專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
ZnSe晶體是一種直接躍遷型半導(dǎo)體，其室溫下禁帶寬(帶隙能)為2.7eV，在藍(lán)色到綠色波長區(qū)域發(fā)光裝置方面具有廣泛的應(yīng)用范圍。尤其在1990年發(fā)現(xiàn)可通過摻雜等離子體激發(fā)的氮來形成p-型ZnSe薄膜后，ZnSe型發(fā)光裝置受到引人的關(guān)注。
本發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種白色的LED(發(fā)光二極管)，它具有新穎的結(jié)構(gòu)，為了實(shí)用性，該結(jié)構(gòu)使用了ZnSe基片。白色的LED利用了n-型ZnSe基片的SA(自-激活)光發(fā)射。發(fā)光裝置的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖19所示，其中在n-型ZnSe基片101上依次堆疊了緩沖層(N-型ZnSe)102、n-型覆蓋層(N-型ZnMgSe)103、有源層(ZnCdSe/ZnSe多量子阱)104、p-型覆蓋層(p-型ZnMgSSe)105和接觸層(在p-型ZnSe上的ZnSe/ZnTe超晶格層)106，在堆疊結(jié)構(gòu)的頂部裝有一個(gè)p-電極(圖中未示)，在ZnSe基片101的背表面形成一個(gè)n-電極(圖中未示)。
接通這些電極導(dǎo)入電流時(shí)，引起有源層104發(fā)射藍(lán)色光(波長大約為485nm)，部分藍(lán)色光直接發(fā)射到該裝置的外部，而另一部分進(jìn)入基片一側(cè)。進(jìn)入ZnSe基片101的藍(lán)色光激發(fā)ZnSe基片上的SA中心，結(jié)果引發(fā)了SA光發(fā)射。SA發(fā)射光的波峰在大約590nm，它與波長為485nm的藍(lán)色光以適當(dāng)?shù)谋壤旌?，可得到通過人眼睛感覺為白色的光。ZnSe基白色LED的驅(qū)動電壓低如大約2.7V，并具有相對高的光發(fā)射效率，因此其應(yīng)用是有希望的。
然而，該ZnSe基發(fā)光裝置有壽命短的問題。ZnSe基發(fā)光裝置的壽命將在下文說明。半導(dǎo)體發(fā)光裝置中，發(fā)射光的有源層位于n-型半導(dǎo)體覆蓋層和p-型半導(dǎo)體覆蓋層之間，且所具有的帶隙小于該兩層覆蓋層的帶隙。在光發(fā)射時(shí)，電子和空穴由n-型覆蓋層及p-型覆蓋層導(dǎo)入有源層，造成電子-空穴再結(jié)合，并通過此再結(jié)合引起光發(fā)射。由n-型覆蓋層導(dǎo)入有源層的電子主要按照下列路線(1)與空穴再結(jié)合并發(fā)射光。
(2)泄漏(溢流)到p-型覆蓋層，在p-型覆蓋層造成不發(fā)射光的再結(jié)合。
當(dāng)按照路線(2)的電子比例大時(shí)，光發(fā)射效率下降。因此，發(fā)光裝置(LD激光二極管，LED)的光輸出變小。為了解決有關(guān)上述路線(2)的問題，可以增加阻擋有源層一側(cè)p-型覆蓋層電子的能壘(非均一勢壘(heterobarrier)，ΔEc)，以降低電子的泄漏。明確地說，ΔEc是p-型覆蓋層導(dǎo)帶底部和有源層電子能量的準(zhǔn)-費(fèi)米能級差。雖然精確計(jì)算ΔEc是困難的，但有下列三種增加該能壘的方法(1)增加p-型覆蓋層帶隙和有源層帶隙之間的差額ΔEg。
(2)通過增加p-型覆蓋層載流子密度來降低p-型覆蓋層的費(fèi)米能級。
(3)降低導(dǎo)入有源層的電流密度。
在這些方法之中，對于實(shí)現(xiàn)一種具有高亮度發(fā)光裝置而言，方法(3)是沒有意義的。對于上述方法(1)，作為實(shí)例，提出在ZnSe基發(fā)光裝置中使用ZnMgSSe層作覆蓋層(參閱如日本專利公報(bào)No.5-75217)。如上所述使用ZnMgSSe時(shí)，在其晶格常數(shù)適合與ZnSe的晶格常數(shù)匹配的條件下，就可能將帶隙增大到如大約4.4eV。
然而，在ZnSe基裝置中不可能相互獨(dú)立地應(yīng)用方法(1)和(2)，僅采用方法(1)時(shí)不能解決上述問題。因?yàn)閆nSe基化合物半導(dǎo)體的摻雜特征，方法(1)和(2)是相互關(guān)聯(lián)的。ZnSe基半導(dǎo)體的摻雜特征將在下文敘述。
眾所周知，當(dāng)引入p-型雜質(zhì)時(shí)，ZnSe基化合物半導(dǎo)體所屬的II-VI族化合物半導(dǎo)體在平衡態(tài)不能穩(wěn)定地達(dá)到足夠的p-型導(dǎo)電率，只有通過MBE(分子束定向生長)方法在低溫生長過程中引入氮時(shí)才達(dá)到此p-型導(dǎo)電率。然而，這種摻雜隨著帶隙變寬而變得愈加困難，并且隨著帶隙變寬，p-型載流子可能的最高密度變得更小。圖20顯示了此現(xiàn)象的結(jié)果。
圖20顯示了ZnMgSSe的帶隙和有效的p-型載流子密度(Na-Nd)之間的相關(guān)性，其中ZnMgSSe的組成比例已被調(diào)整到具有與ZnSe匹配的晶格常數(shù)。這里，Na表示受主密度，而Nd表示施主密度?？梢钥吹剑?dāng)ZnMgSSe的帶隙增加時(shí)，(Na-Nd)降低?？赡艿脑蚴牵词箖H引入p-型雜質(zhì)氮(N)作為摻雜物，當(dāng)帶隙增加時(shí)，仍可能傾向于形成更多與施主相關(guān)的缺陷(詳情未知)。特別在ZnSe基化合物半導(dǎo)體中，帶隙增加，則與施主相關(guān)的缺陷的密度也增加，即Nd增加。因此，p-型載流子密度實(shí)際上不增加，反而因?yàn)樾纬膳c施主相關(guān)的缺陷，該p-型載流子的密度降低了。
由上述現(xiàn)象可以理解，p-型覆蓋層存在著最佳帶隙值，使得非均一勢壘ΔEc最大化。具體而言，二者之間存在著如圖21示意表示的相關(guān)性。在圖21中，上述最佳帶隙值由臨界值表示?？梢灶A(yù)期，通過方法(1)和(2)合在一起獲得的解決方案，使p-型覆蓋層的帶隙設(shè)定為臨界值，得到非均一勢壘ΔEc的最大值，充分抑制電子的泄漏。
上述最佳帶隙值依賴于摻雜技術(shù)，該值為大約2.9eV～大約3.0eV。如果由最佳帶隙得到的非均一勢壘ΔEc足夠大，且作為結(jié)果電子泄漏也充分地降低，就似乎沒有問題了。然而事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使p-型覆蓋層達(dá)到最佳帶隙，但非均一勢壘ΔEc沒有足夠大，從有源層到p-型覆蓋層有可觀的電子泄漏量。
由ZnSe基化合物半導(dǎo)體形成發(fā)光裝置的一個(gè)更艱巨的問題是，到p-型覆蓋層的電子泄漏不僅降低光發(fā)射效率，還減少發(fā)光裝置的壽命。此現(xiàn)象將在下文敘述。
如上所述，ZnSe所屬的II-VI族化合物半導(dǎo)體中，p-型摻雜物的穩(wěn)定性低。因此p-型載流子密度不能夠增加。此外，泄漏到p-型覆蓋層的電子與p-型覆蓋層空穴再結(jié)合，降低了p-型載流子的密度，通過能量發(fā)射形成了與施主相關(guān)的缺陷。當(dāng)p-型載流子密度降低時(shí)，非均一勢壘ΔEc減小，且因此阻止電子泄漏的屏障作用被破壞。這造成了(電子泄漏到p-型覆蓋層)→(降低p-型覆蓋層中p-型載流子密度)→(降低非均一勢壘ΔEc)→...，不幸地降低光發(fā)射效率的惡性循環(huán)，尤其在短期工作后就開始快速的退化。由于上述現(xiàn)象，認(rèn)為ZnSe基發(fā)光裝置固有的壽命短，且難于使其壽命增長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供具有更長壽命的ZnSe基光發(fā)射裝置。
