专利名称：氮化物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，诸如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，特别涉及一种具有由所有氮化物半导体材料形成半导体结构的发光器件。
作为用于发光器件，诸如希望发射从紫外光到红光范围光的LED或LD器件的材料，众所周知为氮化物半导体材料(InxAlyGa1－x－yN；0≤X，0≤Y，X＋Y≤1)，并且兰光和兰绿光LED已实际用于例如显示器或信号器中。
诸如由氮化物半导体材料形成的兰光LED或兰绿光LED和目前实际使用的发光器光具有双异质结构，这种发光器件基本构造是这样的，由n型GaN组成的n—型接触层，由n—型AlGaN组成的n—型覆盖层，由n—型InGaN组成的n—型有源层，由p型AlGaN组成的p—型覆盖层，由p—型AlGaN组成的p—型覆盖层以及由p—型GaN组成的p—型接触层，按上述的次序，层叠在由例如兰宝石制作的衬底上而制成。该有源层掺以施主杂质，比如Si或G，和/或掺以受主杂质，比如Mn或Mg。LED器件的光发射波长可以通过改变有源层的InGaN组份中的In含量，或改变掺入有源区杂质的种类而从紫外光区变到红光区。目前实际应用的LED是一种发射波长为510nm以下的LED，它的有源层掺以施主和受主两种杂质。该LED还具有处于衬底与n—型接触层之间的例如由GaN或AlN所形成的缓冲层。
另一方面，迄今为止，对LD器件的结构已有许多建议。举例说，未审查的日本专利申请公开(KoKai)6—21511揭示了一种分离约束型LD，该LD具有一种这样的结构，其中把由InGaN组成的有源层且厚度不超过100埃，插在n—型GaN层和p—型GaN层之间，所得的复合结构还进一步夹在一n—型AlGaN层和一p—型AlGaN层之间。两个AlGaN层起一种光约束层的作用。
通过如上所述的LED器件内的双异质结构的实现，已可以提高发光输出，因而使LED器件实际被使用。然而，由于此种LED器件利用掺以杂质的InGaN层作为有源层，这种LED器件带有一种缺点，即其发射光谱的半带宽不可避免地变宽，例如，装着具有宽的半带宽度发光谱的LED器件的全彩色显示器会呈现出一种稍带白的发射光，从而使其色彩再现区域变窄。
至于LD器件，在包括由，如在上述的未审查日本专利申请公开6—21511号所描述的非掺杂InGaN形成的有源层的双异质结构中，理论上可以实现激光振荡，但是，这种双异质结构仍不能获得激光振荡。人们希望通过把有源层变成如这份专利申请公开所描述的一种量子阱结构而大大提高发射输出。但是，在LD器件可以实际应用之前，还有许多问题有待解决，诸如光学谐振面或光学约束层的制备等问题。
为了实用LD器件，其有源层要呈现一种尖锐且强烈的能带到能带发射。即使LED器件，也可以获得窄半带宽的发射谱，这要以能够实现能带到能带发射为条件。然而，常规LED器件的有源层厚度相当厚，即0.1到0.2μm，因此在Al-GaN层上异质外还生长的InGaN厚度就已超过临界厚度，所以不可能以常规的LED器件去实现坚锐且强烈的能带到能带发射。即不能实现激光振荡。同时，如果为上述未审查的日本专利申请6—21511所示那样使有1元层大大变薄，从而使LED器件形成量子阱结构，有可能获得强的带一带发射。可是，如果要使有源层的厚度变薄，则对光的约束作用会变成不足，于是使其无法实现激光振荡。
所以，本发明的第一个目的是提供一种能产生优良激光振荡的氮化物半导体发光器件。
本发明的第二个目的是提供一种能呈现出提高发射输出的氮化物半导体发光器件。
从下面的详细描述将使这些和其他目的变得更清楚，根据本发明的该氮化物半导体发光器件包括一量子阱结构的一有源层包括含有铟和镓的氮化物半导体，并且具有第一和第二主表面；一第一p—型覆盖层包括一含有铝和镓的p—型氮化物半导体，且提供与该有源层的第二主表面相接触；第二p—型覆盖层包括一含有铝和镓且带隙大于第一p—型覆盖层的p—型氮化物半导体，且设置在第一p—型覆盖层之上；以及一n型半导体层，与有源层的第一主表面相接触。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层由一量子阱结构组成，它包括一含有铟和镓的氮化物半导体，且具有第一和第二主表面；第一n—型覆盖层由含有铝和镓的n—型氮化物半导体或一n—型GaN构成，且提供与该有源层的该第一主表面相接触，而该第一n—型覆盖层厚度范围在10埃至1.0μm内；第二n—型覆盖层包括一带隙大于第一n—型覆盖层的n—型氮化物半导体，且设置在第一n—型覆盖层上；以及一p—型半导体层与该有源层的该第一主表面相接触。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一量子阱结构的有源层，包括含有铟和镓的氮化物半导体，且具有第一和第二主表面；第一n—型覆盖层由含有铝和镓的n—型氮化物半导体或n—型GaN构成，且设置成与该有源层的该第一主表面相接触；第二n—型覆盖层包括一具有带隙大于第一n—型覆盖层的n—型氮化物半导体，且使之设置在该第一n—型覆盖层上；第一p—型覆盖层包括一含有铝和镓的p—型氮化物半导体，且设置成与该有源层的该第二主表面相接触；以及第二p—型覆盖层包括一含有铝和镓的n—型氮化物半导体，它具有大于该第一p—型覆盖层的带隙，且使之设置在该第一p—型覆盖层上。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一量子阱结构的有源层，它包括一含有铟和镓的氮化物半导体并且插在一n—型氮化物半导体层和一p—型半导体层之间，该p—型半导体层包括一设置成与有源层相接触的p—型覆盖层，该p—型覆盖层又包括一含有铝和镓的p—型氮化物半导体和具有10埃至1.0μm范围内厚度。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一安插在一n—型氮化物半导体层和一n—型半导体层间的量子阱结构的有源层，该有源层包括一含有铟和镓的氮化物半导体，以及设有一厚度不大于70埃的阱层。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一具有第一和第二主表面的量子阱结构的有源层，和包括一含有铟和镓的氮化物半导体；以及第一n—型覆盖层包括一含有铟和镓的氮化物半导体。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一具有第一和第二主表面的量子阱结构的有源层，和包括一含有铟和镓的氮化物半导体；以及第一p—型覆盖层包括一含有铟和镓的p—型氮化物半导体。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层，包括一含有铟和镓的氮化物半导体，且具有第一和第二主表面；第一n—型覆盖层，包括一不合铝的n—型氮化物半导体，且使之设置成与该有源层的第一主表面相接触；以及一p—型覆盖层，包括一p—型氮化物半导体和具有一表面区域，至少该表面区域包括一含有铝和镓的p—型氮化物半导体，该p—型覆盖层设置成与该有源层的该第二主表面相接触。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一包括一氮化物半导体的量子阱结构的有源层；一负电极；一正电极；所设置成与负电极相接触的一n—型GaN接触层；以及所设置成与该正电极相接触的一p—型GaN接触层。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层，具有第一和第二主表面，且包括一含有铟和镓的氮化物半导体；以及第一n—型覆盖层，包括含有铟和镓的n—型氮化物半导体，具有比该有源层还大的带隙，且设置为与该有源层的第一主表面相接触。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层，具有第一和第二主表面，和包括一含有铟和镓的氮化物半导体；以及第一p—型覆盖层包括一含有铟和镓的p—型氮化物半导体，具有比该有源层还大的带隙，且设置成为与该有源层的第二主表面相接触。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层，包括一含有铟和镓的氮化物半导体，并且具有第一和第二主表面；第一n—型覆盖层，包括一含有铟和镓的n—型氮化物半导体，具有比该有源层的带隙更大的带隙，而且设置成为与该有源层的第一主表面相接触；第一p—型覆盖层包括一含有铟和镓的p—型氮化物半导体，具有比该有源层的带隙更大的带隙，而且设置成为与该有源层的第二主表面相接触；第二n—型覆盖层包括一含有铝和镓的n—型氮化物半导体，具有比该第一n—型覆盖层的带隙更大的带隙，而且设置成与该第一n—型覆盖层相接触；以及第二p—型覆盖层包括一含有铝和镓的p—型氮化物半导体，具有比该第一p—型覆盖层的带隙更大的带隙，而且设置在该第一p—型覆盖层上。
根据本发明，还提供了一种氮化物半导体发光器件，包括一个有源层，它包括至少含有铟的氮化物半导体，且插在一第一n—型覆盖层和一第一p型覆盖层之间，该第一n型覆盖层由n—型氮化物半导体构成，其热膨胀系数小于有源层的热膨胀系数，该第一p型覆盖层由p—型氮化物半导体构成，其热膨胀系数小于有源层的热膨胀系数；其中，该有源层是具有一单量子阱结构或一多量子阱结构的，从而发射一种比形成该有源层的氮化物半导体的固有带隙能量还低的能量的光。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一由一含有铟的n—型氮化物半导体或由一n—型GaN制成的第一n—型覆盖层；以及一有源层包括一含有铟的氮化物半导体，具有比该第一n—型覆盖层的热膨胀系数还大的热膨胀系数并且设置成与该第一n—型覆盖层相接触，其中，该有源层是具有一单量子阱结构或具有多量子阱结构的，从而发射一种比形成该有源层的该氮化物半导体的固有带隙能量还低的能量的光。
根据本发明，还提供一种氮化物半导体发光器件，包括一有源层包括一含有铟的氮化物半导体；以及第一p—型覆盖层包括一含有铝的p—型氮化物半导体，具有比该有源层的热膨胀系数还大的热膨胀系数并且设置成与该有源层相接触，其中，该有源层是具有一单量子阱结构或具有多量子阱结构的，从而发射比形成该有源层的该氮化物半导体的固有带隙能量更低的能量的光。
图1是示意性说明根据本发明第1实施例的发光器件结构的剖面图；图2是示意性说明根据本发明第2实施例的发光器件结构的剖面图；图3是示意性说明根据本发明第3实施例的发光器件结构的剖面图；图4是表示根据本发明第1实施例的第一p—型覆盖层的厚度与发射输出之间的关系曲线；图5是表示根据本发明第2实施例的第一n—型覆盖层的厚度与发射输出之间的关系曲线；图6是表示阱层厚度与发射输出之间的关系曲线；图7是表示势垒层厚度与发射输出之间的关系曲线；图8是表示与常规的发光器件比较，本发明的发光器件的输出图表；图9是示意性说明根据本发明第4实施例的发光器件结构的剖面图10是示意性说明根据本发明第5实施例的发光器件结构的剖面图；图11是示意性说明根据本发明第6实施例的发光器件结构的剖面图；图12是示意性说明根据本发明的另一个实施例的发光器件结构的剖面图；图13是图12结构的斜视图；图14是示意性说明根据本发明第7实施例的发光器件结构的剖面图；图15是示意性说明根据本发明又另一个实施例的发光器件结构的剖面图；图16是示意性说明根据本发明第8实施例的发光器件结构的剖面图；以及图17是表示阱层厚度与发射峰值波长的关系曲线。
在下面的描述中，有时把InxGa1－xN(0＜x＜1)简称为In-GaN。同样，有时把AlYGa1－YN(0＜Y＜1)简称为AlGaN。
根据本发明的第一实施例，提供一种氮化物半导体发光器件，它设有插在n—型氮化物半导体层和p—型氮化物半导体层间的有源层，该有源层由含有铟和镓的氮化物半导体形成，并且构成量子阱结构(单量子阱或多量子阱结构)。如从有源层侧来说，上述的p—型氮化物半导体层包括由含有铝和镓的p—型氮化物半导体形成的第一p—型覆盖层，以及第二p—型覆盖层，它具有比第一p—型覆盖层的带隙还大的带隙和由含有铝和镓的p—型氮化物半导体形成。
图1示意性说明根据本发明第一实施例的发光器件(LD)结构的剖面图。参照图1，该发光器件，包括一衬底11，按下述次序层叠于其上的是n—型接触层12，n—型覆盖层13，有源层14，第一p—型覆盖层61，第二p—型覆盖层62及p—型接触层15。在p—型接触层15表面上，制成由绝缘材料制成的电流限制层并且其中形成了开口16a。在此电流限制层16的表面又形成通过开口16a与p—型接触层15相连接的正电极(p—电极)17。另一方面，在n—型接触层12上形成负电极(n—电极)18。在LED器件的情况下还可在该p—型接触层15上直接形成正电极17，而无需形成电流限制层16。
该衬底11可由兰宝石(包括C—平面、R—平面及其A—平面)，SiC(包括6H—SiC和4H—SiC)、Si、ZnO、GaAs，尖晶石(MgAl2O4，特别是(111)平面)，以及可采用晶格常数接近氮化物半导体的单晶氮化物制成。其中，通常采用兰宝石和SiC。尽管缓冲层没有在图1中具体示出，但是，为缓和这些材料的晶格常数失配起见，往往在衬底和氮化物半导体之间，形成厚约数百埃的GaN或AlN的缓冲层。然而，要是衬底由晶格常数非常接近氮化物半导体的SiC或ZnO形成，因而可以省去缓冲层，所以在图1中没有示出该缓冲层。
n—型接触层12可以由n—型氮化物半导体形成，如果它由诸如GaN或AlGaN的二元或三元混晶形成，就可以获得优良结晶性的接触层。尤其是若n—型接触层12由GaN形成，则能达到与负电极材料有良好的欧姆接触。通过将施主杂质诸如Si、Ge或S等掺入接触层，就能得到优选的n—型导电性。至于用于负电极18的材料，应用含有Ti，和Au或Ti和Al的金属材料则是优选。
该n—型覆盖层13可由p—型氮化物半导体形成，如果它由诸如GaN、AlGaN或InGaN等二元或三元混晶形成，就可以获得优良结晶性的覆盖层。尤其是若n—型覆盖层13由InGaN或GaN形成，则可能制成形成相对薄的有源层14，因而将可以实现单量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)结构的有源层，从而大大提高该发光器件的输出。还可以省去LED器件的n—型覆盖层13。对LED器件来说，有必要形成厚度在10埃到1.0μm，优选为30埃到0.1μm的n—型覆盖层13，而对LD器件来说，则厚度范围自100埃至1.0μm。
该有源层14最好应由非掺杂的InGaN(没有掺入杂质)形成，从而允许通过能带到能带发射，而获得660nm到365nm的发射光。为了制造具有足以薄到能提供单量子阱或多量子阱结构的厚度的优良结晶性的InGaN，很可取的是事先形成一InGaN层作为n型覆盖层，该InGaN层的带隙比随后在其上生长的有源层14的带隙还大。
