TW200303105A - Nitride semiconductor device - Google Patents

Description

200303105 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 發明背景 1 ·發明領域 本發明與半導體發光裝置有關，尤其是與具有由氮化％ 半導體製成的量子井層（當成主動層）之發光裝置有關。 2 ·相關技術說明 若要提供白色LED來取代水銀燈或是符合需求以改善光 微影蝕刻處理的-精確度，則需要像是LED和LD這類發出較 短波長（例如3 7 5 nm或以下）光線的發光裝置。 在另外一面’因為有高發光效率的需求，所以就廣泛需 要包含InGaN主動層的GaN式發光裝置。為了擁有使用 InGaN當成上述短波長發光主動層的發光裝置，則必須降 低其中In的濃度。不過，當In的濃度變低，則會因為臨界 電流增加而降低InGaN的發光效率，這會造成就是在雷射 震盪波長未超過3 80 nm時臨界值會變的相當高。 發明概要

在使用發光波長不超過38〇 &種裝置不可當成氮化物半導體裝 、超過3 80 nm的發光裝置和雷射裝置 200303105

内，因為在包含A1的氮化物半導體内帶隙能量會增加，所 以鋁就可用於帶隙能量大於主動層的載波限制層、光導 層、光限制層等等。也就是在上述這種發光波長短的發光 裝置内，包含A1的半導體具有每一層都是多層架構的結 構，而上述所發生的破裂就會變得嚴重，如此較短發光波 長與避免破裂就互相矛盾，這造成在由氮化物半導體製成 的發光裝置内發出較短波長光線的意圖遇到嚴重阻礙。再 者，在試圖達成發出較短波長光線時，因為GaN在3 65 nm 具有光吸收特^性並且於再長10 nm的波長範圍内具有高吸 收係數，所以雷射裝置就可在3 8 0 nm或以下的波長上運 作。 此外，因為發光裝置和雷射裝置主動層的發光效率和量 子效率與其上的結晶度有非常密切的關係，位於主動層下 的導電類型層之結晶度是改善裝置特性中一項格外重要 的因素。在氮化物半導體發光裝置通常具有這類結構當成 η型層的案例中，主動層和p型層會以此順序堆疊，而η型 層的結晶度則必須穩定。在另外一方面，包含Α1的氮化物 半導體具有比不含Α1的氮化物半導體還要高的結晶度退 化傾向。在先前技術中為了避開此問題，所以使用包含In 的氮化物半導體當成包含A1的氮化物半導體之底層這種 技術，藉此減輕因為熱膨脹係數不同所造成的内部應力， 或者像是GaN這種不含A1的氮化物半導體會形成於包含A1 氮化物半導體旁，如此可復原結晶度並且減輕内部應力， 藉此讓雷射裝置或這類裝置的結構具有包含A1的氮化物 200303105

半導體，在現實中充分運作。不過，在上述以短波長運作 的發光裝置和雷射裝置内，包含A1並當成光吸收層的氮化 物半導體並非裝置所需。因此，大多數裝置運用包含A1 的氮化物半導體，讓發光裝置和雷射裝置因為結晶度和上 述的破裂而無法達到實際的臨界值水準、Vf(轉送電壓）值 和發光效率。在大量使用包含A1的氮化物半導體之雷射裝 置内，在光導層，尤其是光限制被覆層等等内具有很高的 A1混合水晶率，因此不可能在室溫時達到連續震盪。 本發明係發-現利用在頻帶結構和成分上不對稱的裝置 結構可解決上·述問題來製作而成，其中上述的結晶度問題 和破裂發生問題都已減輕，如此就可獲得可用於以短波長 運作的發光裝置内之裝置結構，以及在運用包含A1的氮化 物半導體裝置（像是以短波長運作的半導體發光裝置）内具 有波導的雷射裝置。尤其是在用於電洞的載子特性和電子 相當不同的系統内，像是氮化物半導體，該裝置結構在頻 帶結構和成分上具有不對稱性而具有優異的發光效率，並 且用來達到優異的載子注入主動層效率並且充分束缚主 動層内的載子，並且在以短波長運作的半導體發光裝置内 提供具有優異結晶性和裝置特性的波導結構。 本發明與具有下列結構的半導體裝置有關，該結構為具 有用第一導電類型層和第二導電類型層像三明治般夾住 井層和障壁層的量子井結構主動層。在製作雷射裝置或末 端發光裝置的應用中，將如圖2A内所示，在下光導層26 與上光導層29之間形成當成主動層27的波導。在此案例 200303105

(4) 中，光束缚被覆層25、30形成於比光導層還遠離主動層的 地方，如此構成上光導層29形成於上被覆層30與主動層27 之間，以及光導層形成於下被覆層2 5與主動層2 7之間的結 構。在另外一方面，於本發明應用到圖6A和6B内所示發光 裝置的案例中，這種構造可用來當成層202，而變成提供 成為第一導電類型層的載子注入和束缚層，而載子注入層 20 5和載子束縛層204則當成第二導電類型層。在上述案例 中，第一導電類型層可由兩種以上不同的層構成，包含屬 於第二導電類-型層的載子注入層和載子束缚層，並且這種 構造也可當成用於載子注入和載子束缚的第二導電類型 層。 在本發明中最好是主動層27包含第一障壁層和第二障 壁層當成障壁層2，如此至少會將井層1像三明治般夾起 來，如圖3A、3B、5A和5B内所示，而第一障壁層提供於 第一導電類型層邊上並且第二障壁層提供於第二導電類 型層邊上，並且第二障壁層具有比第一障壁層還要低的帶 隙能量。尤其是，如圖3A、3B、5A和5B内所示，在分別 沉積於第一導電類型層和第二導電類型層上，並且由主動 層内井層分隔的第一障壁層與第二障壁層之間提供至少 一井層1，而第二障壁層2b的帶隙能量會設定低於第一障 壁層2 a(圖式内虛線5 3 )的帶隙能量，如此會形成本發明的 路徑5 1，在載子從第二導電類型層加入注入時該路徑的效 率要優於圖式内所示傳統載子路徑5 2，藉此降低潛在阻礙 並且增加載子注入主動層和井層或層的效率。尤其是在η 200303105 (5) 型側為第一導電類型層和p型側為第二導電類型層這種結 構的氮化物半導體内，最好是電洞擴散長度短於電子擴散 長度並且P型載子啟動率低的氮化鎵半導體材料，因為其 可以更有效的將電洞注入井層並且降低發光效率和臨界 電流密度。在運用以短波長運作的氮化物半導體之發光裝 置和雷射裝置内，主動層内提供的第二障壁層2b為A1混合 結晶率低於傳統結構A1混合結晶率（圖2B内的虛線50)的 層，大約與第一障壁層2 a相同以避免結晶度退化，而提供 A1混合結晶率-低於第一障壁層的第二障壁層會導致在兩 障壁層間下方介面上產生不同的應力，如此包含A1的氮化 物半導體所造成之壓電場會降低並且減輕帶隙應力以及 改善井層内的發光效率。 因為第一導電類型層為η型層，第二導電類型層為p型層 並且第一導電類型層、主動層和第二導電類型層以此順序 堆疊，如此可獲得具體實施例所示優良的發光裝置，而第 一導電類型層具有η型氮化物半導體層以及第二導電類型 層具有Ρ型氮化物半導體層的氮化物半導體裝置最好允許 載子從第二導電類型層注入，也就是利用每個載子的特性 從ρ型層注入主動層，如上所述。在以短波長運作的發光 裝置内大量使用到包含Α1的氮化物半導體，在另一方面， 主動層上第二障壁層内的Α1混合結晶率可製作低於下方 第一障壁層的結晶率，如此可在形成於主動層上的ρ型層 達到較佳之結晶度。 以第一障壁層和第二障壁層配置在主動層内來說，因為 200303105

第一障壁層沉積在最靠近第一導電類型層之處而當成主 動層内的障壁層，並且第二障壁層為沉積在最靠近第二導 電類型層的障壁層，這種結構可改善利用第二障壁層從第 二導電類型層注入的效率以及改善第一障壁層束缚載子 的效果，如此就能改善第一障壁層和第二障壁層的功能。 另外如圖5A和5B内所示，當第二障壁層2b為位於主動層 1 2内最外側的層，這將是最佳結構，因為相較於井層或其 他層位於第二障壁層2b外側，其可加入載子注入達到滿意 的效率，如圖-4^内所示。更好是，提供第一障壁層當成主 動層内的最外:層，讓量子井結構的作用曾達到最高效率。 也就是，在第一障壁層和第二障壁層（分別提供當成主動 層内的最外層）之間提供的井層内可有效達到載子注入和 束缚。 最好在本發明中，具有第一半導體層的第一導電類型層 擁有低於第一障壁層的帶隙能量。其通常需要有高於個別 導電類型層内井層（當成將以短波長運作的發光裝置之 AlGaN主動層夾起來的載子注入層）的帶隙能量，如圖3A、 3B、5A和5B内所示，因為該第一半導體層26提供於第一 導電類型層11内，而該層具有低於主動層12内提供的第一 障壁層2a之帶隙能量，而所提供的新裝置結構其中用優良 的結晶度形成主動層，並且第一障壁層2a具有束缚來自井 層内第二導電類型層1 1的載子之功能。在此結構中，更有 效是降低將以短波長運作的發光裝置内主動層夾起來的 層之A1混合結晶率的能力。在此案例中，井層由包含A1 200303105

的氮化物半導體製成，該半導體具有高於或等於GaN的帶 隙能量，而形成具有A1混合結晶率低於第一障壁層2a的A1 混合結晶率之第一半導體層26，如圖2B内所示，尤其是與 上述比較起來。上述成份的氮化物半導體也可用於第一障 壁層。對於第一半導體層而言，最好使用帶隙能量高於井 層的氮化物半導體，如此該層就可當成從主動層注入到井 層的充分載子注入層。尤其是，使用包含A1的氮化物半導 體，最好使用AlxGaNxN (0 < X < 1)讓它可行成良好結晶度 的主動層。-- 除了上述說明的構造以外，更好在第二導電類型層内提 供帶隙能量高於第一障壁層能量的載子束缚層。製作這種 結構的裝置將來自第一導電類型層的載子束缚在主動層 内。如上述，這是因為位於主動層内第二導電類型層側邊 上的第二障壁層2b具有低於第一障壁層2a的帶隙能量，並 且較不具有障壁功能來束缚克服井層來自第一導電類型 層的載子。因此，為了避免載子在第二障壁層2b内溢流， 將在主動層12外面的第二導電類型層13内提供載子束缚 層29，如圖3A、3B、5A和5B内所示，來解決上述問題。 在此時，更好是第一導電類型層為η型並且第二導電類型 層為Ρ型。在此構造中，因為第一障壁層用於束缚不同於 氮化物半導體的載子特性之系統内主動層内的電洞，達成 井層附近位置上載子的束缚，並且在第一半導體層内，利 用將第一半導體層當成第一導電類型層的電子注入，而用 第二障壁層和位於主動層外側的載子束缚層，來束缚第二 200303105

障壁層與載子束缚層之間來自第一障壁層並且具有長擴 散長度的載子。當使用第二障壁層當成障壁而足以束缚來 自第一導電類型層的載子時，相反地，在本發明内具有較 低帶隙能量的第二障壁層之載子注入效率會降低，導致在 這種系統内主動層的功能降低，氮化物半導體内電洞和電 子之間的擴散長度和載子濃度有極大的不同。因此，較好 是提供位於主動層之外的載子束缚層，並且和不對稱的主 動層（由在主動層内具有不同帶隙能量值的第一障壁層和 第二障壁層外構成）結合使用，而可達成上述本發明的效 果。 當載子束缚層和P型雜質一同沉積而轉為第二導電類型 層，載子束缚層會形成於主動層附近當成來自第一導電類 型層（當供應偏壓時就是η型層）載子的障壁，如圖3A、3B、 5 Α和5 Β所示，藉此製作出可避免載子溢流入主動層的結 構。相反地，當載子束缚層連同主動層所提供的p型雜質 一起沉積時，會在主動層内形成p - η接合，導致降低主動 層的功能。藉由在相鄰於主動層的載子束缚層附近形成 ρ-η接合，如此用於束缚來自作用區内第一導電類型層的 載子之障壁效果才能達到最大，並且較好是可藉由不對稱 結構形成氮化物半導體裝置結構，如此才能利用第一導電 類型層束缚來自第二導電類型層的載子。 缚一較 束第到 能從達 可而此 才，藉 此層 ， 如動子 ， 主載 層入入 缚進注 束近效 子附有 載從許 供子允 提載層 是的動 好層主 較型入 近類進 附電近 層導附 動 一 層 主第體 在自導 來半 (9) 200303105 好的載子注入主動層效果。 另外較好是提供障壁層 之間的帶隙能量差異為。·02=:障壁層 之結構有較高的載子束缚效果；如同在= 内或用於來自第二導電類型層載子的被覆:

障壁層2a用於來自第二導 E ¥電類型的栽子可 子的束缚’藉此增加載子束缚結構的不對稱 果。也就是，可進一步改善第-障壁層障壁 類：層載子㈣能，並且改善從第二導電類 的第二障壁層·將載子注入井層之效果。 除了上述說明的構造以外，這種結構還運 低於第一障壁層並且透過栽子束缚層與主 二半導體層。該第二半導體層對應至第一半 一導電類型層為η型層並且第二導電類型^ 例中，藉由透過載子束缚層（束缚來自第一1 載子）提供來達成主動層内充分的束缚，藉 較低帶隙能量的第一半導體層類似的效果， 在主動層的量子井結構為具有複數個井 井結構中，較好是在第一障壁層2&與第二障 過井層1提供内部障壁層’如圖5Α和5Β内所 障壁層2c、2d具有和第二障壁層2b不同的等 障壁層2c、2d提供於第一障壁層2&和第二肖 在圖5A和5B内標示為2c ' 2d，並且透過井/ 一障壁層2a和第二障壁層2b，如此可改善女

和第二障壁層 因為在主動層 的載子束缚層 ，而利用第— 達成井層内载 來加強上述效 來自第二導電 型層超過較小 用了帶隙能量 層分隔的第 導體層，在第 為P型層的案 導電類型層的 此達成和具有 如上所述。 層的多重量子 壁層2b之間透 示，如此内部 隙能量。内部 壁層2b之間， la、lb提供第 圖式内箭頭所 -14- 200303105 (ίο) 示載子擴 能量設定 的第一和 第二障壁 帶隙能量 致載子從 導電類型 也就是此 載子束缚 内。在此 致更多載 較好是 能量，如 壁以及利 第二導電 隙能量設 帶隙能量 圖5 B内所 量因為與 層的功能 内部障 層内内咅I 度，較好 壁層之一 散至井層的功能，並且利用將内部障壁層的帶隙 成和第二障壁層2b不同數值，而提供和外側提供 第二障壁層不同之功能。這也可改善上述第一和 層的功能。在此案例中，較好是將内部障壁層的 設定成高於圖5B内所示第二障壁層的值，這會導 第二導電類型層遷徙過内部障壁層和接近第一 層的第一障壁層，如此形成階梯狀增加的障壁。 結構用從第二導電類型層階梯狀的距離來增加 效果· t如此載子可分佈在相鄰於障壁層的井層 可改善載子注入第一障壁層附近井層的效率，導 子可注入井層的結構。 第一障壁層的帶隙能量設定低於内部障壁層的 圖5 A和5B内所示，如此利用降低第二障壁層的障 用内部障壁層改善載子注入井層，來達成載子從 類型層注入的功能。另外利用將内部障壁層的帶 定低於第一障壁層的能量，以及將第二障壁層的 設定低於内部障壁層的能量，這種障壁層結構如 示，當來自第二導電類型層的載子注入之帶隙能 第二導電類型層的距離而增加，如此可改善障壁 ，而每個都在主動層内執行不同的功能。 壁層的厚度大體上可製作成等於獲不等於主動 P障壁層外面的第一障壁層和第二障壁層的厚 的内部障壁層厚度為至少比第一障壁層和第二障 還厚。這是因為考慮到形成於井層之間的内部障

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⑼ 壁層具有和形成於外面的第一障壁層和第二障壁層不同 的功能，並且當内部障壁層做的較厚時，障壁功能就會增 加如此可阻礙載子注入井層。利用將厚度設定成小於外面 障壁層的厚度可改善整個主動層的組合效率，這樣就可改 善將載子注入和分配至井層的效率。當考慮到井層與障壁 層之間作用的應力時，增加沉積在井層之間内部障壁層的 厚度會因為要退化的層之間A1混合結晶率不同，導致井層 上有黏貼效果，造成井層功能性退化，而因為包含A1的氮 化物半導體造戈的強烈壓電性使得井層上產生黏貼效 應。進一步增加内部障壁層的厚度會增加整個主動層的厚 度，因此使用包含A1的氮化物半導體所造成的主動層内結 晶度之合成退化會嚴重影響裝置特性。 在複數個内部障壁層的案例中，例如圖5 B内所示透過内 部障壁層2 c和井層1 b所提供的其他障壁層2 d，至少一個内 部障壁層要比至少位於外面的第一障壁層和第二障壁層 之一還要厚，並且較好是讓所有内部障壁層比至少第一障 壁層和第二障壁層之一還要厚，這樣改善内部障壁層的功 能並且強化與外部障壁層的功能區別。在本發明於最靠近 的井層之間有複數個不同成分的障壁層之方面中，至少複 數個障壁層之一要比至少外部障壁層之一還要厚，較好是 位於井層之間的障壁層總厚度，換言之就是最靠近的井層 間之距離要小於至少外部障壁層之一的厚度，這樣可改善 為於最靠近的井層間之複數個障壁層之功能。 内部障壁層類似於沉積在外面的第一障壁層和第二障 200303105

(12)

