专利名称：氮化物半导体分层结构以及结合该分层结构部分的氮化物半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化物半导体分层结构，并且更具体而言是涉及一种氮化物半导体分层结构，该结构包括一个相对厚的包含AlN的单晶氮化物半导体材料的复合层，该复合层位于一个低温沉积的包含AlN的氮化物半导体材料的缓冲层上。
因为激光器中的光波导层及其下面的包覆层所形成的光约束结构提供的光约束不够，所以这种常规激光器发出光的远场图显示出多峰，而不是想要的单峰。该光约束结构允许光从光波导层泄漏到包覆层下的接触层中。从而该接触层起到寄生光波导的作用，引起高次模中的的杂散激光振荡。该接触层被用来向该激光器的有源层中注入电流。
获得足够光约束的尝试包括采用增加厚度的包覆层以及增大光波导层与包覆层半导体材料之间折射指数的差。但是在采用常规方式实施时，这些措施增大了激光器结构中裂缝的影响范围。这显著降低了产额。
图1是常规氮化物半导体分层结构10的示意性的结构侧视图，采用这种分层结构可以制造常规的氮化物半导体激光器。在本公开中的所有半导体分层结构和半导体激光器的附图中，为更加清晰地展示这些层，这些层的厚度相对其宽度而言被极大地夸大了，较薄层厚度的夸大程度比起较厚层的厚度来说更大。
氮化物半导体层10包括低温沉积的GaN缓冲层12、n型GaN的n接触层13、n型AlGaN的包覆层14、n型GaN的光波导层15、GaInN的有源层16、p型AlGaN的电子阻挡层17、p型GaN的光波导层18、p型AlGaN的包覆层19和p型GaN的p接触层20。层12到层20在衬底11上连续形成。衬底材料是蓝宝石、SiC、尖晶石、MgO、GaAs、硅或一些其它合适的材料。
缓冲层12是在温度550℃条件下沉积的35纳米厚的GaN层，该温度低于发生单晶生长的温度。n接触层13是用约1×1018cm-3的硅进行n型掺杂的4微米厚的GaN层。包覆层14是600纳米厚的AlGaN，该层具有0.06的AlN摩尔分数并且采用约1×1018cm-3的Si进行n型掺杂。光波导层15是100纳米厚的采用约1×1018cm-3的Si进行n型掺杂的GaN层，有源层16包括5对亚层，每一对亚层包括3纳米厚的具有0.1的InN摩尔分数的GaInN亚层和6纳米厚的具有0.03的InN摩尔分数的AlGaN亚层。电子阻挡层17是15纳米厚的AlN摩尔分数为0.15的的并且用约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的AlGaN层。光波导层18是100纳米厚的用约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的GaN层。包覆层19是500纳米厚的具有0.06的AIN摩尔分数的并且用约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的AlGaN层。P接触层20是100纳米厚的用约1×1020cm-3的Mg进行p型掺杂的GaN层。
在日本专利申请no.H10-313993(在先申请)中对一种改进的氮化物半导体分层结构进行了描述，采用这种氮化物半导体分层结构可以制造出产生显示单峰远场图的光的激光器。该在先申请被转让给本申请的受让人并且已经于1998年10月16日提交。该在先申请的英语版已经作为国际申请WO00/24097被公开。本公开结合了该在先申请以作为参照。
该在先申请中被公开的氮化物分层结构缺少图1所示的分层结构的电子阻挡层17，但是包括一个另外的位于n型GaN接触层13和n型AlGaN包覆层14之间的缓冲层。该另外的缓冲层是包括AlN的低温沉积的半导体材料层。该另外的缓冲层使得在其上生长的包覆层14具有增加的厚度和较低的裂缝影响范围。在先申请公开的氮化物半导体分层结构中，可以对包覆层的厚度和包覆层的AlN摩尔分数二者之一或二者都进行调节以使采用该分层结构制造的激光器发出的光具有一个显示出单峰远场图，该远场图表明在远场中的强度分布。
虽然可以采用该在先申请中公开的分层结构来制造产生具有显示出单峰的远场图的光的激光器，但是人们需要结构比较简单的高质量的激光器。
所以，所需要的氮化物半导体分层结构是简单的结构并且由该结构可以制造出产生其远场图显示出单峰的光的半导体激光器，并且它具有低的阈电流和低的功率消耗。
所需要的氮化物半导体分层结构能够提供增加的光约束，它具有降低的制造成本并且在光电器件、其它波导结构和其它半导体器件中提供改良的性能。
本发明还提供氮化物半导体激光器，该激光器包括上述的氮化物半导体分层结构部分以及还包括在复合层上的光波导层和在光波导层上的有源层。
