半导体发光器件的制作方法

专利名称：半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件，用于作为光通信的光源，其波长范围为1.3至1.5μm，其中在可见光区域，使用一根玻璃纤维作为一个传输介质，和在可见光区域作为光源的半导体发光器件。
一种使用基于InGaAsP材料的传统激光器有一个问题，其特征温度低至40到60K。这个特征温度在实际应用中是一个很重要的参数之一。特征温度T0与阀值电流Ith的关系表达式为Ith＝I0exp(T/T0)这里，T是激光器工作时的环境温度，I0是在绝对零度时的阀值电流。开始时，T0很低，当环境温度升高时，半导体激光器的阀值电流急剧增加。为了使半导体激光器以恒定功率工作，这时，输入半导体激光器的电流与低温工作时的电流相比，必须增加。随着输入电流的增加，除了工作环境温度的升高外，半导体激光器的温度也进一步升高。当工作环境温度升高时，半导体激光器的温度经历了一个正反馈。其结果是，器件的温度有很大的升高。在一种由基于InGaAsP材料制成的传统激光器中，特征温度是很低的，有以下二个原因。原因1当形成一个制作半导体激光器不可缺少的双异质结时，在载流子限制层(覆层)和激活层之间，能带结构中的导带上的带隙(ΔEc)是很小的。原因2这种基于InGaAsP的材料有一种较大的俄歇效应，由于存在这种俄歇效应，因此，当工作环境温度升高时，位于激活层上导带内的电子将其能量提供给晶格，并引起无辐射俘获空穴。这个现象与电子对于价带上的空穴所产生的现象很相似。闪锌矿结构就是一种基于InGaAsP材料的晶体结构，在这种结构中，由于在能带结构的Γ点上，价带上的重空穴和轻空穴没有能级差，即没有自旋劈裂Δsp，所以俄歇效应很大。
在一个半导体激光器中，由于这个激活层的带隙随着器件温度的升高而减小，因此，加长了发射的波长。由光通信中的这种波长变化引起了下面的问题。
首先，在光通信中，光在光纤中的传播速度是由光纤的折射率的色散引起的波长决定的。也就是说，光在纤维中的传播速度的变化是由环境温度的变化决定。由于这个原因，当环境温度变化时，在发射边，相对于时间轴是矩形的脉冲波形沿着光的传播方向变形并扩散。在长距离通信中，在不同时间，从发射边发出的二个光脉冲在接受边上相互交迭，并且使接受边不能识别这二个光脉冲。在高比特率发射系统中，由于光脉冲间的间隔很小，所以，即使在短距离发射中，也因光脉冲的波长有所变化，在接受边上，不能识别在不同时间从发射边发出的二个光脉冲。另外，在频率分隔多路传输通信(称为WDM)中，由于在工作波长之间的间隔很短，约1至10nm，一个光源的波长上的变化会引起串话。
如上所述，在光通信中，通信光的波长变化能引起一个严重的问题，所以波长的稳定性很重要。因为这个原因，在传统上，用作光源的半导体激光器是安装在珀耳贴器件上，来进行温度控制，使之能够用于实际的光通信。这样就可以稳定工作温度，并确保波长的稳定性。所以，目前为了确保一个通信系统的稳定性，保持一个温度控制装置的稳定性也是非常重要的，例如，一个珀耳贴器件。安装一个珀耳贴器件的费用，一个珀耳贴器件控制电路的费用和对这个珀耳贴器件供电的费用增加了这个通信系统的成本。另外，一个珀耳贴器件的出现也增加了部件的数量，也会降低整个通信系统的稳定性。
另外，在由上述材料制成的传统光通信光源上，得不到较高的能量。在光通信系统中，高能光源是必须的。很明显，一个光源的光能越高，其传输距离就越长，在大容量通信系统中，由于光信号的脉冲宽度很窄，所以必须增加光脉冲的能量，并以一个高信噪比(S/N)实现通信。为了增加光脉冲的能量，一个高能量光源是必须的。
使用一种传统的基于InGaAsP材料，在形成一个半导体激光器的一个双异质结的导带上，将会导致出现一个小段带隙ΔEc。由于这个原因，大电流的发射很容易地引起载流子的过流。载流子过流是一种光发射层上的载流子穿过一个光发射层，没有发生无辐射俘获的现象。

图19所示，作为载流子的电子通过光发射层，从一个N型载流子限制层移动进入一个P型载流子限制层的现象。
如上所述，在一个使用一种传统的基于InGaAsP材料的半导体激光器中，大电流的输入不会增加光的能量，只会产生热量。为了解决这个问题，已经做了一些尝试，使用一种包括Al元素在内的化合物半导体作为一个靠近光发射层的P型载流子限制层。这样只能少量地增加导带上的带隙的宽度，稍微改善半导体激光器的性能。然而，基于这种技术的半导体激光器的光输出量只能限制在1.55μm的波段上100mW的级别上。
除了上述的这二个问题外，一种传统的基于InGaAsP材料还有一个问题，即很难制造一种发射1.48μm波长光的器件，这个波长能够使在1.55μm波段上的光纤放大器中获得最高的激发效率。这是由于在这个InGaAsP系统中，在1.55μm波长段上发射光的晶体结构存在一个热力上的非固溶区。为了在一个非固溶区上获得一种晶体，必须在热力不平衡的条件下进行晶体生长。即使在热力不平衡的条件下，获得一个位于非固溶区的晶体，其可结晶性也比在热平衡条件下生长出的晶体的可结晶性要差。虽然通过使用这样的晶体，已经生产出一些器件，但是，这些器件发光功率和发光效率都很低，并且其寿命也很短。
将在下文中说明在可见光区域的传统光发射器件的问题。第一个问题在于，发射兰，绿，黄光束，及类似的小于670nm波长光束的发光器件(下文简称LEDs)的性能很差。通过使用带有由InGaN材料制成的阱层的量子阱结构，已经生产出兰光和绿光LEDs，并且已经在市场上销售。然而，可以确定，在由InGaN材料制成并用于这些器件的阱层中，会发生相分离现象。更特别的是，将含有高In元素成分的区域(点)分散在InGaN材料内，使InGaN材料含有均匀的In元素成分。由于这些点大小不同，因此这个合成光发射就有一个较大的光谱范围。
在可见光区域上，传统发光器件上的第二个问题在于，不能获得高质量的黄光LED。例如，黄光LEDs已经用于作为美国交通信号中的黄灯。InGaAlP材料用于作为制作这些器件的一种材料。然而，在一个黄光发光器件中使用InGaAlP材料，在由含有不同成分的InGaAlP材料制成的异质结上，其导带上的带隙是很小的。由于这个原因，正如与光通信光源有关部分所述，从注入电流到光的转换效率很低。另外，对于光的发射来说，一个效率低下的电流会产生热量，因此这种热量降低了器件的性能。
为了解决这个问题，做了一些尝试，通过使用InGaN材料制造黄光LEDs。然而，用InGaN材料制作的黄光LED所产生的光发射只是一个数量级，或者比兰和绿光发射强度更低。这是因为在黄光区，发生了大的相分离，从而导致了较差的可结晶性。
在可见光区域的一个发光器件上，另一个传统的问题是，不能实现一个真正意义上的半导体激光器。虽然能够制造出从蓝色到橙色波长范围的LEDs，但是，还没有制造出这种激光器结构。这是因为不能通过使用传统的半导体材料，设计一个在小阀值电流下振荡的器件结构。只能制造一些波长大于630nm的器件。
通过使用基于InGaAlP材料，已经制造出在630nm波长范围内的激光器。然而，由于在光发射层和覆层(载流子限制层)之间，能带上的导带上的带隙(ΔEc)很小，通过使用一个基于电子波干涉的电子反射器，阻止电子过流，这种电子波干涉从一个多量子阱上形成，一个多量子阱也称为一个P型覆层的多量子阻挡层(通常成为MQB)。然而，由于导带上许多带隙的出现，一个MQB的使用会导致产生一个高的器件驱动电压。
另外，一个激活层上多个量子阱层的数量通常是一至三个，然而，在一个MQB中需要大约几个十层量子阱层。在一个激活层上的每个量子阱层的厚度精确对应与多个量子阱内有关光波长的精度。与这种情况相比，在一个MQB中，这个精度对应于有关比光波长更短的电子波波长的精度。在实际中，一个量子阱层的精确厚度约为1/10nm。如上所述，根据上面的传统器件，相对于作为一种发光器件激活层的多量子阱来说，难以制造一个MQB。
为了实现以上的目的，根据本发明的一个方面，在此提供一种半导体发光器件，该发光器件至少包括一层在衬底上形成的第一覆层，一个在第一覆层上形成的，并包括由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的激活层在内的发光结构，和一个在这个发光结构上形成的第二覆层。
在这种排列下，激活层是由一种带有小俄歇效应的材料制成。另外，激活层是由一种没有任何相分离的均匀成分的材料制成的。而且，能够形成这样一种结构，即在这种结构中，可以加大激活层和P型覆层之间的导带上的带隙(ΔEc)。
图3所示，在将V/III设定为660,000的条件下生长出的一层InN薄膜上，其吸收率的平方与光子能量的关系图；图4所示，在将V/III设定为660,000的条件下生长出的一层InN薄膜上，室温下测量的光致荧光图；图5所示，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)的Eg和a轴的点阵常数a之间的关系图；图6所示，从实验和计算中得出的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)的非固溶区图；图7A所示，当将作为氮源的氨的量与作为铟源的三甲基铟(TMI)的量之比率V/TMI设定为160,000时，生长出的InN的X射线衍射光谱图；图7B所示，当将作为氮源的氨的量与作为铟源的三甲基铟(TMI)的量之比率V/TMI设定为320,000时，生长出的InN的X射线衍射光谱图；图7C所示，当将作为氮源的氨的量与作为铟源的三甲基铟(TMI)的量之比率V/TMI设定为660,000时，生长出的InN的X射线衍射光谱图；图8所示，根据本发明的另一个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图9所示，在InGaN的生长中固相的In元素成分与TMI的供应量和第三族源总的供应量的比率的关系图；图10所示，根据本发明的第三个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图11所示根据本发明的第四个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图12所示根据本发明的第五个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图13所示根据本发明的第六个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图14A所示根据本发明的第七个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图14B所示根据本发明的第七个实施例，一个半导体发光器件的部分结构实例示意截面图；图15所示根据本发明的第八个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图16所示根据本发明的第九个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图17A所示根据本发明的第十个实施例，一个半导体发光器件的结构实例示意截面图；图17B所示根据本发明的第十个实施例，这个半导体发光器件的结构实例示意透视图；图18所示图7中的这个半导体发光器件的特性图；图19用于说明载流子过流的弯曲结构示意图。
这个半导体激光器包括一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层103，并通过一层厚度为1.2nm的氮化物层102，形成在一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底101的上表面上，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层104，一层由掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层105。注意，这层单晶衬底101不只限于兰宝石，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
另外，在覆层105上，形成了下面的层一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的0.6μm厚的导向层106，一层由InN材料制成的20nm厚的激活层107，一层由没有掺入杂质的GaN材料制成的10nm厚的生长盖层108，一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.55μm厚的导向层109，一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层110，和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层111。
在接触层111上形成电流绝缘层，电流绝缘层112是由二氧化硅SiO2制成的，并有一个用于限制电流注入的区域的2μm宽的凹槽。注意，上面的凹槽与这个半导体激光器腔内的光的传播方向平行。一个P型金属电极113通过上面的凹槽与接触层111相接触，并形成在电流结缘层112上。虽然没有画出，这个P型金属电极113有一个多层结构，这个多层结构是包括一个与接触层111直接接触的50nm厚的钯层，一层在这个钯层上形成的30nm厚的铂层，和一层在这个铂层上形成的200nm厚的金层。
注意，电极层104有一个暴露的区域，该区域是通过部分地蚀刻各个层而形成的，并且一个N型金属电极114也位于这个暴露区域。虽然没有画出，这个N型金属电极114有一个多层结构，这个多层结构包括一个与暴露部分直接接触的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层。图1所示的这个半导体激光器的腔体长约500μm。
图2所示，在室温下，图1A和1B中的半导体激光器安装在一个散热片上，使用直流(DC)电流，通过测量这个半导体激光器，获得的光学功率/电流特性(CW特性)和电压/电流特性。在图1A和1B所示，在室温下，阀值电流为82时，引起CW振荡的半导体激光器。这个合成振荡波长为1.6μm。这时的工作电压是2.8V。内置电压Vb约为1.2V。
在以前的技术中，当In1-XGaXN(0＜X＜0.4)作为一个包括激活层在内的光发射结构时，内置电压略小于4V。注意，图1A和1B中的半导体激光器例示了这种使用InN材料制成激活区107的激光器。然而，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料有一个比InN具有更大的带隙，因此，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料可以用作激活层。在这个例子中，振荡波长可以进一步地降低至如0.4μm。
在下面将说明InGaAlN材料(In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料)。
传统上，还没有将InGaAlN材料应用到半导体发光器件(半导体激光器)上的想法，该发光器件的波长为1.3μm至1.58μm，并位于光通信波长的范围内。也没有将半导体发光器件设计成能够获得比橙光波长更长的波长范围内的光。这时由于InN材料的带隙(Eg)所致，在这些材料中，InN材料的带隙Eg最小，其值为1.9至2.1eV。当测量这样的带隙Eg时，通过反应溅射法或类似的方法形成InN，并只能形成多晶InN。就是说，上述带隙测量结果是从多晶InN中获得的(参考文献1K.Osamura，K.Nakajima和Y.Murakami，Solid State Comm.，11(1972)617，参考文献2N.Puychevrier和M.Menoret，Thin Solid Film，36(1976)141，和参考文献3T.L.Tansley和C.P.Foley，J.Appl.Phys.，59(1986))。
在构成InGaAlN的化合物AlN，GaN和InN中，InN的固相上氮气的平衡蒸气压比其余的化合物上的蒸气压高5个数量级(参考文献4T.Matsuoka，H.Tanaka，T.Sasaki和A.Katsui，“宽带隙半导体(In，Ga)N”，GaAs及相关化合物国际讨论会，(Karuizawa，日本，1989)；in Inst.Phys.Conf.Ser.，106.pp.144-146)。通过反应溅射法或类似的方法，其中，不能增加用于形成一层薄膜的容器压力，使用InN生成具有这样性能的高质量晶体几乎是不可能的。在上述的时期里，由于也尝试在一个玻璃衬底上生长InN薄膜，但是得不到单晶生长的晶格信息，也不能生长单晶晶体。