当有源层14具有SQW或MQW结构时，就能获得很高发射输出的器件。通过SQW和MQW结构的表达式，意味着，从有源层的结构通过非掺杂的InxGa1－xN化合物可以获得量子能级间的光发射。举例说，通过由单一化合物InxGa1－xN(0＜x＜1)形成的单层(阱层)构成SQW结构的有源层，并且夹着有源层的该覆盖层13和61构成势垒层。当此InxGa1－xN层的厚度为100埃或以下时，此有源层受到塑性变形，从而使之能够获得量子能级间的强光发射。另一方面，该MQW结构的有源层是由阱层和势垒层交替层叠堆积形成。阱层和势垒层可由在成份上由彼此不同的InxGa1－xN层(在此情况下，x可从0至1)组成。在MQW结构的有源层中，有源层的最外两层薄膜构成阱层。当该有源层具有一SQW或MQW结构时，就能获得波长范围约365nm到660nm，量子能级间光发射的高输出可见光的LED。当量子阱结构的阱层厚度不大于70埃，最好不大于50埃时，将可获得高发射输出的发光器件。这恰好表明其厚度的量级不大于InGaN有源层的临界厚度。由于InGaN中电子的波尔半径约为30埃，当厚度在70埃以下时，就可获得InGaN的量子效应。
同样，就多量子阱结构而言，最好把阱层的厚度调整到70埃或以下，并且把势垒层的厚度调整到150埃或以下。
接着，还将说明本发明第一实施例有特征性的第一p—型覆盖层61如下。
此第一p—型覆盖层61是由含有Al和Ga的p—型氮化物半导体形成的，并且最好由AlGaN的三元混晶形成。该第一p—型覆盖层61在LD器件中起光波导层的作用。即，在根据本发明第1实施例的LD器件的情况下，如果把有源层14的厚度做足够薄以提供量子阱结构，就会变成不足以把光限制在有源层14内。所以，设置这层第一p—型覆层61是为使它起一种限制光的光波导层的作用。此外，AlGaN层是最可取的，因为它可以很容易地制成高载流浓度的p—型层，与此同时，与氮化物半导体的其他种类比较，适合于扩大其相对于InGaN有源层14在能带偏移或折射系数方面的差别。另外，与氮化物半导体的其他种类比较，在其生长期间，p—型AlGaN不容易受到分解，因而象例如用MOVPE方法生长AlGaN时具有阻止有源层的InGaN分解的效果，因此，能获得结晶性优良的有源层，于是改善其输出。在这种情况下，第一p—型覆盖层最好应由AlGaN制造。另一方面，如果第一p—型覆盖层由p—型GaN形成，则发射输出将降至采用p—型AlGaN时的1/3。这个现象的理由可结于这样的事实，与AlGaN比较，GaN转变成p—型的可能性小，而GaN多半会在其生长时被分解，使其结晶性变坏，但详细情况仍不清楚。
由p—型AlGaN制造的第一p—型层61的厚度较可取地应在10到1.0μm的范围，最好在10到0.5μm范围。如果第一p—型覆盖层61薄于10，就会失去由于第一p—型覆盖层的存在所得到的任何优点，导致有源层分解，于是引起发射输出的下降。另一方面，如果第一p—型覆盖层厚于1.0μm，则第一p—型覆盖层61大概会形成裂纹，使其难以形成满意的器件。
特别是在LD器件的情况下，第一p—型覆盖层厚度应取在100埃到1.0μm范围内，最好取在100埃到0.5μm范围内。如果第一p—型覆盖层61薄于100埃，就会丧失其作为光波导层的功能。另一方面，如果第一p—型覆盖层61比1.0μm还厚，在该第一p—型覆盖层61大概会形成裂纹，因而当在这种已有裂纹的层上形成下一层时，所得到的半导体层其结晶性就不好，从而大大地降低所得到器件的输出。所以，就LD器件而言，第一p—型覆盖层61的厚度控制是很重要的。
第二P—型覆盖层62由含Al和Ga的其带隙比第一P型覆盖层61的带隙还宽的P型氮化物半导体形成。最好由P型AlGaN三元混晶形成，因为第二P型覆盖层若由此P—型AlGaN构成，则可容易获得高载流子浓度的P型层。此外，该第二P型覆盖层62若由此P型AlGaN构成，就可以增大第二P型覆盖层62和第一P—型覆盖61之间的带隙差和折射率，因而允许第二P型覆盖层62能有效地起到光限制层的作用。对第二P型覆盖层62的厚度无特别限定，但为了获得高载流子浓度且无裂纹的高晶体质量的P型Al-GaN层，其厚度最好选在约500～1μm的范围。在晶体生长步骤中，以受主杂质如Mg、Zn、C、Be、Ca或Ba掺杂氮化物半导体，可获得P型导片，若获得高载流子浓度的P型层，在掺入受主导质后，最好在400℃以上的温度进行退火。当按此方式退火时，在P型AlGaN中，一般可获得1×1017/cm3～1×1019/cm3的载流子浓度。然而，在制造LED器件时，可以省略由AlGaN形成的第二P型覆盖层62。
P型接触层15是由P型氮化物半导体形成的。如果用二元或三元混晶如GaN或AlGaN形成，可获得结晶性优良的接触层。特别如果用GaN形成P型接触层，则可使之与正电极材料达到良好的欧姆接触。至于用于正电极17的材料，最好使用含Ni及Au金属材料。
根据本发明的第一实施例，使由P型AlGaN形成的第一P型覆盖层61与有源层14形成接触，使由其带隙比第一P型覆盖层61的隙带还宽的P型AlGaN形成的第二P型覆盖层62与第一P型覆盖层61形成接触。以此结构，有可能实现一带有起光导层作用兼作对有源层14的保护层的第一P型覆盖层61及起限制层作用的第二P型覆盖层62，有高发射输出的发光器件。
根据本发明的第二实施例，提供一种氮化物半导发光器件，该器件与实施例1相同，在n型氮化物半导体层和P型氮化物半导体层之间夹有一有源层。上述n型氮化物半导体层包括(自有源层侧说起)有由含铟和镓的n型氮化物半导体或n型GaN形成的第一n型覆盖层和由其带隙比第一n型覆盖层的带隙还宽的n型氮化物半导体形成的第二n型覆盖层。第一n型覆盖层的厚度在10～1.0μm的范围内。
图2示出了示意说明根据本发明第二实施例的发光器件的结构(LD结)的剖面图。参照图2，发光器件包括一块衬底21，在衬底上按所述顺序叠置一n型接触层22、第二n型覆盖层72、第一n型覆盖层71、有源层23、P型覆盖层24以及P型接触层25。在P型接触层25的表面上形成一电流限制层27，该层由有开口26a的绝缘材料形成。在该电流限制层27的表面上形成通过开口25a与P型接触层25相连的正电极27。另一方面，在n型接能层22的表面上形成一负电极28。在一个LED器件中，则没有形成电流限制层27。
在第一实施例中对衬底11、n型接触层12、有源层13及P型接触层15描述的特性和解释可分别适用于衬底21、n型接触层22、有源层23及P型接触层25。
在本发明的第二实施例中，第二n型覆盖层72应由其带隙比第一n型覆盖层71的带隙还宽的n型氮化物半导体，最好由二元或三元混晶的n型氮化物半导体，如由GaN或AlGaN构成。在这些材料中，最好的是三元混晶的n型Al-GaN，因为如果第二P型覆盖层由该n型AlGaN构成，可以使带隙差和折射率大于有源层23和第一n型覆盖层71的带隙差和折射率。对第二n型覆盖层的厚度虽没有任何苛刻的限制，为了获得没有一点裂纹的高晶体质量的n型AlGaN层，其厚度可优选在500～的1μm的范围内。然而，在LED器件的制造中，可以省掉由AlGaN形成的第二n型覆盖层72，n型接触层22自然取代了第二n型覆盖层。
与有源层23接触的第一n型覆盖层71是由含In和Ga的n型氮化物半导体，或n型GaN形成的。第一n型覆盖层71的厚度应优选在10至1μm的范围内，最好选在30～0.1μm范围内。当使第一n型覆盖层71的厚度大于10时，可以使第一n型覆盖层71起到有源层23和第二n型覆盖层72之间缓冲层的作用。即，由lnGaN或GaN形成的第一n型覆盖层71在性质上本来最软的，因而能吸收由晶格常数失配和AlGaN形成的第二n型覆盖72与有源层23之间热膨胀系数差引发的应变。由于该第一n型覆盖71的存在，即使有源层23的厚度再薄些，也几乎不可能使有源层23、第二n型覆盖层72及P型覆盖层24产生裂纹。换言之，因为第一n型覆盖层71起着缓冲层的作用，即使其厚度不大于100，有源层也可弹性形变，因此减少了有源层的晶体缺陷。由于这样一种效应，纵然有源层是薄的，有源层仍可保持其优良的晶体质量，因而可增大发射输出。此外，由于减薄了有源层，根据应变量子阱效应或激发发射效应，也可增大发光输出。若采用n型GaN作为第一n型覆盖层71的材料，可获得稍微差此但几乎与采用InGaN可得到的相同效果。
为了实现LD器件，第一n型覆盖71的厚度应优选在100～1.0μm的范围内，因为当其厚度为100或更大时，第一P型覆盖层71可起到光导层的作用。另一方面，如果有源层变得很薄，如在实施例1中的情况，采用第一n型覆盖层71作为把光限制在本发明的发光器件中的光导层，则对有源层中的光的限制可能变为不完全。幸而，由于在此情况下构成第一n型覆盖层71作为AlGaN或GaN起到缓冲的作用，使得有源层的减薄成为可行。将第一n型覆盖层71的厚度调节至小于1.0μm也是其为重要的。假若第一n型覆盖层71的厚度超过1.0μm，InGaN的颜色会变黑，形成高质量的InGaN膜会变得困难。而且，在最终晶体中会形成大量的坑，所以难以制成高输出的LED或LD器件，可能因为器件的发射输出极其低。
根据本发明的第二实施例，使由n型InGaN或n型GaN所形成的第一n型覆盖层71与有源层23形成接触，并使由其带隙比第一n型覆盖层71的带隙还宽的n型AlGaN形成的第二n型覆盖层72与第一n型覆盖层形成接触。根据此结构，在LD器件的情况，有可能实现带有起着光导层作用的第一n型覆盖层71和起着光限制层作用的第二n型覆盖层72的发光器件，在LED器件的情况下，有可能实现有高发射输出的发光器件。
根据本发明的第三实施例，提供一种氮化物半导体发光器件，该器件在n型氮化物半导体和P型氮化物半导体层间，如实施例1那样，设有一有源层。上述P型氮化物半导体层包括从有源层说起，有一由含铝和镓的P型氮化物半导体形成的第一P型覆盖层和一由其带隙比第一P型覆盖层的带隙还宽的P型氮化物半导体形成的第二P型覆盖层。上述的n型氮化物半导体层包括，从有源层说起，有一由含铟和镓的n型氮化物半导体形成的第一n型覆盖层和由其带宽比第一n型覆盖层的带隙还宽的n型氮化物半导体形成的第二n型覆盖层。
图3示意地说明根据本发明第三实施例的发光器件的结构(LD结构)的剖面图。参照图3，该发光器件，包括一衬底，在该衬底按叙述顺序叠置一n型接触层32、第二n型覆盖层82、第一n覆盖层81、一有源层33、第一P型覆盖层91、第二P型覆盖层92以及P型接触层34。在P型接触层34表面上形成由其中形成有开口35a的绝缘材料形成的电流限制层35。在该电流限制层35的表面上形成通过开口35a与P型接触层34相连的正电极36。另一方面，在n型接触层32的表面上形成一负电极37。
在本发明的第三实施例中，第一P型覆盖层91的厚度应优选在100～1.0μmn的范围内，最好选在100～0.5μm的范围内，同时第一n型覆盖层81的厚度应优选控制在10～1.0μm的范围，最好控制在30～0.1μm的范围。
本发明的第三实施例代表着发光器件最优结构之一。当将此结构用于LD器件时，第一n型覆盖层81起着光导层的作用；第二n型覆盖层82，起着光限制层的作用；第一P型覆盖层91，起着光导层的作用；而第二P型覆盖层92，起着光限制层的作用。
参照第一和第二实施例所述的特点和解释也适用于第三实施例的衬底31、n型接触层32、第二n型覆盖层82、第一n覆盖层81、有源层33，第一p型覆盖层91，第二p型覆盖层92以及P型接触层34。例如，n型接触层32应最好由n型GaN形成；第二n型覆盖层82最好由n型AlGaN形成；第一n型覆盖层81最好由n型InGaN形成；有源层33最好由非掺杂的InGaN形成；第一p型覆盖层最好由p型AlGaN形成；第二P型覆盖92最好由P型AlGaN形成；而P型接触层34最好由P型GaN形成。
根据本发明的第四实施例，提供一种在n型氮化物半导体层和P型氮化物半导体层之间设置有如同实施例1的有源层的氮化物半导体发光器件。上述的P型氮化物半导体层包括一由含铝和镓的P型氮化物半导体形成的第一P型覆盖层、与有源层相接触，其厚度在10～1.0μm的范围内。
根据第四实施例的发光器件的结构虽未在附图中表示，但基本上与图1所示的相同，亦即衬底、n型和P型接触层、有源层及n型和P型覆盖层的厚度及材料基本上与参照图所描述的相同。该第四实施例的主要特点在于，图1所示的第一覆盖层61的厚度是在10～1.0μm的范围内。根据第四实施例，可省掉图1所示的n型接触层12或n型覆盖层13，还可省掉第二P型覆盖层62或P型接触层15，或同时省掉两者。
如上所述，第四实施例中的与有源层接触的n型覆盖层优选由含In和Ga的n型氮化物半导体特别是InGaN，或由n型GaN形成。因为由InGaN形成的n型覆盖层起着一种缓冲层的作用，吸收由于覆盖层和有源层之间的热膨胀系数差和晶格常数失配引起的应变，因而纵然有源层的厚度再薄些，也能避免在有源层中出裂纹，而保持其优良的晶体质量，增大发射输出。此外，由于有源层的变薄，由于应变量子阱效应或激发发射效应可增大发光输出。
本发明的第四实施例的主要特点在于，第一P型覆盖层的厚度设在10～1.0μm的范围内。当有源层是SQW或MQW结构时，由P型AlGaN形成与有源层相接触的厚度在1μm以下的第一P型覆盖层，也是极为重要的。倘若第一P型覆盖层厚度大于1μm，在第一P型覆盖层可能形成裂纹，使之不适宜用作发光器件。反之，若第一P型覆盖层的厚度小于10，如上所述，有源层很可能被分解，因而降低了发光输出。
未审查的日本专利申请公开6—21511公开了一种在结构上类似于第四实施例的发光器件的发光器件。然而，该未审查的日本专利申请公开在第一P型覆盖层的厚度上与本发明不同。亦即，根据此公开，在有源层使由GaN或AlGaN构成的P型覆盖层生长到2μm之厚。反之，根据本发明，P型覆盖层仅仅由AlGaN形成，其厚度在1μm以下。如参照实施例1所解释的，与其它氮化物半导体如InGaN、InGaN和In-AlGaN相比，AlGaN能更容易转变成P型，因而在这些氮化物半导体当中，AlGaN可形成最高空穴载流子浓度的P型层。所以，当用P型AlGaN形成P型覆盖层时，可获得很高发射输出的发光器件。倘若使AlGaN形成有2μm的厚层，该层几乎不能转变为P型，同时AlGaN晶体的固有的性质，在生长到如此厚度过程中在所得到的晶体中会形成裂纹。所以，由上述未审查的日本专利申请公开所描述的发光器件或几乎不能发光，或难以生产。相比之下，根据本发明的第四实施例，使在薄有源层上所形成的P型覆盖层的种类乃其厚度确切确定，于是可生产具有实用结构的氮化物半导体发光器件。
图4是表示发射输出相对于类似于图1所示的发光器件的第一P型覆盖层61的厚度的变化的曲线图。具体地讲，图4示出一LED器件的相对发射输出，该器件，包括厚度为4μm的n型接触层(GaN)12、厚度为500的n型覆盖层(InGaN)13、厚度为20(单量子阱结构)的有源层(InGaN)14、厚度各为0.1μm的第一P型覆盖层(AlGaN)61和第二P型覆盖层(AlGaN)62以及厚度为0.1μm的P型接触层(GaN)15。亦即，电极17是直接形成于P型接触层15之上的。