在本发明提供的简单的氮化物半导体分层结构中，可以对厚AlGaN复合层进行p型的或者n型掺杂。AlGaN复合层具有一个通过层厚来改变的AlN摩尔分数以便在AlGaN复合层中限定二个亚层。亚层不同的摩尔分数优化了亚层特性使得亚层发挥包覆层和接触层的功能。相应地，这二个亚层被分别称为包覆亚层和接触亚层。该包覆亚层与光波导层位于AlGaN复合层之上形成一个提供足够光约束的光约束结构。在包覆亚层中，AlGaN复合层具有相对高的AlN摩尔分数。在接触亚层中，AlGaN复合层具有相对低的AlN摩尔分数以便为接触亚层提供影响横向电流注入所需的高电导率而且不产生过大的正向电压降。通过在材料的复合层中仅仅提供材料的AlN摩尔分数有差别的接触层与包覆层的功能，基本上降低了氮化物半导体分层结构中的裂缝的影响范围。
因为AlGaN复合层虽然具有基本厚度，但是裂缝影响范围仍然较低，所以根据本发明的由上述氮化物半导体分层结构制造的氮化物半导体激光器具有高产量。因为AlGaN复合层的包覆亚层的相对大的AlN摩尔分数以及AlGaN复合层的包覆亚层的厚度导致形成充裕的光约束，所以这种激光器产生的光的远场图显示出单峰。因为AlGaN复合层的n接触亚层的高电导率和基本厚度，所以这种激光器还具有低的正向电压降。
因为根据本发明的激光器产生的光的远场图显示出单峰，所以这种激光器非常适合用于光信息记录器件或需要单峰发射轮廓形状的其它应用场合。并且因为这种激光器具有大大降低的正向电压降、较低的功率消耗以及较少的热量耗散，所以这种激光器显著地延长了使用寿命。
图2是由图1所示的常规分层结构制造的激光器实例发射的光的远场图的曲线图。
图3是根据本发明的氮化物半导体分层结构的第一实施方式的示意性的侧视图。
图4是由图3所示的氮化物半导体分层结构制造的根据本发明的氮化物半导体激光器的示意性的侧视图。
图5是一个曲线图，它展示出从根据本发明的氮化物半导体激光器的一个实例中发射光的远场图，该氮化物半导体激光器是采用根据本发明的氮化物半导体激光器结构制造的。
图6是一个曲线图，它展示出根据本发明的氮化物半导体激光器的一个实例的正向特性(曲线(a))和比较激光器(曲线(b))。
图7是一个曲线图，它展示出根据本发明的氮化物半导体激光器的一个实例的阈特性(曲线(a))和比较激光器(曲线(b))。
图8是一个示意性侧视图，它展示出结合了另外AlN复合层的根据本发明的氮化物半导体激光器结构的第二实施方式。
图9A-9C是通过改变AlGaN复合层厚度来改变AlGaN复合层摩尔分数的不同方式的曲线图。
发明详述在如图1所示的常规的氮化物半导体分层结构10中，包覆层14的AlGaN与接触层13的GaN之间的晶格失配可能会在该包覆层以及在其上生长的层中引发裂缝。这种裂缝会显著降低采用所示常规分层结构的激光器的产量。为减小裂缝的影响范围，通常将包覆层14的厚度限制在600纳米以内，并且通常将包覆层14半导体材料的AlN摩尔分数限制在0.06以下。但是，如图2所示由光波导层15和满足上述限制条件的包覆层14形成的光约束结构所具有的光约束是不够的。
图2的曲线图展示出采用常规氮化物半导体分层结构10制成的激光器实例发出光的远场图，在该结构中，包覆层14满足上述限制条件。在图2中，用Y轴以任意单位表示该激光器发出光的强度，并且用X轴以“度”为单位表示该激光器发出光与激光器光轴所成角度。该远场图显示出多峰。这表明由上述光约束结构提供的光约束是不够的，从而在n接触层13中有光存在。图2所示远场图所对应的激光器具有的光约束因子为2.7％。
上述的在先申请公开了一种可以用于制造氮化物半导体激光器的氮化物半导体分层结构。在先申请所公开的分层结构中，通过在AlGaN包覆层14与GaN的n接触层13之间插入另外的30纳米厚的缓冲层降低了裂缝的影响范围，该缓冲层是低温沉积的半导体材料层。该另外的缓冲层使包覆层14的厚度降低到1微米并将包覆层14的半导体材料的AlN摩尔分数增加到0.1而没有在该包覆层中产生显著的裂缝。这种包覆层使得该光约束结构能够给激光器提供充分的光约束以生成显示单峰的远场图。但是如上所述，人们期望采用比在先申请公开的结构和制造工艺更加简单的结构和制造工艺来获得相似的结果。
第一种简化在先申请所公开的结构和制造工艺并仍然保持其优点的方法是用一个厚而且均匀的n型单晶AlGaN半导体材料层代替GaN的n接触层、另外的缓冲层和AlGaN包覆层，该n型单晶AlGaN半导体材料层将n接触层和包覆层组合在一起。该单AlGaN层的材料可以拥有相对高的AlN摩尔分数使单AlGaN层与光波导层15形成能提供足够光约束的光约束结构。为了本公开目的，当结合了一个光约束结构的激光器生成的光的远场图显示出单峰时，则认为该光约束结构提供了足够的光约束。
但是单AlGaN层有足够高AlN摩尔分数以使该层形成能提供足够光约束的光约束结构，该单AlGaN层的材料会导致材料体电阻和单AlGaN层的接触电阻达到一个无法接受的高程度，这会妨碍单AlGaN层作为有效的横向电流注入层使用以及在该激光器上引起可接受的高电压降。
