CN100355093C - 具有无镓层的ⅲ族氮化物发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明是用于发光器件的半导体结构，该发光器件能够发射电磁光谱的红色光到紫外光部分的光。该半导体结构包括：III族氮化物的第一覆盖层、III族氮化物的第二覆盖层和位于第一和第二覆盖层之间的III族氮化物的有源层，有源层的带隙比第一和第二覆盖层的各自的带隙都小。该半导体结构的特征在于在这些结构层的一个或者多个层中不含镓。

Description

具有无镓层的Ⅲ族氮化物发光器件
发明领域
本发明涉及发光器件的半导体结构，尤其是由III族氮化物形成的发光二极管和激光二极管，这些器件能够发射电磁光谱中红色到紫外部分的光。
发明背景
光子半导体器件分为三个类别：将电能转化为光辐射的器件(例如发光二极管和激光二极管)；检测光信号的器件(例如光电探测器)；将光辐射转化为电能的器件(例如光电池器件和太阳能电池)。尽管这三种器件都具有有用的应用，但是由于发光二极管应用于各种消费产品和场合，因此普遍认为它是最有用的。
这里称为LEDs的发光器件(例如发光二极管和激光二极管)是将电能转化为发射光的光电p-n结半导体器件，也许最普遍的是，LEDs形成了用于许多消费产品(例如，声频系统、汽车、家用电子设备和计算机系统)中的各种信号、指示器、测量表和显示器的光源，该光源在电磁光谱的可见光部分。由于LEDs通常具有长的寿命、低的功率需求和高的可靠性，因此希望LEDs作为光输出器件。
尽管普遍使用，LEDs在某种程度上功能也受到限制，因为给定的LED可以产生的颜色受限于用来制造LED的半导体材料的性质。如本领域及相关领域普通技术人员所公知的，由LED产生的光称为“电致发光，”这表示在施加的电压下由通过材料的电流产生光。产生电致发光的任何特定的成份都趋于在相对窄的波长范围内发光。
给定的LED材料可以发射的光的波长受限于材料的物理特性，尤其是其带隙能量。带隙能量是分开半导体中较低能量价带和较高能量导带的能量的量。根据量子力学的公知原理，带是载流子(即电子或空穴)能够存在于其中的能量状态。“带隙”是导带和价带之间的禁止载流子的能量范围(即，载流子不存在于这些能量状态)。在某些情况下，当电子和空穴越过带隙复合时，它们将以光的形式发射能量。换句话说，给定的半导体材料可以产生的电磁辐射的频率(即颜色)是该材料的带隙能量的函数。
在这一点上，较窄的带隙产生了较低的能量、较长波长的光子。反之，较宽的带隙材料产生较高的能量、较短波长的光子。蓝光具有较短的波长，因此具有比可见光谱中的其它颜色更高的频率。结果，必须由比产生绿色、黄色、橙色或红色的那些跃迁能量更大的跃迁产生蓝光。产生具有在可见光谱中的蓝色或紫外部分的波长的光子需要具有相对大带隙的半导体材料。
整个可见光谱的范围从大约390nm的紫色到大约780nm的红色。因此，可以认为可见光谱的蓝色部分在大约425nm和480nm的波长之间延伸。相应的，大约425nm(接近紫色)和480nm(接近绿色)的波长分别代表大约2.9eV和大约2.6eV的能量跃迁。据此，至少具有大约2.6eV带隙的材料才能够产生蓝光。
较短波长的器件除了颜色之外还提供了大量的好处。尤其是，当用于光存储器件和存储器时，例如CD-ROM光盘，较短的波长能使这种存储器件明显保存更多的信息。例如，在与使用红光的存储器件一样的空间中，使用蓝光存储信息光学器件实质上能够保存更多的信息。
发光二极管工作的基本机制在本领域是公知的，并且例如在Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd Edition(1981)的第681-703页描述了上述机制。
本专利申请的共同受让人是本领域第一个成功开发商业上可行的LEDs的人，该LEDs发射蓝色光谱中的光，并且能够在商业上大量生产。这些LEDs形成在碳化硅宽带隙半导体材料中。在Edmond的美国专利Nos.4,918,497和5,027,168、发明名称为“Blue Light EmittingDiode Formed in Silicon Carbide”中描述了这种蓝色LEDs的例子。在共同转让的美国专利Nos.5,523,589；5,592,501和5,739,554中描述了III族氮化物LED结构和激光结构的其它例子。