壁層，内部障壁層可摻雜η型和p型雜質，或未摻雜而不包 含雜質。較好是，在第一導電類型層為η型層並且第二導 電類型層為Ρ型層的案例中，内部障壁層會摻雜類似於第 一障壁層的η型雜質。這可考慮成對於具有不同於氮化物 半導體内電子和電洞的擴散長度、載子濃度和移動性之材 料系統特別有效，可能是因為缺乏上至主動層内Ρ型層（第 二導電類型層）附近的載子，使它可將來自η型層的載子有 效注入至主動層内深處的ρ型層附近。另外，因為載子束 缚層形成於第-二導電類型層内的主動層附近，並且在此層 附近形成ρ-η接合，所以電子可以注入至ρ-η接合處附近， 導致主動層内改善的重新組合效率。在此時，在提供複數 個井層以及複數個内部障壁層的領域中，較好是至少一個 内部障壁層沉積一 η型雜質，並且更好是複數個從位於η型 層側開始的内部障壁層連續沉積η型雜質，並且最好是所 有内部障壁層都摻雜η型雜質。

井層較好是摻雜低濃度的η型雜質，尤其是在第一導電 類型層為η型層的案例中，η型雜質的濃度要設定低於第一 障壁層，如稍後所述。特別是在第一導電類型層為η型層 的案例中，第二障壁層内的η型雜質要低於第一障壁層， 如此才能有效將載子注入η型層（第一導電類型層），並且因 為在第二障壁層内並未妨礙從ρ型層（第二導電類型層）的 載子注入，所以可有"效地注入載子，如稍後所述。 另外在每個導電類型層都具有一光導層，並且在第一導 電類型層為η型層時讓不同導電類型摻雜物的雜質濃度不 -17- 200303105

(13) 同於層内之案例中，如圖8B至8D所示，較好是摻雜濃度高 於第一導電類型層光導層内低雜質濃度區的η型雜質，因 為其改善了利用第一障壁層將載子注入主動層的效果以 及由於低雜質濃度區而減輕光損的效果。在ρ型層内，就 是第二導電類型層内，在第二障壁層摻雜Ρ型雜質的案例 中，由於來自摻雜ρ型雜質的載子束缚層之擴散高於光導 層，所以濃度傾向高於光導層的低雜質濃度區。這是較好 的，因為載子束缚層會小於低雜質濃度區的厚度，如此讓 第二障壁層内-的濃度高於主雜質濃度，並且在位於主動層 内並且具有較:小厚度的第二障壁層内，光損的影響相當輕 微，藉此達到分配來自Ρ型層載子注入的效果。 在使用上述氮化物半導體的裝置結構内，其中具有井層 和障壁層的主動層由氮化物半導體所製成，第一導電類型 層具有氮化物半導體並且第二導電類型層具有氮化物半 導體，該裝置結構對於以短波長運作的發光裝置非常有 用，其中井層由包含Α1並且帶隙能量高於GaN的氮化物半 導體所形成。也就是，因為所形成要插在主動層外面上的 第一導電類型層内之第一半導體層和第二導電類型層内 之第二半導體層具有低於傳統結構的帶隙能量，而每一層 内的A1混合結晶率都可維持較低，如此可達成限制結晶度 惡化以及内部應力的裝置結構。由氮化物半導體製成的井 層之特殊成分較好<是GaN、AlxGabXN (0 < X < 1)或 A1 x I n y G a 1 _ x - y N (0<x£_l，0<y£_l，x + y<l)。在 G a N 的案例中，此為雙元素合成半導體，結晶不用與元素互動 200303105 (14) 就可成長，如此就可因為少量構造元素獲得良好的結晶 度。在三元素合成半導體AlxGa^N (0 < X < 1)的案例中， 可比GaN發出更短波長的光線，而結晶不用與元素互動就 可成長，如此就可因為少量構造元素獲得良好的結晶度。 在四元素合成半導體AlxInyGa^x-yN (0 < X，〇 < yl_l， X + y < 1)的案例中，具有In可改善井層的發光效率。在此 時，具有八111111¥〇&1_11_^1^(0<115_1，〇£_¥5_1，11 + ¥<1) 成分的氮化物半導體可用於障壁層。因為障壁層具有高於 井層的帶隙氣量，所以氮化物半導體用於上述的成分層 内，如此障壁，層内的A1混合結晶率u就會高於井層内的A1 混合結晶率X (X < u)。在此時，較好是讓障壁層内A1混合 結晶率U和井層内A1混合結晶率X間的差異不小於0 · 1，換 言之u - X匕0.1。這是因為藉由使用包含A1的氮化物半導 體（在A1混合結晶率方面具有0 · 1或以上的差異）可形成充 分的障壁層，以便利用以短波長運作的氮化物半導體内第 一障壁層達到充分的載子束缚功能。A1混合結晶率的上限 (u-x)可設定為0.5或以下，如此可利用提供具有高A1混合 結晶率的障壁層來抑制結晶度惡化，並且也可設定為0 · 3 或以下，讓它可利用抑制結晶度惡化來形成良好的井層。 在由包含A1的氮化物半導體所製成之第一障壁層和第二 障壁層内，第一障壁層内A1混合結晶率u i與第二障壁層内 A 1混合結晶率U 2之間的差異U i - U 2設定為0 · 0 2或以上（U i - U 2 >0.02)，較好是0·05或以上（ιμ-ιι21〇·05)。當第一障壁層 和第二障壁層内Α1混合結晶率的差異為0.02或以上時可 -19- 200303105 (15) 達到利用第一障壁層的載子束缚功能，並且當差異為0.0 5 或以上時可達到滿足。也就是，第一障壁層内較高的A1 混合結晶率會讓帶隙能量較高，可達成較高的載子束縛。 而第二障壁層内較低的A1混合結晶率會讓帶隙能量較 低，較高的載子注入效率藉此可改善裝置特性。 在使用氮化物半導體的裝置内，較好是至少一第一半導 體層和第二半導體層由包含氮化物半導體（包含A1)的材料 所製成。藉由在層内提供由包含A1的氮化物半導體所製成 的第一半導體和第二半導體層，將具有井層和上述成分 的障壁層夾起·來，這樣可以短波長運作，在將氮化物半導 體内主動層夾起來的個別導電類型層内運用較低A1混合 結晶率，製作出具有優異結晶度的裝置結構。 當第一障壁層的厚度小於第二障壁層的厚度，就可滿足 第一障壁層的載子束缚、第二障壁層的載子注入以及井層 的結晶度。這是因為，當由第一導電層構成的裝置内製作 出厚度大的第一障壁層，主動層和第二導電類型層會以此 順序堆疊，所以其上形成的井層之結晶度就會惡化。利用 將第二障壁層的厚度大於第一障壁層的厚度，可減輕形成 於主動層附近的載子束縛層之負面效應。尤其是，當具有 高A1混合結晶率的氮化物半導體用於以上述短波長運作 的氮化物半導體内具有高帶隙能量的之載子束缚層，當裝 置運作時層的阻力會^升高，藉此產生對於附近主動層有負 面效果的熱量。在載子束缚層摻雜P型雜質的案例中，在 主動層附近會形成p-n接合，如此可避免主動層上的負面 -20- 200303105

(16) 效應。這是因為第二障壁層形成於井層和載子束缚層之 間，並且用來當成分隔片來避免負面效應。如此利用形成 比第一障壁層還要厚的第二障壁層就可改善主動層的功 能。因為當第一障壁層太厚時會阻礙來自第一導電類型層 的載子注入，則較好是利用增加帶隙能量並減低厚度來改 善第一障壁層的功能。在第一障壁層由含A1的氮化物半導 體所製成之案例中，將A1混合結晶率提高並且讓厚度低於 由含A1的氮化物半導體所製成之第二障壁層厚度可製作 出更好的井層-。- 在更好的構造中，第一障壁層的厚度範圍設定從3 0 A (3 nm)至150 A (15 nm)，並且第二障壁層的厚度範圍設定從 50 A (5 nm)至3 00 A (3 0 nm)。此構造讓第一障壁層可以束 缚載子並且厚度較好設定為5 0 A或以上，讓該結構具有改 善束缚的效果。這是因為當第一障壁層如圖5B内所示這樣 薄，載子就會發生穿隧現象。讓厚度為30人或以上就可避 免穿隧效應，並且當厚度為50A或以上時就可有效避免穿 隧效應並且改善束縛效率。當第一障壁層的厚度設定為 150 A或以下，可避免因為包含A1的氮化物半導體所造成 之結晶度惡化，並可形成優良的井層，再者，可製作出不 會阻礙來自第一導電類型層的載子注入之障壁。對於第二 障壁層而言，當第二導電類型層28、29為p型層，則如圖 5A和5B所示在第二_壁層2b附近形成p-n接合，因此井層 的位置太接近第二導電類型層會傾向在井層的影響下損 害載子重新有效結合的功能。再者，因為載子束缚層2 8位 200303105 (17) 於主動層附近並且在第二導電類型層内具有高帶隙能 量，所以載子束縛層具有比其他層還要高的A1成分，因此 具有比其他層還要高的阻力導致在裝置運作期間產生較 高的熱量。因此，第二障壁層2b當成保護井層避免過熱的 分隔片。因此，較好將厚度設定為5 0 A或以上並且更好為 8 0 A或以上，以避免上述問題並且達成良好的裝置特性。 厚度的上限為3 00人，如此可製作支撐住具有良好結晶度 的載子束缚層。當第二障壁層的厚度大於300 A，來自第 一導電類型I的載子會受到和井層分離的載子束缚層之 束缚，導致較低的載子束缚效率。為了達成較佳的結晶 度，要將厚度設定為200 A或以下，如此可達成優異的結 晶度並且當厚度設定為150人或以下時，載子束缚層就可 位於較佳位置。 在其中被覆層透過第一導電類型層和第二導電類型層 内第一半導體層和第二半導體層遠離主動層的裝置結構 内，較好讓形成於第一導電類型層内的被覆層之帶隙能量 高於第一半導體層的能量，並且讓形成於第二導電類型層 的被覆層之帶隙能量高於第二半導體層的能量。如上述， 這是因為在階梯狀頻帶結構中，利用於主動層外在每個障 壁層内提供個別的載子束缚，來達成更好的載子注入。另 外·在像是L D這類末端發光裝置提供光束缚被覆層的案例 中，因為第一和第二氮化物半導體可用來當成光導層並且 帶隙能量不像傳統裝置設定高於主動層的能量，所以該裝 置有相當好的晶格匹配和良好的結晶度。對於特殊構造來 -22- 200303105

(18) 說，這種第一半導體層和第二半導體層由含A1的氮化物半 導體所製成，並且第一半導體層和第二半導體層内A1混合 結晶率設定低於第一障壁層結晶率的裝置可在以短波長 運作之發光裝置内達成優異的結晶度。其他裝置構造可像 是圖6A内所示的發光裝置200,其中包含第一半導體層2 02 的第一導電類型層、第一障壁層2a、井層la、具有第二障 壁層2b的主動層203(12)、第二半導體層205以及包含載子 束缚層204的第二導電類型層13，彼此堆疊在基板201上。 圖6A顯示其中-在電子導電基板201上提供上述裝置結構的 結構，在基板·的背面上提供電極207並且在兩邊沉積一對 個別導電類型的電極將基板夾住，而圖6B顯示一對個別導 電類型的電極沉積在基板一邊上的結構。 在氮化物半導體發光裝置的更佳結構中，其中用主動層 (利用第一導電類型層和第二導電類型層内提供的光導層 夾起來）形成波導，第一導電類型層内提供的光導層具有 第一半導體層。也就是，與傳統裝置不一樣的是，帶隙能 量低於主動層（第一障壁層）的第一半導體層和第二半導體 層可用於光導層，並且在結構方面晶格常數不同以及熱膨 脹係數差異減少的發光裝置可用氮化鎵材料製成。在此 時，較好讓導層的帶隙能量低於第一障壁層的能量，類似 於第一和第二半導體層，如此讓具有良好結晶度的發光裝 置擁有低的A1混合結~晶率。也就是，藉由使用A1混合結晶 率低於第一障壁層（由用於光導層並包含A1的氮化物半導 體所製成）的第一半導體層和第二半導體層，這種結構可 -23- 200303105 (19) 將其中***主動層的下方光導層26和上方光導層29内的 A1混合結晶率製作低一點，如圖2B内所示，如此利用將主 動層和整個裝置内的A1混合結晶率壓低就可製作出具有 高結晶度和高信賴度的裝置。 在***這種光導層的主動層内，利用讓發光裝置具有提 供被覆層當成光束缚層這種結構的波導，如此可獲得具有 進一步優異特性的裝置。尤其是，在第一導電類型層和第 二導電類型層内提供用於光束缚的被覆層如此可***光 導層（***主動層）内，而第一導電類型層内提供的被覆層 具有高於第一 ··半導體層的帶隙能量，並且第一導電類型層 内提供的被覆層具有高於第一半導體層的帶隙能量。這導 致具有光導層和光束缚被覆層的個別束缚層之發光裝 置，其中在氮化鎵半導體材料内的帶隙能量很高，並且將 整個裝置内可降低折射係數的鋁混合率抑制到低值。這可 確保製造的結晶度、裝置可靠度以及堆疊穩定度，如此可 降低裝置特性的變化並且改善產量。也就是，利用將由包 含A1的氮化物半導體所製成的下被覆層2 5之A1混合結晶 率設定高於下光導層26(第一半導體層）的結晶率，並且將 由包含A1的氮化物半導體所製成的上被覆層3 0之A1混合 結晶率設定高於上光導層29(第二半導體層）的結晶率，而 用於光束缚的被覆層可製成具有低於導層的折射係數。在 此時，更佳是將用於光束缚的被覆層之A1混合結晶率設定 低於圖2B内所示第一障壁層2a的結晶率，讓它可製造出維 持低A1混合結晶率的裝置結構，並且較佳可用來形成具有 -24- 200303105

(20) 光束缚所需厚度的被覆層。 除了上述說明的構造以外，將第一障壁層的帶隙能量設 定高於被覆層的能量，讓它可形成具有優異結晶度的裝置 結構。 以上述波長運作的發光裝置可用於像是雷射裝置、末端 發光裝置和超亮二極體等等應用。 圖式簡單說明 圖1為顯示根據本發明一具體實施例的雷射裝置結構之 圖解剖面圖。-- 圖2 A為顯示:根據本發明一具體實施例的堆疊結構之圖 解剖面圖，並且圖2 B為顯示層内A1比例的圖式。 圖3 A為顯示根據本發明一具體實施例的堆疊結構之圖 解剖面圖，並且圖3 B為顯示對應至該堆疊結構的偏壓雷射 裝置之頻帶結構圖解圖式。 圖4 A和4B為顯示傳統偏壓雷射裝置的頻帶結構之圖解 圖式。 圖5 A和5B為顯示根據本發明一具體實施例的偏壓雷射 裝置之頻帶結構圖解圖式。 圖6 A和6B為顯示根據本發明一具體實施例的堆疊結構 之圖解剖面圖，並且圖6C為顯示層内A1比例的圖式。 圖7為顯示堆疊結構與傳統雷射裝置的層内A1比例間之 關係的圖式。 圖8A為顯示頻帶結構41的圖式並且圖8B至8D為顯示根 據本發明一具體實施例不同導電類型雜質濃度的圖解圖 -25- 200303105

(21) 式。 圖9為顯示根據本發明一具體實施例當成幻成分比例和 雷射裝置内第二障壁層厚度變化的臨界電流“内變化的 圖解圖式。 圖1 〇為顯示根據本發明一具體實施例當成A1比例和雷‘ 射裝置内第二障壁層厚度變化的裝置壽命變化的圖解圖 較佳具體實施例說明 鲁 以下此利蒗使用氮化物半導體的較佳具體實施例來說 明本發明的半導體裝置。吾人可了解到，本應用並不受限 於這些具體實施例，並且可套用至已知的半導體材料，像 是 AlGaAs和 AlGaP。 用於本發明氮化物半導體裝置的氮化物半導體包含 GaN、AIN、InN和III-V族氮化物半導體形式的混合結晶 (InaAlpGa^a.pN，0 < oc，〇 < β，α + β 公 i)，以及使用 ΠΙ 族元素的Β(硼）或用第V族元素ρ(磷）或As取代Ν(氮）的混 € 合結晶。包含Α1的IL化物半導體具有β>〇的成分並且包含 In的氮化物半導體具有α>〇的成分。在本發明的一個具體 實施例内’以短波長運作並且帶隙寬的氮化物半導體為一 * 種具有井層（由主動層内包含GaN* A1的氮化物半導體所 · 製成）’並且在第一導電類型層和第二導電類型層内具有 由至少一包含A1的氮化物半導體所製造的層之裝置。 氮化物半導體内使用的η型雜質可為iv族元素，像是·

Si、Ge、Sn、S(硫）、〇(氧）、丁丨和Zr，或是VI族元素，較 -96- 200303105 (22) 好是Si、Ge或Sn，並且更好是Si。而p型雜質並無限制， Be、Zn、Mn、Cr、Mg或Ca都可使用並且較好使用Mg。利 用加入這些受體和寄放者可形成不同導電類型的氮化物 半導體，藉此製作出下述不同導電類型層。本發明的第一 導電類型層和第二導電類型層具有部份未摻雜的層，並且 其上堆疊半絕緣層，並在不同導電類型層内部分形成寄主 成分，當成雷射裝置反轉導電類型的嵌入層（電流障壁層）。 下列將取氮化物半導體說明根據本發明的許多層。 本發明的主-動"層較好是形成於量子井結構中，並且具有 由包含GaN或A1的氮化物半導體所製成的井層，以及由包 含A1或包含In和A1的氮化物半導體所製成的障壁層。尤其 是，主動層内的波長為375nm或以下，並且特別是井層内 的帶隙能量位於波長3 7 5 nm内。用於主動層内的氮化物半 導體可未摻雜、摻雜η型雜質貨摻雜p型雜質，較好是主動 層内提供未摻雜或摻雜η型雜質的氮化物半導體，製作出 像是雷射裝置或高輸出功率發光裝置的氮化物半導體裝 置。較好是井層未摻雜並且障壁層摻雜η型雜質，製作出 像是雷射裝置或高輸出功率發光裝置的氮化物半導體裝 置。量子井結構可為多量子井結構或單量子井結構。較好 是運用多量子井結構來增加輸出功率並且降低震盪臨界 值。主動層的量子井結構可從上述至少一井層以及至少一 堆疊在井層兩側的障壁層所形成。在量子井結構中，井層 的數量為至少一層並且不超過四層，可讓雷射裝置或發光 裝置具有低臨界電流。更好的是，運用井層數量為二或三 200303105