本发明通过将AlGaN复合层用作n接触层和包覆层解决了这一问题。这种AlGaN的复合层被称为AlGaN复合层。该AlGaN复合层包括若干亚层其中每一个亚层具有不同AlN摩尔分数，即一个亚层的单晶AlGaN半导体材料具有较低的AlN摩尔分数，而一个亚层的单晶AlGaN半导体材料具有较高的AIN摩尔分数。具有较低AlN摩尔分数的亚层的电阻也较低，它位于低温沉积的AlGaN缓冲层附近，用作将横向电流注入到激光器中的接触层，并被称为AlGaN的n接触亚层。具有较高AIN摩尔分数的亚层位于n型GaN光波导层附近并形成带有n型GaN光波导层的光约束结构。该亚层被称为AlGaN包覆亚层。AlGaN包覆亚层具有较高的电阻而且其厚度基本上小于AlGaN的n接触亚层。尽管AlGaN包覆亚层的材料具有较高的AlN摩尔分数，因此与AlGaN的p接触亚层的电阻率相比该亚层的电阻率较高，但是AlGaN包覆亚层的厚度基本上较小，这妨碍了利用该亚层较高的电阻率来显著提高n电极与有源区之间路径的总电阻。
在AlGaN复合层中，AlN摩尔分数可以在AlGaN的n接触亚层和AlGaN的包覆亚层之间突变，实际上产生二个明显不相同的AlGaN层，每一层具有不同的AlN摩尔分数。作为一种替代情况，AlN摩尔分数可以在AlGaN的n接触亚层和AlGaN的包覆亚层之间渐变，生成一个通过层厚的不同来使摩尔分数不同的单层。不管摩尔分数以何种方式变化，AlGaN的包覆亚层的厚度应当不大于提供足够光约束所要求的厚度。
与图1所示的分层结构相比，如上所述，一种包括一个单AlGaN复合层的氮化物半导体分层结构提供了基本上增大的光约束，该单AlGaN复合层包括若干具有不同AlN摩尔分数的亚层。另外，该复合层的亚层之间的晶格失配小，从而该分层结构中裂缝影响范围基本上小。只需稍微增大与有源区之间路径的电阻就可以获得这些优点。
为减小根据本发明的氮化物半导体分层结构的裂缝的影响范围，AlGaN的n接触亚层，即具有较低AlN摩尔分数的亚层，的AlN摩尔分数最好至少为0.01。另外，为减小裂缝的影响范围和减小n接触层与有源层之间路径的电阻，AlGaN的n接触亚层和AlGaN的包覆亚层之间的AlN摩尔分数之差最好在0.03到0.10的范围内。实际优选的差依赖于AlGaN的包覆亚层的AlN摩尔分数。AlGaN的包覆亚层的摩尔分数应当至少为0.05，以及高达单位1(1)。
如上所述，当已经形成了结合AlGaN复合层的氮化物半导体分层结构时，该AlGaN复合层包括二个具有不同AlN摩尔分数的AlGaN亚层，利用反应离子刻蚀(RIE)或者其它适合的刻蚀工艺将在n-AlGaN接触亚层的一部分上生长的层部分刻蚀掉以暴露出AlGaN接触亚层。那么n电极沉积在由刻蚀工艺暴露出的AlGaN接触亚层的表面。P电极沉积在p接触层的表面。对该分层结构进一步刻蚀以便将部分p接触亚层、p型包覆层和p型光波导清除以定义一个隆起结构。然后将该分层结构进行切割以形成单独的激光器。如上所述形成的每一个氮化物半导体都结合了该氮化物半导体分层结构的一部分。
在根据本发明的氮化物半导体分层结构的实例中，其中的AlN摩尔分数在AlGaN的n接触亚层与AlGaN的包覆亚层之间发生突变，AlGaN的n接触亚层的厚度，即具有较低AlN摩尔分数的AlGaN层的厚度是3微米，并且该层中的AlN摩尔分数为0.03。AlGaN的包覆亚层的厚度，即具有较高AlN摩尔分数的AlGaN层的厚度是1微米，并且该层中的AlN摩尔分数为0.06。已经在用50毫米直径衬底制成的测试样品表面观察到低的裂缝影响范围。
现在参照图3对根据本发明的氮化物半导体分层结构的实例进行描述。图3是根据本发明的氮化物半导体分层结构第一实施方式40的示意性侧视图。如下所述可以采用分层结构40制成根据本发明的氮化物半导体激光器以及其它半导体器件。在所示的实例中，复合AlGaN层51中的摩尔分数在AlGaN的n接触亚层43与AlGaN的包覆亚层44之间发生突变，这将在下文中参照图9A进行描述。
分层结构40包括具有以C面(0001)为表面的蓝宝石衬底41。采用金属-有机气相外延(MOVPE)方法在该表面上继续沉积AlGaN低温缓冲层42；n型复合AlGaN层51包括n接触亚层43和AlGaN的包覆亚层44，在n接触亚层43中AlGaN具有较低AlN的摩尔分数，在AlGaN的包覆亚层44中AlGaN具有较高AlN的摩尔分数；n型GaN光波导层45；GaInN有源层46；p型电子阻挡层47；p型GaN光波导层48；p型AlGaN包覆层49和p型GaN的p接触层50。
现在进一步详细讨论氮化物半导体分层结构40。缓冲层42是一个30纳米厚的低温沉积的AlGaN层，该层的AlN摩尔分数是0.03，并且在500℃的温度下沉积。在低于单晶生长温度的条件下沉积该缓冲层材料。在进行沉积时，该缓冲层包含有非晶与多晶材料的混合体。下文将作进一步描述，然后在沉积复合AlGaN层51之前，将衬底和缓冲层加热到单晶生长温度以上。这使缓冲层的低温沉积材料退火，引起单晶区在缓冲层内扩展。作为结果，该复合AlGaN层在缓冲层上进行外延生长。但是在完成的分层结构40中，残余的多晶、非晶、或者多晶与非晶的材料区与沉积在缓冲层上的AlGaN复合层51的单晶材料区分开来。
