障壁層用n型雜質摻雜時， =活性層中所有障壁層，其一部份可摻雜其另一部 ^ ♦雜田邛分摻雜層用n型雜質摻雜雜時，較佳 、：，摻雜配置在活性層n型層側上的障壁層。明確而言 ，藉摻雜自η型層側計數的n.th障壁層& (η=ι , 2 , 3 / 電:可有錢注入活性層Μ，導致發射效率與内部量子效 率皆優異的裝置。此不但應用於障壁層而且應用於井層。 此外，當二者被摻雜時，藉摻雜自η型層計數的心讣障壁 f Bn」n=1，2，3.··)及…th井層 Wm ，2 , 3…），即， 藉自罪近η型層之側摻雜時，有獲得上述功效的傾向。 此外如後述貫例所示，當設置Mg-摻雜ρ側電子限制 ^時，，特別是，接觸活性層及/或障壁層時，因為Mg會擴 政田配置在活性層内大部分P型層側上的p側障壁層用n 雜質摻雜時有共同掺雜發生的傾向而惡化活性層的功能 。因此，當設置Mg-摻雜p侧電子限制層時，較佳的是， 此可因採用此實質上不含n型雜質的卩側障壁層而避免。明 確而言’ η型雜質為低於5xi〇16/cm3。 障壁層的厚度不受特別限制但不大於5〇 nm，俾可構成 量子井結構。較佳的是，在井層中厚度範圍為不低於丨nm 而不大於30 run。其理由如下··藉採用不大於3〇 nm，可抑 制晶化特性的惡化，藉採用不低於1 nm ,可得障壁層功能 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859
良好的該厚度。更佳的是，厚度範圍為不低於2 nm而不大 於20 nm，藉此，當厚度不低於2 nm時，形成相當均勻的 膜，障壁層具有較佳功能，當厚度不大於2〇 ，可得 車父佳的晶化特性。 本發明中具有量子井層的活性層之一較佳具體例具有一 對或多對包含上述四元混合晶體AixinyGai x yN (〇<χ<1， 〇<y<l ’ x+y<l)的井層及包含四元混合晶體A1jnvGa丨.νΝ (0<u<l，〇<v<i，u+v<1)或三元混合晶體 AluGai.uN (0<u<l)的障壁層。明確而言，如圖7所示，活性層12具有 一層或多層InAlGaN井層1及一層或多層InAlGaN或AlGaN 障壁層2。藉此，含有In的氮化物半導體的井層導致内部 量子效率與發射效率優異的井層。此外，藉含有刈的氮化 物半導體調整A1比例，如圖1〇所示，可得可在380 nm或更 短的短波長區下發射的井層。此外，亦在上述短波長區内 ，藉形成具有較InAlGaN或AlGaN井層更大帶隙能量的障 壁層12，可得優異障壁層。 如圖11可知’在370 nm或更長的波長區，即使將井層内 In晶體混合比例X作成不低於A1晶體混合比例y (x>y)，門 檻電流密度一不會改變很大，而可得具有較佳振盪特性的 雷射裝置。即，藉採用x2y在A1晶體混合比例丫為0<y£0.1 範圍，可得較佳的發光裝置與雷射裝置。另一方面，如圖 10所示，藉採用井層内A1晶體混合比例y大於In晶體混合 比例x(y^x)，可得在不大於380 nm發射波長（振盪波長）的 範圍之短波長發光。即，藉比較於X (y^x)增加A1晶體混合 ____-27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）
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536859 A7 B7 五、發明説明（25 ) 比例y在井層内In晶體混合比例X為〇<x$〇. 1範圍，可得短 波長發射。在井層内A1晶體混合比例與In晶體混合比例間 之關係中，错採用G a晶體混合比例z (z = 1 - X - y)大於上述四 元混合晶體InAlGaN的井層内In晶體混合比例及A1晶體混 合比例，即，z>x& z>y，可得顯示上述傾向的井層與活性 層。最好使用四元混合晶體InAlGaN，俾可在0<χ$0.1及 〇<yS〇.l 中成為z>x&z>y。 [具體例1B (雷射裝置，導波結構）】 本發明之另一具體例1B為一種雷射裝置，具有一結構， 如氮化物半導體結構，其中上述第一具體例的活性層係由 第一導電型層與第二導電型層固持。明確而言，如圖2A 所示，第二具體例具有一種結構，其中第一導電型層u、 活性層12及第二導電型層13被層壓在基材上，及另外具有 一種結構，其中至少一層第一導光層26設置於第一導電型 層11而第二導光層29設置於第二導電型層13内，以及活性 層係由此等第一與第二導光層26、29固持，且其中導波係 由第一與第二導光層與其間之活性層所形成。此外，如後 所述’當第一導電型層具有上包覆層25而第二導電型層具 有下包覆層30時，包含活性層的區係由此等上、下包覆層 25、30固持，導致導波。當導光層設置於由上包覆層25與 下包覆層30固持的導波内時，門檻電流密度會減少，其造 成高產率雷射裝置。以下說明具有導光層於導波内的裝置 結構。 在本發明之具體例1B中，如圖2A所示，導波具有一種 -28 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 ----------B7 五、發明説明（26 ) 結構，其中設置有活性層12、第一導電型層η内第一導光 層29及第二導電型層内第二導光層26。此具體例為一種裝 置’其特徵為一種結構，其中特別是設置上述使用38〇 nm 或更短波長的活性層之導波。 此波長供導引主要來自活性層的光線。根據此導波的結 構而疋’發射效率、門檻電流密度及其他裝置特性隨不同 雷射裝置及發光裝置而改變。導光層同此形成在活性層的 一側上。導光層可形成於第一導電型層與第二導電型層中 至少一層内，即，不是第一導光層就是第二導光層可存在 。較佳的疋’藉设置導光層在活性層之二側上，門檻電流 密度會降低，導致高產率雷射裝置。 關於本發明之第一導光層26或第二導光層29，使用含有 A1的氮化物半導體。此外，如圖3B至6中帶結構41所示， 導波係藉採用較量子井結構内活性層27的至少井層1更大 帶隙能量並使活性層27與導光層26、29間之折射指數的差 異變小而得。此外，導光層可具有較障壁層更小的帶隙能 量，如圖6所示，或可具有較大帶隙能量，如圖3B至5所示 。關於導光層的組合物，明確而言，使用InaAlpGai a (3N (0$α，0<β，α+β$1)。較佳的是，藉採用不含匕的氮化物 半導體，即，藉採用具有In比例為0的氮化物半導體，可 防止由於加入In的光吸收並可獲得具有抑制的光損耗。另 外，藉較佳使用AlpGa^pN (0$β£ΐ)，可得導波，其可應用 至自子紫外線至紅色的寬波長區。為了導引上述380 nm或 更短的短波長光線，最好使用AlpGai-pN^qsi)。其理由 _____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 536859 A7 _______B7 _ 五、發明説明（27 ) 如下·· GaN吸收在上述短波長的光線，其導致損耗，而惡 化門檻電流密度及電流-光產率特性。特別是，最好調整 導光層内A1比例β，俾可大於導光層内帶隙能量Eg或活性 層内發光的質子能量Ep為〇·〇5 eV或更大（Eg-Ep20.05 eV)。 藉此，可得導波，其中由於導引層光損耗被抑制在上述短 波長。更佳的是，藉採用Eg-Ep20.1，形成更優異波長。 此處，圖3A與3B顯示本發明氮化物半導體裝置中的層 壓結構40及對應帶結構41。層壓結構40顯示一種結構，其 中具有井層1與障壁層2之量子井結構的活性層27係由第一 導電型層11與第二導電型層13固持。圖4至6顯示如同圖3B 的帶結構4 1。 任一第一導光層26與第二導光層29可由單一膜形成，或 可由多層膜形成。當形成包含單一膜氮化物半導體之導光 層時，如圖3A所示，設置層壓結構40 ,其中第一導光層 26與第二導光層29固持活性層27，而其帶結構41的帶隙能 量大於活性層者。明確而言，使用上述AlpGa^pN (0邱$1) 而在上述短波長區使用AlpGauN (0邱$1)。更佳的是，如 上所述，調整A1比例β，使第一導光層的帶隙能量Eg與第 二導光層者大於質子能量Ep為〇·〇5 eV或更大（Eg - Ep2〇.〇5 eV ’較佳為 Eg-Ep2〇.l)。 第一導光層或第二導光層的厚度不受特殊限制，但其明 確範圍為不低於1〇 nm及不大於5 μιη，較佳為不低於2〇 nm 及不大於1 μιη，更佳為不低於5〇 nm及不大於300 nm。藉 此’有傾向形成導波，其在不低於丨〇 nmT作為導引層且 -30- 本紙張尺度適财關家標準(CNS) A4規格_χ 297公董) 536859
:在不低於20 run下減少門播電流密度。有門檻電流密度 在不低於50 nm下進一步減少的傾向。此外，亦有導皮在 不大於5叫下作為導引層的傾向、在不大於i叩下導光期 間減少損耗及在不大於300 nmT進一步抑制光損耗。 本發明導光層可由多層氮化物半導體組成。又在該情況 下如上所述，較佳惟使用不含In的氮化物半導體，更佳 的是使用上述ΑΐριρΝ(〇邻g),在上述短波長區，最好 使用AlpGauN (0<β$1)。使用此氮化物半導體以得多層膜 ，其中一層或多層具有不同組合物的氮化物半導體層使用 於各導光層内。明確而言，第一層與具有不同於第一層組 合物的第二層使用於第一導光層26内，而第三層與具有不 同於第三層組合物的第四層使用於第二導光層29内。此處 第一至第四層包含氮化物半導體。藉此，藉採用在各導 引層中第一層與第二層之間，第三層與第四層之間不同Μ 比例’可得具有不同帶隙能量與折射指數的多層結構。 例如，在層壓第一導電型層、活性層及第二導電型層的 結構中’可得該結構，其中第一導光層具有第一層與第二 層、第一導光層具有第三層與第四層、第二層及第三層配 置在活性層側上以及第四層配置在遠離活性層的位置上， 導致一種結構，其中帶隙能量接近活性層時逐步減少。明 確而言，藉採用在活性層上的第二層與第三層的A1比例β2 與β3小於遠離活性層的第一層與第四層的A1比例β丨與β4， 即’ β1>β2，β4>β3，可得逐步帶結構，載體可有效地注入 導波的活性層内，活性層及活性層附近的折射指數變成較 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 536859
大藉此，可仔依種結構其中許多光分布在導波的活性 層附近。如此’當導光層由多層膜形成時，有A1比例的增 加惡化晶化特性的傾向。由於晶化特性的惡化當其很難形 成早-膜的導光層時，當特性的惡化發生日夺，多層膜的形 成可降低曰曰化特性的惡 <匕。此外，雖然其可藉採用“〈Μ ,β4<β3相反於βΐ>β2 , β4>(33增加導引層（第二層第三 層）在活性層附近的帶隙能量並減少導引層的折射指數丁 及減少遠離導引層(第—|、第四層)的帶隙能量並增加遠 離導引層的折射指數，最好採用β1>β2 , p4>j33，因為上述 載體限制及光線分布變成較佳。此外，當導光層由多層膜 形成時，各導光層除了上述第一至第四層以外可由]或以 上層所組成，導光層可藉交替地層壓負數層第一層（第三 層）與第二層（第四層），即，藉層壓複數對第一層與第二層 而構成。此外，為了形成多層膜的導光層，當計算上述條 件等式：Eg-Ep20.05 eV時，使用整個導光層的平均組合 物做计异。例如’在第一導光層係由含有Αΐβι(^ι ριΝ (0<β1$1)具有厚度為(1丨之第一層與含有Aip2GaNp2N (〇<β2<ι ’ β1#β2)具有厚度為t之第二層所構成的情況下，自 + 獲得 A1的平均比例 。 此外’在本發明之導光層中，如圖4所示，可採用grin 結構，其中有一梯次組合物，使帶隙能量接近活性層時生 長較小。明確而言，藉採用梯次A1比例β，即，藉採用一 梯次組合物，使Α1比例β接近活性層時生長較小，可得 GRIN結構，其導致注射載體功效的改良。據此，如圖4所 -32 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 536859
示，梯次組合物可為連續梯次組合物或中斷與逐步梯次会 合物。此外，亦在層壓上述第一導光層的複數對第^一層 二層的結構中，帶隙能量可藉梯次A1比例作成接近活性層 時較小。在此情況下，僅至少一層，例如，僅第一層可^ 有梯次組合物。此外，所有構成一對的層，例如，第一層 與第二層可具有梯次組合物。另外，以導光層的厚度方^ ，可部份具有梯次組合物，較佳的是，當所有厚度方向的 區具有梯次組合物時，有更加改良注射載體功效的傾向。 此外，多層導光層可具有多層超晶格結構，如圖5所示 。藉使用超晶格結構，可抑制晶化特性由於上述含A1的氮 化物半導體之惡化，而可形成具有較佳晶化特性的導波。 明確而言，採用一種結構，其中在第一導光層26中，上述 第一層與第二層被層壓，使其至少一層具有2或以上層較 佳的是，各層具有2或以上的層，或複數對第一層與第二 層被層壓。據此，各層中氮化物半導體的組合物與上述者 相同。較佳的是，藉使用AlPiGai_piN (0邻bi)/Aip2Gai p2N (〇£β2$1 ’ βΐ邱2)作為第一層/第二層，及在上述短波區，
AlpiGaNpiN (0<β1$ΐ)/Α1ρ2Ο&1·ρ2Ν (0<β2$1，βΐ邛2)，形成 導波’其可抑制光損耗並可藉超晶格結構抑制晶化特性的 惡化。為了使導光層變成超晶格結構，設定構成多層膜之 各層厚度，俾可形成超晶格。厚度端視各層的組合物及組 合而不同’但明確而言，不大於1〇 nm，較佳為不大於7.5 nm ’藉此’晶化特性可保持較佳。更佳的是，藉採用不大於 5 nm，可得進一步較佳的晶化特性。 _____-33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 536859