本發(fā)明提供一種II-VI族化合物半導(dǎo)體的ZnSe基發(fā)光裝置，它形成在化合物半導(dǎo)體基片上，在n-型覆蓋層和p-型覆蓋層之間具有有源層；該發(fā)光裝置包含半導(dǎo)體阻擋層，阻擋層的帶隙大于p-型覆蓋層的帶隙，它被安置在有源層和p-型覆蓋層之間。
因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，由阻擋層帶隙大于p-型覆蓋層帶隙而獲得的勢壘，可防止導(dǎo)入有源層的電子向p-型覆蓋層移動。從而ZnSe基發(fā)光裝置的壽命能夠明顯地得到改善。
本結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)在于一般p-型覆蓋層起兩項(xiàng)作用，即“給有源層提供空穴”和“通過形成非均一勢壘抑制電子泄漏”，這里“通過形成非均一勢壘抑制電子泄漏”的作用由阻擋層承擔(dān)。p-型覆蓋層僅負(fù)責(zé)“給有源層提供空穴”。由于僅簡單地負(fù)擔(dān)“給有源層提供空穴”的責(zé)任，p-型覆蓋層不必再需要大的帶隙或大的載流子密度。至于由阻擋層抑制電子泄漏，如果阻擋層的帶隙充分大，相對于有源層準(zhǔn)-費(fèi)米能級而論，保證充分大的非均一勢壘ΔEc是可能的，即使沒有通過增加載流子密度來獲得非均一勢壘ΔEc的增加。
上述結(jié)構(gòu)的一個(gè)特別優(yōu)勢是封閉電子的效率不再非常地依賴于覆蓋層的載流子密度。因此，即使因?yàn)榱鬟^阻擋層的電流泄漏使p-型覆蓋層載流子(空穴)密度降低，封閉電子的效率幾乎不受任何影響而維持原樣。結(jié)果是不再導(dǎo)致常規(guī)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的惡性循環(huán)引起的泄漏量的快速增加，從而能夠防止裝置的惡性退化。
這里將敘述阻擋層的封閉作用。主要地，如果有源層電子的準(zhǔn)-費(fèi)米能級和阻擋層中導(dǎo)帶底部能級之間的差額大時(shí)，就能改善封閉的效率。為了增加此能量差即非均一勢壘ΔEc，最基本的途徑是增加阻擋層的帶隙。當(dāng)使用ZnMgSSe作阻擋層時(shí)，可通過增加Mg和S的組成比例來增加阻擋層的帶隙。這里，阻擋層的載流子密度并不重要，可取消傳統(tǒng)的對p-型覆蓋層載流子密度的限制。
沒有必要有目的地用p-型雜質(zhì)摻雜阻擋層，但某種程度的摻雜不會引起任何問題。阻擋層的材料不限于ZnMgSSe?？梢允褂贸薢nMgSSe外的任何材料，只要此材料具有比覆蓋層大的帶隙，作為較大帶隙的結(jié)果，能提高導(dǎo)帶的底部能級(或降低電子親和力)。然而材料的晶格常數(shù)必須大致與半導(dǎo)體基片如ZnSe基片相匹配。這種材料的一個(gè)實(shí)例是ZnMgBeSe。與ZnMgSSe比較，已經(jīng)了解ZnMgBeSe達(dá)到了更小的電子親和力，因此如果帶隙相同，更優(yōu)選ZnMgBeSe，因?yàn)樗@得的電子封閉效率更高。
如由ZnMgSSe或ZnMgBeSe形成阻擋層，其帶隙越大，封閉電子的效率越高。然而當(dāng)帶隙太大時(shí)，用作阻擋層的薄膜的晶體特征有退化的傾向，因此必須避免過分的增大帶隙。如果與p-型覆蓋層的帶隙比較，阻擋層的帶隙太大時(shí)，它將是阻止空穴從p-型覆蓋層到有源層傳導(dǎo)的屏障，令人不快地降低了光發(fā)射效率。
這里，在III-V族化合物半導(dǎo)體形成的發(fā)光裝置中，上述形成的阻止空穴由p-型覆蓋層導(dǎo)入有源層的勢壘并不引起嚴(yán)重的問題。然而ZnSe基化合物半導(dǎo)體與III-V族化合物半導(dǎo)體不同，如果在阻擋層和p-型覆蓋層之間存在上述勢壘，p-型摻雜變得不穩(wěn)定，很可能退化。因此，阻止空穴由p-型覆蓋層到有源層傳導(dǎo)的勢壘必須要小。比較ZnMgSSe和ZnMgBeSe的勢壘，如果帶隙相同，ZnMgBeSe生成的阻止空穴的勢壘更小，或者不形成上述勢壘，因此優(yōu)選ZnMgBeSe。
由上文所述可看出，阻擋層的帶隙具有最佳值。最佳值依賴于阻擋層的材料、p-型覆蓋層的帶隙、p-型覆蓋層中p-型摻雜的穩(wěn)定性等，因此它不能以簡單的方式來確定。然而要特別指出，阻擋層帶隙最佳值的存在范圍為0.025eV～0.5eV，大于p-型覆蓋層的帶隙。即使該值以某種程度偏離最佳值，阻擋層仍可起上述作用，只要其帶隙在0.025eV～0.5eV的范圍，大于p-型覆蓋層的帶隙。
另一方面，本發(fā)明提供了一種在化合物半導(dǎo)體基片上形成的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，它的有源層夾在兩個(gè)覆蓋層之間，兩個(gè)覆蓋層中一個(gè)是引入了p-型雜質(zhì)的p-型半導(dǎo)體，而另一個(gè)覆蓋層是未摻雜的半導(dǎo)體。
由于上述結(jié)構(gòu)，可降低有源層電子的費(fèi)米能級。因此，有可能減小p-型覆蓋層導(dǎo)帶下降區(qū)域的邊緣(下文稱作導(dǎo)帶下降邊界)，該區(qū)域臨近有源層，已被電場彎曲并減小。從而，阻止電子由有源層泄漏到p-型覆蓋層的勢壘在導(dǎo)帶下降邊界處沒有明顯的降低。結(jié)果是電子由有源層到p-型覆蓋層的泄漏可被抑制，發(fā)光裝置的壽命得以延長。
未摻雜半導(dǎo)體是指未被任何摻雜物摻雜的半導(dǎo)體，任何摻雜物即無論p-型摻雜物或n-型摻雜物。未摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)殘留濃度通常必須小于經(jīng)過摻雜過程獲得的無論n-型或p-型摻雜物的濃度。作為實(shí)例，實(shí)施摻雜制備p-型或n-型半導(dǎo)體，通常的實(shí)踐是設(shè)定p-型或n-型雜質(zhì)的濃度為至少1016/cm3。因此，未摻雜半導(dǎo)體的殘留雜質(zhì)濃度，無論雜質(zhì)是p-型或n-型，都必須低于1016/cm3。
通常，半導(dǎo)體含有n-型和p-型雜質(zhì)二者，半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型是由主要雜質(zhì)來定義的。半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度由兩種類型雜質(zhì)相互抵消后剩余的雜質(zhì)量來決定。上述1016/cm3的雜質(zhì)濃度是由兩種類型雜質(zhì)濃度相互抵消后剩余的雜質(zhì)量來決定的濃度，它表示半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的雜質(zhì)濃度。
本發(fā)明上述的以及其它的目標(biāo)、特征，前景及優(yōu)勢，通過下文和附圖一起對本發(fā)明的詳細(xì)敘述而變得更加清晰。


圖1顯示了按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施方案的ZnSe基發(fā)光裝置。
圖2顯示了一種堆疊結(jié)構(gòu)，其中使用ZnBeMgSe作阻擋層。
圖3顯示了一種堆疊結(jié)構(gòu)，其中使用ZnMgSSe作阻擋層。
圖4顯示了一種能帶結(jié)構(gòu)，其中使用ZnBeMgSe作阻擋層。
圖5顯示了一種能帶結(jié)構(gòu)，其中使用ZnMgSSe作阻擋層。
圖6顯示了加速條件下發(fā)光裝置的壽命試驗(yàn)結(jié)果。
