TWI383555B - 用於長波長活性區域之深井結構的方法及結構 - Google Patents

Description

用於長波長活性區域之深井結構的方法及結構 發明領域

本發明係為用於長波長活性區域之深井結構的方法及結構。

發明背景

增長GaAs和GaN上之活性區域的波長會有其效益。針對GaAs上之長波活性區域曾有許多的建議，可被歸納成三種方法。第一種方法係將氮注入一InGaAs量子井中來減低該量子井帶隙；第二種方法係使用高度應變的窄帶隙GaAsSb量子井；而第三種方法係對形成量子點活性區域之點處增加其應變。

在該三種方法中，第一種最為成功。但是，以金屬有機化學蒸氣沈積法(MOCVD)來生長摻氮的量子井會較困難，因為不易將氮摻入InGaAs量子井中。而且，以MOCVD生長的InGaAs：N之可靠性是未確定的，因為主要的研發努力已指向以分子束磊晶(MBE)為基礎的生長技術，其會較容易將氮摻入InGaAs中。

在第二種方法中，GaAsSb量子井會受制於第二類能帶須與GaAs調準，以及需要一低V/Ⅲ比率，而須在GaAs上生長以銻化物為基礎的化合物。但低V/Ⅲ比的需求通常會造成不良品質的量子井。

在第三種方法中，該等量子點的低密度將會由於量子點尺寸分佈的隨機性而造成低增益和寬光譜。

就GaN上的InGaN活性區而言，波長典型可藉增加銦含量大約30至50%來由光譜的接近紫外線部份伸長至藍色或綠色部份。但是，高銦含量之InGaN的光電子品質將會嚴重地劣化，而在長波長中造成低效率。

發明概要

依據本發明，雙井結構可藉埋設深超細量子井來形成於高應變的量子井活性區中。由該埋入的深超細量子井所造成的干擾將會減低周圍較大井中之波函數的限制能量狀態。此將會造成一活性區能在一較長的波長操作，而來製成較長波長的發光半導體結構，例如較長波長的垂向空腔表面發光雷射(VCSELs)或較長波長的發光二極體(LEDs)。

圖式簡單說明

第1a圖為本發明之一量子井的成分廓形圖。

第1b圖示出對應於第1a圖中的料層結構。

第2圖示出依據本發明之銦濃度與波長的變化。

第3a圖示出本發明之一發光半導體結構的成分廓形。

第3b圖示出本發明之一發光半導體結構的成分廓形。

第3c圖示出對應於第3a圖中的料層結構。

第4a~4b圖表示本發明的處理時間和氣體流。

第5圖示出依據本發明的波長變化。

第6圖示出本發明與習知技術之成分廓形的比較圖。

較佳實施例之詳細說明

第1a圖示出本發明一實施例之量子井的成分廓形。GaAs障壁層110會在InGaAs量子井120的頂上形成零銦含量的基準水平。該InGaAs量子井120係為一高度應變的量子井，其中有被埋設的深超細量子井125會被埋入InGaAs量子井120中來形成一次井。該量子井120係為典型使用在GaAs上的量子井。由該埋入之深超細量子井125所造成的干擾會將該量子井120內的波函數140之限制能態130減低至限制能態135。用於該埋入之深超細量子井125的成分典型係為In_x Ga_{( 1 － x )} As，而該量子井120的典型成分為In_y Ga_{( 1 － y )} As，其中y通常為約0.35至0.4。該y值典型係被選成能不必添加該埋入的深超細量子井125，即可由量子井120達到一可能的最長波長。

第1b圖示出一對應於第1a圖之量子井成分廓形的料層結構。高度應變的InGaAs量子井層120會生長在GaAs障壁層110上，而典型會生長至一大約60的總厚度。在第一次大約30的InGaAs量子井層120生長之後，該埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層125典型會生長至大約10的厚度，且其生長典型會選成能保持一相干層，俾使該埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層125亦為高度應變的。表面活化劑例如銻可被加入來使該量子井層或多數的量子井疊層能夠連貫地生長。加入銻將可在MOCVD表面重整時增進銦原子的移動性，而防止整體量子井結構的張弛。在該埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層120生長之後，剩餘之大約30的高應變InGaAs量子井層120的生長將會被完成。嗣該GaAs障壁層140會被生長在高應變InGaAs量子井層120上。

第2圖中的描點線200係示出波長相對於埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層125之銦成分的變化，該In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層125具有大約10的厚度，其中之x約為0.4至0.5。而In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層120係約為60厚，其中之y約為0.4。沒有埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層125的無干擾量子井層相當於一70厚的In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層，其中y約為0.4而具有大約1140nm的發光波長。由第2圖的曲線200可看出。該銦成分之x值大於0.4以上時，則該發光波長大致會隨著銦濃度以每0.1增加約30nm的比率來線性地轉變。在0.8的銦含量時，其發光波長已增加至大約1270nm。

第3a圖示出依本發明之一類似於第1a圖的成分廓形圖。GaAs障壁層330和340分別會在In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350和360的頂部提供基準能量。In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350和360會被GaAs障壁層335所分開。埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355會被埋入In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350中，而埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365則被埋入In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360中。該等AlGaAs層310和320及GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315和325的能階亦被示出。該等非活性層的摻雜程度典型係約為1．10^{1 7} /cm³ 至3．10^{1 8} /cm³ 。