此外，較佳的是，本發明導光層至少用各導電雜質摻雜 ，因為載體的移動與注入變成較佳。據此，導電型雜質可 摻雜入一部分導光層内，或可被局部摻雜，或可摻雜入整 個導光層内。此外，在多層導光層内，例如，在具有上述 第一與第一層的第一導光層内，二層可被摻雜，或第一層 與第二層可在不同量下摻雜，或其中之一可以改良摻雜方 式摻雜而另一可未摻雜。例如，在超晶格多層結構如交替 層壓第一層與第一層的結構中，或複數對設置於上述第一 導光層内，較佳的是，以改良摻雜方式藉僅摻雜一層，例 如’僅第一層’可抑制晶化特性由於雜質摻雜的惡化。更 佳的是，藉僅摻雜一具有低AUt例的層，可得具有較佳的 晶化特性的層’可抑制晶化特性由於雜質摻雜的惡化，由 於雜質摻雜的活化變成更佳。例如，藉雜質摻雜具有小 比例的第二層並使第一層在具有超晶格多層結構的第一導 光層内未摻雜，其中上述第一 /第二層為AlpiGai-piN (O^lSlVAlinGai.wN (0<β2$1，β1<β2)，具有較小 A1 比例 的第二層具有較第一層更佳的晶化特性。因此，藉雜質摻 雜具有較佳晶化特性的層，可實現較佳活化，導致載體移 動及注入優異的導光層。 此外，在有關本發明中導光層的雜質摻雜的圖6a至6D 中摻雜量42改變所示’藉使雜質摻雜量接近活性層時更小 ’或使靠近活性層之區的摻雜量較第一.與第二導光層26、 29内遠離活性層之區更小，光損耗在導波内，特別是導光 層内進一步降低，而實現較佳導光，導致門檻電流密度的 -34 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 五、發明説明（ 32 ) A7 B7 減少及驅動電流的減少。其理由如下··當光線被導入雜質 摻雜之區内時，光吸收由於雜質發生而造成光損耗。此外 ’如上所述，導波具有至少一種結構，其中活性層27係由 第導光層26與第一導光層29固持，以及一種結構，其中 導光層或導波的外側係由具有較導光層更小折射指數的上 、下包覆層25、30所固持，導致一種結構，其中光線限制 於導波内，藉此，許多光線分布於導波中活性層内或活性 層附近。藉使活性層附近之區内雜質摻雜量較小，分布許 多光線的區内的光損耗會降低，導致光損耗小的導波。明 確而言，當第一導光層與第二導光層在各層厚度一半的區 分開而考慮靠近活性層之區及遠離活性層之區時，使靠近 活性層區内導電雜質濃度小於遠離活性層區内導電雜質濃 度。導光層内雜質濃度不受特殊限制，但明確而言不大於 靠近活性層區内5χ 1017/cm3。此處，上述雜質摻雜表示具 有第一導電型雜質的第一導光層的摻雜及具有第二導電型 雜質的第二導光層的摻雜。 改變導光層摻雜量的形式之例包括，如圖6A至6D摻雜 量42a、42b及42c之改變所示，一種接近各導光層（42a)内 活性層時使摻雜量溫和又連績地變小的形式、一種使摻雜 層間歇又逐步地變小（42b)的形式、一種使逐步摻雜量改 變且局部設定導光層（42c)摻雜量改變的形式及其組合。 較佳的是，使具有離開活性層侧不大於50 nm的距離之區 在導光層内未摻雜，其變成可減少光損耗。較佳的是，藉 使100 nm或更小的區未摻雜，其變成可減少光損耗及減少 ______-35- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 __________B7 五、發明説明（33 ) 門檻電机畨度及驅動電流。據此，當使5〇打瓜或更小的區 成為未推雜區時，導光層的厚度為不低於50 rim。當使100 nm 或更小的區成為未摻雜區時，當然厚度為不低於100 nm。 據此，當上述未摻雜區設置於導光層内時，較佳的是，其 用於與具有上述梯次組合物結構的導光層的組合。其理由 如下·如圖4所不，藉採用一種帶結構，其中帶隙能量接 近活性層時生長較小。即使當雜質非摻雜區設置在活性層 附近時，=可形成導光層，其可降低載體注入效率。據此 ，較佳的是，具有梯次組合物的導光層具有上述GRIN結 構。此外，在上述多層結構中，即使在帶隙能量接近活性 層時生長較小的結構中，其亦具有形成未摻雜區的功效。 此處，在各導光層+，即使在生長時未用雜質摻雜，即， 即使當導光層未摻雜生長時，在有些情況下雜質亦自鄰接 層擴散。明確而言，在較佳用作?型雜質的Mg中，容易造 成該擴散現象。如實例丨所示，即使當p側導光層未摻雜形 成時，P型雜質由於自鄰接電子限制層及包覆層的擴散亦 摻雜於其中。當雜質摻雜被如此擴散影響時，如上所述， 使得靠近活性層區内的雜質濃度小於遠離區者。較佳的是 ，該摻雜區設置於導光層中至少…。更佳的是，該摻 雜區於二導光層内的設置可得減少光損耗的導波。 層構造、雜質摻雜的形式、組合物及上述導光層的厚度 可相同或不同於第一導光層與第二導光層者。例如，第一 導光層具有單一膜而第二導光層則具有多層膜，使二導光 層的膜構造不同。 -36 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 536859 A7 B7 五、發明説明（34 (包覆層） 上述具體例1A與1B為氮化物半導體裝置，具有一種結 構，其中第一導電型層、活性層及第二導電型層被層壓， 第一導電型層具有下包覆層，而第二導電型層具有上包覆 層。明確而言，如圖2A所示，裝置具有一種結構，其中 第一導電型層11、活性層12及第二導電型層13被層壓在一 基材上，而另具有一種結構，其中至少一層下包覆層25設 置於第一導電型層11内而上包覆層30設置於第二導電型層 13内，活性層夾在上、下包覆層25、30之間。上述導光層 可設置於夾在上包覆層25與下包覆層30間之導波内。以下 說明具有包覆層的裝置結構。 上、下包覆層2 5、3 0的組合物的帶隙能量大於活性層者 ’如圖3B至6A中帶結構41所示。此外，當上述雷射裝置 與端發光裝置具有第一與第二導光層26、29時，帶隙能量 幾乎與導光層者相同或略大。據此，上、下包覆層用以限 制載體或限制光線，且當導光層被隱藏時，用作限制光線 之層。關於用於包覆層的氮化物半導體，較佳使用含有… 的氮化物半導體，使用由Ii^AlbGa^bN , 〇<b， a+b^l)表示的氮化物半導體。較佳的是，藉使用具有“比 例為0的氣化物半導體’由於含有In的氣化物半導體内包 覆層的吸收，有容易產生光損耗的傾向。因此，藉較佳使 用由AlbGa^bN (0<b$l)表示的氮化物半導體，可良好限制 光線，當未設置導引層時，可良好限制載體。在雷射装置 及端發光裝置中，在導波由上、下包覆層固持的結構中， -37- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 536859 A7 ___B7 五、發明説明（35 ) 藉設定導波與包覆層間，明確而言，活性層及/或導光層 間折射指數的充分差異，可得該光線限制於導波内及光線 被導引的構造。為了設定該折射指數的差異，較佳使用 AlbGaNbN (〇<b$l)，藉滿足至少下面關係：導光層内乂比 例（平均組合物）β之間^b，較佳的是，藉採用b一昤〇 〇5 , 没定充分的折射指數的差異。因為藉包覆層的光限制亦端 視包覆層的厚度而定，所以氮化物半導體的組合物亦可考 慮厚度來決定。 本發明之包覆層可由單一膜形成或可由多層膜形成或可 具有多層超晶格結構如同上述導光層。當包覆層由單一膜 形成時’藉形成包含上述氮化物半導體的單一膜，其較容 易没计一種光與載體限制結構，而比較於奪層膜的形成， 可縮短生長包覆層之所需時間。另一方面，其很難生長具 有較佳晶化特性的含有A1的氮化物半導體如AiGaN。特別 是’氮化物半導體在大於恆定厚度的厚度下生長如在單一 膜内，容易造成裂痕。 當包覆層由多層膜形成時，複數個具有不同组合物的氮 化物半導體被層壓，明確而言，複數個具有不同A1比例的 氣化物半導體被層壓。當多層膜如此形成時，可抑制如在 單一膜内晶化特性的惡化及裂痕的發生。明確而言，作為 多層膜，具有不同組合物的第一層與第二層被層壓以提供 複數層具有不同折射指數與帶隙能量之層。例如，可得多 層膜’其具有一種結構，其中具有A1比例bl的第一層與具 有A1比例b2 (b 1^2)的第二層被層壓。據此，藉採用一種 ΐ紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21GX 2_9^董) 536859 A7 B7 五、發明説明（36 ) 構造’其中A1比例為bl<b2 (〇分1，b2£l)，具有較大A1比 例的第一層可使折射指數與帶隙能量更大，而具有較小A1 比例的第二層可抑制晶化特性由於第一層的形成的惡化。 另外，複數層具有不同組合物的層可進一步藉層壓第一層 與第二層並層壓具有不同於第二層組合物的第三層而層壓 。此外，可採用一種結構，其中複數層第一層與第二層被 交替地層壓，或可採用一種結構，其中形成複數對至少一 第一層與第二層。因為抑制含有八丨的氮化物半導體晶化特 性的惡化及可使厚度在該多層結構中加大，所以其可得限 制光重要的厚度。 在多層結構包覆層中，藉採用超晶格結構，可形成具有 較佳晶化特性的包覆層。此處，超晶格結構設置於至少一 部分包覆層内’較佳的是，超晶格結構設置於整個包覆層 内，藉此，可形成具有較佳晶化特性的包覆層。據此，超 晶格結構可為一種結構，其中複數層至少一層第一層與第 二層被交替地層壓，或複數對至少一層第一層與第二層如 在導光層内設置。構成超晶格結構之各層厚度端視組合物 及各層的組合而不同，但明確而言，不大於1〇 nm，較佳 為不大於7.5 nm，藉此，晶化特性可保持較佳。更佳的是 ’藉採用不大於5 nm，可得更佳晶化特性。 包覆層較佳用至少各導電型雜質摻雜，並可全部或局部 摻雜如同導光層。此外，亦在多層膜的情況下，例如，在 具有第一層與第二層的多層膜中，二層可被摻雜，或第一 層與第二層可在不同量下摻雜，或層之一可以改良摻雜方 -39 536859
式如同導光層被摻雜而另一可未摻雜。例如，在超晶格多 層結構的情況下’其中上述第—層/第二層為AibiGa|biN ((XbKi，bl<b2)，藉雜質摻雜具有 較小A1比例的第二層i使第一層未絲，可使晶化特性更 佳如同導光層。 包覆層的厚度不受特殊限制，但在範圍為不低於1〇 UK 而不大於2 μιη，不低於50 nm*不大於i μιη。當厚度不小 於10 urn時，可限制載體。當厚度不大於2 μιη時，可抑制 晶化特性的惡化。另外，當厚度不低於5〇 nm時，可限制 光線。藉此，包覆層可用於雷射裝置及端發光裝置内。當 厚度不大於1 μπι時，可行成具有較佳晶化特性的包覆層。 此處，關於上包覆層及下包覆層，較佳使用含有八丨的氮 化物半導體，藉此，可使折射指數的差異在導波與二包覆 層之間變大。據此，較佳的是，包覆層用之氮化物半導體 不含In’因為含In的氮化物半導體比較於不含“的氮化物 半導體易於惡化晶化特性。特別是，在活性層上具有p侧 包覆層的結構中，當含In的氮化物半導體用於p側包覆層 時，晶化特性明顯惡化且裝置特性亦明顯惡化。據此，關 於用於包覆層的氮化物半導體，明確而言，較佳使用 AlbGawN (0<b<l) 〇 (載體限制層< P側電子限制層>) 在本發明中，載體限制層28可設置於活性層27的内部或 活性層的附近，如圖3B與4所中帶結構41所示。如圖所示 ，在具有導光層26、29及包覆層25、30之結構如雷射裝置 __-40- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859
與端發光裝置的情況下，在體限制層可設置在導光層％、 29與活性層27之間，或作為活性層或導光層的一部分。此 處，此載體限制層可限制活性層或井層内的載體。在雷射 裝置及高產率發光裝置中，可防止由於裝置驅動而溫度上 升在體自活性層的溢流與電流密度的增加，導致一種載體 可有效地注入活性層内的結構。明確而言，如圖4所示， 來自第一導電型層的載體係由配置在第二導電型層側上的 載體限制層28b所限制，而來自第二導電型層的載體係由 配置在第一導電型層側上的載體限制層28a所限制。較佳 的是，此載體限制層設置於其中至少一層内。如實例1所 示，在第一導電型層為n型而第二導電型層為p型的裝置中 ，較佳的是，在體限制層至少設置於p型層側上。其理由 如下·在氮化物半導體中，因為電子的擴散長度較電洞的 擴散長度更長，所以電子更易自活性層溢流，因此，藉設 置限制電子的載體限制層28在p型層側上，可得高產率雷 射裝置與發光裝置。以下說明載體限制層作為p側電子限 制層設置在p型層侧上的例。此可藉取代導電型層應用至η 型層側。特別是，較佳的是，設置至少ρ侧電子限制層， 因為電子具有較電洞更長載體擴散長度，因此，電子較易 自活性層溢流。 關於此ρ側電子限制層，使用含有Α1的氮化物半導體， 明確而言，AlcGai.cN (0<c<l)。據此，Α1比例c至少範圍為 0.1Sc<l，較佳範圍為〇.2$c<0.5，因為載體限制層必須具 有較活性層更大的帶隙能量（設定旁支）。其理由如下：當 __-41 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859
C不大於〇時，電子限制層在雷射裝置内不具充分功能。當 c不低於0.2時，電子被充分限制（載體限制），而可抑制载 體的溢流。此外，當c不大於〇5時，電子限制流可生長而 可降低裂痕的發生。更佳的是，當c不大於〇·35時，可生 長具有較佳晶化特性的電子限制層。此外，當上述導光層 被隱藏時，較佳的是採用具有較導光層更大帶隙能量的載 體限制層。當上述包覆層被隱藏時，較佳的是採用具有相 同或大於包覆層帶隙能量的載體限制層。其理由如下：對 於限制载體，需要具有較限制光線的包覆層更高晶體混合 比例的氮化物半導體《此Ρ側電子限制層可用於本發明的 氮化物半導體。特別是，在大量載體藉大電流驅動注入活 性層内如在雷射裝置中的情況下，載體可較無ρ側層電子 限制層更有效地限制，其不但可用於雷射裝置而且可用於 高產率LED内。 本發明載體限制層的厚度至少為不大於1〇〇 nm，較佳為 不大於40 nm。其理由如下··因為含又八丨的氮化物半導體 較其他氮化物半導體（不含A1)具有更大表體阻力而如上所 述較高下設定ρ側電子限制層内A1晶體混合比例，當載體 限制層在超過100 nm厚度下設置於裝置内時，其變成一極 高阻力層，導致前向電壓Vf的顯著增加。當厚度大於4〇 nm 時，可抑制vf的上升。更佳的是，藉採用不大於2〇 nm， 可抑制上升。此處，p側電子限制層厚度的下限至少為不 低於1 nm，較佳為不低於5 nm，藉此，電子限制層作用良 好。此處，電子限制層可由單一膜形成，或可由具有不同 ---- -42- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐） 536859 A7
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的可動性由於摻雜增強而可減少Vf。當藉大電流如雷射裝 置或高功率LED驅動時，為了增強載體的可動性，最好在 高濃度下摻雜。特定摻雜量為至少5xl〇16/cm3或更大，較 佳為lxl018/cm3或更大。在上述以大電流驅動的元件中， 摻雜量為lxl〇iVcm3或更大，較佳為1><1〇19/(：1113或更大。p 聖雜貝的量的上限不受特殊限制但不大於丨χ 1〇21/cm3。當p 型雜質的量生長較大時，表體阻力易於增加而可增加¥卜 為了避免如此，較佳的是，上限為最小p型雜質濃度，其 可保持必要載體可動性。藉形成未摻雜的載體限制層，摻 雜可藉雜質自鄰接層的擴散而完成。 此外’當p型載體限制層設置在η側上時，不必再活性層 與障壁層之間設定大的帶旁支如同上述ρ側電子限制層。 當電壓施加至裝置時，限制電子的旁支變成較小，因此， 需要具有大Α1比例的氮化物半導體的限制層。然而，因為 限制電洞的旁支略微改變，不需要設定A1比例高達1)側電 子限制層。明確而言，配置在活性層大部分n側上的η側障 壁層可作為電洞限制層。特別是，藉採用不低於丨0 nm的 2度，可運用優異電洞限制功能。即，如實例所示，n側 障壁層2a可藉使厚度較其他障壁層更大來限制載體。在多 重量子井結構中，因為其他障壁層2b、及具有一種結構， 其中其被井層固持，當厚度加大時，在有些情況下，載體 被防止有效地注入井層内。另一方面，因為n側障壁層h 亚非由井層固持所形成，所以藉增強載體限制的功能，可 得較佳活性層的結構。因為此n側障壁層較佳為配置在活 -44- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）