(23) 的多井層結構來製作高輸出功率的雷射裝置或發光裝置。 根據本發明的井層較好是由包含GaN或A1的氮化物半導 體所製成。利用在主動層内提供一個至少由包含GaN或A1 的氮化物半導體所製成之井層，並讓上述所有井層來自多 井層結構的氮化物半導體，達成以短波長發出光線並且獲 得高輸出功率以及高效率的雷射裝置或發光裝置。此構造 較好用於具有單發射峰值的發射頻譜案例中。在具有多發 射峰值的多色發光裝置中，利用提供至少一由包含GaN或 A1的氮化物半-導體所製成之井層，可獲得短波長區域内的 發射峰值，藉此可獲得發出許多顏色光線的發光裝置，或 可與由短波長光線激勵的螢光基板結合。當這種多色彩發 光裝置形成具有InaGa^N (〇 < a丄1)成分的井層，讓井層 可發射出頻譜從紫外線到可見光區域的光線。在此情況 下，可由In成分比例決定發射波長。對於運用波長375 nm 或更長的井層之發光裝置而言，該井層可由包含In的氮化 物半導體所製成’其成分較好是上述的KGa“N⑶ < 以s 1)。 以包含A1的氮化物半導體所製成的井層會根據本發明 在短波長上運作’冑它可發出波長是傳統InGaN製作之井 層難以發出的光線，尤其是大約365 nm的波長（此為 的頻代間隙能量）或更短，並且尤其是具有可發出波長^ 謂或更短的光線之頻代間隙能量。這是因為由三種 化口物半導體所製成的傳統井層需要將h含量控制在1% 内，以便用GaN的頻代間隙能量在大約的波長上運 -28- 200303105

(24) 作，例如370 nm。若in含量成分這樣低的話，發光效率就 會降低並且無法獲得足夠輸出功率的雷射裝置或發光裝 置。再者，當In含量成分為1 %或以下，則難以控制結晶成 長。根據本發明，藉由使用含GaN或A1的氮化物半導體製 成之井層，並且增加A1混合結晶率X來增加頻代間隙能 量，製作出以短波長運作的雷射裝置，讓它可發出和傳統 井層不同之波長375 nm的光線。 在井層内用於發出短波長光線並包含A1的氮化物半導 體之特殊成分·為 AlxInyGa 卜 x-yN (〇 < X S1，0 ，X + y < 1)，並且較·好使用三合成物半導體AlxGabXN (0 < X < 1) 以及四合成物半導體AlxinyGabX-yN (0<χ<1，〇<yil， x + y<l)。另外也可使用由二化合物半導體GaN所製成以 短波長運作的井層。 下面將詳細說明由包含A1的氮化物半導體所製成的井 層之特徵。在包含1!!和A1的氮化物半導體内，^成分的存 在會增加井層内的發光效率並且減輕包含A1的氮化物半 導體所產生的強大應力，藉此讓壓電場發生變化。當井層 由包含A1的氮化物半導體所製成，其中^含量成分y幾乎 為零’因為大量元素之間的互動所以可製作出更好的井層 結晶度’尤其是在汽相結晶成長處理中（像是用於成長氮 化物半導體的MOCVD)可抑制八丨和In反應所造成的結晶度 惡化。對於包含In和A1的氮化物半導體，例如 AlxIiiyGa!小yN 公 i，x + y<1)，以及包 含A1但不包含In的氮化物半導體，例如AUGa^N (0 < X < -29- (25) 200303105

1)之A1混合結晶率χ並益A …、限制。利用改變A1混合結晶率就 可獲得所要的頻代間隙能胃# i 月匕S和波長。利用在上述成分内加 入B、P、As或這類元素諸 于、坑可運用包含五種或以上成分元素 的成分，較好是使用 半導體AlGaN以便藉 良好結晶度的井層。 四合成物半導體AlInGaN和三合成物 由避免元素之間發生反應來形成具有 在包含In和A1的氮化物 x<l，0<y<l，x + 〇·1範圍内，更好是從〇·〇3至〇〇5 高會降低臨界：電流並且改善發％ 半導體内，例如AlxInyGa^x-yN (0 7 < 1 ) ’ I η混合比y較好在〇 · 〇 2至 將此值設定為〇 · 〇 2或 效率，而將此值設定 更 為 〇·〇3或更咼更可大大加強這些致果。當此值設定高於〇1， 在另一方面，結晶度會因為上述成分元素之間的反應而開 始惡化。利用將此值没定為0 · 〇 5或更低，如此可達到良好 的結晶度、降低臨界電流並且改善發光效率^ 在波長從3 65 nm至3 80 nm的範圍内，可使用包含Ιη的井 層。由氮化物半導體所形成的井層之特殊成分可為 InzGabzN (0 < ζ < 1)，以獲得所要的發射波長。在此案例 中，障壁層的特殊成分可為AluInv(3ai__N⑶< u s t，〇 < v < 1，u + v < 1)，其中當發射波長短於38〇 1^時障壁層 的A1混合比例u會變大。主動層内提供的第二障壁層具有 低於和傳統裝置内第一卩早壁層近似A1混合比例的A1混合 比例，可避免結晶度惡化’而提供其A1混合比例低於同主 動層内第一障壁層的第二障壁層，會導致在包含In的井層 内（插在兩障壁層之間）下方介面和上方介面上施加不同應 -30- 200303105 (26) 力，如此包含A1的氮化物半導體所造成的壓電場就會降低 以及可降低帶隙，並且可改善井層内的發光效率。在提供 内部障壁層的案例中，具有A1混合比例低於第一障壁層比 例的第二障壁層可製造出和上述相同的效應，其中内部障 壁層較好具有低於第一障壁層和高於第二障壁層的A1混 合比例，藉此避免結晶度惡化。當内部障壁層具有和第二 障壁層相同的A1混合比例，則所有障壁層較好都具有充分 偏移井層的帶隙能量。 井層的厚度-务數量可隨意決定，例如單原子層用於厚度 並且一或多層用於井層數量。尤其是，厚度範圍從1 nm到 3 0 nm。在厚度低於1 nm時，井層會變的難以滿足功能需 求。厚度超過30 nm會讓它難以成長包含A1並具有良好結 晶度的氮化物半導體，導致無法滿足裝置特性。利用將厚 度範圍設定在2 nm至20 nm，Vf和臨界電流密度就可增 加。從結晶成長的觀點來看，當厚度為2 nm或以上時，可 形成品質相對一致並且厚度較無變化的層。當厚度為20 nm或以下時，結晶可成長並會抑制結晶缺陷的發生。更好 是，井層的厚度設定為3.5 nm或以上，如此可獲得具有高 輸出功率的雷射裝置或發光裝置。這是因為較厚的井層會 導致發光和高發射效率重新結合，並且用於大量載子注入 的内部量子效率，像是用大電流驅動的雷射裝置案例中， 而此效果在多量子井結構内特別明顯。在單量子井結構 内，以厚度5 nm或以上可達成類似效果。在此並不限制井 層的數量，所以可形成任何數量（一或多）的井層。當四個 200303105

(27) 或以上井層提供每一層構成具有實質厚度的主動層，主動 層的總厚度會變的過大而導致Vf過高。如此要將井層的厚 度維持在1 0 nm内，這樣才能限制主動層的厚度。在多量 子井結構内，至少複數個井層之一形成上述範圍内的厚 度，並且較好是所有井層都形成上述範圍内的厚度。井層 可以或不具有相同厚度。 根據本發明的井層可摻雜P型雜質或η型雜質，或可不摻 雜。要摻雜入井層的雜質較好是對於發光效率有所改善的 η型雜質。不嗵-，因為井層内使用包含In和Α1的氮化物半 導體，會導致:當雜質濃度增加時結晶度惡化，所以較好是 將雜質濃度限制在低水準，如此可形成具有良好結晶度的 井層。為了達成較高可能的結晶度，井層以未摻雜情況成 長，而雜質濃度控制在5 X 1016/cm3或更低表示幾乎不含雜 質。當井層摻雜η型雜質，雜質濃度會控制在5 X 1016/cm3 至1 X 1018/cm3内，這樣可抑制結晶度惡化並增加載子濃 度，藉此降低臨界電流密度和V f。在此時，井層内η型雜 質的濃度較好控制在等於或低於障壁層内η型雜質的濃 度，因為其會加速井層内發光的重新結合並且增加光輸出 功率。在此時，井層和障壁層也可在未摻雜的情況下成 長，如此可構成部分主動層。在多量子井結構的案例中， 其中主動層内提供複數個井層，不同的井層可以或不包含 相同濃度的雜質。 在以大電流驅動的裝置内（像是高輸出功率的LD或 LED、超亮二極體等等），井層内載子的重新結合會加速， -32- 200303105 (28) 並且在井層未摻雜並且大體上不包含任何η型雜質時有很 高的可能性會發生發光重新結合。當井層摻雜η型雜質， 相較之下，井層内的載子濃度增加會導致較低的發光重新 結合可能性，導致等輸出功率而驅動電流增加的惡性循 環，並且接著導致裝置可靠度（裝置壽命）顯著降低。為此 原因，在這種高功率裝置内，井層内η型雜質濃度保持在 不高於1 X 1018/cm3的狀態，並且較好是井層在未摻雜的情 況下成長，或具有大體上可看成未含η型雜質的濃度，如 此可達到具有高輸出功率並可穩定運作的氮化物半導體 裝置。在井層：換雜η型雜質的雷射裝置内，雷射光峰值波 長的頻譜寬度傾向於擴展，因此η型雜質濃度維持在1 X 1018/cm3内，較好是1 X 1017/cm3或更低。 根據本發明，障壁層由包含A1並且以短波長運作的氮化 物半導體所製成。所需要的是主動層内所形成的至少一障 壁層由包含A1的氮化物半導體所製成，並且主動層内所形 成的所有障壁層都可由包含A1的氮化物半導體所製成，或 者是主動層内某些障壁層由包含A1的氮化物半導體所製 成。該障壁層具有高於井層的帶隙能量。在井層的發射波 長為375 nm或更短的區域内，對應的障壁層較好由包含A1 的氮化物半導體所製成。具有AluInyGau-vN (0 < u 1，0 £_v £_1，u + v < 1)成分的氮化物半導體較好用於由包含 A1的氮化物半導體所製成之障壁層。尤其是，由包含A1 的氮化物半導體製成之障壁層可為四化合物半導體 A1 InGaN，其中上述公式中的In混合比例v不為零或是三化 200303105 (29) 合物半導體AlGaN。障壁層内A1的比例設定高於由包含A1 的氮化物半導體製作的井層内之A1比例X，換言之就是u > X，如此可在井層與障壁層之間提供充分的帶隙能量差 異，藉此形成具有發光效率適用於雷射裝置和發光裝置的 量子井層。在障壁層包含In (v〉0)的案例中，In的比例v 較好設定為0 · 1或以下，如此可抑制結晶度惡化，並且更 好是設定為0.05或以下。當In的比例v高於0.1，A1和In在 結晶成長期間會快速反應，導致不佳的結晶度並且無法形 成良好的薄膜-。-當比例控制在v < 0.0 5，則可用較佳的結 晶度形成障壁:層。障壁層内In的比例v範圍可以比井層（其 中發生發光重新結合）内的比例寬。另外因為藉由A1的比 例可確定帶隙能量的差異，這樣可用像是v > y的比例。將 In的比例設定為該值可讓它改變井層和障壁層的關鍵厚 度，如此在量子井結構内可相對自由設定厚度並且設計出 具有所要特性的主動層。 如上述，根據本發明的障壁層可由包含In和A1的氮化物 半導體（尤其是四化合物半導體AluItivGamN (0 < u < 1， 0<v£_l，u + v<l)、包含A1並且In混合比例接近零的氮 化物半導體（尤其是AluGa^N (0 < u < 1)，類似於上述用 於短波長系統的井層）所製成。對於較長波長的區域而 言，可如上述使用包含In或GaN的氮化物半導體，尤其是 可使用可廣泛應用於從紫外線到紅色可見光區域内的 InvGa^N (0 < v < 1)。 在量子井結構的主動層内，可另外用井層形成障壁層或 -34- (30) 200303105

一個井層可艰# J々成複數個障壁層。 -個第-障壁居“疋可用結構至少有 層，並且 “σ苐-障壁層的井層夾住兩或多個障辟 層。 7挺供§成交互堆疊的多薄膜障壁層和 曰 胃：^井 Ρ早壁層可松 >、Ρ型雜質或η型雜質，戋伴留夫株雜 述井層類似n μ 次保遠未摻雜，與上 障壁層择雜 好接雜η型雜f或成長日夺未摻雜。也 ^雜η型雜質，雜皙、、曲 备 其是， 、雜貝辰度為5 X ΙΟ1%"或更高。

D的案例中，η型雜質的加入噥声r F1 1〇16/咖3至…〇18/ 3 辰度祀圍從5X 10 /cm 。在高輸出功率led或高輪

中，η型雜暂：从上 门铡出LD 貝的加入濃度範圍從5 X 10n/cm3 更好疋從1 X…”⑽3至5 x 10M/cni3。當障辟s 摻雜如此高c倉痒〇士 & 田丨早壁層 '又守，井層成長時較好不要包含η型雜曾+ 未摻雜。卷暗辟a μ 土濰質或 田卩早羞層摻雜η型雜質，主動層内的所有障壁屑 =可摻雜，或部分障壁層有摻雜而剩下的未摻雜。當部分 障壁層摻雜11型雜質時，較好是摻雜位於主動層内η:這二 邊的卩早壁層。尤其是，摻雜從η型這一邊算起第η個障壁層 Βη(η 1 2、3、.·_)，導致電子有效注入主動層内，如此 可獲彳于具有高發光效率以及高内部量子效率的裝置。這並 不限制於障壁層，也適用於井層。當井層和障壁層都有摻 雜時’從η型這一邊算起第η個障壁層Bn (n = 1、2、3、...） 和第m個井層Wm (m = 1、2、3、…）就會摻雜。也就是， 當接近η型層附近的層有摻雜的話就可達成上述效果。 另外如稍後將會說明的具體實施例所示，當特別在主動 層以及/或障壁層旁邊提供Mg摻雜ρ側電子束缚層，用在最 200303105 靠近主動層内P型層邊的p侧障壁 層來摻雜η型雜質會因為

分達成障壁層-的功能。更好是， 厚度範圍設定從2 n m到2 0 nm。這疋因為S厚度為2 nm或以上時，可形成具有較好障 壁層功能性並且品質相當一致的層，並且當厚度為2〇 nm 或以下時可達成良好的結晶度。 具有根據本發明量子井結構的主動層之較佳具體實施 例（用於以短波長運作的發光裝置）包含至少一對由二化合 物半導體、二化合物半導體AlxGa1-xN (〇Sx< 1)和四化合 物半導體八1父1%0&1_>^]^(0<\^_1，〇<丫11，义 + 丫<1) 製成的井層、由四化合物半導體AluInvGabU_vN (0 < u < 1，〇<v<l，u + v<i)或是由三化合物半導體AluGai_uN (0 < u < 1)製成的障壁層。尤其是，如圖3 A、3B、5A和5B 内所示的主動層12，一或多個由AlGaN或AlInGaN製成的 井層和二或多個由InAlGaN或AlGaN製成的障壁層會讓井 層具有優異的内部量子效率以及發光效率。再者，利用控 制包含A1的氮化物半導體内A1含量，井層就可發出低於 3 75 nm的短波長光線，如圖3A和3B内所示。利用從 -36- 200303105

(32)