尽管如上所述的缓冲层42是一个30纳米厚的低温沉积的AlGaN层，其AIN摩尔分数是0.03，但是该缓冲层厚度可以达到100纳米并且AIN摩尔分数可以达到单位1(1)。
复合AlGaN层51是一个以大约1×1018cm-3的Si进行n型掺杂的4微米厚的AlGaN层，该层是在1050℃温度下被沉积的。该复合层包括n的AlGaN接触层43和AlGaN包覆亚层44，层43是3微米厚的AlGaN层，其AlN摩尔分数为0.03；层44是1微米厚的AlGaN层，其AlN摩尔分数为0.06。在所示的实例中，在n的AlGaN接触亚层43与AlGaN包覆亚层44之间的摩尔分数的变化是突变式的。
光波导层45是一个以大约1×1018cm-3的Si进行n型掺杂的100纳米厚的GaN层，该层是在1050℃温度下被沉积的。
有源层46包括5对在800℃的温度被沉积的未掺杂GaInN层。每一对的层包括3纳米厚的GaInN层，其InN的摩尔分数为0.01和6纳米厚的GaInN层，其InN的摩尔分数为0.03。
电子阻挡层47是一个以大约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的15纳米厚的AlGaN层，其AlN摩尔分数为0.15，该层是在800℃温度下被沉积的。
光波导层48是一个以大约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的100纳米厚的GaN层，该层是在1050℃温度下被沉积的。
包覆层49是一个以大约5×1019cm-3的Mg进行p型掺杂的500纳米厚的AlGaN层，其AlN摩尔分数为0.06，该层是在1050℃温度下被沉积的。
P接触层50是一个以大约1×1020cm-3的Mg进行p型掺杂的100纳米厚的GaN层，该层是在1050℃温度下被沉积的。
图4是氮化物半导体激光器60的示意性的侧视图。激光器60是许多采用氮化物半导体分层结构40制成的激光器之一使得每一个激光器结合了分层结构40的一部分。对激光器中出现的分层结构元素采用相同的参照编号进行标示。
在激光器60中，激光器结构与n的AlGaN接触亚层43相重叠的部分被刻蚀掉以暴露出表面61并在表面61上形成n电极62。该激光器还包括位于p接触层50表面的p电极63。最后，将光波导层48的部分、包覆层49和p接触层50刻蚀掉以形成隆起结构64，隆起结构64将流经有源层46的电流进行汇聚。
现在参照图3对可以用来制造根据本发明的氮化物半导体分层结构40的方法的实例进行描述。
最好采用以0001(C)为表面的蓝宝石的衬底41。通过将该衬底分别浸泡在氢氟酸和王水中各5分钟来对其进行清洁，然后再用纯水清洗5分钟。此后，将衬底分别用甲醇和丙酮各冲洗5分钟，然后再在纯水中清洗5分钟。上述各操作均是在室温下进行的。
将衬底41传送到金属-有机气相外延(MOVPE)装置的反应器。用干氮气置换该反应器中的气氛以清除氧气和水蒸汽。然后引入氢气并通过将衬底加热至1100℃保持10分钟来清洁该衬底。
将衬底41的温度降低到500℃。向反应器中输送三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)和氨以开始在衬底41上沉积低温沉积AlGaN的缓冲层42。
如果衬底41的材料是导电的，例如GaN衬底，包括GaN层的衬底结构，或SiC衬底，可以另外向该反应器中输送硅烷以便对缓冲层42上的低温沉积AlGaN用硅进行n型掺杂。设定硅烷的流速以给出一个从大约5×1017到大约5×1019cm-3的硅浓度范围。在一个示例性的实施方式中，设定硅烷的流速从而给出硅浓度为1×1018cm-3。对缓冲层42掺杂将该层的电阻率降低到使激光器60的激励电流以可忽略不计的电压降流过该缓冲层。
向反应器持续传送气流约3分钟以便在衬底41上将缓冲层42的厚度沉积到30纳米。
当缓冲层42达到其30纳米的设计厚度时，如果还在向反应器提供TMAl、TMGa、和硅烷，那么停止进行供应。然后将衬底41的温度升高到1050℃并保持该温度约5分钟。
重新开始提供TMAl、TMGa和硅烷以生长AlGaN复合层51。首先，以生成摩尔分数为0.03的AlGaN的n接触亚层43的相对流速供应气体。持续输送气流直到AlGaN的n接触亚层43的厚度达到3微米。然后改变TMAl与TMGa之间的相对流速以便开始生长AlN摩尔分数为0.06的n-AlGaN包覆亚层44。持续输送气流直到n-AlGaN包覆亚层的厚度达到1微米。