圖7顯示了一種按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案的LED。
圖8顯示了圖7所示LED的一種能帶。
圖9顯示了按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案的另一種LED。
圖10顯示了本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施方案的LED。
圖11顯示了圖10所示LED多層的能帶，LED多層包括兩層覆蓋層(阻擋層ZnMgBeSe)。
圖12顯示了由ZnMgSSe形成圖11所示LED的阻擋層時(shí)，包括兩層覆蓋層的LED多層的能帶。
圖13顯示了本發(fā)明LED和比較例LED的相對亮度隨時(shí)間的變化。
圖14顯示了本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施方案的發(fā)光裝置。
圖15表示圖14的發(fā)光裝置施加電壓狀態(tài)下的能帶。
圖16表示比較例的常規(guī)發(fā)光裝置施加電壓狀態(tài)下的能帶。
圖17顯示了本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施方案的發(fā)光裝置。
圖18表示圖17的發(fā)光裝置施加電壓狀態(tài)下的能帶。
圖19顯示了一種常規(guī)發(fā)光裝置。
圖20顯示了ZnMgSSe中(Na-Nd)和帶隙Eg之間的相關(guān)性。
圖21顯示了p-型覆蓋層的帶隙大小和導(dǎo)帶一側(cè)的能帶位移ΔEc之間的相關(guān)性。
具體實(shí)施例方式
下文將參照各圖對本發(fā)明實(shí)施方案的發(fā)光裝置加以說明。
(第一實(shí)施方案)圖1顯示了本發(fā)明實(shí)施方案的ZnSe基發(fā)光裝置。n-型ZnSe基緩沖層(下文稱作n-型緩沖層)2置于n-型化合物半導(dǎo)體基片1上，在其上面形成n-型ZnMgSSe覆蓋層(下文稱作n-型覆蓋層)3。n-型化合物半導(dǎo)體基片1可以使用n-型ZnSe單晶基片或n-型GaAs單晶基片。n-型GaAs單晶基片是有優(yōu)勢的，因?yàn)樵谶@種基片上比較容易形成ZnSe基外延層，此外它價(jià)格便宜。
n-型覆蓋層3上安置有源層4，有源層4中堆疊了量子阱層及其阻擋層。在有源層上進(jìn)一步安置阻擋層(第一層覆蓋層)11，再在阻擋層上形成p-型ZnMgSSe覆蓋層(下文稱作p-型覆蓋層或第二層覆蓋層)5。
如圖2所示，可使用i-型Zn1-x-yMgxBeySe(0.01≤y≤0.1)作阻擋層。或者，可使用i-型Zn1-xMgxS1-ySey作阻擋層。應(yīng)該指出，阻擋層不限于固有的化合物半導(dǎo)體，且它可含有p-型雜質(zhì)。
在p-型覆蓋層上安置p-型ZnSe緩沖層6，在其上形成p-型ZnSe/ZnTe超晶格接觸層7。在上面再提供一個(gè)p-電極9。在n-型化合物半導(dǎo)體基片1上形成n-電極，但圖中沒有表示。在n-和p-電極之間施加電壓導(dǎo)入電流到有源層，引起光發(fā)射。
圖4和5表示n-型覆蓋層3/有源層4/阻擋層11/p-型覆蓋層5的能帶結(jié)構(gòu)。有源層4和p-型覆蓋層(第二覆蓋層)5之間提供了阻擋層(第一覆蓋層)11，形成勢壘阻擋有源層的電子向p-型覆蓋層泄漏。具體而言，電子被約束在有源層中。圖4中，阻擋層和p-型覆蓋層價(jià)帶之間沒有間斷，連接是連續(xù)的。這種連接僅在使用ZnMgBeSe作阻擋層時(shí)是可能的，當(dāng)使用ZnMgSSe作阻擋層時(shí)，如圖5所示，阻擋層和p-型覆蓋層之間界面處的價(jià)帶一側(cè)也形成勢壘。如果其帶隙太大，即使使用ZnMgBeSe作阻擋層，如圖5所示，價(jià)帶一側(cè)也會形成勢壘。
接著將敘述依據(jù)本實(shí)施方案制備發(fā)光裝置的方法。首先，通過MBE方法在具有(100)平面取向的導(dǎo)電ZnSe基片上形成如圖1所示的堆疊結(jié)構(gòu)。根據(jù)n-型和p-型覆蓋層的組成比例采用了一種組合物，這種組合物室溫時(shí)的帶隙為2.9eV，且晶格基本上達(dá)到與ZnSe基片的相匹配。阻擋層使用ZnMgBeSe層，它的帶隙為3.1eV(室溫)，厚度為20nm，晶格基本上與ZnSe基片匹配。這里，n-型ZnMgSSe層3、阻擋層1(第一覆蓋層)11和p-型ZnMgSSe層(第二覆蓋層)5分別需要不同的Mg組成，因此在生長過程中需要不同的Mg熔劑。因此可以使用多個(gè)K單元(cell)作Mg源。但在本實(shí)施方案中使用了單K單元，在生長過程中改變用于Mg的K單元的溫度。因此，在生長阻擋層11和p-型ZnMgSSe層5以前，改變用于Mg的K單元的溫度，中斷生長直到溫度穩(wěn)定為止。
至于室溫下各層帶隙的測量，利用在4.2K接近能帶末端的PL(光致發(fā)光)光發(fā)射(激子再結(jié)合引起的光發(fā)射)的光發(fā)射波長，使用下列等式(I)計(jì)算室溫下的帶隙Eg(eV)＝{1240/λ4.2PL(nm)}-0.1...(I)在等式(I)中，減去了0.1eV，這相當(dāng)于由4.2K到室溫的溫度增加引起的帶隙降低。雖然上述等式?jīng)]必要精確，但它包含了一種系統(tǒng)誤差，該等式是簡單的，因此它僅作為近似表達(dá)式得到采用。
可用X-射線基于(400)衍射的衍射角偏差來評價(jià)晶格常數(shù)的匹配。用MBE法形成2～8層堆疊結(jié)構(gòu)后，在測量衍射線時(shí)可觀察到來自ZnSe基片的強(qiáng)衍射和來自覆蓋層的相對弱的衍射。由這二者之間衍射角之差可估計(jì)覆蓋層晶格匹配的程度。然而應(yīng)指出，不可能觀察到阻擋層的衍射峰。因此在預(yù)先設(shè)定條件的生長中，ZnSe基片上形成了相對厚的ZnMgBeSe或ZnMgSSe薄膜，晶格匹配是通過測量X-射線的衍射角來估計(jì)的。帶隙也采用了類似的測量。
雖然用Cl作n-型雜質(zhì)，用N作p-型雜質(zhì)，但它們的選擇不是本發(fā)明的基本要素，所使用的雜質(zhì)也不限于上述這些。
雖然使用ZnMgSSe作n-型和p-型覆蓋層，它們具有相同的帶隙值，但這種選擇也不是本發(fā)明的基本要素。不同的ZnSe基化合物半導(dǎo)體可用作n-型和p-型覆蓋層，且它們的帶隙可以互不相同。
制造了圖1所示的具有堆疊結(jié)構(gòu)的本發(fā)明LED，并測量了它的壽命。制造了具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的LED，它沒有圖1堆疊結(jié)構(gòu)中的阻擋層(第一覆蓋層)11，作為比較例。這里，堆疊結(jié)構(gòu)的其它各層做成與本實(shí)施方案(本發(fā)明實(shí)施例)相同的厚度及相同的帶隙。
圖1所示堆疊結(jié)構(gòu)的各層形成后，在ZnSe基片1的背面形成一個(gè)Ti/Au的n-電極，此外在p-型ZnSe/ZnTe超晶格接觸層8上形成一個(gè)半透明的Au電極，其厚度大約為200。然后，該結(jié)構(gòu)被劃斷為400μm×400μm，粘接到主干上制備成用于壽命評價(jià)的LED。
形成電極前，測量X-射線(Cu的Kα1射線)的(400)衍射，證實(shí)n-型和p-型覆蓋層的衍射峰離ZnSe基片的衍射峰有最多400弧秒的偏差。至于ZnMgBeSe，直接在LED生長前完成的為設(shè)定條件的生長中，測量了X-射線(Cu的Kα1線)的(400)衍射，也證實(shí)與ZnSe基片的衍射峰比較，偏差最多為400秒。
