专利名称：半导体激光二极管的mbe生长的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件的生长，尤其是一种在氮化材料系统中，举例如(Al，Ga，In)N材料系统的半导体发光器件的生长。本发明可以应用于例如半导体激光二极管(LD)的生长。
本发明的背景(Al，Ga，In)N材料系统包括具有一般公式为AlxGayIn1-x-yN的材料，其中0≤x≤1并且0≤y≤1。在该应用中，(Al，Ga，In)N材料系统中的一个具有非零克分子比的铝、镓和铟的成员将作为AlGaInN被谈到，一个具有零的铝克分子比但是具有非零的镓和铟克分子比的成员将作为InGaN被谈到，一个具有零的铟克分子比但是具有非零的镓和铝克分子比的成员将被作为AlGaN被谈到，等等。因为以(Al，Ga，In)N材料系统制造的器件能够发射出在蓝—紫光谱的波长范围内的光(对应于近似380-450nm范围内的波长)，当前对以该系统制造半导体发光器件具有很大的兴趣。
例如S.Nakamura et al在“Jap.j.Appl.Phys.”Vol.35，ppL74-L76(1996)中，描述了以(Al，Ga，In)N材料系统制造的半导体发光器件。在教授了使用金属有机化学气相淀积(MOCVD))生长工艺来制造以(Al，Ga，In)N材料系统制造的发光器件的US-A-5 777 350中也有描述。MOCVD(也公知为金属有机汽相外延或MOVPE)一般在通常为大气压下的装置中发生，但是有时在轻微减小的压力下，一般约10kPa。提供氨和具有一种或更多种用于外延生长的三族元素的种类基本平行于将要在其上发生外延生长的衬底的表面，因此形成与衬底表面相邻并流经衬底表面的边界层。在该气态边界层中发生分解以形成外延淀积的氮气和其它元素，因此外延生长是由汽相均衡驱动的。
另外一个已知的半导体生长技术是分子束外延(MBE)。与MOCVD相比，MBE是在高真空环境下进行的。在MBE例如被应用到该(Al，Ga，In)N系统的情况下，使用一般约1×10-3Pa的超高真空环境(UHV)。氮前体气以供应管道的方式提供给MBE容器，并且在外延生长过程中具有了铝、镓和/或铟的种类、也可能具有适当的掺杂种类由适当的源供应，该源位于安装有可控制的闸门来控制供应到MBE容器中的种类的量的热渗出单元内。该控制闸门从渗出单元输出并且氮提供管道面对其上将发生外延生长的衬底的表面。原始的氮和从渗出单元提供的种类穿过MBE容器，并且到达衬底，在该衬底上以淀积动力驱动方式发生外延生长。
现有技术的确认MBE生长工艺已经被成功地应用于以各种材料系统的生长。例如，US-A-5 513 199揭露了以II-VI材料系统并且具有例如CdZnSe有源层的激光器件的MBE生长。但是目前为止将MBE生长技术用于氮化半导体材料的生长一直都很困难，并且由MBE生长的GaN，InGaN和p-型氮化材料的质量如M.Johnson et al.在“Ma.Res.Soc.Proc.”Vol.537，G5.10.(1999)中报道的一样，普遍地低。因此，目前，高质量的氮化半导体层的生长主要是使用MOCVD工艺来操作的。该MOCVD工艺允许在超过1000∶1的V/III优选比率下发生生长。该V/III比率是在生长工艺期间V族元素对III族元素的摩尔比率。氮化物半导体材料的生长中优选高的V/III比率，由于它允许使用更高的衬底温度，该温度依次产生更高质量的半导体层。
目前，以MBE生长高质量的氮化半导体层比用MOCVD生长这样的层更困难。对于用具有蓝—紫光谱区域的发射波长并且使用分子束外延生长的氮化半导体制造的动造作的激光二极管还没有已知的示范或是报道。首要的困难在于在生长工艺中提供足够的氮。
