專利名稱：輻射二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由半導(dǎo)體主體構(gòu)成的輻射半導(dǎo)體二極管(后簡稱作二極管)，半導(dǎo)體主體含有一個第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片，在該基片上有半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)按順序包括至少第一種導(dǎo)電類型的第一鍍層(cladding Layer)、發(fā)射可見光范圍光譜的活性層和與第一種導(dǎo)電類型相反的第二種導(dǎo)電類型的第二鍍層，此外，第一鍍層和第二鍍層上都設(shè)有電連接裝置。
這類輻射二極管特別是在做成激光器和發(fā)射的波長在可見光光譜范圍時，可形成用于多種用途的適宜輻射源，如光盤系統(tǒng)輻射源，固態(tài)激光器的抽運(yùn)激光源(pumping lasers)或一些醫(yī)療檢測或治療設(shè)備的輻射源，在這些方面都需要具有基本為線性光譜的高能量源。LED型的二極管也有許多用途。
關(guān)于這類輻射二極管可以參見H.Kressel和J.Butler著，“Semiconductor Lasers and Heterojunction LEDS”(Academic Press，1977 P505～506)。該書所述的二極管包括一個GaAs基片，并在該基片上有一個AlGaAs活性層間插在AlGaAS鍍層之間。如該書505頁圖所示，根據(jù)活性層中鋁含量的不同，這種二極管發(fā)射光譜覆蓋約770nm的熒光波長以上的可見光部分，對應(yīng)的激光發(fā)射波長約780nm。在這一波長之下二極管運(yùn)行得都不理想，這歸結(jié)于限制損失(loss of confinement))。除上述GaAs基片的二極管外，在兩個InAlGaP鍍層之間含有InAlGaP活性層的二極管也已多年來為人們所認(rèn)識，例可參見H.Hamada等人，IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.27，No.6，1991，P1483～1490。這類二極管的發(fā)射波長在約680nm到600nm之間。當(dāng)其活性層由InGaP(鋁含量＝0)組成，并且加以壓縮應(yīng)力時(In含量＞50%(原子)時，發(fā)射波長可以增加到近690nm，對應(yīng)的激光發(fā)射約700nm。
已知的各種二極管的缺點是波長從880nm到600nm的可見光光譜中的一部分沒能覆蓋到，即沒能覆蓋約770～690nm的部分。已知的發(fā)射波長在該區(qū)段(激光發(fā)射波長約780～700nm)的激光器其起動電流太高，不適用于上述的用途，尤其不適用于上述需要高發(fā)射功率的用途，如上述的醫(yī)療設(shè)備和抽運(yùn)激光設(shè)備。
本發(fā)明的目的在于獲得一種輻射半導(dǎo)體二極管，更具體地說是半導(dǎo)體激光二極管，這類二極管沒有上述其它二極管的缺點或至少缺點程度要輕得多，并且其熒光發(fā)射波長在約770～690nm之間，同時還有高發(fā)射功率。
依據(jù)本發(fā)明，在本文開頭所述的用于本目的的輻射半導(dǎo)體二極管的特征在于活性層由AlxGa1-xAs組成，各鍍層由AlyGawIn1-y-wP組成，并且活性層的鋁含量(x)和厚度(d)使熒光發(fā)射波長在約770～690nm之間。本發(fā)明特別以這樣一種認(rèn)識為基礎(chǔ)，即所期望的目的可以通過使AlGaAs活性層與InAlGaP鍍層相結(jié)合來達(dá)到。由于InAlGaP比AlGaAs有更大的帶隙，因此可以得到更低的發(fā)射波長，而限制效應(yīng)(confinementeffect)足以得到能提供較高功率運(yùn)行理想的(激光)二極管。由于活性層的鋁含量(x)和厚度(d)適當(dāng)，所以可在要求的光譜范圍發(fā)射。在此如此結(jié)合組成與厚度(在已知的AlGaAs二極管中，這樣的結(jié)合得不到有實際用途的二極管)可以得到各種二極管，它們不僅能夠在所述波長范圍發(fā)射，而且有許多非常好的其它性質(zhì)，如起動電流低，使用壽命長，并能提供高功率。