完成时，AlGaN复合层51的总厚度为4微米。因为低温沉积的AlGaN的缓冲层42直接位于该层之下以及因为构成该复合层的AlGaN的n接触亚层43和AlGaN接触亚层44之间的晶格失配小，所以能够以低裂缝影响范围形成具有该总厚度的一层。
对输送到反应器的硅烷流速进行调节以对AlGaN复合层51以大约5×1017到大约5×1019cm-3的硅浓度范围进行掺杂。在一个优选的实施方式中，对流速进行设定以给出1×1018cm-3的硅掺杂浓度。被掺杂层的电导率依赖于掺杂质浓度的总和以及载流子的迁移率。所以，提高掺杂质浓度不会简单地降低该层的电阻。最佳的掺杂质浓度是将该层的电阻降低至最低的浓度。
当AlGaN包覆亚层44达到其设计厚度时，将衬底的温度维持在1050℃并且只停止TMAl的供应以生长n型GaN光波导层45。调节硅烷的流速以对光波导层45以1×1018cm-3的硅浓度进行掺杂。该生长速度是大约40纳米/分钟。连续供应气流直到光波导层45达到100纳米的厚度。当光波导层45达到其设计厚度时，停止供应TMGa和硅烷，但是仍然继续供应氨气。然后将蓝宝石衬底的温度降低至800℃。
在刚刚描述的实例中，对n型光波导层45以1×1018cm-3的硅浓度进行掺杂。利用较高的硅浓度会降低光波导层的电阻率，但是会使该层的结晶度退化。考虑到这一点，优选的硅浓度的范围是从5×1017cm-3到大约1×1019cm-3，其中心浓度大约是2×1018cm-3。
AlGaN的n接触亚层43、AlGaN的包覆亚层44和光波导层45中的掺杂质浓度可以有所不同，或者二个或更多的浓度相同。但是当所有层中的该掺杂质浓度基本相同时，可以简化制造工艺。
当衬底41的温度达到800℃时，向反应器供应TMGa和三甲基铟(TMIn)以生长有源层46。该有源层包括通过生长5对亚层所形成的多量子阱。每一个亚层对包括InN摩尔分数为0.1的3纳米厚的GaInN亚层和InN摩尔分数为0.03的6纳米厚的GaInN亚层。InN的摩尔分数由采用分层结构40制成的激光器所发出光的波长确定。在本实例中所示的InN摩尔分数对应于400纳米的波长。以相关流速向反应器供应气体使得所生成的有源层亚层具有所示的摩尔分数。通常的生长速度范围是从3到6纳米/分钟，但是在这里所描述的条件是5纳米/分钟。
一旦有源层46的最后亚层达到其设计厚度，停止TMIn的供应，向反应器供应TMAl和双环戊二烯基镁(Cp2Mg)以生长p型AlGaN电子阻挡层47。以相关流速向反应器供应气体使得所生成的电子阻挡层的AlN摩尔分数为0.15。调节Cp2Mg的流速以给出镁的浓度范围在从大约1×1018到大约1×1020cm-3。在一个优选的实施方式中，将Cp2Mg流速设为5×1019cm-3。采用与上述的确定硅浓度范围相同的方式确定镁的浓度范围。
持续供应气流直到p型AlGaN电子阻挡层47的厚度达到15纳米。
当p型AlGaN电子阻挡层47达到其设计厚度时，停止供应TMAl和Cp2Mg并升高衬底41的温度。当该衬底的温度达到1050℃时，向该反应器供应TMGa和Cp2Mg以开始生长p型GaN的光波导层48。在上述条件下，p型GaN的光波导层48的生长速率是2微米/小时。调节Cp2Mg的流速以给出镁的浓度范围在从大约1×1018到大约1×1020cm-3。过高的镁浓度会使p型GaN的光波导层的材料的结晶度退化。在优选的实施方式中，设定Cp2Mg的流速以给出大约5×1019的镁的浓度。
持续供应气流直到p型GaN光波导层48的厚度达到100纳米。
当p型GaN光波导层48达到其设计厚度时，还向反应器供应TMAl以开始生长p型AlGaN包覆层49。设定TMAl和TMGa的相关流速以给出大约0.06的AlN摩尔分数。设定Cp2Mg的流速以给出镁的浓度范围在从1×1018到1×1020cm-3。在优选的实施方式中，设定Cp2Mg的流速以给出大约5×1019的镁浓度。
在p型GaN光波导层48和p型AlGaN包覆层49中镁的掺杂质浓度可以有所不同，但是如果浓度相同，制备工艺比较简单。
持续供应气流直到p型AlGaN包覆层49的厚度达到500纳米。
当p型AlGaN包覆层49达到其设计厚度时，停止供应TMAl以开始生长p型GaN的p接触层50。在上述条件下，该p接触层的生长速度是2.5微米/小时。设定Cp2Mg的流速以给出大约1×1020cm-3的镁浓度。持续供应气流直到该p型接触层的厚度达到100纳米。
当p型GaN的p接触层50达到其设计厚度时，停止向反应器供应TMAl、TMGa和Cp2Mg并降低衬底41的温度。当该衬底温度降低到100℃以下时，停止向反应器供应氨气，将分层结构40从反应器中移开。利用微分干涉显微镜观察该分层结构的表面以检验裂缝。
与图4所示激光器60相似的激光器采用以下的分层结构40制备。对该分层结构进行有选择地刻蚀以暴露出每一个激光器AlGaN的n接触亚层43的表面61。以及对该分层结构再进行刻蚀以形成隆起，该隆起结构对流经有源层46的电流进行会聚。然后，采用气相沉积的常规方式形成激光器的n电极62。在优选的实施方式中，形成了钛/铝n电极。
