专利名称：半导体器件的制造技术
方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的制造，尤其涉及一种半导体发光器件有源区的制造。例如，其可以被应用于采用氮化物材料系、例如(Al，Ga，In)N材料系的发光器件的制造。
背景技术：
(Al，Ga，In)N材料系包括具有通式AlxGaxIn1-x-yN的材料，其中0≤x≤1而且0≤y≤1。在这种应用中，具有非零摩尔分数的铝、镓和铟的(Al，Ga，In)N材料系的组分将简称为AlGaInN，具有零摩尔分数的铝但却具有非零摩尔分数的镓和铟的组分将简称为InGaN，具有零摩尔分数的铟但却具有非零摩尔分数的镓和铝的组分将简称为AlGaN，等等。由于用这种材料系制造的器件能发射在光谱的蓝色波长范围内的光，所以目前对采用(Al，Ga，In)N材料系制作半导体发光器件具有相当大的兴趣。比如，在美国专利US-A-5777350中描述了采用(Al，Ga，In)N材料系制造的半导体发光器件。
图1是采用(Al，Ga，In)N材料系制造的半导体激光器件或激光二极管(LD)的示意图。该器件能够在蓝光的波长范围内，即在380nm-450nm波长范围内发光。
图1的激光二极管18生长在衬底1上。在图1的激光二极管18中，衬底1是由在蓝宝石基底衬底2上方生长的n型掺杂GaN层3构成的模板衬底。在衬底1上依序生长缓冲层4、第一包覆层5和一个光学导向层在图1的实施例中，缓冲层4为n-型GaN层，第一包覆层5为n-型AlGaN层，第一光学导向层n-型GaN层。
有源区7生长在第一光学导向层6上。
在有源区7上方依序生长第二光学导向层8、第二包覆层9和帽层10有源。第二光学导向层8和第二包覆层9具有与第一光学导向层6和第一包覆层5相反的导电类型。在图1的激光二极管18中，第二光学导向层18为p-型GaN层，第二包覆层9为p-型AlGaN层，以及帽层10为p-型GaN层。
如图1所示的激光器件18的有源区7是多重量子阱(MQW)有源区，并且包括多个量子阱层12、14、16。在两个阻挡层11、13、15、17之间夹入一个量子阱层12、14、16。在如图1的激光器件18中，最下面的阻挡层11和最上面的阻挡层17是AlGaN层。例如，中间的阻挡层13，15可以是InxGa1-xN(0≤x≤0.05)，AlxGa1-xN(0≤x≤0.4)或者AlGaInN层。例如，量子阱层12、14、16可以是InxGa1-xN(0≤x≤0.3)，AlxGa1-xN(0≤x≤0.1)或者AlGaInN层。
图1示出了具有MQW有源区的激光器件。由(Al，Ga，In)N系制造的激光器可选择地具有由单个量子阱层组成的单个量子阱(SQW)有源区。在这种激光器中，上部AlGaN阻挡层17将直接生长在第一量子阱层12上。第二和第三量子阱层14、16和中间阻挡层13、15被省略。
在激光器件18具有MQW有源区的情况下，有源区不局限于如图1所示的三层量子阱层。MQW有源区可以具有两层量子阱层或者其可以具有至少三层的量子阱层。
在具有与本申请相同的申请日的共同待审UK专利申请号No.0325100.6中更详细地介绍了图1的激光器18的结构。
公知的现有技术美国专利号No.4 400 256和6 537 513、美国专利申请号No.2003/0138976和2003/0143770、以及日本专利申请2002-043 618公开了制造半导体激光器结构的方法。
发明概要本发明的第一方案提供了一种用氮化物材料系制造半导体发光器件的有源区的方法，该方法依序包括如下步骤a)生长第一阻挡层；b)采用比步骤(a)的生长温度更高的温度对第一阻挡层退火；c)在第一阻挡层上生长第一量子阱层；d)在第一量子阱层上生长第二阻挡层；以及e)在比步骤(d)的生长温度更高的温度下对第二阻挡层退火。