InAlGaN或AlGaN形成帶隙能量低於井層1能量的障壁層 2，就可製造在此短波長區域内運作的優異障壁層。 (同樣***的主動層和第一導電類型層、第二導電類型層） 底下將詳細說明***主動層1 2的第一導電類型層丨丨和 第二導電類型層13結構，尤其是形成於主動層附近的層間 之關係，特別是形成於主動層旁邊，以及根據本發明具體 實施例的主動層。 傳統雷射裝置結構具有圖4A和4B内所示的頻帶結構，以 及顯示在圖7内调2 A堆疊層結構内A1混合結晶率之變化， 其中依照夾住主動層的光導層26、29到從外面夾住光導層 的被覆層25、30之順序升高帶隙能量。例如，以 AlGaN/InGaN為基礎並以波長410 nm運作的氮化物半導體 雷射裝置，利用取代具有低帶隙能量的主動層内In混合比 例（相較用於圖7光導層2 6、2 9内A1比例的〇參考點），來表 現傳統雷射裝置的帶隙結構。對於其他根據AlGaN以紫外 線區域内短波長運作的傳統半導體雷射裝置來說，如圖7 内所示，這種結構的用意在於以從位於主動層外面的光導 層2 6、2 9到位於更外面的被覆層之順序增加A1混合結晶 率，並且據此從主動層往外增加帶隙能量’如圖4A和4B 内所示。另外根據在紫外線區域内發出光線的AlGaN之傳 統氮化物半導體雷射裝置内’在排除被覆層或光導層之後 這種結構和上述雷射裝置一樣。尤其是，在圖7内所示光 導層26、29和被覆層25、30用於載子束缚層的結構内’利 用讓A1比例高於發光層（主動層27)來形成具有高帶隙能量 -37- 200303105 (33) 的層。不過，在這種A1比例朝外逐漸增加的結構内，結晶 度惡化並且破裂發生會導致嚴重的問題。 根據本發明，可抑制伴隨上述傳統結構發生的破裂，並 且利用製造出帶隙能量較低以及將光導層2 6、2 9 (夾住主 動層27)内A1混合結晶率下降低於主動層内障壁層2之結 構，如圖2 A和2 B内所示，如此可在室溫下連續震盪。尤其 是，第一半導體層26形成於第一導電類型層内，並且帶隙 能量低於障壁層内的能量，尤其是主動層内提供的第一障 壁層2 a内，如-此第一半導體層内A1混合結晶率將製作低於 以短波長運作：的主動層内障壁層的結晶率。在此時，井層 與第一半導體層之間的關係將造成，第一半導體層内的帶 隙能量高於主動層内井層的能量，以便導致發光重新結 合。此關係也適用於第二導電類型層。尤其是，第二導電 類型層提供的第二半導體層29内帶隙能量降低並且A1混 合結晶率減少於主動層内提供的障壁層2之能量。利用配 置具有A1混合結晶率低於主動層附近（較好是與主動層相 連）障壁層内結晶率的第一半導體層（第二半導體層），則可 形成具有良好載子束缚特性以及良好結晶度的主動層。當 這些層用於光導層内，可形成適合用於短波長區域的波導 結構。下面將有詳細說明。 根據本發明一具體實施例的氮化物半導體具有圖2A和 3 A内所示的結構，其中在第一導電類型層1 1和第二導電類 型層13之間提供主動層12。尤其是，連續堆疊接觸層23、 下被覆層25和下光導層26當成第一導電類型層11，然後其 -38- (34) 200303105 上形成主動層27’亚且在主動層上連續堆疊載子束 28、上光導層29、上被覆層30和接觸層24當成第二導 型層13。彼此相連的載子束缚層、上被覆^和接觸層 置並不受限於圖2A内所示的接觸設定，並且這此層之 ***其他層而分隔。圖2 A為顯示具有根據本發明波導 的裝置堆疊結構之剖面圖。圖3A顯示主動層以及沉積 主動層的層之堆疊結構40，並且圖3B顯示在對應於堆 構40内偏壓的頻帶結構41，其中第一導電類型層丨丨設 η型層側並且第二導電類型層13設定為p型層側。這同 用於圖4Α、4Β、5Α和5Β内顯示的頻帶結構41，其中 圓表示電洞並且實心圓表示電子載子。箭頭用於圖解 载子的運動，並且迴轉的箭頭指示受到頻帶偏移束、缚 子。實線顯示導帶Ec以及價帶Εν，而虛線顯示費米 (Fermi level) EF。如同從圖3Α所見，具有頻帶能量間 於將井層1夾住的障壁層2a、2b之第一導電層、第一 層會沉積將主動層夾住，並且用來當成上與下光導層 此案例中，在第二導電類型層29與主動層27之間主動 近（較好是相連）第二導電類型層（p型層側）内提供載 縛層28。由於主動層内障壁層2a的電洞會束 、、号在井層 並且電子會束縛在相連於障壁層2b和/或主動層27的 束缚層28。在圖4A和4B内所示的傳統頻帶結槿 、 丨丹丨ΛΙ ’載 缚的偏移提供於第一導電類型層26主動層27、 I早壁層 間’並且提供氮化物半導體層或帶隙能量高於 θ 層 早土層2a的光導層26，如此連接主動層並且去 田成载子 缚層 電類 之配 間可 結構 *** 疊結 定為 樣適 空心 指示 的載 位準 隙低 導電 0在 層附 子束 内。 載子 子束 2a之 27和 束缚 -39- 200303105

(35) 層。不過，相連主動層27和障壁層2a的第一半導體層26並 非製作在將載子束缚於主動層内之結構，並且載子由位於 最靠近第一導電類型層的第一障壁層2a束缚在井層la内。 底下將說明井層、障壁層與第一半導體層（第二半導體 層）之間的關係。本發明的氮化物半導體具有第一導電類 型層、主動層和第二導電類型層如上述般堆疊的結構。在 此將說明第一導電類型層為具有η型氮化物半導體的η型 層並且第二導電類型層為具有ρ型氮化物半導體的ρ型層 之設定。在量-子井結構的主動層内，將最靠近η型層的η型 障壁層標示為··第一障壁層，並且將最靠近ρ型層的ρ型障壁 層標示為第二障壁層。根據本發明，第一半導體層的帶隙 能量較好高於與最靠近η側障壁層的第一導電類型層（η型 層）内提供的第一半導體層有關之第一障壁層。本發明的 主動層具有至少第一障壁層、帶隙能量低於前者的第二障 壁層以及至少一插在其間的井層。在此必須將第二障壁層 比井層放置在靠近第一導電類型層（η型層）的地方，並且將 第二障壁層放在靠近第二導電類型層（ρ型層）的地方。因 此，較好提供比至少一井層位於靠近ρ型層的第二障壁層 (ρ型障壁層），如此可將井層***至少第一障壁層與第二障 壁層之間。這是因為提供夾住井層的第一障壁層與第二障 壁層為分別最靠近η型層和最靠近ρ型層位置上並且具有 不同功能的障壁層。_ 第一障壁層為最接近主動層内η型層位置上的障壁層， 並且較好是提供在最接近η型層的位置上，並且在主動層 -40- 200303105

(36)

内最外面。更好是，所提供的第一障壁層會與η型層和第 一半導體層接觸。這是因為，當第一障壁層透過井層部分 由η型層所提供，例如在圖4Β所示的具體實施例内，載子 注入位於η型層側上的井層内而非第一障壁層2 a，如此會 導致載子溢流至η型層側，而利用將第一障壁層製作厚一 點，讓其不可能將載子注入位於η型層側上的井層内而來 抑制載子溢流至η型層側，藉此損害井層的功能來影響發 光重新結合。相較之下，第一障壁層當成障壁將載子束缚 在井層内（位於第一障壁層與ρ型層所夾住的主動層内），並 且第二障壁層嗜成障壁將載子束缚在井層内（位於第二障 壁層與η型層所夾住的主動層内）。在另外一方面，由井層 (例如圖5 Α和5 Β内所示的障壁層2 c和2 d)夾住的障壁層具 有束缚載子的功能，而將載子分散在井層内，不同於位於 第一障壁層、第二障壁層和井層之間的障壁層之功能。因 此，為了將第一障壁層的功能做最大的利用，則必須藉由 將第一障壁層、第二障壁層放置於主動層内最外面的位 置，將載子充分束缚在主動層内。 對於第二障壁層而言，除了上述第二障壁層以外，藉由 在主動層上提供稍後將說明的載子束缚層，該層較好在第 二導電類型層（P型層）内與主動層接觸，如此載子可束缚在 對應至主動層内不對稱障壁層結構的井層内。如此利用將 載子束缚層放置在主_動層除了第二障壁層之外，這樣可將 載子充分束缚並注入主動層，尤其是在井層内，並且改進 電子容易在氮化物半導體内擴散的問題，並且具有比電洞 -41 - 200303105

(37)

來要長的擴散距離。類似於第一障壁層，第二障壁層比井 層靠近p型層（第一導電類型層），更好是更靠近p型層，最 好是位於最靠近p型層的位置在，並且在主動層的最外 面，而滿足載子的注入。而第二障壁層也可位於載子束缚 層以外的地方，較好是所形成的第二障壁層與p型層内載 子束缚層2 8接觸，如此要將載子注入井層會利用帶隙能量 低於第一障壁層的第二障壁層而非帶隙能量高於第一障 壁層的載子束缚層。

主動層内所形成的障壁層之最外面的障壁層以外之障 壁層，像是位於比主動層内井層靠近第一導電類型層和第 二導電類性層的第一障壁層和第二障壁層，可提供由井層 la和lb以及井層lb和lc夾住的内部障壁層2c、2d，如圖5A 和5 B内所示。在多量子井結構的案例中，尤其是載子可充 分分配在複數個井層之間，利用井層所夾住的内部障壁層 進行注入與束缚。換言之，内部障壁層的功能有別於第一 障壁層和第二障壁層，並且厚度可比第一障壁層和第二障 壁層還要厚，讓量子井結構不妥協於井層所夾住的障壁層 之功能，這對於限制整個主動層的厚度並且抑制Vf增加有 所貢獻。另外如圖5 A内所示，當所形成的内部障壁層2 c 具有高於第一障壁層和第二障壁層的帶隙能量，則從個別 相鄰於主動層的導電類型層注入之載子必須克服位於井 層之間較大的内部障壁層2 c、2 d，導致因為要克服内部障 壁層而降低將載子注入第一導電類型層上井層之效率。當 井層夾住的障壁層2c、2d形成具有低於如圖5B内所示第一 -42- 200303105

(38) 障壁層、第二障壁層的帶隙能量，則會減弱位於内部位置 上障壁層的束缚功能，並且讓第一障壁層、第二障壁層的 功能相對強於這些障壁層。因此，即使井層的數量增加， 外側障壁層還是能提供較大的障壁，如此可達成載子注入 井層的充分注入與束缚。也就是，利用將内部障壁層的帶 隙能量低於第一障壁層的能量，如圖5 B内所示，則位於最 外面的第一障壁層會有最高的帶隙能量，如此來自第二導 電類型層的載子可充分注入井層内。較好是讓内部障壁層 的帶隙能量低於第二障壁層，如此障壁層的帶隙能量會從 第一導電類型層往第二導電類型層逐步增加，如此可充分 將載子注入井層，如圖5 B内所示。 如上述，因為屬於外面障壁層的第一障壁層和第二障壁 層具有與裡面井層夾住的障壁層不同之功能，如此可在内 部障壁層和外面障壁層之間薄膜厚度、帶隙能量和成分不 同的結構下製作出具有所要特性的裝置。另外如圖5B内所 示，也可在主動層内（具有複數個内部障壁層）内部障壁層 之間製作不同的薄膜厚度、帶隙能量和成分，或者幾乎相 同的薄膜厚度、帶隙能量以及成分。較好是藉由製作幾乎 相同的薄膜厚度、帶隙能量以及成分來呈現出功能大體上 一致的内部障壁層，藉此可充分將載子注入井層。 對於上述原因，位於最靠近η型層側的第一障壁層2b較 好摻雜η型雜質，而位於最靠近p型層側的第二障壁層2b大 體上較好不要摻雜η型雜質，而雜質濃度為5 X 1016/cm3或 以下。這是因為氮化物半導體内用的許多p型雜質具有高 -43- 200303105

(39) 度擴散傾向，例如常用的Mg和Zn可在堆疊姓嫌 且'、、口構内擴散到 遠處。如此當障壁層摻雜p型雜質，雜質就會 曰頌政進入相 鄰的井層’而妨礙井層内發光載子的重新社人 '''° s。較好在位 於P型層附近成長未摻雜的第二障壁層， /、β丨良制雜質從 障壁層内Ρ型層擴散的效果，藉此避免雜質推_ ’、—步擴散進 入井層。尤其是在Ρ型層内載子束缚層28沉積 月非攻第二障 壁層的案例中（較好是與第二障壁層接觸），因 — ’戟子束缚 層傾向具有相當高的阻力’所以會有高度摻雜p型雜質的 能力。這樣雜-質的擴散就會成為問題，而利用成長未換、 的第二障壁層·藉此避免井層的功能因為擴散而惡化，這樣 就可解決問題。另外因為在載子束縛層附近形成pi接人 並且載子束缚層傾向形成具有裝置内最高的Ai混合纟士曰 古 口日日 率，如圖3A、3B、5八和化内所示，則高A1混合結晶率的 氮化物半導體會提供高壓電電壓，導致井層上產生反/ 果而利用成長A1混合結晶率低於未摻雜的載子束縛層結 日日率之第二障壁層可抑制上述問題。 曾田第一 P早壁層的厚度比第二障壁層還要厚，利用在第二 導電類型層内提供载子束缚層28,如此可利用第二障壁： 氐進入主動層的載子束缚功能，就是當功能類 壁層的障壁芦知# 7 土 丨^ 曰#載子束縛層28形成主要將載子束缚在 動層内的結橋，^迷a ^ ^ 乂樣瓖匕有可能減少整個主動層的厚声廿 對於Vf的降低古化二* 又亚 -有所貝獻，並且在氮化物半導體内，因為雷 洞的擴散异许 巧电 氺 又°電子的擴散長度比較起來相當短，並且用 來當成電洞注Α μ、 用 为的第一障壁層相當薄，所以可有欵並 -44- 200303105

(40) 完美的達成載子注入井層。在另外一方面，在提供摻雜P 型雜質的載子束缚層28，或者位於主動層附近（較好是與 主動層接觸）帶隙能量高於第一障壁層的第二障壁層29案 例中，具有高A1混合結晶率的層會相鄰於主動層。因為具 有高A1混合結晶率的層就會具有高阻力，所以當裝置運作 時此層内就會顯著產生熱量，如此在此層靠近井層的案例 中會對井層造成不利的影響，導致裝置特性惡化。在這種 具有高A1混合結晶率與主動層間之介面内，或在具有高A1 混合結晶率的層之主動層側上或是在其附近或提供主動 層的井層内提-供p-n接合之案例中，如圖3 A、3B、5A和5B 内所示，偏壓對於井層内發光的重組具有反效果。也就 是，第一障壁層較好當成分隔井層和具有高A1混合結晶率 的層之分隔片，藉此避免具有高A1混合結晶率的層影響井 層的反效果。在此案例中，第一障壁層的厚度為20人或以 上，這讓其可達成分隔的功能，並且較好是40人或以上來 抑制井層上的變化。 底下將說明本發明的一個具體實施例。 在本發明的裝置結構内，量子井層的主動層由第一導電 類型層和第二導電類型層夾住，其中主動層、第一導電類 型層和第二導電類型層由氮化物半導體所製成。尤其是， 如圖2A内所示，該裝置具有第一導電類型層11、主動層12 和第二導電類型層13堆疊在基板21上的結構，其中主動層 製作成具有至少障壁層和井層的量子井結構。第一導電類 型層與第二導電類型層之間製作成量子井結構的主動 -45- 200303105

(41) 層，如圖3A的堆疊結構内所示，具有位於第一導電類型層 1 1侧上的第一障壁層2 a、第二導電類型層1 3侧上的第二障 壁層2b，以及至少夾在第一障壁層2a和第二障壁層2b之間 的一井層1。尤其是，第一障壁層2 a和第二障壁層2b較好 是分別位於第一導電類型層和第二導電類型層側上的障 壁層，並且位於主動層内最外面的位置。這表示位於内部 的内部障壁層2c、2d擁有與第一障壁層2a和第二障壁層2b 不同的功能，如圖5A和5B内所示。 0 本發明具有-下列特色，在具有上述障壁層的主動層内， 第二障壁層2b·具有低於第一障壁層2a的帶隙能量。尤其 是，如圖3A、3B、5A和5B内所示，因為第二障壁層2b具 有低於第一障壁層2a的帶隙能量，來自第二導電類型層13 的載子之注入路徑5 1遇到比傳統裝置路徑5 2所遇到還要 低的障壁，如圖式内的箭頭所示，如此可讓載子有效注入 井層la。第二導電類型層13側上的載子會由第一導電類型 層1 1側上具有高帶隙能量的第一障壁層2 a束缚在井層1 a φ 内。較好是第一導電類型層11為η型層並且第二導電類型 層1 3為ρ型層，而這會導致在價帶側上形成比導帶側還要 高的障壁，如圖3 A、3Β、5Α和5Β内所示，如此即使在像 · 是障壁層這種薄膜内還是可達成充分的注入和電洞束 缚’以及系統内較低的障壁可讓氮化物半導體内電洞有比 電子短的擴散路徑。再者，在η型層側1 1和ρ型層側1 3的裝 置結構中’傾向在氮化物半導體裝置内的主動層與ρ型層 13間之介面附近形成ρ_η接合，如圖3 a、3Β、5Α和5Β内所- -46- 200303105 (42) 示，因此第二障壁層2b較高的帶隙能量傾向於讓障壁電洞 注入的障礙較高。 當考慮到其主動層提供於η型層侧11和p型層側13之間 的裝置結構内電子之束縛，利用提供載子束縛層28來束缚 Ρ型層13内主動層附近的電子，如此可在載子束缚層以附 近形成上述Ρ_η接合，如圖3Α、3Β、5Α和5Β内所示，形成 較好用於接合旅適合用於束缚電子的障壁，如上述的障辟 層。更好的是，形成與第二障壁層2b接觸的載子束缚層 28，提供當成-主動層27内第二導電類型層13側上的最外 層，如圖3 A内所示，在此案例中一結構用於充分束缚來自 第一導電類梨層1 1侧的載子，而難以用具有低障壁的第二 障壁層來束缚。 在此將運用本發明的一個具體實施例與第一具體實施 例結合。尤其是，在第一導電類型層丨丨側上提供帶隙能量 低於第一障壁層2a的第一半導體層26，如圖3A、π、5A 和5B内所示，並且在第二導電類型層丨3側上也提供帶隙能 量低於第一障壁層2a的第二半導體層29。當在第二導電類 型層上提供第二半導體層29,較好是透過載子束缚層28提 供遠離主動層的第二半導體層29，換言之就是在第二半導 體層29與主動層12之間提供載子束缚層。 S在爽住主動層12的第—導電類型層u和第二導電類 型層13上提供氮化物半導體層（具有低於主動層12的帶隙 能量，尤其是主動層12内具有最高帶隙能量的第一障壁層 2a)，如此可改善以短波長運作的發光裝置之特性。這是 -47- 200303105 (43) 因為，在以短波長運作的傳統氮化物半導體發光裝置内， 如上面圖4A和4B内所述，在此必須提供帶隙能量高於主動 層的層，換言之就是具有較高A1混合結晶率的層，其會因 為熱膨脹係數或這類差異的效果造成結晶度惡化。根據本 發明，與傳統裝置不像的是，利用提供帶隙能量低於在夾 住主動層12的第一導電類型層11和第二導電類型層13上 主動層的層，以形成具有良好結晶度的裝置。另外如範例 内所示，在利用依照順序形成第一導電類型層1 1、主動層 1 2和第二導電類型層1 3所製造的裝置内，利用抑制主動層 1 2下第一導電類型層1 1内的A1混合結晶率就可形成具有 良好結晶度的主動層。另外利用提供A1混合結晶率低於主 動層12的層，尤其是夾住主動層的第一導電類型層、第二 導電類型層上的第一障壁層2 a，如此可利用包含A1的氮化 物半導體減輕套用至主動層上的強大應力，並且形成具有 強大能力可驅動裝置的主動層。 現在將利用短波長應用的具體實施例來詳細說明用於 本發明裝置内的層。 (雷射裝置，波導結構） 本發明的具體實施例為雷射裝置，具有這種氮化物半導 體結構的末端發光裝置，其具有夾在第一導電類型層與第 二導電類型層之間的主動層。尤其是，如圖2A内所示，第 一導電類型層11、主動層12和第二導電類型層13堆疊在基 板上，並且至少在第一導電類型層11内提供第一光導層26 並且在第二導電類型層13内提供第二光導層29，如此用第 -48 - 200303105 (44) 一和第二光導層26、29夾住主動層，而從第一和第二光導 層以及其間提供的主動層形成波導。再者，在第一導電類 型層11具有下被覆層25並且第二導電類型層13具有上被 覆層30的案例中，包含主動層並且由上下被覆層25、30夾 住的區域會變成波導。當在由上下被覆層2 5、3 0夾住的波 導内提供光導層，臨界電流密度會降低並且獲得具有高輸 出功率的雷射裝置。下面將說明這種裝置結構，其在以短 波長運作的波導（以寬帶隙設定具有井層帶隙能量大約等 於或高於GaN的能量）内提供光導層。 在本發明的第一具體實施例内，如圖2 A内所示，將提供 主動層12、第一導電類型層11内提供的第一光導層26以及 第二導電類型層13内提供第二光導層29當成波導，如此運 用上述以380 nm或更短波長運作的主動層來提供具有這 種結構當成波導的裝置。 該波導主要用於導引來自主動層的光線。雷射裝置、末 端發光裝置的發光效率、臨界電流密度以及其他特性都取 決於波導結構。當形成光導層並如上述***主動層，則足 以分別至少在第一導電類型層、第二導電類型層之一上提 供光導層，換言之就是提供第一光導層或第二光導層。不 過較好是在主動層兩邊上都提供光導層，如此臨界電流密 度會降低並且獲得具有高輸出功率的雷射裝置。 對於根據本發明的第一光導層26和第二光導層29而 言，將使用包含A1的氮化物半導體。另外如圖3B、5 A和5 B 内指示的頻帶結構4 1，利用將帶隙能量設定高於量子井結 -49- 200303105 (45) 構的主動層27内井層1之能量，並且在主動層27與光導層 26、29之間製造出折射係數差異。光導層26、29的帶隙能 量可低於障壁層内的能量，如圖3B、5A和5B内所示，或 可提供大於障壁層的層當成部分光導層，如圖4 A和4B内所 示。在此案例中，除了第一障壁層以外的光導層，或至少 部分光導層，可擁有高於障壁層的帶隙能量，或光導層的 帶隙能量可高於内部障壁層、第二障壁層的能量，換言之 就是主動層内提供的部分障壁層，如圖5 B内所示。也就 是，較好是光導層具有第一半導體層（其帶隙能量低於第 一障壁層的能量），更好是所有光導層都具有低於包含第 一半導體層的光導層内第一障壁層，或具有第一半導體層 以外其他層的多薄膜光導層内之帶隙能量，這樣可充分達 成第一障壁層當成載子束缚層的功能。當形成具有低A1 混合結晶率的光導層，如此可藉此形成下光導層，例如利 用抑制包含A1的氮化物半導體造成之結晶度惡化，而形成 由良好井層製成具有良好特性的發光裝置、雷射裝置。在 此時，更好是將光導層部分或較好是整個帶隙能量製作成 低於内部障壁層的能量，更好是低於第一障壁層的能量造 出更優秀的裝置。也就是，在上述以短波長運作的系統 内，光導層（由包含A1的氮化物半導體所製成）的部分或較 好是整個帶隙能量低於内部障壁層的能量，更好是低於第 二障壁層的能量。另外，這種構造也可用來當成所提供的 第一半導體層，類似於在第一導電類型層11内提供光導 層，當在第二導電類型層13内提供光導層，則也可提供帶 -50- 200303105