除了碳化硅，蓝色发光器件的候选材料是氮化镓(GaN)和与其相关的III族(即，周期表的III族)氮化物化合物，例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和在一些情况下的氮化铝铟镓(AlInGaN)。由于这些材料在室温提供了直接能量跃迁，带隙在大约1.9至大约6.2eV之间，这些材料由其引人注意。更普通的半导体材料例如硅、磷化镓或砷化镓不适用于产生蓝光，因为它们的带隙大约为2.26eV或更小，对于硅的情况，它是间接半导体和效率低的光发射器。
如那些对LEDs和电子跃迁熟悉的人员所知道的，当价带顶和导带底具有相同的动量态时，在半导体中出现直接跃迁。这意味着晶体动量在电子和空穴复合过程中守衡，使跃迁产生的能量能主要且有效地成为光子(即产生光而不是热)。当导带底和价带顶不具有相同的动量态时，需要声子(即振动能量的量子)保存晶体动量，该跃迁称为“间接的。”对第三粒子即声子的需要使间接辐射跃迁可能更少，从而减小了器件的发光效率。
总的来说，在直接带隙材料中形成的LED将比在间接带隙材料中形成的LED更有效地工作。因此，III族氮化物的直接跃迁特性为比来自间接材料例如碳化硅的发射更亮和更有效的发射提供了潜在可能，因此提供了更亮和更有效的LEDs。据此，在前十年中大量的兴趣还集中在在氮化镓和相关的III族氮化物中制造发光二极管。
尽管III族氮化物在宽的带隙能量范围内提供了直接跃迁，但该材料存在一系列特定的制造方面的技术问题。具体地说，还没有出现商业上可行的技术来制造氮化镓(GaN)体单晶，该氮化镓(GaN)体单晶能够作为氮化镓外延层的适当衬底，在氮化镓外延层上将形成光电器件。
所有的半导体器件都需要某种类型的结构衬底。一般来说，由与有源区一样的材料形成的衬底提供了显著的优点，尤其在晶体生长和晶格匹配方面。由于氮化镓仍然必须形成在这种体单晶中，因此，氮化镓光电器件必须形成在非GaN衬底上的外延层中。
近来在III族氮化物衬底领域中的工作包括共同未审和共同转让的：1999年7月27日申请的美国专利申请序列号Nos.09/361,945、发明名称为 “Growth of Bulk Single Crystals of Aluminium Nitride，”1999年7月27日申请的09/361944、发明名称为“Growth of Bulk SingleCrystals of Aluminium Nitride from a Melt；”1999年7月7日申请的09/111,413、发明名称为“Growth of Bulk Single Crystals of AluminiumNitride；”和1998年10月9日申请的09/169,385、发明名称为“Growthof Bulk Single Crystals of Aluminium Nitride：Silicon CarbideAlloys。”所有这些未审申请这里全文引入作为参考。
然而，使用不同的衬底会引起另外的一系列问题，大部分在晶格匹配方面。在几乎所有的情况下，不同材料具有不同的晶格参数。结果，当在不同的衬底上生长氮化镓外延层时，将出现一些晶格不匹配和热膨胀系数不匹配。得到的外延层涉及由这种不匹配而产生的“应变。”晶格不匹配，它们产生的应变会引起晶体缺陷的潜在可能。结果影响晶体和结的电子特性，这样趋于降低光电器件的性能。这些缺陷在高功率结构中更成问题。
在早期的III族氮化物LEDs中，用于氮化镓器件的最普遍的衬底是蓝宝石(即，氧化铝Al2O3)。现在某些III族氮化物器件继续使用它。
蓝宝石在可见光和紫外光范围内是透光的，但与氮化镓具有大约16％的晶格不匹配。此外，蓝宝石是绝缘的，而不是导电的，不适于导电掺杂。结果，不能将必须通过LED以便产生光发射的电流引导通过蓝宝石衬底。这样，必须进行其它类型的与LED的连接。
总之，具有直立几何形状的LEDs使用导电衬底以便可以将欧姆接触放在器件相对的端部。有大量的原因首选这种直立的LEDs，包括它们容易制造并且能够比非直立器件更简单地结合到最终使用的的器件中。然而，在不存在导电衬底的情况下，不能形成直立器件。