EP-A-1 182 697描述了以(Al，Ga，In)N材料系统的半导体器件的制造。该文件主要涉及由MOVCD技术的生长，并且包括一个适当的MOCVD生长条件的详细描述。该文件建议MBE也可以是一个可选择的生长方法，但是没有给出例如由MBE工艺怎样生长半导体器件的细节。
US-A-6 456 640，US-A-5 972 730，和JP-A-2000 072 692与EP-A-1 182 697包含相类似的揭示内容。这些文件涉及到以(Al，Ga，In)N材料系统的以MOCVD生长的半导体器件(例如在US-A-6 456 640的情况下的自脉动激光器件)，他们建议MBE作为半导体器件生长的一个可能选择的生长方法，但是没有包含怎样把MBE工艺实际应用到该器件的生长的细节。
发明内容
当前发明的第一方面提供一种以(Al，Ga，In)N材料系统制造半导体发光器件的方法，该方法包括在衬底上方依次生长第一覆层区域，第一光制导区，有源区域，第二光制导区和第二覆层区域；其中该方法包括使用氨气作为氮前体，通过分子束外延淀积每一个第一覆层区域，该第一光制导区，该有源区域，该第二光制导区和该第二覆层区域；其中该衬底是GaN衬底或是GaN模板衬底；并且其中生长有源区域的步骤包括生长一个包含铟的层。
在本发明的方法中，第一覆层区域，第一光制导区，第二光制导区和第二覆层区域的每一个区都是使用氨气作为氮前体通过MBE生长的，并且每一个包含一种(Al，Ga，In)N材料系统的一员的材料。该有源区域包括一层或是多层有源层，和/或有源区域的每个有源层由MBE生长并包含一种(Al，Ga，In)N材料系统的一员的材料。至少该有源区域的层的一层含有铟。
作为MOCVD的一个选择，本发明可能使用MBE生长技术制造半导体发光器件，例如一个具有在光谱的蓝—紫区域的发射波长的连续波激光二极管。使用MBE生长代替MOCVD生长给出下列优点i)当使用MBE的时候，源材料例如氨气和氢气的明显较低的污染；ii)器件中更少的杂质，因为MBE是一个UHV工艺；iii)在由MBE生长的器件中，p型注入(通常是镁)的热激活是不必要的。但是在由MOCVD生长的器件中，氢必须被热退火从镁注入半导体层中出来以激活p-型的传导。
iv)MBE比MOCVD更适宜于环境。
该第一覆层区域可以在衬底的表面的第一部分上方生长，并且该方法可以包括在该衬底表面的第二部分上方淀积第一电极。
可在衬底的第一表面上生长第一覆盖区，并且其方法可包括在衬底的第二表面上淀积第一电极。其方法可包括在第二覆盖区上淀积第二电极。
该器件可以是一个半导体激光二极管，并且它可以是一个连续波激光二极管。连续波激光二极管是一个激光二极管，当施加持续驱动电流(超过了激光振动的电流门限)时，放射其强度基本上随着时间恒定的激光——如果希望，尽管使用变量的驱动电流可以控制连续波激光器以致提供一个随时间变化的输出强度。相反地，一个自振动激光，如在US-A-6456 640中揭示的，当施加持续电流时，具有在高亮度和低(或零)亮度之间变化的光学输出。
本发明的第二方面提供由第一方面的方法制造的半导体发光器件。
附图的具体描述当前发明的首选特征将结合附图以举例说明的形式进行描述，其中
图1是一个在(Al，Ga，In)N材料系统中由MBE制造的半导体激光二极管的一般结构的截面示意图；图2是一个在(Al，Ga，In)N材料系统中由MBE制造的半导体激光二极管的截面示意图；图3示出了图2中激光二极管的受激发射光谱；图4示出了图2中的激光二极管的光功率输出；图5是一个适于实现本发明的MBE装置的示意图；和图6是一个在(Al，Ga，In)N材料系统中由MBE制造的另一个半导体激光二极管的一般结构的截面示意图。