已經(jīng)注意到K. Itay等人在Appl. Phys. Lett. 62(18)，1993， P2176～2178中的文章公開了一種輻射二極管，包括位于InAlGaP鍍層之間不含InAlGaP的活性層。該活性層也不包括AlGaAs，而包括GaAs。用那樣的活性層在本發(fā)明的波長范圍無發(fā)射。在所示的活性層厚度(0.055μm)時，與GaAs體的發(fā)射波長(約880nm)相比沒有產(chǎn)生發(fā)射波長降低的現(xiàn)象。在該文中所述的二極管的目的是使GaAs二極管的起動電流的溫度依賴性盡可能最低，即其目的與本發(fā)明的目的不同。
本發(fā)明二極管的一個主要實施方案的特征是活性層的鋁含量(x)至少約14.8%(原子)，而活性層的厚度至少約20nm。這樣的二極管表現(xiàn)出的熒光波長至多為約770nm，這意味著激光發(fā)射發(fā)生在至多為約780nm。通過用一個更厚一點的活性層，(即厚度為約20nm以上)則可能得到這一具有吸引力的發(fā)射波長。這類更厚一點的活性層可以非常容易地得到且重復(fù)性很好，這也是一個很重要的優(yōu)勢。對于同樣厚度(d)的活性層，若其鋁含量(x)至少約18.0%(原子)，則可以得到至多為約750nm的發(fā)射波長，相應(yīng)的激光發(fā)射波長至多為約760nm。這樣一種二極管由于其波長很準(zhǔn)確地對應(yīng)于上述醫(yī)療設(shè)備很適用染色劑的吸收光譜，因此特別適用于這種醫(yī)療設(shè)備方面。
一個特別優(yōu)越的實施方案的特征是活性層的鋁含量在約1%～15%(原子)之間，活性層具有量子阱結(jié)構(gòu)(quantum well structure)，量子阱的厚度約2.5nm。首先這樣一個比較厚的量子阱層有一個優(yōu)點就是它仍然可以借助于當(dāng)今常用的OMVPE(有機(jī)金屬氣相定向生長)沉積技術(shù)比較容易地得到。其次，在量子阱層厚為約2.5nm的情況下，厚度上的小的變化還是可以接受的。低于2.5nm時，發(fā)射波長隨厚度的變化而顯著變化，從而厚度的變化將導(dǎo)致發(fā)射波長大的變化，而這是不希望的。這些方面意味著這一實施方案特別適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。在這一實施方案中，活性層中鋁含量較低時，可在所期望的波長范圍內(nèi)發(fā)射。這具有重要的優(yōu)點，如小的內(nèi)部和鏡面遞降(internal and mirror degradation)。在一個進(jìn)一步改進(jìn)中，活性層的鋁含量為約5～20%(原子)，而量子阱的厚度約4nm。后一厚度仍然是比較容易制造的，而所述鋁含量的范圍使發(fā)射波長可在約765nm到715nm之間。
在上述的兩個改進(jìn)中，活性層優(yōu)選具有含至少四個量子阱層(quantum well Layer)的多量子阱結(jié)構(gòu)(multiple quantum well Structure)，這些量子阱層相互間被由AlzGa1-zAs構(gòu)成的阻擋層隔開，阻擋層的帶隙比發(fā)射波長對應(yīng)的帶隙至少大約200mev，且厚度為約4～50nm。這樣一種結(jié)構(gòu)和這樣的阻擋層使得二極管具有很高的發(fā)射功率，如上所述，這正是非常期望的。鑒于同樣目的，優(yōu)選用“分隔”鍍層將量子阱結(jié)構(gòu)與鍍層分開，該“分隔”鍍層由具有與上述阻擋層相同鋁含量水平的AlGaAs構(gòu)成，其厚度為5～150nm。
這種由AlzGa1-zAs組成的“分隔”鍍層的一個重要優(yōu)點將在本發(fā)明二極管的制造中顯示出來。在生長過程中，事實上在最遠(yuǎn)離量子阱的位置發(fā)生從供給Al、Ga和As到供給In、Ga、Al和P轉(zhuǎn)換。在這樣一個主要轉(zhuǎn)換期間，任何不規(guī)則現(xiàn)象都發(fā)生在輻射存在區(qū)域的邊緣而不是在其中心發(fā)生。