(46) 隙能量低於第二障壁層的第二半導體層，而其效果類似於 第一半導體層的效果。更進一步，當在上光導層内提供第 二半導體層，則特別由半導體InaAlpGa! _α_ρΝ (0 < α，0 < β，α+β<1)内的成分製作出光導層。較好是氮化物半導 體層不包含In，換言之氮化物半導體内In的比例設定為 零，如此可避免In存在時發生吸收光線的現象，藉此形成 光耗損壓制到非常低的波導。較好是使用AlpGa^N (0 <β < 1)，這讓波導可適用於範圍從紫外線到紅外線頻譜的廣 費波長區域内_。為了導引短波長不超過3 8 0 nm的光線，尤 其是較好使用AlpGabpN (0<β<1)。這是因為GaN會吸收 上述短波長區域内的光線，如使導致光耗損而對臨界電流 密度和電流光輸出特性有負面影響。尤其是光導層内A1 的比例β較好設定成讓光導層的帶隙能量Eg為比發自主動 層的光線之光能量Ep高出0·05 eV或以上（Eg-Ep > 0.05 eV)。這會製造出將導層所造成的光耗損抑制在上述短波 長區域内之波導。更好是，將能量間隙設定Eg-Ep > 0.1 eV，這樣可獲得優異的波導。如此藉由符合上述條件就可 形成可擁有優異裝置特性的波導，並且形成帶隙能量低於 第一障壁層的光導層。 在單一薄膜或多層薄膜内可形成第一光導層26與第二 光導層29之一或兩者。當形成製作於氮化物半導體單一薄 膜内的光導層，則將形成由第一光導層26與第二光導層29 夾住主動層27的堆疊結構40，如圖3A内所示，而由此製成 的頻帶結構之帶隙能量會變成高於主動層的能量。尤其是 200303105 (47) 使用上述AlpGabpNCOsP^l)。在上述 使用AlpGabpNCOsp^l)，更好是第一 層内A1的比例β將受到控制，如此第一 層的帶隙能量Eg會設定高於光能量 (Eg-Ep 乙 0.05 eV，較好是 Eg- Ep 乙 0 .1 在此對於第一光導層26和第二光導 制，尤其是厚度的範圍從10 nm至5 μηι 1 μιη，更好是從50nm至300 nm。當該 則當成導層，並且當厚度為20 nm或更 低臨界電流密度的波導，並且當該層J 進一步降低臨界電流密度。當該層為5 導層，並且當厚度為Ιμπι或更薄，如此 的波導，並且當該層為300 nm或更薄， 損。 光導層可從多層薄膜内的氮化物半導 上述較好使用不包含In的氮化物半導 AlpGa^.pN (0 β ，並且在上述短波 用AlpGa^pN (0 < β < 1)。在此將使用氮 會在每個光導層内製作其中形成不同 體之多層薄膜。尤其是，在第一光導層 及和第一層不同的第二層，而在第二光 層以及和第三層不同的第四層。第一到 半導體所製成。如此利用每個波導内第 以及第三層與第四層之間的Α1比例差| .短波長區域内，將 光導層與第二光導 光導層和第二光導 Ερ 0.05 eV或以上 eV)。 層29的厚度並無限 ，較好是從20 nm至 層為1 0 nm或更厚， 厚，如此可形成降 & 5 0 nm或更厚，會 μηι或更薄，則當成 可形成降低光耗損 會進一步降低光耗 ，體所形成，在此如 體。再者，將使用 .長區域内，較好使 t化物半導體，如此 成份的氮化物半導 26内使用第一層以 ，導層29内使用第三 第四層都由氮化物 一層與第二層之間 I，來形成具有不同 -52- 200303105 (48) 帶隙能量和折射係數值的多層薄膜結構。 例如，在堆疊第一導電類型層、主動層和第二導電類型 層的結構内，形成這種結構讓第一光導層具有第一層和第 二層並且第二光導層具有第三層和第四層，其中第二層和 第三層位於主動層側邊上並且第一層和第四層則位於遠 離主動層的位置上，如此帶隙能量會朝向主動層階梯狀遞 減。尤其是，位於主動層側上第二層和第三層内A1的比例 β2和β3會低於位於遠離主動層的位置上第一層和第四層 内Α1的比例βΐ和β4( βΐ > β2，β4 > β3)，導致可將載子有 效注入波導内所形成主動層的階梯狀結構，其中主動層和 其附近具有較高的折射係數，藉此形成光更均勻分布在波 導内主動層的結構。在多層結構内製作光導層的原因是較 高的Α1率傾向不佳的結晶度，並且因為結晶度獲裝置特性 的惡化造成單一薄膜内難以形成光導層，所以利用形成多 層薄膜可抑制結晶度惡化。這種構造也可當成Α1的比例設 定為β1<β2和β4<β3，而不是上述的β1>β2和β4>β3, 如此靠近主動層的導層（第二層和第三層）具有較高的帶隙 能量以及較低折射係數，而遠離主動層的導層（第一層和 第四層）則具有較低的帶隙能量以及較高的折射係數。不 過，較好設定為βΐ > β2和β4 > β3，以便達成較佳的載子 注入和光線分布。當在多層結構内形成光導層，每個光導 層業可由三或以上個層而非上述第一到第四層所構成，在 此方式中將個別堆疊第一層（第三層）和第二層（第四層）， 換言之就是堆疊複數對第一層和第二層來構成導層。當在 •53- 200303105

(49) 多層結構内形成光導層，整個光導層的主成分將用於不等 式Eg-Ep > 0.05 eV的計算中。例如，當地一光導層由第一 層所形成，其中第一層由厚度為d^AlpiGa^piNCOsplS 1)以及厚度為 d2 的 AlyGabpN (0 < β2 S1，βΐ # β2)所製 成，而A1的平均比例β m則由平均每層的厚度比例而得，換 言之 βιη = (di X βΐ + d2 X 02)/((^ + d2)。 本發明的光導層可形成於具有等級成分的GRIN(等級係 數）結構内，如此帶隙能量會隨與主動層的距離減少而下 降。尤其是，在帶隙能量隨著與主動層距離的減少A 1的比 例β而下降時，利用逐漸改變A1的比例β可形成GRIN結構 並改善載子注入效率。如圖8A所示利用連續改變成分或階 梯狀改變成分，可實現分等級的成分。另外如超晶格多層 薄膜結構内，就像上述其中交互堆疊複數對第一層和第二 層而構成第一光導層的結構，利用控制A1的比率使其在分 級分布中改變，讓帶隙能量隨著與主動層的距離縮短而降 低。在此案例中，只有一層（例如第一層）可形成於分級成 分中，或構成對的所有層（例如第一層和第二層）可形成於 分級成分中。在光導層厚度方向中可部分提供分級成分， 而較好是在整個區域的厚度方向中提供分級成分，來改善 載子注入的效率。 多層薄膜構造的光導層也可具有超晶格結構。運用超晶 格結構讓它可抑制ϋΓ為包含A1的氮化物半導體所造成之 結晶度惡化，並且形成具有良好結晶度的波導。尤其是， 第一光導層26由交互堆疊第一層和第二層而形成》—層堆 -54- 200303105

(50) 疊兩次或以上，較好是兩層都堆疊兩次或以上，或者一對 第一層和第二層堆疊複數次。當每層的氮化物半導體成分 都與上述一樣時，較好是第一層和第二層分別由 AlpiGai.piN (0 Spl Si)和 Alp2Gai_p2N (0 £_β2 Si，βΐ 矣 02)製成，或分別由人1(31〇&1_(311^(〇5_01公1)和八1(32〇&1-(3一 (0<β2<1，βΐ々β2)製成，對於上述短波長區域而言， 可形成一種能夠抑制因為超晶格結構造成的光耗損和結 晶度惡化之波導。為了在超晶格結構内形成光導層，構成 多層薄膜的每層都設定成可形成超晶格的厚度。當厚度取 決於層的成分和組合，將運用1 0 nm或以下的厚度，較好 是7.5 nm或以下確定有良好的結晶度，並且更好是5 nm或 以下的厚度來達到更佳結晶度。 本發明的光導層在至少部分層内較好摻雜每種導電類 型的雜質，以便達成滿意的載子移動和注入。光導層可部 份或全部摻雜。在多層結構的光導層内，在具有第一層和 第二層的光導層内，第一和第二層都可摻雜，或第一層和 第二層摻雜不同的濃度，或可運用調變摻雜讓一層有摻雜 而另一層則未摻雜。在第一層和第二層交互堆疊在上述第 一光導層内的超晶格多層結構内，或例如提供複數對時， 利用調節摻雜讓只有一層（例如第一層）摻雜時可抑制結晶 度的惡化。更好是只摻雜具有較低A1含量的層，這樣可摻 雜結晶度良好的層，籍此抑制結晶度惡化並且利用摻雜雜 質達成活化。這是因為在具有超晶格結構（包含分別具有 AlpiGai-piN (0 β 1 1)和 Alp2Gai_p2N (0 < β2 ^ 1 ’ β 1 < -55- 200303105 (si) β2)成分的第一層和第二層）的第一光導層内，利用摻雜低 Α1含量的第二層並且讓第一層未摻雜，則具有低Α1含量的 第二層之結晶度就可優於第一層，因此利用雜質摻雜具有 更佳結晶度的層可達成較高活性，並且讓光導層具有優異 的載子移動與注入能力。 根據本發明利用雜質摻雜的光導層，如圖8Α至8D内改變 摻雜濃度所示，在第一和第二光導層2 6、2 9内，其摻雜雜 質的濃度會隨著與主動層的距離縮短而遞減。當主動層附 近區域内摻雜雜-質的濃度製作低於遠離主動層區域内的 濃度，波導内的光耗損可進一步減少，尤其是在光導層 内，藉此充分導引光線而降低臨界電流密度和驅動電流。 這是因為光傳播過摻雜雜質的區域會因為雜質吸收光線 而導致光耗損。此外，波導具有一種主動層27由第一光導 層26與第二光導層29夾住的結構，而光線利用導層或波導 外面由上下被覆層25、30(折射係數低於導層）夾住這種結 構束缚在波導内。大部分光線都分布在波導内提供的主動 層27内以及主動層附近。因此，利用將摻雜雜質濃度設定 低於主動層附近區域的濃度，換言之利用在主動層内提供 低雜質濃度區域以及在主動層外面（遠離主動層的區域）提 供高雜質濃度區域，則會降低分布大部分光線的區域内之 光耗損，如此讓波導有較少的光耗損。尤其是，在第一光 導層26與第二光導層29内，考慮主動層附近的區域以及遠 離主動層的區域，由通過每層厚度一半的平面所區分，並 且設定主動層附近區域内導電類型雜質濃度低於遠離主 -56- 200303105

(52) 動層的區域之濃度，如此主動層附近區域就會變成低雜質 濃度區域並且遠離主動層的區域會變成高雜質濃度區 域。在此對於光導層内雜質濃度並無特別限制，可將主動 層附近區域内的濃度設定為5 χ 1〇i7/cm3或以下。在此摻雜 雜質表示第一光導層摻雜第一導電類型雜質，並且第二光 導層摻雜第二導電類型雜質。 改變光導層内摻雜濃度的模式可為朝向每個光導層内 主動層逐漸並連續降低摻雜濃度（標示為42a)、階梯狀降低 摻雜濃度（標示-為42b)或減少階梯數來降低摻雜濃度，如此 光導層内的摻雜濃度會有局部差異（標示為42c)，而這些模 式可組合使用。較好是，在波導層内，將距離主動層50 nm 或以内的區域保留不摻雜（低雜質濃度區域），這樣可降低 光耗損，更好是將距離主動層1〇〇11瓜或以内的區域保留不 摻雜（低雜質濃度區域），這樣可有效降低光耗 wS品界電 流密度以及驅動電流。當未摻雜區域（低雜質 3展度區域）為 距離作用層5 0 nm或以内的區域，則光導層的 · . 一 、 乓度為50 nm 或以上’而當該區域距離主動層lOOnm或以内 .r 門，則光導層 的厚度為1 0 0 nm或以上，隨情況而定。當未摻 /雜區域提供 於光V層内，則會結合上述分級成分的光導屉 a 。這是因為 如圖8 A内所示，帶隙能量隨著與主動層的矩 雊縮短而降 低’而即使當未摻雜區域提供於主動層附近時 、 丁 ’也可獲得 載子注入效率避免降低的光導層。在此時，分 、胃 、、及成分的光 ^層具有上述GRIN結構。然後即使當帶隙能量 夕 化者與上述 夕層結構内主動層的距離縮短而降低，對於形 成為摻雜區 -57- 200303105 (53) 域還是有效。在每個光導層内，即使在成長時未摻雜，換 言之就是光導層成長時未摻雜，雜質還是有可能從相鄰層 擴散出來，在此情況下成長時未摻雜的區域就會摻雜入雜 質。尤其是，較好用來當成P型雜質的Mg具有極高的擴散 傾向，並且可從相鄰電子束缚層和被覆層擴散出來，如此 造成即使在P型光導層在成長時未摻雜還是會摻雜入P型 雜質，如範例1内所示。在因為擴散而發生摻雜的案例中， 主動層附近區域内的雜質濃度會低於遠端區域内的濃 度，如上述。-這種摻雜區域較好提供在至少一個光導層 内，更好是提供在兩光導層内，這樣讓波導承受較低的光 耗損。圖8B至8D内的參考號碼61、62標示出光導層内摻雜 濃度的改變。 第一光導層與第二光導層之間的層構造、摻雜雜質模 式、成分以及厚度可以相同或不同，例如，可用不同構造 形成兩光導層，第一光導層為單薄膜而第二光導層為多層 薄膜。 (被覆層） 在本發明的一個具體實施例内，氮化物半導體裝置具有 第一導電類型層、主動層和第二導電類型層堆疊起來的結 構，其中第一導電類型層具有下被覆層並且第二導電類型 層具有上被覆層。尤其是，如圖2A内所示，第一導電類型 層11、主動層12和第二導電類型層13會堆疊在基板上，而 第一導電類型層内提供下被覆層25並且第二導電類型層 1 3内提供上被覆層3 0，上下被覆層2 5、3 0則夾住主動層。 (54) 200303105 上被覆層30内執行 内提供光導層。底 這種構造也可用來當成下被藉 设層2 5和 的光束縛，並且在由前兩者央 住的波導 下將說明具有被覆層的裝置結構 ^ Α 1所卞 、 被覆層30的成分之帶隙能量高 ’、’下被覆層25和上 、主 彳 jj. « 在雷射裝置、末端發光裝置具 开層）的能量，而 ^、育第一 4 ^ _ 的案例中，帶隙能量會設定等於°弟二光導層2 6、2 9 ;或τ%於$道a 此折射係數會低於光導層的折射係 尤^層的能量，如 被覆層用來當成載子束缚層和 、數。這適用於具有上下 夂束縛層t a 導層時，則用來當成光束縛層。 的。當提供光 ?皮覆層#杯士 ^ 化物半導體所形成”尤其是氮化物 由包含A1的氮 …。…"…。較好是使:::二 化物半導體，因為包含In的氮化物半 列為令的釓 層内吸收光線導致光耗損。因此，較/、°於因為被覆