整个附图中同样的参数指示同样的部件。
较优实施例的详细描述图1是一个在(Al，Ga，In)N材料系统中由MBE制造的半导体激光二极管的一般结构的截面示意图。图1中的激光二极管包含多个由MBE方法淀积在衬底1上以形成一个p-n结的层。该衬底是一个GaN衬底或是由在基础衬底上方生长的GaN层组成的GaN“模板衬底”。在该实施例中该衬底1是一个“模板衬底”并且由在蓝宝石晶片2上的n-型掺杂的GaN3层组成。
如图1所示，淀积在衬底1上的层包括由第一导电型的覆层4形成的第一覆层区域和由与第一导电类型不同的第二导电类型的覆层8形成的第二覆层区域。在该实施例中，该覆层4、8是AlGaN层，并且第一覆层4是n-型掺杂，第二覆层8是p-型掺杂。在第一覆层4和第二覆层8之间被提供一个光制导区5、7。在该实施例中，该光制导区包括在第一覆层上淀积的并且具有与第一覆层相同导电类型的第一光制导区5，和一个第二覆层8置于其上并且具有与第二覆层8具有相同导电类型的第二光制导区7。在该实施例中，该第一和第二光制导区5、7的每一个是由适当掺杂的GaN光制导层形成。
由一个或多个(Al，Ga，In)N层形成的有源区域6位于第一光制导区5和第二光制导区7之间的光制导区内。至少有源区域中的一层含有铟。该有源区域可以是例如一个InGaN单个或多个量子阱有源区域。
电源通过第一和第二电极9、10耦合到激光二极管。该第一电极9设置在衬底1的作为第一覆层4的相同表面上——该第一覆层不完全覆盖衬底的表面。该第二电极10设置在堆叠层上——在图1中接触层19设置在第二覆层8的上方，并且第二电极10通过淀积在接触层19上的绝缘SiO2中的窗口淀积在接触层19之上。
附图2是一个实际连续波激光二极管的截面示意图。该激光二极管是在由MOCVD在蓝宝石衬底2上淀积的9-10μm厚的硅掺杂GaN层3构成的批量供应的“模板衬底”1上，通过MBE制造的。然后在衬底1上由MBE生长多个层，由MBE生长的层如下i)掺杂硅的GaN层11，0.3μm厚；ii)掺杂硅的Al0.08Ga0.92N覆层4，0.9μm厚；iii)掺杂硅的GaN光学引导层5，0.1μm厚；iv)未掺杂的Al0.15Ga0.85N有源区域下部阻挡层12，20nm厚；v)未掺杂的Inl0.1Ga0.9N量子阱层13，2nm厚；vi)未掺杂的GaN阻挡层14，12nm厚；vii)未掺杂的In0.1Ga0.9N量子阱层15，2nm；viii)未掺杂的GaN阻挡层16，12nm厚；ix)未掺杂的In0.1Ga0.9N量子阱层17，2nm；x)未掺杂的Al0.2Ca0.8N有源区域上部阻挡层18，5nm；xi)掺杂Mg的GaN光制导层8，0.5μm厚；xii)掺杂Mg的Al0.08Ga0.92N覆层7，0.1μm厚；和xiii)掺杂Mg的GaN接触层19，20nm厚该GaN层11(上述层(i))是一个缓冲层。提供它以埋藏可能存在于衬底1的表面的任何残留的污染物。
激光二极管的有源区域是由有源区域，下部阻挡层12，量子阱层13、15、17，阻挡层14、16，和有源区域上部阻挡层18构成的(即，该有源区域是由层(iv)到层(x)构成的)。这些层并不是有意掺杂的。
上面的(i)到(xiii)的层的每一个是由MBE生长的。氨气被用作V族氮源，并且铝、镓和铟元素被用作III族的源。在掺杂层的生长中，硅元素被用作n-型的掺杂剂并且bis(cylopentadienyl)镁(Cp2Mg)被用作p-型掺杂剂。
