專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
發(fā)光波長400nm頻帶的藍(lán)紫色激光的半導(dǎo)體發(fā)光元件推進(jìn)著對下一代DVD(digital versatile disk)等的開發(fā)。作為這種元件結(jié)構(gòu)，例如，已知在GaN襯底上具有InGaAlN類材料構(gòu)成的雙重異質(zhì)結(jié)，將上部覆蓋層形成脊(ridge)形狀的脊波導(dǎo)型半導(dǎo)體發(fā)光元件(例如，參照(日本)特開2000-299497號公報(bào))。這種脊波導(dǎo)型半導(dǎo)體發(fā)光元件，在n型GaN襯底上形成Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的不摻雜的n型接觸層。在該不摻雜的n型接觸層上形成摻雜了Si的Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的n型接觸層，在該n型接觸層的一部分區(qū)域中設(shè)置n側(cè)電極，在沒有設(shè)置這種n側(cè)電極的區(qū)域上，設(shè)置摻雜了Si由In0.08Ga0.92N構(gòu)成的n型防裂層。在n型防裂層上，形成將不摻雜的Al0.14Ga0.86N構(gòu)成的層和摻雜了Si的GaN構(gòu)成的層交替160次疊層的多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))構(gòu)成的n型覆蓋層。在該n型覆蓋層上形成不摻雜的GaN構(gòu)成的n型引導(dǎo)層。在n型引導(dǎo)層上，將摻雜了Si的In0.01Ga0.99N構(gòu)成的阻擋層和不摻雜的In0.11Ga0.89N構(gòu)成的阱層交替疊層三次，并在其上形成疊層了阻擋層的多重阱結(jié)構(gòu)(MQW)的有源層。在該有源層上形成摻雜了Mg的Al0.4Ga0.6N構(gòu)成的p型防止溢出層。在該p型防止溢出層上，形成將不摻雜的Al0.1Ga0.9N構(gòu)成的層和摻雜了Mg的GaN構(gòu)成的層交替疊層100次的多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))構(gòu)成且形成為脊形狀的p型覆蓋層。在該p型覆蓋層的側(cè)部形成Zr氧化物構(gòu)成的保護(hù)膜，在上述p型覆蓋層上形成摻雜了Mg的GaN構(gòu)成的p型接觸層。然后，成為在上述p型覆蓋層和保護(hù)膜上形成了p側(cè)電極的結(jié)構(gòu)。
由于防止溢出層的帶隙寬，所以可以擋住從n側(cè)電極注入的電子，將電子封閉在有源層中，但為了提高溢出防止效果，需要提高防止溢出層的雜質(zhì)濃度，以增大帶隙。這種情況下，雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散至有源層，阻礙發(fā)光再結(jié)合，存在效率下降的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方案的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特征在于包括形成于結(jié)晶襯底上的第1導(dǎo)電型的第1覆蓋層；形成于所述第1覆蓋層上的有源層；形成于所述有源層上、防止雜質(zhì)擴(kuò)散到所述有源層中的防擴(kuò)散層；形成于所述防擴(kuò)散層上、防止注入到所述有源層中的載流子的溢出的與所述第1導(dǎo)電型不同的第2導(dǎo)電型的防止溢出層；以及形成于所述防止溢出層上的第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層。


圖1是表示基于本發(fā)明的第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是表示通過模擬求出的基于第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件和基于比較例1、2的半導(dǎo)體發(fā)光元件的環(huán)境為室溫時(shí)的I-L特性的特性曲線。
圖3是表示通過模擬求出的基于第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件和基于比較例1、2的半導(dǎo)體發(fā)光元件的環(huán)境為100℃時(shí)的I-L特性的特性曲線。
圖4是表示基于本發(fā)明的第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5是表示基于比較例1和比較例2的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(第1實(shí)施方式)圖1示出本發(fā)明的第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。
在GaN構(gòu)成的n型襯底1上，形成層厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al0.08Ga0.92N構(gòu)成的n型覆蓋層2。在該n型覆蓋層2上，形成層厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN構(gòu)成的n型光引導(dǎo)層3。在該n型光引導(dǎo)層3上，將層厚度大于等于3nm、小于等于10nm的摻雜了Si的In0.02Ga0.98N構(gòu)成的阻擋層和層厚度大于等于2nm、小于等于5nm的不摻雜的In0.15Ga0.85N構(gòu)成的阱層交替地疊層2至4次后，設(shè)置有形成了由層厚度大于等于3nm、小于等于10nm的摻雜了Si的In0.02Ga0.98N構(gòu)成的阻擋層的多重量子阱MQW(MultipleQuantum Well)結(jié)構(gòu)的有源層4。在該有源層4上，形成層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.1μm的不摻雜的GaN構(gòu)成的防擴(kuò)散層51。在該防擴(kuò)散層51上，設(shè)置層厚度大于等于5nm、小于等于20nm的Al0.2Ga0.8N構(gòu)成的p+型防止溢出層5。如果防擴(kuò)散層51過薄，則p+型防止溢出層5的雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散至有源層4，如果過厚，則防止溢出層5會(huì)與有源層4分離，將沒有防止溢出的效果。
