專利名稱：具有窄輻射光譜的半導體發(fā)光器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體發(fā)光器件(light emitting device)，更特別地涉及一種能夠使輻射光的光譜擴展(spread)變窄的半導體發(fā)光器件。
背景技術：
可運用具有紅外范圍內(nèi)帶隙的半導體材料制造紅外發(fā)光器件。JP2002344013 A披露了一種用于紅外空間光通訊的發(fā)光器件，其將InGaAs應力量子阱(strain quantum well)層用作有源層。該發(fā)光器件具有夾于一對AlGaAs載流子(carrier)限制層之間的InGaAs應力量子阱層，并且該疊層結(jié)構夾于P型AlGaAs包層和N型AlGaAs包層。
JP2002344013 A中披露的發(fā)光器件的輻射光譜在紅外波長范圍內(nèi)具有最大強度?？墒?，光譜的邊緣(skirt)擴展至可見范圍(visual range)。因此，發(fā)光器件的輻射光略帶微紅色。如果輻射光包含可見光，則限制了發(fā)光器件的使用。例如，該發(fā)光器件不能用于禁止可見光發(fā)射的應用中。如果使發(fā)光器件發(fā)出的光譜擴展變窄，則能夠抑制可見光的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的時提供一種能夠使輻射光的光譜擴展變窄的半導體發(fā)光器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種半導體發(fā)光器件，其包括基于電流注入用于發(fā)射光的有源層；一對夾持有源層的包層，所述包層具有比有源層的帶隙寬的帶隙；設置在一對包層中至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有比有源層帶隙寬且比包層帶隙窄的帶隙；以及用于向有源層注入電流的電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導體發(fā)光器件，其包括基于電流注入用于發(fā)射光的有源層；一對夾持有源層的包層；設置在一對包層中至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有一波長，在該波長處吸收光譜具有最大值，該波長比有源層的輻射光譜具有最大值處的波長短而比一波長范圍內(nèi)強度變?yōu)樽畲笾档?0％處的波長長，所述波長范圍比有源層的輻射光譜具有最大值處的波長短；以及用于向有源層注入電流的電極。
仍根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導體發(fā)光器件，其包括具有存在重空穴(heavy hole)和輕空穴(light hole)的分裂能級(separated level)的量子阱結(jié)構的有源層，所述有源層提供由于重空穴能級和傳導帶能級之間躍遷所引起的輻射以及由于輕空穴能級和傳導帶(conductive band)能級之間躍遷所引起的輻射；一對夾住有源層的包層；設置在一對包層中至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有一帶隙，其具有所述有源層中重空穴基礎能級和傳導帶基礎能級之間的能量差與輕空穴基礎能級和傳導帶基礎能級之間的能量差之間的寬度；以及用于向有源層中注入電流的電極。
有源層中產(chǎn)生的光譜擴展邊緣處的光被光吸收層吸收。因而能抑制輻射光譜的擴展。


圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體發(fā)光器件的示意截面圖。
圖2為示出了第一實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的圖。
圖3為示出了根據(jù)第二實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的圖。
圖4為根據(jù)第三實施例的半導體發(fā)光器件的示意截面圖。
圖5為示出根據(jù)第四實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的圖。
具體實施例方式
圖1為根據(jù)第一實施例的半導體發(fā)光器件的示意截面圖。在P型GaAs制成的半導體襯底2的主表面上，下包層3、有源層4、上包層5、電流擴散層6、光吸收層7和接觸層8從底部以所列順序疊置。
下包層3由Zn或Mg摻雜的P型AlGaAs制成并具有1至3μm的厚度。下包層3的Al的構成比例為0.3至0.4，而雜質(zhì)濃度為1×1016cm-3至1×1018cm-3。有源層4由P型GaAs制成并具有50至500nm的厚度。有源層4的雜質(zhì)濃度為1×1017cm-3至5×1018cm-3。