“ / U 便用具有AlbGauN (〇 < b < 1)成分的氮化物半導體，如 J建成充分的光束 縛，並且當未提供導層時’達成充分的载子束缚。在雷射 裝置、末端發光裝置具有波導由上下被 、、 r饭復層夾住的結構 内並且受其導引。較好藉由使用AlbGai bN (〇 <匕幺1)來提 供這種折射係數差異，並且利用光導層内ai含量（平均比 例）β滿足關係6 < b’較好是滿足b_p > 0 05來獲得充分的 折射係數差異。因為利用被覆層進行的光束缚^取決於被 覆廣的厚度’戶斤以在決定氮化物半導體的成分時也只要考 中，在波導與被覆層間之折射係數提供有充分的差異，尤 其是主動層與/或光導層之間，如此光線才會束缚在波導 -59- 200303105

(55) 慮到厚度。在本發明的範例中，因為被覆層内的A1混合結 晶率（平均成分）低於第一障壁層的結晶率，如圖2B内所 示，所以可提供來自光導層用於光束缚極大的折射係數差 異，並且可形成具有足夠厚度的被覆層。也就是，利用形 成折射係數與光導層（具有比主動層，尤其是第一障壁層 低的帶隙能量）折射係數有所要差異的被覆層，如此可降 低被覆層内的A1混合結晶率。再者於範例中，因為形成結 晶率低於第二障壁層的光導層，而儘可能壓低被覆層内的 A1混合結晶率2如此可獲得以短波長運作並且具有優異裝 置特性的氮化物半導體。 本發明的被覆層可如上述光導層，形成於單一薄膜、多 層薄膜或多層超晶格結構内。當被覆層形成於單一薄膜 内，相較於形成於多層薄膜的案例，由上述氮化物半導體 形成單一薄膜讓它可輕易設計載子束缚結構並減少成長 被覆層所需的時間。在另一方面’難以成長像是AlGaN這 種包含A1並具有良好結晶度的氮化物半導體，並且當薄膜 成長超過特定厚度時就非常有可能發生破裂。 當被覆層形成於多層薄膜内，將堆疊複數個不同成分的 氮化物半導體層。尤其是，可堆疊複數個不同A1含量比例 的氮化物半導體層。利用形成這種多層薄膜，就可抑制困 擾單一薄膜案例的結晶度惡化和發生破裂情況。尤其是利 用堆疊第一層和成分不同於第一層的第二層所形成之多 層薄膜，藉此形成複數個折射係數與帶隙能量值不同的 層。例如，可利用堆疊具有A1含量比例b 1的第一層和具有 -60- 200303105 (56) A1含量比例b2的第二層（bl矣b2)。在此時， 設定為b 1 < b 2 (0 < b 1，b 2 < 1)，則利用具 第一層可達成高折射係數和高帶隙能量，並 A1含量的第二層抑制因為形成第一層時造 化情況。另外也可堆疊更多具有不同成分的 第一層和第二層後可堆疊成分與第二層不同 一層和第二層也可交互堆疊。在此也可形成 一層和第二層。因為這種多層結構可抑制包 半導體所造成的結晶度惡化，並且可增加厚 其達成光束缚所需的薄膜厚度。 在多層結構的被覆層内，較好是形成於超 它可形成具有較佳結晶度的被覆層。至少在 形成超晶格結構，並且較好是在整個被覆層 成具有優良結晶度的被覆層。在此時，類似 例，利用堆疊至少複數對第一層和第二層， 數對第一層和第二層來形成超晶格結構。當 構的每層厚度取決於層的成分和組合，將運 下的厚度，較好是7.5 nm或以下確定有良好 且更好是5 nm或以下的厚度來達到更佳結晶 被覆層較好摻雜每種導電類型的雜質，類 並且可部份或整個摻雜。在多層結構的案例 導層，第一層和第二）f都可換雜，或第一層 雜不同的濃度，或可運用調變摻雜讓一層有 則未摻雜。例如，在包含第一層和第二

當A1含量比例 有高A1含量的 且利用具有低 成的結晶度惡 層，像是堆疊 的第三層。第 至少複數對第 含A1的氮化物 度，所以可讓 晶格結構内讓 部分被覆層内 内，如此可形 於光導層的案 或堆疊至少複 構成超晶格結 :用1 0 n m或以 的結晶度，並 度。 似於光導層， 中，類似於光 和第二層可摻 摻雜而另一層 層（分別具有 -61- 200303105

(57) AUiGamNCOSblSieaAlHGahwNCOsbZs^blcb]) 的成分）的超晶格結構内，利用摻雜具有低A1含量的第二 層並且保留第一層未摻雜，如此可類似於光導層來改善結 晶度。 在此對於被覆層的厚度並無限制，將厚度範圍可從1 0 nm至2 μιη，較好是從50 nm至1 μιη。這是因為當厚度為10 nm或以上時可達成載子的束缚，而將厚度設定在2 μιη内則 可抑制結晶度惡化。另外當厚度為5 0 nm或以上時就可達 成雷射裝置和末端發光裝置的載子束缚與應用，並且利用 將厚度設定在l· μπι内的形成具有良好結晶度的被覆層。 上被覆層和下被覆層較好由包含Α1並且以短波長運作 的氮化物半導體所製成，如此可確定波導和被覆層之間較 大的折射係數差異。較好是形成被覆層的氮化物半導體不 包含In，因為包含In的氮化物半導體會降低結晶度。在主 動層上具有ρ側被覆層的結構内，尤其是在ρ側被覆層内使 用包含In的氮化物半導體引起結晶度顯著惡化，而導致裝 置特性顯著惡化。用於被覆層的氮化物半導體較好是 AUGauN (0 < b < 1)。 (載子束缚層<p側電子束缚層〉） 根據本發明，如圖3 A、5 A和5 B的頻帶結構4 1所示，較 好在主動層27内或附近，再與主動層内第一和第二障壁層 的不對稱結構組合中~提供載子束缚層2 8。在具有光導層 26、29與被覆層25、30的結構案例中，如同在雷射裝置與 末端發光裝置的案例中，較好在光導層26、29與主動層27 -62- (58) 200303105

之間提供載子束缚I，或成為光導層的部分主動層，如圖 2A: 3A、5A和56内所示。載子束缚層將載子束缚在主動 層或井層内，並且利用增加溫度、 令 反利用裝置驅動以及增加 南輸出功率的雷射裝置或發光裝 、、土 兀衣罝内電流密度，避免載子 溢流出主動層。如此可獲得將載 .σ 丁竹戰于庄入主動層的結構，尤 八疋如圖3 A、5 Α和5 Β内所示，由朽 田位於第二導電類型層側 的載子束縛層28b束缚來自第一 ^ ^電類型層的載子，並且 由位於第一導電類型層側 秋卞釆縳層28a束缚來自第二 V電類型層的截·子。載子束縛 ^ π曰平乂好提供至少一側，在如 範例1内所示第一導電類型層芻 9 ^作成η型並且第二導電類 型層設定為ρ型的裝置内，載子炭 ^ y , 執于束、、專層較好提供於至少p型 層侧。這是因為氮化物半導體内電 电于的擴散長度長於電洞 的擴政長度，電子更會溢流出 動層，因此利用提供可將 電千束縛在P型層側的載子束 ..^ ^ 層8，就可獲得高輸出功 率的缉射裝置或發光裝置。此刻 在下列乾例中將說明結合 具有低帶隙能量的第二障壁層梦 辟私士 , 裒置，其中提供載子束缚 滑#成Ρ型層側上的ρ側電子東 束4層，而利用改變導電類型 也叮適用於η型層。尤其是較好 平又野知供至少Ρ側電子東缚層。 這是因為電子的擴散長度長於電 擴散長度，並且電子 很有可能溢流出主動層。 Ρ側電子束缚層由包含Α1的氮化物 .A1 p - 虱化物+導體所製成，尤其 疋 AleGu (0 < c < υ。在此時， 古於主叙a ^ y頁確疋f隙能量充分 冋於主動層的能量（此處的偏 0 Al^ . A 〇 以便載子束缚層能夠運 作。Α1含量的比例c設定在〇1 < 〜C < 1犯圍内，較 -63- (59) 200303105

層無； (可束 成長、 有良: 栽子— 載子 化物 體骏 •辱區動 缚層 置，. 能量 缚層 本 nm内 半導 混合 會導 為4〇 為2 〇 的厚 充分 的多 的範圍内。這是因為當C為〇1或以下時電子 去70王運作’而當〇為〇·2或以上時就可完全束縛電專 縛載子）亚且可限制载子溢流。當C為〇 · 5或以下，^ 结晶而抑制破裂發生，當c為〇·35或以下，就可成長： 好結晶度的結晶。當結構具有上述光導層，較好： 東縛層具有等於或高於被覆層的帶隙 = 束、、專茜要有比束缚光線的被覆層更高混合比例的氮 半‘體Ρ側電子束縛層可用於本發明的氮化物半導 置内，尤其是其中需要大量載子注入主動層以大電流 的裝置内’像是雷射裝置，其可比未提供ρ側電子束 的案例更有效束缚載子，藉此不僅可以應用在雷射裝 也可用於高輪出功率的LED。在此時，藉由提供帶隙 高於主動層不對稱結構内第一障壁層能量的載子束 ’可達成優異的骏置特性。 發明的載子束縛層厚度設定在100 nm内，較好是在4〇 。這是因為包含A1的氮化物半導體具有比其他氮化物 體（未包含A1)叆i^ _ > 二 ,t )遏要同的阻抗，而p側電子束缚層内幻 °曰曰率曰★上述設定為高值’因此厚度超過100 nm 致相當高的阻抗而造成轉送電壓著増加 nm或以下，將可抑制 又 ⑽或以下，可進…曰並且更好是當厚度 度下限設定〜：抑制_增加。p側電子束缚層 上，較好是5…上如此可 采缚電子。載子束缚層 層薄膜内。 ^成於早-薄膜或不同成份 -64 - (60) 200303105 在本發明的氮化物半導辦姑b 供光導層，若頻帶偏移足二產置内’當只提供被覆廣未提 子’就不需要提供遠離被覆==和被覆層之間的載 層遠離主動展4 覆層的載子束缚層，但是在被覆 之動層如同在且右 動層和被f > β H t ν層的結構案例中，較好在主 欺復層之間提供# 近。這是因為，舍土 束縛層，並且較好在主動層附 β . .、 田 遠離主動層的位置上提供都；击練 層，抑制載子溢流的效果就會喪失，载子束缚 侧電子束縛層(載子束缚層)之間：二其，，主動層與ρ 下，可啟動有效的载子束 叹疋為100 nm或以 二、 米4功能，並且更好县却* — # 或以下，可啟動更佳 更子疋叹疋為500入 、载子束缚功能。當截；击 主動層外面，較好是 束、缚層位於 有效率的載子束缚。备 隹動層内啟動最 麻册 田乂此方式在主動層内提供翁2 層，帶隙能量會高於主動 仏栽子束缚

^ ^ ^ 動層内障壁層的能量，較妞H P早壁層，更好是帶隙能 子疋第一 旦嫿士1 回於主動層内提供的障壁屉+ 里，讓主動層之外的載子 均之能 結構。 動層的對稱 根據本發明的P側雷；未 J 電子束縛層（載子束縛層 摻雜或摻雜p型雜質Γ各綠道& ;取長4可不 午算貝（母種導電類型的雜質），並且 雜指定導電類型的雜質， Λ子是摻 低Vf，ρ側電子束缚層將 刀亚且降 θk雜P型雜質。在雷射孽 電流驅動的高功率LED垒也丨+ 、夏或用大 手刷案例内，較好是 移動能力。將摻雜濃度控制為SxWW或更/ ;改善 5 X 1018/cm3或更高。在以μ、+， 較好是 上逑大電流驅動的裂置肉 度控制為i X 1〇，cm3或較好是i x i〇19/c ，將遭 尺N。P型雜 -65- (61) 200303105 質的濃度上限並未賴& &

内木勺入、,， 所以可將濃度維持WxWW 内。s包含過多p型雜質，體 @。兔τ # & + Μ 、 抗a乓加導致較高的vf 值為了避免此問題，將運用可確 級的最低可能P型雜質濃 而栽子移動能力等 東❹，並且以此也可形成未摻雜的載子 a 層擴政出來的雜質摻雜該層。 根據本發明，p側載子查镀 Μ暂士…店 摻雜位於主動層之外的P型 雜質’尤其疋使用Ρ型&相| μ 〜士 “ e 的’如此當供應電壓時會在 位於主動層附近的載子克罐

卞采、、4層附近形成p-n接合，如圖3B 和5B内所示。這樣可有效利 、 j用具有小偏移的障壁層將載子 注入井層’而不用提供阻礙載 呢戰于從p型層側注入的偏移。 [範例1 ] 示雷射裝置結構的氮化物半 底下將說明由具有圖1内所 導體製成之雷射裝置當成範例。 (基板101) 對於基板而言，在以不同材質製成的基板上成長厚的氮 化物半導體（此範例中為GaN)薄膜（100 μη1)。在移除不同 材質的基板後’將使用由GaN製成厚度80 μιη的氮化物半 導體基板。形成基板的詳細過程如下。由青玉製成並且主 平面位於直桎2英吋C平面内的不同材質基板會設定在 MOVPE反應容器内，反應溫度設定為5〇(rc，並且利用三 甲鎵（TMG)和氨（NH3)形成厚度2〇〇 A並由GaN製成的缓衝 層。當溫度上，將成_長厚度1·5 μιη的未摻雜GaN薄膜當成 基層。然後用複數個形成於基層表面上的條狀遮罩，然後 透過遮罩的孔洞（視窗）選擇性成長氮化物半導體（本範例 -66- (62) 200303105

内為GaN)。利用牵涉到橫向成長（£乙〇(})的成長處理所形 成之氮化物半導體會進一步成長至更厚的厚度。然後移除 不同材質的基板、緩衝層以及基層而獲得氮化物半導體基 板。在此時，由Si〇2製成用於選擇成長的遮罩具有pm 的遮罩厚度、20 μιη的遮罩寬度以及8 μηχ的孔洞（開口）寬 度’具有GaN (1-100)方向的配置。 (緩衝層102) 在GaN基板上，以^501的溫度利用TMg(三曱鎵）、 TMA(三曱鋁）和氨形成由A1〇 〇5Ga〇 “Μ製成厚度為4 的 缓衝層102。此:層.用來當成A1GaN製成的n侧接觸層與 製成的氮化物半導體基板間之緩衝層，然後在氮化物半導 體製成的基層上形成構成裝置結構的層。 (N側接觸層1 〇3) 在此將利用TMG、TMA和以及用來當成雜質氣體的 石夕曱炫氣體’在缓衝層1G2(如上述所形成）上將以以㈣ 的溫度形成厚度5㈣、由A1。。而。”N製成並且摻雜以的^ 側接觸層103。 (避免破裂層104) 然後利用TMG、 來當成雜質氣 TMI(三甲銦）和氨以及用 體的矽甲烷氣體，以800。(：的溫度形成厚度〇1 5 、由

InO.G6Ga〇.94N製成的避免破裂層1〇4。 (N側被覆層105 :下被覆層25) 然後將開始溫度設定為l，〇5〇t，利用TMA、TMG和氨當 成堆疊材料氣體來將由未摻雜AU.〇5Ga〇mN製成的層 67- (63) (63)200303105

長至厚度25A’停止雜質氣體供應並且形成厚度25人並且 由未換雜AlG.lGaG以製成的層b。此操作會重複ι〇〇次來堆 $層A和層B ’藉此形成厚度0.5 μπι並且製作在多層薄膜 (超晶格結構）内的η側被覆層1〇6。在此時，當未摻雜的 AlGaN之Α1比率位於〇 〇5至〇 3的範圍内，如此可提供足夠 讓被覆層產生作用的折射係數差異。在此時，η側被覆層 2 5内Α1的平均混合率為〇 · 7 5，這低於第一障壁層2 a的混合 率’而高於第二障壁層21)與光導層26的混合率，如圖2B内 所示。類似地_，_n側被覆層25的帶隙能量低於第一障壁層 2a的能量’而高於第二障壁層2b與光導層26的能量。在η 側被覆層25與第一_障壁層2&内η型雜質的濃度高於光導層 内的濃度。 (Ν側光導層1〇6 :下光導層26) 然後在類似的溫度上，利用ΤΜΑ、TMG和氨當成堆疊材 料氣體，將由未摻雜A1g G5GaG 95ν製成的光導層106形成 〇·1 5 μιη的厚度。此層也可摻雜η型雜質。此層變成本發明 内的第一半導體層。本範例内的η側光導層、主動層、載 子束缚層和ρ側光導層分別對應至圖3 Α内所示的下光導層 (第一半導體層）26、主動層27、載子束缚層28以及上光導 層（第二半導體層）29。 (主動層 1 07(27，12)) 然後在類似的溫度-上，利用TMA、TMG和氨當成堆疊材 料氣體並且矽甲烷氣體當成雜質氣體，將由未摻雜 A1〇.〇5Ga〇.95N製成並且具有矽濃度5 X 1018/cm3的障壁層 -68- 200303105