性層最外側上的層，所以η側障壁層可有效地用來限制載 體。厚度的上限不受特殊的限制，但不大於30 nm。另外 ，其亦可由多層膜形成。又在單一量子井結構中，容許n 側障壁層2a用來限制載體，載體可適當地注入井層内。 在本發明氮化物半導體的雷射裝置與端發光裝置中，如 實例所示，設置脊柱作為條狀導波，將為嵌人層的絕緣膜 形成在脊柱側上。據此，嵌入層最好由氧化物所形成，除 了 Si〇2作為第二保護膜的材料以外，氧化物包含至少一個 元素選自 Τι、V、Zr、Nb、Hf及 Ta，及 SiN、Bn、SiC 及 AIN中至少一個所組成之群。最好使用以與Hf以及如與 SiC的氧化物。另外，關於嵌入層，半絕緣與丨型氮化物半 導體，在實例中對脊柱部分反相的導電型，可使用n型氮 化物半導體。藉含有Α1的氮化物半導體如AlGaN設定折射 指數的差異並容許作為電流防止層，可實現側向光限制。 藉含有In的氮化物半導體設定光吸收係數的差異，可實現 雷射裝置的光學特性。此外，無設置具有蝕刻的脊柱，電 流流動於其中的結構可藉注入B與A1的離子並使非注入區 成為條狀而得。 另外’藉採用脊柱寬度不低於1 μιη而不大於3 μπι，較佳 的是不低於1 ·5 μπι而不大於2 μιη，可得作為光碟系統優異 的斑點狀或束流狀雷射光。 (具體例2) 以下說明本發明之具體例2，具體例2可藉組合上述具體 例1Α及/或1Β使用。 -45- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 536859 A7 B7 五、發明説明〔43 ) (活性層） 本發明之活性層較佳具有量子井結構，具有含有GaN或 A1的氮化物半導體的井結構及具有由含有A1的氮化物半導 體或含有In與A1的氮化物半導體所形成的障壁層。此外， 特別是，關於活性層的波長，較佳使用具有在375 nm或更 短下發光的短波長，明確而言，上述井層的帶隙能量具有 3 75 nm或更短的波長。據此，用於活性層的氮化物半導體 可為非摻雜、η型雜質摻雜或p型雜質摻雜。較佳的是，藉 設置非摻雜或未摻雜、或η型摻雜的氮化物半導體，可在 氮化物半導體裝置如雷射裝置與發光裝置内實現高產率。 較佳的是’藉容許井層被未摻雜及障壁層被η型雜質摻雜 ’可得該裝置，使雷射裝置與發光裝置具有高產率及發射 效率高。此處，量子井結構可為多重量子井結構或單一量 子井結構《較佳的是，多重量子井結構使其可改良產率並 減少振盪門檻。關於活性層之量子井結構，可使用至少一 層上述井層與至少一層上述障壁層被層壓的結構。據此， 在里子井結構的情況下，不低於1而不大於4的井層數目可 減少發光裝置内門檻電流。更佳的是，具有許多井層的多 重量子井結構易於提供高產率雷射裝置及發光裝置。 較佳的是，含有GaN或A1的氮化物半導體用作本發明之 井層及由含有GaN或A1的氮化物半導體型成的至少一層井 層被隱藏於活性層内。在多重量子井結構中，較佳的是， 糟設置所有含有上述氮化物半導體井層的井層，容許較短 的波長而可得高產率發光裝置與雷射裝置。當發射光譜具 τ-—~ ____-46 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公發) -- 536859 A7 ____B7 五、發明説明（44 ) 有接近單一尖峰時，此構造較佳，另一方面，在具有複數 個尖峰的多色發光裝置中，藉設置至少一層含有GaN或A1 的氮化物半導體的井層’可得較短波長的發射尖峰，而可 得各種發射顏色的的發光裝置，或與在較短波長激發的螢 光物質組合的發光設備。據此，在多色發射裝置的情況下 ’藉使用IriaGa^aN (0<α$ 1)作為特定組合物，可得在自紫 外線至可見區域的範圍下可較佳的發射及振盪的井層。據 此，發射波長可由In晶體混合比例決定。 本發明含有A1的氮化物半導體的井層可提供一種先前 InGaN井層難以達到的波長範圍，明確而言，對應於GaN 的帶隙能量之約365 nm的波長，或更短波長。一種特殊井 層具有帶隙能量，藉其可在375 nm或更短的波長下發射及 振盪。在先前InGaN井層中，在對應於GaN的帶隙能量之 約365 nm的波長下，例如，在370 nm下，必須調整ιη比例 約1 %或更小，當In比例變成如此極小時，發射效率會降低 ’因此’很難獲得具有充分產率的發射裝置與雷射裝置。 此外，當In比例為1%或更小時，很難控制該生長。在本發 明中，藉較佳使用含有GaN或A1的氮化物半導體的井層， A1比例會增加以增加在先前很難有效發射的375 nm的波長 區域内帶隙能量，其可用於較短波長的雷射裝置内。 此處，用於井層内含有A1的氮化物半導體的特定組合物 為由 AlxInyGai.x.yN (0<x$l ’ 〇<y$i，x+y<i)表示的組合 物，較佳的組合物為AlxGanN (0<χ$ 1)。包括上述井層 為GaN情況的本發明較佳井層的組合物為使用由Αΐχ(}& χΝ -47- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 x 297公釐) ---- 536859 A7 B7 五、發明説明（45 ) (〇Sx$l)表示的氮化物半導體。在用於生長氮化物半導 體的氣相生長法如MOCVD等中，當構成裝置的數目變成 較大’反應易於在構件間造成。因此，雖然五元或以上 混合晶體的複數化藉使用B、P、As ' Sb等如上所敘述， 較佳為藉使用AlInGaN的四元混合晶體成為可能，惟可防 止此4元素間的反應以生長具有較佳晶化特性的晶體。此 外，在上述組合物AlxInyGa^x-yN的四元混合晶體中，因為 有A1與In間之反應在生長時變成晶化特性惡化的問題傾向 ’所以較佳的是，藉使用AlxGa!-xN，其變成可能以形成 具有進一步較佳晶化特性的井層。在此等含有A1的氮化物 半導體中，藉增加A1晶體混合比例，可得一種裝置，其可 在上述較短波長區域（χ $ 375 nm)下發射及振盪。此處， A1比例x不受特殊限制，但對應於所欲帶隙能量的波長可 藉改變A1比例獲得。 在一較佳具體例中，本發明量子井結構的活性層具有一 對或多對包含上述二元或三元混合晶體AlxGa^xN 1) 的井層及包含四元混合晶體AluInvGa丨.U_VN (0<u<l，〇<ν<1 ’ u+v<l)或三元混合晶體AluGa^uN (0<u<l)的障壁層。 明確而言，如圖12A、12B及圖14A、14B中活性層12所 示，活性層具有1或以上AlGaN井層1及1或以上InAlGaN或 A IGaN障壁層2。藉此，可得内部量子效率與發光效率優 異的井層。此外，藉含有A1的氮化物半導體調整A1比例， 如圖12A所示，可得井層，其可在375 nm或更短的較短波 長區域下發射。此外，藉採用InAlGaN或AlGaN於具有較 _ -48-__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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536859 A7 B7 五、發明説明（46 ) 井層1更大帶隙能量的障壁層2内，可提供亦在上述較短波 長區域優異的障壁層。 (活性層與鄰接層） 在本發明之具體例2中，在第一導電型層與第二導電型 層在活性層二侧上被層壓的結構中，特別是以下說明在靠 近活性層配置的層，明確而言，鄰接並接觸活性層之層與 活性層之間的關係。 先前提出的雷射裝置具有一種結構，其中帶隙能量在活 性層二側上的導光層26、29以及在其二外侧上的包覆層25 、30以此順序變成較大，如圖13A與13B所示，而圖2A的 層壓結構中A1晶體混合比例的改變顯示於圖丨6。例如，在 圖16中具有410 nm的波長的AlGaN/InGaN系列氣化物半導 體雷射裝置中’藉採用導光層26、29的A1比例為〇作為開 端並用具有較其更小帶隙能量的活性層内In晶體混合比例 取代，可得先前裝置的帶隙結構。此外，在紫外線區域内 較短波長下先刚AlGaN系列半導體雷射裝置中，如圖16所 示，提出一種結構，其中A1晶體混合比例在活性層外側的 導光層26、39及另一外部包覆層内以此順序增加，藉此， 帶隙能量係自活性層朝向外側增加，如圖丨3A與13B所示 。此外，在紫外線區域内發射先前AlGaN系列半導體發光 裝置中，提出一種裝置，其中省略上述雷射裝置内包覆層 或導光層。明確而言，提出一種結構，其中圖16所示的導 光層26、29與包覆層25、30被用作載體限制層，即，A1比 例大於發光層（活性層27)者，因此，形成具有大帶隙能量 -49- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
536859 A7 ______ B7 五、發明説明（47 ) 的層。然而，在A][晶體混合比例朝向活性層外側連續增加 時’由晶化特性的惡化，特別是裂痕的發生而引起嚴重的 問題。 在本發明中，如圖2A所示，藉採用一種結構，其中固 持活性層2 7的導光層2 6、2 9具有較活性層内障壁層2更小 的帶隙能量以及A1混合比例亦小，可適當地抑制上述先前 結構的裂痕發生，而可得一種結構，其中連續振盪在室溫 下成為可能。明確而言，第一氮化物半導體層設置餘地一 導電型層内，第一氮化物半導體層的帶隙能量小於活性層 内障壁層者，即，在A1GaN系列活性層中，使小於障壁層 的第一氮化物半導體層内A1晶體混合比例變小。據此，井 層與第一氮化物半導體層間的關係為，在活性層内井層中 ’第一氮化物半導體層的帶隙能量做成大於發光重組的井 層者。此外，此關係亦可應用至第二導電型層。明確而言 ’第二導電半導體層内第二氮化物半導體層的帶隙能量作 成小於活性層内障壁層者。藉使用具有較障壁層更小A1晶 體混合比例的第一氮化物半導體層（第二氮化物半導體層） 並配置氮化物半導體層較佳鄰接至活性層，可實現具有較 佳載體限制及較佳晶化特性的活性層。又，藉使用此等層 作為導光層，可形成適於較短波長的導波結構。此將詳細 敘述如下。 如圖2A與12A所示，根據本發明之一具體例的氮化物半 導體裝置具有一種結構，其中活性層12設置在第一導電型 層11與第二導電型層13之間。關於特定層壓體結構，如圖 -50- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) " 536859 A7 B7 五、發明説明（48 ) 所示，裝置具有一種結構，其中作為第一導電型層u，接 觸層23、下包覆層25即下導光層26被連續層壓，而在其上 方有一活性層27，在活性層上方，作為第二導電型層13 , 在體限制層28、上導光層29、上包覆層30及接觸層24被連 續層壓。此處，載體限制層、導光層、包覆層及接觸層的 交互鄰接層不限於圖所示接觸的情況，但其可藉設置另一 層在各個層之間而隔離。 此處，圖2A為顯示本發明具有導波結構的裝置的層壓 結構的戴面圖，圖12A與12B顯示活性層與靠近活性層配 置俾可固持活性層的層的層壓結構40，及對應於層壓結構 40的偏壓狀態的帶結構41，特別是，第一導電型層丨丨在n 型層側上，而第二導電型層13在？型層側上的情況。圖 13Α、13Β與圖14Α、14Β的帶結構41與圖12Β者相同。在 迷中’白色圓圈表示電洞，黑色圓圈表示電子，箭頭表示 各載體的移動，實線表示傳導帶Ee及數價Εν，及虛線表示 假弗米準位Ef。由圖12Α與12Β可知，具有較固持井層1的 Ρ早壁層2a、2b更小帶隙能量的第一氮化物半導體層26與第 一氮化物半導體層2 9被固持活性層配置，而其用作上、下 導光層。此處，載體限制層28靠近，較佳為鄰接活性層設 置在第一氮化物半導體層29與活性層27之間於第二導電型 層（P型層側）内。即，電洞係藉活性層内障壁層2a限制於 井層内’電子係藉鄰接障壁層2b及/或活性層27的載體限 制層28限制。在顯示傳統結構的圖13A與13B中，限制載體 的方支设置在第一導電型層内的層26及活性層27與障壁層
536859 A7 B7 五、發明説明（49 ) 2 a之間。具有較活性層2 7或障壁層2 a更大帶隙能量的氮化 物半導體層或導光層26鄰接活性層設置，並用以限制載體 。然而，在鄰接活性層27及障壁層2a的氮化物半導體層26 中’並無載體限制於活性層内的結構。載體係藉配置在大 部分第一導電型層側上的第一障壁層2a限制於井層1 a内。 以下說明井層、障壁層與第一氮化物半導體層（第二氮 化物半導體層）間的關係。如上所敘述，本發明的氮化物 半導體裝置具有一種結構，其中第一導電型層、活性層及 第二導電型層被層壓。此處，說明一種情況，其中第一導 電型層為具有η型氮化物半導體之11型層而第二導電型層為 具有Ρ型氮化物半導體之ρ型層。如上所敘述，說明一種情 況，其中在供量子井結構的活性層内，最靠近η型層側配 置的η側障壁層為第一障壁側，另一方面，最靠近ρ型層側 配置的ρ侧障壁層則為第二障壁侧。此處，在本發明中， 在與設置於第一導電型層（η型層），較佳為靠近11側障壁層 内的第一氮化物半導體層的關係中 具有較第· 有第一障 層側而非· 井層，第 第一氮化物半導體層
，提供設置在ρ型層側而非井層上的第 層）’提供該井層由至少第一障壁層與 結構。其理由如下：因為提供固持井層 層與第二障壁層為分別最靠近
536859 A7 B7 五、發明説明（5〇 ) ’所以其具有不同功能。 第一障壁層為最靠近活性層内η型層配置的障壁層。更 佳的是，第一障壁層設置在最外侧及最靠近活性層内η型 層上，亦更佳的是，其係與11型層及第一氮化物半導體層 接觸設置。其理由如下：因為第一障壁層藉由井層隔二 型層設置，例如，在圖13Β所示的形式中，載體注入井層 内在η型層側上多於在第一障壁層“上，而載體在η型層側 上產生溢流，另一方面，當η型層側上的溢流由厚第一障 壁層阻止時，載體不會注入井層内在更多^^型層側上，井 層的功能如發光重組會惡化。反之，第一障壁層用作限制 井層内載體在由第一障壁層與ρ型層固持的活性層内的障 壁層，而第二障壁層類似地用作限制載體進入第二障壁層 與η型層間的井層内，而由井層固持的障壁層，例如，圖 14Α與14Β中障壁層2c、2d具有分散與限制載體進入各井 層内的功能，®此，第一障壁層與第二障壁層以及井層間 的障壁層具有不同功能。因此，《了達到第一障壁層功能 的最大用途，其可藉配置第一障壁層與第二障壁層在活性 層最外側上而適當地限制載體進入井層内。 此外，關於第二障壁層（第二？側障壁層），代替提供此 ，藉提供後述載體限制在活性層外側，較佳接觸活性層， 在第二導電型層（Ρ型層）中，載體可限制於活性層的^層 内。較佳的是，除了此活性層内載體限制層28以外，藉設 置第二障壁層，可改良電子較電洞易於擴散的本質以及氮 半導體内載體擴散長度的傾向，因此，可得一種結構，其 ___ - 53 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ 297公爱：) " -------- 536859