測量了根據(jù)上述加工步驟生產(chǎn)的本發(fā)明實(shí)施例和比較例的LED的壽命。作為測量方法，在70℃引起15mA的恒定電流流動，測量亮度的變化。圖6顯示了結(jié)果測量。由圖6可以看到，大約20小時(shí)后，具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的比較例的亮度降低到大約初始亮度的70％。相反，本發(fā)明實(shí)施例中，亮度降低到大約初始亮度的70％需要的時(shí)間多于400小時(shí)。這樣，可以理解在本發(fā)明LED中，亮度隨時(shí)間的退化被明顯地抑制了。
如上述，退化被抑制是因?yàn)橐种屏穗娮酉騪-型覆蓋層一側(cè)泄漏而預(yù)防了p-型覆蓋層的退化；以及因?yàn)樯踔猎趐-型覆蓋層退化后仍維持封閉的功效。由于常規(guī)ZnSe基發(fā)光裝置容易退化及壽命短，阻礙了該裝置的實(shí)際應(yīng)用。通過上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)光裝置克服了這些缺點(diǎn)。
(第二實(shí)施方案)圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案作為半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED。作為本發(fā)明實(shí)施例，在制備LED10中使用了具有(100)平面取向的n-型ZnSe基片1。在n-型ZnSe基片1上從下往上依次外延形成n-型ZnSe薄膜2作緩沖層/n-型ZnMgSSe層3作n-型覆蓋層/(ZnCd/ZnSe多量子阱)4作有源層/ZnMgBeSe層11作阻擋層/ZnSe層12作捕集層/p-型ZnMgSSe層5作p-型覆蓋層/(ZnTe/ZnSe超晶格/p-型ZnSe層)6，7作接觸層。
制備圖7所表示的LED，并測量其壽命。用MBE(分子束外延)方法完成上述外延生長。使用氯Cl作為n-型摻雜物，使用氮N作為p-型摻雜物。N-型覆蓋層3和p-型覆蓋層5適宜的帶隙能量為2.9eV，阻擋層11適宜的帶隙能量為3.1eV。此外，調(diào)整Cd組分使有源層4的光發(fā)射波長達(dá)到485nm。
n-型覆蓋層3和p-型覆蓋層的厚度為大約0.5μm，阻擋層11的厚度為大約0.02μm，及捕集層12的厚度為大約0.05μm。至于雜質(zhì)濃度，p-型覆蓋層的p-型雜質(zhì)濃度是3×1016/cm3，及捕集層的p-型雜質(zhì)濃度為3×1017/cm3。LED上有未示出的n-電極和p-電極。在n-型ZnSe基片1的背表面1a上提供了由Ti/Au薄膜形成的n-電極，以及在接觸層6，7的上表面7a上提供了由半透明Au薄膜形成的p-電極，它的厚度為大約10nm。上述LED的單位面積為400μm×400μm，它在n-型ZnSe基片上形成，然后劃斷成400μm×400μm的單位面積獲得小片。這樣制備的小片作為芯片被粘接到主干上，制成的LED(本發(fā)明實(shí)施例)用于壽命評價(jià)。
圖8顯示了包括圖7所示LED的n-型覆蓋層3/有源層4/阻擋層11/捕集層12/p-型覆蓋層5這些部分的能帶。因?yàn)榇四軒ЫY(jié)構(gòu)，電子由有源層到p-型覆蓋層的移動首先被阻擋層11的勢壘所阻擋。然后，泄漏通過阻擋層11的大多數(shù)電子被捕集層12的缺陷捕集，與空穴再結(jié)合并消失。因此，捕集層12起接收器的作用。從而能夠到達(dá)p-型覆蓋層的電子數(shù)明顯地降低了。捕集層12的帶隙僅須大于p-型覆蓋層的帶隙，而不必將其設(shè)定到與通常包含多層的有源層各層中較大的帶隙相同。
為了比較，制成一個(gè)作為比較例的LED，除了沒提供阻擋層和捕集層外，它具有與上述LED相同的堆疊結(jié)構(gòu)。具體而言，用作比較例的LED具有圖19所表示的堆疊結(jié)構(gòu)。
在下列條件下測試本發(fā)明實(shí)施例和比較例的LED引入15mA的恒定電流在70℃流過LED，測量亮度隨時(shí)間的降低。測試結(jié)果如下比較例LED的亮度降低到初始亮度的70％用200～大于500小時(shí)，平均時(shí)間為大約350小時(shí)。相反本發(fā)明LED需用350～大于700小時(shí)，直至亮度降低到初始亮度的70％，平均為大約500小時(shí)。
由上述測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與以前的技術(shù)比較，本發(fā)明實(shí)施方案的LED能夠延長大約40％的壽命。
圖9所示的LED是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案的改進(jìn)，它排列了多重堆疊的結(jié)構(gòu)，其中在有源層和p-型覆蓋層之間安排了兩個(gè)包括阻擋層和捕集層這樣的部分。這樣的多重堆疊結(jié)構(gòu)可更安全地防止電子泄漏到p-型覆蓋層，半導(dǎo)體發(fā)光裝置的壽命可進(jìn)一步被延長。
(第三實(shí)施方案)圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的作為半導(dǎo)體發(fā)光裝置的LED(發(fā)光二極管)。使用具有(100)平面取向的n-型ZnSe基片1制備作為本發(fā)明實(shí)施例的LED。在n-型ZnSe基片1上，由下往上依次外延形成n-型ZnSe薄膜2作為緩沖層n-型ZnMgSSe層3作為n-型覆蓋層/(ZnCdSe/ZnSe多量子阱)4作為有源層/ZnMgBeSe層11作為阻擋層/ZnCdS層5作為p-型覆蓋層/(ZnTe/ZnSe超晶格層/p-型ZnSe層)6，7作為接觸層。
圖11顯示了上述阻擋層由ZnMgBeSe形成時(shí)的能帶。如圖11所示，使用包括Be的II-VI族化合物半導(dǎo)體，特別是Zn1-x-yMgxBeySe，有可能提高導(dǎo)帶底部，同時(shí)對價(jià)帶的頂部改變不大。因此有可能形成阻擋電子由有源層向p-型覆蓋層泄漏的勢壘，同時(shí)不存在阻止空穴由p-型覆蓋層側(cè)面移動到有源層的屏障，從而不妨礙空穴傳導(dǎo)對亮度增加的貢獻(xiàn)。
阻擋層可由ZnMgSSe形成，圖12顯示了ZnMgSSe形成的阻擋層的能帶。如圖12所示，ZnMgSSe提高了導(dǎo)帶底部并降低了價(jià)帶頂部。因此與其中阻擋層由ZnMgBeSe層形成的實(shí)施例比較，它妨礙了空穴由p-型覆蓋層向有源層的傳導(dǎo)，故光發(fā)射效率可以低于ZnMgBeSe形成的阻擋層。
制備圖11所示本發(fā)明實(shí)施例的LED并測量其壽命。用MBE方法完成外延薄膜的形成。使用氯Cl作為n-型摻雜物，使用氮N作為p-型摻雜物。N-型覆蓋層3和p-型覆蓋層5適宜的帶隙能量為2.9eV，阻擋層11適宜的帶隙能量為3.1eV。此外，調(diào)整Cd的組成使有源層4的光發(fā)射波長達(dá)到485nm。
n-型覆蓋層3和p-型覆蓋層二者具有的厚度為大約0.5μm，阻擋層11具有的厚度為大約0.02μm。至于雜質(zhì)濃度，p-型覆蓋層的p-型雜質(zhì)濃度是3×1016/cm3。LED上有未示出的n-電極和p-電極。在n-型ZnSe基片1的背表面1a上提供了由Ti/Au薄膜形成的n-電極，以及在接觸層6，7的上表面7a上提供了由半透明Au薄膜形成的p-電極，它的厚度為大約10nm。上述LED的單位面積為400μm×400μm，它在n-型ZnSe基片上形成，然后劃斷成400μm×400μm的單位面積來獲得小片。這樣制備的小片作為芯片被粘接到主干上，制成的LED(本發(fā)明實(shí)施例)用于其壽命的評價(jià)。