在形成该激光器的p电极63之前，利用常规热退火或电子束辐照促使镁掺杂层的p型转换。也可以在形成n电极62之前进行退火，但是在本实例中，在n电极62形成之后进行退火。该退火工艺可以采用日本专利申请H9-37705中所述的方法进行。该专利申请被转让给本公开的受让人并结合在此作为参照。该申请的英文版已经作为国际申请no.WO98/37586被公开。该激光器的p电极采用Ni/Au制成，每一个电极的宽度为5微米，长度为500微米。
在形成n电极和p电极之后，进行切割操作以将分层结构40分成单独的激光器60，每一个激光器带有一个谐振腔结构。
图5是一幅曲线图，它展示出采用如上所述分层结构40制成的激光器60的实例所发光的远场图。在图5中，用y轴以任意单位表示该激光器发光的强度，用x轴以度为单位表示相对于激光器光轴的相对发射角，激光器以该相对发射角发光。该远场图显示出单峰，这表明光波导层45与AlGaN复合层51的AlGaN包覆亚层44所构成的光约束结构提供了足够的光约束。在所示的实例中，光约束因子为3.2％。
图6和图7示出了激光器60的其它特性。图6是一幅曲线图，它展示出该激光器的正向传导特性。在该图中，y轴表示跨在该激光器上的电压降，x轴表示流经该激光器的电流。曲线(a)表示激光器60的正向特性。图7是该激光器的阈特性曲线图。在该图中，y轴以任意单位表示该激光器发光的强度，x轴表示流经该激光器的电流。曲线(a)表示激光器60的阈特性。
为了与激光器60进行比较，另外制成了二个激光器。第一个用于比较的被称为比较实例1的激光器具有图4所示的结构。但是，该AlGaN的n接触亚层43的AlN摩尔分数和缓冲层42的低温沉积的AlGaN的AlN摩尔分数都是0.06。在激光器60中，这些AlN摩尔分数都是0.03。图6中的曲线(b)展示出比较实例1的正向特性。在图6中，将曲线(a)(根据本发明的激光器60)与曲线(b)(比较实例)进行比较，可以在看到在AlGaN的n接触亚层43中采用较低的AlN摩尔分数使激光器60具有的基本优点。对于给定的电流，跨在根据本发明的激光器60上的电压降基本上低于跨在比较实例1上的电压降。
制成的第二个用于比较的激光器具有图1所示的结构，该激光器被称为比较实例2。n型GaN接触亚层13的厚度为4微米。n型GaN接触层13的厚度为4微米，该n型接触层GaN材料将沉积在该层上的n型AlGaN包覆层14的厚度限制在600纳米以内，而在激光器60中，沉积在AlGaN的n接触亚层43上的n型AlGaN包覆亚层44的厚度为1000纳米。将比较实例2中的包覆层厚度限制到600纳米以减小在该包覆层中的裂缝影响范围。图7中的曲线(b)展示出比较实例2的阈特性。图7的曲线(b)表明比较实例的阈电流大约是300毫安，图7的曲线(a)表明根据本发明的激光器60的阈电流大约是200毫安。另外如图2所示，比较实例2发光的远场图显示出多峰；而如图5所示，根据本发明的激光器60发光显示出单峰。
在分层结构40和激光器60的衬底41所采用的蓝宝石衬底已经得到充分的研究并且价格便宜。在替代的情况下，可以用碳化硅(SiC)作衬底41。SiC是一种价格较贵的衬底材料，但是其电阻率较低并且更稳定，而且具有超解理性。作为另一种替代，可以采用GaN导电衬底而且提供优越的性能。另外，包括沉积在一个衬底上的GaN层的衬底结构可以用作导电衬底。如日本专利申请H9-306215所公开的那样，这种衬底结构还可以包括一个在该衬底与GaN层之间低温沉积的氮化物半导体材料的缓冲层。该申请被转让给本公开的受让人，并结合于此作为参照。该申请的英文版作为国际申请no.WO99/25030被公开。其它可以采用的衬底材料包括尖晶石、MgO、GaAs、硅等。
在上述激光器60的实例中，可以与用在先申请作为参照来改变AlGaN包覆亚层的AlN摩尔分数和厚度以增大光约束因子、改善该激光器发光的远场图、和降低阈电流。
分层结构40和激光器60作为包括位于衬底41和有源层46之间的n型AlGaN复合层51进行了描述。如图8所示，该分层结构和相应的激光器可以还包括一个另外的位于有源层上的p型AlGaN复合层。
图8是一幅示意性的侧视图，它展示出根据本发明的氮化物半导体分层结构的第二实施方式80。分层结构80包括n型AlGaN复合层51、p型AlGaN复合层71、p型GaN的p接触层72。分层结构80中与分层结构41中的对应元素用相同的编号标明，而且不在这里再进行描述。对本领域的普通技术人员来说是明显的，即可以在分层结构80中采用与上述工艺相似的工艺使得激光器在结构方面与激光器60相似。