上包層5由Si或Se摻雜的P型AlGaAs制成并具有1至3μm的厚度。上包層5的Al的構成比例為0.3至0.4，而雜質(zhì)濃度為1×1018cm-3。電流擴散層6由n型AlGaAs制成并具有4.5μm的厚度。電流擴散層6的雜質(zhì)濃度為1×1016cm-3至1×1018cm-3。電流擴散層6的Al構成比例等于上包層5的Al構成比例。
光吸收層7由n型AlGaAs制成并具有0.1μm或更厚且比5μm薄的厚度。光吸收層7的雜質(zhì)濃度為大約1×1018cm-3。將在下文中說明Al的構成比例。接觸層8由n型GaAs制成并具有大約50nm的厚度。接觸層8的雜質(zhì)濃度為大約2×1018cm-3。
例如，可通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)形成這些涂層。
由AuZn合金制成的下電極1形成在半導體襯底2的底面上。由AuGe合金制成的上電極9形成在接觸層8的上表面上。例如，可通過真空氣相沉積形成這些電極。通過從上電極9和下電極1向有源層4注入電流，有源層4中產(chǎn)生輻射。構圖上電極9使得有源層4中產(chǎn)生的光可被輸出至外部空間。
圖2示出了從圖1中所示的半導體發(fā)光器件發(fā)出的光的譜。橫坐標表示以“nm”為單位的波長，而縱坐標表示將最大強度設為1以相對值表示的光強度。圖2中所示的曲線a、b和c分別表示將光吸收層7的Al構成比例設為0.1、0.07和0.03的光譜。Al構成比例被設為0.1、0.07和0.03的光吸收層7的帶隙與GaAs層4的帶隙之間的差分別為0.11eV、0.072eV和0.031eV。作為參考，由曲線d示出了沒有光吸收層7的發(fā)光器件的輻射光譜。
所有曲線在大約880nm波長處的紅外范圍內(nèi)具有最大強度。光譜具有最大值處的波長被稱為“峰值波長”。應當理解，在比峰值波長短的波長范圍內(nèi)，通過插入光吸收層7而使得強度下降。這是因為有源層4中所產(chǎn)生的光的更短波長分量在光吸收層7吸收。隨著光吸收層7的Al構成比例形成得小，強度開始變低的波長接近峰值波長。這是因為光吸收層7的吸收光譜的峰值接近有源層4的輻射光譜的峰值波長。
在第一實施例中，由于半導體襯底2和有源層4都由GaAs制成，故半導體襯底2吸收有源層4中產(chǎn)生的光。在成片工藝(chipping process)中利用硝酸完全移除由GaAs制成的接觸層8。
為了限制有源層4中的載體并充分透射有源層4中產(chǎn)生的光，下包層3和上包層5由具有比有源層4的帶隙寬的帶隙的半導體制成。光吸收層7的帶隙比有源層4的帶隙寬而比上包層5和下包層3的帶隙窄。因此，光吸收層7吸收產(chǎn)生于有源層4并且具有短于峰值波長范圍內(nèi)的波長的光分量。由于光吸收層7的帶隙比有源層4的帶隙寬，故輻射光譜內(nèi)峰值波長處的光在光吸收層7中比短于峰值波長的波長范圍內(nèi)的光具有更小的衰減量，并有效地輻射至外部空間。
如果光吸收層7的帶隙和有源層4的帶隙之間的差值太大，則較短波長一側(cè)的輻射光譜邊緣處的光幾乎沒有被吸收。例如，優(yōu)選地將光吸收層7的帶隙設置得比對應在短于峰值波長的波長范圍內(nèi)輻射光譜強度變成最大強度的10％處的波長的帶隙窄。換句話說，光吸收層7的吸收光譜的峰值波長優(yōu)選地比有源層4的輻射光譜的峰值波長短，而比在短于峰值波長的波長范圍內(nèi)強度變?yōu)樽罡邚姸鹊?0％處的波長長。通常，視感度在較短波長處變得更高。因此，能夠借助吸收輻射光譜中較短波長一側(cè)的邊緣處的分量來減少紅光分量的效果。
即使是光吸收層7的帶隙和有源層4的帶隙之間的差值增大至0.11eV，如圖2中曲線a所示，也能看出可見范圍內(nèi)吸收分量的效果。如果帶隙差為0.11eV或更小，則能夠增加使輻射光譜擴展變窄的效應。
如果光吸收層7太薄，則不能實現(xiàn)足夠的光吸收。優(yōu)選地，將光吸收層7的厚度設置為0.1μm或更厚。如果光吸收層7太厚，則向外輻射的光的強度變得太弱。光吸收層7的厚度優(yōu)選的薄于5μm。
以下參照圖3，對根據(jù)第二實施例的半導體發(fā)光器件進行說明。在第一實施例中，圖1中所示的有源層4由P型GaAs制成，而在第二實施例中，其由P型InGaAs制成。其他結(jié)構與第一實施例中的相同。
圖3示出了第二實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。曲線e示出了第二實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。有源層4的In構成比例被設定為0.045，而光吸收層7的Al構成比例被設定為0.03。作為比較目的，由曲線c示出了第一實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。虛線c0和e0示出了在沒有第一實施例和第二實施例的光吸收層情況下的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。縱坐標表示將虛線c0和e0的最高值設為1時以相對比例表示的光強度。