(64) (第一障壁層2a)形成100 A的厚度。然後停止供應tmA和矽 曱烧氣體’並且形成由GaN製成厚度ιοοΑ的井層ia(w)， 然後使用厚度150 A未摻雜的Al 0 0 5 Ga0.95N以（B)/(W)/(B) 之順序堆疊層，來當成最後障壁層（第二障壁層2b)。利用 以（B)/(W)/(B)的形式重複堆疊障壁層（B)和井層（w)，就可 製作成多量子井結構（MQW)的主動層1〇7。井層ia具有低 於第一障壁層2a的η型雜質濃度，而第二障壁層2b具有低 於第一障壁層2 a的η型雜質濃度，以及較高的帶隙能量、 較南的A1混合結晶率以及較厚的厚度。 (P侧電子束缚層108 :载子束缚層28) 然後在類似的溫度上，利用TMA、TMG和氨當成堆疊材 料氣體並且CpaMg(環戊二烯基鎂）當成雜質氣體，將由摻 雜濃度1 X 1019/cm3的Mg之aig 3GaG 7N製成的p側電子束縛 層108形成ΙΟΟΑ的厚度。此層有可能不提供，不過若有提 供則可當成電子束缚層並且幫助降低臨界值。 (P側光導層109 :上光導層29) 然後利用將溫度設定在1，〇5〇°c，利用TMG和氨當成堆疊 材料氣體，將由未摻雜的AU.wGao.^N製成之P側光導層 109形成0·15 μιη的厚度。雖然p側光導層1〇9成長時未摻 雜，不過由於相鄰層，像是Ρ側電子束覆層i 〇 8和ρ側被覆 層110擴散出來的Mg，讓其中的Mg濃度達到5 X l〇16/cm3 而成為P型。此層也以内部摻雜方式成長，此層製作成第 二半導體層。 (P側被覆層110 :上被覆層30) -69- (65) (65)200303105 然後停止供應TMA並且使用Cp2M 度25 A並且用摻雜Mg的字以/，㈣C形成厚 止供應CpWg並形成厚度25 A並用未衣成之層然後分 成之声。士 p a a本 木推雜的Al〇.lGa〇.9N， 成之層 此刼作會重複100次以形成丄 曰林έ士谨於接二 由總厚度〇 · 5 μηι的超 曰曰心、、、口構所構成之ρ侧被覆層1 1 0。火 丁 a册时、 备P側被覆層形成於由 不同V隙能量等級的氮化物半導 ,^ 趙所構成之超晶格結構 中，其中至少會有包含A1的氮化物半導體彼此堆疊，利用 將-層摻雜比其他層還要高的濃度將可改善結晶度，這稱 為调變換雜。不過在本發明内， ^ ^ ^兩層都可進行類似的摻 雜。形成超晶格結構的p側被覆層11〇讓它可增加整個被覆 層的Ai混合結晶率.，導致較低的被覆層折射係數以及較高 的帶隙能*，這對降低臨界值方面有所效益。再者，超晶 格結構讓被覆層内產生坑洞和短路的可能性低於其他。如 圖2B内所示，此時的平均A1混合結晶率為〇 75 ,類似於n 側被覆層，並且Ρ側被覆層30的幻現合結晶率低於第一障 壁層2 a的結晶率’而南於第-陪π* 弟一 P早壁層2b與光導層29的結晶 率。這也關於帶隙能量，P側祐薄a A曰， . P j锻覆層3 0的帶隙能量低於第 一障壁層2a的能量，而高於第-陪 t ^ ^ 系—p早壁層2b與光導層29的能 量0在載子束缚層28内p側雜蜇的 p 4雅負的濃度高於卩側被覆層30内 的濃度，並且在P側被覆層3〇內古从 ^ ^ ^ 於光導層29内，如此第 二障壁層2b和光導層29可利用你 ⑺用從栽子束缚層2 8擴散出來 的雜質而有低濃度摻雜或保拉4 a 河木谬雜。 (P侧接觸層111) 最後，在溫度l，〇5〇°C時，在1 X…1 I Ρ側破覆層110上會形成厚度 -70. (66) 200303105 為150 A亚且由摻雜Mg (濃度1 χ 夕加拉紹麻H /cm )的Ρ型GaN裂成 之p側接觸層1 1 1。該p側接觸

續 111 可由 Ρ型 InxAlyGai_x_yN (0 < X，0 < Y，X + γ < :^所

一 &成，較好是由Mg摻雜的GaN 所形成’如此可與p侧電極120達成最佳的電阻接觸。因為 接觸層111為形成電極的層，所以要具有…0，cm3或更 南的面載子濃度D合灌度彳氏：1 7 - 、 田/辰度低於1 X l〇17/cm3,則難以和電極 達成充分的電阻接觸。形忐r 钱觸升y成GaN成分的接觸層就可輕易和 電極達成充分的雷P泛接觸。少

冤阻接觸在反應完成之後，晶圓換在反

應容器内以700°C的、、田声於氣友A -V的肌度於虱乳内退火，藉此進一步降低p 型層的電阻。如*上祕晶思^^座丨 述堆®層所製成的裝置具有圖2A内顯示 的堆*釔構’以及圖2B内所示的A1混合結晶率。尤其是， A1混合結晶率低於第一障壁層&並且高於井層^的〇側被 覆層2 6寿ρ側被覆層會夾住主動層和光導層2 62 9。η側光 V層2 6和ρ側光導層2 9由A1混合結晶率低於第一障壁層2 & 亚且高於井層卜的氮化物半導體所製成。被覆層25、30由

A1混合結晶率高於光導層26、29並且低於第二障壁層2b的 氮化物半導體所製成。 如上述在堆疊形成氮化物半導體層之後，將從反應容器 内取出晶圓。然後在最頂端p側接觸層的表面上形成Si〇2 保護薄膜，並且在rIE(反應離子蝕刻）處理中使用3丨(：14氣 體餘刻’鉻出圖1内所示其上用來形成η側電極的η侧接觸 層103之表面。為了氮化物半導體深層蝕刻的目的，Si〇2 最適合用來當成保護薄膜。

然後形成標帶當成上述的帶狀波導區域。首先，藉由PDV -71- 200303105 (67)

裝置大體上在最頂端p側接觸層（上接觸層）的整個表面上 用Si氧化物（主要是Si02)形成厚度為0.5 μιη的第一保護薄 膜161。然後利用光微影蝕刻處理和運用CF4氣體的RIE(反 應離子蝕刻），在第一保護薄膜1 6 1上放置具有帶狀寬度1.6 μιη並且有預定組態的遮罩，來對保護薄膜進行圖樣製作。 在此時，樑帶的高度（蝕刻深度）會設定成，利用部份蝕刻ρ 側接觸層1 1 1、Ρ側被覆層109與ρ側光導層1 10讓ρ側光導層 109的厚度變成0.1 μιη。 在形成樑帶孓後，將在第一保護層1 6 1上形成厚度0 · 5 μιη 並且由Zr氧化物（主要是Ζι:02)製成的第二保護層162(在第 一保護層1 6 1以及蝕刻後露出來的ρ側光導層1 0 9上連續）。

在形成第二保護層162之後，晶圓會經歷600 °C的熱處 理。當用Si02以外的材料形成第二保護薄膜，較好以不低 於3 00 °C的溫度進行熱處理，較好是400 °C或以上，但是低 於形成第二保護薄膜之後氮化物半導體的分解溫度（1，200 °C )。因為熱處理讓第二保護薄膜較不溶解於溶解第一保 護薄膜的材料（氫氟酸）。 然後將晶圓浸泡入氫氟酸，利用去除處理來去除第一保 護薄膜1 6 1。然後去除ρ側接觸層1 1 1上提供的第一保護薄 膜1 6 1，藉此露出ρ側接觸層。第二保護薄膜1 62會形成於 樑帶的側面，並且如圖1内所示形成連續平面（ρ側光導層 1 09的露出表面）。 ， 在如上述去除ρ側接觸層1 1 2上提供的第一保護薄膜1 6 1 之後，會在露出的P側接觸層1 1 1的表面上形成由Ni/Au製 -72- 200303105 (68) 成的p側電極1 2 0，如圖1内所示。在此將以第二保護薄膜 162上寬度100 μπι的帶子來形成p側電極120，如圖1内所 示。在形成第二保護薄膜1 62之後，在平行於已露出的η側 接觸層103上帶子的方向形成由帶狀結構Ti/Al製成之η側 電極1 2 1。 然後將利用蝕刻露出的所要區域表面（用於形成Ρ側和η 側電極的突出電極）遮蓋起來，並且形成由Si02和Zr02製成 的多層介電薄膜1 6 4。在p側與η側電極上將形成由 Ni-Ti-Au (l，OQ〇A - 1，000A - 8,000 Α)製成的突出（針墊） 電極12 2、123，在此時，以200 μπι的寬度（垂直於共振器 方向的寬度）來形成主動層107。而在共振器表面（反射體 側）上也會形成由Si02和Zri02製成的多層介電薄膜。 在如上述形成η側和p側電極之後，晶圓將沿著垂直於帶 狀電極方向中的氮化物半導體Μ平面（GaN、（11-00)或這類 的Μ平面）區分成長條形。長條形的晶圓會進一步區分，以 獲得共振器長度為600 μπι的雷射裝置。 在此可製造出在室溫下，可於波長3 6 9 nm臨界電流6 1 mA第I個並且電流密度3.8 kA/cm2上連續震盪的雷射裝 置。如此獲得的雷射裝置估計在室溫下連續震盪的情況下 有大約4，0 0 0小時的壽命。 [範例2] 除了以下列方式形'成主動層以外，可獲得類似於範例1 的雷射裝置。 (主動層 1 07(27，12)) -73- 200303105

主動層具有單一量子井結構，其中連續堆疊厚度150 A 由Si摻雜的A1〇.i5Ga〇.85N形成之第一障壁層2a、厚度100 A 由未換雜的GaN形成之井層lb以及厚度d(A)由未摻雜的 AluGai_uN形成之第二障壁層2b。 以第二障壁層的A1混合結晶率11設定成〇 · 〇 5 (與範例1内 的A1混合結晶率相同）、〇 · 1和0 · 1 5 (比較範例）來說，臨界電 流和裝置壽命分別顯示於圖9和圖1 0内，為第二障壁層厚 度的函數。當第二障壁層的A1混合結晶率u為u = 〇.〇5時， 圖9内以圖表（％)顯示用改變第二障壁層厚度來改變臨界電 流，u = 0·1時為圖表（b)以及u = 0.15時則為圖表（c)(比較 範例）。當第二障壁層的A1混合結晶率u為u = 0.0 5時，圖 10内以圖表（d)顯示用改變第二障壁層厚度來改變臨界電 流，u = 〇 · 1時為圖表（e)以及u = 〇 · 1 5時則為圖表（f)(比較範 例）。利用將厚度d從50 A、100 A改變至150 A就可評估裝 置特性。 如圖9所見’當厚度改變為15〇 A以外的50 A或100入時 (這與範例1相同），而當第二障壁層的A1混合結晶率u為u = 0 · 0 5時（這與範例1相同），可獲得臨界電流Ith大體上沒有改 變的雷射裝置。當第二障壁層的A1混合結晶率u為u = 〇·〇5(與範例1相同），如圖10内所示，則裝置壽命會隨除了 ISO人以外（與範例1相同）的厚度改變而變。當厚度為i⑼ A，幾乎與第一障壁層一樣，壽命會減少到一半，而當厚 度為50人，小於第一障壁層的厚度，則壽命會進一步縮短 到四分之一。如此可假設，當第二障壁層的A1混合結晶率 -74- 200303105

(70) u低於第一障壁層的結晶率，如範例1内所示，臨界電流並 未隨著第二障壁層的厚度改變而變化，不過當第二障壁層 的厚度比第一障壁層的厚度還要厚時，相較於厚度等於或 小於第一障壁層的厚度之案例，裝置壽命會有顯著改善。 當第二障壁層的A1混合結晶率u為u = 0 · 1，與u = 0 · 0 5案 例不同的是，臨界電流Ith會隨厚度d增加而增加，如圖9内 圖表（b)所示，並且裝置壽命會隨厚度d增加而縮短，如圖 10内圖表（e)所示。這據信是因為偏移增加，尤其是關於第 二半導體層的_偏移增加，當A1混合結晶率變高，不像u = 0.0 5的案例，來自第二障壁層的載子注入效率會降低。也 就是，當由A1混合#晶率高於第二半導體層（p側光導層） 並且帶隙能量高於第二半導體層的氮化物半導體形成第 二障壁層2b時，會產生較大的偏移，導致與具有和u = 0.05 的第二障壁層以及圖3 B内所示第二半導體層相同A1混合 結晶率和帶隙能量之案例比較起來增加臨界電流。另外因 為井層由GaN形成，當第二障壁層由包含A1的氮化物半導 體所形成，則熱膨脹係數的差異會導致產生強大的應力， 而A1混合結晶率增加為u = 0.1，結晶度惡化的顯著負面效 果會影響增加臨界值以及降低裝置壽命。尤其是，因為臨 界值會隨厚度增加而增加，所以相信惡化結晶度的效果也 會增加。不過有提過第二障壁層具有用來分隔井層與載子 束缚層的分隔片功能、當u = 0.1時，分隔片的功能會隨著 第二障壁層的結晶度惡化而惡化。另外第二障壁層的A1 混合結晶率具有增加層阻抗的效果，不過此效果比位於 -75- 200303105

(71) p-n接合處上的載子束缚層之效果不明顯。 如比較範例所示，當第二障壁層的A1混合結晶率為 0.15(大致上與第一障壁層相同），圖9内的圖表（c)顯示改變 的臨界電流。對於厚度增加而言，相較於u == 0.1的案例， 臨界電流顯示出抖升部分假設是結晶度惡化與增加偏移 ’ 的結合效果。如圖1 0内圖表（f)所指示，與u = 0.1案例相較 下，裝置壽命進一步縮短，推測起來是結晶度惡化與改變 頻帶偏移的結合效果。 _ [範例3 ] . 除了以下列方式形成主動層以外，可獲得類似於範例1 的雷射裝置。 (主動層 1 07 (27，12)) 主動層具有單一量子井結構，其中連續堆疊厚度2 00人 由Si摻雜的Al〇.15Ga〇.85N形成之第一障壁層2a、厚度100 A 由未換雜的Al0.04In0.02Ga0.94N形成之井層lb以及厚度150 人由未摻雜的Al〇.05Ga〇.85N形成之第二障壁層2b。 φ 如此可獲得相較於範例1將四化合物半導體AlInGaN用 於井層，在室溫下以大約相同的波長370nm連續震盈之雷 射裝置。不過因為結晶成長期間A1與In的反應，所以不會 有太好的結晶度，而包含了 In可看成對於發光效率有所改 善，導致比範例1内案例還要低的5 0 m A臨界電流。而裝置 壽命類似於範例1的裝置壽命。 [範例4] 除了以下列方式形成主動層以外，可獲得類似於範例1 _ -76- (72) (72)200303105