在分层结构80中，p型AlGaN复合层71包括二个厚度大致相等的亚层，每一个亚层的摩尔分数不同。该p型AlGaN复合层包括一个具有较低AlN摩尔分数的单晶AlGaN半导体材料的亚层和一个具有较高AlN摩尔分数的单晶AlGaN半导体材料的亚层。该具有较高AlN摩尔分数的单晶AlGaN半导体材料的亚层位于p型GaN的波导层附近从而与p型GaN光波导层一起形成一个光约束结构。该亚层被称为AlGaN的p包覆亚层69。该AlGaN的p包覆亚层较高的AlN摩尔分数使得该光约束结构能提供足够的光约束。
该具有较低AlN摩尔分数的亚层的电阻比AlGaN的p覆盖亚层69的低，该层离p型GaN光波导层48距离远，并且向激光器注入电流。该亚层被称为AlGaN的p接触亚层70。AlGaN的p接触亚层70较低的AlN摩尔分数提供较低电阻的电流传导路径。
n型AlGaN复合层51和p型AlGaN复合层71相对于光波导层45和48以相同程度进行取向，即，在每一个AlGaN复合层中，具有较高AlN摩尔分数的包覆亚层位于各自光波导层的附近以形成各自的光约束结构。作为结果，n型AlGaN复合层51的亚层和p型AlGaN复合层71在分层结构80中反向排列。
在p型AlGaN复合层71中，AlN摩尔分数可以在AlGaN的p包覆亚层69与AlGaN的p接触亚层70之间进行突变，从而实际上生成二个不同的AlGaN层，每一层的AlN摩尔分数都不相同。作为替代的情况，AlN摩尔分数可以在AlGaN的p包覆亚层69与AlGaN的p接触亚层70之间进行逐渐变化，从而生成一个具有一个AlN摩尔分数的单p型层，其摩尔分数通过不同的厚度有所改变。无论AlN摩尔分数如何变化，p包覆亚层69的厚度不应该大于提供足够光约束所要求的厚度。
在氮化物半导体分层结构80得实施方式中，p型AlGaN包覆亚层69的厚度为500纳米以及AlN摩尔分数为0.06。AlGaN的p接触亚层70的厚度为500纳米以及AlN摩尔分数为0.03，以及p型GaN的p接触亚层72的厚度为50纳米。其它层的厚度和成分与分层结构40中的相同。对本领域的普通技术人员来说下面一点是明显的即可以修改上述用于制造分层结构40的方法以便进行分层结构80的制造。
可以对分层结构40或者分层结构80进行修改使其可以被用来制造n上(n-up)激光器和其它的氮化物半导体器件。在上述修改的分层结构中，对位于衬底41与有源层46之间的层进行p型掺杂，对位于该有源层之上包括任何另外的AlGaN复合层71的层进行n型掺杂。
上述的分层结构40和80以及激光器60可以包括一个另外的低温沉积的缓冲层(未示出)，该缓冲层被夹在p型GaN光波导层48和p型AlGaN包覆层49之间或夹在p型GaN光波导层48和p型AlGaN复合层71之间，以进一步减小裂缝的影响范围。可以对该另外的低温沉积的AlGaN缓冲层用从大约1×1018到大约1×1020cm-3的浓度范围的镁进行掺杂，从而使该材料成为p型。例如，可以选择镁的浓度为1×1020cm-3。
最好采用金属-有机气相外延(MOVPE)来沉积包括分层结构40和80的层。但是这不是本发明所必需的。作为替代可以采用分子束外延(MBE)、卤素气相外延(HVPE)或者其它合适的外延沉积技术来沉积这些层。
图9A-9C是曲线图，它展示出AlN摩尔分数可以通过AlGaN复合层51的厚度来进行变化。y轴表示AlN摩尔分数，x轴表示AlGaN复合层51厚度的百分比，0％对应该AlGaN复合层与缓冲层42之间的界面，100％对应该AlGaN复合层与n的GaN光波导层45之间的界面。AlN摩尔分数发生变化的厚度实际百分比依赖于AlGaN的n接触亚层43和AlGaN包覆亚层44的相对厚度。
如上所述，AlN摩尔分数可以在AlGaN的n接触亚层43和AlGaN包覆亚层44之间突变，如图9A所示，从而实际上产生二个不同的AlGaN层，每一个AlGaN层的AlN摩尔分数不同。
作为替代，AlN摩尔分数可以在AlGaN的n接触亚层43和AlGaN包覆亚层44之间的梯度亚层55中进行逐渐变化。图9B展示出一个实施方式，其中AlN摩尔分数在该梯度亚层范围内基本上是线性变化的。在这种情况下，梯度亚层的厚度是大约20纳米。图9C展示出一个实施方式，其中AlN摩尔分数在该梯度亚层范围基本上是以抛物线方式进行变化的。逐渐改变AlN摩尔分数以生成该梯度亚层可以减小异型缝隙，从而降低器件的电阻。
另外的AlGaN复合层71中的AlN摩尔分数可以在p包覆亚层69和p接触亚层70之间以与9A-9C相似的方式变化。
根据本发明的氮化物半导体分层结构40和80包括厚的低电阻的AlGaN复合层51，因而具有相对低的裂缝和其它缺陷的影响范围。这些分层结构可以用来改进不仅是电光器件如激光二极管，而且其它器件包括III族氮化物半导体及结构。这些器件包括光二极管、发光二极管、平面发光二极管、高电子迁移率晶体管和场效应晶体管。
尽管本公开对本发明的说明性的实施方式进行了详细描述，应当理解到本发明不受所描述的精密的实施方式的局限，在所附限定的本发明的范围之内可以进行各种修改。
