CN1148734A - 一种半导体光发射器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体光发射器件，包括一个具有前后表面的硅衬底；一个位于硅衬底前表面的第一过渡层；几个连续位于第一过渡层上的氮化镓串接化合物半导体层。可通过解理产生谐振腔的小平面，并可实现如下结构：一对电极分别置于光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面。成本低，而且在氮化镓串接化合物半导体层生长的最初阶段，产生了大量的生长核，而这些生长核又加速了二维生长，结果获得了高质量的氮化镓串接化合物半导体层。

Description

一种半导体光发射器件及其制作方法
本发明涉及一种半导体光发射器件，尤其涉及一种由氮化镓和相关的化合物半导体(下文称作GaN串接化合物半导体)组成的光发射器件，这种光发射器件可用于发射蓝光的二极管或者发射蓝光的激光二极管。本发明还涉及一种制作这种光发射器件的方法。
一种称之为铝镓铟氮(AlxGayInzN)(0≤x，y，z≤1，x＋y＋z＝1)的化合物半导体氮化物，因为它的能带间隙处于从1.9eV至6.4eV的一个很宽的区域范围，而且它属于直接跃迁类型，因而在作为制作可见光区域和紫外线区域的光发射器件的一种材料方面是很有前途的。
然而，由于氮的高蒸气压力的存在，使得制作串接化合物半导体的单晶圆片很困难，因此，以往制作光学器件，使用GaN或者氮化铝(AlN)作为缓冲层，将GaN串接化合物半导体外延生长在与其晶格常数相似的蓝宝石衬底上。
图6的截面图示出了一种发射蓝光的二极管(下文称作蓝色LED)的结构，这种结构发表于“Applied Physics Letter”，vol.64(1994)，pp.1687-1689。图中，标号41表示蓝宝石衬底。一个GaN缓冲层42位于蓝宝石衬底41上，一个n型GaN层43位于GaN缓冲层42上。n型GaN层43上的一部分被一个n型的铝镓氮(Al-GaN)层44所覆盖。一个掺有杂质锌(Zn)的铟镓氮(InGaN)层45位于n型AlGaN层44上。一个p型AlGaN层46位于掺有杂质Zn的InGaN层45上。一个p型GaN层47位于p型AlGaN层46上。p型一侧的一个电极49位于p型GaN层47上。n型一侧的一个电极48位于n型GaN层43上的一部分区域上。工作时，在n侧电极48和p侧电极49之间施加一电压，电子和空穴将分别从n侧电极48和p侧电极49注入到掺有杂质Zn的InGaN层45。在掺有杂质Zn的InGaN层45中，电子与空穴复合从而产生光。
如果象图6中示出的以往的蓝色LED一样将GaN串接化合物半导体层生长在蓝宝石衬底之上，由于蓝宝石衬底没有导电性，因而在衬底的后表面制作电极是不可能的。在图6所示的蓝色LED中，n侧电极48位于GaN层43上的一部分区域里，因此，无法实现在常规光发射器件中的两个电极分别置于器件相对的最顶层表面和最底层表面的结构。图6所示的蓝色LED具有如下缺陷：当对蓝色LED进行测试试验时，探头接触夹，如用于具有相对最顶层表面电极和最底层表面电极的常规光发射器件的测试卡就不能用于对蓝色LED的测试。此外，为了得到GaN层43上的电极48需要的空间43a，外延生长的半导体层43至47的一部分必须用干法刻蚀除去。
另一方面，在一个激光二极管中，当使用砷化镓(GaAs)或者磷化铟(InP)衬底时，用解理的方法形成谐振腔的小平面。然而，当使用蓝宝石衬底时，因为蓝宝石衬底不具有解理性，因而必须使用复杂工艺如干法刻蚀来制作谐振腔的小平面。
为了避免上述使用蓝宝石衬底而带来的问题，有时使用既具有导电性又具有解理性的碳化硅(SiC)衬底。然而，生长于SiC衬底上的GaN串接半导体层的结晶质量不如生长于蓝宝石衬底上的GaN串接半导体层的结晶质量好。而且，未见报道使用SiC衬底的光发射器件。另外，由于SiC衬底很昂贵，因而获得大尺寸、高质量的SiC衬底是困难的。
本发明的一个目的是提供一种半导体光发射器件。在这种半导体光发射器件中，GaN串接化合物半导体层生长在硅衬底上，而硅衬底不仅廉价，具有高结晶质量，而且很容易增加尺寸并减小电阻。
从以下的详细叙述中可明显看到本发明的其余目的和优点。所给出的详细描述和特定的实施例将只是说明性的，因为根据这些详细的描述，本领域熟练人员能够容易得到多种额外的形式和变化的形式而不脱离本发明的主旨和范畴。