在900℃的MBE的生长温度下生长GaN缓冲层11，第一覆层和第一光制导层5(即上述层(i)到(iii))。在630℃的MBE的生长温度下生长形成有源区域的层12-18(即上述层(iv)-(x))。在970℃的MBE的生长温度下生长第二光制导层7，第二覆层8和该接触层19(即上述层(xi)-(xiii))。
在淀积了每一个有源区域下部阻挡层12，阻挡层14，16，和该有源区域上部阻挡层18之后，立即对该结构进行退火。当淀积有源区域下部阻挡层12后立即执行该退火步骤的温度是890℃，当淀积阻挡层14，16之后立即执行的退火步骤的温度是920℃，和淀积有源区域上部阻挡层18之后立即执行的退火步骤的温度是970℃。在未授权的UK专利申请No.0325099.0中给出了该退火步骤的更细致的描述。
然后蚀刻向下半导体层和包括淀积在衬底1上的n-型GaN层11，以形成一个台面，如图2中所示。衬底1的GaN层的表面的一部分在该蚀刻步骤中被暴露出来。接着在第一蚀刻步骤中蚀刻接触层19和第二覆层8以在第二覆层8中形成一个脊状条纹结构，以定义一个脊形波导管。该蚀刻步骤是使用常规的光刻和干化学蚀刻进行的。该平台为300μm宽和1μm长(在图2中，该长度方向上延伸进入纸的平面/伸出纸的平面)，并且该脊形波导管为5μm宽和1mm长。该激光面使用一个干和湿化学蚀刻而形成。
在上部p-型GaN接触层19上通过在接触层19上淀积的绝缘SiO2层20形成Ni-Cu-Au电极10。在衬底的部分GaN层3上淀积Ti/Al电极9，该部分GaN层3是在半导体层的蚀刻步骤中暴露出来以形成台面——因此，该接触是淀积在该台面的一侧的。通过该两个电极9、10制作激光二极管的有源区域的电接触是可能的。
取决于有源区域的层的确切成分，图2中的该激光二极管具有从近似380nm到近似450nm波长范围的发射波长。因此，本发明使得通过MBE制造连续波激光二极管成为可能，该二极管具有从近似390nm到近似410nm范围的发射波波长，其为蓝光DVD标准的波长范围的波长。
在未授权的UK专利申请No.0325100.6中揭示了图2的激光二极管的具体细节，例如激光二极管的半导体层的优选成分范围，在此结合其内容作为参考。
图3示出了从图2中的激光二极管发出的受激发射光谱。图3示出了来自作为波长函数的激光的光学输出的亮度(在任何装置中)。进行这些测试该激光二极管在室温时的脉冲电流条件下产生激光。在低于400nm的波长时光学发射峰值的最大发光强度的一半的全宽度小于0.2nm，这表示该二极管是产生激光的。
图4示出了相对于图2中的激光二极管的应用电流的光学输出强度的曲线特性(在任何装置中)。可以看到，在近似0.6A的应用电流处该输出强度有一个明显的弯曲，并这表示产生激光的开始——也就是说，激光控制的开始电流为近似0.6A。在应用电流低于0.6A时不发生并且该二极管作为一个非发生激光的发光二极管控制。图4的曲线也是在室温时在脉冲低电流条件下再次得到的。
图5是适于激光二极管在氮化半导体材料系统中由根据本发明的方法的分子束外延的装置的示意图。该装置包括一个生长容器21其中安置一个支持并加热一个衬底S的加热支架22。该生长容器21通过一个延伸到生长容器21中的排气管24与超高真空泵23连接。排气管24的内部终点定义了生长容器21的一个真空出口25。该真空出口25安置在该衬底支架22的附近。
该生长容器21进一步被提供一个延伸到生长容器内的第一供给管26，由此第一供给管26的一个出口27接近并面向于其上将发生外延生长的基板S的表面。该第一供给管26可以相对于容器调整地安装，以至于在外延生长工艺中在第一供给管26的出口27和基板S的外延生长表面之间可以变化相对小的距离。第一供给管26的纵轴是与外延生长的平面基本上垂直的。