由于InGaAs的帶隙比GaAs的窄，故第二實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的峰值波長朝向比第一實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的峰值波長更長的波長一側(cè)偏移。在第二實施例中，光吸收層7主要吸收光吸收層吸收之前有源層4的輻射光譜(對應虛線e0)的較短波長一側(cè)邊緣處的分量，并在接近峰值波長的波長范圍內(nèi)具有較小的吸收量。向外輻射光的光強度為大約沒有光吸收層時器件光強度的約88％。
相反，第一實施例甚至在光吸收層7吸收之前的有源層4的光譜(對應虛線c0)的峰值波長附近的波長范圍內(nèi)具有大吸收量。因此，與第一實施例相比較，第二實施例具有通過光吸收層7的吸收的小衰減量。在第一實施例中，向外輻射光的光強度為沒有光吸收層7時器件光強度的約51％。如上所述，通過將有源層4的輻射光譜偏移到較長波長一側(cè)，能夠增加光輸出效率。向外輻射光的紅光分量能大大減少。
將有源層4的In構成比例和厚度設置成有源層能夠在襯底上外延生長的程度。如果In構成比例被設置得太大，則外延生長的臨界厚度(criticalthickness)變薄。因此，優(yōu)選地將In構成比例設定為0.25或更小。
圖4為根據(jù)第三實施例的半導體發(fā)光器件的示意截面圖。將針對與圖1中所示第一實施例的半導體發(fā)光器件的不同點進行說明。在第三實施例中，半導體襯底2由對于有源層4的輻射波長范圍內(nèi)的光透明的材料，如AlGaAs、GaP和藍寶石制成。因此，有源層4中產(chǎn)生的光也通過半導體襯底2向向外輻射。為了使通過半導體襯底2輻射的光的光譜擴展變窄，在半導體襯底2和下包層3之間也插入光吸收層10。光吸收層10由P型AlGaAs制成并與上光吸收層7具有相同的構成比例。
以下，對根據(jù)第四實施例的半導體發(fā)光器件進行說明。第四實施例的半導體發(fā)光器件使用與圖4中所示第三實施例的半導體發(fā)光器件的有源層4相同的量子阱結(jié)構。更特別地，有源層4具有由InGaAs制成并具有6nm厚度的阱層夾在一對每個由AlGaAs制成且具有50nm厚度的勢壘層(barrier layer)之間的結(jié)構。阱層的In構成比例為0.18并且勢壘層的Al構成比例為0.18。
圖5示出了第四實施例和比較例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。圖5中的曲線f表示第四實施例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。曲線g表示比較例中不具有圖4中所示光吸收層7和10的半導體發(fā)光器件的輻射光譜。輻射光譜在大約940nm波長處具有最大值。該峰值對應需要重空穴能級的躍遷。比較例的半導體發(fā)光器件的輻射光譜的較短波長一側(cè)的邊緣比更長波長一側(cè)邊緣從峰值波長延伸至更遠的波長范圍。這是因為需要輕空穴能級的躍遷導致輻射發(fā)生。
應當理解，通過設置光吸收層7和10，能夠充分地吸收較短波長一側(cè)邊緣處的光且抑制邊緣的擴展。因此，能夠有效地衰減有源層4中產(chǎn)生的可見光分量。進而能夠抑制向外輻射的光的顏色。
為了有效地吸收由于輕空穴能級所產(chǎn)生的光，優(yōu)選地光吸收層7和10的材料選擇為使得光吸收層7和10的帶隙變得比有源層4中重空穴基礎能級(base level)與傳導帶(conductive band)基礎能級之間的能量差更寬，而比輕空穴的基礎能級與傳導帶的基礎能級之間的能量差更窄。
如果量子阱層中存在張應力(tensile strain)，則傳導帶和輕空穴基礎能級之間的躍遷波長變得比傳導帶與重空穴基礎能級之間的躍遷波長長。在此情況中，優(yōu)選地光吸收層7和10的材料選擇為使得光吸收層7和10的帶隙變得比有源層4中重空穴的基礎能級與傳導帶基礎能級之間的能量差窄，而比輕空穴基礎能級與傳導帶基礎能級之間的能量差寬。
即，在上述兩種情況中，優(yōu)選地光吸收層7和10的材料選擇為使得光吸收層7和10的帶隙處于有源層4中重空穴基礎能級與傳導帶基礎能級之間的能量差和輕空穴基礎能級與傳導帶基礎能級之間的能量差之間。
在該實施例中，盡管阱層的厚度被設定為6nm且勢壘層的厚度被設定為50nm，但阱層的厚度可被設置為2至20nm且勢壘層的厚度可被設置為10至200nm?？梢允褂镁哂卸鄠€阱層的多量子阱結(jié)構。圖1中所示的疊層結(jié)構的有源層4可以是量子阱結(jié)構。