在这种形势下，本发明人试图通过有机金属气相外延附生(下文简称为MOVPE)方法，在一个单晶兰宝石上生长单晶InN材料，用这种方法可以加大氮气压力，并于1989年在单晶生长上实现了世界上第一次成功。本发明人在1989年的一次学术会议上报告了这个结果(参考文献5Takashi Matsuoka，Toru Sasaki，Hirotsugu Sato，和Akinori Katsui，“通过MOVPE法的InN的外延生长”，日本应用物理及相关学科协会的第36次会议的扩充摘要，p.270(1p-ZN-10)(1989))。
然而，这次获得的单晶晶体的结晶性是不足的，因此，这种技术在获取InN的光学性能上还是有缺陷的。随后，本发明人做了许多技术改进，在2001年，成功地生长出世界上第一个能够测量其光学性能的高质量单晶InN材料(参考文献6Takashi Matsuoka，Masahi Nakao，HiroshiOkamoto，Hiroshi Harima，Eiji Kurimoto，和Megumi Hagiwara，“InN材料的光带隙能量”，日本应用物理及相关学科协会的第49次会议的扩充摘要，p.392(29p-ZM-1)(2002)；在应用物理协会的手稿截至时间2002年1月8日；会议从3月27日至30日；和宣布日期3月29日)。
对于生长上述高质量单晶InN材料，第一个技术改进是先在一个兰宝石衬底上形成GaN材料，GaN材料的晶格常数介于兰宝石和InN之间。在这个例子中，为了得到高结晶性，需要一层GaN层。由于这个原因，在下面步骤中优化了GaN的生长条件1.清洁反应器内的兰宝石衬底的表面；2.用氨氮化该兰宝石的表面；3.低温生长GaN材料，作为一层缓冲层，降低兰宝石和GaN之间的晶格失配；4.高温退火，形成溶入单晶的缓冲层；和5.高质量的GaN材料的高温生长。
第二个技术改进是检查在GaN材料上的InN的生长条件，GaN材料是在通过上面的方法优化的条件下生长出来的。要检查的项目有生长温度，生长速度，V族元素与In族元素的比率，在反应器内的气流量，和类似的项目。检查这些项目的结果，使本发明人成功地完成了能够测量其光学性能的InN生长。现在，能够在一层兰宝石层上直接形成一层InN层，无须在其中形成任何GaN层。
图3和4所示，所形成的一层InN薄膜的特性。图3所示，在这层InN薄膜上，其吸收率的平方与光子能量的关系。如图3所示，在这层InN薄膜上，从光吸收率上检测到一个清楚的吸收边。由于这种关系几乎是线性的，因此，可以将InN看成一种线性转换型，并且能够将这个Eg估计为约0.8eV。
图4所示，在上述条件下形成的这层InN薄膜上，室温下测量的光致荧光。很明显，是在接近1.65μm(0.75eV)的波长附近产生了光发射。在图3和4中的吸收率和光致荧光的测量结果表明，在上述条件下形成的这层InN薄膜上的这个Eg值为0.8eV。从这些结果中，可以估计InN的Eg值接近于0.8eV。
上述的各种技术改进和长期效果首次揭示了单晶InN的Eg值是0.8eV，只是以前的测量结果的二分之一或更小。图5所示，InGaAlN的Eg和a轴的点阵常数a之间的关系。虚线表示传统数据，实线表示能反映本发明人得到的数据的结果。
如上述的说明一样明显，通过使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)形成一个双异质结或量子阱结构，能够制造出一个大功率、高T0的半导体发光器件。例如，用以前的技术，T0大约为60K，现在可以将其增加到大约150K左右。另外，在晶体生长上，难以用传统的材料制造一种能发射出1.48μm波长光的器件，由于在一种热平衡条件下，能很容易地生长出一种材料，因此就能够制造出高性能的器件。而且，正如发光器件一样，例如能在黄、兰和绿光区域发光的激光器和LEDs，也可以制造出高性能的器件。
与InGaAsP材料相比，InGaAlN材料在价带的Γ点上显示了较高的自旋劈裂能量Δsp。由于这个原因，InGaAlN材料的俄歇效应很小，因此提高了发光器件的温度性能。当通过使用InGaAlN材料形成一个异质结时，价带上的一个带隙ΔEc就变大了。因为这个原因，所以能够降低载流子的过流。其结果是，在一个使用InGaAlN材料的发光器件上，抑制了热量的产生，并提高了温度性能。
当通过用纯净的InN材料形成一个阱层，用一种不同于InN材料的成分如In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料，形成一个阻挡层，并以此来控制量子阱结构的阱层(激活层)和阻挡层的厚度时，可以制造出一种能发射出1.48μm波长光的半导体发光器件，但是，难以通过一种基于InGaAsP的材料，用一种高质量晶体制造出这种发光器件。很明显，即使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料而不是用纯净的InN作为激活层，也可以制造出一种能发射出1.48μm波长光的半导体发光器件。
图6所示，从实验和计算中得出的InGaAlN的非固溶区(参考文献7T.Matsuoka，“纤维锌矿In1-X-YGaXAlYN上的相分离”，MRS internet J.Nitride Semicond.Res.3，54(1998))。参照图6，点划线表示当InGaAlN在600℃下生长时，InGaAlN的非固溶区；实线表示当InGaAlN在800℃下生长时，InGaAlN的非固溶区；虚线表示当InGaAlN在1000℃下生长时，InGaAlN的非固溶区；在各种线内的区域都是非固溶区。
如图6所示，某些成分区在一种热平衡条件下是不能生长的。用一个部分表示非固溶区外的固溶区，通过控制一个量子阱结构的成分和厚度，在热平衡条件下，能够制造出图1A和1B中的这个半导体发光器件。对于在可见光区的一个发光器件，在热平衡条件下，也能够形成一层晶体层，该晶体层用于形成包括一层激活层在内的光发射层结构，并且在导带上能够设定一个大带隙。因此，也就能够制造一种高性能的发光器件。
根据这个实施例，因此，可以提供一种大功率、高稳定性并且能够在1.48μm波长附近工作的发光器件，例如，一个用于光纤放大器的激发光源。其结果是，提高了光纤放大器的输出功率，增加了光通信的传输距离。另外，对于1.55μm波长区，图1A和1B所示的这种结构的应用将能实现大功率/高T0和一个长拖动的高速传输系统。
另外，在可见光区，能够提供比传统器件具有更高的照明效率和更长的器件寿命的LEDs和半导体激光器。
而且，根据这个实施例，这种使用InN材料的半导体发光器件提高了相对于环境温度的稳定性，将在下面说明。如果随着温度的变化，一种半导体材料的带隙(Eg)变化情况定义为“{Eg(300)-Eg(0)}/Eg(0)”，InAs出现一个0.12的变化，GaAs出现一个0.57变化。InP出现一个0.48的变化。在这个例子中，Eg(300)表示在300K下的一个Eg值，Eg(0)表示在0K下的一个Eg值。在参考文献8(Q.Guo和A.Yoshida，Jn.J.Appl.Phys.，34(1995)4653))中作了这样一个描述。
当本发明人测量了InN材料的Eg随温度变化的一个变化值时，这个测量值要比上面提及的值小得多。本发明人得到的这个发现不同于参考文献8所公开的有关InN的内容。InP现在作为一种主要材料，用于光通信中的半导体发光器件，在300K时，能发射波长为925nm的光，在280K时，能发射波长为919nm的光。如上所述，在一个使用InP材料的半导体发光器件中，当温度变化20℃时，波长变化6nm。
与这种情况相比，在一个使用InN材料的半导体发光器件中，即使温度变化20℃时，几乎不能观察到波长变化。如上所述，相对于环境温度的变化，一个使用InN材料的半导体发光器件的波长几乎没有变化。由于这个原因，例如，将一个使用InN材料的半导体发光器件应用到一个通信系统，就可以很大地提高这个通信系统的稳定性。
将在下面说明一种制造在图1A和1B所示的这种半导体发光器件的方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源，作为一个载流子气体，氮气用于一个含有In元素的层的生长，氢气则用于一个不含有In元素的层的生长。在生长过程中，反应器内保持大气压力。
首先，将衬底温度设定在1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底101的表面氮化，形成氮化层102。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成缓冲层103。在这种GaN材料的生长中，除了三乙基镓(TEG)外，还能够将三甲基镓(TMG)用作一种作为一个镓源的有机金属。相对于TMG，TEG的优点在于具有一个低气压，适合于供应少量的Ga，在550℃的低温下很容易分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。
随后，在1050℃时，将这个单晶衬底101退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层103。接着，将单晶衬底的温度设定到1020℃，掺杂Si元素的N型GaN、掺杂Si元素的N型Al0.1Ga0.9N和掺杂Si元素的GaN依次生长，形成电极层104，覆层105，和导向层106。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的气相生长的一个铝源，使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压，并且适合于提供大量的镓元素。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。注意，相同族的元素用于每层生长过程的Si掺杂(将在后面说明)。
接着，在导向层106上生长InN，形成激活层107。在InN材料的生长中，由于，在固相和气相之间的InN的氮气平衡蒸气压很高，因此，将衬底温度设定在500℃。在这个生长过程中，为了通过阻止金属In的参与生成高质量的InN，氨与TMI的比率，即V/III，设定在660,000。
图7A、7B和7C所示，作为InN的生成条件与可结晶性之间的关系的一个例子，当供给反应器作为氮源的氨的量与供给反应器作为铟源的三甲基铟(TMI)的量之比率V/TMI变化时，生长出的InN的X射线衍射光谱图。图7A、7B和7C显示了ω-2θ扫描光谱。如图7A和7B所示，在将V/III设定在160,000或小于等于320,000的条件下，在所生长的薄膜上，能够观测到来自金属铟的信号。与这种情况相比，如图7C所示，在将V/III设定在660,000的条件下，在所生长的薄膜上，金属铟的峰值消失了，因而，可以知道不含有金属铟。
氮既用作一个TMI载流子气体，也用作一个气泡气体。这是因为使用作为这些气体的氮气将会抑制氨的分解，降低有效的V/III比率，致使阻止了InN的生长(参考文献5)。
在500℃生长GaN材料，这个温度也是InN材料的生长温度，通过使用一种氮载流子气体，抑制对激活层107的蚀刻和其可结晶性的破坏，因此，形成生长盖层108。在形成生长盖层之后，将衬底温度升高到1020℃，以提高生长盖层108的质量。随后，掺杂Mg元素的P型GaN、掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和掺杂Mg元素的GaN依次生长，形成导向层109，覆层110，和接触层111。
使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的可控性和再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在导向层109后，形成覆层110和接触层111，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。
在形成如上所述的各个晶体层后，通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层111上，形成由SiO2制成的限流绝缘层112，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层112上形成一个凹槽。
在这个限流绝缘层112上形成一个凹槽之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有凹槽的限流绝缘层112上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的钯层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极113的金属层。使用一种发射技术将这个金属层定形。此后，通过已知的光刻技术，形成一种基于酚醛树脂的正向光致抗蚀剂模型，通过使用这个模型作为一个掩膜，对晶体层进行蚀刻，在电极层104上形成一个暴露区。通过离子反应蚀刻技术，使用氯气蚀刻晶体层。
在蚀刻形成上述暴露区之后，移去这个光致抗蚀剂掩膜，清洁单晶衬底101以及在其上形成的结构，在电极层104的暴露区上，依次沉淀形成一个50nm厚的钛层，一个30nm厚的铂层，和一个20nm厚的金层，将这个合成结构定形，并形成N型金属电极114。使用一种发射技术将这个金属层定形。
通过以上步骤，直到N型金属电极114形成后，就完成了这个制造过程，将这个合成结构固定在一个抛光底座上，对单晶衬底101的下表面进行抛光，以便在对抛光面进行镜面加工时，将其磨薄至50μm的厚度。当没有经过镜面加工，就从抛光底座上将这个抛光的单晶衬底101移走时，这个单晶衬底101可能会卷曲或裂纹。由于这个原因，就对这个下表面进行镜面加工。之后，清洁这个合成结构，通过劈开或类似的操作，将预定的部分切掉，最后，就得到了图1A和1B中的半导体发光器件。(第二个实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图8所示，根据这个实施例，一个半导体发光器件的结构实例。用一个LED(发光器件)示例说明。图8显示了这个LED的结构。这个LED以下各层，都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底201的上表面上，单晶衬底201有二个都已进行镜面抛光表面，即上表面和下表面一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层202，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层203，一层由掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层。注意，单晶衬底201并不限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层204上，形成了下面的层一层由InN材料制成的50nm厚的激活层205，一层由没有掺入杂质的GaN材料制成的10nm厚的生长盖层206，一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层207，和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层208。在接触层208上形成一层限流绝缘层209，这个限流绝缘层209带有一个直径约为20μm的环行开口窗，用以限制电流注入区。