中載體可適當地限制並注 ^ , κ, ρη ^ ' 曰内，特別是井層内。此 處，如同第一障劈屏，哲__ 曰第一障壁層配置在ρ型層（第-導| 型層）而非井層上，更佳的是，县▲牡Ρ^(第-導電 e 献罢七、 的 最罪近P型層配置，最佳的 P # 円敢外侧及P型層側上，藉此，可適當 地注入載體。另外，關於# ^ M PP ;載體限制層，第二障壁層可隔開 載肢限制層配置。然而，藉 #神服生丨成〜 错元成第二障壁層接觸p型層内 載體限制層28，載體限制層内恭 θ内載體稭第二障壁層的補充限 制以及注入井層内成為可能。 此卜，亦可认置在活性層内的障壁層中除了最外障壁層 以外的障壁層，其較活性層 曰門开席更罪近第一導電型層與 第二導電型層配置如同上述第一障壁層與第二障壁層，使 壁層2c係由井層以及井層2,所固持，而障壁層μ係由井 層lb及井層leij持，例如，如圖14A與⑽所示。特別是 ’在多重量子井結構中，藉使用該由井層所固持的障壁層 ’載體被適當地分散、注入以及限制於複數層井層内各井 層内即，其具有不同於上述第一障壁層2a與第二障壁層 2b的功能。即使當厚度小於第一障壁層或第二障壁層者時 ’可得該量子井結構Μ吏由井層固持的障壁層的功能不會 惡化，及可抑制整個活性層的厚度並可抑制Vf的增加。此 外’藉使用由井層固持的障壁層2c來代替第一障壁層2&與 第二障壁層2b，如圖14A所示，自各導電型層注入的載體 係藉此具有大障壁干擾井層的障壁層2C直接並適當地限制 並注入鄰接的井層内。此外，藉使用由井層固持的障壁層 2c、2d來代替第一障壁層2a與第二障壁層2b，如圖14B所 -54 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 536859 A7 -----— _ 五、發明説明（52 ) 不，由位於此等障壁層内部的障壁層限制的功能會減弱， 於，、外側的第一障壁層2a與第二障壁層2b會較此等障壁 層強化。藉此，即使當井層的數目增加時，外障壁層形成 大障壁，種結構，其中可適當地實現各井層内載體的注入 與限制。 如上所敘述，因為第一障壁層2a與第二障壁層仏，其為 外部障壁層，具有不同於該等由井層固持的内部障壁層的 功旎，所以厚度、帶隙能量及組合物可在内部障壁層與外 部P早壁層之間改變，因此，可得具有所欲裝置特性的裝置 此外在具有複數層内部障壁層的活性層中，如圖^ 4B 所示，組合物、帶隙能量及厚度可在各個内部障壁層之間 文支另外，組合物、帶隙能量及厚度可在各個内部障壁 2之間大約相同。較佳的是，藉採用大約相同的組合物、 帶隙能量及厚度，大約均勻的功能提供至内部障壁層，因 此’載體可適當地注入各個井層内。 此外，如上所敘述，對於上述理由，較佳的是，關於各 個P羊壁層用雜質的摻雜，位於大部分η型層側上的第一障 壁層2b係用η雜質摻雜。較佳的是，配置在大部分ρ型層側 上的第二障比層實質上不用η型雜質摻雜，明確而言，係 在雜質濃度為5x1016/cm3下摻雜而非用η型雜質摻雜。其理 由如下：用於氮化物半導體的Ν型雜質在許多情況下具有 高擴散性。例如，有常用馗8與以被廣泛地擴散於層壓的 結構内的傾向。當ρ型雜質摻雜於障壁層内時，擴散入鄰 接井層會·發生’而有抑制載體於井層内的發光重組的傾向 _____ -55- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Μ規格(21GX297公董) 536859 A7 ---- B7 五、發明説明（53 ) 。此外，藉使靠近P型層侧的第二障壁層未摻雜，雜質|p 型側的擴散終止於障壁層内，而防止雜質於井層内的進一 步擴散。特別是，當載體限制層28隱藏於p型層内並配置 於第二障壁層附近，較佳為接觸第二障壁層時，因為有載 體限制層變成相當高阻力層的傾向，所以p型雜質易於在 高濃度下摻雜，因此，此雜質擴散變成問題。然而，使第 二障壁層未摻雜，可防止井層的功能由於擴散而惡化。此 外，因為有p-n接點形成於載體限制層附近的傾向，且如 圖12B與14A等所示，載體限制層在最大A1晶體混合比例 下形成於裝置結構内，大壓電現象係由具有高八丨晶體混合 比例的氮化物半導體施加，其易於在井層上具有不利影響 二然而，藉形成具有較再體限制層更小八丨晶體混合比例的 第二障壁層，有可抑制井層上不利影響的傾向。 此外，當第一障壁層具有較第二障壁層更大厚度比較於 j 一障壁層與第二障壁層時，藉設置載體限制層28於第二 導電型層内’藉第二障壁層限制載體於活性層的功能會減 v，即，障壁層如同上述内部障壁層般作業。可得依種結 構，其中載體主要於活性層内的限制係藉載體限制層28實 現因為可減少整個活性層的厚度，所以可減少Vf。此外 在氮化物半導體中，因為電洞的擴散長度小於電子的擴 散長度，當作為電洞入口的第一障壁層的厚度小時，載體 可有效地注入井層内。另一方面，當設置用p型雜質摻雜 的載體限制層28時，或當靠近活性層，較佳為接觸活性層 配置的第二氮化物半導體層29具有較第一障壁層更大帶隙 _-56 觸 本紙張尺度適财國國家鮮格(21Gx 297公釐)-- 536859 A7 ____B7 五、發明説明（54 ) 能量時，具有高A1晶體混合比例的層鄰接活性層設置。因 此’因為具有高A1晶體混合比例的層為高阻力，所以在裝 置操作期間此層產生高熱，當其靠近井層時，熱對井層的 不利影響會發生，其易於降低裝置特性。此外，在該具有 高A1晶體混合比例的層與活性層間的界面，或在具有高Αι 晶體混合比例的層的活性層側上的界面，或在其附近，當 形成p-n接點及設置活性層的井層在其附近時，如圖12B、 14A及14B所示，有偏壓會對井層内發光重組具有不利影 響。即，較佳的是，使第一障壁層作為隔離井層與具有高 A1晶體混合比例的層的隔離片，使得上述具有高A1晶體混 合比例的層對井層無不利影響。在此情況下，當第一障壁 層的特定厚度至少為20A或以上時，可顯示上述作為隔離 片的功能。當厚度為40 A或以上時，可得對井層具有抑制 影響的活性層。 關於本發明第一導光層26與第二導光層29，可述及含有 A1的氮化物半導體。此外，如圖12B與圖14A、14B内帶結 構4 1所示’導光層被做成具有至少較量子井結構内活性層 27的井層更大帶隙能量，並使活性層27與導光層26、29間 的折射指數的差異變成小，藉此，可得導波結構。此外， 如圖12B與圖14A、14B所示，導光層可具有較障壁層更小 的帶隙能量。此外，如圖13 A、13B所示，導光層的一部 分可具有較障壁層更小的帶隙能量。在此情況下，除了第 一障壁層以外，導光層或其一部分可具有較障壁層更大的 帶隙能量。此外，如圖14A、14B所示，導光層可具有較内 -57- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 536859 A7 B7 五、發明説明（55 ) 部障壁層，即，一部分活性層内障壁層更大的帶隙能量。 即’較佳的是，當導光層具有較第一障壁層更小的帶隙 能量的第一氮化物半導體，更佳的是，導光層包含第一氮 化物半導體，或整個導光層具有較具有除了第一氮化物半 導體以外的層的多層膜導光層内第一障壁層更小帶隙能量 時，可適當地顯示上述第一障壁層的載體限制層的功能。 此外，當形成具有低A1晶體混合比例的導光層時，例如， 藉此形成滴導光層時，可形成活性層而抑制由於含有乂的 氮化物半導體晶化特性的惡化，因此，可得發光裝置與雷 射裝置優異的裝置。如同在第一氮化物半導體層情況下導 光層於第一導電型層内的設置，在導光層設置於第二導電 型層内的情況下，如上所敘述，可設置具有較第二障壁層 更小帶隙能量的第二氮化物半導體層。運用如第一氮化物 半導體層相同的功效。 此外，在第二氮化物半導體層設置於上導光層的情況下 ’關於導光層的組合物，明確而言，使用InaAlpGa^a.pN (0$ α，〇<β，α+β$ 1)。較佳的是，藉使用不含in的氮化 物半導體，即，藉使用具有In比例為0的氮化物半導體， 可防止由於In的加入光之吸收，因此，可得可降低光損耗 的導波。此外，藉較佳使用AlpGai-pN (0$ 1)，可得一
種導波，其可應用至自紫外線區至紅色區的寬波長區。特 別是，為了導引在380 nm或更短的較短波長區内的光線， 如上所敘述，較佳使用AlpGai-pN (0$ 1)，因為在GaN 中，上述較短波長區光線被吸收，導致損耗，而惡化門檻 -58- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 536859
包a a度及f流·光產率特性。特別{，較佳為調整導光 層内Α1比例β，使導光層的帶隙能量&大於活性層的發光 的^子能量Ep^G5 eV或大於（wG G5 eV)。藉此， 可得冑導波其中可抑制上述較短波常區内由於導光層 光線的損耗。更佳的是，藉採用w〇 l，形成更優異 導波。 在第一氮化物半導體層設置於導光層内的情況下，導光 層可：有超晶格結構或由單一膜所形成。比較於超晶格結 構，單一膜的形成可便利載體電流的流動並減少Vf。在單 一膜的厚度厚至至少量子效應不會發生的情況下，較佳為 較第一障壁層更厚（在第二氮化物半導體層的情況下第二 障壁層），更佳為300 A或以上。 另一方面，在導光層具有超晶格的情況下，所有構成超 晶格的層較佳可包含A1，或其較佳為構成超晶格的層中至 少一層較佳可包含A1且其帶隙能量小於活性層最外障壁層 者及大於活性層的内障壁層者。此可充分地便利載體限制 於活性層内。 第一傳導型層與第一障壁層間的界面較佳被晶格不匹配 。明確而言，當第一障壁層由AUnvGai.uvN (〇<u<1， 0<ν<1，u+v<l)形成時，第一氮化物半導體層可由Α1χ(}~_χΝ (0$χ< 1)形成。當第一導電型層係由欲與第一障壁層晶格 不匹配的氮化物半導體的四元混合晶體形成時，希望層包 含In而含有In的氮化物半導體的四元混合晶體很難形成例 如3 00 A或以上的厚度。因此，第一導電型層較佳由不含 _____- fSQ . 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 536859 A7 __B7 五、發明説明（57 )
In的AlGaN形成，其具有晶格不匹配特性。 (具體例3) 以下說明本發明之第三具體例，說明裝置結構的特定實 例0 (具體例3-1) 活性層（AlGaN障壁層/GaN井層/AlGaN障壁層）SCH結構 p-GaN接觸層 p-Alo.iGao.9N/Alo.05Gao.95N超晶格包覆層（上包覆層 3〇) p-Al0.04Ga0.96N導引層（上導引層29) p-Al〇.3Ga〇.7N (載體限制層 28) 活性層（Al〇.15Ga〇.85N障壁層（第一障壁層）（i〇〇 A)/GaN井 層（100 A)/Al〇.15Ga〇.85N障壁層（第二障壁層）(45 A)) n-Al0.04Ga0.96N導引層（下導引層26) n-Al〇.iGa〇 9N/Al〇 Q5Ga〇 95N超晶格包覆層（下包覆層25) n-InGaN裂痕防止層 n-Alo.onwGaNCSi 摻雜：載體濃度 2xl〇18cm·3) 基材（缺陷密度5xl05/cm3 :藉HVPE法在ELOG基材上的 晶體生長GaN獲得的基材） (具體例3-2)
活性層（AlInGaN障壁層/GaN井層/AlInGaN障壁層）SCH 結構 活性層顯示如下，其他具有如具體例3 _丨相同的結構。 活性層（Al〇.15In0.〇3Ga〇.82N障壁層（第一障壁層）（ι〇〇 A)/ 〇&>^井層（100入)/八10.151110.03〇&0.8以障壁層（第二障壁層） ------60- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公爱) 536859 A7 B7 五、發明説明（58 ) (45 A)) (具體例3-3) 活性層（AlGaN障壁層/AlGaN井層/AlGaN障壁層）SCH結構 (振盪波長360 nm) 活性層顯示如下，其他具有如具體例3-1相同的結構。 活性層（Al0.2〇Ga0.8〇N障壁層（第一障壁層）（100 A)/ Al0.05Ga0.95N井層（100 A)/Al0.20Ga0.80N障壁層（第二障壁層） (45 A)) (具體例3-4) 活性層（AlInGaN障壁層/AlGaN井層/AlInGaN障壁層）SCH 結構（振盪波長360 nm) 活性層顯示如下，其他具有如具體例3-1相同的結構。 活性層（Alo.uIno.wGao.82N障壁層（第一障壁層）（100 A)/ GaN 井層（100 A)/Al0.15In0.03Ga0.82N 障壁層（第二障壁層） (45 A)) (具體例3-5) 活性層（AlGaN障壁層/GaN井層/AlGaN障壁層）GRIN結構 p-GaN接觸層 未使用導光層，包覆層顯示如下，其他具有如具體例3-1 相同的結構。 p-AlaGahN/AlbGabbN超晶格包覆層（上包覆層30) n-AlcGai-cN/AldGai-dN超晶格包覆層（下包覆層25) (具體例3-6)
活性層（AlInGaN障壁層/GaN井層/AlInGaN障壁層）GRIN ____ -61 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
線 536859 A7 B7 五、發明説明（59 ) -- 結構 未使用導光層’包覆層及活性層顯示如下，其他具有如 具體例3-1相同的結構。 ^ p-AlaGai.aN/AlbGauN超晶格包覆層（上包覆芦3〇) 活性層（Al〇.15In〇.〇3Ga〇.82N障壁層（第一障壁層）（45 A)/ GaN 井層（100 A)/Al0.15In0.03Ga0.82N 障壁層（第二障壁声 (45 A)) n-AlcGa^eN/AlciGauN超晶格包覆層（下包覆層25) (具體例3-7) 活性層（AlGaN障壁層/AlGaN井層/AlGaN障壁層）GRIN結 構（振盪波長360 nm) 未使用導光層，包覆層及活性層顯示如下，其他具有如 具體例3-1相同的結構。 p-AlaGaieaM/AlbGai.bN超晶格包覆層（上包覆層3〇) 活性層（Al〇.2〇Ga〇.8〇N障壁層（第一障壁層）（i〇〇 a)/ 八1〇.〇5〇&〇.95^井層（1〇0人)/八1〇.2〇〇&〇.8〇1<[障壁層（第二障壁層） (45 A)) n-AUGai-cN/AldGauN超晶格包覆層（下包覆層25) (具體例3-8) 活性層（AlInGaN障壁層/AlGaN井層/AlInGaN障壁層） GRIN結構（振盪波長360 nm) 未使用導光層，包覆層及活性層顯示如下，其他具有如 具體例3-1相同的結構。 p-AleGaNeN梯次比例包覆層（上包覆層30) _____-62-_— _ I紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 536859 A7 _____B7 五、發明説明（6〇 ) 活性層（Al0 15in〇 〇3Ga0.82N障壁層（第一障壁層）（1〇〇 a)/