制成具有圖19所示堆疊結(jié)構(gòu)的作為比較例的LED，以便比較。
在下列條件下測試本發(fā)明實(shí)施例和比較例的LED在70℃引起15mA的恒定電流流過LED，測量亮度隨時(shí)間的降低。測試結(jié)果由圖13表示。具體而言，作為比較例的LED亮度降低到初始亮度的70％，用了200～大于500小時(shí)，平均時(shí)間為約350小時(shí)。相反，本發(fā)明的LED直至亮度降低到初始亮度的70％需用350～大于700小時(shí)，平均為大約500小時(shí)。
由上述測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)與以前的技術(shù)比較，按照本發(fā)明實(shí)施方案的LED能夠延長大約40％的壽命。
(第四實(shí)施方案)參考圖14，在依據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體發(fā)光裝置10中，在n-型ZnSe基片1上，由下往上依次堆疊了n-型ZnSe層作為緩沖層2、未摻雜的ZnMgSSe層作為未摻雜的覆蓋層3、具有ZnCdSe/ZnSe多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層4、p-型ZnMgSSe層作為p-型覆蓋層5、及具有ZnTe/ZnSe及p-型ZnSe層多量子阱結(jié)構(gòu)的接觸層6，7。兩個(gè)覆蓋層3和5中夾入有源層4。這里，覆蓋層3安置在有源層4下面，即在ZnSe基片1的一側(cè)，是未摻雜的ZnMgSSe層，而覆蓋層5安置在有源層上部，即從ZnSe基片處觀看更遠(yuǎn)離有源層安置的是p-型ZnMgSSe層。在下文中，安置在有源層下面的未摻雜覆蓋層可被稱作n-電極側(cè)覆蓋層，及安置在有源層上面的p-型覆蓋層可被稱作p-電極側(cè)覆蓋層。此外，圖19所示的常規(guī)發(fā)光裝置的覆蓋層也可以同樣方式來稱呼。
未摻雜的ZnMgSSe層3的雜質(zhì)濃度水平，無論p-型或n-型，都被控制在低于典型的通過摻雜雜質(zhì)獲得的水平。雜質(zhì)濃度低于1016/cm3。
下面將對圖14所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置10的功能加以說明。圖15顯示了對發(fā)光裝置的電極上施加電壓導(dǎo)入電流時(shí)的能帶，該發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)如圖14所示，圖中未示出電極。圖16顯示了發(fā)光裝置電極上施加電壓導(dǎo)入電流時(shí)的能帶，該發(fā)光裝置具有圖19所示的堆疊結(jié)構(gòu)，其中提供了由n-型雜質(zhì)摻雜的n-型覆蓋層來取代未摻雜的覆蓋層3。
在圖15和16，參照字符V表示有源層中電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級φn和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級φp之間的差額。V值決定有源層中電子和空穴再結(jié)合的可能性，它基本上由導(dǎo)入裝置的電流量單獨(dú)確定。精確地說，V值不能獨(dú)自由導(dǎo)入電流量來決定，因?yàn)榇嬖谛孤╇娏?。然而在本說明書中，即使假定該值由導(dǎo)入裝置的電流量決定，也沒有出現(xiàn)問題。如果沒有電極或各層電阻引起的電壓降低，V值將與電極之間施加的電壓相同。Ef(p-覆蓋層)值表示空穴的費(fèi)米能級，由p-型覆蓋層上的價(jià)帶頂部來測定，它隨著p-型載流子密度增加而變小。
首先將敘述比較例的常規(guī)發(fā)光裝置的能帶。圖16可以看到由下列等式(1)可給出ΔEcΔEc＝Eg(p-覆蓋層)-V-Ef(p-覆蓋層)...(1)如上所述，增加ΔEc可能的途徑是增加p-型覆蓋層的帶隙能量(Eg(p-覆蓋層))、通過降低導(dǎo)入電流來降低V值、或增加p-型載流子密度來降低Ef(p-覆蓋層)。這里應(yīng)指出，有源層中準(zhǔn)費(fèi)米能級(φn，φp)的絕對位置對ΔEc沒有任何影響。即使φn的位置被降低，同時(shí)V值維持為常數(shù)，ΔEc仍將不變，這是如圖15示意性地表示的，由于p-型覆蓋層導(dǎo)帶底部的位置被φp降低所拉動也將被降低的緣故。從而，無需認(rèn)真考慮有源層準(zhǔn)費(fèi)米能級(φn，φp)的絕對位置。
然而，如果材料具有不穩(wěn)定的p-型摻雜并有退化傾向如ZnSe的例子，情況就不同了。明確地說，盡管有源層載流子的封閉應(yīng)與ΔEc相關(guān)來討論，考慮到p-型覆蓋層退化，不僅ΔEc還有ΔEc’(參閱圖15和16)都將是重要的。具體而言，在臨近有源層的p-型覆蓋層區(qū)域，能帶被電場彎曲(圖15和16的區(qū)域A)，如果ΔEc’小，即使ΔEc相同，阻礙電子的勢壘熱仍將降低。這意味著泄漏變得更加容易，最終p-型覆蓋層的退化變得更加容易。這里應(yīng)該指出，雖然如上述有源層中準(zhǔn)費(fèi)米能級(φn，φp)的絕對位置對ΔEc沒有任何影響，但如上述此準(zhǔn)費(fèi)米能級對ΔEc’有影響。
上文得出，以阻止電子泄漏的觀點(diǎn)看優(yōu)選較大值的ΔEc’。為了增加ΔEc’，可能的途徑是降低電子的費(fèi)米能級φn，以減少p-型覆蓋層的能帶彎曲，這可從圖15和16之間的比較中得以理解。
下面的問題是如何降低φn。一個(gè)基本的先決條件是上述V值保持為常數(shù)。通常在普通的發(fā)光裝置中用作覆蓋層材料的化合物半導(dǎo)體中，p-型載流子密度的增加是困難的。因此，比較n-型覆蓋層和p-型覆蓋層，n-型覆蓋層的載流子密度往往高于p-型覆蓋層的載流子密度。有源層中電子和空穴的費(fèi)米能級φn和φp由從覆蓋層導(dǎo)入的電子和空穴的量來決定。因此，如果n-電極側(cè)覆蓋層的載流子密度高，促進(jìn)了電子傳導(dǎo)，作為結(jié)果φn的水平變高。
由上文的觀點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了一種途徑，其中以常規(guī)方式用p-型雜質(zhì)摻雜p-型覆蓋層，使其具有p-型導(dǎo)電率，而n-電極側(cè)覆蓋層不摻雜。通過此途徑阻礙電子向有源層傳導(dǎo)，即電子的積聚減少，有源層中費(fèi)米能級φn降低。這里擔(dān)憂的是如果n-電極側(cè)覆蓋層未被摻雜，并使其具有高電阻，電流將不流過發(fā)光裝置。但通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)，電子從n-型緩沖層2擴(kuò)散到n-電極側(cè)覆蓋層3，電流就流動了。
另一點(diǎn)擔(dān)憂的是阻擋n-電極側(cè)覆蓋層3的空穴的勢壘變低，空穴往n-電極側(cè)覆蓋層的泄漏將變得更加容易。然而，在用于光發(fā)射裝置的化合物半導(dǎo)體材料中，空穴的遷移遠(yuǎn)小于電子的遷移，因此，空穴的泄漏本身就很小。這樣，此擔(dān)憂被證實(shí)是沒有理由的。即使此問題不可忽略，僅通過簡單地增加n-電極側(cè)覆蓋層3的帶隙就能容易地得到解決。
很難通過直接測量證實(shí)由于n-電極側(cè)覆蓋層沒有摻雜，而費(fèi)米能級φn被降低且作為結(jié)果增加了ΔEc’。然而有可能通過評價(jià)裝置的壽命，來確定是否成功地獲得這種效果。