与蓝宝石比较，氮化镓与氮化铝(AlN)仅具有大约2.4％的晶格不匹配，与碳化硅仅具有大约3.5％的不匹配。碳化硅在某种程度上与氮化铝仅具有大约1％的更少的不匹配。
已经显示出III族三元和四元氮化物(例如氮化铟镓和氮化铝铟镓)具有相对宽的带隙。据此，这种III族氮化物还为蓝色光和紫外光半导体激光和LEDs提供了潜在可能。然而，这些化合物的大部分都存在与氮化镓一样的问题，即缺少相同的单晶衬底。这样，一般每个都采用在不同的衬底上生长外延层的形式。这同样存在晶体缺陷和相关的电子问题的可能。
因此，作为解决蓝宝石作为衬底的导电性问题的手段，本发明的受让人已经研究将碳化硅衬底用于氮化镓和其它III族器件。由于可以导电性地掺杂碳化硅，因此可以形成直立的LEDs。如上所述，直立结构便于LEDs的制造和将它们引入电路和最终使用的器件中。
如那些对III族氮化物熟悉的人员所知道的，它们的性能基于存在的III族元素(例如镓、铝、铟)的特性和摩尔分数而不同。例如，增加铝的摩尔分数趋于增加带隙，而降低铝的量趋于增加折射率。同样，较大比例的铟将降低材料的带隙，这样允许调整或“微调”带隙以便产生想要频率的光子。然而，这样趋于降低晶体的化学和物理稳定性。基于摩尔分数的其它效果包括晶格间距的改变，导致应变效应。
因此，尽管在该领域付出了很大的努力，但仍然需要一些器件，这些器件结合直立形状并且利用当在III族氮化物光电器件的有源层(active layer)、覆盖层(cladding layers)和缓冲层(buffer layers)中铟、铝和镓的比例得到理想地调整时所得到的特性。
发明内容
因此，本发明的目的是由III族氮化物以利用它们的有利特性的方式制造发光二极管和激光二极管。
本发明通过一种半导体结构实现该目的，该半导体结构包括：III族氮化物第一覆盖层；III族氮化物第二覆盖层；和位于第一和第二覆盖层之间的III族氮化物有源层，有源层的带隙比第一和第二覆盖层的各自的带隙都小。具体地说，半导体结构的特征在于，在有源层或覆盖层的至少一个层中不含镓。
本发明提供一种用于发光器件的半导体结构(10)，该发光器件能够发射电磁光谱的红色光到紫外光部分的光，所述结构(10)包括：
碳化硅衬底(17)，
AlxInyGa1-x-yN的第一覆盖层(11)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且x+y≤1，所述第一覆盖层具有第一表面(21)和第二表面(22)；
AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层(12)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且x+y≤1，所述第二覆盖层具有第一表面和第二表面；和
AlxInyGa1-x-yN的有源层(13)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且0≤x+y≤1，所述有源层(13)位于所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)之间；
其中所述第一覆盖层(11)位于所述碳化硅衬底(17)和所述有源层(13)之间；
其中所述有源层(13)具有第一表面(14)和第二表面(15)，所述有源层(13)的所述第一表面(14)与所述第一覆盖层(11)的所述第二表面(22)接触，且所述有源层(13)的所述第二表面(15)与所述第二覆盖层(12)的所述第一表面接触；
其中所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)具有相反的导电类型；
其中所述第一和第二覆盖层(11-12)具有各自的带隙，每个所述的带隙比所述有源层(13)的带隙大；
其中所述第一覆盖层(11)、所述第二覆盖层(12)和所述有源层(13)中的至少一个层的特征在于不含有镓；和
其中所述第一覆盖层的晶格逐渐变化，使得所述第一覆盖层的第一表面(21)处的晶格与碳化硅衬底(17)的晶格更紧密的匹配，且所述第一覆盖层的第二表面(22)处的晶格与有源层(13)的晶格更紧密的匹配。