GaN 井層（1〇〇 A)/Ai〇 15ln〇 〇3Ga〇 障壁層（第二障壁層） (45 A)) 11-八1£〇&1_办梯次比例包覆層（下包覆層25) (具體例3-9)
活性層（AlGaN障壁層/GaN井層/AlGaN障壁層）GRIN-SCH 結構 導光層顯示如下，其他具有如具體例3-1相同的結構。 p-AlgGa^gN梯次比例導引層（上導引層29) 活性層（A1〇.i5Ga〇.85N障壁層（第一障壁層）（i〇〇 A)/GaN井 層（100 A)/Al0.15Ga0.85N障壁層（第二障壁層）(45 A)) n-AlhGaNhN梯次比例導引層（下導引層26) (具體例3-10) 活性層（AlInGaN障壁層/GaN井層/AlInGaN障壁層）GRIN-SCH結構（振1波長360 nm) 包覆層與活性層顯示如下，其他具有如具體例3-1相同 的結構。 p-AlgGai-gN梯次比例導引層（上導引層29) 活性層（Al0.16In〇 〇8Ga〇.82N障壁層（第一障壁層）（100 A)/ GaN 井層（100 A)/Al〇.15In0.03Ga0.82N障壁層（第二障壁層） (45 A)) n-AlhGa^N梯次比例導引層（下導引層26) (具體例3-11) 活性層（AlGaN障壁層/AlGaN井層/AlGaN障壁層）GRIN- __ -63-___ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 B7 五、發明説明（61 SCH結構（振盪波長360 nm) 包覆層與活性層顯示如下，其他具有如具體例3 _丨相同 的結構。 p-AlgGa^gN梯次比例導引層（上導引層29) 活性層（Al〇.2〇Ga〇.8〇N障壁層（第一障壁層）（i〇〇 a)/ Al〇.〇5Ga〇.95N 井層（100 A)/Al〇.2〇Ga〇.8〇N 障壁層（第二障壁層） (45 A)) n-AUGauN梯次比例導引層（下導引層26) (具體例3-12) 活性層（AlInGaN障壁層/AlGaN井層/AlInGaN障壁層） GRIN-SCH結構（振盪波長360 nm) 包覆層與活性層顯示如下，其他具有如具體例3 -1相同 的結構。 p-AlgGabgN梯次比例導引層（上導引層29) 活性層（Al0.15In0.03Ga〇.82N障壁層（第一障壁層）（ι〇0 A)/ GaN 井層（100 A)/Al0.15In0.03Ga〇.82N 障壁層（第二障壁層） (45 A)) p-AlgGai_gN梯次比例導引層（下導引層26) 以下分別說明上述具體例3-1〜3-12的特性。 具體例3 -1具有一種超晶格結構，其中活性層係藉上、 下包覆層固持，上導光層與下導光層設置在各個包覆層與 活性層之間，包覆層之一被改良摻雜，各個導光層具有較 第一障壁層或第二障壁層更小的帶隙能量並具有較小的A1 晶體混合比例，障壁層係由AlGaN三元混合晶體所形成。 -64 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂
536859 A7 B7 五、發明説明（62 具體例3-2與具體例3-1的不同點在於第一障壁層與第二障 壁層係由AlInGaN四元混合晶體所形成。具體例3-3與具體 例3-1及3-2的不同點在於井層為AlGaN三元混合晶體。具 體例3-4與具體例3-1，2及3的不同點在於井層為AlGaN三 元混合晶體而障壁層為AlInGaN四元混合晶體。具體例3-5 與具體例3-1，2，3及4的不同點在於上包覆層與下包覆層 之一係以改良摻雜方式摻雜以形成超晶格包覆層，使包覆 層之一中A1比例A與C接近活性層時較小，活性層附近（具 有離開活性層之距離為〇· 1 μπχ或更小的區域）的帶隙能量Ec 大於Ep為0.05 eV或更大，另一方面，在此附近區内，使 得A1比例與帶係能量較第一障壁層與第二障壁層者更小。 據此，A1比例為a>b，c>d。具體例3-8與具體例3-1〜7的不 同點在於，在作為上包覆層與下包覆層之A1GaN層中，A1 晶體混合比例e與f接近活性層時較小，活性層附近（具有 離開活性層之距離為〇·1 μιη或更小的區域）的帶隙能量匕大 於Ερ為0.05 eV或更大，另一方面，在此附近區内，使得 A1 aa體比例與帶隙能量較第一障壁層與第二障壁層者更小 。具體例3-9與具體例3-1〜8的不同點在於，導引層具有梯 次比例結構，使A1晶體混合比例§與h接近活性層時較小， 一部分導引層具有較第一障壁層與第二障壁層者更小的A1 晶體比例與帶隙能量。 [實例1】 關於實例，以下說明一種雷射裝置，其中氮化物半導體 用於圖！所示的雷射I置結構及圖1所示的導波結構。此處 本紙張又度適用中國國家梯準(CNS) Α4ϋ^_χ 297__f ------- 536859 A7 ____B7 五、發明説明（63 ) ，第一導電型層係由η型氮化物半導體所形成而第二導電 型層係由ρ型氮化物半導體所形成。然而，本發明不限於此 ’反而第一導電型層可為ρ型而第二導電型層則可為η型。
GaN基材用於此實例中。此外，不同於氮化物半導體的 多相基材可用作基材。關於多相基材，可使用眾所週知氮 化物半導體可生長於其上的不同於氮化物半導體的基材， 如藍寶石、尖晶石（絕緣基材如MgAl2〇4)、SiC (包括6H， 4H及3C)、ZnS、ZnO、GaAs及Si ,可與氮化物半導體晶格 相容而具有主平面為C面、r面與a面中任一平面的氧化物 基材。較佳的多相基材為藍寶石及尖晶石。此外，多相基 材可為斜角。在此情況下，當使用階梯狀斜角的多相基材 時’生長具有較佳晶化特性的包含氮化鎵的接地層。此外 ’當使用多相基材時，作為氮化物半導體單一基材的裝置 基材可藉在裝置結構形成前生長作為接地層的氮化物半導 體並藉方法如磨擦法除去多相基材而形成。此外，在裝置 結構形成後，可除去多相基材。除了 GaN基材以外，亦可 使用氮化物半導體的基材如AIN等。 在使用多相基材的情況下，當裝置結構藉由緩衝層（低 溫生長層）及包含氮化物半導體的接地層（較佳為GaN)形成 時’氮化物半導體生長較佳。此外，當藉EL〇G (磊晶側 向附生）法生長的氮化物半導體用作設置在多相基材上的 接地層（生長基材）時，可得具有較佳晶化特性的基材。關 於ELOG層的實例，由生長氮化物半導體層在多相基材上 並在氮化物半導體很難生長的上面設置保護膜的遮蔽區與 --- - β 00 本紙張尺度適财® g家料(CNS) A_^(21Q χ 297_公董)----- 536859
發明説明 生長氮化物半導體的非遮蔽區被條狀設置，氮化物半導體 係自非遮蔽區生長。藉此，除了厚度方向生長以外亦實施 側向方向生長。藉此，氮化物半導體亦在遮蔽區上生長以 得ELOG層之例。以其他形式，開口設置在多相基材上生 長的氮化物半導體内，而側向方向生長係自開口之侧實施 以得ELOG層之例。 (基材101) 在做為基材的多相基材上生長的氮化物半導體，此實例 中為GaN ’生長在厚度為100 ，除去多相基材，並使 用含有GaN為80 μηι之氮化物半導體基材。形成基材的方 法的細節如下：具有C面作為主平面之包含2吋φ藍寶石的 多相基材放入MOVPE反應器内，溫度保持在5〇〇eC下，使 用二甲鎵（TMG)與氨（NH3)以生長含有GaN的低溫生長緩衝 層在厚度為200 A下，此後，上升溫度，未摻雜的GaN生長 在厚度為1.5 μπι以得接地層。然後，複數個條狀遮罩形成 在接地層的表面上，氮化物半導體，GaN係自遮罩開口（窗 部）選擇性生長以形成由側向生長法（ELOG)的生長獲得之 氮化物半導體層（側向生長層），隨後，GaN係藉Hvpe法生 長在厚度為100 μπι，以及除去多相基材、緩衝層及接地層 以得含有GaN的氮化物半導體基材。 據此，遮罩在選擇性生長下包含Si〇2。寬度為15 μιη& 開口（窗部）寬度為5 μπι的遮罩可減少滲透重新配置。明確 而言，在側向生長的區内如遮罩的上部分，滲透重新配置 會減少。在遮罩的開口，膜係藉近似膜生長法獲得。因此 _____-67- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNs) Α4規格(210X 297公釐) 536859
，渗透重新配置方面無改變，導致一種層，其中具有大渗 透重新配置密度的區與具有小密度的區被分布。對於形成 厚氮化物半導體層，H VPE法由於大生長速率而較佳。藉 使用GaN或Α1Ν作為由HVPE法生長的半化物半導體，可生 長具有較佳晶化特性的厚膜。當GaN基材係由HVPE法形 成時’有二維生長形式的傾向，其中隨著自產生的核生長 的疋域以後度方向生長，各個定域被組合以形成膜。在該 情況下，因為滲透重新配置係用核生長傳輸，所以有由上 述側向生長層分布的滲透重新配置被分散的傾向。 (緩衝層102) 在溫度為1050°C下，使用TMG (三甲鎵）、TMA (三甲紹） 及氨以在氮化物半導體基材上生長厚度為4 μπι包含 Al0.05Ga0.05N之緩衝層1〇2。此層可在AlGaN η側接觸層與 含有GaN之氮化物半導體基材之間作為緩衝層。 明確而言，當由使用該層形成之侧生長層或基材為GaN 時，可使用具有較GaN，AlaGai.aN (0<a^l)更小熱膨脹係 數之包含氮化物半導體之緩衝層102以減少凹坑。最好設 置在GaN上，其為氮化物半導體之側生長層。此外，當緩 衝層102内A1晶體混合比率a為0<a<0.3時，可形成具有較 佳晶化特性之緩衝層。此緩衝層可形成為η側接觸層。在 形成緩衝層102後，形成由上述緩衝層之組合等式表示的η 侧接觸層，因而使緩衝層102及其上之η側接觸層1 〇4具有 緩衝效果。即，此緩衝層102設在使用侧生長或形成其上 之側生長層之氮化物半導體基材與裝置結構之間，或裝置 __-68- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
装 訂
k 536859 A7 ------B7 五、發明説明（66 ) 結構内主動層與側生長層（基材）或形成於其内之側生長層 (基材）之間，更佳的是，設在裝置結構内基材側下包覆層 與側生長層（基材）至少一層之間，藉此，可減少凹坑而可 改良裝置特性。 另外’當η側接觸層為緩衝層時，為了獲得與電極之較 佳歐姆接觸，η側接觸層内A1晶體混合比率a最好為〇」或 更小。此第一氮化物半導體層或欲設在形成於其上之側生 長層上的緩衝層可在不低於3〇〇。〇而不高於900°C之低溫下 ’在不低於800°C而不高於1200°C之溫度下生長，如同欲 設在上述多相基材上的緩衝層一般。較佳的是，當單晶體 在不低於800 °C而不高於1200 °C之溫度下生長時，可得上 述凹坑減少效果。此緩衝層可摻雜有η型或p型雜質，或可 未摻雜。為了獲得較佳晶化特性，此緩衝層最好未摻雜形 成。當設置2層或以上的緩衝層時，可改變η型或ρ型雜質 〉辰度及A1晶體混合比率。 然後，欲成為裝置結構之各個層層壓在包含氮化物半導 體之接地層上。此處，設置η側接觸層110至n側導光層作 為第一導電型層，而設置ρ側電子限制層1 〇8至ρ側接觸層 111作為第二導電型層。 (η側接觸層103) 然後，在所得緩衝層102上，使用TMG、ΤΜΑ、氨及矽 烧以在1050°C下，生長包含Si摻雜的Al〇.〇5Ga〇.95N的η側接 觸層103在厚度為4 μπι。藉使用含有Α1的氮化物半導體， 明確而言，AlxGahN (0<χ£1)於η側接觸層或接地層如緩 ___ -69- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) Α4規格(210 X 297公董） 536859 五、發明説明（ 67 ) A7 B7
衝層内’有由於使用ELOG晶化特性惡化的傾向，特別是 ，可抑制凹坑的發生，因此，比較於不含A1的氮化物半導 體如GaN，可設置較佳的接地層表面，藉此，較佳使用含 有A1的氮化物半導體。 3 (裂痕防止層104) 然後，使用TMG、TMI (三甲銦）及氨以在8〇〇它下，生 長包含In〇.〇6Ga〇.94N的裂痕防止層1〇4在厚度為0 15 μιη。 可省略裂痕防止層。 (η側包覆層105 (下包復層25)) 使用ΤΜΑ、TMG及氨作為原料以在i〇5〇°c下，生長包含 未摻雜Al〇.14Ga〇.86N的A層在厚度為25A。隨後，停止TMa ’石夕烧氣體用作雜質氣體以生長在5χ l〇18/cm3下用Si摻雜 含有GaN的B層在厚度為25A。重複交替層壓A層與B層的 程序120次以層壓A層與B層以生長包含多層膜（超晶格結 構）具有全部厚度為0.6 μηι之η側包覆層106。 (η側導光層106 (第一導光層26)) 然後，在相同溫度下，使用TMG及氨作為原料氣體以交 替地層壓包含厚度為25Α的Si摻雜GaN的Α層與包含厚度 為25 A的AlowGao.wN的B層（藉加入TMA作為原料氣體）30 次，以生長包含超晶多層膜具有厚度為〇·15 μηι之η側導光 層 106 〇 (活性層107) 然後，如圖7所示，使用ΤΜΙ (三甲銦）、TMG及ΤΜΑ作 為原料氣體以在800°C下，層壓包含Si摻雜的AluGaojN的 __ -70- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859
障壁層及包含未摻雜的InQ μα。^^^的井層於其上， 其順序為障壁層2a/井層ia/障壁層2b/井層lb/障壁層以。 據此，如圖7所示，障壁層2&形成在厚度為2〇〇A,而障壁 層2b、2c形成在厚度為40A,及井層la、lb形成在厚度為 70 A。活性層107具有全部厚度為約420 A的多重量子井結 構(MQW)。 " (P側電子限制層108 (載體限制層28)) 然後’在相同溫度下，使用TMA、TMG及氨作為原料氣 體以及CpzMg (環戊二烯鎂）作為雜質氣體以生長包含 AluGauN在lxl〇19/cm3下用Mg摻雜的p側電子限制層1〇8 在厚度為10 mm。此層不用設置。然而，藉由設置，此層 用來限制電子並促進門檻的減少。 (P側導光層109 (第二導光層29)) 然後，在溫度為1050°C下，使用TMG及氨作為原料氣體 以交替地層壓包含厚度為25 A的Mg摻雜GaN的A層與包含 厚度為25 A的Al〇 〇6Ga〇.94N的B層（藉加入TMA作為原料）20 次’以生長具有厚度為〇·15 μιη之超晶格多層結構的p侧導 光層109。 因為此ρ側導光層109係藉Mg自鄰接層如ρ側電子限制層 108、p側包覆層109等的擴散用Mg摻雜，即使形成未摻雜 時，可使導引層109成為Mg摻雜的層。 (P側包覆層110 (上包覆層30)) 隨後，在1050°C下，包含未摻雜Alo.MGao.wN的A層生 長在厚度為25A。隨後，使用Cp2Mg以生長包含Mg摻雜的 __ -71 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
線 536859 A7 _ _ B7 五、發明説明（69 )