按照本发明的第一方面，一种半导体光发射器件包括一个具有相对的前表面和后表面的硅(Si)衬底；一个置于硅衬底前表面的非晶的或者多晶的第一缓冲层；以及几个串接的氮化镓(GaN)化合物半导体层，这几个半导体层是连续地置于第一过渡层上的，其中包括一个光发射区域，在这一区域中，通过电子与空穴的复合产生光。在这种光发射器件中，由于Si衬底具有可解理性，因而通过解理可产生谐振腔的小平面，而且，由于硅衬底具有可导电性，因而可以实现两个电极分别置于光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面的结构。另外，由于使用廉价的硅衬底，使得获得这种光发射器件的成本低。此外，由于硅衬底上非晶的或者单晶的第一缓冲层的存在，使得在GaN串接化合物半导体层生长的最初阶段产生了大量的生长核，而这种生长核的存在又加速了GaN串接化合物半导体层的二维生长。结果获得了高质量的GaN串接化合物半导体层。
按照本发明的第二方面，在这种半导体光发射器件中，第一缓冲层由Si或者SiC组成。在这种结构中，由于Si或者SiC第一缓冲层形成于硅衬底上，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了GaN串接化合物半导体层的结晶质量。
按照本发明的第三方面，这种半导体光发射器件还包括一个置于第一缓冲层上的由铝镓氮(AlxGa1－xN)(0≤x≤1)组成的第二缓冲层，而且GaN串接化合物半导体层位于这一第二缓冲层上。在这一结构中，由于第二缓冲层由与GaN串接化合物半导体同种类型的化合物半导体材料组成并被放入到第一缓冲层和GaN串接化合物半导体之间，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了GaN串接化合物半导体层的结晶质量。
按照本发明的第四方面，这种半导体光发射器件还包括为光发射区域提供电子和空穴的第一电极和第二电极，第一电极位于硅衬底的后表面，第二电极位于GaN串接化合物半导体层的顶部。在这一结构中，由于第一电极和第二电极分别位于光发射器件的相对的前表面和后表面，当对光发射器件进行测试试验时，可以使用用于常规光发射器件的探头接触夹。
按照本发明的第五方面，一种制作一种半导体光发射器件的方法包括以下步骤，准备一个具有相对的前表面和后表面的硅衬底；在硅衬底的前表面上形成一个非晶的或者多晶的缓冲层；以及在缓冲层上连续地生长几个串接的GaN化合物半导体层，使得GaN串接化合物半导体层包括一个光发射区域，在这一区域中，通过电子与空穴的复合产生光。因此，在GaN串接化合物半导体层生长的最初阶段，产生了大量的生长核，而这些生长核的存在又加速了GaN串接化合物半导体层的二维生长。结果获得了高质量的GaN串接化合物半导体层。
按照本发明的第六方面，在上述的方法中，缓冲层由Si或者SiC组成。在这一方法中，由于由Si或者SiC组成的缓冲层形成于硅衬底上，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了GaN串接化合物半导体层的结晶质量。
按照本发明的第七方面，在上述的方法中，缓冲层是通过以下的步骤形成的：先在硅衬底上生长一个由Si或者SiC组成的第一缓冲层，然后在第一缓冲层上生长一个由AlxGa1－xN(0≤x≤1)组成的第二缓冲层。在这一方法中，由于GaN串接化合物半导体层生长在AlGaN第二缓冲层上，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了GaN串接化合物半导体层的结晶质量。
按照本发明的第八方面，上述的方法还包括制作第一电极和第二电极，用来分别在硅衬底的后表面和在GaN串接化合物半导体层的顶部向光发射区域提供电子和空穴。在这一方法中，由于第一电极和第二电极在光发射器件的相对的前表面和后表面上制成，使得当对光发射器件进行测试试验时，可以使用用于常规光发射器件的探头接触夹。
图1示出了相应于本发明第一个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。
图2示出了一种用于制作图1所示半导体激光器的设备的结构原理的剖视图。
图3示出了相应于本发明第二个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。
图4示出了相应于本发明第三个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。