在活性層具有(多)量子阱結(jié)構(gòu)的一個非常有利的實施方案的改進(jìn)中，活性層也包含磷，且磷的含量最多約30%(原子)。這類由AlGaAsP組成的活性層，在比無磷活性層的鋁含量更低時，會產(chǎn)生較低的發(fā)射波長。鋁含量低的優(yōu)點前面已經(jīng)敘及。另外，磷的存在將在活性層中產(chǎn)生(張力)應(yīng)力，當(dāng)用作激光二極管時，這可起到使起動電流下降的作用。
優(yōu)選活性層的厚度不大于約0.05μm。用這樣小厚度的活性層可以使得到的激光二極管具有相對環(huán)形對稱的遠(yuǎn)磁場圖，且起動電流不過度升高。這與具有這樣小的活性層厚度的常規(guī)激光二極管的情況一樣?；钚詤^(qū)域的表面積優(yōu)選在約25×500μm2到100×500μm2之間。根據(jù)本發(fā)明且有上述活性區(qū)域表面積的激光二極管可以產(chǎn)生用常規(guī)的激光二極管所不能得到的特別高的發(fā)射功率，因此本發(fā)明的二極管特別適合于上述的用途。
在所述的所有實施方案中，優(yōu)選鍍層的鋁含量(y)盡可能高。鋁含量仍然有利的上限值約35%(原子)。銦含量總是約50%(原子)，從而，較厚的鍍層與基片有相同的晶格常數(shù)。
對于上述的大多數(shù)用途而言，都希望要激光而不是LED。因而本發(fā)明的二極管的一個優(yōu)選實施方案為激光二極管。
按本發(fā)明制造輻射半導(dǎo)體二極管的方法為在一個半導(dǎo)體基片上依次提供如下組分第一導(dǎo)電類型的第一鍍層、能發(fā)射可見光范圍光譜的活性層以及與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第二鍍層，此后鍍層設(shè)電連接裝置，本發(fā)明方法的特征為選擇AlxGa1-xAs作為活性層的半導(dǎo)體材料，選擇AlyGawIn1-y-wP作為鍍層的半導(dǎo)體材料，而活性層的鋁含量(x)和厚度(d)的選擇使發(fā)射波長處于約770～690nm之間。因此，本發(fā)明的二極管可以依此簡單得到。
下面將參考一個實施方案及附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明，其中

圖1為本發(fā)明的輻射半導(dǎo)體二極管的一個實施方案的剖面圖;和圖2是輻射半導(dǎo)體二極管的光輸出與電流對應(yīng)關(guān)系曲線，曲線21為本發(fā)明的二極管，曲線22為常規(guī)的二極管，兩種二極管的發(fā)射波長近似相同。
這些圖都是示意圖，沒有按比例畫出，為了清楚起見，厚度方向的尺寸特意進(jìn)行了放大。在不同的實施例中，相同的部分照常例，都給予相同的參考數(shù)字。同樣，相同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域都劃有相同方向的陰影線。
圖1是本發(fā)明輻射半導(dǎo)體二極管的第一實施方案的剖面圖。該半導(dǎo)體二極管由半導(dǎo)體主體10組成，其中半導(dǎo)體主體10具有第一導(dǎo)電類型(在此為N-型)的基片1，本實施例的基片1由砷化鎵單晶構(gòu)成。并設(shè)有連接導(dǎo)線8。在該基片上設(shè)一半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，其組成為第一導(dǎo)電類型(此處為N-型)的第一鍍層2、能在可見光譜范圍發(fā)射的活性層以及第二導(dǎo)電類型(此處為P型)的第二鍍層4。根據(jù)本發(fā)明，活性層3A由AlxGa1-xAs組成，鍍層2，4由AlyGawIn1-y-wP構(gòu)成，而活性層3A中的鋁含量(x)和厚度(d)使熒光發(fā)射波長在約770～690nm。結(jié)果，本發(fā)明的二極管覆蓋了可見光光譜范圍內(nèi)的一段重要的空隙。在本實施例中，活性層的鋁含量(x)至少為5%(原子)，至多為20%(原子)，在現(xiàn)在情況下為8%(原子)，而活性層3A是量子阱結(jié)構(gòu)，量子阱層的厚度約4nm。在現(xiàn)在情況中活性層3A由四個量子阱層構(gòu)成，它們相互之間用鋁含量(z)約40%(原子)、厚度約4.5nm的AlzGa1-zAs阻擋層隔開。