由图所见，当第一P型层61的厚度超过1μm时，发射输出趋于急剧下降。这可被解释成在第一p型覆盖层61上形成了裂纹而使器件的结晶性劣化。从图4中显然看出，在LED的情况下第一p型覆盖层的厚使应选在10(0.001μm)至1μm)。然而，就第一和第三实施例所示LD器件情况而言，第一P型覆盖层的厚度应优选在100以上，因为倘若一P型覆盖层的厚度变到100以上，它就不能起到光导层的作用。
图5示出发射输出相对于类似于图2所示的发光器件的第一n型覆盖层71的厚度的变化曲线图。具体地讲，图5所示的是—LED器件的相对发射输出，该器件，包括厚度为4μm的n型接触层(GaN)22、厚度为0.1μm的n型覆盖层(AlGaN)72、厚度为20的第一n型覆盖层(InGaN)72、厚度为20(单量子阱结构)的有源层(InGaN)23、厚度为0.1μm的P型覆盖层(AlGaN)24、以及厚度为1μm的P型接触层(GaN)。
如由图5所见，当第一n型覆盖层71的厚度超过1μm时，发射输出趋于急剧下降。这可被解释成器件的结晶性变坏，如晶体变暗或在晶体中产生凹坑。相反，倘若第一n型覆盖层71的厚度不足30，发光器件的发射输出趋于下降。这表明第一n型覆层71的优选厚度在30以上，按此条件由InGaN形成的第一n型覆盖层71可有效地起到缓冲层的作用。同时，如果第一n型覆盖层71的厚度薄于10，那么它一点也起不到缓冲层的作用，因为在有源层23与覆盖层72和24中有大量的裂纹产生，因而使它很难制成器件，同时大大地降低了发射输出。所以，本发明第二实施例中的第一n型覆盖层71的厚度应优选在10～1μm的范围、最好选在30～0.1μm的范围内。
图6和7分别表明根据本发明的有源层为量子阱结构的发光器件的相对发射输出与阱层厚度或与势垒层厚度之间的关系。如这些图所示，阱层的厚度应在70以下，最好选在50以下，而势垒层的厚度应在150以下，最好选在100以下。
一种根据本发明第五实施例的氮化物半导体发光器包括一其特征类似于上述实施例1的并有第一主表面和第二表面的有源层；由含铟和镓的n型氮化物半导体形成的第一n型覆盖层与有源层的第一主表面形成接触。
一种根据本发明第六实施例的氮化物半导体发光器件，包括一其特性类似于上述第一实施例并具有第一主表面和第二主表面的有源层；由含铟和镓的P型氮化物半导体形成的第一P型覆盖层与有源层的第二主表面形成接触。
图9表示示意说明第五实施例的发光器件结构的剖面图；图10表示示意说明根据本第六实施例的发光器件结构的剖面图。下面结合附图解释本发明的第五和第六实施例。
图9所示的发光器件，包括一衬底121，在其上依次叠置一用于缓和衬底121和氮化物半导体之间的晶格失配的缓冲层122、一用于在其上形成负电极的n型接触层123、第二n型覆盖层124、第一n型覆盖层125、有源层126、第二P型覆盖层128以及一用于在其上形成正电极的P型接触层129。
图10所示的发光器件，包括一块衬底131，在其上依次叠置一用于缓和衬底131和氮化物半导体之间的晶格失配的缓冲层132、一用于在其上形成负电极的n型的接触层133、第二n型覆盖层134、有源层136、第一P型覆盖层137、第二P型覆盖层138以及一用于在其上形成正电极的P型接触层139。
在第五和第六实施例中，有源层126和136可以是由其铟的含量可根据所需带隙变化的InGaN形成的单量子阱结构。另一方案，有源层126和136可以是一叠层，该叠层由组分各自不同的复合薄膜，如由InGaN/GaN或InGaN/InGaN(其组分与前者不同)构成，因而形成多量子阱结构。有源层可以是n型或P型的单量子阱和多量子阱中的任意一种结构。然而，当量子阱结构的有源层是非掺杂层，可获得窄半带宽的能带—能带发射、激发发射或量子阱间能级发射，这时实现发光二极管器件和激光器件是可取的。另一方案，有源层126和136可以用施主杂质和/或受主杂质来掺杂。倘若能把掺有杂质的有源层的结晶性控制到与非掺杂的有源层的结晶性相同的质量，则可以通过掺以施主杂质，与非掺杂有源层相比，进一步提高能带—能带发光强度。也可以通过掺以受主杂质，可使峰值波长从能带—能带发射的峰值波长向低能侧移动大约0.5eV的幅度，但在此情况下，半带宽将被加宽。如果对有源层同时掺以受主杂质和施主杂质，与仅掺以受主杂质的有源层相比，会进一步增强有源层的发光强度。如果欲形成的是掺以受主杂质的有源层，最好应通过与掺杂受主杂质一起掺以施主杂质如Si，使有源层的导电类型转变成n型。然而，因为有源层通过本发明的能带—能带发射应发射的理想的强光，采用非掺杂的InGaN是作为有源层最理想的材料。换一种方式讲，如果有源层掺有杂质，与非掺杂有源层相比，所得的层的结晶性很可能变坏。然而，采用非掺杂的InGaN作有源层的发光器件，在降低Vf(正向电压)值方面优于掺有杂质的发光器件。量子阱结构的有源层中各阱层和势垒层的厚度可以与结合实施例1所解释的值相同。
具有图9所示结构的发光器件的与有源层126相接触的第一n型覆盖层125最好由一n型InxGa1－xN(0＜X＜1)构成。可将x值控制在0＜x≤0.5的优选范围，更好的是0＜x≤0.3，最好在0＜x≤0.2的范围。第一n型覆盖层125的载流子浓度最好应在1×1018/cm3～1×1020/cm3。一般，随着In在InGaN中的摩尔比的增加，使化合物的结晶性趋于变得更坏。所以，为了获得实用的呈现高发射输出的InGaN层，最好使x值为0.5以下的InxGa1－xN。如果载流子浓度低于1×1018/cm3，会降低载流子到InGaN有源层的电子注入系数，这会降低发光输出。相反，若载流子浓度超过1×1020/cm3，则第一n型覆盖层的结晶性会变坏，于是可降低发光输出。
具有图10所示(第六实施例)结构的发光器件的与有源层136相接触的第一P型覆盖层137最好由P型InyGa1－yN(0≤y＜1)构成。y值可以控制在0≤y＜0.5的优选范围，更好的在0≤y＜0.3，最好在0≤y＜0.2的范围。该第一P型覆盖层137的载流子浓度应最好控制在1×1017/cm3～1×1019/cm3的范围内。将y值限制在不高于0.5的原因与将x值限制在不高于0.5的原因相同。若载流子浓度低于1×1017/cm3，载流子到InGaN有源层的空穴注入效率会变低，于是降低了发光输出。反之，载流子浓度若高于1×1019/cm3，第一P型覆盖的结晶性会变坏，因而可降低发光输出。
在常规的氮化物半导体发光器件中，其有源层主要由InGaN构成，设置于主要由AlGaN构成的一对覆盖层之间，当有源层的厚度减薄时，在InGaN有源层和AlGaN覆盖层中很可能产生裂纹。例如，为有源层的厚度减薄到200以下时，在有源层和覆盖层中不可避免地形成大量的裂纹，因而难以使它制成发光器件。显而易见，因为覆盖层在物理性能上是很硬的，不可能由该薄的InGaN有源层来弹性地缓和有源层和AlGaN覆盖层之间的界面的晶格失配和热膨胀系数差。由于在覆盖层和有源层中的裂痕，已不能使有源层减薄。
同时，按本发明第5和第6实施例，再形成均包含In和Ga的第一n—型覆盖层125和第一p—型覆盖层137，每层分别与包含In和Ga的有源层126和136接触，如图9和10所示。设置这些第一n—型覆盖层125和第一p—型覆盖层137分别起在有源层和第二n一型覆盖层124之间的缓冲层作用，或在有源层和第二p—型覆盖层138之间的缓冲层作用。即，由于含In和Ga的第一覆盖层125和137其结晶特性实质上是软的，因而，第一覆盖层125和137能吸收由于晶格常数失配而产生的任何应力，以及由于含Al和Ga的第二覆盖层124和138与有源层126和136之间不同的热膨胀系数造成的任何应力。而且，即使有源层厚度做得薄，也不会造成有源层126和136以及第二覆盖层124和138破裂。由于第一覆盖层125和137的应力吸收作用，即使有源层作得很薄，有源层能弹性变形，因而使其结晶缺陷减至最小，从而实现单一量子阱或多一量子阱结构。而且，即使有源层作得薄，也能极好地保持有源层的结晶度，使其有可能提高发射输出。而且，由于有源层薄化，有可能引起量子效应和激发效应。从而提高发光器件的发光输出。按常规发光器件。要求有源层厚度做成1000埃以上，以防止覆盖层和有源层中产生破裂。然而，由于热膨胀系数不同和晶格常数失配，有源层总是加有应力。而且由于常规发光器件的有源层厚度超过了允许有源层出现上述弹性变形的临界厚度，因而，常规有源层不能是弹性变形。因此，引起有源层中大量的结晶缺陷，并使其不可能出现能级至能级的足够发射。
之后，将说明第一n—型覆盖层125和有源层126的总厚度，和有源层136和第一p—型覆盖层137的总厚度的影响。要求第一n—型覆盖层125和有源层126的总厚度，和有源层136和第一p—型覆盖层137的总厚度要控制在300埃以上。换言之，含In和Ga的有源层和含In和Ga的第一覆盖层的总厚度最好是控制在300埃以上。因为，若含In和Ga的氮化物半导体层(有源层＋第一覆盖层)的厚度小于300埃，在有源层中以及在第一和第二覆盖层中有可能形成裂纹。造成这种裂纹的原因被认为是，由于晶格常数失配或上述的不同热膨胀系数造成的应力作用于含Al和Ga的第二n—型覆盖层124与有源层126之间的界面上，或作用于含Al和Ga的第二p—型覆盖层138与有源层136之间的界面上。而当含Al和Ga的第二覆盖层与含In和Ga的有源层之间设置起缓冲层作用的第一覆盖层时，可减轻这种应力，抑制有源层中和第一和第二覆盖层中产生裂纹。而且，从减轻这些应力的观点看，含In和Ga的软结晶形成的氮化物半导体最好应生长到300埃以上的厚度。例如，在第5实施例中，当第一n—型覆盖层125形成厚度不低于几埃时，即使有源层126的厚度为3000埃时，在有源层和覆盖层中也难形成破裂。换言之，第一n—型覆盖层125可以厚300埃，而有源层126可以是几埃厚。然而，在第5实施例中，若第一n—型覆盖层125的厚度较大，第一n—型覆盖层125最好要形成较大厚度，因此，有源层能容易制得较薄。
本发明第5实施例中，要求第二n—型覆盖层124应用n—型AlaGa1－aN(0≤a＜1)构成。“a”值可控制在0≤a≤0.6的范围内。最好在0≤a≤0.4的范围内。由于AlGaN的结晶较难，因此，a≥0.6会突然增大AlGaN本身中产生裂纹的可能性。该第二n—型覆盖层124中的载流子浓度要求控制在5×1017/cm3至1×1019/cm3范围内，若载流子浓度小于5×1017/cm3，AlGaN的电阻率会增大，因为，造成发光器件的Vf较高。从而可能减少发光效率。第二覆盖层124的厚度可在50埃到1.0μm的范围内。
本发明第6实施例中，要求用p—型AlbGa1－bN(0≤b＜1)构成第二p—型覆盖层。“b”值可控制在0≤b≤0.6的范围内，最好是在0≤b≤0.4的范围内，限制“b”值范围的原因与有关第二n—型覆盖层104所述原因相同。该第二p—型覆盖层138的载流子浓度要求控制为1×17cm-3，进入有源层的载流子正空穴注入效率会减小，因此，减小发光输出。另一方面，若载流子浓度高于1×1019cm-3，AlGaN的结晶度变坏，因此有可能减小发光输出。该第二覆盖层138的厚度可形成化50到1.0μm范围内。由于使用含Al和Ga的氮化物半导体层构成第二n—型覆盖层134和第二p—型覆盖层138，因而，其相对于有源层136，第一p—型覆盖层135和第一p—型覆盖层137的能带偏移会加大，以增大发光效率。
按本发明第5实施例，可构成与第一n型覆盖层125或与第二n型覆盖层124接触的用n—型GaN构成的n—型接触层123。该n—型GaN适合于获得与负电极最佳的欧姆接触，因而减小了发光器件的Vf。而且，由于其结晶度比其它三元或四元晶体的氮化物半导体的结晶度更好，因而能改善在该n—型GaN上生长的第一n—型覆盖层125和第二n—型覆盖层的结晶度，因此改善了所制成的发光器件的输出。与n—型接触层125有优异欧姆接触的电极材料例如是含It和Al的金属化材料，也可以是合金，或迭层，例如是Ti层和Al层的迭层，当这种材料是用Ti淀积的与n—型GaN接触的淀积层时能实现良好的欧姆接触，要求该n—型接触层123的载流子浓度在5×1017至5×1019cm-3范围内。若载流子浓度小于5×1017cm-3，与电极难以构成欧姆接触。因此，可能使发光器件的Vf较高。另一方面，载流子浓度高于5×1019cm-3，n—型GaN以及其它氮化物半导体层的结晶度会变坏，有可能降低发光效率。
按本发明第6实施例，可构成与第一p—型覆盖层137或与第二p—型覆盖层138接触的由p—型GaN构成的p—型接触层139。该p—型GaN适于获得与正电极更佳的欧姆接触，因此，发光器件的Vf减小。能与p—型接触层139构成优异欧姆接触的电极材料例如是含Ni和Au的金属化材料。当这种材料是用Ni淀积的与p—型GaN接触的淀积层时，可实现极好的欧姆接触。要求该p—型接触层139的载流子浓度控制化1×1017至1×1019cm-3的范围内。若载流子浓度小于1×1017cm-3，与电极难以形成欧姆接触。另一方面，当载流子浓度大于1×1019cm-3时，p—型GaN本身的结晶度变坏，因此可能减小发光效率。
按本发明第7实施例的氮化物半导体发光器件，包括一个有源层，其特征与上述第一实施例相同，并有一个第一主表面和一个第二主表面。形成与有源层的第一主表面接触的用不含铝的n—型氮化物半导体构成的第n—型覆盖层。设置与有源层的第二主表面接触的含Al和Ga的p—型氮化物半导体构成的第二p—型覆盖层。
图11是本发明第7实施例的发光器件结构的横切示意图。图11所示发光器件，包括一个衬底151，其上有缓冲层152，用于减轻衬底151与氮化物半导体之间的晶格失配，缓冲层152上形成用于构成负电极的n—型接触层153，第二n—型覆盖层154，第一n—型覆盖层155，有源层156，第二p—型覆盖层158和用于构成正电极的p—型接触层159，这些层按所述顺序选置。
第7实施例中，有源层156的第一主表面上形成的第一n—型覆盖层155，不要求是如第5实施例中的含In和Ga的n—型氮化物半导体，但可以是不合铝的n—型氮化物半导体。即，在本发明第5和第6实施例组合的特殊实施例中，可用GaN作第一n—型覆盖层155。更具体地说，该第一n型覆盖层155要用n—型InxGa1－xN(0≤x＜1)构成。“x”的范围可以在0≤x≤0.5，更好的是0≤x≤0.3，最好的范围是0≤x≤0.2。该第一n—型覆盖层155的载流子浓度要求控制在1×1018cm-3至1×1020cm-3范围内，因为，若构成第一覆盖层的InxGa1－xN中的“x”值选择在0.5以下，可获得实用中有高发射输出的发光层。若载流子浓度小于1×1018cm-3，进入In-GaN有源层的电子注入效率会减小，因此，减小发光输出。另一方面，若载流子浓度高于1×1020cm-3，第一n—型覆盖层的结晶度变坏。因此，可能减小发光输出。
用含Al和Ga的p—型氮化物半导体形成与有源层156的第二主表面接触的第二p—型覆盖层158(在图11中是放在第一p—型覆盖层157上面)。更具体地说。要求用p—型AlbGa1－bN(0≤b≤1)构成第二p—型覆盖层158。“b”值可控制在0≤b≤0.6的范围内。当“b”值控制在0.6以下时，能获得无裂纹的AlGaN晶体，因而，改善了它的结晶度。因此，发光输出会改善。要求该第二p—型覆盖层158的载流子浓度控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范围内。若载流子浓度小于1×1017cm-3，进入有源层的载流子的正空穴注入效率会减小，因此发光输出减小。另一方面，若载流子浓度高于1×1019cm-3，AlGaN的结晶度变坏，因此可能减小发光输出。该第二覆盖层138的厚度可形成在50埃至1.0微米范围内。用含Al和Ga的氮化物半导体层构成第二p—型覆盖层158，其相对于有源层156的能带偏移会增大，因而提高了发光效率。