在下面的详细描述和附图中进一步说明了本发明的前面和其它的目的及优点，并且说明了实施方式。
附图的简要说明
图1是根据本发明发光器件的半导体结构的截面示意图。
图2是铝、铟和镓的III族氮化物合金的带隙能量与晶格参数之间关系的理论曲线图。
图3是半导体结构一个实施例的截面示意图。
图4是半导体结构一个实施例的截面示意图。
图5是半导体结构一个实施例的截面示意图。
图6是半导体结构一个实施例的截面示意图。
图7是半导体结构一个实施例的截面示意图。
详细描述
本发明是发光器件的半导体结构，该发光器件能够发射电磁光谱中红色光到紫外光部分内的光。该结构包含位于III族氮化物第一覆盖层和III族氮化物第二覆盖层之间的III族氮化物有源层。该有源层具有比第一和第二覆盖层各自的带隙都小的带隙，且第一和第二覆盖层最好具有相反的导电类型(即p型或n型，反之亦然)。具体地说，有源层、第一覆盖或第二覆盖层的至少一层不含镓。
如这里所用的，这意味着镓可以存在，但仅以少量存在以至于在本发明的上下文中没有意义(即对半导体器件没有功能性影响)。应理解要求上述层中的至少一层排除了除微量镓之外任何镓的存在，但允许多于一层的层都具有该特征(例如，第一覆盖层和第二覆盖层可以都具有不含镓的特性)。
特定的导电类型(即n型或者p型)可以是本征的，但更普遍的是用适当的施主或受主原子掺杂III族氮化物的结果。本领域技术人员容易理解III族氮化物的适当掺杂，除了必须用来描述本发明的情况之外，这里不再进一步的讨论。
本领域普通技术人员应理解，有源层、第一覆盖层和第二覆盖层中铝、铟和镓的摩尔分数通常可以由式AlxInyGa1-x-yN表示，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。这样，应理解铝、铟和镓的相对浓度在层和层之间可以变化。
在本发明的一个优选实施例中，第一覆盖层是III族氮化物，最好是氮化铝铟，其特征在于不含镓。这样，第一覆盖层中铝和铟的摩尔分数通常可以由式AlxIn1-xN表示，其中0＜x≤1。这里，变量x的范围排除了0，本领域技术人员应理解为需要含铝(即氮化铝合金)。
类似的，在本发明的另一个优选实施例中，有源层是III族氮化物，即氮化铝铟，其特征在于不含镓。这样，有源层中铝和铟的摩尔分数通常可以由式AlxIn1-xN表示，其中0≤x＜1。这里，变量x的范围排除了1，从而需要含铟。
这种无镓的氮化铝铟有源层的好处在于可以提供更宽范围的可能的发射(例如从红色光到紫外光)。此外，当氮化铝铟中的铟引起局域态(localized states)时，作为有源层，氮化铝铟可以比氮化铝镓的性能更好。这样可以提高发射效率和减小无辐射复合。
参考图1可以理解本发明，图1是根据本发明的LED半导体结构的截面示意图。
一般指定为10的半导体结构包含AlxInyGa1-x-yN的第一覆盖层11，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。在更具体的实施例中，第一覆盖层11不含镓，主要由具有式AlxIn1-xN的氮化铝铟构成，其中0＜x≤1。
半导体结构10还包含AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1，或者在更具体的实施例中，不含镓的氮化铝铟覆盖层12具有式AlxIn1-xN，其中0＜x≤1。
如这里所提到的，第一覆盖层11和第二覆盖层12最好具有相反的导电类型。即，如果第一覆盖层11是n型层，那么第二覆盖层12是p型层，反过来亦然。前者的实施例优于后者。这种关于导电类型的规则保持在整个说明书中。如对发光器件熟悉的人员所知道的，包含相反导电类型的结构层便于器件的正向偏置，因此促进了复合，产生想要的发射。
具有式AlxInyGa1-x-yN(其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1)的有源层13位于第一覆盖层11和第二覆盖层12之间。在更具体的实施例中，有源层不含镓，主要由具有式AlxIn1-xN的氮化铝铟构成，其中0≤x＜1。
如这里所用的，术语“层”通常指单晶外延层。