在防止溢出層5上，形成層厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN構(gòu)成的p型光引導(dǎo)層6。在該光引導(dǎo)層6上，形成層厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al0.08Ga0.92N構(gòu)成的p型覆蓋層7。在覆蓋層7上，設(shè)置層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.2μm的GaN構(gòu)成的p+型接觸層8。再有，直至覆蓋層7的中途，接觸層8和覆蓋層7被形成為脊形狀，形成為脊形狀的覆蓋層7和接觸層8的部分成為脊型波導(dǎo)10。再有，脊型波導(dǎo)10在垂直于紙面的方向上延長。即，垂直于紙面并從上向下觀察，脊型波導(dǎo)10為條狀。
在脊型波導(dǎo)10的上部以外的整個(gè)表面上，形成層厚度大于等于0.2μm、小于等于0.7μm的SiO2構(gòu)成的保護(hù)膜9，并在脊型波導(dǎo)10上形成p側(cè)電極11，在GaN襯底1之下設(shè)置n側(cè)電極12。再有，p側(cè)電極11可以由從Pt、Pd、Ni、Au等中選擇出的至少一種金屬構(gòu)成的層、疊層了被選擇出的大于等于兩種的金屬的疊層膜、或這些金屬的合金來構(gòu)成。此外，n側(cè)電極12也可以由從Ti、Pt、Au、Al等中選擇出的至少一種金屬構(gòu)成的層、疊層了被選擇出的大于等于兩種的金屬的疊層膜、或這些金屬的合金來構(gòu)成。再有，覆蓋層2和覆蓋層7以形成為將層厚度大于等于1nm、小于等于5nm的Al0.16Ga0.84N構(gòu)成的層和GaN構(gòu)成的層交替地生長的超晶格層。此外，形成防止溢出層5和防擴(kuò)散層51時(shí)的溫度最好是高于有源層4的形成溫度。
作為比較例，將不形成本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的防擴(kuò)散層51、并且雜質(zhì)不擴(kuò)散到有源層4的半導(dǎo)體發(fā)光元件作為比較例1形成，將不形成防擴(kuò)散層51并且雜質(zhì)擴(kuò)散到有源層4的半導(dǎo)體發(fā)光元件作為比較例2形成。這些比較例1和比較例2具有圖5所示的結(jié)構(gòu)。
對本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件和比較例1及比較例2的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出與施加電流的特性(I-L特性)進(jìn)行模擬。圖2示出在環(huán)境為室溫的情況下的上述特性，圖3示出環(huán)境為100°的情況下的上述特性。
在雜質(zhì)擴(kuò)散至有源層4的比較例2的情況下，與本實(shí)施方式和比較例1相比，可知閾值電流增加，效率(I-L特性曲線的斜率)也下降，高溫下的I-L特性的飽和顯著。這是因?yàn)殡s質(zhì)擴(kuò)散造成的p-n結(jié)的位置偏移和形成能級造成的非發(fā)光的再結(jié)合增加。
與之相對，在本實(shí)施方式中，與比較例1和比較例2相比，閾值電流下降，而且效率增加，未發(fā)現(xiàn)I-L特性的飽和。即，可知與比較例1的有源層中沒有雜質(zhì)擴(kuò)散的情況相比，得到改善。這是因?yàn)樵诒緦?shí)施方式中，在有源層4和防止溢出層5之間設(shè)有防擴(kuò)散層51，折射率低的防止溢出層5與有源層4稍稍分離，對有源層4的光的封閉增加。
如以上說明，根據(jù)本實(shí)施方式，可以抑制雜質(zhì)從溢出層向有源層的擴(kuò)散，并抑制發(fā)光效率下降。
再有，n型覆蓋層2和p型覆蓋層7優(yōu)選是AlsGa1-sN或AlsGa1-sN/GaN構(gòu)成的超晶格(0.0＜s≤0.3)。
此外，有源層4優(yōu)選是InxGa1-xN/InyGa1-yN構(gòu)成的多重量子阱有源層(0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y)。
此外，防止溢出層5優(yōu)選是由AltGa1-tN構(gòu)成，防止溢出層5中的Al的化學(xué)計(jì)量比t比覆蓋層2、7中的Al的化學(xué)計(jì)量比s大。
此外，防擴(kuò)散層51優(yōu)選是由AluGa1-uN(0≤u＜t)構(gòu)成，防擴(kuò)散層51中的Al的化學(xué)計(jì)量比u大于等于0，并且比防止溢出層5中的Al的化學(xué)計(jì)量比t小。通過這樣構(gòu)成，折射率增大，可以增強(qiáng)對有源層的光的封閉。
此外，防止溢出層5優(yōu)選是雜質(zhì)濃度大于等于5×1018/cm-3并且防擴(kuò)散層不摻雜。通過這樣構(gòu)成，可以進(jìn)一步防止載流子的來自有源層的溢出。
此外，期望脊波導(dǎo)10的脊寬度是大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。脊寬度小于1.5μm時(shí)電阻升高，工作電壓上升。脊寬度大于2.5μm時(shí)容易產(chǎn)生高次模振蕩。此外，期望脊波導(dǎo)10以外的第2覆蓋層7的層厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。脊波導(dǎo)10以外的第2覆蓋層7的層厚度小于0.03μm時(shí)脊部分和脊以外的折射率差增大，容易產(chǎn)生高次模振蕩。而大于0.20μm時(shí)，電流向橫方向擴(kuò)展，增加無效電流。
(第2實(shí)施方式)下面，圖4示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件，在圖1所示的第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，使不摻雜的GaN構(gòu)成的防擴(kuò)散層51稍厚，例如達(dá)到0.1μm～0.15μm而具有光波導(dǎo)功能，成為除去了GaN構(gòu)成的p型光波導(dǎo)層6的結(jié)構(gòu)。由于防止溢出層5越靠近有源層4效果越大，但因雜質(zhì)的濃度高而勢壘提高，所以即使有源層4和防止溢出層稍稍分離，也可以維持防止溢出效果。因此，在本實(shí)施方式中，防止溢出層5的雜質(zhì)濃度比第1實(shí)施方式高。
本實(shí)施方式與第1實(shí)施方式同樣，可以抑制從溢出層向有源層擴(kuò)散雜質(zhì)，抑制發(fā)光效率下降。