有源层156的特征可以与第一，第5和第6实施例所述相同。
按本发明第7实施例，用不合铝的p—型氮化物半导体构成的第一p—型覆盖层157可设置在有源层156与第二p—型覆盖层158之间，如图11所示。更具体地说，要求用p—型IngGa1－gN(0≤g＜1)构成该第一p—型覆盖层157。“y”值可在0≤y≤0.5，更好范围为0≤y≤0.3，最好为0≤y≤0.2。也可采用对缓冲层无不利影响的GaN作该第一p—型覆盖层157的材料。要求该第一p—型覆盖层157的载流子浓度控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范围内。限制载流子浓度的原因与第一p—型覆盖层所述原因相同。
要求第一n—型覆盖层155和有源层156的总厚度，或有源层156，第一n—型覆盖层155和第一p—型覆盖层157的总厚度最好要控制在300埃以上。按该方式限制总厚度的原因与上述相同，即若总厚度是300埃以上，可减轻覆盖层和有源层上的应力，以避免覆盖层和有源层中出现纹裂。
按本发明第7实施例，可设置与第一n—型覆盖层155接触的用含Al和Ga的n—型氮化物半导体构成的第二n—型覆盖层154。要求用n—型AlaGa1－aN(0≤a＜1)构成该第二n—型覆盖层154。“a”值可控制在0≤a≤0.6的范围内，最好在0≤a≤0.4的范围内。因为，若“a”控制在不大于0.6可抑制在AlGaN本身中产生裂纹的可能性。该第二n—型覆盖层154的载流子浓度要求控制在5×1017cm-3至1×1019cm-3范围内。若载流子浓度小于5×1017cm-3，进入有源层156的电子注入效率会减小，因此减小发光输出。另一方面，若载流子浓度高于1×1019cm-3，AlGaN的结晶度变坏。因此有可能减小发光输出。第二覆盖层154的厚度可在50埃至1.0微米范围内。用含Al和Ga的氮化物半导体构成成第二n—型覆盖层154，其相对于有源层156和第一n—型覆盖层155的能带偏移会增大，因此增大发光输出效率。
按本发明第7实施例，可设置与第一n—型覆盖层155或与第二n—型覆盖层154接触的用n—型GaN构成的n—型接触层153，并同时设置与第二p—型覆盖层158接触的用p—型GaN构成的p—型接触层159。该n—型接触层153的载流子浓度要求控制在5×1017cm-3至5×1019cm-3的范围内。另一方面，p—型接触层159的载流子浓度要求控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范围内，选GaN作接触层材料的原因与上述相同，同时，在n—型接触层153的情况下，特别改善了其上生长的氮化物半导体的结晶度，其原因与上述相同。n—型接触层153的载流子浓度要求控制在5×1017cm-3至5×1019cm-3范围内。p—型接触层159的载流子浓度要求控制在1×1017cm-3至1×1019cm-3范围内。
按本发明第7实施例，也可在第一n—型覆盖层155的外边上设置组分不同的至少两种氮化物半导体构成的第一多层膜100，和/或在第二p—型覆盖层158的外边上设置组分不同的至少两种氮化物半导体构成的第二多层膜200，作为反光膜。
图12是具有这种反光膜的发光器件的剖视图。图13是图12所示发光器件的透视图。这些图示出了激光器件的结构。图中100是第一多层膜，200是第二多层膜。第一多层膜100和第二多层膜200各用不同组分的和折光率不同的氮化物半导体构成，第一多层膜100和第二多层膜200交替地叠置。在例如λ/4n(λ—波长，n—折射率)的条件下构成两层以上的结构，以反射有源层156的发射波长。如图12所示，第一多层膜100设置在第二n—型覆盖层154与n—型接触层153之间。第二多层膜200设置在第二p—型覆盖层158与p—型接触层159之间，因此，若激光振荡对用作例如10微米以下的条形电极，如图13中所示正电极，起作用时，可通过这些多层膜将有源层156发射的光限制在有源层内，以容易地使其产生振荡。这些多层膜的导电类型由用施主杂质或受主杂质掺杂确定。图12所示的实施例中，第一多层膜100形成在第二n—型覆盖层154与n—型接触层153之间。然而，第一多层膜100也可在n—型接触层153中形成。还可在p—型接触层159中形成第二多层膜200。甚至在这些接触层中形成这些多层膜，也同样有限制有源层156的光发射作用。也可省去第一多层膜100和第二多层膜200中的任何一种膜。例如，省去了第一多层膜100，可在兰宝石衬底151的表面上形成反光膜来代替第一多层膜100。
如图12所示，若用绝缘材料，如兰宝石作衬底，制备激光器件，所制成的激光器件结构会是一种倒装式系统，即，该系统中的正负电极均从同边伸出。这种情况下，如图12所示，要在n—型层一边上形成的第一多层膜100应设置在构成负电极的接触层153的水平面的p—型层一边上。因为，若第一多层膜100设置在接触层153的水平面的衬底151一边上。第二n—型覆盖层154和n—型接触层153之间的折射率之差变得有小，因此，有源层156发射的光可进入设置在有源层156下面的n—型接触层153中，这是用诸如兰宝石的绝缘衬底的氮化物半导体激光器所特有的功能。
构成多层膜的两种氮化物半导体中的至少一种应由含In和Ga的氮化物半导体构成，如由IncGa1－cN(0≤x＜1)或GaN构成。因为，GaN层或IncGa1－cN层在用多个单层在用多个单层迭置构成一多层膜时起缓冲层作用。因此，能有效避免在其它单层中产生裂纹。上述作用可归因于这些GaN和IncGa1－cN层的结晶结构比AlGaN层的结晶结构更柔软。相反，用多层AlGaN层构成总厚度为0.5微米以上的多层膜。每膜的Al含量不同。多层膜中必然会出现裂纹，使其很难制成所需的器件。
构成多层膜的两种氮化物半导体组合的最佳实施例是其中一层膜是用GaN或IncGa1－cN制成，另一层膜是用含Al和或Ga的氮化物半导体，例如AldGa1－dN(0≤d＜1)制成。由于IncGa1－cN的折射率与AldGa1－dN的折射率有很大差别，充分利用这些材料，并按发射波长，可设计出具有大反射率的多层膜。而且，由于IncGa1－cN起缓冲层作用，可构成无裂纹的AldGa1－dN层，因此能实现10层以上结构的多层膜。按此方式，InN，GaN和AlN中每一种的折射率分别为2.9、2.5和2.15。假定混合晶体的折射率符合Vegard′s定律，则可按组分比例计算出这些混合晶体的折射率。
按本发明第8实施例的氮化物半导体发光器件，包括一个有源层，它有一个第一主表面和一个第二主表面，并由含In和Ga的氮化物半导体构成。该第8实施例的特征是，用带隙比有源层带隙大的含In和Ga的n—型氮化物半导体构成的第一n—型覆盖层与有源层的第一主表面层接触，同时，用带隙比有源层的带隙大的含In的Ga型p—型氮化物半导体，例如p—型InzGa1－zN(0≤z＜1)构成的第一p型覆盖层与有源层的第二主表面接触。而，按第8实施例是以下述发现为基础的，而，若在InxGa1－xN有源层的第一主表面上或第二主表面上设置带隙比InxGa1－xN层的带隙宽的InGaN覆盖层，可改善制成的发光器件的输出。
图14是按本发明第8实施例的发光器件的结构的横截图。图14所示发光器件，包括衬底211，其上有缓冲层212，用于减轻衬底211与氮化物半导体层之间的晶格失配，其上形成有n—型接触层213，用于构成负电极，第二n—型覆盖层214，第一n—型覆盖层215，有源层216，第一p—型覆盖层217，第二p—型覆盖层218和构成正电极的p—型接触层219，按此顺序叠置这些层。
有源层216(InxGa1－xN)可以是n—型，也可以是p—型，但从获得具有强的能带至能带发射和窄的发射波长半导宽度的激光器件的角度考虑，有源层应是非掺杂层(不掺杂)。而且，有源层216可用n—型杂质和/或p—型杂质掺杂，若有源层216可用n—型杂质掺杂，与不掺杂有源层相比，能进一步提高能带至能带的发光强度。通过用p型杂质掺杂，有可能使峰值波长以能带至能带发射的峰值波长朝低能级边漂移0.5ev。若对有源层用n—型和p—型两种杂质掺杂，与只用受主杂质掺杂的有源层相比，有源层的发光强度会更进一步增强。若有源层要用p—型杂质掺杂，有源层的异电类型最好用n—型杂质如Si与p—型杂质一起掺杂而转变成n—型。为通过生长有优异结晶度的有源层获得激光器件，最希望用非掺杂材料制备有源层，如前述的。有源层最好是多量子阱或单量子阱。这种情况下，阱层厚度和势垒层厚度如第一实施例所述。
只设置第一n—型覆盖层215(一层n—型InyGa1－yN)或只设置第一p—型覆盖层217(一层p—型InzGa1－zN)可能都足够了，但最好是构成覆盖层215和217两层，如图14所示。因为，第一n型覆盖层215和第一p型覆盖层217的晶体均含In，是软的，这些覆盖层正如衬层一样起缓冲层作用。所以，可防止在第二n型覆盖层214，第二p型覆盖层218，n—型接触层213和p—型接触219中的任何一层内出现裂纹，这在下面会说明。作为缓冲层的InGaN的厚度范围最好是300埃以上，在有源层216和第一p型覆盖层215的组合总厚度内；在有源层216和第一p型覆盖层217组合总厚度内；或有源层216，第一n—型覆盖层215和第一p型覆盖层217的组合总厚度内。发光器件结构中，可省去第一n型覆盖层215，允许第二n—型覆盖层214起作用，代替第一n—型覆盖层215，或省去第一p型覆盖层218，允许第二p型覆盖层218起作用，代替第一p型覆盖层217，这在下面说明。
以上说明中，已解释了用InGaN构成的第一n型覆盖层215，有源层216和第一p型覆盖层217。这些层中要求控制这些InGaN中In的比例，例如“x”、“y”、“z”的值为0.5以下，更好的是0.3以下。最好是0.2以下。因为，随In摩尔比增大这些InGaN的结晶度趋于变得更坏。因而，可降低发光输出。要知道，分子式InxGa1－xN，IngGa1－gN和InzGa1－zN中还包括取代这些组分中的少量Ga的Al，例如InAlGaN；就这些替代而言，实质上不会削弱这些InGaN组合物的作用。例如，若分子式Ina′Alb′Ga1－a′－b′N中的b′值不大于0.1，第一n型覆盖层，有源层和第二p型覆盖层的原始作用不会改变。然而，由于包含Al，会使生成的晶体变硬。为了有最大的发射输出，只用不含铝的InGaN三元混合晶体，而不用氮化物半导体的四元混合晶体，构成第一n型覆盖层215，有源层216和第一p型覆盖层217，是可取的。设置只含Al和Ga的n型氮化物半导体，如n—型AlaGa1－aN(0≤a＜1)构成的第二n—型覆盖层214，或只含Al和Ga的p型氮化物半导体，如p—型AlbGa1－bN(0≤b＜1)构成的第二p—型覆盖层218可能是足够了。但要求设置与第一n—型覆盖层215接触的第二n—型覆盖层214，同时要求设置与第一p型覆盖层217接触的第二p型覆盖层218，如图14所示。第二n型覆盖层214和第二p型覆盖层218各自的厚度应在50埃至0.5微米的范围内。AlGaN组合物中Al的比例，即“a”或“b”值是在0.6以下，更好是0.4以下。因为，AlGaN晶体是硬的。若“a”或“b”值超过0.6，会出现裂纹，甚至设置InGaN构成的缓冲层，也会出现裂纹，而若“a”或“b”值超过0.6很可能出现裂纹。
应当清楚，AlaGa-a和AlbGa1－bN这样的表达式中微量的Ga可以用In等代替，象InAlGaN这种替代物实质上并没有减弱那些AlGaN成分的作用。例如，如果表达式INa′AlbGa1－a－b′N中的a′的值不大于0.1，那么AlGaN原有的作用并没有改变。然而，因为即使少量的In也会引起带隙变窄，所以必须采取措施使带隙大于第一n型覆盖层215，有源层216和第二P型覆盖层218的带隙。此外，In还会引起最终晶体结晶性的劣化，从而引起发射效率的降低。因此，最好在形成第二n型覆盖层214和第二P型覆盖层218时只用不含In的AlGaN这样的三元混晶，而不用氮化物半导体的多元混晶。由于第二n型覆盖层214和第二P型覆盖层218为含Al层，所以使其相对于第一n型覆盖层215、有源层216和第一P型覆盖层217的带隙变宽。
有源层和第一覆盖层的优选组合是那些由InyGa1－yN构成的第一n型覆盖层，由InxGa1－xN构成的有源层，和由InzGa1－zN构成的第一P型覆盖层的，应该注意的是，关系式y＜x和z＜x必须满足带隙关系的观点。有源层最好是由多量子阱或单量子阱构成，且最好是n型或非掺杂的。一个量子阱结构的有源层可基于能带—能带发射发出窄半带宽的光。
最佳有源层和第一覆盖层的组合是那些由InyGa1－yN构成第一n型覆盖层，由InxGa1－xN构成的有源层和由InzGa1－zN构成的第一P型覆盖层以及由AlbGa1－bN构成的有源层。由于采用了这些组合，才使构成具有很好结晶度的氮化物半导体双异质结构成为可能，从而可以大大提高发射输出。
如图14所示，n型接触层213最好与第二n型覆盖层214相接触，同时，P型接触层219与第二P型覆盖层218接触。可以形成n型接触层213使之既与第二n型覆盖214接触，又与第一n型接触层215接触。同样，形成P型接触层219，既可与第二P型覆盖层218接触，又可与第一P型覆盖层217接触。换句话说，如果第二n型覆盖层214略去，n型接触层213可与第一n型覆盖层215接触，同样，如果第二P型覆盖层218被略去，P型接触层219可与第一P型覆盖层217接触。在某种情况下，可以将第一n型覆盖层215和第二n型覆盖层214都略去，这样n型接触层213将起覆盖层的作用。同样，略去第一P型覆盖层217和第二P型覆盖层218，P型接触层219将起覆盖层的作用，然而，如果将这些覆盖层都省略，与这些层没有被略去相比，发射效率会大为降低，因此，如图14所示的发光器件的结构，是本发明的最佳结构。
n型接触层213和P型接触层219最好由不含Al和In的氮化物半导体GaN构成。因为这些接触层适于在其上形成电极，如果这些接触层是由具有很好结晶度和高载流子浓度的半导体构成，那么接触层会与电极材料形成良好的欧姆接触。因此，使用GaN是最佳方案。能够与n型接触层213形成良好欧姆接触的最佳例子是金属材料，其中包括Ti和Al。能与P型接触层219形成良好欧姆接触的电极材料的最佳选择也是金属材料，其中包括Ni和Au。当一个由GaN形成的接触层被用作电极承载层时，一个具有低Vf值和高发光效率的发光器件便可以实现了。
图15是本发明另一个例子的发光器体的结构横截面示意图。这个器件的透视图与图13是一样的。图15所示的发光器体是一种用了多层膜100和200的发光器件，这些多层膜与参照图12说明的那些膜是一样的。