在限流绝缘层209上形成一个P型金属电极210，金属电极210通过开口窗与接触层208接触。这个金属电极210有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层208接触的50nm厚的镍层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。注意，电极层203有一个暴露区和一个位于该暴露区的N型电极211，这个暴露区是通过部分蚀刻电极层203上的各层形成的。这个金属电极211也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的铝层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。
在下面将描述图8所示的一种制造半导体发光器件的方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源。用氮气作为一个载流子气体。将生长压力设置到大气压力。
首先，将衬底温度设定到1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底201的表面氮化。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成缓冲层202。在这种GaN材料的生长中，除了三乙基镓(TEG)外，还能够将三甲基镓(TMG)用作一种作为一个镓源的有机金属。相对于TMG，TEG的优点在于具有一个低气压，适合于供应少量的Ga，在550℃的低温下很容易分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。随后，在1050℃时，将这个单晶衬底201退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层202。
接着，将单晶衬底的温度设定到1020℃，掺杂Si元素的N型GaN和掺杂Si元素的N型Al0.1Ga0.9N依次生长，形成电极层203和覆层204。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的气相生长的铝源。使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。
接着，在覆层204上生长InN，形成激活层205。在InN材料的生长中，由于，在固相和气相之间的InN的氮气平衡蒸气压很高，因此，将衬底温度设定在500℃。另外，在这个气相生长过程中，使用三甲基铟(TMI)。在这个生长过程中，为了通过阻止金属In的参与而生成出高质量的InN，将氨与TMI的比率，即V/III，设定在660,000。氮既用作一种载流子气体，也用作一个气泡气体。这是因为氢气的使用将会抑制氨的分解。
在500℃下生长GaN材料，这个温度也是InN材料的生长温度，通过使用一个氮载流子气体，抑制对激活层207的蚀刻和其可结晶性的破坏，因此，形成生长盖层206。在形成生长盖层206之后，将衬底温度升高到1020℃，以提高生长盖层206的质量。随后，掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和掺杂Mg元素的P型GaN依次生长，形成导向层207和接触层208。
使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的可控性和再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在形成导向层207和接触层208之后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。
在形成如上所述的各个晶体层后，通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层208上，形成由SiO2制成的限流绝缘层209，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层209上形成一个开口窗。
在这个限流绝缘层209上形成一个开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层209上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的镍层和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极210的金属层。此后，通过已知的光刻技术，在这个金属层上，形成一种基于酚醛树脂的正向光致抗蚀剂模型，通过使用这个模型作为一个掩膜，对金属层和晶体层进行蚀刻，在电极层203上形成一个暴露区。通过离子反应蚀刻技术，使用氯气蚀刻晶体层。
在蚀刻形成上述暴露区之后，移去这个光致抗蚀剂掩膜，清洁单晶衬底201以及在其上形成的结构，在电极层204的暴露区上，依次沉淀形成一个50nm厚的铝层和一个200nm厚的金层，将这个合成结构定形，并形成N型金属电极211。
通过以上方法，直到N型金属电极211形成后，就完成了这个制造过程，清洁单晶衬底201的下表面，并将其用钻石划刀切出预定尺寸，由此得到了一个器件，随着这个过程的进行，就得到了图8中的一片半导体发光器件。
在如8所示的半导体发光器件中，激活层是由InN材料制成的。通过控制激活层的成分和厚度，即可得到所期望的颜色的光，其范围从一种波长接近InN材料的带隙波长1.6μm的光到兰光。与InGaN材料相比，用InN材料作激活层，能够极大地提高了衬底上的再现性和平面一直性。这是因为在气相生长中的气相和固相成分方面，InN材料和InGaN材料有很大的不同。
图9显示了一个InGaN材料的成分控制的结果。如图9所示，在InGaN的生长过程中，在一个500℃的生长温度(衬底温度)下，气相与固相的成分比率近似于一种线性关系。注意，在图6所示的一个非固溶区外的区域内，选择InGaN的组成成分。然而，在一个800℃的生长温度下，气相与固相的成分比率在一个区域内变成非线性关系，在这个区域内，铟元素(TMI)的固相成分比例是很高的。如这个图所示，在有机金属气相外延附生上，当生长温度增加时，生长过程中进入InGaN薄膜的铟元素量降低。这是因为InN材料的氮平衡蒸气压比GaN材料的氮平衡蒸气压高5个数量级。
如上所述，与InGaN材料相比，用InN材料作激活层消除了成分控制的必要性，并能够确保一个生长过程的再现性和可结晶的一直性。另外，由于在理论上，相分离没有发生，因此能够得到成分均匀的层。
注意，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料比InN材料具有更大的带隙，使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料作为一个激活层，使其能够获得有一个更短波长的光。
另外，一个光发射区可以有一个多量子阱结构。例如，可以在一个多量子阱结构上形成一个光发射区，可以通过堆叠以下三个层形成一个多量子阱结构一个由In0.95Ga0.05N制成的阱层和二层由In0.05Ga0.1Al0.85N制成的，用以夹住这个阱层的阻挡层。(第三个实施例)将在下文中描述将本发明的结构中应用到一个半导体激光器上的一个例子，在这个半导体激光器上，一个光发射区有一个多层量子阱结构。图10所示，根据本实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。如图10所示的半导体激光器包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底301的上表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层302，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层303，和一层由掺有Si元素的N型Al0.14Ga0.86N材料制成的0.5μm厚的覆层304。注意，这层单晶衬底301不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层304上，形成一个多层量子阱结构305，这个多层量子阱结构305是由以下各层堆叠而成的一个由In0.95Ga0.05N制成的阱层和二层由In0.05Ga0.1Al0.85N制成的，用以夹住这个阱层的阻挡层。在这个度量子阱结构305上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.14Ga0.86N材料制成的0.5μm厚的覆层306和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层307。在接触层307上形成一层限流绝缘层308，这个限流绝缘层308带有一个直径约为20μm的环行开口窗，用以限制电流注入区。
在限流绝缘层308上形成一个P型金属电极309，这个金属电极309通过开口窗与接触层307接触。这个P型金属电极309有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层307接触的50nm厚的钯层，一层30nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。这个金属层通过使用发射技术定形。电极层303有一个暴露区和一个位于该暴露区的N型电极310，这个暴露区是通过部分蚀刻电极层303上的各晶体层形成的。这个N型金属电极310也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层组成。
在图8所示的半导体发光器件中，光发射的波长范围为从0.62μm波长，至比对应于通过改变激活层和覆层的成分与量子阱结构的阱层厚度，产生的InN的带隙的波长更短的波长。例如，能够产生黄色和橙色光。根据传统理论，在这个波长段内的发光器件不能由InGaAlN材料制成。如上所述，然而，由于本发明人发现InN材料的带隙接近于0.8eV，因此首次制造出这样的一种器件。通过控制形成这个结构的每个层的组成成分，能够获得一种1.48μm的激光器，在这种激光器内，光通信光纤放大器使用一种玻璃光纤，其激发效率很高。或能够获得一种具有一个大T0的1.55μm的激光器。(第四个实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图11所示，根据本实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。这个半导体发光器件是一个有着3个发光层的白光发射二极管。如图11所示，沿晶体生长的厚度方向，这个器件的横截面图。
这个发光器件包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1101的表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1102，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层1103，和一层由掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层(第一覆层)1104。注意，这层单晶衬底1101不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层1104上，形成了下面的层一层由掺有Si元素的N型InGaAlN制成的阻挡层1105，一层由In1-XGaXN材料制成的下激活层(第一激活层)1106，其中在In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)中，Y＝0，即为In1-XGaXN，一层由掺杂Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻挡层1107，一层由In1-X’GaX’N材料制成的中间激活层(第二激活层)1108，一层由掺杂Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻挡层1109，一层由In1-X”GaX”N材料制成的上激活层(第三激活层)1110，和一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1111。在这个阻挡层1111上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层(第二覆层)1112和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1113。
在接触层1113上形成一层限流绝缘层1114，这个限流绝缘层1114是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗。在限流绝缘层1114上形成一个P型金属电极1115，这个金属电极1115通过开口窗与接触层1113接触。虽然未画出，这个P型金属电极1115有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层1113接触的50nm厚的钯层，一层在其上形成的30nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。注意，这个电极层1103通过使用发射技术定形。
注意，电极层1103有一个暴露区和一个位于该暴露区的N型金属电极1116，这个暴露区是通过部分蚀刻电极层1103上的各层形成的。虽然未画出，这个N型金属电极1116也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层组成。注意，这个金属电极1116通过使用发射技术定形。
根据这个实施例，在有以上结构的半导体发光器件中，通过阻挡层1105，下激活层1106和阻挡层1107形成第一光发射结构；通过阻挡层1107，中间激活层1108和阻挡层1109形成第二光发射结构；和通过阻挡层1109，下激活层1110和阻挡层1111形成第三光发射结构。通过控制各自激活层的组成成分和厚度，确定各自光发射结构的发射波长，致使第一光发射结构具有最短的发射波长和第三光发射结构具有最长的发射波长。那就是说，光发射结构越靠近单晶衬底1101，振荡波长就变得越短(带隙就变得越大)。因此，第三光发射结构发射的光从单晶衬底1101的下表面上出现，没有被第一和第二光发射结构吸收。
第二光发射结构发射的光经过第一光发射结构旁边，从单晶衬底1101的下表面上出现，没有被第一光发射结构吸收。第二光发射结构发射的光经过第三光发射结构旁边，并被第三光发射结构吸收。这种吸收光被转换成另一种光，其波长等于从第三光发射结构上发射光的波长，从单晶衬底1101的下表面上出现的光就像是从第三光发射结构上发射的光。
第一光发射结构发射的光经过单晶衬底1101旁边，从单晶衬底1101的下表面上出现，没有受到如上述那样的吸收。第一光发射结构发射的光经过单晶衬底1101的另一边，被第二或第三光发射结构吸收。这些被吸收的光转换成另一种光，其波长等于那些从第二或第三光发射结构中发射的光的波长，并且从单晶衬底1101的下表面上出现。
在图11所示的这种半导体发射器件中，InN材料用作每个激活层(阱层)。然而，本发明并不限于这种情况。通过适当地设定激活层的厚度和阻挡层的组成成分，也可以将InN材料用作激活层。
在图11中，有以上结构的这种半导体发射器件中，在考虑了有关光吸收方向，通过设计各个光发射机构的堆叠顺序，能够产生高效率、低损耗的白光发射。
在下面将描述上述的这种半导体发光器件，在这种半导体发光器件中，在激活层上形成的多个光发射结构彼此堆叠在一起。
在传统上，将能够用作白光源的半导体发光器件分成三类结构，第一类结构是使用三种发光器件，分别发出三种主要颜色的光束，即红、绿和兰，并且通过叠加二极管发出的光束，能够作为一个白光源。
第二类结构是使用一种有一个量子阱结构兰—绿光发射二极管，这个量子阱结构包括一个阱层，该阱层是由在一个ZnSe衬底上生长一种ZnCdSe晶体制成的，这个二极管作为一个白光源，能够通过作为衬底的ZnSe，吸取从该二极管外发射的光。根据这种结构，能够吸取一种从量子阱发射的兰光，将从一个深能级发射橙光称为SA发射，接着，由于被吸取的兰—绿光，从存在于ZnSe衬底上的缺陷上吸取橙光，并将这二种光分量混合，以获得白光。