如以上說明，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施方式，可以抑制從溢出層向有源層擴(kuò)散雜質(zhì)，抑制發(fā)光效率下降。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括形成于結(jié)晶襯底上的第1導(dǎo)電型的第1覆蓋層；形成于所述第1覆蓋層上的有源層；形成于所述有源層上、防止雜質(zhì)擴(kuò)散到所述有源層中的防擴(kuò)散層；形成于所述防擴(kuò)散層上、防止注入到所述有源層中的載流子的溢出的與所述第1導(dǎo)電型不同的第2導(dǎo)電型的防止溢出層；以及形成于所述防止溢出層上的第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層的雜質(zhì)濃度大于等于5×1018/cm-3，所述防擴(kuò)散層是不摻雜層。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層的層厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防擴(kuò)散層的層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防擴(kuò)散層是GaN層。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防擴(kuò)散層的層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層是AltGa1-tN(t＞0.16)構(gòu)成的層。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述有源層是在將大于等于3nm、小于等于10nm的阻擋層和層厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱層2至4次交替地疊層后，形成了層厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層包括所述防止溢出層上設(shè)置的第1層、以及在該第1層上設(shè)置的脊部。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述脊形狀的第2覆蓋層的脊寬度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆蓋層的層厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第1導(dǎo)電型的第1覆蓋層和第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層是AlsGa1-sN構(gòu)成的層或AlsGa1-sN/GaN構(gòu)成的超晶格(0.0＜s≤0.3)層，所述有源層是InxGa1-xN/InyGa1-yN構(gòu)成的多重量子阱有源層(0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y)，所述防止溢出層是AltGa1-tN(t＞s)構(gòu)成的層，所述防擴(kuò)散層是AluGa1-uN(0≤u＜t)構(gòu)成的層。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層的雜質(zhì)濃度大于等于5×1018/cm-3，所述防擴(kuò)散層是不摻雜層。
13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層的層厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防擴(kuò)散層的層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
14.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防擴(kuò)散層是GaN層。
15.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防擴(kuò)散層的層厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。
16.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述防止溢出層是AltGa1-tN(t＞0.16)構(gòu)成的層。
17.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述有源層是在將大于等于3nm、小于等于10nm的阻擋層和層厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱層2至4次交替地疊層后，形成了層厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻擋層的多重量子阱結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層包括所述防止溢出層上設(shè)置的第1層、以及在該第1層上設(shè)置的脊部。
19.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述脊形狀的第2覆蓋層的脊寬度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。
20.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆蓋層的層厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。
全文摘要
提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括形成于結(jié)晶襯底上的第1導(dǎo)電型的第1覆蓋層；形成于第1覆蓋層上的有源層；形成于有源層上、防止雜質(zhì)擴(kuò)散到有源層中的防擴(kuò)散層；形成于防擴(kuò)散層上、防止注入到有源層中的載流子的溢出的與第1導(dǎo)電型不同的第2導(dǎo)電型的防止溢出層；以及形成于防止溢出層上的第2導(dǎo)電型的第2覆蓋層。
文檔編號H01S5/22GK1681138SQ200510064010
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月5日
發(fā)明者田中 明, 小野村正明 申請人:株式會(huì)社東芝