制成了具有圖14所示結(jié)構(gòu)的作為本發(fā)明實(shí)施例的LED，測量了該實(shí)施例的和圖19所示的常規(guī)LED的壽命。壽命試驗(yàn)條件與第一到第三實(shí)施方案的實(shí)施例中的條件相同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)作為本發(fā)明實(shí)施例的LED具有的壽命平均比比較例的長大約20％。
(第五實(shí)施方案)圖17示出了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方案的發(fā)光裝置10。在上述第四實(shí)施方案中敘述了一種結(jié)構(gòu)，其中LED具有夾在覆蓋層之間的有源層，n-電極側(cè)覆蓋層未摻雜。在本實(shí)施方案中將敘述一種結(jié)構(gòu)，其中n-電極側(cè)覆蓋層未摻雜，此外在有源層4和p-型覆蓋層5之間插入阻擋層11，它具有大于p-型覆蓋層的禁帶寬。與根據(jù)第四實(shí)施方案的發(fā)光裝置僅有的差別是，在有源層4和p-型覆蓋層5之間插入了阻擋層11，它具有大于p-型覆蓋層的禁帶，除了這一點(diǎn)以外，結(jié)構(gòu)與圖14所示發(fā)光裝置相同。
在具有上述結(jié)構(gòu)的LED中，電子的封閉不受ΔEc支配，而由ΔEc”決定。因此期望φn的降低對抑制電子泄漏具有直接的影響。
實(shí)際上制成了具有圖17所示結(jié)構(gòu)的LED，并評價(jià)了其壽命。結(jié)果證實(shí)了壽命平均可延長大約30％。這里覆蓋層的禁帶寬設(shè)定為2.9eV，及阻擋層禁帶寬設(shè)定為3.1eV。
如上所述，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)特征是n-電極側(cè)覆蓋層是未被摻雜的。至于p-型覆蓋層中可允許的殘留載流子密度水平，要求此密度至少必須是空穴密度的(1/2)或更低，如果可能，密度為(1/10)或更低。
不用任何雜質(zhì)摻雜n-電極側(cè)覆蓋層的另一個(gè)作用是可增加有源層的純度。n-電極側(cè)覆蓋層用n-型雜質(zhì)摻雜時(shí)，生長爐中剩余的n-型雜質(zhì)往往進(jìn)入有源層，并在有源層中混合，降低了有源層的純度。有源層純度的降低可能降低有源層光發(fā)射效率，雖然這種降低依賴于純度下降的程度及材料的類型。
在上文中作為實(shí)施例敘述了ZnSe基LED。然而，本發(fā)明不僅局限于ZnSe基裝置，在使用III-V族化合物半導(dǎo)體如GaAs或GaN發(fā)光裝置中，也在某種程度上預(yù)期有如降低電流泄漏或其它優(yōu)選的功效。此外本結(jié)構(gòu)不僅在LED中，而且在LD中都是有效的。
制造了一個(gè)具有摻雜為n-型的n-電極側(cè)覆蓋層的LED(比較例)，和一個(gè)具有未摻雜即沒有摻雜的n-電極側(cè)覆蓋層的LED(本發(fā)明實(shí)施例)，作為具有圖17所示結(jié)構(gòu)的ZnSe基發(fā)光裝置。這兩個(gè)LED的制造中使用了具有(100)平面取向n-型ZnSe基片，并在基片上用MBE方法形成了圖17所示的堆疊結(jié)構(gòu)。使用Cl作為n-型摻雜物，使用N作為p-型摻雜物。n-電極側(cè)覆蓋層的帶隙為2.9eV。p-電極側(cè)覆蓋層的帶隙為2.9eV。此外，阻擋層的帶隙被設(shè)定為3.1eV。另外，調(diào)整Cd組分使得有源層4的光發(fā)射波長達(dá)到485nm。各覆蓋層的厚度為大約0.5μm，阻擋層的厚度為大約0.02μm。
摻雜成n-型的n-電極側(cè)覆蓋層(比較例)的載流子密度為2～3×1017cm-3，未摻雜n-電極側(cè)覆蓋層(本發(fā)明)的載流子密度最多為2×1015cm-3。在本發(fā)明實(shí)施例和比較例二者中，p-型覆蓋層的載流子密度都是3×1016cm-3。
雖然圖中沒有示出，在阻擋層形成以后，在ZnSe基片的背側(cè)形成一個(gè)Ti/Au的n-電極，在接觸層上形成一個(gè)具有厚度大約100的半透明Au電極。然后，該結(jié)構(gòu)被劃斷成400μm×400μm后粘接到主干上，制成評價(jià)壽命用的LED。
測量上述方式制成的本發(fā)明實(shí)施例和比較例的LED的壽命。依據(jù)測量方法，在70℃引起15mA的恒定電流流動，并測量亮度的降低。結(jié)果如下文。
在作為比較例的LED中，直到亮度降低到初始亮度的70％用200～多于500小時(shí)，平均時(shí)間為大約350小時(shí)。相反在本發(fā)明的LED中，直到亮度降低到初始亮度的70％需用350～多于650小時(shí)，平均為大約450小時(shí)。換句話說，本發(fā)明實(shí)施例的LED的壽命與比較例相比延長了大約30％。
下文將以能夠充分理解的方式，敘述本發(fā)明這些以及其它實(shí)施方案的特征。
上述II-VI族化合物半導(dǎo)體發(fā)光裝置可以是一種ZnSe基發(fā)光裝置，其中n-型覆蓋層可以是n-型Zn1-xMgxSySe1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)層，p-型覆蓋層可以是p-型Zn1-xMgxSySe1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)層。上述p-型Zn1-xMgxSySe1-y是一種大帶隙的化合物半導(dǎo)體，因此它可以形成一種屏障，雖然不是非常有效，來阻擋將要由捕集層進(jìn)入p-型覆蓋層的電子。從而可獲得將壽命延長到某種程度的效果。
優(yōu)選上述阻擋層帶隙的大小應(yīng)比p-型帶隙大0.025eV～0.5eV。
如果阻擋層的帶隙沒有比p-型覆蓋層的帶隙至少大0.025eV，則很難充分抑制導(dǎo)入有源層的電子向p-型覆蓋層移動。如果把阻擋層帶隙的大于量做得比0.5eV更大，晶體變得不穩(wěn)定而影響裝置的特征。
有關(guān)上述阻擋層的帶隙，其價(jià)帶能量可以做得大致與p-型覆蓋層的相同。其導(dǎo)帶能量可以做得比p-型覆蓋層的大。
此結(jié)構(gòu)僅抑制電子由有源層泄漏到p-型覆蓋層，而對價(jià)帶空穴幾乎沒有影響。因此，壽命可得以延長，且不影響裝置的特征。
上述阻擋層可由包括Be的II-VI族化合物半導(dǎo)體形成。通過此結(jié)構(gòu)，ZnSe基光發(fā)射裝置的壽命可得以延長而沒有降低光發(fā)射的特征。
上述阻擋層可由Zn1-x-yMgxBeySe(0≤x+y≤1，0＜x，0＜y)形成。包括Be的II-VI族化合物半導(dǎo)體中，特別是Zn1-x-yMgxBeySe，有可能提高導(dǎo)帶的底部而價(jià)帶的頂部改變不大。因此有可能形成勢壘來阻擋電子由有源層向p-型覆蓋層泄漏的傾向，同時(shí)并不存在任何阻擋空穴由p-型覆蓋層側(cè)遷移到有源層的屏障，而不干擾空穴傳入引起的光發(fā)射。結(jié)果是變得有可能延長裝置的壽命而沒有光發(fā)射特征的退化。此外有可能形成外延阻擋層和p-型覆蓋層，因此可獲得高的光發(fā)射效率。雖然將p-型雜質(zhì)導(dǎo)入上述Zn1-x-yMgxBeySe(0.01≤y≤0.1)層是非常困難的，但如果有可能導(dǎo)入p-型雜質(zhì)，它就會含有p-型雜質(zhì)，只要它具有的帶隙大于p-型覆蓋層的帶隙。
上述阻擋層可以由Zn1-xMgxSySe1-y(x，y在0～1的范圍)形成。