第3b圖係類似於第3a圖，只是又更添加應變減低層338。該應變減低層338係介設於In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350與360之間，而將GaAs障壁層335改變成GaAs障壁層336和337。

第3c圖係示出對應於第3a圖之成分圖的料層結構。該料層結構300的生長典型係在一AIXTRON 2000反應器中以大約400至600℃(例如520℃)的生長溫度，在大約100mbar的壓力下，藉MOCVD來完成。該等量子井層的生長條件典型係被選成可避免銦離析。此一般可藉改變生長速率、生長溫度、及量子井層的應變而來達成。在生長AlGaAs層310大約25秒而達約150的典型厚度之後，GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315會被生長大約22秒至約100的厚度。該GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315係為一抗張應變層，而可作為一應變補償層用來儘量減少該料層結構300中的整合應變。該等GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315和325之功能典型係可補償通常會由埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355和365所造成之較高的應變。該z值典型約為0.05至0.30。

通常，該等GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315和325可被分別設在In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350和360的周邊，以及設在GaAs障壁層330和340處。其它類型的應變補償層GaAsN、AlGaAsP、GaInP、InGaAsP、AlInGaAsN等亦可被使用。

GaAs障壁層330係生長在GaAs_{( 1 － z )} P_z 層315上。該GaAs障壁層330的生長大約會有16秒，而造成一約100的典型厚度。該In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350的y值典型約為0.3至0.45，其會生長在GaAs障壁層330上大約4秒，而造成一約30的厚度。嗣該埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355會被埋設在In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350中。在本發明之一實施例中，該x之值典型會被選成能發出接近1300nm的波長。該埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355之一典型3秒的生長，將會造成一大約10的厚度。嗣In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350又會再生長4秒，而造成另一約30的附加厚度。GaAs障壁層335會生長在In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350上。該GaAs障壁層335通常會生長約16秒，而造成大約100的厚度。

該In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360的y值典型係為約0.3至0.45，其會在GaAs障壁層335上生長大約4秒，而造成一約30的厚度。嗣埋設之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365會被埋入In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360中。該In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365之典型3秒的生長會造成大約10的厚度。嗣該In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360又會再生長4秒，而另造成約30的附加厚度。嗣GaAs障壁層340會生長在In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360上。該GaAs障壁層340的生長典型約有16秒，而會造成一約100的厚度。GaAs_{( 1 － z )} P_z 層325會生長大約22秒以達大約100的厚度。該GaAs_{( 1 － z )} P_z 層325係為一抗張應變層，而可作為一應變補償層用來儘量減少料層結構300中的整合應變。其它類型的應變補償層亦可被使用。嗣該AlGaAs層310典型會被生長約25秒，而至一大約150的厚度。

第4a及4b圖係示出用於本發明之In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350、360及埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355和365之二生長過程的相關氣體流。在第4a圖中，三甲基鎵流410和三乙基鎵流420會首先啟動。三甲基銦流415會開啟大約4秒來生長該首先的大約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350。在三甲基銦流415和三甲基銦流440被開啟3秒來生長埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355的同時，該三乙基鎵流420會關閉。當該In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355完成後，該三乙基鎵流420又會開啟，且該三甲基銦流415會開啟約4秒來生長最後的30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350。嗣GaAs障壁層335會生長約5秒。當該GaAs障壁層335生長完成時，該三甲基銦流415會啟大約4秒來生長首先的約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360。當三甲基銦流415和440開啟約3秒來生長埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365的同時，該三乙基鎵流420會關閉。當該In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365完成後，該三乙基鎵流420又會開啟，且該三甲基銦流415會再開啟約4秒來生長最後的30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360。

在第4b圖中，首先三甲基鎵流450會被啟動。三甲基銦流455嗣會開啟約4秒來生長最先的大約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350，然後與該三甲基鎵流450一超關閉。嗣三乙基鎵流460和三甲基銦流480會開啟約3秒來生長埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355。當該次量子井層355完成後，三甲基鎵流450又會開啟，且三甲基銦流455會開啟約4秒來生長最後的約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350。嗣GaAs障壁層335會生長約5秒。當該GaAs障壁層335生長完成後，三甲基銦流455會開啟約4秒來生長首先的大約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層360，然後與三甲基鎵流450一起關閉。嗣三乙基鎵流460和三甲基銦流480會開啟約3秒來生長埋設在深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層365。當該次量子井層365完成後，三甲基鎵流450又會啟動，且三甲基銦流455會開啟約4秒來生長最後的大約30In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350。