有源层13可以是掺杂的或者未掺杂的。如对III族氮化物性能熟悉的人员所知道的，未掺杂的材料通常是本征n型。具体地说，第一覆盖层11和第二覆盖层12具有各自的带隙，每个带隙都比有源层13的带隙大。如前面提到的，可以选择III族摩尔分数以便提供这些特性。
对于这点，图2理论性地描述了带隙能量与晶格参数之间的关系。图2的三角形区域代表可以得到的铝、铟和镓的III族氮化物的带隙能量范围。图2表明对于任何具体的晶格参数来说，除去镓使带隙能量最大(即，氮化铝铟的带隙可以通过AlN-InN线段估计)。
如那些对半导体结构-尤其是激光器结构熟悉的人员所了解的，为了增强器件的能力，希望有源层具有比相邻的覆盖层更低的带隙和更高的折射率。这种结构提供了对于激光性能来说重要的两个好处。首先，如果有源层具有最低的带隙，它形成了量子阱，载流子趋于落入该量子阱中。这有助于增强激光效果。其次，在结构中具有最高折射率的材料中出现波导。据此，当有源层的带隙小于相邻层的带隙并且其折射率大于相邻层的折射率时，增强了器件的发射激光能力。
此外，如本领域普通技术人员所知道的，三元或者四元III族氮化物的成份会影响它们的折射率和带隙。总的来说，较大比例的铝增加了带隙，减小了折射率。这样，在优选实施例中，为了使覆盖层11和12具有比有源层13大的带隙和比有源层13小的折射率，覆盖层11和12最好具有比有源层高的铝比例。覆盖层11和12的较大的带隙增强了将载流子限制(confinement)到有源层13，从而增加了器件的效率。类似地，异质结构层11和12的较低的折射率使光限定在有源层13中。
如上所述，所列举的变量(例如x和y)指的是它们所描述的结构层。即，关于一层的变量值相对关于另一层的变量值是无关紧要的。例如，在描述半导体结构时，变量x可以具有关于第一覆盖层11的一个值、关于第二覆盖层12的另一个值和关于所描述的有源层13的再一个值。如本领域普通技术人员所理解的，表示式AlxInyGa1-x-yN中的限定0≤(x+y)≤1只是要求III族元素和氮以1∶1的摩尔比存在。
例1和2(下面)公开了覆盖层和有源层中III族氮化物的各种摩尔比。具体地说，例1描述了对于蓝色LED来说的三元InxAl1-xN覆盖层成份，例2描述了对于蓝色LED来说的三元InxAl1-xN有源层成份。
例1
对于蓝色LED(425nm＜λ＜480nm)来说的覆盖层必须具有比蓝色有源层的带隙能量(2.58-2.92eV)高的带隙能量。对于三元InxAl1-xN来说，理想晶体的带隙能量处于探索和争论状态。这主要是由于在生长高质量的、均匀的固溶体外延层方面存在困难，该固溶体外延层对于光透射测量来说要足够厚(大约0.2μm)以便确定带隙能量。从目前的数据，In0.17Al0.83N具有2.9-3.0eV的带隙能量，参见S.Yamaguchi，M.Kariya，S.Nitta，T.Takeuchi，C.Wetzel，H.Amano，and I.Akasaki，Appl.Phys.Lett.76 876(2000)。因此，对于蓝色LEDs来说覆盖层应具有小于0.17的铟摩尔分数。参见K.S.Kim，A.Saxler，P.Kung，M.Razeghi，and K.Y.Kim，Appl.Phys.Lett.71 800(1997)。
例2
对于三元InxAl1-xN来说在0.14＜x＜0.21之间发射蓝光，In0.17Al0.83N发光在450nm达到高峰，In0.22Al0.78N在500nm达到高峰。参见S.Yamaguchi，M.Kariya，S.Nitta，T.Takeuchi，C.Wetzel，H.Amano，and I.Akasaki，Appl.Phys.Lett.76 876(2000)。减小铟的摩尔分数小于0.14将产生更短波长的光，从而允许发射425nm的光。对于绿色光(例如500＜λ＜575nm)的发射来说，铟摩尔分数应在大约0.22＜x＜0.35之间。
本领域普通技术人员应理解，这些是整体发射值(bulk emissionvalues)，并且作为量子阱的材料的生长将产生量子限定，这将使这些发射波长蓝移。
本领域普通技术人员应进一步理解，这里所使用的位于两个其它层“之间”的一层的概念并不一定意味着这三层相邻(即紧密接触)。此外，这里所用的位于两个其它层之间的一层的概念是用来描述半导体结构中层的相对位置的。类似的，这里所使用的与第二层接触、与第三层“相对”的第一层的概念仅仅描述半导体结构中第一和第二层的相对位置。