Al014GaQ86N的B層在厚度為25 A。重複交替層壓a層與B 層的程序100次以層壓A層與B層以生長包含超晶格多層膜 具有全部厚度為0·5 μιη之p侧包覆層11 〇。 (Ρ側接觸層111) 最後，在1050°C下，包含在lxl 020/cm3下用Mg摻雜的ρ 型GaN在ρ侧包覆層110上生長在厚度為15〇 a。p側接觸層 111 可由 ρ型 InxAlYGamN (0$Χ，〇$γ，χ+γ$ι)，較佳的 是’用Ρ型雜質摻雜的GaN或具有Α1比例為〇·3或更小的 AlGaN所組成。藉此，可得與ρ電極12〇最佳的歐姆接觸， 最佳的是，藉採用GaN，最佳歐姆接觸變成可能。因為接 觸層111為其上形成有電極的層，所希望有lxl〇i7/cm3或更 大的南載體濃度。當濃度低於1χ 1 〇17/cm3時，有其變成很 難獲得與電極較佳歐姆接觸的傾向。此外，藉採用GaN作 為接觸層的組合物，易於獲得與電極材料較佳的歐姆接觸 。在反應完成後’晶圓係在7 0 0 °C下氮氛圍内反應器中退 火，以使ρ型層降低阻力。 在生長氣化物半導體以如上述層壓各個層後，自反應器 除去晶圓，包含Si〇2的保護膜形成在最上面ρ側接觸層的 表面上’其係使用RIE (反應性離子蚀刻）法以Sici4氣體餘 刻’以暴露η側接觸層1〇3的表面，欲形成η電極於其上， 如圖1所示。因此，為了蝕刻氮化物半導體深，最好Si〇2 作為保護膜。 然後’關於上述條狀導波區，形成脊柱條。首先，包含 氧化石夕（主要為Si〇2)的第一保護膜1 6 1係使用pvd裝置在最 -72- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2l〇x297公釐） ---- 536859
上面P側接觸層（上接觸層）的幾乎表面上形成在厚度為 〇·5 μηι下，具有預定形狀的遮罩放置在第一保護膜上，其 係用RIE (反應性離子蝕刻）設備使用eh氣體實施光刻技 術以得具有條寬為1·6 μπι的第一保護膜16ι。據此，脊柱 條的高度（姓刻深度）係藉蝕刻一部分ρ側接觸層丨丨i、卩側 包覆層109及p側導光層110並蝕刻p側導光層1〇9至〇 ^ 的厚度而形成。 然後，在脊柱條形成後，包含氧化錘（主要為Zr〇2)的第 一保濩膜162在由餘刻暴露的第一保護膜j 6 1及ρ側導光層 109上連續形成在〇·5 μχη的厚度。 在苐一保護膜162形成後，晶圓在600 °C下熱處理。當 Si〇2以外的材料如此形成為第二保護膜時，在第二保護膜 形成後，藉在溫度不低於300t，較佳為不低於40(TC而不 高於氮化物半導體的降解溫度（12〇〇。〇下熱處理，第二保 護膜變成很難在溶解第一保護膜的材料（鹽酸）内溶解，因 此，其更希望加入此步驟。 然後，晶圓浸泡於鹽酸内以藉提升法除去第一保護膜 1 6 1。此除去設置在p侧接觸層1丨i上的第一保護膜16丨以暴 露P側接觸層。因此，如圖1所示，第二保護膜（喪入層） 162形成在脊柱條與連續平面（p側導光層ι〇9的暴露平面） 上。 因此，在除去設置在p側接觸層112上的第一保護膜161 後，如圖1所示，包含Ni/Au的p電極120形成在暴露的p側 接觸層111的表面上。p電極120具有條宽為1〇〇 μηι並如圖1 _-73- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 536859 A7 B7 五、發明説明（π ) 所不’形成在第二保護膜162上方。在第二保護膜i62形成 後，包含Ti/Al的條狀n電極121形成在與條帶平行的已暴 露η侧接觸層1〇3的表面上。 然後’為了提供取樣電極在由餘刻暴露的側上的ρ，η電 極内以形成η電極，遮蔽所欲區，包含Si〇2與丁丨〇2的介電 多層膜164設置於其上，而包含Ni-Ti.Au (1000 A-1000 A-8000 A)的取樣（圖樣）電極122、ι23分別設置在ρ，η電極上 。據此’活性層107的寬度為200 μιη (垂直於共振器方向 的方向寬度），而包含Si〇2與Ti〇2的介電多層膜設置在共 振器的表面（反射側）上。因此，在形成η電極與p電極後， 氮化物半導體的Μ平面（GaN之Μ平面，如（Π-00))係以垂 直於條狀電極的方向分成桿狀，進一步細分桿狀晶圓以得 雷射裝置。據此，共振器的長度為65〇 μιη。 當轉化成桿狀時，在由蝕刻端固持的導波區内進行裂解 ’所得裂解平面可為共振器平面。此外，裂解亦可在導波 區外側進行，蝕刻端可為共振器平面。可形成一對具有一 平面作為姓刻端而另一平面作為裂解平面的共振器平面。 此外’包含介電多層膜之反射膜設置在上述蝕刻端的共振 器平面上。此外，反射膜亦可在裂解後設置在裂解表面的 共振器平面上。據此，關於反射膜，使用至少一個選自 Si02、Τι02、Ζγ02、ΖηΟ、Α12〇3、MgO及聚亞胺所組成之 群。另外，亦可使用藉層壓在厚度為λ/4η (λ為波長，η為 材料的折射指數）獲得的多層膜，或僅可使用一層，或反 射膜亦可作為防止共振器端暴露的表面保護膜。為了作為
裝 訂
線
536859 五、發明説明（72 ) 表面保護膜，形成膜在厚度為λ/2η。此外钱刻端未在裝 置加工步驟中形成，即，僅暴露η電極形成平面（η侧接觸 ^)’而可得具有—對裂解平面作為共振器平面的雷射裝 又當桿狀晶圓進-步細分時，可使用氮化物半導體（單 一基材）的裂解平面》當裂解成桿狀時垂直於裂解平面的 虱化物半導體（GaN)可在由六角形系統近似的Μ面或八面 ({1010})，而可取出晶片。另外，當裂解成桿狀時，可使 用氮化物半導體的Α面。 所得雷射裝置為氮化物半導體裝置，其係在室溫下，在 3 70 nm波長下連續振盪。此外，n侧或p側導光層係由具有 A1平均比例為〇·〇3的AlGaN所組成，並形成導波，其中第 一導光層及第二導光層的帶隙能量Eg與雷射光的質子能量 Ep (活性層的發射波長）間之差異，Eg-Ep，為〇.〇5 eV或更 大。 [實例2】 除了活性層如下述形成於實例1以外，根據如實例1相同 方式，可得雷射裝置。 (活性層107) 以障壁層2a/井層la/障壁層2b/井層lb/障壁層2c的順序 層堡包含Si換雜的Ihq 〇iAl〇.iGa〇 89N的障壁層及包含未捧 雜的In().o3Alo.o2Gao.95N的井層於其上β據此，如圖7所示 ，障壁層2a形成在厚度為200人，而障壁層2b、2c形成在 厚度為40 A，及井層la、lb形成在厚度為70 A。活性層107 -75- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 536859 A7 ____ _ B7 五、發明説明（73 ) 具有全部厚度為約420 A的多重量子井結構（MQW ” 所得雷射裝置為氮化物半導體裝置，其係如實例1在室 溫下，在370 nm波長下連續振盪。 [實例3】 除了活性層、導光層及包覆層如下述形成於實例1以外 ，根據如實例1相同方式，可得雷射裝置。 (η側包覆層105 (下包復層25)) 重複交替層壓包含未摻雜Al().4Ga().7N的Α層在厚度為25 A 與包含在5xl018/cm3下用si摻雜含有Al〇.2Ga〇.8i^ B層在厚 度為25A的程序120次以層壓A層與B層以形成包含多層膜 (超晶格結構）具有全部厚度為〇·6 μιη之η侧包覆層106。 (η側導光層106 (第一導光層26)) 交替地層壓包含厚度為25人的3丨摻雜八1〇.20&〇.91^的八層與 包含厚度為25Α的Alo.wGaulS^B層30次，以生長包含超 晶多層膜具有厚度為0.15 μιη之η側導光層106。 (活性層107) 以障壁層2a/井層la/障壁層2b/井層lb/障壁層2c的順序 層壓包含Si摻雜的Al〇.2GaG.8N的障壁層及包含未摻雜的 ϊη〇.〇3 Al〇 〇2Ga〇.95N的井層於其上。據此，如圖7所示，障 壁層2a形成在厚度為200 A，而障壁層2b、2c形成在厚度 為40 A，及井層la、lb形成在厚度為70 A。活性層107變成 具有全部厚度為約420 A的多重量子井結構（MQW)。 (P側導光層109 (第二導光層29)) 交替地層壓包含厚度為25 A的Mg捧雜Al〇.iGa〇.9N的A層 _-76-____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 536859 A7 ___B7_ 五、發明説明（74 ) 與包含厚度為25A的AluGaojN的B層30次，以生長具有 厚度為0·15 μιη之超晶格多層結構的p側導光層109。 (Ρ側包覆層110 (上包覆層30)) 包含未摻雜Al〇.3Ga〇.7N的Α層生長在厚度為25Α，及包 含Mg摻雜的AluGao^N的B層生長在厚度為25A，及重複 交替地層壓A層與B層的程序100次以生長包含超晶格多層 膜具有全部厚度為0·5 μιη之ρ側包覆層11〇。 所得雷射裝置為氮化物半導體裝置，其係在室溫下，在 3 50 nm波長下，在較實例1更短波長區連續振盪。η側或ρ 側導光層係由具有Α1平均比例為0.2的AlGaN所組成。形成 導波，其中第一導光層及第二導光層的帶隙能量Eg與雷射 光的質子能量Ep間之差異，Eg - Ep，為〇·〇5 eV或更大。 [實例4】 除了各個導光層如下述形成於實例1以外，根據如實例1 相同方式，可得雷射裝置。 (η側導光層106 (第一導光層26)) 包含Si掺雜Al〇.〇3Ga〇.9 7N的η側導光層1〇6 (實例1的Α1平 均比例）形成在厚度為0.1 5 μιη以提供單一膜導光層。 (Ρ側導光層109 (第二導光層29)) 包含Mg摻雜Al〇.()3Ga〇.97N的ρ側導光層1〇9 (實例1的Α1平 均比例）形成在厚度為〇 · 15 μιη以提供單一膜導光層。 雖然所得雷射裝置具有如實例1相同Α1平均比例，惟有 由於單一膜導光層的設置惡化晶化特性的傾向。此外，因 為導光層的摻雜區大，所以有由於雜質摻雜光損耗嚴重地 _____-77- 本紙張尺度適财國时鮮(CNS) Α4規格(21GX297公爱) ---- 536859
發生而增加門檻電流密度的傾向。
裝 此外，關於另一單一膜導光層，在實例丨中，p側導光層 與η側導光層係由未摻雜A。965N形成在厚度為μ nm 以形成具有單一量子井結構的活性層，其中未設置障壁層 2c及井層lb。在所得雷射裝置中，因為導光層比較於實例 1為單一膜，所以晶化特性會惡化。另一方面，藉採用厚 度的一半，可抑制裝置由於晶化特性的惡化而惡化。此外 ，藉形成為摻雜導光層，可得一種結構，其中可抑制導波 中的光損耗。另外，因為活性層具有單一量子井結構，藉 抑制活性層内晶化特性的惡化，可得大約等效於實例1的 雷射裝置。此處，未摻雜意指未在生長時故意進行摻雜。 如上所敘述，由於Mg自鄰接p側電子限制層及p側包覆層 的擴散，P側導光層略為用Mg摻雜。Si會略為擴散，藉^
，η側導光層變成未摻雜。在氮化物半導體中，因為^型載 體的擴散長度較p型更長，未摻雜的氮化物半導體顯示11型 但由於N原子空缺而高阻力，即使轉換成未摻雜的n侧導 光層，載體亦可注入活性層内。 [實例5】 除了導光層如下述圖4所示的梯次組合物形成於實例1以 外，根據如實例1相同方式，可得雷射裝置。 (η側導光層106 (第一導光層26))
AlxGaleXN形成在厚度為〇·ΐ5 μιη。據此，生長時，Α1& 例X自0·01改變成0.05，以提供以厚度方向具有梯次組合物 的η側導光層106。據此，η側導光層係在第一厚度為5〇 nm -78 536859
的區藉Si摻雜形成並在厚度為〇1 μπι的其餘區（在活性層側 上的〇·1 μηι區）未摻雜形成。 (Ρ側導光層109 (第二導光層29))
AlXGai-xN形成在厚度為〇15 μπι。據此，生長時，…比 例X自〇.〇1改變成0.05’以提供以厚度方向具有梯次組合物 的Ρ侧導光層109。據此，ρ側導光層係在第—厚度為〇」叫 的區（在活性層侧上的（Μ μιη區）未摻雜 5〇咖的其餘區藉Mg^形成。 $厚度為 所得雷射裝置具有幾乎如實例i相同A1平均比例。然而 ’如圖4所示，藉設置具有梯次帶隙能量的導光層，注入 載體於活性層内的功效變成較佳而改良内部量子效率。此 外，因為未摻雜區設置在靠近導光層内活性層側（活性層 側）上，所以可得一種導波結構，其中由雜質摻雜的光損 耗會降低，而有減少門檻電流密度的傾向。 [實例6】 除了導光層如下述圖4所示的梯次組合物形成於實例5以 外，根據如實例1相同方式，可得雷射裝置。 (η側導光層106 (第一導光層26)) 交替地層壓包含厚度為25 Α的AlxGai-xN的Α層與包含厚 度為25 A的AlyGa^yN (x>y)的B層30次，以生長具有厚度 為0 · 15 μιη之超晶格多層結構的η側導光層。據此，生長時 ，A1比例X自0 _ 〇 5改變成〇 · 〇 3，而Α1比例y在〇 · 〇 1 5為常數， 以提供具有梯次組合物的η側導光層1 〇6。據此，在η側導 光層中，Α層與Β層均係在第一厚度為50 藉Si摻雜形成 -79- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 536859 A7
’僅A層係藉Si摻雜形成而B層係以改良摻雜方式在厚户 為〇·1 μπι的其餘區（在活性層側上的〇丨μιη區）未摻雜形成广 (Ρ側導光層109 (第二導光層29)) " ° 交替地層壓包含厚度為以人的八丨…心以的八層與包含厚 度為25Α的AlyGai-yN (x>y)的Β層30次，以形成具有厚: 為〇·15 μιη之超晶格多層結構的p側導光層1〇9。此處，在ρ 側導光層中，Α層係藉Mg摻雜形成而β層係在第一厚度為 0·1 μπι (在活性層側上的〇el μιη區）未摻雜形成，A層與^層 係在厚度為50 nm的其餘區藉Mg摻雜形成。 曰 所得雷射裝置具有幾乎如實例4相同Ai平均比例。然而 ,由於超晶格結構晶化特性變成較佳，而改良裝置特性。 另一方面’因為導光層的未摻雜區較實例4小，所以有光 損耗變成較大而減少門檻電流密度的傾向。 [實例7】 以下說明圖8所示的端發射雷射裝置。 (基材501) 使用如實例1之氮化物半導體基材101相同的基材5(H。 父替地層壓各三層包含Α1χ(3^·χΝ 的第一層531 與具有不同於第一層組合物包含AlyGaiyN (〇<y$l , x<y) 的第二層532作為反射膜53〇在氮化物半導體基材5〇1上。 據此’設置各層在符合等式：λ/(4η)(λ為光波長，η為材料 的折射指數）的厚度。關於氮化物半導體反射膜，可使用 交替地層壓第一、第二層與由AlxGaNxN (OSxSl)表示具有 不同組合物的氮化物半導體的多層膜。據此，形成一層或 本紙張尺度適用中國國豕標準(CMS) A4規格(210X 297公愛) 536859 A7 B7 五、發明説明（78 多層各個層及一對或多對第一 /第二層。明確而言，第一 / 第二層可由 AlGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、AlGaN/AIN、 GaN/AIN專所形成。在 AlxGa^xN/AlyGa卜yN (0<x，x<y<l) 的情況下，因為其為AlGaN多層膜，所以可使熱膨脹係數 的差異變小，並可形成較佳晶化特性。在GaN/AlyGai yN (0<y<l)的情況下，由於GaN層，可得具有改良晶化特性的 多層膜。此外，當A1比例（y - X)的差異變大時，第一層與 第二層間的折射指數的差異變大而折射率變高。明確而言 ’藉採用y-x2〇.3，較佳為y-X2〇.5，可形成具有高折射率 的多層反射膜。此外，如實例1中，藉形成AlyGai yN (0<ySl)作為多層膜，其作為緩衝層1〇2，而可得凹坑減少 功效。此外，緩衝層亦可設置在基材與活性層之間或活性 層上。上述介電多層膜可應用至活性層上的反射膜。此外 ’其亦可應用至端發光發射裝置，其中反射膜分開在基材 與活性層之間。 隨後，在如實例1相同條件下，層壓η側接觸層533、活 性層534、ρ側電子限制層（圖未顯示）及卩側接觸層535以提 供具有圓形開口的含有Si02的塊狀層536。Mg摻雜的GaN 係自圓形開口生長以形成第二p側接觸層537。據此，可形 成P側接觸層535或第二p側接觸層537。包含Si〇2/Ti〇2的 介電多層膜形成在第二p側接觸層537上以得反射膜538， 其設置在上述圓形塊狀層5 3 6的開口上。進行蝕刻到達暴 露η側接觸層533的深度，環狀n電極521形成在暴露的η側 接觸層533上’環繞反射膜538的ρ電極520形成在第二ρ側 L____-81 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公董）