权利要求
1.一种氮化物半导体分层结构，其中包括包括AlN的低温沉积的氮化物半导体材料的缓冲层；以及在该缓冲层上的包括AlN的单晶氮化物半导体材料的复合层；该复合层包括临近该缓冲层的第一亚层，以及位于该第一亚层之上的第二亚层，其中单晶氮化物半导体材料在第一亚层中具有第一AlN摩尔分数以及在第二亚层中具有第二AlN摩尔分数，第二AlN摩尔分数大于第一AlN摩尔分数。
2.权利要求1的氮化物半导体分层结构，其中还包括一个另外的单晶氮化物半导体材料的复合层，该另外的复合层包括第一另外亚层，以及第二另外亚层；以及位于该复合层与该另外复合层之间的有源层，其中第二另外亚层比第一另外亚层更接近该有源层，以及该另外复合层的单晶氮化物半导体材料在第一亚层中具有第一另外AlN摩尔分数并且在第二亚层中具有第二另外AlN摩尔分数，第二另外AlN摩尔分数大于第一另外AlN摩尔分数。
3.权利要求1或2的氮化物半导体分层结构，其中第二AlN摩尔分数与第一AlN摩尔分数之差不大于0.1。
4.权利要求3的氮化物半导体分层结构，其中第二AlN摩尔分数与第一AlN摩尔分数之差大于0.03。
5.权利要求1-4中任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中还包括位于该缓冲层之下的蓝宝石衬底。
6.权利要求1-4中任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中还包括位于该缓冲层之下的蓝宝石衬底，该衬底包括SiC和GaN中的一个。
7.权利要求1-4中任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中还包括位于该缓冲层之下的衬底结构，该衬底结构包括衬底GaN层；以及被夹在衬底与GaN层之间的低温沉积的氮化物半导体材料层。
8.前述权利要求中的任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中对缓冲层的低温沉积半导体材料与复合层的单晶氮化物半导体材料都采用相同的掺杂质进行掺杂。
9.前述权利要求中的任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中缓冲层的厚度≤100纳米；缓冲层的低温沉积的氮化物半导体材料是AlyGa1-yN，其中(0＜y≤1)；复合层的单晶氮化物半导体材料是AlxGa1-xN；以及第二亚层的厚度至少为600纳米以及第二AlN摩尔分数x在以下范围内(0.05＜x≤1)。
10.前述权利要求中的任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中缓冲层的低温沉积的氮化物半导体材料的AlN摩尔分数至少是0.01。
11.权利要求10的氮化物半导体分层结构，其中复合层的单晶氮化物半导体材料的AlN摩尔分数至少是0.03。
12.前述权利要求中的任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构，其中该复合层还包括位于第一亚层和第二亚层之间的梯度亚层；以及在该梯度亚层中，该复合层的单晶氮化物半导体材料的AlN摩尔分数从第一AlN摩尔分数变化至第二AlN摩尔分数。
13.权利要求12的氮化物半导体分层结构，其中，在该梯度亚层中，复合层的单晶氮化物半导体材料的AlN摩尔分数通过(a)线性和(b)抛物线二种方式之一的方式从第一AlN摩尔分数变化至第二AlN摩尔分数。
14.一种氮化物半导体激光器，其中包括根据前述权利要求中的任意一项权利要求的氮化物半导体分层结构的一部分；位于该复合层之上的光波导层；以及位于该光波导层之上的有源层。
15.权利要求14的氮化物半导体激光器，其中该第二亚层有一个厚度；以及至少第二亚层厚度和第二AlN摩尔分数中的一个拥有这样的值使得采用该值的激光器所产生的光的远场图显示出单峰。
全文摘要
一种包括缓冲层和位于缓冲层之上的复合层的氮化物半导体分层结构。该缓冲层是一个包括AlN的低温沉积的氮化物半导体材料层。该复合层是一个包括AlN的单晶氮化物半导体材料层。该复合层包括临近缓冲层的第一亚层和位于该第一亚层之上第二亚层。该复合层的单晶氮化物半导体材料在第一亚层中具有第一AlN摩尔分数以及在第二亚层中具有第二AlN摩尔分数。第二AlN摩尔分数大于第一AlN摩尔分数。氮化物半导体激光器包括上述的氮化物半导体分层结构的一部分,并且还包括位于该复合层之上的光波导层和位于该光波导层之上的有源层。
文档编号H01S5/20GK1361933SQ00810470
公开日2002年7月31日 申请日期2000年7月14日 优先权日1999年7月16日
发明者竹内哲也, 渡边智, 金子和, 山田范秀, 天野浩, 赤崎勇 申请人:安捷伦科技有限公司