在第一至第四實施例中，如果有源層的輻射光譜的峰值波長處于紅外范圍內(nèi)，則設置具有可見范圍內(nèi)吸收光譜的峰值波長的光吸收層，從而可以抑制向外輻射的光的顏色。
在上述實施例中，已經(jīng)說明了紅外范圍內(nèi)的輻射。第一至第四實施例的技術思想也適用于具有其他波長范圍內(nèi)輻射的半導體發(fā)光器件。例如，藍色發(fā)光二極管可以設置吸收紫外線波長范圍內(nèi)光的光吸收層，從而抑止向外部空間的紫外線輻射。
結(jié)合優(yōu)選實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明。本發(fā)明不僅局限于上述實施例。本領域技術人員應當理解可以進行其他各種修改、改進、組合等。
本申請以2004年10月5日遞交的日本專利申請No.2004-292326為基礎并要求其優(yōu)先權，其全部內(nèi)容在此引作參考。
權利要求
1.一種半導體發(fā)光器件，其包括基于電流注入用于發(fā)射光的有源層；一對夾持所述有源層的包層，所述包層具有比所述有源層的帶隙寬的帶隙；設置在所述包層對中至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有比所述有源層的所述帶隙寬且比所述包層的所述帶隙窄的帶隙；以及用于注入電流到所述有源層中的電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體發(fā)光器件，其中所述光吸收層的所述帶隙比對應一波長的帶隙窄，在該波長處強度為所述有源層的輻射光譜的最大值的10％，該波長位于比所述輻射光譜具有所述最大值處的波長短的波長范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體發(fā)光器件，其中所述有源層的所述帶隙與所述光吸收層的所述帶隙之間的差為0.11eV或更小。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體發(fā)光器件，其中所述有源層由InGaAs制成并且所述光吸收層由AlGaAs制成。
5.一種半導體發(fā)光器件，其包括基于電流注入用于發(fā)光的有源層；一對夾持所述有源層的包層；設置在所述包層對的至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有一波長，在該波長處吸收光譜具有最大值，該波長比所述有源層的輻射光譜具有最大值處的波長短而比強度變?yōu)樗鲎畲笾档?0％處的位于短于所述有源層的所述輻射光譜具有所述最大值處的波長的波長范圍內(nèi)的波長長；以及用于注入電流到所述有源層中的電極。
6.一種半導體發(fā)光器件，其包括具有存在重空穴和輕空穴的分裂能級的量子阱結(jié)構的有源層，所述有源層提供由于所述重空穴能級和傳導帶能級之間的躍遷所引起的輻射以及由于所述輕空穴能級和所述傳導帶能級之間的躍遷所引起的輻射；一對夾持所述有源層的包層；設置在所述包層對的至少一個包層外部的光吸收層，所述光吸收層具有一帶隙，該帶隙具有所述有源層中所述重空穴的基礎能級和所述傳導帶的基礎能級之間的能量差與所述輕空穴的基礎能級和所述傳導帶的基礎能級之間的能量差之間的寬度；以及用于注入電流到所述有源層中的電極。
7.根據(jù)權利要求1所述的半導體發(fā)光器件，其中所述有源層的輻射光譜具有最大值處的波長在紅外范圍內(nèi)，以及所述光吸收層的吸收光譜具有最大值處的波長在可見范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求5所述的半導體發(fā)光器件，其中所述有源層的所述輻射光譜具有所述最大值處的波長在紅外范圍內(nèi)，以及所述光吸收層的所述吸收光譜具有所述最大值處的波長在可見范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求6所述的半導體發(fā)光器件，其中所述有源層的輻射光譜具有最大值處的波長在紅外范圍內(nèi)，以及所述光吸收層的吸收光譜具有最大值處的波長在可見范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導體發(fā)光器件。當從電極向有源層注入電流時產(chǎn)生輻射。一對包層設置為夾持有源層，所述包層具有比有源層帶隙寬的帶隙。光吸收層設置在一對包層中至少一個包層外部。光吸收層具有比有源層帶隙寬且比包層帶隙窄的帶隙。能夠使輻射光的光譜擴展變窄。
文檔編號H01L33/06GK1758457SQ20051010762
公開日2006年4月12日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權日2004年10月5日
發(fā)明者笹倉賢, 川口惠藏, 小野華子 申請人:斯坦雷電氣株式會社