图5示出了相应于本发明的第四个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。
图6示出了一种相应于现有技术的蓝色LED的结构原理的剖视图。
实施例1
图1示出了相应于本发明第一个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。图中，标号1表示一个具有相对的前表面和后表面的硅衬底。在低温条件下生长的一个硅缓冲层2(以下称作低温硅缓冲层)位于硅衬底1的前表面上。一个p型铝镓铟氮(AlGaInN)覆盖层3位于低温硅过渡层2上。一个未掺杂的AlGaInN有源层4位于p型AlGaInN覆盖层3上。一个n型AlGaInN覆盖层5位于未掺杂的AlGaInN激活层4上。一个由二氧化硅(SiO2)或者类似材料组成的电流阻挡层6位于n型AlGaInN覆盖层5的指定部位上。在n型AlGaInN覆盖层5未被电流阻挡层6所覆盖的那部分上和在电流阻挡层6上制作一个n侧的电极8。一个p侧电极7位于硅衬底1的后表面。
图2示出了一种用于制作图1所示的半导体激光器的金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)设备的结构原理的剖视图。图中，设备的外壳9在顶部有一个入气口10，在底部有一个排气口11。混合的源气体通过入气口10进入外壳9中，通过排气口11排出。外壳9中装有一个碳基座12和MOCVD生长时放在基座12上的一个衬底13。外壳9与基座12的位置相对应的部分缠绕有用于加热基座12的射频(RF)感应加热线圈。标号15表示一个用于测量衬底13温度的热电偶。
下面将对与本发明的第一个实施例相应的半导体激光器的制作过程加以说明。最初，作为MOCVD生长的衬底13，一个硅衬底被置于基座12上。然后，将衬底13加热到大约1100℃，同时通过入气口10将氢气引入到外壳9当中，从而对衬底13进行热清洗。根据后续的生长过程，外壳9中的压力被设置为大气压力或者使用一个与排气口11相连接的回转泵来降低外壳9中的压力。
经过热清洗之后，衬底13的温度被调整到400-800℃，然后，将乙硅烷(Si2H6)充入到外壳9当中，在衬底13上生长一个非晶的或者多晶的低温硅缓冲层2。当在400-800℃范围内相对较低的温度条件下进行生长时，可得到一个非晶的硅缓冲层。当在这一范围内的相对较高的温度条件下进行生长时，可得到一个多晶的硅缓冲层。
低温硅缓冲层2长好后，将衬底13的温度提高到900-1100℃，然后，将氨气(NH3)作为氮(N)源，将金属铝(Al)的有机化合物作为铝(Al)源，将金属镓(Ga)的有机化合物作为Ga源，将金属铟(In)的有机化合物作为In源并分别引入，从而顺序生长p型Al-GaInN覆盖层3，未掺杂的AlGaInN有源层4和n型AlGaInN层5。金属Al有机化合物可优选Al(CH3)3或者Al(C2H5)3，金属Ga的有机化合物可优选Ga(CH3)3或者Ga(C2H5)3，金属In的有机化合物可优选In(CH3)3或者In(C2H5)3。虽然这里使用了NH3，但同样可选用N2H4，(CH3)2N3，(CH3)2NH2或者C2H5N3。在引入源气体的同时，p型AlGaInN覆盖层3和n型AlGaInN层5所用的掺杂源气体也被引入。产生杂质源气体的n型杂质源可以使用氢化硅(如SiH4或Si2H6)、硅金属有机化合物(如Si(CH3)4)、硒化合物(如H2Se)或者硒金属有机化合物(如Se(CH3)2)。产生杂质源气体的p型杂质源可以使用镁金属有机化合物(如双环戊二烯镁Cp2Mg、双甲基环戊二烯镁MCp2Mg或双异丙基环戊二烯镁i-PrCp2Mg)或者锌(Zn)金属有机化合物(如Zn(CH3)2)。
之后，在n型AlGaInN覆盖层5上的指定部位制作由SiO2或者类似材料组成的电流阻挡层6，接着，分别制作片子后表面和前表面上的p侧电极7和n侧电极8。最后，对片子进行解理产生谐振腔的小平面，从而完成图1所示的半导体激光器的制作。
在所述的本发明的第一个实施例中，由于硅衬底1具有解理性，因而谐振腔的小平面可通过解理产生。此外，因硅衬底1具有导电性，因而可实现如下结构：一对电极分别置于一个光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面。因此，当对这个半导体激光器进行测试试验时，可以使用用于常规光发射器件的探头接触夹。而且，由于使用廉价的硅衬底1，因而这种半导体激光器的成本低。