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線 536859 A7 —______B7 五、發明説明（79 ) 接觸層537上。如此所得的端發射雷射裝置為雷射裝置， 其如實例1般在短波長下振盪。 [實例8】 除了包覆層、導光層即活性層如下述形成於實例1以外 ’根據如實例1相同方式，可得具有裝置結構的雷射裝置。 關於上、下包覆層，交替地層壓具有厚度為25 A的 Al〇.iGa〇 9N及具有厚度為25 A的Al〇 〇5Ga〇 95N 1〇〇次，以得 超晶格多層結構（500 Ap據此，在P侧與η侧包覆層内，超 晶格之一分別係用Mg及Si作為摻雜物摻雜。 關於上、下導光層，未摻雜的AlG wGao.^N形成在厚度 為 〇· 1 5 μηι 〇 包含Alo.uIno.inGaowN (200 Α)的障壁層、具有厚度為 100A的井層及包含Al〇 ulno.oiGao.MN (45 A)的障壁層被層 壓作為活性層以得量子井結構。 圖10所示A1晶體混合比例X (χ=〇·〇3，〇〇6，〇〇8)的依附 性顯不門檻電流密度及使用Α1χΙί1() 96 χΝ作為井層在 脈衝振盈下波長的改變。圖Π所示Ιη晶體混合比例y (y = 0.02，0·03，0.04，0·07)的依附性顯示門檻電流密度及 使用Al0 〇3InyGa0.97-yN在脈衝振盪下波長的改變。 如圖11所示，在門檻電流密度Jih中，當In晶體混合比例 y生長大於約〇.〇2時，顯示下降曲線，可見最小值範圍為 〇·〇3至0.05而在超過0.05的區中，顯示增加的傾向。此外 ’關於A1晶體混合比例X，如圖1 〇所示，在· 1的範圍内 ’有Α1晶體混合比例\增加的增加傾向而在在〇<χ$〇·6的範 ~ 82 ~ _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)' ----- 並包含在有些情況下，在濃度 其次生長的p型電子限制層108 536859 A7 ~--------BY_ 五、發明説明（80 ) 圍内，較佳可減少門檻電流。 [實例9】 以下說明圖1所示脊柱型氮化物半導體雷射結構的細節。 η型接觸層1〇3、裂痕防止層1〇4、η型包覆層105及η型導 光層106 ’其為η型氮化物半導體，藉由緩衝層102形成在 基材101上。除了 η型包覆層1〇5以外，可省略其他層端 視裝置而定。η型氮化物半導體層必須具有較活性層更寬 帶隙，至少其部分接觸活性層。因此，以含有Α1的組合物 較佳。此外，各層可為生長而用η型雜質摻雜的^型，或可 為未摻雜生長的η型。 活性層107形成在η型氮化物半導體層ι〇3〜1〇6上。如上 所敘述，活性層1〇7具有MQW結構，其中重複交替地層壓 AlxiGai.uN 井層（〇$ xl<1)及 Alx2Gaix2N障壁層（〇<χ2<1 , xl<x2)適當次數，在活性層二端有一障壁層。井層未摻雜 形成，所有障壁層較佳在濃度為lxl〇n〜lxl〇19 cm·3下用η 型雜質如Si、Sn等摻雜。 最後障壁層未摻雜形成， 為 1χ1〇16〜1χ1019 cm-3下，自 擴散的p型雜質如Mg等。最後障壁層可在濃度為ΐχΐ〇!9 或更小下生長而用P型雜質如Mg等摻雜。如同其他障壁層 ’最後障壁層可用P型雜質如Si摻雜。
Pi電子限制層l〇8、p型導光層1〇9, p型包覆層及p 型接觸層1 1 1作為P型氮化物半導體形成在最後障壁層上。 除了P型包覆層以外，可省略其他層，端視裝置而定。p型 本紙張尺度適财“家鮮(⑽）规格(21GX29-7=)----
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氮化物半導體層必須具有較活性層更寬帶隙，至少其部分 接觸活性層。目此’以含有…的組合物較佳。各層可為生 長而用P型雜質摻雜的p型，或可為自鄰接其他層擴散口型 雜質的p型。 P型電子限制層108包含具有較p型包覆層11〇更高a丨晶體 混合比例的p型氮化物半導體，較佳具有Α1χ(}υ (〇·1<χ<0·5)的組合物。此外，層1〇8可在高濃度下，較佳 濃度為5χ1〇17〜ix10i9 cm-3下用ρ型雜質等摻雜。藉此 ，P型電子限制層108可有效地限制電子進入活性層内，導 致雷射門檻的減少。此外，P型電子限制層i〇8可生長在厚 度為約30〜200 A，當厚度較小時，層1〇8可在較p型導光層 109或p型包覆層π〇更低溫度下生長。 此外，p型電子限制層108可供應p型雜質至藉擴散未摻 雜生長的最後障壁層。二者一起保護活性層1〇7不受降解 ，同時，可增強電洞注入活性層107内的效率。 在P型氮化物半導體層中，脊柱條形成在？型導光層1〇9 的中間’形成保護膜161、162、p型電極120、η型電極121 、p-pat電極121及n-pat電極123以構成半導體雷射。 本具體例具有如實例1相同的結構及製造方法，活性層 107内量子井層的組合物改變成以下AlGaN的三原材料， 以設定較實例1振盪波長（370 nm)更短的振盪波長（366 nm) 。此外，η側包覆層105、η側導光層106、p側導光層1〇9及 Ρ側包覆層110亦改變如下。 (η側包覆層105 :下包覆層25) _____-84- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 536859 A7 B7 五、發明説明（82 ) 然後，在溫度上升至l〇50°C下，使用TMA、TMG及氨作 為原料及矽烷氣體做為雜質氣體以生長包含在5xl〇i8/em3 下用Si摻雜的AlowGao.^N的A層在厚度為25A。隨後，停 止雜質。包含未摻雜的AluGaojN的B層生長在厚度為25A 。然後’重複層壓A層與B層的此程序1 〇 〇次以生長包含多 層膜（超晶格結構）之η型包覆層106。據此，當未摻雜 AlGaN的Α1晶體混合比例範圍為不低於〇·〇5而不大於〇·3時 ’可設定充分作為包覆層的折射指數的差異。 (η側導光層1〇6·•下導光層26) 然後，在相同溫度下，使用ΤΜΑ、TMG及氨作為原料氣 體以生長包含未摻雜的Al().()5Ga().95N的n型導光層l06在厚 度為〇·15 μπι。另外，η型雜質可摻雜於其内。此層作為第 一氮化物半導體層。 (活性層 107 (27, 12)) 然後，在相同溫度下，使用ΤΜΑ、TMG及氨作為原料氣 體，及矽烷氣體做為雜質氣體以層壓包含在5x1018/cm3 (B)下用Si摻雜的Alo.wGao.^N的障壁層（第一障壁層2 a)在 厚度為100 A及，在TMA及矽烷氣體的停止後，包含未摻 雜GaN (W)在厚度為100A下的井層及，作為最後障壁層（第 二障壁層213)，在厚度為45人下未摻雜的八1〇.150&〇.851^，其 順序為（B)/(W)/(B)。活性層1〇7可藉以（B)/(W)/(B)順序重 複層壓成為多重量子井結構（MQW)。 (P側導光層109 :上導光層29) 然後，在溫度保持在1050°C下，使用TMA、TMG及氨作 ______-85-__ 本紙張&度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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線 536859 A7 B7 五、發明説明（83 ) 為原料氣體以生長包含未摻雜的AlG G5Ga〇.95N的p側導光層 109在厚度為〇·ΐ5 μιη。此p型導光層ι〇9未摻雜生長，而此 層109具有Mg濃度為5xl〇i6/cm3，藉自鄰接層如ρ型電 子限制層108、p型包覆層11〇等的擴散，顯示p型。此外， 此層亦可在生長時故意用Mg摻雜。此層作為第二氮化物 半導體層。 (P側包覆層110·•上部包覆層30) 隨後，停止TMA，在l〇50°C下，使用CP2Mg以生長包含 Mg摻雜的Al〇.〇5Ga〇.95N的層在厚度為25 A。隨後，停止 Cp2Mg ’包含未摻雜的Ai〇 l〇Ga〇 9〇N的層生長在厚度為25A 。重複此100次，以生長包含超晶格層具有全部厚度為 〇·45 μιη的p型包覆層115。當由超晶格製成，其中卩型包覆層 中至少一層包含有Α1的氮化物半導體層及具有不同帶隙能 3：的氮化物半導體層，任一層在較大量下用雜質摻雜以實 施所謂改良摻雜，藉此，有晶化特性變成較佳的傾向。此 外，二層亦可以相同方式摻雜。因為電洞包覆層的A1晶體 混合比例可藉容許p侧包覆層110具有超晶格結構而增加， 所以包覆層本身的折射指數會會減少，而且，帶隙能量會 增加’在減少門權方面極有效，另外，超晶格比較於無超 晶格可減少包覆層本身所產生的凹坑，降低短路的發生。 可得在室溫下具有門檻電流為53 mA、電流密度為 3.5 kA/cm2及振盪波長為3 66 nm的連續振蓋雷射裝置。 [實例10】 本貫例除了下述活性層以外與實例9相同，可得雷射裝 -86 -
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置。 (活性層 107 (27, 12)) 具有單一量子井結構的活性層係藉連續地層壓包含以摻 雜的八1〇.15〇3〇.85>1具有厚度為20〇人的第一障壁層2&、包含 未#雜的GaN具有厚度為1〇〇 A的井層lb及包含未摻雜^ 八1〇.15<^〇.85>1具有厚度為45人的第二障壁層21)而得。 所得雷射裝置具有井層的晶化特性由於第一障壁層的厚 度的增加而惡化的傾向，並具有門檻電流Jth增加至1〇〇 mA 的傾向。 [實例11】 本貫例除了下述活性層以外與實例9相同，可得雷射裝 置。 ’ (活性層27) 具有早一篁子井結構的活性層係藉連續地層壓包含§丨掺 雜的Alo^Gao.^N具有厚度為100A的第一障壁層2a、具有 厚度為100人的井層11)及包含未摻雜的八1().15〇&().851^具有厚 度為150A的第二障壁層2b而得。 所得雷射裝置具有Vf由於第二障壁層的厚度較實例1增 加而增加的傾向，並具有門檻電流Jth增加至1〇〇 mA的傾 向。此處，可得一種結構，其中第二障壁層具有較第一障 壁層更大的厚度（100 A或更大），p-n接點附近的p側電子限 制層具有高阻力，而產生高熱的層係用第二障壁層隔離井 層’藉此’可增加第二障壁層的影響，另一方面，影響阻 力由於第二障壁層的增加。 L ___-87- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂
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五、發明説明（ [實例12】 本貫例除了下述活性層以外與實例9相同，可得雷射穿 置。 ’ (活性層27) 具有單一量子井結構的活性層係藉連續地層壓包含以換 雜的Al〇.〇5Ga〇.9 5N具有厚度為ΐοοΑ的第一障壁層2a、包含 未摻雜的GaN具有厚度為1〇〇 A的井層ib及包含未摻雜的 Al〇.〇5Ga〇.95N具有厚度為150A的第二障壁層2b而得。 所得雷射裝置具有傾向，即，因為使第一障壁層與第二 障壁層的A1晶體混合比例變小，所以使帶隙能量變小而使 帶隙能量與井層的差異較實例丨更小，載體的限制進入井 層會惡化及門檻電流jth增加至2〇〇 mA。此處，井層與障壁 層（第一障壁層）間A1晶體混合比例的差異， 。藉使用此A1晶體混合比例的差異作為邊界並增加井層與 P早壁層間A1晶體混合比例的差異，有減少門檻的傾向。 [實例13】 本貫例除了下述導光層由梯次比例形成如圖6B所示以外 與實例9相同，可得雷射裝置。 (η側導光層106 (第一導光層26)) 藉形成AlxGa1-xN在厚度為0.15 μηι，據此，當生長時改 變Α1比例X自（^丨至心…，即，當接近活性層時，設置以厚 度方向具有梯次比例的η侧導光層106。據此，η側導光層 係藉Si摻雜形成在厚度為50 nm的第一區並未摻雜形成在 厚度為〇·1 μηι的其餘區（在活性層側上厚度為〇·ι μπι的區） --1 _ - 88 - ® @ X 297公釐) 五、 發明説明（