的雷射裝置。 (主動層 1 07 (27 , 1 2)) 主動層具有單一量子井結構，其中連續堆疊厚度200 A 由Si摻雜的Al0.15ln〇.〇lGa〇.85N形成之第一障壁層2a、厚度 100 A由未摻雜的A1〇 〇4ln〇 〇2Ga〇 94N形成之井層以及厚 度150人由未摻雜的人1〇.〇5111〇.〇10&〇.85：^形成之第二障壁層 2b。 如此獲得具有比範例1和3稍微大的臨界電流以及稍微 短的壽命之雷射裝置，這可能是因為所有障壁層和井層四 化合物半導體A-lInGaN内，由於In與A1的反應比範例3内更 顯著，所以製造出結晶度惡化的效果。在這期間，使用四 化合物半導體AlInGaN會減少晶圓内裝置晶片間的變化， 與範例1和3不同的是其障壁層由AlGaN製成，如此改善了 產量。這是假設，藉由使用四化合物半導體AlInGaN而非 AlGaN，來達成更一致的薄膜成形。 [範例5 ] 除了以下列方式形成主動層以外，可獲得類似於範例1 的雷射裝置。 (主動層 1 07 (27，12)) 主動層具有單一量子井結構，其中連續堆疊厚度200 A 由Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成之第一障壁層2a、厚度100 A 由未摻雜的人1〇.〇2〇&0:98]^形成之井層11)以及厚度150入由 未摻雜的Al〇.〇5Ga〇 95N形成之第二障壁層2b。 如此獲得以較短波長震盪，但是具有比範例1和3稍微大 -77- 200303105 (73) 的臨界電流以及稍微短的壽命之雷射裝置，這有可能是由 於井層内較高A1混合結晶率降低有關第二障壁層的頻帶 偏移，導致從第一導電類型層進入井層較低的載子束缚效 率。此範例比範例3的晶圓内裝置晶片之間的特性變化還 要大，可能是因為晶圓上形成的薄膜相較於四化合物半導 體AlinGaN用於井層内的案例之變化。如此藉由在井層、 第一障壁層或第二障壁層内使用包含In和A1的氮化物半 導體，就可製造出具有高產量的半導體裝置。較好是，在 上述層之間至_少井層内使用包含In和A1的氮化物半導 體，如此可改善發光效率和產量。 [範例6] 可獲得類似於範例1的雷射裝置，除了以AlxGabXN形成η 側光導層和Ρ側光導層以外。 當Α1混合結晶率和帶隙能量設定成和第二障壁層大約 相等值，而χ = 〇.15，則再載子從第二導電類型層（第二半 導體層）注入時會相對於第二障壁層降低頻帶偏移。不 過，如圖3Β、5 Α和5Β内所示，當通過ρ-η接合注入載子時， 較低偏移的效果對於注入效率有較小的影響。在另一方 面，利用增加像是主動層内光導層這類厚層的A1混合結晶 率，此範例相較於障壁層和井層厚度較小的範例2，其顯 示出不良的結晶度和裝置特性、較大的臨界電流和較短的 裝置壽命。當光導層'的A1混合結晶率X增加時，此傾向會 變得更明顯，尤其是當A1混合結晶率X高於第一障壁層的 A1混合結晶率，導致顯著低落的裝置特性。根據本發明， -78- (74) 200303105 利用降低第一半導體層、第二半導體層的帶隙能量可改盖 裝置特性，如範例1和3所示’尤其是在以短波長運作的； 化物半導體内’降低帶隙能量和Ai混合結晶率。 [範例7] 除了以下列方式形成主動層内的層以外可獲得類似於 範例1的雷射裝置。 在除了形成未摻雜的第一障壁層以外，以類似範们的 方式形成主動層之案例中，q電流變大成113mA，表示 利用讓第一障擘層摻雜n形雜質就可獲得具有低臨界電流 的雷射裝置。：. 在除了成長摻雜Si的井層^卜，t以類似範例丨的方式 形成主動層時，每個晶圓上大量裝置都無法雷射震盈，表 示在製造雷射裝置肖，井成長時最好不要摻雜。 利用如圖5A内所示在多量子井結構内形成主動層則可 獲得良好不過^電流高於範例i的雷射t置，S此構造 中會連續堆疊厚度100人由摻雜以的A1。"Ga。Μ所形成 之第-障壁層2a、厚度50人由未摻雜的㈣所形成之井層 la、厚度100人由摻雜Si的AluGao.w 所形成之内部障壁層 2c、厗度50人由未摻雜的GaN所形成 1 c 〇 X Λ <井層lb，以及厚度 由未摻雜的Al0.05Ga〇.95N所形成 個纟#果+ i &之第二障壁層2b。這 』考慮成是提供内部障壁層的紅 加内邛廄、、、吉果，該層會藉由增 内4應力降低井層的功能，並且圉 障壁層所η A > 為是由AlGaN製成的 I早土曰厅μ會有強大的壓電場。當 姓曰粜古# 4障壁層2c的Α1混合 、、，口日日羊巧於第一障壁層&的結晶率， 如圖5 A内所示，顯著 -79- 200303105 (75) 的裝置特性惡化結合因為包含A1的氮化物半導體造成的 結晶度惡化效果，此傾向就會增加。當内部障壁層2 c的A1 混合結晶率和帶隙能量低於第二障壁層2b，如圖5B内所 示，則内部障壁層與井層之間的偏移會降低造成分配至井 層的功能下降，在結合因為包含A1的氮化物半導體造成的 結晶度惡化效果，内部障壁層的帶隙能量會變成高於第二 障壁層的能量，導致裝置特性惡化。 [範例8] 除了以下列_方式形成圖8 A内所示階級成份内的光導層 以外，可獲得類似於範例1的雷射裝置。 (N側光導層106 (第_一光導層26))

AlxGai_xN薄膜將形成0.15 μιη的厚度。隨著薄膜成長， 換言之就是接近主動層，Α1的比例X會從0.1改變成0.02， 以便形成在薄膜厚度方向内具有分級成分的η侧光導層 1 0 6。η側光導層一部份會摻雜S i而此的厚度為0.1 μ m (高雜 質濃度區域），並且在第一部份内未摻雜成長為厚度0.05 μιη(主動層側上5 0 nm的區域：低雜質濃度區域）。在主動 層附近的光導層内，帶隙能量低於第一障壁層的一小部份 會變成第一半導體層。 (P側光導層109 (第二光導層29))

AlxGai_xN薄膜將形成0.15 μιη的厚度。隨著薄膜成長， Α1的比例X會從0 · 02改·變成0.1，以便形成在薄膜厚度方向 内具有分級成分的Ρ侧光導層109，其中Α1混合結晶率和帶 隙能量會朝主動層降低。Ρ側光導層會在第一部份内未摻 (76) 200303105 雜成長，其厚度為0·05 μιη(主動層側上 雜質濃度區域）），並且剩餘部分推 5 μηι的區域（低 μπι。在主動層以及^則載子束縛層附 旱度為0·1 Α】混合結晶率和帶隙能量低於第二广侧光導層29内， 變成第二半導體層。 I壁層的一小部份會 不過這樣獲得的雷射裝置具有幾乎 〃 A1成分比ψ，存在具有分級帶隙能量二範：1相同的平均 ❿ 所示）可改善載子注入主動層的效率，〃光‘層（如圖8A内 並且改善內邮吾 效率。因為在光導層（主動層）内主動層、、田 °丨里 區域（低雜質濃度區域），將形成光耗損森I提l、未摻雜的 制的波導結構，導致降低臨界電流密度^到摻雜雜質所抑 [範例9 ] 除了以下列方式形成主動層以外， 的雷射裝置。 %得類似於範例1 (主動層 107 (27，12)) 主動層具有單一量子井結構，其中連續堆叠厚度”人由 Si摻雜的Al0.15Ga0.85N形成之第一障壁層、厚产1〇〇入由 未摻雜的In〇.〇2Ga〇.98N形成之井層lb以及厚度45人由未捧 雜的AluGauN形成之第二障壁層2b。 如此可獲得在室温内以波長371 nm並且臨界電流3〇 mA 來連續震盪的雷射裝置。 [範例ίο] - 除了以下列方式形成主動層以外’可獲得類似於範例1 的雷射裝置。 -81 - 200303105 (77) (主動層 1 07 (27，1 2)) 主動層具有多量子井結構，其中連續堆疊厚度75A由Si 摻雜的Al〇 15Ga0.85N形成之第一障壁層2a、厚度50 A由未 摻雜的Ino.wGao.wN形成之井層ib、厚度50 A由Si摻雜的 Alo.iGao^N所形成之内部障壁層2c、厚度50人由未摻雜的 In0.〇2Ga〇.98N所形成之井層ib以及厚度50 A由未掺雜的 Al0.iGa0.9N形成之第二障壁層2b。 如此可獲得在室溫内以波長371 nm並且臨界電流30 mA 來連續震盪的雷射裝置。 [範例1 1 ] 此後將參考圖6B·來說明本發明的發光裝置200b。該發光 裝置由其中在標示為2 〇〇b的基板同一側上形成一對正負 電極的結構所製成。 由青玉製成的基板201 (C平面）會設定在MOVPE反應容 器内’並將基板溫度提昇至1，〇 5 0它同時送入氫，並且清 潔基板。 緩衝層（未顯示）：在溫度低於510°c時，由GaN製成的缓 衝層會利用低溫在基板1上成長形成大約10 Ο A的厚度。此 層的成長溫度低於下個要成長層的溫度，如此減缓晶格與 基板錯配，並且可根據基板種類而省略。 基層（未顯示）：在形成緩衝層之後，由未摻雜的GaN所 製成之基層會以1050^的溫度形成15 μιη的厚度，該基層 用來當成基板，其上成長裝置結構。 ^則接觸層202:然後由摻雜Si濃度4.5 X 10i8/cm3的 -82- (78) (78)200303105 ^ 0.0 5 ^ 0.9 S ΐΝί βίτ ^ii 5 N所製成之n側接觸層202(電流注入層）會以 l，〇5〇C的溫声取 又开> 成2 μηι的厚度，該η側接觸層202會變成 第一半導體層。 主動層2〇3·丄丄> 由未換雜的Alo.uGamN形成厚度1〇〇人的 P早土層（第一障壁層2a)，並且由未摻雜的A1〇 〇5Ga() 9sN形成 厚度3〇 A的井層。然後由Alo.iGao.pN形成厚度30 A的内部 P早土層（未顯示），並且交叉堆疊四個井層丨（未顯示）與三個 内部井層（未顯示），用AluGauN形成40人的厚度當成第 一 P早壁層2b ’藉此在多量子井結構内形成主動層2〇3，而 總厚度為3 80人々在此形成具有像是内部障壁層（汕等）具有 A1混合結晶率和帶隙能量低於第一障壁層&並且μ混合 、、、σ阳率和▼隙能量高於第二障壁層2 b的結構之主動層，如 圖5 B内所示。 P側被覆層204 ·由未換雜的Alo.2Gao.9N所製成之雷射a 204會形成40 A的厚度，並且由摻雜Mg濃度5 X 1〇i9/cm3 的AU.^Gao.^N製成之雷射B 205會形成25人的厚度。這些 操作會重複堆疊層A然後上面是層B共五次，將層a覆蓋成 40人的厚度，如此可形成總厚度3 65人的超晶格結構之p側 夕層被覆層2 0 4。第一層B會變成帶隙能量與A1混合結晶率 低於第二障壁層的第二半導體層。 P側接觸層205:然後摻雜Mg濃度1 X l〇2G/cm3的〇以製 成之P側接觸層205會彬成200人的厚度。 在反應完成之後，溫度會降低至室溫，晶圓換在反應容 為内以700 °C的溫度於氮氣内退火，藉此降低p型層的電 -83- (79) 200303105

阻。 '。之後將在頂端提供的 ^之遮罩，並且在RIE(反 € 2〇5，藉此露出n側接觸 退火之後，將晶圓取出反應容 P側接觸層2 0 5表面上形成預定形 應離子蝕刻）裝置内蝕刻p側接觸 層202，如圖6B内所示。 在餘亥…吏，由包含Ni和Au的材料（可傳送光線）所製成 之P側電極206會在頂端提供的？側接觸層2〇5上形成“Ο人 的厚度，並且在p側電極206上將由m I成用於接合的P侧 針墊電極（未顯_示.）形成〇·5μιη的厚声 .^ 度。在另一方面，將在 利用蝕刻露出的η側接觸層2 0 2表面卜游# —人η 4两上形成包含W和Α1的η 側電極207，藉此獲得LED。 並提供第二障壁 如此可獲得具有 該LED裝置發出波長360 nm的紫外光 層讓它可形成具有良好結晶度的主動層 優異發光特性的發光裝置。 [比較範例1 ] 如範例2内所示，以第二障壁層的A1混合結晶率u設定至 0·15和範例1内第一障壁層相同，將分別以圖9内的圖表（c) 和圖1〇内的圖表⑴指示所量測到隨厚度改變而改變的臨 界電流和裝置壽命。 如上述，本發明的氮化物半導體裝置可獲得以3 7 5 nm短 波長運作或以較低臨界電流運作的發光裝置與雷射裝 置。如此藉由將發光二極體結合在紫外線區域内激勵的螢 光基板，如此可適用於螢光燈。 該雷射裝置顯示優異的FWHM，如此可獲得優異的解析 -84- 200303105

(80) 度，因此可應用於光微影蝕刻和光藝術的光源。 在不悖離本發明的精神、概念與領域之下，本發明也可 在其他許多種具體實施例内實施。因此吾人應該注意到， 此處說明的具體實施例僅為範例，並不限制申請專利範圍 内規範的發明領域。另外也應注意到，位於申請專利範圍 領域内有關本發明的任何變化與修改都屬於本發明的領 # 域。 圖式代表符號說明 讀^ 101 _基.板 102 緩衝層 103 N侧接觸層 104 避免破裂層 105 N側被覆層 106 N側光導層 107 主動層 108 P側電子束缚層 109 P側光導層 110 P側被覆層 111 P側接觸層 120 P側電極 121 N側電極 122 突出（針墊）電極 123 突出（針墊）電極 162 第二保護層 -85- 200303105 (81) 164 多 層 介 電 薄 膜 26 下 光 導 層 27 主 動 層 28 載 子 束 缚 層 29 上 光 導 層 2a 第 一 障 壁 層 la 井 層 2c 内 部 障 壁 層 lb 并層 2b 第 二 障 壁 層 11 第 - 電 類 型 12 主 動 層 13 第 二 導 電 類 型 21 基 板

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Claims (1)

1. 200303105 拾、申請專_範圍 1. 一種半導體裝置，其包含： 一主動層，具有一包含一井層和一障壁層的量子井結 構， 一第一導電類型層和一第二導電類型層，該主動層係 會被該第一導電類型層和該第二導電類型層夾住； 其中在該主動層内的該第一導電類型層一側上提供 一第一障壁層，並且在該主動層内的該第二導電類型層 一側上提供_ 一第二障壁層，至少一井層夾於其中，並且 該第二障壁'層具有低於該第一障壁層帶隙能量的帶隙 能量。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一導電 類型層為包含η型氮化物半導體的η型層，該第二導電類 型層為包含Ρ型氮化物半導體的Ρ型層， 該主動層包含由氮化物半導體所形成的該井層以及 該障壁層，以及 該第一導電類型層、該主動層和該第二導電類型層係 以此順序堆疊。 3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中該第一障 壁層設在最靠近該第一導電類型層的該主動層内，並且 該第二障壁層沉積在最靠近該第二導電類型層的該主 動層内。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體裝置，其中 該第二障壁層位於該主動層内最外面的位置。 200303105

   5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體裝置，其中 該第一導電類型層包含一第一半導體層，該層擁有低於 該第一障壁層帶隙能量的帶隙能量。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體裝置，其中 該第二導電類型層包含一載子束缚層，該層擁有高於該 第一障壁層帶隙能量的帶隙能量。 7. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該第二導電 類型層包含一第二半導體層，該層擁有低於該第一障壁 層帶隙能量-的帶隙能量，以及 該第二導··電類型層經由該載子束缚層與該主動層分 隔。 ' 8. 如申請專利範圍第6或7項之半導體裝置，其中該載子束 缚層中會摻雜有P型雜質。 9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項之半導體裝置，其中 在該第一半導體層與/或該載子束缚層設成鄰近主動 層。 1 0.如申請專利範圍第1至9項中任一項之半導體裝置，其中 該第一障壁層和該第二障壁層之間的帶隙能量差異為 0.02 eV或以上。 1 1.如申請專利範圍第1至1 0項中任一項之半導體裝置，其 中該主動層具有包含複數個井層，經由該井層在該第一 障壁層與該第二障壁層之間提供一内部障壁層，該内部 障壁層具有和該第二障壁層帶隙能量不同的帶隙能量 之量子井結構。 200303105

   1 2.如申請專利範圍第1 1項之半導體裝置，其中該内部障壁 層具有高於該第二障壁層帶隙能量的帶隙能量。 1 3 .如申請專利範圍第1 1或1 2項之半導體裝置，其中該第一 障壁層具有高於該内部障壁層帶隙能量的帶隙能量。 1 4.如申請專利範圍第1至1 3項中任一項之半導體裝置，其 中該主動層包含由氮化物半導體所形成的該井層以及 由氮化物半導體所形成的該障壁層，該第一導電類型層 包含氮化物半導體，該第二導電類型層包含氮化物半導 體，以及 -- 該井層由GaN或帶隙能量高於GaN並包含A1的氮化物 半導體所形成。- 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之半導體裝置，其中井層的成分 是 GaN、AlxGa^xN (0 < X < 1)，或 AlxIriyGa^x-yN (0 < X ；£_1，0<y5_l，x + y<l)。 1 6.如申請專利範圍第1 4或1 5項之半導體裝置，其中障壁層 的成分是八111111^&1_11.¥：^(0<11爻1，0公乂幺1，11 + ¥< 1)〇 1 7.如申請專利範圍第1至1 3項中任一項之半導體裝置，其 中該主動層包含由氮化物半導體所形成的該井層以及 由氮化物半導體所形成的該障壁層，該第一導電類型層 包含氮化物半導體，該第二導電類型層包含氮化物半導 體，以及 — 該井層的成分是InzGa^zN (0<ζ<1)並且該障壁層的 成分是八111111¥〇31_11_3(0<11<1，0<¥公1，11 + ¥<1)。 200303105

   1 8 ·如申請專利範圍第1 4至1 7項中任一項之半導體裝置，其 中該第一障壁層的A1混合結晶率u與井層的A1混合結晶 率X間之差異不小於0 · 1，亦即u - X > 0 · 1。 1 9.如申請專利範圍第1 4至1 8項中任一項之半導體裝置，其 中至少該第一半導體層與該第二半導體層之一由包含 A1的氮化物半導體所形成。 2 0.如申請專利範圍第6至19項中任一項之半導體裝置，其 中該第一障壁層的厚度小於該第二障壁層的厚度。 ® 2 1 .如申請專利-範圍第1至20項中任一項之半導體裝置，其 中該第一障壁層的厚度範圍從3 nm至15 nm。 22.如申請專利範圍第1至2 1項中任一項之半導體裝置，其 中該第二障壁層的厚度範圍從5 nm至30 nm。 2 3.如申請專利範圍第6至22項中任一項之半導體裝置，其 中分別在該第一和第二導電類型層内提供被覆層，經由 該第一半導體層和該第二半導體層遠離該主動層，以及 該第一導電類型層内的該被覆層具有高於該第一半 泰 導體層帶隙能量的帶隙能量，並且該第二導電類型層内 的該被覆層具有高於該第二半導體層帶隙能量的帶隙 能量。 * 24.如申請專利範圍第5至22項中任一項之半導體裝置，其 ， 中用分別用第一導電類型層和第二導電類型層内提供 的被覆層夾住主動層來形成用於光束缚的波導，並且該 第一導電類型層内提供的一光導層具有該第一半導體 層0 · 200303105

   :，其中該設於第二 -導體層，該層擁有 *量。 【裝置，其中至少該 u化物半導體所製 物半導體形成的該 丨之半導體裝置，其 2 5.如申請專利範圍第24項之半導體裝j 導電類型層内之該光導層具有第二4 低於該第一障壁層帶隙能量的帶隙倉 2 6.如申請專利範圍第24或25項之半導骨 第一和第二半導體層由包含A1的| 成，並且其A1混合結晶率低於由氮化 第一障壁層之結晶率。 2 7.如申請專利範圍第23至26項中任一 中該第一障-壁層具有高於該被覆層帶隙能量的帶隙能 量0 -