如果GaN串接化合物半导体层3至5直接长在硅衬底1上，将导致三维生长，这种三维生长会对GaN串接化合物半导体层3至5的层与层之间的生长产生不利影响。此外，这种三维生长还会在生长层中引起晶体缺陷，例如位错。然而，在所述的本发明的第一个实施例中，由于非晶的或者多晶的缓冲层2制作于硅衬底1上，因而在GaN串接化合物半导体层3至5生长的最初阶段，以非晶的或者多晶的硅作为籽晶，会产生大量的生长核，而这些生长核的存在又会加速二维生长。结果可以获得高质量的GaN串接化合物半导体层3至5。
另外，因AlGaInN覆盖层5的最上面是n型的，阻止了p型覆盖层3中氢的掺入，从而实现了低阻的p型AlGaInN覆盖层3。
实施例2
图3示出了相应于本发明第二个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。图中，与图1中相同的标号表示同样的或相应的部分。所述的第二个实施例中，GaN缓冲层23(第二缓冲层)置于低温硅缓冲层2(第一缓冲层)上，p型AlGaInN覆盖层3，未掺杂的AlGaInN有源层4和n型AlGaInN覆盖层5按顺序置于GaN缓冲层23上。
图3中所示的半导体激光器是使用图2所示的MOCVD设备，通过以下所述的工艺步骤来制作的。首先，使用与第一实施例中描述的相同条件来生长低温硅缓冲层2。接着，将衬底13的温度调整到400-700℃，并以低温硅缓冲层2中的非晶或多晶的硅为生长核生长出由非晶的或多晶的GaN组成的缓冲层23。然后，以第一实施例所述的同样方式在GaN缓冲层23上生长出AlGaInN半导体层3至5，再作出电流阻挡层6。最后，在片子的最顶层表面和最底层表面分别作出电极8和电极7，并通过解理产生谐振腔的小平面，这样就作出了图3所示的半导体激光器。
在本发明所述的第二个实施例中，GaN缓冲层23由与Al-GaInN半导体层同类的一种化合物半导体组成并形成于低温缓冲层2上，而且AlGaInN半导体层3至5形成于GaN缓冲层23上。因此，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了AlGaInN层3至5的结晶质量。
同样在第二个实施例中，由于硅衬底1具有可解理性，因而可使用解理的方法来产生谐振腔的小平面。而且，因硅衬底1具有导电性，因而可实现如下结构：一对电极分别置于一个光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面。另外，因使用廉价的硅衬底1，因而这种半导体激光器的成本低。再有，由于最顶层的n型AlGaInN覆盖层5的存在，可实现低阻的p型AlGaInN覆盖层3。
实施例3
图4示出了相应于本发明第三个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。图中，与图1中相同的标号表示同样的或相应的部分。所述的第三个实施例中，一个p型AlGaInN电流阻挡层36位于n型AlGaInN覆盖层5的指定部位上，在n型AlGaInN覆盖层5未被电流阻挡层36所覆盖的那部分5上和在电流阻挡层36上制作有一个n型的AlGaInN覆盖层37。
图4中所示的半导体激光器是使用图2所示的MOCVD设备，通过以下所述的工艺步骤来制作的。其中，n型AlGaInN覆盖层5外延生长前的所有工艺步骤都与第一个实施例中所描述的相同，因而无需重复说明。外延生长了n型AlGaInN覆盖层以后，再依次外延生长p型AlGaInN电流阻挡层36和n型AlGaInN覆盖层37。之后，分别在片子的前表面和后表面作出电极8和电极7，再用解理的方法作出谐振腔的小平面，这样就作出了图4所示的半导体激光器。
在所述的第三个实施例中，由于低温硅缓冲层2形成于硅衬底1上，从而提高了AlGaInN层3-5、36和37的结晶质量。
此外，同样在所述的第三实施例中，由于硅衬底1具有可解理性，因而可使用解理的方法来产生谐振腔的小平面。而且，因硅衬底1具有导电性，因而可实现如下结构：一对电极分别置于一个光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面。另外，因使用廉价的硅衬底1，因而这种半导体激光器的成本低。再有，由于n型AlGaInN覆盖层5的存在，可实现低阻的p型AlGaInN覆盖层3。
实施例4