。此處，在活性層附近的導光層中，具有較第一障壁層更 小帶隙能量的一部分區變成第一氮化物半導體層。 (P側導光層109 (第二導光層29)) 9 藉形成AlxGa^N在厚度為〇·ΐ5 μηι，據此，當生長時改 變Α1比例X自0·02至0.1，以厚度方向形成比例梯次，設置ρ 側導光層109,其中當接近活性層時，八丨晶體混合比例變 成較小及帶隙能量變成較小。此處，ρ側導光層係藉未摻雜 形成在厚度為0 · 1 μιη的第一區（在活性層側上厚度為〇 1 的區）並用Mg摻雜形成在厚度為50 11111的其餘區。此處， 在活性層附近的ρ侧導光層29中，具有較第二障壁層更小 A1晶體混合比例與帶隙能量的一部分區變成第二氮化物半 導體層。 所得雷射裝置具有大約與實例相同的A1平均比例。然而 ，如圖4所示，藉設置具有梯次帶隙能量的導光層，有注 入載體進入活性層的效率變成較佳及改良内部量子效率的 傾向。此外，因為未摻雜區設置在靠近導光層内活性層（活 性層側）側上，所以可得導波結構，藉其降低由於雜質摻 雜的光損耗，而有減少門檻電流密度的傾向。 [實例14】 本實例除了下述導光層由梯次比例形成如圖6 B所示以外 與實例9相同，可得雷射裝置。 (ϋ側導光層106 (第一導光層26)) 交替地層壓包含厚度為25Α的AlxGa^xN的Α層與包含厚 度為25 A的AlyGaNyN (x>y)的B層30次，以形成具有厚度 -89- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 536859 A7 ___B7 五、發明説明（87 ) 為0 _ 1 5 μπι之超晶格多層結構的n側導光層。據此，藉改變 Α層内Α1比例χ自〇·〇5改變成0·03，並在生長時Β層内Ai比 例y在0.015為常數，提供具有梯次組合物的側導光層ι〇6 。據此，在η側導光層中，在具有厚度為5〇 nm的第一區， A層與B層均係藉Si摻雜形成，而在厚度為〇1 0111的其餘區 (在具有厚度或0· 1 μπχ的活性層側上之區），僅A層係藉§丨摻 雜而B層係以改良摻雜方式未摻雜形成。此處，^^則導光層 具有較活性層内第一障壁層更小帶隙能量與八丨晶體混合比 例，導致第一氮化物半導體層。 (P側導光層109 (第二導光層29)) 交替地層壓具有厚度為25 A的AlxGa^N的A層與具有厚 度為25A的AlyGa^yN (x>y)的B層30次，以形成具有厚度 為0·15 μπι之超晶格多層結構的p側導光層1〇9 ^此處，藉 改變Α層内Α1比例X自〇·03改變成〇〇5，並在生長時Β層内 A1比例y在〇 · 〇 1 5為常數，提供具有梯次組合物的ρ側導光 層1 09，其中當離開活性層與p側電子限制層1 〇8時，帶隙 月色量生長較大及A1平均比例生長較大。此處，在p侧導光 層中，在具有厚度為0.1 μιη的第一區（在具有厚度為〇1 μηι 的活性層側上的區），僅Α層係藉Mg摻雜形成而Β層為摻雜 形成，在具有厚度為5〇 nm的其餘區，a層與B層均係藉Mg 摻雜。此處’在A層與B層均定期層壓的多層膜中，僅一 層具有梯次組合物。此外，二層均可具有梯次組合物。 所得雷射裝置具有大約與實例丨3相同的Ai平均比例。然 而，晶化特性由於超晶格結構變成較佳而改良裝置特性。 ---------90- 本紙張尺度適财g目家鮮(CNS) A4^(21qχ 297公爱)- —一 536859 A7 ___B7_ 五、發明説明（88 ) 另一方面，因為導光層内未摻雜區較實例1 3更小，所以有 增加光損耗及有略為增加門檻電流密度的傾向。 [比較例1】 製造一種雷射裝置，其具有一種結構，其中導光層具有 較活性層内井層及障壁層更大帶隙能量，如圖14A所示， 導光層内A1晶體混合比例大於活性層者，另外，包覆層内 A1晶體混合比例大於導光層者，如圖16所示。除了導光層 與包覆層如下述實例9以外，根據實例9相同方式，可得雷 射裝置。 (N側包覆層[下包覆層25】） 交替地層壓具有厚度為25A的Si摻雜的n型Al().17Ga().83N 的A層與具有厚度為25 A的Si摻雜的N型Alo.MGamN的B 層100次，以形成超晶格多層包覆層。 (N側導光層[下導光層26】） 未捧雜的AlmGao.gN形成在厚度為0.15 μπι。 (Ρ側導光層【上導光層29】） 未捧雜的AlmGaQ.gN形成在厚度為〇. 15 μηι。 (Ρ側包覆層[上包覆層30】） 交替地重複層壓具有厚度為25 Α的Mg摻雜的ρ型 Alo^Gao.sN的A層與具有厚度為25入的]^掺雜的？型 Al〇.25Ga〇.75N的B層100次，以形成超晶格多層包覆層。 整個所得雷射裝置產生裂痕而雷射裝置無法操作。此外 ’即使裝置可操作’亦會產生由於晶化特性的惡化的漏洩 電流因此，無法獲得雷射振盪。 -91 - ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 536859 A7 B7 五、發明説明（89 ) [實例15】 參照圖15A、15B說明本發明之發光裝置2〇〇。此處，如 200b所示，製造一種發光裝置，具有一種結構，其中一對 正電極與負電極設置在基材的相同側上。 由藍寶石（C面）組成的基材2〇1設定於MOVPE的反應器 内，基材的溫度上升至1050°C同時流動氫以清潔基材。 緩衝層（圖未顯示）：隨後，包含GaN的低溫生長緩衝層 在基材1上生長在厚度約100 A。此低溫生長層係在較其次 欲生長的層更低溫度下生長，藉此，與基材的晶格不相容 性會緩和’而此低溫生長可省略，端視基材的種類而定。 接地層（圖未顯示）：在緩衝層生長後，未摻雜的GaN係 在溫度為1050°C下生長在厚度為丨.5 μιη。此層生長作為未 摻雜層並作為欲形成其上的裝置結構的接地層及作為生長 基材。 Ν型接觸層202:包含在4·5χ 1018/cm3下用Si摻雜的 Al0.〇5Ga〇.95N的η型接觸層（電子注入層）2〇2在1〇5〇t下生 長在厚度為2 μπι。此處，n型接觸層202作為第一氮化物半 導體層。 活性層203 :包含未摻雜的A1() isGa〇 85ν的障壁層（第一 障壁層2Α)生長在厚度為1〇〇 Α ,隨後，包含未摻雜的 Alo.^Gao.^N的井層生長在厚度為3〇α。隨後，生長包含 Al^Gao^N具有厚度為3〇A的内部障壁層（圖未顯示），交 替地層壓四層井層（圖未顯示）及三層内部障壁層（圖未顯 示），最後，作為第二障壁層几的A1G uGaQ 生長在厚度 -92- 536859 A7 B7 五、發明説明（90 ) — 為40 A以生長具有全部厚度為38〇入的多重量子井結構的活 性層203。如圖UB所示，此活性層具有一種結構，其中形 成具有較第一障壁層2a及第二障壁層2b更小μ晶體混合比 例與帶隙能量的内部障壁層（如2b)。 P侧包覆層204 :包含未摻雜的A1() 2Ga〇以的A層2〇4生長 在厚度為40 A，隨後，包含在5xl〇i9/cm3下用Mg摻雜的 AlowGaQ.wN的B層205。重複此等程序以此順序層壓各五 層A層與B層，最後，A層生長在厚度為4〇 A以得多層超晶 格結構。因此，包含該多層膜的p側多層包覆層2〇4生長在 厚度為365 A。第一 B層具有較第二障壁層更小帶隙能量並 作為具有小A1晶體混合比例的第二氮化層。 P侧接觸層205 :隨後，包含在lxl02〇/cm3下用Mg摻雜的 GaN的p侧接觸層205長在厚度為200 A。 在完成反應以後，溫度下降至室溫，晶圓在7〇〇。(：下於 氮氛圍内於反應器中退火，以使p型層降低阻力。 在退火以後，晶圓自反應器除去，具有規定形狀的遮罩 形成在最上面p側接觸層205的表面上，用RIE (反應性離 子蝕刻）設備自p側接觸層205進行蝕刻以暴露η側接觸層 202的表面，如圖15Α所示。 在蝕刻以後，含有Ni與Au具有厚度為200 Α的可透射光 的p電極形成在最上面p側接觸層205的幾乎所有側上，而 包含連接用Au的p-pad電極（圖未顯不）在p電極206上形成 在厚度為0·5 μπι。另一方面，包含W與A1的η電極207形成 在由蝕刻暴露的η側接觸層202的表面上，以得LED裝置。 -93 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 536859
此LED裝置顯示在波腸胃355 nm下的紫外線發射。特別 疋，藉設置上述第一氮化物半導體層，可形成具有較佳晶 化特性的活性層而可得發射特性優異的發光裝置。 工業應用性 [本發明功效】 本發明之氮化物半導體裝置可提供可在38〇 更短的 紐波長區下雷射振盪的活性層與導波結構β特別是，在 InAlGaN的井層中，藉採用Ιη晶體混合比例範圍為〇 〇2至 〇·〇5，較佳為〇·〇3至〇.〇5並改變Α1比例以形成具有所欲發 射波長的禁止帶，藉此，可得具有短波長區的發光裝置與 雷射裝置並可得内部量子效率與發射效率均優異的裝置。 此外，本發明之氮化物半導體裝置亦可提供具有低門檻 電流之375 nm或更短的短波長的發光裝置與雷射裝置。因 此，與規定螢光體組合的發光二極管可提供螢光燈的取代 物。另一方面，雷射裝置顯示優異的FWHM並可提供優異 的解析度，因此，其可用作光刻裝置。 -94- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
Claims (1)
- 申請專利範圍 1·一種氮化物半導體裝置，包含設置在第一導電型層與第 二導電型層間的活性層，其中該活性層具有一量子井結 構’包括至少一層由含有In與A1的氮化物半導體所形成 的井層及由含有A1的氮化物半導體所形成的障壁層。 2·如申請專利範圍第1項之氮化物半導體裝置，其中該井層 係由 AljJriyGai.x-yN (0<x$l，〇<y$l，x+y<l)形成而該障 壁層係由 AluInvGai_u.vN (0<u£l，〇Sv£l，u+v<l)形成。 3 ·如申請專利範圍第2項之氮化物半導體裝置，其中該井 層的厚度小於障壁層者。 4·如申請專利範圍第3項之氮化物半導體裝置，其中該井 層内In組合物比例y範圍為不低於〇 〇2而不大於〇 〇5。 5·如申請專利範圍第3項之氮化物半導體裝置，其中該井 層内In組合物比例y範圍為不低於〇 〇3而不大於〇.〇5。 6.如申請專利範圍第4項之氮化物半導體裝置，其中該活 性層的發射波長為3 8 0 nm或更短。 7·如申請專利範圍第6項之氮化物半導體裝置，其中該裝 置具有一種雷射裝置結構，其中該第一導電型層具有第 一導光層，該第二導電型層具有第二導光層，及該活性 層設置在該第一導光層與該第二導光層之間，及 該第一導光層與該第二導光層的帶隙能量Eg大於雷射 光的質子能量Ep為0·〇5 eV或更大（Eg—Ep^) 〇5 eV)。 8·如申請專利範圍第7項之氮化物半導體裝置，其中該第 導光層及/或該第二導光層係由形 成0 -95- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格^210X297公釐） 536859 β、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第4項之氮化物半導體裝置，其中該活 性層發射波長為380或更短的光，及該第一導電型層及/ 或該第二導電型層係由AlxGai xN (〇<^)形成。曰 1〇·—種氮化物半導體裝置，具有設置在第一導電型層與第 二導電型層間之活性層，其中該活性層具有一量^結 構，包括至少一個由含有Α1的氮化物半導體形成的井層 ，及在罪近第一導電型層與井層的側内具有較井層更大 帶隙能量的氮化物半導體所形成的第一障壁層，^ 該第一導電型層包括具有較該第一障壁層更小帶隙能 里的第一氮化物半導體層，該第一氮化物半導體層靠近 該第一障壁層設置。 11. 如申請專利範圍第1 〇項之氮化物半導體裝置，其中該第 一障壁層配置在最靠近活性層内第一導電型層的側内， 該第一氮化物半導體層係與活性層接觸。 12. 如申請專利範圍第η項之氮化物半導體裝置，其中該第 一導電型層為η型而該第二導電型層為ρ型。 13. 如申請專利範圍第項之氮化物半導體裝置，其中該第 一障壁層内Α1晶體混合比例χΒ1與井層内A1晶體混合比 例Xw符合下面關係：XB1 — XW$ 0.05。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之氮化物半導體裝置，其中該第 一障壁層的厚度為30A或更大。 1 5 ·如申請專利範圍第丨4項之氮化物半導體裝置，其中導波 係由一對導光層與其間的活性層所構成，及 導光層設置於第一導電型層内，並具有該第一氮化物 -96- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 536859 A8 B8 C8 _ D8 六 t申請專利範圍 ^ ' 半導體層。 16·如申請專利範圍第1〇項之氮化物半導體裝置，其中該裝 置可操作以振盡3 7 5 nm或更短波長的光， AUGakN量子井層（χ^ 〇)設置在由 AlyInzGai〇) 形成的障壁層之間，及 井層的帶隙能量Ew大於障壁層的帶隙能量匕為〇.2 或更大。 17·如申請專利範圍第16項之氮化物半導體裝置，其中井層 的厚度為300入或更小。 18.如申請專利範圍第17項之氮化物半導體裝置，其中障壁 層的厚度為300 A或更小。 19·如申請專利範圍第18項之氮化物半導體裝置，其中該裝 置具有SCH結構，其中導光層與包覆層互相隔開設置， 導引層的帶隙能量Eg大於在振盪下質子能量Ep為〇 〇5 ev。 20.如申請專利範圍第19項之氮化物半導體裝置，其中導光 層包含AlaGai-aN/AlbGai-bN (a#b)超晶格層。 21·如申請專利範圍第20項之氮化物半導體裝置，其中包覆 層包含AUGarcN/AldGauN (c#d)超晶格層，而包覆層 的帶隙能量Ee大於導光層者。 22·如申請專利範圍第18項之氮化物半導體裝置，其中該裝 置具有GRIN結構，其中具有階梯狀變化折射指數的光 限制層形成在量子井層外側，而非摻雜層設置在活性層 的上、下方。 23·如申請專利範圍第1〇項之氮化物半導體裝置，其中該裝 -97- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公董） 536859 A8 B8 C8置可操作以振盈3 8〇 nm或更短波長的光， 活性層設置在第一導電型層與第二導電型層之間，及 該活性層具有量子井結構，包括至少一層由含有In與 A1的氮化物半導體形成的井層，及含有Ai的氮化物半導 體形成的障壁層。 24·如申請專利範圍第23項之氮化物半導體裝置，其中該井 層係由 AlxIriyGabx.yN (0<x$l，〇<y£l，x+y<l)形成而該 11早壁層係由八1111117〇&1.11(^1^(0<11£1，0$\^1，11+\"<1)形成。 25 ·如申請專利範圍第24項之氮化物半導體裝置，其中該井 層的厚度小於障壁層者。 26·如申請專利範圍第25項之氮化物半導體裝置，其中該井 層内In组合物比例y範圍為不低於〇 ·〇2而不大於〇.〇5。 27.如申請專利範圍第25項之氮化物半導體裝置，其中該井 層内In組合物比例y範圍為不低於〇 〇3而不大於〇 〇5。 28·如申請專利範圍第26項之氮化物半導體裝置，其中該裝 置具有一種雷射裝置結構，其中該第一導電型層具有第 一導光層，該第二導電型層具有第二導光層，及該活性 層設置在該第一導光層與該第二導光層之間，及 該第一導光層與該第二導光層的帶隙能量匕大於雷射 光的質子能量Ep為〇.〇5 eV或更大（Eg—Ep2〇.〇5 eV)。 29.如申請專利範圍第28項之氮化物半導體裝置，其中該第 導光層及/或該第二導光層係由AlxGa1-xN (〇$χ$ι)形 成。 30·如申請專利範圍第26項之氮化物半導體裝置，其中該活 -98- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 536859 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 性層發射波長為380 nm或更短的光，及該第一導電型 層及/或該第二導電型層係由AlxGai_xN (0<x£l)形成。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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