第三类结构是将塑料材料和磷粉混合，铸造一个发射兰—绿光二极管的半导体芯片，磷粉是由一种磷元素材料制成的，能够发射出从黄至红色的光。这个塑料模型内的磷元素被从半导体芯片(发光器件)发射出的兰光激发，使磷元素发射出从黄至红色的光。将这个第三类结构设计成，通过从半导体芯片发出的兰光和从磷元素发出的从黄至红色的光混合，即可获得白光。
第一类结构需要能发出三种颜色光束的发光器件芯片。根据一个实际的结构，将能够发出红、绿和兰色光束的三个发光器件集成，成一个整体。在第一类结构中，三色发光器件芯片是由不同材料制成的，并单独地作为三个颜色器件，随之，都集成在同一个衬底上，另外，根据第一类结构，必须调整这三个发光器件的光功率，致使从这三个发光器件发出的光束总量变成白色。
例如，分别调节这三个发光器件的注入电流。在某个例子中，可以调节用于每种光发射颜色的器件数目。如上所述，根据第一类结构，必须将许多器件集成，必须调整各个器件的注入电流，导致妨碍了生产力。
第二类结构需要一个ZnSe材料衬底，ZnSe材料衬底在费用上比广泛使用的半导体衬底高二个数量级，例如，Si和GaSe衬底，因此，这个器件的价格变高。另外，当使用一个ZnSe材料衬底制造一个半导体发光器件时，需要分子束外延附生(MBE)形成一个掺杂有一种N型杂质(载流子)的晶体层。在生产能力上，MBE要小于别的生长方法。
假设能够用MBE方法制造一个掺有杂质的晶体层。即使在这个例子中，为了获得一种能够激发掺杂载流子以提高发光效率的晶体，需要以下的处理方法在晶体生长之前，作为一种衬底处理方法，进行蚀刻衬底，使用一种不能产生氧化锌的特殊酸，使用一种不会将衬底表面变韧的氢等离子处理方法，将衬底氧化膜从MBE内移走。
为了获得第二类结构，必须控制晶体表面的结构。为了这个目的，在生长过程中，必须同时观测一种反射高能电子的衍射图像，以便控制在一种II族材料和一种VI族材料之间的源供应比率II/VI，范围为1.1至1.3。与这种情况相比，在一种V-III族晶体生长过程中，例如GaAs，源供应比率V/III为数百。只有通过使用这些先进的制造技术，才能生长出用于实现第二类结构的高质量的晶体。
本发明人在1997年开发了这种技术，并在世界上首次成功地开发出一种位于ZnSe材料衬底上的半导体激光器(A.Ohki，T.Ohno，和T.Matsuoka，“在半绝缘ZnSe材料衬底上，同向外延生长基于ZnSe激光器二极管的连续波操作”，Electron.Lett.，33，11，pp.990-991(1997).T.Ohno，A.Ohki和T.Matsuoka，“在用氢等离子清洁的ZnSe材料衬底上，生长II-VI激光器的室温下CW操作”J.晶体生长，184/185，pp.550-533(1998)。T.Ohno，A.Ohki和T.Matsuoka，“用氢等离子清洁的表面，用于低缺陷度ZnSe同向外延生长”，J.Vac.Sci.Technol.B.，16，4，pp.2539-2545(1998)。
在进行以上的开发之后，然而，在工业和学术水平上，有关第二类结构没有得到突破。这是由于晶体本身很脆并易于产生缺陷，这是一个有关材料的根本问题。另外，在第二类结构中，特别是出现了一个涉及SA发射强度的问题。为使用第二类结构获得白光，必须通过控制ZnSe衬底的厚度，来调整衬底上的发光器件发射的兰光和EA发射的强度的比率。因为在很大程度上，SA发射强度决定于一种材料的性能，因此，每次制造一个器件时，必须根据ZnSe衬底的性能进行这种调整。这就是影响生产的一个原因。
根据第三类结构，注入能量转换成光能的效率等于半导体芯片的发光效率与磷元素的发光效率的乘积。由于每个发光效率永远不会是100％，因此，光转换效率就会很低。例如，一个半导体发光器件的发光效率约为40％，磷元素的发光效率约为50％。因此，在有第三类结构的白光发射器件中，注入能量转换成光能的效率很低，约为20％。根据第三类结构，由于这个效率几乎等于一个白帜灯效率，而小于一个荧光灯的效率，因而降低了半导体发光器件(LED)的优势。
如上所述，根据以前的技术，制造一种白光半导体发光器件需要许多生产步骤，并且需要很多调整才能获得白光。因此，难以提供一种低价位、高发光效率的白光半导体发光器件。
与上述以前的技术相比，根据图11所示的半导体发光器件，没有必要为三色光发射准备离散的器件芯片。不需要特殊的生产装置和生产方法，并且也不需要复杂的调整。因此，根据图11所示的半导体发光器件，能够提供一种低造价的器件。
另外，根据图11所示的半导体发光器件，由于相对于以前的技术，可以在一个更小的区域内形成每个器件，能够在一个单一衬底上，同时形成多个器件。因此，当通过切割得到半导体发光器件芯片时，就可以获得更多的芯片。在这一点上，由于所谓的体积效率，致使可以提供低造价的器件。另外，由于能够形成薄器件，因此可以将它们安装在更小的设备上。
通过使用图11所示的层结构，也能获得一个半导体激光器腔。图11显示了半导体激光器腔的出口端面。在这个例子中，在限流绝缘层1114上形成一个宽度为2μm的凹槽，这个凹槽沿图11的引上表面的正交垂直方向延伸，致使到达该器件的两端。沿这个凹槽的方向形成P型金属电极1115。通过劈开的方式，形成图11中出口端面，并且吸取一个来自图11的引上表面的正交垂直方向上的这个出口端面的光输出。
在下面将描述一种在图11中的半导体发光器件的制造方法。首先，一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源。作为一个载流子气体和气泡气体，氮气用于一个含有In元素的层的生长。氢气用于一个不含有In元素的层的生长。将生长压力设置到大气压力。
在这些层的生长过程中，首先，将衬底温度设定到1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底1101的表面清洁。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成GaN缓冲层1102。在这种GaN材料的生长过程中，使用三乙基镓(TEG)作为一个镓源，TEG有一个相对低的气压，适合于供应少量的镓元素，在550℃下易于分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。
随后，在1050℃时，将这个单晶衬底1101退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层1102。接着，将单晶衬底1101的温度设定到1020℃，掺杂Si元素的N型GaN和掺杂Si元素的N型Al0.1Ga0.9N依次生长，形成电极层1103和覆层1104。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的铝源，使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。注意，相同源的元素用于每层生长过程的Si掺杂(将在后面说明)。
接着，通过连续的晶体生长(有机金属气相外延附生)，形成阻挡层1105，下激活层1106，阻挡层1107，中间激活层1108，阻挡层1109，上激活层1110和阻挡层1111。在这些含有铟元素的层的生长过程中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度设定在500℃。使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。使用TEG作为这些含有In元素的层的生长过程中的一个铟源。这是因为TEG有一个相对低的气压，因而与TMG相比，更适合于晶体层上的成分控制。
在这例子中，在每个含有In元素的层的生长过程中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的合金层，将作为氮源的氨的量与III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III设定在660,000。在这种含有In元素的层的生长过程中，氮气既用作一个TMI载流气体，又用作一个气泡气体。这是因为用氢气作为一种载流气体或类似的气体将会抑制氨的分解(参考文献5)。
在以上含有铟元素的层的生长形成之后，将气源改变，用于生长掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和掺杂Mg元素的P型GaN材料，由此形成覆层1112和接触层1113。使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在形成覆层1112和接触层1113之后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟的退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层1113上，形成由SiO2制成的限流绝缘层1114，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层114上形成一个开口窗。在这个限流绝缘层1114上形成一个开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层1114上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的钯层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极1115。使用一种发射技术将这个金属层定形。
接着，通过已知的光刻技术和蚀刻技术，从限流绝缘层1114上，将覆层1104和电极层1103移走，以露出部分电极层1103。在这个露出的表面上形成N型金属电极1116。通过离子反应蚀刻技术，用氯气作为一种蚀刻气体，能够蚀刻从接触层1113到覆层1104范围内的晶体层。在电极层1103的暴露区上，通过依次堆叠一个50nm厚的钛层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层形成一个N型金属电极1116，并通过已知的发射技术将这个合成结构定形。
在通过以上步骤，将P型金属电极1115和N型金属电极1116形成后，对单晶衬底1101的下表面进行抛光，用于将单晶衬底磨薄，从原有厚度450μm磨薄至200μm。将下表面进行镜面加工。在将单晶衬底1101的下表面进行镜面加工之后，清洁这个合成结构，并使用钻石刀将这个单晶衬底1101切割成预定尺寸。由此得到一个器件。将这个器件的尺寸作成大约500μm2。
当在这个合成器件上输入一个电流时，P型金属电极1115作为正极，N型金属电极1116作为负极，能够观测到从单晶衬底1101的下表面上发出的带有蓝色的白光。如上所述，通过这个实施例得到的发射光是蓝白光。然而，通过适当地控制形成激活层的晶体层的成分和激活层的厚度，就能够获得带有所期望的性能的发射颜色。
在图11中的半导体发光器件中，这三个激活层通过阻挡层彼此堆叠在一起。然而，本发明不只限于这种情况。通过适当地调整形成各个激活层的晶体成分和激活层的厚度，并设定各个层的发射颜色，即使用一种只有二个激活层通过一个阻挡层彼此堆叠在一起的半导体发光器件，也能够获得接近白色的发射光。(第五个实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
在图11中的半导体发光器件中，在金属电极层1103上形成N型金属电极1116。然而，本发明不只限于这种情况。可以在三个发射光部分的任何一个上形成一个金属电极层，并且可以将一个金属电极安装在这个金属电极层上。在下面将详细地描述这种结构。图12所示，根据本发明的另一个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。
这个半导体发光器件(发光器件)包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1201的表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1202，一层由GaN材料制成的1μm厚的晶体层1203，一层由AlGaN材料制成的1μm厚的覆层(第一覆层)1204。注意，这层单晶衬底1201不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层1204上，形成了下面各层一层由InGaAlN制成的阻挡层1205，一层由InN材料制成的下激活层(第一激活层)1206，一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1207，一层由InN材料制成的中间激活层(第二激活层)1208，一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1209，一层由掺有Si元素的N型InN材料制成的电极层1210，一层由掺有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻挡层1211，一层由InN材料制成的上激活层(第三激活层)1212，和一层由掺有Mg元素InGaAlN材料制成的阻挡层1213。
在这个阻挡层1213上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层(第二覆层)1214和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1215。
在接触层1215上形成一层限流绝缘层1216，这个限流绝缘层1216是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗。在限流绝缘层1216上形成一个P型金属电极1217，这个金属电极1217通过开口窗与接触层1215接触。这个P型金属电极1217有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层1215接触的50nm厚的钯层，一层在其上形成的30nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。
另外，在图12中的半导体发光器件中，电极层1210有一个暴露区和一个位于该暴露区的N型金属电极1218，这个暴露区是通过部分蚀刻电极层1210上的各层形成的。这个N型金属电极1218也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层组成。
在图12中有以上多层结构的半导体发光器件中，通过阻挡层1205和下激活层1206形成第一光发射结构；通过阻挡层1207，中间激活层1208和阻挡层1209形成第二光发射结构；和通过阻挡层1211，上激活层1212和阻挡层1213形成第三光发射结构。确定各自光发射结构的发射波长，致使第一光发射结构具有最长的发射波长和第三光发射结构具有最短的发射波长。
第三光发射结构发射的部分光被第一和第二光发射结构吸收，于是激励各个发射结构。其结果是，第一和第二光发射结构发出各自独特波长的光束。没有被第一和第二光发射结构吸收的，由第三光发射结构发出的部分光出现在单晶衬底1201的下表面的外部。第二光发射结构发射的部分光被第一光发射结构吸收，并且其余部分出现在单晶衬底1201的下表面的外部。
第二光发射结构发射的光也能够激励第一光发射结构。因此，第二和第三光发射结构发射的光能够激励第一光发射结构，并使第一光发射结构发出其独有的一种波长的光。在考虑了有关光吸收方向的位置关系，通过堆叠/排列各个光发射机构顺序，能够产生高效率、低损耗的发射光。通过对第一、第二和第三光发射结构适当地设计，能够获得从单晶衬底1201的下表面上发出的光，其波长范围覆盖了红外光、可见光和紫外光。
根据以上描述，第一光发射结构有最长的发射波长，第三光发射结构有最短的发射波长。然而，第二光发射结构也可以有最长的发射波长。在这个例子中，各自发射波长满足第二光发射结构＞第一光发射结构＞第三光发射结构。在这个实施例中，考虑光向单晶衬底1201的传播方向，即光的吸收方向。如上所述，第三光发射结构发射的光被第一和第二光发射结构吸收。然而，光在吸收方向上进行传播，除了被上述的吸收外，没有被另外吸收。这样就能很容易地设计一种光发射结构，获得所期望的发射光。