用鋁含量(z)也為約40%(原子)的AlzGa1-zAs構(gòu)成的約5～150nm(在此為9nm)厚的分隔鍍層3B將活性層3A與鍍層2，4隔開。本實施例的二極管能夠提供相當(dāng)高的光強(qiáng)度，部分歸功于這些分隔鍍層，而高光強(qiáng)度對許多用途來說是一個很重要的優(yōu)勢。由AlGaAs代替鍍層的InAlGaP組成分隔鍍層3B為制造提供了又一重要的優(yōu)點，這是因為無論鋁含量多少，相對較厚的AlGaAs層3B與GaAs基片1有基本相同的晶格常數(shù)。這與InGaAlP構(gòu)成的層相反。本實施例的二極管的熒光波長約740nm。該二極管作成激光二極管，激光發(fā)射波長約750nm。如本實施例那樣的激光結(jié)構(gòu)特別具有吸引力，這是因為激光二極管非常適用于引言中所述的在所述波長范圍內(nèi)的各種用途。在第二鍍層4上面有一個含銦約50%(原子)的InGaP薄中間層5和一個P-型GaAs接觸層6。在本實施例中鍍層2和4由In0.5Al0.35Ga0.15P組成。
在接觸層6之上是一個SiO2絕緣層9，其中有一個寬約25μm的帶狀開孔。絕緣層9之上是導(dǎo)電層7，在7的上面裝有電連接導(dǎo)線(圖中未示出)。在基片1上另一導(dǎo)電層8上也有這樣的電連接導(dǎo)線。在基片1和第一鍍層2之間有一個鋁含量(t)約20%(原子)的AltGa1-tAs緩沖層。在半導(dǎo)體主體10內(nèi)有一個帶狀區(qū)域12，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個PN結(jié)，若向前的電流強(qiáng)度足夠強(qiáng)時，它導(dǎo)致電磁輻射，在此，由于二極管的前面與后面(在圖示平面中)做成鏡面，因此所產(chǎn)生的電磁輻射為激光輻射。下面是本實施例中各種半導(dǎo)體層所用的組成、摻雜量和厚度。
層半導(dǎo)體類型摻雜濃度厚度帶隙(主(原子/cm3) (μm) 體)(ev)1 GaAs N 2×1018150 1.411 Al0.20Ga0.80As N 2×10180.1 1.72 In0.50Al0.35Ga0.15P N 5×10170.8 2.33B Al0.40Ga0.60As - - 0.009 1.93A Al0.08Ga0.092As(4x) - - 0.004 1.5Al0.40Ga0.60As(3x) - - 0.0045 1.93B Al0.40Ga0.60As - - 0.009 1.94 In0.5Al0.35Ga0.15P P 3×10170.8 2.35 In0.5Ga0.5P P 1×10180.1 1.96 GaAs P 2×10180.5 1.4在本實施例中基片1上的導(dǎo)電層8是Au-Ge-Ni層，厚度為約1000 ;導(dǎo)電層7由Pt層、Ta層和Au層構(gòu)成，其厚度分別為約1000 、約500 、約2500 。
根據(jù)本發(fā)明，制備所述輻射半導(dǎo)體二極管的方法如下(見圖1)。本方法從單晶N-型砷化鎵基片1(001)開始，對(001)取向的表面拋光和刻蝕后，例如通過OMVPE(有機(jī)金屬蒸汽相取向生長)法在生長溫度為760℃時，由氣相在其表面上提供如下半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)首先是AlGaAs緩沖層11;然后是InAlGaP第一鍍層2，AlGaAs分隔鍍層3B，有互相之間由三個AlGaAs阻擋層隔開的四個AlGaAs量子阱層的活性層3A，接著再一層AlGaAs分隔鍍層3B、InAlGaP第二鍍層4、InGaP中間層5和GaAs接觸層6。對于所選的組成、導(dǎo)電類型、摻雜濃度、厚度和半導(dǎo)體層的帶隙均參考上面的表及圖1說明。從生長設(shè)備中將其整個結(jié)構(gòu)取出后，再用濺射等方法在其表面加一層二氧化硅絕緣層9，其厚度為0.1μm。通過光刻和刻蝕技術(shù)在絕緣層9中形成一個帶狀開孔，其寬度為25μm，其縱軸垂直于圖1所示的平面。將結(jié)構(gòu)清洗之后，再通過濺射等方法提供導(dǎo)電層7和8。再清洗后即可將單個的輻射二極管，在此為增益導(dǎo)向(gain guided)型的激光二極管作最后的裝配。