通過這一結(jié)構(gòu)，阻擋層的帶隙可做得充分地大于p-型覆蓋層的帶隙，可預(yù)防電子由有源層進(jìn)入p-型覆蓋層。結(jié)果是發(fā)光裝置的壽命可得以延長。優(yōu)選上述Zn1-xMgxSySe1-y(x，y在0～1的范圍)層應(yīng)是一種i-型化合物半導(dǎo)體。然而它也可以含有p-型雜質(zhì)，只要它具有的帶隙大于p-型覆蓋層的帶隙。
此外在上述阻擋層和p-型覆蓋層之間，可提供一個(gè)半導(dǎo)體捕集層，該捕集層具有的帶隙小于p-型覆蓋層的帶隙。
由于這一結(jié)構(gòu)，多數(shù)已泄漏過阻擋層的電子，在到達(dá)p-型覆蓋層之前，被捕集層的缺陷捕集或與空穴再結(jié)合，因此明顯地降低了到達(dá)p-型覆蓋層的電子數(shù)目。即使當(dāng)捕集層為p-型半導(dǎo)體，其帶隙小于p-型覆蓋層的帶隙，由此在泄漏的電子到達(dá)后發(fā)生的退化是緩慢進(jìn)行的。
如果提供捕集層，可生成多重堆疊結(jié)構(gòu)，其中在有源層和p-型覆蓋層之間可安排兩個(gè)包括阻擋層和捕集層這樣的部分。通過這種多重堆疊結(jié)構(gòu)，可更加確實(shí)地預(yù)防電子泄漏到p-型覆蓋層，半導(dǎo)體發(fā)光裝置的壽命可進(jìn)一步得以延長。
此外上述捕集層可由ZnSxSe1-x(0≤x≤0.1)形成。當(dāng)使用上述ZnSxSe1-x(0≤x≤0.1)時(shí)，可外延形成帶隙小于p-型覆蓋層的捕集層，同時(shí)維持良好的晶體特征。此外這也能使在其上形成的外延p-型覆蓋層的晶體特征是良好的。不用說上述ZnSxSe1-x(0≤x≤0.1)包括ZnSe。
上述p-型覆蓋層可由(Zn1-xCdxS)1-z(MgS1-ySey)z(其中x，y，z滿足0＜x≤1，0≤y≤1，0≤z＜1)形成。
通過采用下述結(jié)構(gòu)，其中阻擋層被安排在有源層和p-型覆蓋層之間及由(Zn1-xCdxS)1-z(MgS1-ySey)z形成p-型覆蓋層，可抑制亮度的降低及實(shí)現(xiàn)壽命的延長。如果p-型覆蓋層由其它材料形成，其它材料如p-型ZnMgSSe，使其具有大的帶隙，則導(dǎo)帶底部的能級被提高同時(shí)降低了價(jià)帶上端的能級。因此，雖然帶隙變大可形成阻擋電子泄漏的勢壘，但也形成一種勢壘，這種勢壘阻擋空穴由p-型覆蓋層通過阻擋層導(dǎo)入有源層。這引起發(fā)光裝置亮度的降低。
使Zn1-xCdxS的晶格常數(shù)與半導(dǎo)體基片的晶格常數(shù)相匹配來確定p-型覆蓋層的組成x。此外，使MgS1-ySey的晶格常數(shù)與半導(dǎo)體基片的晶格常數(shù)相匹配來決定組成y。
如果用作普通p-型覆蓋層的ZnMgSSe層的帶隙隨同阻擋層帶隙的增加而增加，這將不會形成阻擋空穴的勢壘。然而，如果ZnMgSSe層的帶隙太大，p-型摻雜將變得很困難。如果上述p-型覆蓋層含有Cd，在帶隙相同時(shí)，價(jià)帶上端的能級變得低于不含Cd時(shí)的情況。因此，不但不形成阻擋空穴的屏障，而且使空穴傳導(dǎo)到有源層一側(cè)更容易。從而，可抑制亮度的減退。如果形成p-型覆蓋層的材料含有Cd，不僅價(jià)帶而且導(dǎo)帶的能級都被降低，因此，僅由p-型覆蓋層不能達(dá)到充分的對電子的封閉。為此，如上所述，結(jié)合使用了帶隙大于p-型覆蓋層的阻擋層，使能獲得由(Zn1-xCdxS)1-z(MgS1-ySey)z形成p-型覆蓋層的主要作用。
上述阻擋層厚度可以是在至少5nm到最多為有源層厚度的范圍。如果阻擋層厚度小于5nm，它幾乎不呈現(xiàn)勢壘作用，并且因?yàn)樗淼佬?yīng)，有源層電子會流入p-型覆蓋層。當(dāng)厚度超過有源層的厚度，阻擋層的剛性增加，從而將失去形變匹配而造成大的失真?？墒褂糜性磳拥暮穸茸鳛樽钃鯇雍穸鹊纳舷蓿虮戎?00nm可被單獨(dú)地設(shè)定為上限。
可使用n-型ZnSe單晶基片作為上述化合物半導(dǎo)體基片。使用這種基片，有可能形成具有良好晶體特征的外延薄膜，以便制備具有良好光發(fā)射效率和長壽命的發(fā)光裝置。
可使用n-型GaAs單晶基片作為上述化合物半導(dǎo)體基片。GaAs基片價(jià)格便宜，它也允許形成ZnSe基外延薄膜。由此可得到一種便宜的發(fā)光裝置，它具有長的壽命和好的光發(fā)射效率。此外當(dāng)使用n-型GaAs單晶基片作為化合物半導(dǎo)體基片時(shí)，有可能以低的成本得到大量的具有指定性能水平或較高效率的半導(dǎo)體光發(fā)射裝置。如果使用n-型GaAs單晶基片，由于晶體晶格常數(shù)的相關(guān)性，優(yōu)選使用含有S的ZnSSe做捕集層。
在組成上述ZnSe基發(fā)光裝置的堆疊結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)包括化合物半導(dǎo)體基片，作為變形指數(shù)的基片平面取向的X-射線衍射峰與堆疊結(jié)構(gòu)平面取向的x-射線衍射峰之間的偏差最多可以為1000秒。
依據(jù)此結(jié)構(gòu)，由于上述偏差被抑制，有可能得到具有長的壽命和優(yōu)良的光發(fā)射特征的ZnSe基發(fā)光裝置。用作化合物半導(dǎo)體基片變形指數(shù)的平面指數(shù)通常為(400)平面。抑制上述偏差導(dǎo)致了光發(fā)射裝置中產(chǎn)生的變形被消除。
在上述實(shí)施方案中，僅敘述了p-型半導(dǎo)體層作捕集層。然而捕集層可以是基本不含雜質(zhì)的未摻雜層(雖然它可能含有無論p-型或n-型的殘留雜質(zhì))。雖然沒有提及有關(guān)阻擋層的雜質(zhì)，阻擋層可以是基本不含雜質(zhì)的未摻雜層(雖然它可以含有無論p-型或n-型的殘留雜質(zhì))。
不必明確地限制有關(guān)捕集層和阻擋層厚度的大小。然而，正如阻擋層形成勢壘而捕集層捕集正在移動的電子，從功能上說優(yōu)選捕集層的厚度應(yīng)大于阻擋層的厚度。
雖然僅在上述實(shí)施方案中對LED進(jìn)行了說明，本發(fā)明適用于任何使用II-VI族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光裝置。通過實(shí)施例，本發(fā)明可被應(yīng)用于LD，特別是綠LD。
雖然上述實(shí)施方案中沒有提及阻擋層的雜質(zhì)，阻擋層可以是基本不含雜質(zhì)的未摻雜層(雖然它可以含有無論p-型或n-型的殘留雜質(zhì))，或者它可以含有一種雜質(zhì)來獲得p-型導(dǎo)電率。
在上述半導(dǎo)體發(fā)光裝置中，其它覆蓋層是未摻雜半導(dǎo)體，未摻雜半導(dǎo)體中的剩余雜質(zhì)濃度可小于1×1016/cm3。
通過上述結(jié)構(gòu)，使得有可能將未摻雜半導(dǎo)體中的剩余雜質(zhì)濃度限制為低濃度，以便降低有源層中電子的費(fèi)米能級。結(jié)果是可以抑制電子由有源層到p-型覆蓋層的泄漏。
在上述有源層和導(dǎo)入p-型雜質(zhì)的覆蓋層(p-型覆蓋層)之間，可安置一個(gè)阻擋層，此阻擋層的帶隙大于p-型覆蓋層的帶隙(禁帶)。
在上述有阻擋層的結(jié)構(gòu)中，未摻雜的半導(dǎo)體降低了有源層電子的費(fèi)米能級，阻擋層就能形成一個(gè)較高的勢壘來阻止有源層的電子。
上述半導(dǎo)體可以是II-VI族化合物半導(dǎo)體。
依據(jù)此結(jié)構(gòu)，在由II-VI族化合物半導(dǎo)體形成的發(fā)光裝置的p-型覆蓋層中，可抑制該p-型覆蓋層中由電子和空穴再結(jié)合引起的與施主相關(guān)的缺陷的產(chǎn)生。
上述半導(dǎo)體可以是ZnSe基化合物半導(dǎo)體。