在下面将描述图12所示的一种制造半导体发光器件的方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源。使用氮气作为一个载流子气体，将生长压力设置到大气压力。
首先，将衬底温度设定到1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底1101的表面清洁。接着，将这个表面在氨气环境下氮化。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成GaN缓冲层1202。在这种GaN材料的生长过程中，使用三乙基镓(TEG)作为一个镓源，TEG有一个相对低的气压，适合于供应少量的镓元素，在550℃下易于分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。
随后，在1050℃时，将这个单晶衬底1201退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层1202。在缓冲层1202上生长一个GnN晶体，并形成晶体层1203。接着，将单晶衬底1101的温度设定到1020℃，在覆层1204上生长Al0.1Ga0.9N。使用三甲基铝(TMA)作为一个铝源，使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压。
随后，通过连续的晶体生长(有机金属气相外延附生)，形成阻挡层1205，下激活层1206，阻挡层1207，中间激活层1208，阻挡层1209，电极层1210，阻挡层1211，上激活层1212，阻挡层1213，覆层1214和接触层。在这些含有铟元素的层的生长过程中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度设定在500℃。使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。使用TEG作为这些含有In元素的层的生长过程中的一个镓源。这是因为TEG在低温下就能分解，并有一个相对低的气压，因而与TMG相比，更适合于晶体层上的成分控制。
在这例子中，在每个含有In元素的层的生长过程中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的合金层，将作为氮源的氨的量与III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III设定在660,000。在这种含有In元素的层的生长过程中，氮气既用作一个TMI载流气体，又用作一个气泡气体。这是因为用氢气作为一种载流气体或类似的气体将会抑制氨的分解(参考文献5)。
将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在形成覆层1214和接触层1215之后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟的退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层1215上，形成由SiO2制成的限流绝缘层1216，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层1216上形成一个开口窗。在这个限流绝缘层1216上形成一个开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层1216上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的钯层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极1217。使用一种发射技术将这个金属层定形。
通过已知的光刻技术和蚀刻技术蚀刻，将阻挡层1211和电极层1210部分地从限流绝缘层1216上移走，露出部分电极层1210。在这个露出部分形成N型电极1218。例如，使用氯气作为一种蚀刻气体，通过离子反应蚀刻技术，能够蚀刻从接触层1215到阻挡层1211范围内的晶体层。在电极层1210的暴露区上，通过依次堆叠一个50nm厚的钛层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层形成一个N型金属电极1218，并通过已知的发射技术将这个合成多层结构定形。
在通过以上步骤，将P型金属电极1217和N型金属电极1218形成后，对单晶衬底1201的下表面进行抛光，用于将单晶衬底1201磨薄，从原有厚度450μm磨薄至200μm。将下表面进行镜面加工。在将单晶衬底1201的下表面的镜面加工完成之后，清洁这个合成结构，并使用钻石刀将这个单晶衬底1201切割成预定尺寸。由此得到一个器件。将这个器件的尺寸作成大约500μm2。
当在这个合成器件上输入一个电流时，P型金属电极1217作为正极，N型金属电极1218作为负极，能够观测到从单晶衬底1201的下表面上发出的带有蓝色的白光。如上所述，通过这个实施例得到的发射光是蓝白光。然而，通过适当地控制形成激活层的晶体层的成分和激活层的厚度，就能够获得带有所期望的性能的发射颜色。
通过适当地调整形成各个激活层的晶体成分和激活层的厚度，并设定各个层的发射颜色，即使用一种只有二个激活层通过一个阻挡层彼此堆叠在一起的半导体发光器件，也能够获得接近白色的发射光。(第六个实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图12所示，根据另一个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。这个半导体发光器件是由在同一个单晶衬底形成的三个发光器件组成的。图13显示了一个沿晶体生长的薄膜厚度方向的器件横向截面图。
这个半导体发光器件包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1301的表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1302和一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层1303。注意，这层单晶衬底1301不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在电极层1303上，形成一层由掺有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1304，一个区域A(第一发光部分)，一个区域B(第二发光部分)和一个区域C(第三发光部分)。如下所述，上面的结构对于区域A、B和C是共同的，但是，对于它们的发光区域是不同的。首先，这个区域A包括，在覆层1304上，一层由掺有Si元素的N型Al1-XAGaXAN材料制成的dA-nm厚的阻挡层1305a，一层由Al1-YAGaYAN材料制成的激活层1306a和一层由Al1-XAGaXAN材料制成的阻挡层1307a。这个区域B包括，在覆层1304上，一层由掺有Si元素的N型Al1-XBGaXBN材料制成的dB-nm厚的阻挡层1305b，一层由Al1-YBGaYBN材料制成的激活层1306b和一层由Al1-XBGaXBN材料制成的阻挡层1307b。这个区域C包括，在覆层1304上，一层由掺有Si元素的N型Al1-XCGaXCN材料制成的dC-nm厚的阻挡层1305c，一层由Al1-YCGaYCN材料制成的激活层1306c和一层由Al1-XCGaXCN材料制成的阻挡层1307c。
另外，在相对应的阻挡层1307a、1307b和1307c中的每一个上，区域A、B和C中的每一个都包括一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1308和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1309。注意，通过In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)中，Y＝0，举例说明形成每个层的InGaN材料。
这个限流绝缘层1310是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗，用于限制在区域A、B和C上共同形成的电流注入区。在限流绝缘层上形成一个P型金属电极1311，这个金属电极1311通过开口窗与各个阻挡层1307a、1307b和1307c分别接触。这个P型金属电极1311有一个多层结构，这个多层结构由一层50nm厚的镍层和一层200nm厚的金层组成。
注意，N型金属电极1312是在电极层1303的一个除区域A、B和C外的区域上形成的。N型金属电极1312有一个多层结构，这个多层结构由一层50nm厚的铝层和一层200nm厚的金层组成。
在这个实施例中，每个激活层都是由含有少量镓元素的InN和InGaN材料形成的。在各个区域A、B和C中，控制激活层和阻挡层的成分与激活层的厚度，使它们彼此不相同。这样就可能得到一直期望的光发射颜色。注意，设定每个阻挡层的带隙能量，使之高于一个相应的激活层的带隙能量。
用InN材料作激活层，与用InGaN材料作激活层相比，能够极大地提高了衬底上的再现性和平面内一直性。这是因为在生长过程中的气相和固相之间，InN薄膜材料成分有很大的不同。
图9显示了一个InGaN材料的成分控制的结果。如图9所示，在InGaN的生长过程中，在一个500℃的生长温度(衬底温度)下，气相与固相的成分比率近似于一种线性关系。注意，在图6所示的一个非固溶区外的区域内，选择InGaN的组成成分。然而，在一个800℃的生长温度下，气相与固相的成分比率在一个区域内变成非线性，在这个区域内，铟元素(TMI)的固相成分比是很高的。如这个图所示，在有机金属气相外延附生上，当生长温度增加时，生长过程中的InGaN薄膜的铟元素量降低。这是因为InN材料的氮平衡蒸气压比GaN材料的氮平衡蒸气压高5个数量级。
如上所述，与InGaN材料相比，用InN材料作激活层消除了成分控制的必要性，并能够确保一个生长过程的再现性和可结晶的一直性。另外，由于在理论上，相分离没有发生，因此能够得到成分均匀的层。
根据上述的这个实施例，在这个半导体发光器件中，从单晶衬底1301的下表面出现的光用作一个输出光。在这个例子中，在区域A、B和C中，一直将限流绝缘层1310的开口部分的直径设定为20μm。为了获得具有所期望的颜色的输出光，可以改变每个区域内的开口的直径。另外，在图13所示的半导体发光器件中，区域A、B和C被排列成一条直线。然而，很明显，可以将它们以任意方式排列。
在这个实施例中，将共用P型金属电极连接到区域A、B和C上。然而，可以将P型金属电极分别装在各个区域。另外，这个实施例已经举例说明了在其内形成三个区域的情况。然而，也可以在一个单独的衬底上形成四个或更多个区域，以获得更高的光能。在这个例子中，许多个区域的结合，每个区域都由如图13所示的那种三个区域组成，并且，都可以安装在一个单独的衬底上。作为另一种选择，有不同结构的区域也可以安装在同一个衬底上。这种结构能够扩大从半导体发光器件得到的光能的颜色范围，提高光的能量。另外，多个区域结合中，每个都由分别发射红、绿和蓝光束的区域组成，并以一种矩阵的方式排列形成一个显示图。
如上所述，在图13所示的半导体发光器件中，由于都包括激活层的多个发光部分作为一个整体，形成在一个单独的衬底上，没有必要准备一些用于三色光发射的离散的器件芯片。不需要特殊的生产装置和生产方法，并且也不需要复杂的调整。因此，根据图13所示的半导体发光器件，能够提供一种低造价的器件。
另外，根据图13所示的半导体发光器件，由于相对于以前的技术，可以在一个更小的区域内形成每个器件，能够在一个单一衬底上，同时形成多个器件。因此，当通过切割得到半导体发光器件芯片时，就可以获得更多的芯片。在这一点上，由于所谓的体积效率，致使可以提供低造价的器件。另外，由于能够形成薄器件，因此可以将它们安装在更小的设备上。
在下面将描述一种在图13中的半导体发光器件的制造方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源。使用氮气作为一个载流气体。将生长压力设置到大气压力。
首先，将衬底温度设定到1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底1301的表面氮化。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成GaN缓冲层1302。在这种GaN材料的生长过程中，使用三乙基镓(TEG)作为一个镓源，TEG有一个相对低的气压，适合于供应少量的镓元素，在550℃下易于分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。
随后，在1050℃时，将这个单晶衬底1301退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层1102。接着，将单晶衬底1301的温度设定到1020℃，并且生长掺杂Si元素的N型GaN以形成电极层1303。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。注意，相同源的元素用于每层生长过程的Si掺杂(将在后面说明)。
接着，在除区域A外的区域上，覆盖一层氧化硅薄膜，在电极层1303暴露在区域A上的那一部分上，生长一层掺有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1304。上面的硅氧化膜作为一个选择性的生长掩膜。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的气相生长的铝源。使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压。在区域A的覆层1304上，通过连续的晶体生长(有机金属气相外延附生)，顺序生长成掺有Si元素的N型Al1-XAGaXAN材料，Al1-YBGaYBN材料和Al1-XAGaXAN材料，以形成阻挡层1305a，激活层1306a和阻挡层1307a。
在形成阻挡层1307a之后，生长掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1308。在覆层1308上，生长掺有Mg元素的P型GaN材料，形成接触层1309。使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的可控性和再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在这些含有铟元素的层的生长过程中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度设定在500℃。使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。使用TEG作为这些含有In元素的层的生长过程中的一个镓源。这是因为TEG在低温下就能分解，并有一个相对低的气压，因而与TMG相比，更适合于晶体层上的成分控制。
在这个例子中，在这些含有铟元素的层的生长过程中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的合金层，将作为氮源的氨的量与III族元素(TMI+TMA+TEG)的比率V/III设定在660,000。在这种含有In元素的层的生长过程中，氮气既用作一个TMI载流气体，又用作一个气泡气体。这是因为用氢气作为一种载流气体或类似的气体将会抑制氨的分解(参考文献5)。上面的描述同样适用于区域B和C(将在下面描述)。