已经发现在生长每层阻挡层之后、沉积下一层之前退火每层阻挡层来增加激光器件的功率输出。
本方法可以进一步依序包括如下步骤f)在第二阻挡层上生长第二量子阱层；g)在第二量子阱层上生长第三阻挡层；以及h)在比步骤(g)的生长温度更高的温度下对第三阻挡层退火。如必要的话可重复步骤(f)至(h)以生长具有任何数量的量子阱层的MQW有源区。
本发明可以应用于具有SQW有源区的器件或者应用于具有MQW有源区的器件。在本发明被应用于具有MQW有源区的器件的情况下，优选在生长每层阻挡层之后、而在淀积另一层之前，以比其淀积温度高的温度下退火有源区的每层阻挡层。
每次退火步骤可以包括在比层的生长温度高至少50℃的温度下退火各自的阻挡层。
每层阻挡层可以为一层AlxGa1-xN(其中0≤x≤0.4)、InxGa1-xN(0≤x≤0.05)或AlGaInN。
每层阻挡层的生长温度可以至少为500℃以及可以低于1050℃。
每层阻挡层的退火温度可以至少为700℃，并且可以至少为850℃。
每层阻挡层的退火温度可以低于1100℃，并且可以低于1000℃。
每层量子阱层的生长温度可以至少为500℃，并且可以低于850℃。
所有的或者每层量子阱层可以包括一层InxGa1-xN(0≤x≤0.3)、AlxGa1-xN(0≤x≤0.1)或者AlGaInN。
该器件可以是发光二极管，或者可以是激光器件。
本发明的第二个方案提供了一种用本发明第一方案的方法制造的半导体发光器件。
附图简要说明现在，将参考下面的附图结合说明例介绍本发明的优选特征，其中图1是一种采用(Al，Ga，In)N系制造的半导体激光器件的示意截面图；图2-5示例了本发明的一种制造方法；和图6示例明了采用本发明的方法制造的发光二极管(LED)的电致发光强度。
在全部附图中相同的参考标记指示相同的部分。
优选实施例的详细说明现在，参考具有图1所示的结构的激光器件的制造介绍本发明的制造方法。尽管可以使用其他的生长技术，但将针对MBE(分子束外延)的生长工艺介绍制造方法。将针对用(Al，Ga，In)N材料系的激光器件的制造来介绍本发明。
开始，清洁并且准备合适的衬底。在图2-5的方法中，使用由生长在蓝宝石基底2上的n型掺杂GaN外延层3构成的模板衬底1，但是本方法并不限于使用这种具体的衬底。然后，把已清洁和准备好后的衬底引入MBE生长装置的生长反应室内。
然后，在第一生长步骤中，在衬底1上生长含有位于第一包覆层5上的至少一层阻挡层11的半导体层。在该实施例中，缓冲层4、第一包覆层5和第一光学导向层6依序生长在衬底1上，然而本发明并不限于这种具体的层结构。然后第一阻挡层11生长在第一光学导向层6上。图2中示出通过这第一生长步骤得到的这种结构。
然后停止淀积材料，并增加生长反应室内的温度以便在比第一阻挡层的生长温度高的退火温度下退火第一阻挡层11。例如，可以用安装在衬底1上的加热感受器来判断MBE装置内的生长温度，并且通过改变感受器温度来改变衬底温度。可选择地，可以通过放置在生长反应室内的加热元件所发的热来直接加热衬底，并且可以通过增加或减少加热器的输出来改变衬底温度。
退火步骤的持续时间将取决于退火温度。如果使用低的退火温度，那么退火步骤的持续时间通常会相对的长，反之使用高的退火温度，退火步骤的持续的时间会相对的短。阻挡层的退火温度应至少比该层的生长温度高50℃，尽管在实践中，使用比阻挡层的生长温度至少高200℃的退火温度就得到了最好的结果。在600℃的生长温度下生长的阻挡层的情况下，通过大约在900℃的退火温度下用20秒退火该层得到了良好的结果。
应该注意，应保持增加衬底温度到理想的退火温度的速度、以及在退火步骤后降低衬底温度的速度足够低，以避免在衬底中或者在衬底上生长的层中导致严重的热应力。已发现不超过40℃/分钟的温度缓变速率是合适的。因此，即使在上面给出的例子中的退火步骤具有20秒的持续时间，但要花费大约10分钟将衬底温度从600℃的生长温度升高到900℃的退火温度，并且在退火步骤后还要大约10分钟来降低衬底温度到用于生长下一层的合适温度。