根据本发明第9个实施例的氮化物半导体发光器件，提供一种其热膨胀系数比有源层的热膨胀系数小的N型氮化物半导体形成的第一n型覆盖层；和种其热膨胀系数比有源层的热膨胀系数小的P型氮化物半导体构成的第一P型覆盖层，和一个至少含有In的氮化物半导体形成的有源层，且该有源层夹在第一n型覆盖层和第一P型覆盖层中间。有源层被制成前文所述的单量子阱或多量子阱结构，这样便可得到一个能量较有源层成分所固有的带隙能量更低的光。即，有源层被制成单量子阱或多量子阱结构，一个沿平行于有源层和覆盖层界面方向的张应力产生了，这样才可能发出一个能量较有源层成分所固有的带隙能量更低的光。
换句话说，根据本发明的第9个实施例的发光器件，其特征是有源层的热膨胀系数高于第一n型覆盖层的热膨胀系数，并且第一P型覆盖层的构成是为了产生一个沿平行于有源层和覆盖层界面方向的张应力。为了弹性地将该应力应用到有源层，有源层被制成单量子阱或多量子阱结构，这样有源层带隙能量较小，同时可使有源层的发射波长移向长波的一边。此外，有源层中阱层和势垒层的厚度被做成降到临界水平，这样使可以生长一结晶度很好的InGaN层且可不考虑含In比例相对较大。
InaGa1－aN的固有带隙能量可由下公式解得Eg＝Eg1×a＋Eg2×(1－a)－a×(1－a)这里Eg1是InN的带隙能量(1.96ev)，Eg2是GaN的带隙能量(3.40ev)。InaGa1－aN的固有发射波长由此式解得为1,240/Eg。
对于单量子阱和多量子阱结构的上述说明，应重申一点，单量子阱结构的有源层是单阱层。多量子阱结构的有源层是由一系列阱层和势垒层组成，其中，阱层和势垒层交错叠加，并且该层的最外表面两层是阱层。
图16是本发明第9个实施例发光器件的横截面示意图。图16所示的发光器件，包括衬底311，其上有缓冲层312、n型接触层313。第二n型覆盖层314，第一n型覆盖层315、有源层316、第一P型覆盖层317、第二P型覆盖层318和P型接触层319，这些层按上面所述顺序叠置在衬底311上。
在第9个实施例中，有源层316由含In的氮化物半导体构成，并且被生长成单量子阱或多量子阱结构。因为含In的有源层316相对较软，且其热膨胀系数与其它氮化物半导体如AlGaN或GaN相比较高，所以可以通过使阱层的厚度变薄来改变发射波长，如只有一个单量子阱结构。量子阱结构的有源层316可以是n型也可以是P型。考虑到为了获得色纯度优良的发射光而应使通过能带—能带发射产生的光波的半带宽度窄，有源层316最好由非掺杂层构成。如果有源层316的阱层是由InzGa1－2N(0＜z＜1)形成，并且有源层具有相对覆盖层有很大差别的热膨胀系数，那么可以实现通过能带—能带发射发出具有波长范围由紫外到红光的光。另一方面，在多量子阱结构情况下，势垒层不是InGaN，而是GaN。
对第一n型覆盖层315来说适当的选择是与有源层相比具有较小热膨胀系数且带隙能量较高，但最好是n型InxGa1－xN(0≤x＜1)。因为由InGaN或GaN构成的第一n型覆盖层315与含Al的氮化物半导体相比是软晶体，所以这样的第一n型覆盖层起到了缓冲层的作用。也可以说，因为第一n型覆盖层315起到了缓冲层的作用，如果有源层316构成量子阱结构，那么将不再会有裂纹被引入有源层316。此外，这种第一n型覆盖层315的作用可以防止分别被生成在第一覆盖层315和316上的第二n型覆盖层314和第二P型覆盖层318产生裂纹。
第一P型覆盖层317适当的选择是与有源层316相比具有较高带隙能量和较小的热膨胀系数，但最好是P型AlyGa1－yN(0≤Y＜1)。当一含Al氮化物半导体如P型AlGaN被用来构成覆盖层，且与具有多量子阱或单量子阱结构的有源层连接触时，最终器件的发射效率会得到改善。
第一n型覆盖层315和第一P型覆盖层317中任一层可以被略去。如果第一n型覆盖层315被略去，第二n型覆盖层314就将代替第一n型覆盖层315。如果第一P型覆盖层317被略去，第二P型覆盖层318就将代替第一P型覆盖层317。然而由n型InGaN或n型GaN构成的第一n型覆盖层315与有源层相接是较好的。
根据本发明的第9个实施例，由n型氮化物半导体构成的第二n型覆盖层314与第一n型覆盖层315相接，这第二n型覆盖层314最好是由n型AlaGa1－aN(0≤a≤1)构成。如果第一n型覆盖层315由InGaN构成，第二n型覆盖层314便可由GaN或AlGaN构成。因为一含Al的氮化物半导体其热膨胀系数小且是硬晶体，当它被用来构成第二n型覆盖层314与第一n型覆盖层315相连接时，附加的张应力会对有源层产生影响，这样，有源层的发射波长会移向波长较长的一边。如果含Al的第二n型覆盖层314与有源层314的主表面相连，那么有源层316的主表面的相对一面应在先形成由InGaN或GaN构成的第一P型覆盖层317且充当缓冲层。
第二n型覆盖层314(AlaGa1－aN(0≤a＜1)的厚度最好是在50～1μm范围内。如果第二n型覆盖层314的厚度被控制在这个范围内，那么一个合适的张应力将施加于有源层。“a”的值是0.6或小于0.6较好，最好是0.4或小于0.4。因为即使在第二n型覆盖层314内形成裂纹的可能性由于生长的第一n型覆盖层315而变得最小，但AlGaN晶体仍然很硬，这样如果“a”的值超过0.6还是会在AlGaN层产生裂纹。一般地，在AlGaN层中Al的比例越高，有源层发射波长就越长。
根据这个实施例，由一p型氮化物半导体构成的第二p型覆盖层318与第一p型覆盖层317相连。第二p型覆盖层318最好由p型AlbGa1－bN(0≤b≤1)构成。如果第一n型覆盖层315由AlGaN构成，则第二p型覆盖层318应由GaN构成充当接触层。如果含Al的第二p型覆盖层318与有源层316的一个主表面相连，则有源层的主表面的相对面(n层一边)应在先形成由InGaN或GaN构成的第一n型覆盖层315且作缓冲层。
第二p型覆盖层318的作用与第二n型覆盖层314相同，这样第二p型覆盖层318的厚度最好也在50～1μm之间。“b”的值为0.6或小于0.6，最好为0.4或小于0.4。一般地，在AlGaN层Al的比例越高，有源层发射波长越长。
因为采用了含Al的氮化物半导体层，或者GaN作为第二n型覆盖层314或作为第二p型覆盖层318，那么含Al的第一n型或p型覆盖层315和317的带隙能量比有源层316都增加了，因此提高了发射效率。增大与有源层316相比的热膨胀系数的差，有源层发射波长将会向较长的一边移动。
接下来讨论形成有源层和覆盖层的最佳组合。首先合适的有源层316和第一覆盖层315和317的组成是，如第一n型覆盖层由InxGa1－xN(0≤x＜1)构成；有源层由InzGa1－zN(0≤z＜1)的量子阱结构构成；第一p型覆盖层由InyGa1－yN(0＜y＜1)构成。在这些组合中当然要考虑带隙能量，所以应满足x＜z的采件。
当有源层316是单量子阱结构时，阱层的厚度应在100或100以下；当有源层316是多量子阱结构时，阱层的厚度应在100或100以下，势垒层的厚度应在150或150以下，以便得到在n型或不掺杂情况下径能带—能带发射的具有窄半带宽的光发射。
这些层的最合适组合是，第二n型覆盖层314由AlaGa1－aN(0≤a≤1)构成；第一n型覆盖层315由InxGa1－xN(0≤x＜1)构成；有源层316由InzGa1－zN(0＜z＜1)构成单量子阱结构；第一p型覆盖层317由InyGa1－yN(0≤y＜1)构成；第二p型覆盖层318由AlbGa1－bN(0≤b≤1)构成。在这些化合物中，第一n型覆盖层315和第一p型覆盖层317中的任何一个或者两者都可以略去。当第一覆盖层略去时，第二n型覆盖层314或第二p型覆盖层318将代替第一覆盖层的位置起覆盖层的作用。如果仅由第一覆盖层315，317和有源层316组成的结构很难提供给有源层足够的张应力，可以在第一覆盖层315和317的外面生长含Al的第二覆盖层，用来增大第二覆盖层314、318和有源层316之间的热膨胀系数之差。因此将有源层制成一个由薄阱层和薄势垒层构成的多量子阱结构，或制成只有薄阱层的单量子阱结构，可通过界面的张应力来减小有源层的带隙，使发射波长向长波移动。
根据本发明的另一个实施例是将器件结构中的第一n型覆盖层和有源层的总厚度控制在300或更多，这里第一n型覆盖层3.5由含In的n型氮化物半导体或n型GaN构成。因为当这一总厚度是300或更多时，GaN或InGaN层就充当一缓冲层的作用，这就允许有源层由量子阱结构构成，且可防止第一p型覆盖层317和第二p型覆盖层318产生裂纹。
应该清楚，这里InxGa1－xN，InyGa1－yN和InzGa1－zN这些表达式也包括这些组成中的少量Ga或In被Al替代的情况，如InAlGaN这种替换并不会减弱InGaN的作用。同样，表达式AlaGa1－aN和AlaGa1－bN中也包括这些组成中的少量Al或Ga被In替代的情况，如InAlGaN这种替换也不会减弱AlGaN的作用。
另外，有源层316可以掺杂施主或受主杂质。如果有源层316的掺杂不影响其结晶度，那么，与不掺杂有源层相比，掺杂有源层将会增加其能带—能带发射的强度。通过掺杂受主杂质，虽然半带宽要变宽，但可将峰值波长从能带—能带发射的峰值波长向低能方向移动0.5ev。如果有源层同时掺杂施主和受主杂质，有源层的发射强度将比只掺受主杂质更强。如果有源层掺杂受主杂质，有源层的导电性可以通过同时掺施主杂质如Si和受主杂质而转为n型。由于根据本发明有源层应能理想地通过能带—能带发射发射强光，因此最好是用不掺杂的InGaN这种材料作有源层。换句话说，如果有源层掺杂，其结晶度要比不掺杂坏得多，而且和掺杂的发光器件相比，用不掺杂的InGaN作有源层的发光器件的优点在于有较低的Vf值。
本发明中的多量子阱结构有源层由InGaN/GaN或InGaN/InGaN(组分上不同)组成，即由包含阱层/势垒层的薄层叠加而成。当有源层为多量子阱结构时，其发射效率相对单量子阱结构有所改善。多量子阱结构的LED或LD器件，其阱层的厚度应控制在几埃至几十埃，垫垒层的厚度也应控制在几埃至几十埃。这些薄层交替叠加形成多量子阱结构。较合适的阱层厚度是100或更小，70或更小则更好，上面提到的层厚范围也可用于单量子阱结构的有源层。另一方面，较合适的势垒层厚度为150或更小，最好是100或更小。在制作多量子阱结构时，阱层和势垒层掺杂施主或受主杂质。当一系列薄层以这种方式叠加时，一些晶格畸变可被有源层弹性地吸收掉。
如图16所示，用来在其上承载电极的由n型GaN形成的n型接触层313最好与第一n型覆盖层315或第二n型覆盖层314接触。同样，用来在其上承载电极的由p型GaN形成的p型接触层319最好与第一p型覆盖层317或第二p型覆盖层318接触。由于第二n型覆盖层314和第二p型覆盖层318是由GaN构成，所以接触层313和319可以略去。在这种情况下，第二覆盖层314和318即充当接触层。需要这些接触层313和319的原因是因为当电极和由三元或更多元混晶构成的第一覆盖层或第二覆盖层接触时，很难得到令人满意的欧姆接触。而当用GaN作接触层材料时便能得到很好的欧姆接触。有了良好的电极欧姆接触，便可以得到低Vf和高发射效率的发光器件。
图17是一个单量子阱结构的有源层的阱层厚度和发光器件的发射峰值波长关系图。图17中标“α”的实线代表发光器件的有源层为不掺杂的In0.05Ga0.95N的结果，标“β”的虚线代表发光器件有源层为不掺杂的In0.3Ga0.7N的结果。这两种发光器件的结构都是按顺序由一个第二n型覆盖层，一个第一n型覆盖层，一个有源层，一个第一p型覆盖层，一个第二p型覆盖层所构成的双异质结构。在这两个器件中，第二n型覆盖层为0.1μm厚的掺Si的n型Al0.3Ga0.7N，第一n型覆盖层为500厚的In0.01Ga0.99N层，第一p型覆盖层为20厚的掺Mg的p型Al0.01Ga0.99N层，第二p—型覆盖层为0.1μm掺Mg的p型Al0.3Ga0.7N层。图17所示发射波长随着有源层厚度改变而改变。
“α”所代表的由In0.05Ga0.95N构成的有源层根据它所固有的带隙能量发出了接近380μm的紫外光，但是通过减薄有源层厚度，可以变为发出兰紫光，这样就将发射波长移到了接近420nm。另一方面，“β”所代表的由In0.3Ga0.7N构成的有源层，根据它所固有的带隙能量发出了接近480nm的兰绿光。也可以通过减薄有源层厚度使之发射出纯绿光，其波长接近520nm。就象上面所说明的，可以通过减薄夹在第一n型覆盖层和第一p型覆盖层间的有源层的厚度来使发射波长向长波移动。也就是说，一般较大的有源层厚度，发射接近其固有带隙能量的光。在本发明中的单量子阱结构的有源层中，可以通过减薄阱层厚度使带隙变到最小便得到比阱层固有带隙能量更低或波长更长的光。而且因为有源层为不掺杂层，它比掺杂层具有更好的结晶度，并且可有更高发光效率。因此，可以通过能带—能带发射获得很好色彩纯度的窄半带宽的光。
当采用常规厚度的InzGa1－zN作有源层时，最后的有源层具有很差的结晶度。例如，当In的比率即“z”为0.3至0.5时，结晶度变差，相应表现为很低的发射效率。然而当有源层较薄时，即使In的比例相当高，也可得到很好的结晶度。
所以，阱层的厚度控制在100或以下较好，最好是70或更小。图17给出的根据本发明的一例发光器件的特性中，随着第二覆盖层和第一覆盖层给有源层的张应力的不同，发射波长向长波移动的范围有所不同。同样，合适的有源层厚度范围也随这些层的组分变化有所改变。
众所周知，AlN的热膨胀系数为4.2×10-6/k，GaN的热膨胀系数为5.59×-6/k。由于完全结晶态的InN还没有得到，所以InN的热膨胀系数还不清楚。假设InN的热膨胀系数是这些氮化物半导体中最高的，具有如下顺序InN＞Gan＞AlN。关于这些氮化物的生长温度，用MBE法生长通常为500℃或更高，用MOVPE为900℃或有时更高。例如，用MOVPE方法生长，在700℃或更高温度生长InGaN，而在900℃生长AlGaN。因此，当具有相对有源层有较小热膨胀系数的一对覆盖层在高温下形成，同时其间夹有热膨胀系数较高的有源层，然后从其生长的高温降至室温时，由于有源层有相对较大热膨胀系数，它将受到覆盖层的拉力，这样有源层在平行于有源层和覆盖层的界面方向上受张应力。正因为如此，有源层的带隙能量减至最小，引起发射波长变长。由In0.05Ga0.95N或In0.3Ga0.7N构成的有源层的热膨胀系数比第一和第二覆盖层的大的原因是，In在有源层比例比在这些覆盖层中的大。因此平行于有源层和覆盖层的界面的张应力发生了，这样便使得有源层的带隙能量变小，与通常的能带—能带发射比，其发射波长向长波移动。由于这个张应力随有源层的厚度变薄而增大，所以可以得到比一般发射波长更长的光波。
本发明第9个实施例的一个最佳发光器件，包括一由含In的n型氮化物半导体或n型GaN构成的第一n型覆盖层，一与第一n型覆盖层相连的由至少含In的其热膨胀系数大于第一n型覆盖层的氮化物半导体构成的有源层，其中有源层为单量子阱或多量子阱结构，以便获得比有源层本身固有的带隙能量更低的光。将发光器件的第一n型覆盖层和有源层的总厚度控制在300或更多为最好。第9个实施例的另一最佳发光器件，包括一个由含In的氮化物半导体制成的单量子阱或多量子结构的有源层，一个由含Al的且与有源层相比有较高热膨胀系数的P型氮化物半导体构成的第一P型覆盖层，以便获得与有源层本身固有的带隙能量相比较更低能量的光。