生长硅氧化膜作为一个可选择的生长掩膜，用于覆盖除区域A外的区域，例如，可以通过使用一种氢氟酸溶液。因此，形成一个由氧化硅制成的可选择的掩膜，用于覆盖除区域B外的区域。在电极层1303暴露在区域B上的那一部分上，生长一层掺有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1304。通过连续的晶体生长，顺序生长成掺有Si元素的N型Al1-XBGaXBN材料，Al1-YBGaYBN材料和Al1-XBGaXBN材料，以形成阻挡层1305b，激活层1306b和阻挡层1307b。在形成阻挡层1307b之后，生长掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1308。在覆层1308上，生长掺有Mg元素的P型GaN材料，形成接触层1309。
这个可选择的掩膜用于覆盖除区域B外的区域，并将这个掩膜移去，并形成一个可选择的掩膜，用于覆盖除区域C外的区域。因此，以上述同样的方式，在电极层1303暴露在区域C上的那一部分上，生长一层掺有Si元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1304。在区域C的电极层1303上，通过连续的晶体生长，顺序生长成掺有Si元素的N型Al1-XCGaXCN材料，Al1-YCGaYCN材料和Al1-XCGaXCN材料，以形成阻挡层1305c，激活层1306c和阻挡层1307c。在形成阻挡层1307b之后，生长一层掺有Mg元素的Al0.1Ga0.9N材料，以形成覆层1308，并且在这个覆层上，生长掺有Mg元素的GaN材料，以形成接触层1309。
随后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟的退火，以激活掺杂在区域A、B和C中的覆层1308和接触层1309内的Mg元素。通过使用一个RF磁电管溅射装置，在区域A、B和C中的接触层1309上，形成由SiO2制成的限流绝缘层1310，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，处理限流绝缘层1310，并在其上分别形成一个用于区域A、B和C的开口窗。
在这个限流绝缘层1310上形成开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层1310上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的钯层，一个30nm厚的铂层，和一个200nm厚的金层，因此形成了一个遍及区域A、B和C的P型金属电极1311。使用一种发射技术将这个金属层定形。
在除了区域A、B和C的电极层1303的露出的表面上，形成N型金属电极1312。在电极层1303的暴露表面上，通过依次堆叠一个50nm厚的铝层和一个200nm厚的金层，形成了N型金属电极1312，并通过已知的光刻技术和蚀刻技术，将这个合成多层结构定形。
通过使用图13所示的层结构，也能获得一个半导体激光器腔。图13显示了半导体激光器腔的出口端面。在这个例子中，在限流绝缘层1310上形成一个宽度为1.5μm的凹槽，这个凹槽沿图13的引上表面的正交垂直方向延伸，致使到达区域A、B和C的两端。沿每个凹槽的方向形成P型金属电极1311。注意，区域A、B和C是以20μm的间隔排列。通过劈开的方式，形成图13所示的这个出口端面，并且吸取一个来自图13的引上表面的正交垂直方向上的这个出口端面的光输出。(第七个实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图14A和14B所示，根据这个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。将例示说明一个LED(发光器件)。图14A和14B所示的LED包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1401的表面上，单晶衬底1401有两个表面，即被磨成镜面的上表面和下表面一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1402，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层1403，和一层由掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1404。注意，这层单晶衬底1401不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层1404上，形成图14B所示的激活层1405。激活层1405有一个结构，在这个结构里，多个由InN材料制成的岛状部分1405a排列在同一个平面上。例如，形成每个岛状部分1405a并使之具有一个约10nm的直径和一个约3nm的高度。通过设定每个岛状部分1405a的尺寸，使之等于或小于以这种方式的电子波动函数的范围，就能够得到一种量子效应。基于激活层1405上的半导体发光器件的发射波长几乎是由岛状部分1405a的尺寸决定的。注意，每个岛状部分1405a的尺寸并不限于等于或小于电子波动函数的范围，也可能大于这个范围。虽然图14B显示了这些有半圆球形状的岛状部分1405a，本发明并不限于这种情况。例如，这些岛状部分1405a也可以有一个圆柱、菱形、金字塔或圆锥形状。另外，参照图14B，岛状部分1405a都是以相等的间距排列。然而，本发明并不限于这种情况，岛状部分1405a也可以以不相等的间距排列。另外，也可以形成岛状部分1405a，使之彼此完全隔离或通过形成岛状部分1405a的InN薄膜彼此连接。注意，形成各个岛状部分1405a，使之具有几乎相同的尺寸，以接受从这个器件上发射的宽光谱范围的光，岛状部分1405a的尺寸可以不同。
以上述方式，由多个岛状部分1405a形成激活层1405，在激活层1405上覆盖一层不掺杂质的GaN材料制成的10nm厚的生长盖层(阻挡层)1406。
在生长盖层1406上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1407和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1408。在接触层1408上形成一层限流绝缘层1409，这个限流绝缘层1409是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗，用以限制电流注入区。
在限流绝缘层1409上形成一个P型金属电极1410，这个金属电极1410通过开口窗与接触层1408接触。这个P型金属电极1410有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层1408接触的50nm厚的镍层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。注意，这个电极层1403有一个暴露区，这个暴露区是通过部分蚀刻在其上的金属层和晶体层，在电极层1403上形成的。并且一个N型金属电极1411位于该暴露区内。这个N型金属电极1411也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的铝层和一层200nm厚的金层组成。
将在下面描述根据图14A和14B所示的这个实施例的一种制造半导体发光器件的方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源。使用氮气作为一个载流气体。将生长压力设置到大气压力。
首先，将衬底温度设定到1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底1401的表面氮化。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成GaN缓冲层1402。在这种GaN材料的生长过程中，使用三乙基镓(TEG)作为一个镓源，TEG有一个相对低的气压，适合于供应少量的镓元素，在550℃下易于分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。随后，在1050℃时，将这个单晶衬底1401退火9分钟，在一个单晶上形成缓冲层1402。
接着，将单晶衬底1401的温度设定到1020℃，并且顺序生长掺杂Si元素的N型GaN材料和掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料，以形成电极层1403和覆层1404。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的气相生长的铝源。使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。
接着，在覆层1404上，以岛状的方式生长InN材料，形成激活层1405，激活层1405由多个岛状部分1405a组成。在形成岛状部分1405a的过程中，首先，在覆层1404上，以一种薄膜或类似薄膜的形态生长InN材料。在InN材料的生长中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度设定在500℃。另外，在气相生长中，使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。在这个生长过程中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的InN材料，将氨的量与TMI的比率V/III设定在660,000。氮气既用作一种载流气体，又用作一个气泡气体。这是因为用氢气将会抑制氨的分解。
在按照上述方式以一种薄膜的形式生长形成InN材料之后，在氮气环境中，将这层薄膜加热至700℃，并保持20分钟。通过这种加热，将InN薄膜形成多个岛状1405a。
岛状1405a也可以以下列方式形成。通过阻止金属铟的参与，使用上述气源生长高质量的InN材料，并且调整V/III比率、生长温度和生长速度，以促进在底层上所吸收铟原子的移动，因此，以岛状形态生长InN。
为了抑制对激活层1405的蚀刻和该层的可结晶性的破坏，接着，通过使用一种氮载流气体，以与InN相同的温度生长GaN，形成用于覆盖岛状部分1405a的生长盖层1406。对于多个由InN材料制成的岛状部分1405a，生长盖层1406就变成了阻挡层。
在形成生长盖层1406之后，将衬底温度升高到1020℃，以提高生长盖层1406的质量。随后，掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和掺杂Mg元素的P型GaN依次生长，形成覆层1407和接触层1408。使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的可控性和再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在形成覆层1407和接触层1408之后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟的退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。
在形成了如上所述的晶体层之后，通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层1408上，形成由SiO2制成的限流绝缘层1409，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层1409上形成一个开口窗。
在这个限流绝缘层1409上形成一个开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层1409上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的镍层和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极1410的金属层。此后，通过已知的光刻技术，在金属层上形成一种基于酚醛树脂的正向光致抗蚀剂模型，通过使用这个模型作为一个掩膜，对底层进行蚀刻，在电极层1403上形成一个暴露区。在这种蚀刻中，例如，通过离子反应蚀刻技术，使用氯气进行晶体层蚀刻。
在蚀刻形成上述暴露区之后，移去这个光致抗蚀剂掩膜，清洁单晶衬底1401以及在其上形成的结构，在电极层1403的暴露区上，依次沉淀形成一个50nm厚的铝层和一个20nm厚的金层，将这个合成结构定形，并形成N型金属电极1411。
通过以上步骤，直到N型金属电极1411形成后，就完成了这个制造过程，清洁这个合成结构，使用一种钻石刀，将单晶衬底按照预定尺寸切割，最后，就得到了一个器件。当将一个预定的电流输入到这个得到的器件上并使之工作时，就获得单晶衬底1401的下表面上的发射光。
如上所述，在这个实施例中，激活层1405是由多个以岛状形式彼此隔离的岛状部分1405a构成。换句话说，激活层1405是由离散的量子阱层的一个聚和体或多个聚在一起的量子点组成。在有这种结构的半导体发光器件上，发射波长的变化依赖于每个岛状部分1405a的形状与一个用于覆盖岛状部分1405a的层(生长盖层1406)的成分和厚度。这是因为形成岛状部分1405a的InN材料的带隙的变化依赖于立体施加在由InN材料制成的岛状部分1405a的一个压力(流体静压)。
与基于InGaAsN的材料相比，基于InGaAlN的材料，如InN材料，在一个大范围内，其晶格常数是不同的，因此，通过使用一层有可改变成分的层覆盖岛状部分1405a，能够很容易地将一个高流体静压施加到岛状部分1405a上。与基于InGaAsN的材料相比，使用基于InGaAlN的材料能够极大地改变岛状部分1405a的带隙能量。
由于通过这种方式，可以极大地改变带隙能量，根据图14A和14B所示的这个实施例中的半导体发光器件，能够获得发射光，其波长范围为从InN材料的带隙波长1.6μm至紫外光区。
即使岛状部分1405a是由另一种基于InGaAlN的材料制成的，如InGaN材料，也能够获得一个类似于上述的效果。与InN材料相比，使用In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)形成的岛状部分1405a有更大的带隙，通过设计，可以得到一个能发出更短波长的光的半导体发光器件。
与InGaN材料相比，当通过使用InN材料形成岛状部分1405a时，能够获得在岛状部分1405a的制造上的再现性和一直性。其原因如下所述。原因1在一种除InN外的材料气相生长中，例如，InGaN材料，与固相相比，在气相中的每个元素的成分有极大的不同。
如图9所示，通过改变三甲基铟(TMI)与三乙基镓(TEG)和TMI的总量之比(TMI/(TMI+TEG))，增加了TMI的供应量，增加了在InGaN中的铟的比例。
这种气相/固相关系在500℃的生长温度下接近线性。然而，当将生长温度升高到800℃并且生长具有高铟元素成分含量的InGaN时，这种气相/固相关系就变成非线性。另外，随着温度的升高，所进入的铟元素的含量降低，这是因为InN材料的氮平衡蒸气压比GaN材料的氮平衡蒸气压高5个数量级。原因2如图6所示，在InGaN这个例子中，经常发生相分离。如图6所示，在一个热平衡条件下，有一个不能生长的成分区，即一个发生相分离的宽区域。然而，由于InN是一个二元化合物，没有发生如上述的相分离。使用InN材料能够获得在岛状部分1405a的制造上的高再现性和一直性。原因3
在覆层1404上的In原子和Ga原子之间的吸收率和移动率的差异也是一个很大的因素。参照图14A，从一个有多个岛状部分1405a的层上形成激活层1405。然而，本发明并不限于这种情况，通过生长盖层1406，堆叠多个层形成激活层1405，多个层中的每层都是由多个岛状部分1405a构成的。(第八实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图15所示，根据这个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。这个半导体发光器件是一个有着3个发光层的白光发射二极管。如图15所示，沿晶体生长的厚度方向，这个器件的横截面图。