一旦第一阻挡层11被退火后，重新开始材料的淀积。在第二生长步骤中，第一量子阱层12生长在第一阻挡层11上，之后在第一量子阱层上生长另一阻挡层13。如下所述，由于在完成的结构中阻挡层13位于两层量子阱层之间，所以阻挡层13将简称为“中间”阻挡层。图3中示出用第二生长步骤得到的结构。通常，在第一阻挡层11退火后，第一量子阱层12生长前，将降低生长反应室的温度。
然后停止淀积材料，并增加生长反应室内的温度，以便在高于其生长温度的退火温度下退火中间阻挡层13。该退火步骤的温度和持续时间与上述用于退火下部AlGaN阻挡层11的步骤的那些一致。
一旦中间阻挡层13被退火后，重新开始材料淀积。在第三生长步骤中，第二量子阱层14生长在中间阻挡层13上，之后在第二量子阱层上生长又一层中间阻挡层15。图4示出用第三生长步骤得到的结构。通常，在中间阻挡层13退火之后，生长第一量子阱层12之前，将降低生长反应室的温度。
然后停止淀积材料，并升高生长反应室内的温度，以便在高于其生长温度的退火温度下退火中间阻挡层15。该退火步骤的温度和持续时间与上述用于退火下部AlGaN阻挡层11的步骤的那些一致。
在中间阻挡层15退火后，重新开始淀积材料。在第四生长步骤中，第三量子阱层16生长在阻挡层15之上。然后在第三量子阱层16上生长最终的阻挡层17，以完成有源区7。图5示出用第四个步骤得到的结构。通常，在中间阻挡层15退火后，生长第一量子阱层12之前，将降低生长反应室的温度。
停止淀积材料，并升高生长反应室内的温度，以便在高于其生长温度的退火温度下退火最终的阻挡层17。该退火步骤的温度和持续时间与上述用于退火下部AlGaN阻挡层11的步骤的那些一致。
最后，再次重新开始淀积材料。第二光学导向区8、第二包覆区9和帽层10依序生长在最终的阻挡层17上，以提供如图1所示的激光器结构。通常，在最终的阻挡层17退火后，生长第二光学导向区8之前，将降低生长反应室的温度。
本发明不限于图1所示的具体器件结构的生长。例如，其可以应用于具有SQW有源区的激光器件的生长。为了生长具有SQW有源区的激光器件，将生长图2中所示的层结构，并且在高于第一阻挡层11的生长温度的温度下退火第一阻挡层11。在退火步骤后，在第一阻挡层上将生长量子阱层和最终的阻挡层17，并且在高于其生长温度的温度下退火最终的阻挡层。然后第二光学导向区、第二包覆区和帽层生长在最终的阻挡层上。
本发明还可以应用于具有任何理想数目的量子阱层的MQW有源区的激光器件的生长。为了生长仅有两层量子阱层的激光器件，将省略第三生长步骤，以便不存在第二量子阱层14和阻挡层15。为了生长具有至少三层量子阱层的MQW有源区的激光器件，进行对应第三生长步骤的一额外的生长步骤用于每层理想附加量子阱层(在生长最终的阻挡层17之前)。在阻挡层上生长又一层之前，在各自的退火步骤中退火每层阻挡层。
本发明不限于制造激光器件。其可以用于制造其它类型的器件，例如发光二极管。LED的有源区具有与上述激光器件的有源区相同的一般结构，并且可以是SQW有源区或者是MQW有源区。而不是激光器件的LED的制造主要需要，有源区结合在LED结构中而不是在激光器结构中。