圖2中曲線21是本發(fā)明的輻射半導(dǎo)體二極管(在此為根據(jù)本實施方案的激光二極管)的光輸出與電流的關(guān)系曲線，曲線22是活性層和鍍層均為AlGaAs常規(guī)二極管的光輸出與電流關(guān)系曲線。本發(fā)明的激光二極管發(fā)射波長為750nm，常規(guī)的二極管也制成激光二極管，但其發(fā)射波長約760nm。這些曲線以CW(連續(xù)工作)方式在60℃測得。本發(fā)明的(激光)二極管(曲線21)的起動電流非常低(60℃時為50mA)，對應(yīng)的起動電流密度為0.4KA/cm2。常規(guī)的激光二極管(曲線22)的起動電流高(60℃時大于200mA)，對應(yīng)的起動電流密度為1.6KA/cm2。如果常規(guī)激光二極管象本發(fā)明的激光二極管那樣在約750nm波長發(fā)射，則其起動電流和起動電流密度將是上述數(shù)值的兩倍。這樣的二極管在設(shè)想的應(yīng)用領(lǐng)域中沒有實際用途，而本發(fā)明的二極管則相反。這些測試結(jié)果表明本發(fā)明的二極管其發(fā)射波長范圍為770nm～690nm，而起動電流較低發(fā)光功率較高使得到的二極管可以用于上述各用途。
本發(fā)明不限于給出的各實施例，因為對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可能在本發(fā)明的范圍內(nèi)做各種修改和變化。因此，半導(dǎo)體材料的組成除了本實施例選擇的之外，其余的均可使用。導(dǎo)電類型都可(同時)換成與之相反的形式。也可用其它的結(jié)構(gòu)形式(如用脊(ridge)型結(jié)構(gòu))。根據(jù)用途的不同，本發(fā)明的輻射半導(dǎo)體二極管可以選擇LED結(jié)構(gòu)或激光結(jié)構(gòu)。在激光二極管結(jié)構(gòu)中，增益導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和指數(shù)導(dǎo)向(index guided)結(jié)構(gòu)都可使用。最后，應(yīng)該注意到在本實施方案中制造各半導(dǎo)體層的方法也可以是MOVPE技術(shù)以外的其它方法。MOMBE(金屬有機(jī)分子束定向生長)、MBE(分子束定向生長)、VPE(氣相定向生長)或LPE(液相定向生長)代替MOVPE都可。
權(quán)利要求
1.一種以半導(dǎo)體主體組成的輻射半導(dǎo)體二極管，所述半導(dǎo)體主體具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片(1)，在所述半導(dǎo)體基片(1)上有半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)按如下順序包含至少第一導(dǎo)電類型的第一鍍層(2)、在可見光范圍發(fā)射的活性層(3A)、與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第二鍍層(4)，而第一和第二鍍層(2，4)上設(shè)有電連接裝置(5，6，7，8)，所述輻射半導(dǎo)體二極管的特征為活性層(3A)由AlxGa1-xAs組成，鍍層(2，4)由AlyGawIn1-y-wP組成，并且活性層(3A)的鋁含量(x)和厚度(d)使其熒光發(fā)射的波長在約770nm～690nm之間。