按照本发明的第九实施例，制成与含有In和Ga的有源层316相接的另一个第一n型覆盖层315，该第一n型覆盖层315起着有源层与含Al的第二n型覆盖层314之间缓冲层的作用，即由于构成第一n型覆盖层315的含In GaN或氮化物半导体固有的结晶性是软的，因此由于晶格常数失配或由于第二n型覆盖层314与有源层316之间热膨胀系数的差异所产生的任何畸变均通过第一n型覆盖层315而吸收。由于该原因，设想在有源层316和第二n型覆盖层314产生裂纹的可能性既使将有源层做得很薄也会减小。由于畸变可通过如上所述的第一n型覆盖层315所吸收，所以在有源层厚度为200埃或更小时，有源层可通过拉应力而弹性地变形，因此减小了带隙能量，并且也许会加宽发射波长。此外，有源层的晶体缺陷可以被减少，因此，即使将有源层做得很薄，也还可以改善有源层的结晶性，由此增大了发射输出。为了使第一n型覆盖层315起缓冲层的作用，应最好将具有软晶体结构的有源层316和第一n型覆盖层315的总厚度控制为300埃或以上。
如果第一p型覆盖层由含Al的氮化物半导体制成，将会改善发射输出，这大概是由于这样的事实，AlGaN与其它氮化物半导体相比较更容易变成p型，或由InGaN制成的有源层的分解在生长第一p型覆盖层步骤过程中可通过AlGaN而阻止，然而，其具体的原因还不清楚。
由氮化物半导体组成的发光器件的制造可使用例如MOVPE(金属有机汽相外延)，MBE(分子束外延)或HDVPE(氢化物汽相外延)法来完成。例如，发光器件可通过在一衬底上叠加n型或p型的InaAlbGa1－a－bN(0≤a；0≤b；a＋b≤1)而制成，以便获得双异质结构。对于用作衬底的材料，可以使用蓝宝石(其包括C平面，R平面和A平面)，SiC(包括6H-SiC和4H-SiC)，Si，ZnO，GaAs，尖晶石(MgAl2O4，特别是其(111)平面)，和单晶氧化物(如NGO)。n型氮化物半导体可以以非掺杂状态而获得，而且还可以在其晶体生长过程中通过将施主杂质如Si，Ge或S扩散到半导体中而获得。p型氮化物半导体可通过在其晶体生长过程中将受主杂质如Mg，Zn，Cd，Ca，Be或C扩散到半导体中而制成，或通过扩散受主杂质并然后在400℃温度下进行退火而制成。
本发明已参照其第1至第9实施例进行了描述，下面将借助于实例进一步加以解释。然而，其不应作为对本发明的限制，参照一实施例所描述的特征和解释说明可应用于适当情况下的其它实施例中。例如，参照第五和第六实施例所说明的各层载流子浓度可以应用于其它实施例，既使各层的材料有所不同。
例1本例1将参照图1说明如下。
首先，使用TMG(三甲基镓)和NH3作为原料，在已事先放于反应器中的蓝宝石衬底11的C平面上在500℃温度下生长由GaN制成的缓冲层，其厚度为200埃。
然后，将温度升到1050℃，在这种情况下，将硅烷气加到TMG和NH3中，由此生长由Si掺杂的n型GaN组成的n型接触层12，其厚度为4μm厚。
接着，将温度降到800℃，并将TMI(三甲基铟)加到原料气中，由此生长由Si掺杂n型In0.05Ga0.95N制成的n型覆盖层13，其厚度为500埃。
当保持该800℃温度时，生长由非掺杂n型In0.2Ga0.8N组成的单量子阱结构的有源层14达20埃厚。
然后，将温度再升到1050℃，在这时，使用TMG，TMA(三甲基铝)，NH3和Cp2Mg(环戊二烯基镁)来生长由Mg掺杂p型In0.1Ga0.9N组成的第一p型覆盖层61达0.1μm厚度。
当保持1050℃的该温度时，生长由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的第二p型覆盖层62达0.5μm厚度。
然后，在1050℃的温度下，生长由Mg掺杂GaN组成的p型接触层15达1.0μm厚度。
在反应完成以后，将温度降到室温，并将所得晶片取出，然后在700℃温度下进行晶片退火，以便降低p型层的电阻率。然后，进行蚀刻，以便使n型接触层12的表面从p型接触层15的最上层露出。在完成蚀刻以后，在p型接触层15的表面上制成由SiO2组成的并且有开口16a的电流限制层16，然后，在电流限制层16上制成由Ni和Au组成的正极17，使其通过开口16a而与p型接触层15相连接。接着，制成由Ti和Al组成的负极18。
然后，将还未制成氮化物半导体层的蓝宝石衬底11表面抛光以减小衬底厚度达到90μm。然后，划片并且力破开蓝宝石衬底的M平面(在六方晶系中对应于六角柱侧表面的平面)，以制成激光芯片。完后，在芯片的破开表面上制成介电多层膜，并将所得芯片放于散热片上，在室温下对该芯片进行激光振荡试验，用以证明在2.0KA/cm2阈值电流密度下在450nm下产生激光振荡。
例2本例2将参照图2说明如下。
以与例1中相同的方式，在蓝宝石衬底21上制成具有200埃厚度的GaN缓冲层，并采用MOVPE方法制成4μm厚度的由n型GaN组成的n型接触层22。
然后，在制成具有0.5μm厚度并由Si掺杂n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆盖层72以后，制成500埃厚度并掺Si的n型In0.05Ga0.95N组成的第一n型覆盖层71。
然后，生长具有20埃厚并由非掺杂In0.2Ga0.8N组成的单量子阱结构的有源层23，完后，顺序地在其上淀积具有0.5μm厚并由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的p型覆盖层24，和具有1.0μm厚度并由Mg掺杂GaN组成的p型接触层25。
然后，采用与例1中相同的处理方式以获得激光芯片，然后将其放于散热片上进行激光振荡，由此证明在2.0KA/cm2阈值电流密度下在450nm下产生激光振荡。
例3本例3将照衅3说明如下。
首先，采用与例1中相同的方法在蓝宝石衬底31上通过MOVPE法制成具有200埃厚度的GaN缓冲层，和具有4μm厚度并由n型GaN组成的n型接触层32。
然后，在制成具有0.5μm厚度并由Si掺杂n型Al0.3Ga0.7N制成的第二n型覆盖层82以后，制成具有0.1μm厚度并由Si掺杂n型In0.05Ga0.95N组成的第一n型覆盖层81。
然后，生长具有20埃厚度并由非掺杂In0.2Ga0.8N组成的单量子阱结构的有源层33，完后，顺序地在其上淀积具有0.1μm厚度并由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的第一p型覆盖层91，具有0.5μm厚度并由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的第二p型覆盖层92，和具有0.5μm厚度并由Mg掺杂p型GaN组成的p型接触层34。
然后，在重复了与例1中相同的处理步骤以后，将所得激光芯片放于散热片上以进行激光振荡，由此证明在1.0KA/cm2的阈值电流密度下在450nm下产生激光振荡，如此可获得与上述例子中所示第一和第二实施例相比要低的阈值电流密度的LD器件。
例4按照例3的步骤，只是生长具有0.1μm厚度的Si掺杂n型GaN层以代替第一n型覆盖层81(Si掺杂n型In0.05Ga0.95N)。
然后，在覆盖层81上顺序地淀积具有30埃厚度的非掺杂In0.4Ga0.6N阱层，和具有50埃厚度的非掺杂In0.08Ga0.92N势垒层。重复这些步骤直到获得由阱层＋垫垒层＋阱层＋垫垒层＋阱层组成并具有190埃总厚度的5叠层的多量子阱结构，由此构成有源层23。
然后，在形成有源层23以后按照与例3中相同的处理步骤而获得激光芯片，完后将其放于散热片上进行激光振荡，由此证明在0.9KA/cm2的阈值电流密度下在500nm下产生激光振荡。
例5按例1的步骤，只是在由Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N组成的第一覆盖层61淀积达到0.1μm厚度以后，在第一覆盖层61上生长由Mg掺杂p型GaN组成并具有1.0μm度的p型接触层15。
在反应完成以后，采用与例1中相同的方法在700℃温度下进行晶片的退火，以便降低p型层的电阻率。然后，进行蚀刻，以便使n型接触层12的表面从p型接触层15的最上层露出。在完成蚀刻以后，在p型接触层15的表面上制成由Ni和Au组成的正极17，接着，制成由Ti和Al组成的负极18，也就是说，不同制成介电多层膜则制造LED器件。该LED表现出在200mAIf(正向电流)下发蓝色荧光在45nm下，并且Vf(正向电压)为3.5V，LED的发射输出为6MW，其表现出高输出，发射光谱的半带宽度为20nm，其表现出尖锐的能带—能带发射。
例6按照例1的步骤，只是省略了例1中电流限制层16和介电多层膜的形成，并按例5中所述直接在p型接触层15上制成正极17，从而制成LED器件。该LED器件在20mAIf下表现出发蓝色荧光在450nm下，并且Vf为3.5V。LED的发射输出为6mW，其表现出高输出。象例5的情况下一样，发射光谱的半带宽度为20nm，其表现出尖锐的能带—能带发射。
例7本例对应于本发明的第四实施例，并将参图1对其说明如下。
采用例1所述相同方法，通过MOVPE法在蓝宝石衬底11上制成具有200埃厚度的GaN缓冲层，和具有4μm厚度并由n型GaN组成的n型接触层12。
然后，在n型接触层12的表面上直接制成具有30埃厚度并由非掺杂In0.2Ga0.8N组成的单量子阱结构的有源层14。完后，在其上顺序地淀积具有0.05μm厚度并由Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N组成的第一p型覆盖层61，和具有0.5μm厚度Mg掺杂p型GaN组成的p型接触层15。
然后，采用与例5中相同的方法，在p型接触层15上直接制成正极17，以获得LED器件。该LED器件在20mAIf下表现出发蓝色荧光在450nm下，并且Vf为3.5V，LED的发射输出为7mW，其表现出很高的输出。象例5的情况一样，发射光谱的半带宽度为20nm，其表现出尖锐的能带—能带发射。
比较例按照例5的步骤，只是在淀积了Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N组成的第一p型覆盖层61达到2μm厚度以后，在第一覆盖层61上生长由Mg掺杂GaN组成的p型接触层15达到1.0μm厚度。
在反应完成以后，用显微镜观察p型接触层，发现其中形成有大量裂纹。另外，同样地进行晶片退火，并同样地由其制成LED器件。该LED器件呈现发蓝光，波长为450nm，而其Vf在20mA If下为10V高，LED的发射输出为100mW或以下。
例8
本例8将参照图9说明如下。
首先，使用TMG和NH3作为原料，在已事先放置于反应器中的蓝宝石衬底121的C平面上在500℃温度下生长具有500埃厚度并由GaN组成的缓冲层122。
然后，将温度升到1050℃，在这种情况下将硅烷气除TMG和NH3加入以外而加入，由此生长具有4μm厚度并由Si掺杂n型GaN组成的n型接触层123。该n型接触层123的载流子浓度为2×1019/cm3。
然后，在保持1050℃相同温度下，将TMA加入到原料气中，由此生长具有0.1μm厚度并由Si掺杂n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆盖层124。该第二n型覆盖层124的载流子浓度为1×1019/cm3。
接着，将温度降到800℃，并通过使用TMG，TMI，NH3和硅烷气，生长具有500埃厚度并由Si掺杂n型In0.01Ga0.99N所制成的第一n型覆盖层125。该第一n型覆盖层125的载流子浓度为5×1018/cm3。
在保持800℃该温度下，并通过使用TMG、TMI和NH3，生长具有30埃厚度并由非掺杂In0.05Ga0.95N组成的有源层126。
然后，将温度再升到1050℃，在这种情况下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg来生长0.1μm厚度并由Mg掺杂p型覆盖层128的空穴载流子浓度为1×1018/cm3。
在保持1050℃的该温度下，通过使用TMG，NH3和Cp2Mg，生长具有0.5μm厚度并由Mg掺杂p型GaN组成的p型接触层129。该p型接触层129的空穴载流子浓度为5×1019/cm3。
在反应完成以后，将温度降到室温，并将所得晶片取出，然后在700℃温度下进行晶片退火，以便降低p型层的电阻率。然后，在最上面的p型接触层129表面上制成规定图型掩模以后，进行蚀刻，以便使n型接触层123的表面从最上面的p型接触层129露出。在完成蚀刻以后，在n型接触层123的表面上制成由Ti和Al组成的负极，并在p型接触层129的表面上制成由Ni和Au组成的正极。
在采用该方式制成电极以后，将所得晶片表面切成多个芯片，其每个芯片为350μm×350μm方形，并将其制成具有15度视角的LED器件。该LED器件在20mA If下呈现出峰值波长为415nm的发蓝色荧光，并且Vf为3.5V，LED的发射输出为6mw，发射光谱的半带宽度为20nm，其呈现出高纯色的发射。
例9本例9将参照图10说明如下。
按照与例8相同的处理方法而形成由n型Si掺杂Al0.3Ga0.7N组成的第二n型覆盖层134。然后，在与例8中相同条件下在第二覆盖层134的表面上生长具有40埃厚度并由非掺杂In0.05Ga0.95N组成的有源层136。
然后，在800℃温度下通过使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg而在有源层136上淀积具有500埃厚度并由Mg掺杂p型In0.01Ga0.99N组成的第一p型覆盖层137。
然后，在形成了第一覆盖层137以后，按照与例8中相同的处理方法而获得图10中所示LED器件。该LED器件在20mA If下呈现出峰值波长为410nm的发荧光，并且Vf为3.5V，发射光谱的半带宽度为20nm，并且IED的发射输出为5mW。
例10本例10将参照图11说明如下。
按照命名8中相同的处理方法直到形成由Si掺杂n型In0.01Ga0.99N组成的第一n型覆盖层155。然后，在与例8同样条件下在第一覆盖层155表面上生长具有40埃厚度并由非掺杂In0.05Ga0.95N组成的有源层156。
然后，在800℃温度下通过使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg而在有源层156上淀积具有500埃并由Mg掺杂p型In0.01Ga0.99N组成的第一p型覆盖层157，该第一p型覆盖层157退火以后的空穴载流子浓度为2×1017/cm3。