这个发光器件包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1501的表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1502和一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层1503。注意，这层单晶衬底1501不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在电极层1503上，形成了下面的层一层由掺有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻挡层1504，一层由InXGa1-XN材料制成的作为一个量子阱的下激活层1505，一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1506，一层由InYGa1-YN材料制成的作为一个量子阱的中间激活层1507，和一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1508。注意，在下激活层1505和中间激活层1507中，X＜Y。可以形成阻挡层1506和1508，作为掺杂有比其余层更少量的Si元素的N型层。
在阻挡层1508上形成一个上激活层1509，多个由InN材料制成的岛状部分排列在同一个平面内，并形成一个层，由这个层形成上激活层1509。
例如，正如如图14B所示的岛状部分1405a一样，形成上激活层1509的每个岛状部分都有一个约10nm的直径和一个3nm的高度。通过设定每个岛状部分1405a的尺寸，使之等于或小于以这种方式的电子波动函数的范围，能够得到一种量子效应。基于激活层1509上的半导体发光器件的发射波长几乎是由每个岛状部分的尺寸决定的。注意，每个岛状部分的尺寸并不限于等于或小于电子波动函数的范围，也可能大于这个范围。
注意，每个岛状部分1405a的形状并不限于一个半圆球形状。例如，这些岛状部分也可以有一个圆柱、菱形、金字塔或圆锥形状。另外，岛状部分可以以相等的间距排列，也可以以不相等的间距排列。另外，也可以形成岛状部分，使之彼此完全隔离或通过形成岛状部分的InN薄膜彼此连接。注意，形成各个岛状部分，并使之具有几乎相同的尺寸。
以上述方式，形成多个岛状部分，再由多个岛状部分形成激活层1509，在激活层1509上覆盖一层掺杂有Mg的InGaAlN材料制成的0.5μm厚的阻挡层1510。在阻挡层1510上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1511和一层由掺有Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1511。
在接触层1512上形成一层限流绝缘层1513，这个限流绝缘层1513是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗。在限流绝缘层1513上形成一个P型金属电极1514，这个金属电极1514通过开口窗与接触层1512接触。虽然未画出，这个P型金属电极1514有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层1512接触的50nm厚的钯层，一层在其上形成的20nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。
注意，这个电极层1503有一个暴露区，这个暴露区是通过部分蚀刻在其上的晶体层形成的，并且有一个N型金属电极1515位于该暴露区内。虽然未画出，这个N型金属电极1515也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的钛层，一层20nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。通过使用与如图14所示实施例的半导体发光器件制造方法相同的方法，可以制造出上述半导体发光器件。
根据这个有上述结构的实施例，在这个半导体发光器件上，通过阻挡层1504和下激活层1506和阻挡层1506形成第一光发射结构；通过阻挡层1506，中间激活层1507和阻挡层1508形成第二光发射结构；和通过阻挡层1508，上激活层1509和阻挡层1510形成第三光发射结构。
通过下面所述的方式，控制各自激活层的组成成分和厚度，确定各自光发射结构的发射波长，致使第一光发射结构具有最短的发射波长，第三光发射结构具有最长的发射波长。那就是说，光发射结构越靠近单晶衬底1501，振荡波长就变得越短(带隙就变得越大)。因此，第三光发射结构发射的光从单晶衬底1501的下表面上出现，没有被第一和第二光发射结构吸收。
第二光发射结构发射的光，经过在第一光发射结构旁边，从单晶衬底1501的下表面上出现，没有被第一光发射结构吸收。第二光发射结构发射的光经过在第三光发射结构旁边，并被第三光发射结构部分吸收。第三光发射结构部分吸收的光激发第三光发射结构部分，并使之发光。这就是说，第二光发射结构发射的光别第三光发射结构部分吸收，并将其转换成另一种光，其波长等于第三光发射结构上发射光的波长。从单晶衬底1501的下表面上出现的光没有被第一和第二发射结构吸收。
第一光发射结构发射的，并经过单晶衬底1501的下表面上的部分光直接从单晶衬底1501的下表面出现。第一光发射结构发射的，经过第二或第三光发射结构的部分光被每个发射结构吸收，并转换成其波长等于从每个发射结构上发射波长的光。如上所述，所转换的光就像从每个相应的光发射结构发射出的，并从单晶衬底1501的下表面出现。在考虑了有关光吸收方向上的位置关系，通过设计各个光发射机构的堆叠顺序，能够产生高效率、低损耗的光发射。注意，在各个光发射结构中的发射波长的关系并不限于上述情况。例如，第二光发射结构可以有最长的发射波长。
当在这个合成器件上输入一个电流时，P型金属电极1514作为正极，N型金属电极1515作为负极，能够观测到从单晶衬底1501的下表面上发出的带有蓝色的白光。通过控制每个激活层的结构因素，即每个层的成分和激活层的厚度，每个岛状部分的直径，和每个区域附近的晶体层(阻挡层)的成分和厚度，就能够从这个半导体发光器件上获得期望的发射光的颜色。
在图15中的这个半导体发光器件中，这三个激活层通过阻挡层彼此堆叠在一起。然而，本发明不只限于这种情况。通过适当地调整形成各个激活层的晶体成分和激活层的厚度，并设定各个层的光发射颜色，即使用一种只有二个激活层通过一个阻挡层彼此堆叠在一起的半导体发光器件，也能够获得接近白色的发射光。
另外，下激活层1505或中间激活层1507都可以通过多个由InGaN或InN材料制成的岛状部分构成。
根据如图15所示的半导体发光器件，就像如图11所示的半导体发光器件一样，没有必要为三色光发射准备单独的器件芯片。不需要特殊的生产装置和生产方法，并且也不需要复杂的调整。因此，根据图15所示的半导体发光器件，能够提供一种低造价的器件。
另外，根据图15所示的半导体发光器件，由于相对于以前的技术，现在可以在一个更小的区域内形成每个器件，能够在一个单一衬底上，同时形成多个器件。因此，当通过切割得到半导体发光器件芯片时，就可以获得更多的芯片。在这一点上，由于所谓的体积效率，因此可以提供低造价的器件。另外，由于能够形成薄器件，因此可以将它们安装在更小的设备上。(第九实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图16所示，根据这个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。这个半导体发光器件是一个有着3个发光层的白光发射二极管。如图16所示，沿晶体生长的厚度方向的这个器件的横截面图。
这个发光器件包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1601的表面上一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1602和一层由GaN材料制成的1μm厚的半导体层1603。注意，这层单晶衬底1601不只限于兰宝石材料，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在半导体层1603上，形成了下面的层一层由AlGaN制成的1μm厚的覆层1604，一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1605，和一个下激活层1606，多个由InN材料制成的岛状部分排列在同一个平面内，并形成一个层，由这个层形成下激活层1606。例如，就像图14B所示的岛状部分1405a一样，形成下激活层1606的每个岛状部分具有一个约10nm的直径和一个约3nm的高度。通过设定每个岛状部分1405a的尺寸，使之等于或小于以这种方式的电子波动函数的范围，能够得到一种量子效应。对于基于下激活层1606上的半导体发光器件，其发射波长几乎是由岛状部分的尺寸决定的。注意，每个岛状部分1405a的尺寸并不限于等于或小于电子波动函数的范围，也可能大于这个范围。
注意，每个岛状部分的形状并不限于一个半圆球形状。例如，这些岛状部分也可以有一个圆柱、菱形、金字塔或圆锥形状。另外，岛状部分可以以相等的间距排列，也可以以不相等的间距排列。另外，也可以形成岛状部分，使之彼此完全隔离或通过形成岛状部分的InN薄膜彼此连接。注意，形成各个岛状部分，并使之具有几乎相同的尺寸。
以上述方式，形成多个岛状部分，再由多个岛状部分形成下激活层1606，在下激活层1606上覆盖一层由InGaAlN材料制成的阻挡层1607。在阻挡层1607上，形成一层由InYGa1-yN材料制成的并作为一个量子阱中间激活层1608和一层由InGaAlN材料制成的接触层1609。
在阻挡层1609上，形成一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的电极层1610。在电极层1610上，形成一层由掺杂有Si元素的N型InGaAlN材料制成的阻挡层1611。在阻挡层1611上，形成一层由InXGa1-XN材料制成的，并作为一个量子阱的上激活层1612。注意，在中间激活层1608和上激活层1612上，X＜Y。
在上激活层1612上，形成由一层掺杂有Mg的InGaAlN材料制成的0.5μm厚的阻挡层1613。在阻挡层1613上，形成一层由掺有Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1614和一层由掺杂有Mg的GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1615。
在接触层1615上，形成一层限流绝缘层1616，这个限流绝缘层1616是由SiO2材料制成，并带有一个直径约为20μm的环行开口窗。在限流绝缘层1616上形成一个P型金属电极1617，这个金属电极1617通过开口窗与接触层1615接触。虽然未画出，这个P型金属电极1617有一个多层结构，这个多层结构由一层直接与接触层1615接触的50nm厚的钯层，一层在其上形成的30nm厚的铂层和一层在其上形成的200nm厚的金层组成。
注意，这个电极层1610有一个暴露区，这个暴露区是通过部分蚀刻各个层形成的，并且一个N型金属电极1618位于该暴露区内。虽然未画出，这个N型金属电极1618也有一个多层结构，这个多层结构由一层直接接触暴露区的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层组成。通过使用与如图14A所示实施例的半导体发光器件制造方法相同的方法，可以制造出上述半导体发光器件。
根据这个有上述结构的实施例，在这个半导体发光器件上，通过阻挡层1605和下激活层1606和阻挡层1607形成第一光发射结构；通过阻挡层1607，中间激活层1608和阻挡层1609形成第二光发射结构；和通过阻挡层1611，上激活层1612和阻挡层1613形成第三光发射结构。
通过控制各自激活层的组成成分和厚度，确定各自光发射结构的发射波长，致使第一光发射结构具有最长的发射波长，并且第三光发射结构具有最短的发射波长。那就是说，光发射结构越远离单晶衬底1601，发射波长就变得越短(带隙就变得越大)。因此，在电流注入时，第三光发射结构发射的光部分地被第一和第二光发射结构吸收，没有被吸收的剩余部分光从单晶衬底1601的下表面上出现。
第三光发射结构发射的，由第二光发射结构部分吸收的部分光激发第三光发射结构部分。其结果是，产生了一种第二光发射结构独有的波长的发射光。第二光发射结构发射的部分光被第一光发射结构吸收，没有被第一光发射结构吸收的剩余部分光从单晶衬底1601的下表面上出现。最后，第一光发射结构吸收了第三光发射结构发射的光。所吸收的光激发第一光发射结构，并使之产生一种第一光发射结构独有波长的发射光。这部分光也从单晶衬底1601的下表面上出现。
如上所述，在图16中的这个半导体发光器件中，在考虑了有关单晶衬底1601作为一个光吸收窗的位置关系，通过设计第一到第三光发射机构的堆叠顺序，能够产生高效率、低损耗的白光发射。通过对第一到第三光发射结构适当地设计，能够获得宽波长范围的发射光，其波长范围包括了红外光、可见光和紫外光。注意，在各个光发射结构中的发射波长的关系并不限于上述情况。例如，第二光发射结构可以有最长的发射波长。
例如，当在这个合成器件上输入一个电流时，P型金属电极1617作为正极，N型金属电极1618作为负极，能够观测到从单晶衬底1601的下表面上发出的带有蓝色的白光。通过控制每个激活层的结构因素，即每个层的成分和激活层的厚度，每个岛状部分的直径，和每个区域附近的晶体层(阻挡层)的成分和厚度，就能够从这个半导体发光器件上获得期望的发射光的颜色。
在图16中的这个半导体发光器件中，这三个激活层通过阻挡层彼此堆叠在一起。然而，本发明不只限于这种情况。通过适当地调整形成各个各个层的晶体成分和各层的厚度，并设定各个层的光发射颜色，即使用一种只有二个激活层通过一个阻挡层彼此堆叠在一起的半导体发光器件，也能够获得接近白色的发射光。
另外，中间激活层1608和上激活层1612都可以通过多个由InGaN或InN材料制成的岛状部分构成。
将在下面描述一种制造方法。一种有机金属气相外延附生的设备有一个垂直型反应器，该设备用于形成每个晶体层的晶体生长。使用氨作为一个氮源，注意，除非特别规定都使用氢气作为一个载流子气体，将生长压力设定在大气压力。
首先，将衬底温度设定在1050℃，在氨气中，将这个由兰宝石制成的单晶衬底1601的表面氮化。随后，将衬底温度设定到550℃，通过生长GaN材料，形成缓冲层1602。在这种GaN材料的生长中，将三甲基镓(TMG)用作作为一个镓源，TEG的优点在于具有一个低气压，适合于供应少量的Ga，在550℃的低温下很容易分解，并且无需炭元素的参与，炭通常是进入生长层中的一个源组成元素。随后，在1050℃时，将这个单晶衬底1601退火9分钟，形成一层溶入单晶衬底的缓冲层1602。
随后，将单晶衬底的温度设定到1020℃，GaN和Al0.1Ga0.9N依次生长，形成半导体层1603和覆层1604。使用三甲基铝(TMA)作为这些层的气相生长的一个铝源，使用三甲基镓(TMG)作为一个镓源，TMG有一个相对高的气压。
在覆层1604上，顺序生长InGaAlN，InXGa1-XN，InYGa1-YN，InGaAlN，掺有Si元素的N型GaN，和掺有Si元素的N型InGaAlN材料，以形成阻挡层1605，下激活层1606，阻挡层1607，中间激活层1608，阻挡层1609电极层1610和阻挡层1611。
在形成下激活层1606时，以岛状形式生成InN材料，以形成多个岛状部分。在形成岛状部分中，首先，在覆层1605上，以一种薄膜或类似薄膜的形态生长InN材料。在InN材料的生长中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度设定在500℃。另外，在气相生长中，使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。在这个生长过程中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的InN材料，将氨的量与TMI的比率V/III设定在660,000。氮气既用作一种载流气体，又用作一个气泡气体。