该第一供给管26被用于提供氨，其为外延生长工艺中需要的氮前体。由于第一供给管26的出口27在相对接近衬底S处定位，一个相对高的氨的汽相压力局限于外延生长物质的表面，而通过泵23依然能达到生长容器21内的超高真空环境。在生长工艺中，该高的氨汽相压力能使一个高的V/III比率实现。
该装置进一步包括独立可操作的、闸门控制的渗出单元28、29，该渗出单元包含用于外延生长工艺的元素铟、镓和铝(自图5中示出了两个这样的单元，尽管实际中将提供更多的渗出单元)。常规地定位该渗出单元28和29并且分别的定义第二和第三供给管。可提供附加的渗出单元来在生长工艺中供给例如掺杂剂种类。
在欧洲专利申请No.98301842.5/0 864 672描述了上述类型的MBE装置，在此结合其内容作为参考。然而，应注意到，本发明并不限于欧洲专利申请No.98301842.5中描述的MBE装置类型，而且在任何可以提供需要的V/III比率的MBE装置中实现。
图6是另一个可以由本发明的方法生长的连续波激光二极管的截面示意图。该激光二极管与图1的激光二极管是普遍类似的，除了第一(n-型)接触9不是安装在与台面结构相同的衬底1的表面上。相反，该台面结构生长在衬底1的第一表面，并且该第一(n-型)接触9设置在与衬底1的相反的第二表面。在图6的激光二极管中，该衬底1是一个n-型掺杂的GaN衬底。
图6的激光二极管的台面结构的层与图1中的激光二极管的台面结构的层普遍对应，它们的描述将不再重复。图6中的激光二极管的有源区域6可以是，例如一个InGaN单量子阱区域，或者它可以是一个InGaN多量子阱有源区域，如图2所示。
在上述实施例中，该第一覆层区域，第一光制导区，第二光制导区和第二覆层的每一个由单个半导体层构成。然而大体上，该覆层区域和/或该光制导层可能由不止单个半导体层组成。
权利要求
1.一种以(Al，Ga，In)N材料系统制造半导体发光器件的方法，该方法包括在衬底上方依次生长第一覆层区域，第一光制导区，有源区域，第二光制导区和第二覆层区域；其中该方法包括通过分子束外延使用氨气作为氮前体来淀积该第一覆层区域，该第一光制导区，该有源区域，该第二光制导区和该第二覆层区域的每一个；其中该衬底选自由GaN衬底和GaN模板衬底构成的组；并且其中生长有源区域的步骤包括生长包含铟的层。
2.一种如权利要求1中所述的方法，其中在衬底的表面的第一部分的上方生长该第一覆层区域，并且其中该方法包括在该衬底的该表面的第二区域淀积第一电极。
3.一种如权利要求1所述的方法，其中在衬底的第一表面上生长该第一覆层区域，并且其中该方法包括在该衬底的第二表面上方淀积第一电极。
4.一种如权利要求1所述的方法，包括在该第二覆层区域上方淀积第二电极。
5.一种如权利要求1所述的方法，其中该器件是半导体激光二极管。
6.一种如权利要求5所述的方法，其中该器件是连续波激光二极管。
7.一个由权利要求1中定义的方法制造的半导体发光器件。
全文摘要
一种以(Al，Ga，In)N材料系统制造连续波半导体激光二极管的方法包括依次生长第一覆层区域(4)，第一光制导区(5)，有源区域(6)，第二光制导区(7)和一第二覆层(8)。该第一覆层区域(4)，该第一光制导区(5)，该有源区域(6)，该第二光制导区(7)和该第二覆层(8)中的每一个都是由分子束外延生长淀积的。
文档编号H01S5/00GK1619904SQ200410102390
公开日2005年5月25日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者S·胡帕, V·鲍斯奎特, K·L·约翰逊, M·考厄, J·赫弗南 申请人:夏普株式会社