图5示出了相应于本发明第四个实施例中半导体激光器的结构原理的剖视图。图中，与图4中相同的标号表示同样的或相应的部分。除了低温硅缓冲层2上多了一个GaN缓冲层23之外，图5所示的结构与图4基本相同，这样，p型AlGaInN覆盖层3、未掺杂的AlGaInN有源层4、n型AlGaInN覆盖层5、p型AlGaInN电流阻挡层36和n型AlGaInN覆盖层37就位于GaN缓冲层23上。
图5所示的半导体激光器是使用图2所示的MOCVD设备，通过以下所述的工艺步骤来制作的。其中，n型AlGaInN覆盖层5外延生长前的所有工艺步骤都与第二个实施例中所描述的相同，因而无需重复说明。外延生长了n型AlGaInN覆盖层以后，再依次外延生长p型AlGaInN覆盖层电流阻挡层36和n型AlGaInN覆盖层37。之后，分别在片子的前表面和后表面作出电极8和电极7，再用解理的方法作出谐振腔的小平面，这样就作出了图5所示的半导体激光器。
在本发明所述的第四个实施例中，GaN缓冲层23由与Al-GaInN半导体层同类的一种化合物半导体组成并形成于低温硅缓冲层2上，而且AlGaInN半导体层3-5、36和37生长在GaN缓冲层23上。因此，进一步加速了生长核的产生，从而进一步提高了AlGaInN层3-5、36和37的结晶质量。
同样在所述的第四个实施例中，由于硅衬底1具有可解理性，因而可使用解理的方法来产生谐振腔的小平面。而且，因硅衬底1具有导电性，因而可实现如下结构：一对电极分别置于一个光发射器件相对的最顶层表面和最底层表面。另外，因使用廉价的硅衬底1，因而这种半导体激光器的成本低。再有，由于n型AlGaInN覆盖层5的存在，可实现低阻的p型AlGaInN覆盖层3。
虽然在第一到第四实施例中都使用硅作为低温缓冲层2的材料，但使用SiC可达到上述的同样效果。另外，在半导体层的这种叠层结构中，虽然n型层被置于p型层上，但同样可以将p型层置于n型层上。
而且，虽然在半导体层的生长过程中使用MOCVD，但使用分子束外延(MBE)或者化学束外延(CBE)可达到上述的同样效果。此外，虽然这里的第二缓冲层23由GaN组成，但也可以由AlN或AlGaN组成。
在本发明的第一至第四实施例中，重点讨论了一种半导体激光器，但是，本发明的基本结构和制作方法同样适用于发光二极管。

Claims (9)

1.一种半导体光发射器件，包括：
一个具有相对的前表面和后表面的硅(Si)衬底(1)；
一个置于硅衬底(1)的前表面上的非晶的或者多晶的第一缓冲层(2)；以及
几个顺次地置于第一缓冲层(2)上的串接的氮化镓(GaN)化合物半导体层(3，4，5)，其中包括一个光发射区域，在这一区域中，通过电子与空穴的复合可产生光。
2.根据权利要求1所述的半导体光发射器件，其中，上述的第一缓冲层(2)由硅(Si)或者碳化硅(SiC)组成。
3.根据权利要求1所述的半导体光发射器件，还包括：
一个置于上述第一缓冲层(2)的由铝镓氮(AlxGa1－xN)(0≤x≤1)组成的第二缓冲层(23)；以及
上述的被置于上述第二缓冲层(23)上的串接的GaN化合物半导体层(3，4，5)。
4.根据权利要求1所述的半导体光发射器件，还包括：
为光发射区域提供电子和空穴的第一电极(7)和第二电极(8)，第一电极(7)置于硅衬底(1)的后表面，第二电极(8)置于串接的GaN化合物半导体层的顶部。
5.一种制作一种半导体光发射器件的方法，包括以下步骤：
准备一个具有相对的前表面和后表面的硅衬底(1)；
在硅衬底(1)的前表面上形成一个非晶的或者多晶的缓冲层；以及
在缓冲层上顺次地生长几个串接的氮化镓(GaN)化合物半导体层(3，4，5)，使得GaN串接化合物半导体层包括一个光发射区域，在这一区域中，通过电子与空穴的复合可产生光。
6.根据权利要求5所述的制作一种半导体光发射器件的方法，其特征在于：上述的缓冲层由硅(Si)或者碳化硅(SiC)组成。
7.根据权利要求5所述的制作一种半导体光发射器件的方法，包括：在形成所述的缓冲层时，温度的取值范围是400-800℃。
8.根据权利要求5所述的制作一种半导体光发射器件的方法，包括：所述的缓冲层是通过以下步骤形成的，先在硅衬底(1)上生长一个由硅或者碳化硅组成的第一缓冲层(2)，然后在第一缓冲层(2)上生长一个由铝镓氮(AlxGa1－xN)(0≤x≤1)组成的第二缓冲层。
9.根据权利要求5所述的制作一种半导体光发射器件的方法，包括：
制作第一电极(7)和第二电极(8)，用来分别在硅衬底(1)的后表面和在氮化镓串接化合物半导体层的顶部向光发射区域提供电子和空穴。
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