2.按權(quán)利要求1的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征為活性層(3A)的鋁含量(x)至少為約14.8%(原子)，而活性層(3A)的厚度(d)至少為約20nm。
3.按權(quán)利要求1的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層(3A)的鋁含量(x)至少為約18.0%(原子)，且活性層(3A)的厚度至少為約20nm。
4.按權(quán)利要求1的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層(3A)的鋁含量(x)至少為約1%(原子)，至多為約15%(原子)，活性層(3A)有量子阱(quantum well)結(jié)構(gòu)，且量子阱的厚度為約2.5nm。
5.按權(quán)利要求1的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層(3A)的鋁含量(x)至少為約5%(原子)，至多為約20%(原子)，活性層(3A)有量子阱結(jié)構(gòu)，量子阱的厚度至少約4nm。
6.按權(quán)利要求4或5的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層(3A)有多量子阱結(jié)構(gòu)，所述多量子阱結(jié)構(gòu)至少有四個具有所述鋁含量(x)和所述厚度(d)的AlxGa1-xAs量子阱層，這些量子阱層相互之間用AlzGa1-zAs阻擋層隔開，所述阻擋層的帶隙比發(fā)射波長對應(yīng)的帶隙至少大200mev，且厚度為4～50nm。
7.按權(quán)利要求4、5或6的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是在活性層(3A)和鍍層(2，4)之間有一層AlzGa1-zAs分隔鍍層(3B)，所述分隔鍍層(3B)的帶隙比發(fā)射波長對應(yīng)的帶隙至少大200mev，且厚度為約5～150nm。
8.按權(quán)利要求4、5、6或7的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層(3A)也含有磷且磷含量至多約30%(原子)。
9.按權(quán)利要求中任意一項的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性層的厚度不大于約0.05μm。
10.按上述權(quán)利要求中任一項的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是活性區(qū)域的表面積在25×500μm2～100×500μm2之間。
11.按上述權(quán)利要求中任一項的輻射半導(dǎo)體二極管，其特征是分隔鍍層(3B)中的鋁含量(y)至多約35%(原子)，且銦含量(w)為約50%(原子)。
12.制備輻射半導(dǎo)體二極管的方法，所述方法在一個半導(dǎo)體基片上依次提供第一導(dǎo)電類型的第一鍍層(2)、在可見光范圍內(nèi)發(fā)射光譜的材料構(gòu)成的活性層(3A)、與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第二鍍層(4);然后，在鍍層(2，4)上設(shè)電連接裝置(5，6，7，8)，所述方法的特征是選擇AlxGa1-xAs作為活性層(3A)的半導(dǎo)體材料，且選擇AlyGawIn1-y-wP作為鍍層(2，4)的半導(dǎo)體材料，而活性層(3A)中的鋁含量(x)及厚度(d)的選擇使發(fā)射波長在770-690nm之間。
全文摘要
本發(fā)明的二極管的特征是活性層(3A)組成為Al
文檔編號H01S5/323GK1099906SQ9410723
公開日1995年3月8日 申請日期1994年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月28日
發(fā)明者C·J·范德波艾爾, A·瓦爾斯特, H·P·M·M·安姆布修斯 申請人:菲利浦電子有限公司