在按照上述方式以一种薄膜的形式生长形成InN材料之后，在氮气环境中，将这层薄膜加热至700℃，并保持20分钟。通过这种加热，将InN薄膜形成多个岛状部分。
在这些含有铟元素的每个层的晶体生长过程中，由于InN固相上的氮气平衡蒸气压很高，因此，将生长温度(衬底温度)设定在500℃。使用三甲基铟(TMI)作为一个铟源。使用TEG作为这些含有In元素的层的生长过程中的一个镓源。这是因为TEG在低温下易于分解，并有一个相对低的气压，因而与TMG相比，TEG更适合于晶体层上的成分控制。
在上述每个层的晶体生长中，为了通过阻止金属铟的参与，生长出高质量的合金层，将作为氮源的氨的量与(TMI+TMA+TEG)的比率，即V/III设定在660,000。氮气既用作一个TMI载流气体，又用作一个气泡气体。这是因为用氢气作为一种载流气体或类似的气体将会抑制氨的分解(参考文献7)。将经过氢气稀释并具有1ppm的浓度的硅烷(SiH4)气用于对每个层掺杂硅元素。
接着，在阻挡层1611上形成上激活层1612。在上激活层1612上生长掺有Mg元素的P型InGaN材料，以形成阻挡层1613，以至于能够覆盖岛状部分。
在形成阻挡层1613之后，掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N和掺杂Mg元素的P型GaN依次生长，形成覆层1614，和接触层1615。使用bis(甲基环戊二烯合)镁作为镁(Mg)掺杂的一个源体。这个源体是一个液态源，该液态源在Mg掺杂浓度的可控性和再现性上优于通常用作固态源的bis(环戊二烯合)镁。
在形成阻挡层1613，覆层1614和接触层1615之后，在700℃的氮气环境里，对这个合成结构进行30分钟的退火，以激活掺杂在这些层内的Mg元素。
在形成上述各个晶体层之后，通过使用一个RF磁电管溅射装置，在接触层1615上，形成由SiO2制成的限流绝缘层1616，并且通过已知的光刻技术和蚀刻技术，在限流绝缘层1616上形成一个开口窗。
在这个限流绝缘层1616上形成一个开口窗之后，通过使用电子束沉淀装置，在这个带有开口窗的限流绝缘层1616上，依次沉淀堆叠形成一个50nm厚的镍层和一个200nm厚的金层，因此形成了一个作为P型金属电极1617的金属层。此后，通过已知的光刻技术，在金属层上形成一种基于酚醛树脂的正向光致抗蚀剂模型，通过使用这个模型作为一个掩膜，对底层进行蚀刻，在电极层1610上形成一个暴露区。在这种蚀刻中，例如，通过离子反应蚀刻技术，使用氯气进行晶体层蚀刻。
在蚀刻形成上述暴露区之后，移去这个光致抗蚀剂掩膜，清洁单晶衬底1601以及在其上形成的结构，在电极层1610的暴露区上，依次沉淀形成一个50nm厚的铝层和一个20nm厚的金层，将这个合成结构定形，并形成N型金属电极1618。
通过以上方法，直到N型金属电极611形成后，就完成了这个制造过程，对单晶衬底1601进行抛光和磨薄形成一个镜表面。清洁这个合成结构，使用一种钻石刀，将单晶衬底1601按照预定尺寸切割，最后，就得到了一个器件。将这个器件的尺寸作成大约500μm2。
当在这个合成器件上输入一个电流时，P型金属电极1617作为正极，N型金属电极1618作为负极，能够观测到从单晶衬底1601的下表面上发出的光，例如，得到的发射光蓝白色。如上所述，通过这个实施例得到的发射光是蓝白光。然而，通过适当地控制形成激活层的晶体层的成分和激活层的厚度，就能够获得带有所期望的性能的发射颜色。
在图16中的半导体发光器件中，这三个激活层通过阻挡层彼此堆叠在一起。然而，本发明不只限于这种情况。通过适当地调整形成各个激活层的晶体成分和激活层的厚度，并设定各个层的发射颜色，即使用一种只有二个激活层通过一个阻挡层彼此堆叠在一起的半导体发光器件，也能够获得接近白色的发射光。(第十实施例)在下文中将描述本发明的另一个实施例。
图17A和17B所示，根据这个实施例，一个半导体发光器件的结构实例图。图17A所示，沿着引导光在这个腔内前后传播的方向，即沿着与腔轴线垂直的方向，作为一个实例，带有一个0.4μm或更长的振荡波长的一个半导体激光器横向截面图。
这个半导体激光器包括以下各层，并都位于一层由(0001)方向的兰宝石(单晶Al2O3)制成的，厚度为330μm的单晶衬底1601的表面上通过一层厚度为1.2nm的氮化物层1702，形成一层由GaN材料制成的20nm厚的缓冲层1703，一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的4μm厚的电极层1704，和一层由掺有Si元素的N型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.5μm厚的覆层1705。注意，这层单晶衬底1701不只限于兰宝石，例如，这层衬底可以由一种晶体材料制成，如碳化硅(SiC)，氧化锌(ZNO)，或镓酸锂(LiGaO2)。
在覆层1705上，形成一层由掺有Si元素的N型GaN材料制成的0.6μm厚的导向层1706。在导向层1706上，形成一个激活层1707，多个由InN材料制成的岛状部分排列在同一个平面内，并形成一个层，由这个层形成激活层1707。例如，就像图14B所示的岛状部分1405a一样，形成激活层1707的每个岛状部分具有一个约2nm的直径和一个约1nm的高度。通过设定每个岛状部分1405a的尺寸，使之等于或小于以这种方式的电子波动函数的范围，就能够得到一种量子效应。基于激活层1707上的半导体发光器件的发射波长几乎是由岛状部分的尺寸决定的。注意，每个岛状部分的尺寸并不限于等于或小于电子波动函数的范围，也可能大于这个范围。
注意，每个岛状部分的形状并不限于一个半圆球形状。例如，这些岛状部分也可以有一个圆柱、菱形、金字塔或圆锥形状。另外，岛状部分可以以相等的间距排列，也可以以不相等的间距排列。另外，也可以形成岛状部分，使之彼此完全隔离或通过形成岛状部分的InN薄膜彼此连接。注意，形成各个岛状部分，并使之具有几乎相同的尺寸。
以上述方式，下面的层都是在激活层1707上形成的一层由没掺有掺有杂质的GaN材料制成的10nm厚的生长盖层1708，一层由掺杂有Mg元素的P型GaN材料制成的0.55μm厚的导向层1709，一层由掺杂Mg元素的P型Al0.1Ga0.9N材料制成的0.55μm厚的覆层1710和一层由掺杂Mg元素的P型GaN材料制成的0.1μm厚的接触层1711。
在接触层1711上形成一层电流绝缘层，电流绝缘层1711是由二氧化硅SiO2制成的，并有一个用于限制电流注入的区域的2μm宽度凹槽。注意，上面的凹槽与这个半导体激光器腔内的光的传播方向平行。在电流绝缘层1712上，形成一个P型金属电极1713，并通过上面的凹槽与接触层1711相接触。虽然没有画出，这个P型金属电极1713有一个多层结构，这个多层结构是由一个与接触层1711直接接触的50nm厚的钯层，在这个钯层上形成的一层30nm厚的铂层，和在这个铂层上形成一层200nm厚的金层构成。通过使用发射技术，将这些金属层定形。
注意，这个电极层1704有一个暴露的区域，该部分通过部分地蚀刻在其上的各自层形成的，并且一个N型金属电极1714也位于这个暴露区域。虽然没有画出，这个N型金属电极1714有一个多层结构，这个多层结构包括一个与暴露部分直接接触的50nm厚的钛层，一层30nm厚的铂层和一层200nm厚的金层。图17所示的这个半导体激光器的腔体长约500μm2。
图18所示，在室温下，图17中的半导体激光器安装在一个散热片上，使用直流(DC)电流，通过测量这个半导体激光器，获得的光学功率/电流特性(CM特性)和电压/电流特性。在图17所示，在室温下，阀值电流为80mA时，引起CW振荡的这个半导体激光器中。这个合成振荡波长为1.60μm。这时的工作电压是2.7V。内置电压Vb约为1.5V。
在以前的技术中，当In1-XGaXN(0≤X＜0.4)用作一个包括激活层在内的光发射结构时，内置电压Vb小于4V。与这种情况相比，由于将具有一个小带隙的InN材料用于激活层1707，因此，图17所示的半导体激光器的内置电压Vb很小。注意，图17中的半导体激光器例示了这种使用InN材料制成激活层1707的激光器。然而，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料有一个比InN具有更大的带隙，In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料可以用作激活层。在这个例子中，振荡波长可以进一步地降低，例如0.4μm。
在最这个实施例中，激活层1707也可以有一个结构，在这个结构内，多个岛状部分和一个生长盖层(阻挡层)彼此堆叠在一起，并构成了这个结构内的一个层。
如上所述，根据本发明，半导体发光器件至少包括在衬底上形成的第一覆层，由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的，并在第一覆层上形成的光发射结构，和在光发射结构上形成的第二覆层。
在本发明的半导体发光器件中，作为这种组成结构的结果，激活层是由一种具有小俄歇效应的材料形成的。另外，本发明的半导体发光器件包括一个可以有一个大ΔEc的层结构。其结果是本发明的半导体发光器件在工作环境下，能够有效地对抗温度上的变化，并且能够进行高能运行。
权利要求
1.一种半导体发光器件，其特征在于该器件至少包括一层形成在衬底(101)上的第一覆层(105)；一个在上述第一覆层上形成的，并包括由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的激活层(107)的光发射结构；和一层在上述光发射结构上形成的第二覆层(110)。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中激活层是由InN材料制成的。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于该器件进一步包括夹住激活层的第一和第二半导体层(106，109)，上述第一和第二半导体层分别是由In1-X’-Y’GaX’AlY’N(0≤X’，Y’≤1，0≤X’+Y’≤1)材料和In1-X”-Y”GaX”AlY”N(0≤X”，Y”≤1，0≤X”+Y”≤1)材料制成的。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中发射波长位于一个可见光区。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光发射结构是由第一光发射结构和在其上形成的第二光发射结构组成的，第一光发射结构是由夹在阻挡层(1105，1107)之间的第一激活层(1106)形成的，第二光发射结构是由夹在阻挡层(1107，1109)之间的第二激活层(1108)形成的，和第一和第二光发射结构有不同的发射波长。
6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于其中第一和第二半导体发光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
7.根据权利要求5所述的器件，其特征在于其中第一和第二半导体发光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
8.根据权利要求6所述的器件，其特征在于其中阻挡层(1105，1107，1109)都是由比第一和第二激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
9.根据权利要求7所述的器件，其特征在于其中阻挡层都是由比第一和第二激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
10.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光发射结构是由第一光发射结构，在其上形成的第二光发射结构，和在其上形成的第三光发射结构组成的，第一光发射结构是由夹在阻挡层(1105，1107)之间的第一激活层(1106)形成的，第二光发射结构是由夹在阻挡层(1107，1109)之间的第二激活层(1108)形成的，第三光发射结构是由夹在阻挡层(1109，1111)之间的第三激活层(1110)形成的，和第一、第二和第三半导体发光器件有不同的发射波长。
11.根据权利要求10所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半导体发光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
12.根据权利要求10所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半导体发光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
13.根据权利要求11所述的器件，其特征在于其中阻挡层都是由比第一至第三激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
14.根据权利要求12所述的器件，其特征在于其中阻挡层都是由比第一至第三激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
15.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中上述光发射结构是由排列在衬底上的第一光发射结构(A)，第二光发射结构(B)，和第三光发射结构(C)组成的，第一光发射结构是由夹在阻挡层(1305a，1307a)之间的第一激活层(1306a)形成的，第二光发射结构是由夹在阻挡层(1305b，1307b)之间的第一激活层(1306b)形成的，第三光发射结构是由夹在阻挡层(1305c，1307c)之间的第一激活层(1306c)形成的，和第一.第二和第三半导体发光器件有不同的发射波长。
16.根据权利要求15所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半导体发光器件是由不同成分比例的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
17.根据权利要求15所述的器件，其特征在于其中第一、第二和第三半导体发光器件是由不同薄膜厚度的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
18.根据权利要求16所述的器件，其特征在于其中阻挡层都是由比第一至第三激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
19.根据权利要求17所述的器件，其特征在于其中阻挡层都是由比第一至第三激活层具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的。
20.根据权利要求1所述的器件，其特征在于其中激活层(1405)是由排列在同一平面内的多个岛状部分(1405a)组成的一个层形成的，和岛状部分是由In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y＜1)材料制成的。
21.根据权利要求20所述的器件，其特征在于其中如此排列岛状部分，致使其能够彼此分离。
22.根据权利要求20所述的器件，其特征在于其中，在由排列在同一平面内的多个岛状部分组成的这个层上，覆盖由比岛状部分具有更高带隙能量的In1-X-YGaXAlYN(0≤X，Y≤1，0≤X+Y≤1)材料制成的一个阻挡层(1406)。
23.根据权利要求22所述的器件，其特征在于其中，激活层包括一个多层结构，这个多层结构是通过由排列在同一平面内的多个岛状部分组成的一个层和阻挡层堆叠形成的。
24.根据权利要求20所述的器件，其特征在于其中岛状部分是由InN材料制成的。
全文摘要
本发明的一种半导体发光器件至少包括一层形成在衬底上的覆层，一个在第一覆层上形成的,并包括由In
文档编号H01L27/15GK1467888SQ0310753
公开日2004年1月14日 申请日期2003年3月26日 优先权日2002年6月19日
发明者松冈隆志, 冈本浩 申请人:日本电信电话株式会社