例11然后，按照与例8相同的处理方法以制成由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的第二p型覆盖层158，和由Mg掺杂p型GaN组成的p型接触层159。完后，按照与例8相同处理方法获得图11中所示的LED器件。该LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长420nm的发荧光，和Vf为3.5V，发射光谱的半带宽度为20vm，并且LED的发射输出为9mW。
按照与例8相同的处理方法直到形成由Si掺杂n型Al0.3Ga0.7N组成的第二n型覆盖层154。
然后，在第二n型覆盖层154上生长具有500埃厚度并由Si掺杂n型GaN组成的第一n型覆盖层155。该第一n型覆盖层155的电子载流子浓度为2×1019/cm3。
然后，采用与例10中相同的方法在第一n型覆盖层155上淀积具有40埃厚度并由非掺杂In0.05Ga0.95N组成的有源层156。
然后，按照与例8相同的处理方法制成由Mg掺杂p型Al0.3Ga0.7N组成的第二p型覆盖层158，和由Mg掺杂p型GaN组成的p型接触层159。完后，按照与例8相同的处理方法获得LED器件。该LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长415nm的荧光发射，并且Vf为3.5V，发射光谱的半带宽度为20nm，并且LED的发射输出为5mW。
例12按照与例8相同的处理方法，只是有源层126的组成为In0.2Ga0.8N，由此获得LED器件。该LED器件在20mA If下呈现出峰值波长为455nm的蓝色荧光，并且Vf为3.5V，发射光谱的半带宽度为20nm，并且LED的发射输出为5mw。
例13按照相同步骤制成象例8那样的LED器件，只是有源层126为多量子阱结构，特别是，在800℃温度下使用TMG，TMI和NH3生长具有20埃厚度的非掺杂In0.1Ga0.9N阱薄膜，然后生长具有20埃厚度的In0.02Ga0.98N阻挡膜。重复三次这种处理过程，并最后生长有20埃厚度的In0.1Ga0.9N阱膜，以获得具有140埃总厚度的多量子阱结构的有源层126。如此制备的LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长420nm的蓝色荧光，并且Vf为3.5V，LED的发射输出为7mv。
例14按照与例8相同步骤制备LED器件，只是将DEZ(二乙基锌)用作受主杂质，将硅烷气用作施主杂质，以制成具有50埃厚度并用Si和Zn掺杂的n型In0.05Ga0.95N层。如此获得的LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长450nm的蓝色荧光，Vf为3.5V，并且半带宽度为70nm，LED的发射输出为3mw。
例15采用与例8中相同的方法，在n型接触层123上顺序地生长由Si掺杂n型In0.01Ga0.99N组成的第一n型覆盖层125，由非掺杂In0.05Ga0.95N组成的有源层126，由Mg掺杂P型Al0.3Ga0.7N组成的第二P型覆盖层128，和P型接触层129。也就是，按照与例8相同的步骤来制备LED，只是未制成第二n型覆盖层124。如此制备的LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长410nm的荧光和Vf为3.5V，LED的发射输出为5mw。
例16本例16将参照图12和13说明如下。
按照与例8中所述相同的步骤直到形成n型接触层153。然后，将温度降到800℃，通过使用TMG，TMI，NH3和硅烷气而生长具有380埃厚度由Si掺杂n型In0.01Ga0.99N组成的薄膜。然后，在将温度升到1050℃以后，通过使用TMG，TMA，NH3和硅烷气而生长具有390埃厚度由Si掺杂n型Al0.2Ga0.8N组成的薄膜。将这些步骤重复20次，由此生长第一n型多层膜100，它是由十层Si掺杂n型In0.01Ga0.99N与十层Si掺杂n型Al0.2Ga0.8N交替层叠而组成。
然后，采用与例10中相同的方法顺序地淀积第二n型覆盖层154，第一n型覆盖层155，有源层156，第一P型覆盖层157和第二P型覆盖层158。
接着，将温度降到800℃，并通过使用TMG，TMI，NH3和Cp2Mg，生长具有380埃厚度的Mg掺杂P型In0.01Ga0.99N层。然后，再将温度升到1050℃，在这种情况下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg来生长具有390埃厚度的Mg掺杂P型Al0.2Ga0.8N层。重复这些步骤，由此获得第二P型多层膜200，它是由十层Mg掺杂P型In0.01Ga0.99N与十层Mg掺杂P型Al0.2Ga0.8N交替层叠而组成。
在形成第二P型多层膜200以后，采用与例8中相同方法在第二P型多层膜200的表面上生长P型接触层159，以制备晶片。
然后，在采用与例8中相同方法进行氮化物半导体层的蚀刻以后，在最上面的P型接触层159的表面上制成规定图型掩模，以便在n型接触层153上制成宽度50μm的负极，并在P型接触层159上制成宽度10μm的正极。当在n型接触层153上制成第一n型多层膜100时，用以承受负极的水平面将自动地设置成比第一n型多层膜100的水平低，如图12中所示。
然后，将其上未制成氮化物半导体层的蓝宝石衬底151和表面抛光的减小衬底的厚度达到90μm。然后将蓝宝石衬底151的M平面划片，并将所得昌片切成备芯片，其每个芯片为700μm×700μm方形，并将其制成图13中所示的条型激光器。衅13对应于按照本实便的激光器件透视图，其中与条形形状正极垂直相交的氮化物半导体层平面构成了光共振表面。用绝缘膜(未示出)覆盖除去电极以外的整个表面。然后，将如此获得的芯片设置在散热片上，并将每个电极丝焊。当将该芯片在室温下经受激光振荡时，可以证明在1.5KA/cm2阈值电流密度下在390nm下激光振荡。
例17本例17将参照图16说明如下。
首先，使用TMG和NH3作为原材料，在已事先设置于反应器中的蓝宝石衬底311的C平面上在500℃温度下生长具有500埃厚度并由GaN组成的缓冲层312。
然后，将温度升到1050℃，在这种情况下将硅烷气除TMG和NH3以外而加入，由此生长具有4μm厚度并由Si掺杂n型GaN组成的n型接触层313。
然后，将TMA加入到原料气中，同时保持1050℃的相同温度，由此生长具有0.1μm厚度并由Si掺杂n型Al0.3Ga0.7N所制成的第二n型覆盖层314。
接着，将温度降到800℃，并通过使用TMG，TMI，NH3和硅烷气，生长具有500埃厚度并由Si掺杂n型In0.01Ga0.99N所制成的第一n型覆盖层315。
在保持800℃该温度下，通过使用TMG，TMI和NH3，生长具有30埃厚度并由非掺杂In0.8Ga0.2N组成的单量子阱结构的有源层316。
然后，通过使用除TMG，TMI和NH3以外的Cp2Mg，在800℃温度下生长具有500埃厚度并由Mg掺杂P型In0.01Ga0.99N组成的第一P型覆盖层317。
然后，再将温度升到1050℃，在这种情况下，使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg来生长具有0.1μm厚度并由Mg掺杂P型Al0.3Ga0.7N组成的第二P型覆盖层318。
在保持1050℃该温度下，通过使用TMG，TMA，NH3和Cp2Mg，生长具有0.5μm厚度并由Mg掺杂P型GaN组成的P型接触层319。
在反应完成以后，将温度降到室温，并将所得晶片取出，然后在700℃温度下进行晶片退火，以便降低P型层的电阻率。然后，在最上面的P型接触层319的表面上制成规定图型的掩模以后，进行蚀刻，以便使n型接触层313的表面从最上面的P型接触层319上露出。在完成蚀刻以后，在n型接触层313的表面上制成由Ti和Al所制成的负极，然后在P型接触层319的表面上制成由Ni和Au所制成的正极。
在采用该方式制成电极以后，将所得晶片切成芯片，其每个芯片350μm×350μm方形，并将其制成具15度视胆的LED器件。该LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长为650nm的红色荧光。并且Vf为3.5，LED的发射输出为0.7mw。
例18按照与例17相同的处理方法来制备LED，只是在本例中有源层316具有In0.05Ga0.95N组成并具有10埃厚度。该LED器件在20wAIf下呈现出峰值波长425nm的蓝紫色荧光，LED的发射输出为5mw，发射光谱的半带宽度为20nm，其表现出高纯色的发射。
例19按照与例17相同的步骤来制备LED，只是有源层316的组成变为非掺杂In0.2Ga0.8N。该LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长465nm的蓝色荧光，LED的发射输出为5mw，发射光谱的半带宽度为25nm，其表现出高色纯度的蓝色荧光发射。
例20按照与例17相同的步骤来制备LED器件，只是生长具有300埃厚度的Si掺杂n型In0.01Ga0.99N层作为第一n型覆盖层315，生长具有10埃厚度非掺杂n型In0.3Ga0.7N层作为有源层，并生长具有300埃厚度Mg掺杂In0.01Ga0.99N层作为第一P型覆盖层317。该LED器件在20mAIf下呈现出峰值波长500nm的绿色荧光，Vf为3.5V和半带宽度为40nm，LED的发射输出为4mw。
例21在例17的程序中，在n型接触层313形成之后，一个单量子阱结构的有源层316被直接沉积在n型接触层313上，该有源层316由具有70厚度的In0.4Ga0.6N层构成。在这种情况下，n型接触层313是用来作为第一n型覆盖层。然后，在有源层316上形成第二P型覆盖层318，并且在其上形成P型接触层319。以与例17中相同的方式执行随后的过程，由此获得一LED器件。这种LED器件呈现绿色荧光，峰值波长为525nm，Vf为3.5V，在If为20mA条件下，半频带宽为40nm。该器件的发射输出是4mw。
例22除了形成300厚度的掺硅n型GaN层作为第一n型覆盖层315，然后形成20a厚度的非掺杂In0.3Ga0.7层作为有源层316，再形成300厚度的掺镁P型GaN层作为第一P型覆盖层317外，执行如例167中相同的程序，制备一LED器件。这样获得的LED器件呈现绿色光，峰值滤长为515nm，Vf为3.5v，在If为20mA条件下，半带宽为40nm。该器件的发射输出是3mw。
例23除了使用DEZ作为受主杂质源，硅烷气被用作施主杂质源以形成具有50厚度的In0.05Ga0.95N层，和与Si和Zn掺杂作为有源层316外，执行如例17中相同的程序制备LED。这样获得的LED装置呈现绿色荧光，峰值滤长为480nm，Vf为3.5v，在If为20mA条件下，半频带宽为80nm。该器件的发射输出为2mw。
例24在例17的程序中，形成一具有500厚度的掺硅n型In0.01Ga0.99N层作为第一n型覆盖层315。然后，为了制备有源层，形成一具有10厚度的非掺杂In0.15Ga0.85N层作为量子阱层(well louyer)和形成一具有10厚度的非掺杂In0.15Ga0.95N层作为该量子阱层上的阻挡层。上述过程交替重复四次，最后形成一具有10厚度的非掺杂In0.15Ga0.85N量子阱层，由此形成了一多量子阱结构的有源层，其总厚度为90。随后，形成一具有500厚度的镁掺P型In0.01Ga0.99N层作为有源层316上的第一P型覆盖层。此例17中相同的方式执行后续过程，由此获得一晶片。
随后，此例17中相同的方式在氮化物半导体层上执行蚀刻，在构成最上层的P型接触层上形成规定图案的掩模。此后，在该n型接触层上形成规定图案的掩膜。此后，在该n型接触层313上形成一宽20μm的负电极，和在P型接触层319上形成一宽2μm的正电极。
接着，对其上未形成的氮化物半导体层的蓝宝石衬底的表面进行抛光，使该衬底的厚度减到90μm。随后，该蓝宝石衬底的M面被划割，合成晶片被切割成每个为700μm×700μm的正方形基片，并制作成如图13所示的条型激光器。图13示出了按照本例的激光装置的透视图，其中与条形的正电极垂直相切的氮化物半导体层的面构成了一光谐振面。然后，上述获得的基片被设置在一个散热片中，并且为每个电极焊接导线。当这种基片承受激光振荡时，在1.5KA/cm2的阈值电流强度下，390nm的激光振荡被证实。
例25
除有源层和第一P型覆盖层的形成之外，执行如例24中相同的程序制备一LD器件。在本例中，为了形成有源层，形成一厚度为25的非掺杂In0.15Ga0.85N作为量子阱层，然后形成一厚度为50的非掺杂In0.05Ga0.95N作为量子阱层上的阻挡层。这一过程被重复13次，最终形成量子阱层，由此获得了具有1000厚度的多量子阱结构的有源层。在该有源层316上，形成有一具有500厚度并由Al0.05Ga0.95N构成的第一P型覆盖层。这样获得的LD器件在1.0KA/cm2阈值电流强度下呈现415nm的激光振荡。
例25除形成有源层之外，执行例24中相同的程序制备一LD器件。在本例中为了形成有源层形成一厚度为25的非掺杂In0.15Ga0.85N作为量子阱层，然后形成一厚度为50的非掺杂In0.05Ga0.95N作为量子阱层上的阻挡层。这一过程重复26次，最终形成该量子阱层，由此获得了具有1,975厚度的多量子阱层的有源层。这样获得的LD器件在室温，4.0KA/cm2阈值电流强度下呈现415nm的激光振荡。
例27一个例7中获得的450nm的蓝LED，一个例21中获得的515nm的绿LED，和一个由普通GaSs基本材料或LlInGaP基本材料构成的发光波长660nm，发光输出3mw的红LED组装成一个象点，并制成一个由16×16(象点)组合构成的LED显示屏。随后，多个LED显示屏被设置制备成具有320×240象素的全彩色LED显示器。这种显示器能够的白光发射一万尼特的表面光。
如上所述，根据本发明提供发光输出和亮度优良的LED器件和LD器件是可能的。
权利要求
1.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层由含有铟和镓的氮化物半导体构成，并具有第一和第二主表面；第一型覆盖层，由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，并与有源层的所述第二主表面接触；第二P型覆盖层，由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，其具有比所述第一P型覆盖层的带隙更大的带隙并设置在所述第一P型覆盖层上；和一个与有源层的所述第一主表面接触的n型半导体层。
2.根据权利要求1的器件，其特征在于所述第一P型覆盖层具有10至1.0μm范围内的厚度。
3.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层由含有铟和镓的氮化物半导体构成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆盖层，由含有铝和镓的n型氮化物半导体或n型GaN构成，其被设置与有源层的所述第一主表面接触，所述第一n型覆盖层具有10至1.0μm范围内的厚度；第二n型覆盖层，由其带隙比所述第一n型覆盖层的带隙大的n型氮化物半导体构成，并设置在所述第一n型覆盖层上；和一个设置与有源层的所述第二主表面接触的P型半导体层。