已发现在阻挡层上淀积下一层之前，在比其生长温度更高的温度下分别退火每层阻挡层11、13、15、17的效果来增加器件的光输出功率。图6示出了用本发明方法制造的半导体发光二极管的任一个单元中的电致发光强度。图6示出了来自具有图1所示的一般结构的多重量子阱层的LED的功率输出，尽管LED不包括图1的第一和第二包覆层4、9或者第一和第二光学导向层5、8。在生长后分别、快速地退火有源区的所有阻挡层。在890℃的温度下用20秒退火下部AlGaN阻挡层11，在970℃下用20秒退火上部AlGaN阻挡层17。(在完整器件的制造中，将在上部阻挡层17上直接淀积一层p掺杂的GaN或AlGaN，因此，一旦生长上部阻挡层17后，加热该结构到用于淀积良好品质的GaN或AlGaN的适合温度。用于p掺杂GaN或AlGaN的合适淀积温度大约为970℃，因此很难避免在该温度下退火上部阻挡层17。)每层中间阻挡层13、15等都是GaN阻挡层，并退火20秒；图6的横坐标显示出退火中间阻挡层的温度——在相同的温度下退火所有的中间阻挡层。
具有按常规方式制造的有源区的LED的输出光学强度将预计在图6的强度标上低于0.1，在常规方式中以单个退火步骤退火所有的阻挡层。因此可以看到，本发明的制造方法生产出具有比用常规制造方法制作的器件基本更高的输出功率的器件。与在生长所有的阻挡层后使用单个退火步骤的常规工艺相比，能够使在阻挡层上生长又一层之前，分别地退火每层阻挡层在除去阻挡层中的晶格缺陷和错位方面更加有效。
可以看到，在大约920℃的中间阻挡层退火温度下得到最大的强度。然而，在从大约850℃至大约1000℃范围内的温度下退火中间阻挡层生产出具有比用常规制造方法制作的器件明显更大的光学功率输出的器件。
在用图2-5的方法生长的激光器件中，阻挡层4是n-型GaN层，第一包覆层5是n-型AlGaN层，第一光学导向层是GaN层。第一阻挡层11和上部阻挡层17(即，在生长过程中形成的最后的阻挡层)可以是AlxGa1-xN层(0≤x≤0.4)、InxGa1-xN(0≤x≤0.05)或AlGaInN层。如果AlGaInN用于阻挡层，合适的成分是AlxInyGa1-(x+y)N，其中0≤x≤0.4和0≤y≤0.05。中间阻挡层可以是，例如InxGa1-xN层，其中0≤x≤0.05、AlxGa1-xN层，其中0≤x≤0.4，或AlGaInN。本实施例中的量子阱层12，14，16是InxGa1-xN层(0≤x≤0.3)，但是可以从AlxGa1-xN(0≤x≤0.1)层或者AlGaInN层中选择。如果AlGaInN被用作量子阱层，合适的成分是AlxInyGa1-(x+y)N，其中0≤x≤0.1和0≤y≤0.3。
第二光学导向层8和第二包覆层9具有与第一光学导向层6和第一包覆层5相反的导电类型。在图2-5的实施例中，第二光学导向层8是p-型GaN层，第二包覆层9是AlGaN层，帽层10是p-型GaN层。
用于阻挡层的适合生长温度在500℃-1050℃的范围内。500℃是MBE生长AlGaN的温度下限，在较低的温度下生长阻挡层难以获得很好的材料性质。1050℃大约是MOCVD生长AlGaN的温度上限。因此，不管是用哪种生产技术，使用大约500℃到1050℃范围内的生长温度将提供良好的材料品质。
对于量子阱层的适合生长温度在500℃-850℃的范围内。500℃是MBE生长InGaN的温度下限，在较低的温度下生长量子阱层难以获得很好的材料性质。850℃大约是生长InGaN的温度上限，是因为在温度明显高于850℃时把铟引入材料是很难的。因此不管是用哪种生产技术，使用大约500℃到850℃范围内的生长温度将提供良好的材料品质。
不必在相同的生长温度下生长量子阱层和阻挡层。量子阱层可以在例如650℃的生长温度下生长，并且生长温度可以变化，例如增加到850℃用于在量子阱层上生长阻挡层。可选择地，可以对量子阱层和对阻挡层使用一种生长温度。
对于阻挡层的适合退火温度在700℃-1100℃的范围内。如上所述，优选在大约850℃-1000℃范围内的温度下退火阻挡层，这是因为这样的退火温度提供了显著增加的最终器件的功率输出。大约900℃的退火温度、例如在从大约900℃至大约950℃范围内给出了特别好的结果，也就是最终的器件的功率输出具有对于在该范围内的退火温度的最大值。