依據(jù)此結(jié)構(gòu)，使用ZnSe基化合物半導(dǎo)體形成發(fā)光裝置時(shí)，ZnSe基化合物半導(dǎo)體對上述與施主相關(guān)的缺陷的產(chǎn)生非常敏感，可抑制此發(fā)光裝置的p-型覆蓋層中由電子和空穴再結(jié)合引起的與施主相關(guān)的缺陷的產(chǎn)生。
上述兩種覆蓋層可由ZnMgSSe形成。
依據(jù)此結(jié)構(gòu)，覆蓋層的帶隙一定要大于有源層的帶隙，及電子由有源層向p-型覆蓋層的泄漏能夠被抑制到不高于規(guī)定的量。
上述阻擋層可由ZnMgBeSe形成。
由于使用ZnMgBeSe作為阻擋層的材料，使帶隙變得大于覆蓋層的帶隙，較大帶隙的結(jié)果是導(dǎo)帶底部的能級被提高了(換句話說是降低了電子的親和力)。因此可抑制電子向p-型覆蓋層的泄漏。與ZnMgSSe比較，已知ZnMgBeSe獲得的電子親和力比較小。因此如果帶隙相同，更優(yōu)選ZnMgBeSe，因?yàn)樗_(dá)到的電子封閉的效率較高。此外，ZnMgBeSe增加了導(dǎo)帶的能量值，同時(shí)對價(jià)帶幾乎沒有影響，因此它不妨礙空穴由p-型覆蓋層傳導(dǎo)到有源層。
雖然已詳細(xì)地通過舉例對本發(fā)明進(jìn)行了說明和闡述，應(yīng)清楚地理解這些僅僅是作為例證和實(shí)施例，而不能作為限制，本發(fā)明的精神和范圍僅受限于后附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種在化合物半導(dǎo)體基片上形成的II-VI族化合物半導(dǎo)體的發(fā)光裝置，其在n-型覆蓋層(3)和p-型覆蓋層(5)之間具有有源層(4)，其包含半導(dǎo)體阻擋層(11)，其帶隙大于所述p-型覆蓋層的帶隙，被安置在所述有源層和所述p-型覆蓋層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述II-VI族化合物的發(fā)光裝置是ZnSe基發(fā)光裝置；所述n-型覆蓋層(3)是n-型Zn1-xMgxSySe1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)層；及所述p-型覆蓋層(5)是p-型Zn1-xMgxSySe1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層(11)的帶隙的大小比所述p-型覆蓋層帶隙的大0.025eV～0.5eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中在所述阻擋層的帶隙中，價(jià)帶的能量近似地與所述p-型覆蓋層的相同，及導(dǎo)帶的能量比所述p-型覆蓋層的大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層由含有Be的II-VI族化合物半導(dǎo)體形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層由Zn1-x-yMgxBeySe(0≤x+y≤1，0＜x，0＜y)形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層由Zn1-xMgxSySe1-y形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其包含半導(dǎo)體捕集層(12)，其帶隙小于所述p-型覆蓋層的帶隙，被安置在所述阻擋層和所述p-型覆蓋層之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，它具有多重堆疊結(jié)構(gòu)，其中堆疊了多個(gè)所述阻擋層(11)和所述捕集層(12)的雙層結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述捕集層由ZnSxSe1-x(0≤x≤0.1)形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述p-型覆蓋層是由(Zn1-xCdxS)1-z(MgS1-ySey)z(其中x，y，z滿足0＜x≤1，0≤y≤1，0≤z＜1)形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層的厚度至少為5nm及最多為所述有源層的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中n-型ZnSe單晶基片(1)被用作所述化合物半導(dǎo)體基片。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中n-型GaAs單晶基片(1)被用作所述化合物半導(dǎo)體基片。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中組成所述ZnSe基發(fā)光裝置的堆疊結(jié)構(gòu)包括所述化合物半導(dǎo)體基片(1)，在該堆疊結(jié)構(gòu)中，由所述基片的作為變形指數(shù)的平面取向的X-射線衍射峰和由所述堆疊結(jié)構(gòu)的平面取向的X-射線衍射峰之間的偏差最多為1000秒。
16.一種在化合物半導(dǎo)體基片上形成的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其具有夾在兩層覆蓋層之間的有源層，其中所述的兩層覆蓋層中，一層是引入了p-型雜質(zhì)的p-型半導(dǎo)體，及另一覆蓋層是未摻雜的半導(dǎo)體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述未摻雜半導(dǎo)體中的殘留雜質(zhì)濃度小于1×1016/cm3。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述有源層和所述p-型半導(dǎo)體覆蓋層(p-型覆蓋層)之間安置了阻擋層，該阻擋層的帶隙(禁帶)大于所述p-型覆蓋層的帶隙。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述阻擋層由Zn1-x-yMgxBeySe(0≤x+y≤1，0＜x，0＜y)形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述半導(dǎo)體是II-VI族化合物半導(dǎo)體。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述半導(dǎo)體是ZnSe基化合物半導(dǎo)體。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的半導(dǎo)體發(fā)光裝置，其中所述的兩層覆蓋層是由Zn1-xMgxSySe1-y形成的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠延長壽命的ZnSe基發(fā)光裝置。此發(fā)光裝置在化合物半導(dǎo)體上形成，它包括安置在n－型ZnMgSSe覆蓋層(3)和p－型ZnMgSSe覆蓋層(5)之間的有源層(4)，并具有阻擋層(11)，其帶隙大于p－型ZnMgSSe覆蓋層的帶隙，阻擋層(11)被安置在有源層(4)和p－型ZnMgSSe覆蓋層(5)之間。
文檔編號H01L33/06GK1599086SQ200410032570
公開日2005年3月23日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者藤原伸介, 中村孝夫, 森大樹, 片山浩二 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社