第5圖示出依本發明一實施例所測得的室溫發光光譜500。該光譜500的峰值發生在大約1300nm，驗證了使用深超細量子井層來將發光波長伸長1300nm的可行性。

依據本發明，該發光波長亦可使用深量子井層來在其它材料系統例如InGaAsSb、InP、GaN中伸長。例如，第6圖示出一疊覆在一習知技術之In_y Ga_{( 1 － y )} N多數量子井層611、613、615、617的成分廓形圖上之依本發明供用於氮化物綠發光二極體(LEDs)或氮化物綠雷射二極體的In_y Ga_{( 1 － y )} N多數量子井層610、612、614、616之成分廓形圖，其分別設有埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626等。其中該等In_y Ga_{( 1 . y )} N複量子井層610、612、614、616等分別設有本發明的埋入式深超細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626等，乃完全類似於分別設有埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} As量子井層355和365的In_y Ga_{( 1 － y )} As量子井層350和360，而被GaN障壁層601、603、605所分開。該等In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層611、613、615、617典型各具有約3nm至4nm的厚度。使用分別具有埋入之深超細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626的In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層610、612、614、616等，典型可容許In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層610、612、614、616的銦含量減少若干%。但是，該等埋入之深細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626中的x值典型會大於0.5。

存在傳統習知技術In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層611、613、615、617中的強壓電場，會使該等複量子井層中之電子和電洞波函數分開，此則會減少自發和受激發光的可能性。對氮化物LEDs或雷射二極體而言，使用分別具有本發明之埋入式深超細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626的In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層610、612、614、616之另一效益係，其輻射重組的可能性相較於傳統習知的In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層611、613、615、617會更增強。在大部份情況下，埋入的深超細In_x Ga_{( 1 － x )} N量子井層620、622、624、626亦可分別偏離In_y Ga_{( 1 － y )} N複量子井層610、612、614、616的中央來使性能最佳化。此典型將能以最少銦含量和最大重組可能性來達到最長的波長。

雖本發明已配合特定實施例來說明如上，惟專業人士參見以上說明應可瞭解尚有許多其它選擇和修正變化。因此，本發明應涵括所有落諸於所附申請專利範圍之精神和範疇內的其它選擇和修正變化等。

110．．．GaAs障壁層

120．．．InGaAs量子井

125．．．次井

130，135．．．限制能態

140．．．波函數

200．．．描點線

300．．．料層結構

310，320．．．AlGaAs層

315，325．．．GaAs_{( 1 － z )} Pz層

330，335，336，337，340，601，603，605．．．障壁層

338．．．應變減低層

350，360，610，612，614，616．．．量子井層

355，365，620，622，624，626．．．次量子井層

410，450．．．三甲基鎵流

415，440，455，480．．．三甲基銦流

420，460．．．三乙基鎵流

500．．．發光光譜

611，613，615，617．．．習知量子井層

第1a圖為本發明之一量子井的成分廓形圖。

第1b圖示出對應於第1a圖中的料層結構。

第2圖示出依據本發明之銦濃度與波長的變化。

第3a圖示出本發明之一發光半導體結構的成分廓形。

第3b圖示出本發明之一發光半導體結構的成分廓形。

第3c圖示比對應於第3a圖中的料層結構。

第4a~4b圖表示本發明的處理時間和氣體流。

第5圖示出依據本發明的波長變化。

第6圖示出本發明與習知技術之成分廓形的比較圖。

300．．．料層結構

310，320．．．AlGaAs層

315，325．．．GaAs_{( 1 － y )} Pz層

330．．．障壁層

335．．．障壁層

340．．．障壁層

350．．．量子井層

355．．．次量子井層

360．．．量子井層

365．．．次量井層

Claims (12)

1. 一種發光半導體結構，包含：一基板；複數個半導體層形成在該基板上；該等半導體層之一者包含一第一量子井層，該第一量子井層具有一第一銦含量；及一第二量子井層，其具有一第二銦含量，而該第二量子井層嵌入於該第一量子井層中，該第一及第二量子井層的每一者具有一常數能階(constant energy state)，該第一及第二量子井層在該基板上係連續的，並形成一相干(coherent)層，該第一及第二量子井層進一步包含銻，其中該第二銦含量高於該第一銦含量。
2. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該等半導體層之一者係為一抗張應變層。
3. 如申請專利範圍第2項之結構，其中該抗張應變層係由GaAsP所製成。
4. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該第二量子井層包含銦、鎵及砷。
5. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該發光半導體結構係為一發光二極體。
6. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該第二量子井層係嵌入於該第一量子井層的中間。
7. 一種製造一發光半導體結構的方法，其包含：提供一基板；在該基板上形成複數個半導體層；在該等半導體層之一者置入具有一第一銦含量的 一第一量子井層；及將具有一第二銦含量的一第二量子井層嵌入於該第一量子井層中，該第一及第二量子井層之每一者具有一常數能階，該第一及第二量子井層在該基板上係連續的，並形成一相干(coherent)層，該第一及第二量子井層進一步包含銻，其中該第二銦含量高於該第一銦含量。
8. 如請求項7之方法，其中該等半導體層之一者係為一抗張應變層。
9. 如請求項8之方法，其中該抗張應變層係由GaAsP所製成。
10. 如請求項7之方法，其中該第二量子井層包含銦、鎵及砷。
11. 如請求項7之方法，其中該發光半導體結構係為一發光二極體。
12. 如請求項7之方法，其中該第二量子井層係嵌入於該第一量子井層的中間。