上面针对MBE生长法介绍了本发明。在使用MBE生长法完成本发明的情况下，可以利用英国专利申请号No.0219728.3中介绍的生长技术。
然而，本发明并不限于采用MBE生长法，也可以应用其它的生产技术，比如有机金属化学汽相淀积(MOCVD)。
已针对用(Al，Ga，In)N材料系制造器件介绍了本发明。然而，本发明并不限于这种具体的材料系，而可以应用其它氮化物系。
权利要求
1.一种用氮化物材料系制造半导体发光器件的有源区的方法，该方法包括以下步骤a)生长第一阻挡层；b)在比步骤a)的生长温度高的温度下退火第一阻挡层；c)在第一阻挡层上生长第一量子阱层；d)在第一量子阱层上生长第二阻挡层；和e)在比步骤d)的生长温度高的温度下对第二阻挡层退火。
2.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括以下步骤f)在第二阻挡层上生长第二量子阱层；g)在第二量子阱层上生长第三阻挡层；和h)在比步骤g)的生长温度高的温度下退火第三阻挡层。
3.如权利要求1中所要求的方法，其中每次退火步骤包括在比该层的生长温度高至少50℃的温度下分别退火各自的阻挡层。
4.如权利要求2中所要求的方法，其中每次退火步骤包括在比该层的生长温度高至少50℃的温度下分别退火各自的阻挡层。
5.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层是一层AlxGa1-xN(0≤x≤0.4)、InxGa1-xN(0≤x≤0.05)或AlGaInN。
6.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的生长温度至少是500℃。
7.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的生长温度低于1050℃。
8.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的退火温度至少是700℃。
9.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的退火温度至少是850℃。
10.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的退火温度低于1100℃。
11.如权利要求1中所要求的方法，其中每层阻挡层的退火温度低于1000℃。
12.如权利要求1中所要求的方法，其中每层量子阱层的生长温度至少是500℃。
13.如权利要求1中所要求的方法，其中每层量子阱层的生长温度低于850℃。
14.如权利要求1中所要求的方法，其中每层量子阱层包括一层InxGa1-xN(0≤x≤0.3)、AlxGa1-xN(0≤x≤0.1)或AlGaInN。
15.如权利要求1中所要求的方法，其中所述器件是发光二极管。
16.如权利要求1中所要求的方法，其中所述器件是激光器件。
17.一种用权利要求1中所限定的方法制造的半导体发光器件。
全文摘要
一种制造半导体发光器件的有源区的方法包括分别退火每层阻挡层，其中该有源区包括多层阻挡层(11、13、15、17)，用量子阱层(12、14、16)隔开每对阻挡层，包括分别对每一阻挡层(11、13、15、17)进行退火。在一旦生长完每层阻挡层(11、13、15、17)后，并且在该阻挡层上生长另一层之前对其进行退火。用本发明的方法生长的器件具有比用有单个退火步骤的常规生产工艺制作的器件明显更高的光学功率输出。
文档编号H01S5/343GK1638159SQ20041009545
公开日2005年7月13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·霍普, V·宝斯奎特, K·L·约翰逊, J·赫非南 申请人:夏普株式会社