4.根据权利要求3的器件，其特征在于所述第一n型覆盖层具有100至1.0μm范围内的厚度。
5.一种氮化物半导体发光器件，其特征并于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层由含有铟的镓的氮化物半导体构成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆盖层，由含有铝和镓的n型氮化物半导体或n型GaN构成，并设置与有源层的所述第一主面接触；第二n型覆盖层，由其带隙的所述第一n型覆盖层的带隙大的n型氮化物半导体构成，并在所述第一n型覆盖层上第一P型覆盖层，由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，并设置与有源层的所述第二主面相接触；和第二P型覆盖层，由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，其具有比所述第一P型覆盖层的带隙大的带隙，并设置在所述第一P型覆盖层上。
6.根据权利要求5的器件，其特征在于所述第一P型覆盖层具有10至1.0μm范围内的厚度。
7.根据权利要求5的器件，其特征在于所述第一n型覆盖层具有10至1.0μm范围内的厚度。
8.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层由含有铟和镓的氮化物半导体构成，并设置在一个n型氮化物半导体层和一个P型半导体层之间，含有一P型覆盖层的所述P型半导体层设置与所述有源层接触，所述P型覆盖层由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，并具有10至1.0μm范围内的厚度。
9.根据权利要求8的器件，其特征在于所述n型氮化物半导体层由n型GaN或含有铟和镓的n型氮化物半导体构成。
10.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层放置在一n型氮化物半导体层和一P型半导体导之间，所述有源层由含有铟和镓的氮化物半导体构成，并被设置有一具有厚度不大于70的量子阱层。
11.根据权利要求10的器件，其特征在于所述有源层有一多量子阱结构，其含有一厚度不大于150的势垒层。
12.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层具有第一和第二主表面，并由含铟和镓的氮化物半导体构成；第一n型覆盖层，由含有铟和镓的n型氮化物半导体构成。
13.根据权利要求12的器件，其特征在于所述有源层和所述第一n型覆盖层的总厚度是300或更多。
14.根据权利要求12的器件，其特征在于进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第一n型覆盖层或有源层的所述第一主表面相接触。
15.根据权利要求12的器件，其特征在于进一步包括一个第二n型覆盖层，该覆盖层由一含有铝和镁的n型氮化物半导体构成，并设置与所述第一n型覆盖层接触。
16.根据权利要求12的器件，其特征在于进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层并设置其与第二n型覆盖层相触。
17.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层具有第一和第二主表面并由含铟和镁的氮化物半导体构成；第一P型覆盖层，其由含有铟和镁瓣P型氮化物半导体构成。
18.根据权利要求17的器件，其特征在于所述有源层和所述第一P型覆盖层的总厚度是300或更多。
19.根据权利要求17的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的P型接触层，并且设置其与所述第一P型覆盖层接触。
20.根据权利要求17的器件，其特征在于进一步包括一个由P型氮化物半导体构成的第二P型覆盖层，并设置其与所述第一P型覆盖层接触。
21.根据权利要求20的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的接触层，并设置其与所述第二P型覆盖层接触。
22.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个有源层，该有源层由含有铟和镓的氮化物半导体构成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆盖层，其由不含铝的n型氮化物半导体构成，并设置与有源层的所述第一主表面接触；和一个P型覆盖层，其由P型氮化物半导体构成并具有一表面区域，至少所述表面区域由含铝和镓的P型氮化物半导体构成，所述P型覆盖层被设置与有源层的所述第二主表面接触。
23.根据权利要求22的器件，其特征在于所述P型覆盖层由第一P型层和第二P型层构成，第一P型层由不合铝的P型氮化物半导体构成，并设置与有源层的所述第二主表面直接接触，第二P型层由含铝和镓的P型氮化物半导体构成，并设置在所述第一P型层上。
24.根据权利要求22的器件，其特征在于所述有源层为量子阱结构。
25.根据权利要求22的器件，其特征在于所述有源层和所述第一n型覆盖层的总厚度为300或更多。
26.根据权利要求22的器件，其特征在于所述有源层，所述第一n型覆盖层和所述P型覆盖层的所述第一P型层的总厚度为300或更多。
27.根据权利要求22的器件，其特征在于进一步包括一个第二n型覆盖层，其由含铝和镓的n型氮化物半导体构成，并设置与所述第一n型覆盖层接触。
28.根据权利要求22的器件，其特征在于进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第一n型覆盖层接触。
29.根据权利要求27的器件，其特征在于进一步，包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第二n型覆盖层接触。
30.根据权利要求22的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的P型接触层，并设置其与所述P型覆盖层接触。
31.根据权利要求22的器件，其特征在于进一步包括一个作为光反射膜的第一多层膜，该第一多层膜由至少两个成份上不同的氮化物半导体构成，并设置在所述第一n型覆盖层的外侧上。
32.根据权利要求22的器件，其特征在于进一步包括一个作为光反射膜的第二多层膜，该第二多层膜由至少两个成分上不同的氮化物半导体构成，并设置在所述P型覆盖层的外侧。
33.根据权利要求31的器件，其特征在于进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第一多层膜接触。
34.根据权利要求32的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的P型接触层，并设置共与所述第二多层膜接触。
35.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个量子阱结构的有源层，该有源层由氮化物半导体构成；一个负电极；一个正电极；一个设置与所述负电极接触的n型GaN接触层；和一个设置与所述正电极接触的P型GaN接触层。
36.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个具有第一和第二主表面的有源层，其由含有铟和镓的氮化物半导体构成；第一n型覆盖层，其由含铟和镓的n型氮化物半导体构成，具有比所述有源层大的带隙，并被设置与有源层的所述第一主表面接触。
37.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个具有第一和第二主表面的有源层，其由含有铟和镓的氮化物半导体构成；第一P型覆盖层，其由含铟和镓的P型氮化物半导体构成，具有比所述有源层大的带隙，并被设置与有源层的所述第二主表面接触。
38.根据权利要求的36的器件，其特征在于进一步包括一个第二n型覆盖层，其由含有铝和镓的n型氮化物半导体构成，具有比第一n型覆盖层的带隙更大的带隙，并设置与所述第一n型覆盖层接触。
39.根据权利要求37的器件，其特征在于进一步包括一个第二P型覆盖层，其由含有铝和镓的P型氮化物半导体构成，具有比第一P型覆盖层的带隙更大的带隙，并设置与所述第一P型覆盖层接触。
40.根据权利要求36的器件，其特征在物进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第一n型覆盖层或有源层的所述第一主面接触。
41.根据要权利要求38的器件，其特征在于进一步包括一个由n型GaN构成的n型接触层，并设置其与所述第二n型覆盖层接触。
42.根据权利要求37的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的P型接触层，并设置其与所述第一P型覆盖层接触。
43.根据权利要求39的器件。其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的P型接触层，并设置其与所述第二P型覆盖层接触。
44.根据权利要求41的器件。其特征在于进一步包括一个作为光反射膜的第一多层膜，该第一多层膜由至少两个成份上不同的氮化物半导体构成，并设置在所述第二n型覆盖层和所述n型接触层之间或设置在所述n型接触层中。
45.根据权利要求41的器件。其特征在于构成所述第一多层膜的所述两种氮化物半导体层之一为含有铟和镓的氮化物半导体，或GaN，另一种为含铝和镓的氮化物半导体。
46.根据权利要求43的器件，其特征在于进一步包括一个作为光反射膜的第二多层膜，该第二多层膜由至少两个成份不同的氮化物半导体层构成，并设置在所述第二P型覆盖层和所述P型接触层之间或设置在所述P型接触层中。
47.根据权利要求46的器件，其特征在于构成所述第二多层膜的所述两种氮化物半导体层之一为含有铟和镓的氮化物半导体InGaN或GaN；另一种为含铝和镓的氮化物半导体。
48.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个有源层，其由含铟和镓的氮化物半导体构成，并具有第一和第二主表面；第一n型覆盖层，其由含铟和镓的n型氮化物半导体构成，具有比所述有源层的带隙大的带隙，并设置与所述有源层的第一主面接触；第一P型覆盖层，其由含铟和镓的P型氮化物半导体构成，具有比所述有源层的还隙大的带隙，并设置与所述有源层的第二主面接触；第二n型覆盖层，其由含铝和镓的n型氮化物半导体构成，具有比所述第n型覆盖层的带隙大的带隙，并设置秘所述第一n型覆盖层接触；和第二P型覆盖层，其由含铝和镓的P型氮化物半导体的构成，具有比所述第一P型覆盖层的带隙大的带隙，并设置在所述第一P型覆盖的带隙大的带隙，并设置在所述第一P型覆盖层上。
49.根据权利要求48的器件，其特征在于进一步包括一个由P型GaN构成的设置与所述第二P型覆盖层接触的P型接触层，和一个由n型GaN构成的设置与所述第二n型覆盖层接触的n型接触层。
50.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个有源层，该有源层由含铟和镓的氮化物半导体构成，并设置在一个第一n型覆盖层和一个第一P型覆盖层之间，所述第一n型覆盖层由具有比所述有源层小的热膨胀系数的n型氮化物半导体构成，所述第一P型覆盖层由具有比所述有源层小的热膨胀系数的P型氮化物半导体构成，其中所述有源层为单量子阱结构或多量子阱结构，由此发出能量比构成所述有源层的所述氮化物半导体的固有带隙能量低的光。
51.根据权利要求50的器件，其特征在于所述有源层包括一具有厚度不大于100的量子阱层。
52.根据权利要求50的器件，其特征在于所述第一n型覆盖层由n型InxGa1－xN构成，其中0≤x＜1。
53.根据权利要求50的器件，其特征在于所述第一P型覆盖由P型AIyGa1－yN构成，其中0≤y≤1。
54.根据权利要求50的器件，其特征在于进一步包括一第二n型覆盖层，其由n型氮化物半导体构成，并设置与所述第一n型覆盖层接触。
55.根据权利要求54的器件，其特征在于所述第二n型覆盖层由n型AIaGa1－aN构成，其中0≤a≤1。
56.根据权利要求50的器件，其特征在于进一步包括一第二P型覆盖层，其由P型氮化物半导体构成，并设置成与所述第一P型覆盖层接触。
57.根据权利要求56的器件，其特征在所述第二P型覆盖层由P型AIbGa1－bN构成，其中0≤b≤1。
58.根据权利要求50的器件，其特征在所述有源层可由施主杂质和/或受主杂质掺杂。
59.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个第一n型覆盖层，其由含钢的n型氮化物半导体或n型GaN构成；一个有源层，共由含铟的氮化物半导体构成，具有比所述第一n型覆盖层的热膨胀系数大的热膨胀系数，并设置与所述第一n型覆盖层接触，其中所述有源层为单量子阱结构或多量子阱结构，由此发射出能量比构成所述有源层的所述氮化物半导体的固有带隙能量低的光。
60.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于包括一个有源层，其由含铟的氮化物半导体构成；一个第一P型覆盖层，其由含铝的P型氮化物半导体构成，具有比所述有源层的热膨胀系数大的热膨胀系数，并设置与所述有源层接触，其中所有源层为单量子阱结构或多量子阱结构，由此发出能量比构成所述有源层的所述氮化物半导体的固有带隙能量低的光。
61.一种氮化物半导体发光二级管器件，包括一个衬底；一个设置在所述衬底上面由n型GaN构成的n型层；一个单量子阱结构或多量子阱结构的有源层，其由In-GaN构成并设置在所述n型层上；一个第一P型层，其由P型AlGaN构成并设置在所述有源层上；和一个第二P型层，其由P型GaN构成并设置在所述第一P型层上。
全文摘要
一种氮化物半导体发光器件，具有一个单量子阱结构或多量子阱结构的有源层(14)，其由含铟和镓的氮化物半导体构成。一个由含铝和镓的P型氮化物半导体构成的第一P型覆盖层(61)被设置与有源层的一个面接触。一个由含铝和镓的P型氮化物半导体构成的第二P型覆盖层(62)被设置在第一P型覆盖层上。第二P型覆盖层具有比第一P型覆盖的带隙大的带隙。一个n型半导体层(13)设置与有源层(14)的另一面接触。
文档编号H01L33/32GK1132942SQ9511756
公开日1996年10月9日 申请日期1995年12月4日 优先权日1994年12月2日
发明者中村修二, 长滨慎一, 岩佐成人, 清久裕之 申请人:日亚化学工业株式会社