也就是说，在半导体结构的优选实施例中，有源层13具有与第一覆盖层11相邻的第一表面14和与第二覆盖层12相邻的第二表面15。换句话说，在这个实施例中，有源层13直接夹在第一覆盖层11和第二覆盖层12之间，没有另外的层打乱这三层双异质结构，双异质结构用括弧16指定。
这里指定结构“双异质结构”的使用是的本领域众所周知的方式。例如，在Sze，Physics of Semiconductor Devices，Second Edition(1981)中的第708到710页讨论了这些结构的技术方案。尽管所述的Sze的讨论指的是激光，但它仍然说明了同质结构、单异质结构和双异质结构的特性和它们之间区别。
半导体器件10可以进一步包括碳化硅衬底17，它具有与第一覆盖层11相同的导电类型。碳化硅衬底17最好具有3C、4H、6H或15R的多型体。第一覆盖层11位于碳化硅衬底17和有源层13之间。
在由图3所示出的本发明的另一个实施例中，碳化硅衬底17与第一覆盖层11接触，与有源层13相对(即，在碳化硅衬底17和第一覆盖层11之间没有插入层)。
碳化硅衬底17最好是单晶。如本领域普通技术人员众所周知的，高质量单晶衬底提供了大量的结构上的优点，因此提供了显著的性能和寿命方面的优点。碳化硅衬底17可以通过在美国专利No.4,866,005(现在的美国专利No.RE34,861)中所述的方法形成，该美国专利与该未审申请共同转让。由于高质量的碳化硅单晶衬底在某种程度上更易于产生n型，因此碳化硅衬底17和第一覆盖层11是n型的。
在图4的所示的优选实施例中，第一覆盖层11具有与碳化硅衬底17接触的第一表面21和与有源层13接触的第二表面22。具体地说，第一覆盖层11的成份逐渐变化，使得在其第一表面21的晶格与碳化硅17的晶格更紧密地匹配，在其第二表面22处的晶格与有源层13的晶格更紧密地匹配。在第一覆盖层11中必须存在足够摩尔分数的铟，以便确保在与碳化硅衬底17相邻的第一表面21处保持导电。
这里所使用的与各个晶格更紧密的匹配的概念不意味完全匹配，而是层的成份逐渐变化使得其在层界面的晶格与相邻层的晶格更相容。当制造器件时，必须平衡大量的因素，其中之一是晶格匹配。如果其它的因素更重要，完全或紧密的晶格匹配可以是次重要的，反之亦然。
在这一点上，可以选择性地使覆盖层、尤其是氮化铝铟覆盖层与含镓有源层、尤其是氮化镓和氮化铟镓有源层晶格匹配，以便减小应变和缺陷。具体地说，由于可以使铝铟氮化物与其它具有较高带隙的III族氮化物晶格匹配，因此，铝铟氮化物是有益的。参见图2。
如本领域普通技术人员所公知的，覆盖层和有源层的晶格匹配可以是一侧晶格匹配(即，晶格匹配出现在有源层的一面上)，也可以是两侧晶格匹配(即，晶格匹配出现在有源层的两面上)。
在图5所示的另一个实施例中，半导体结构10进一步包括位于碳化硅衬底17和第一覆盖层11之间的导电缓冲层23。在该实施例的变形中，导电缓冲层23夹在碳化硅衬底17和第一覆盖层11之间，没有插入层。导电缓冲层23最好主要由具有式AlxGa1-xN的氮化铝镓构成，其中0≤x≤1。另外，当第一覆盖层11主要由具有式AlxIn1-xN的氮化铝铟构成时(其中0＜x≤1)，导电缓冲层23最好由具有式AlxIn1-xN的氮化铝铟构成，其中0≤x≤1。其它可接受的缓冲层和缓冲结构包括在共同转让的美国专利Nos.5,523,589、5,393,993和5,592,501中所描述的那些，因此这里将上述每个专利的内容都全文引入作为参考。
为了便于第一覆盖层11和导电缓冲层23之间的过渡，半导体结构10可以进一步包含III族氮化物过渡层24，最好由位于导电缓冲层23和第一覆盖层11之间的成份梯度层形成。该过渡层24具有与第一覆盖层11和碳化硅衬底17相同的导电类型。参见图6。
另外，如图7所示，导电缓冲层23和过渡层24可以被不连续的晶体部分28(即，III族氮化物点(dots)，最好是氮化镓点或氮化铟镓点)代替，该不连续的晶体部分28分隔第一覆盖层11和碳化硅衬底17。在这个实施例中，不连续的晶体部分28存在的量足以使第一覆盖层11和碳化硅衬底17之间的势垒最小或者消除其间的势垒，但该量小于将不利地影响或破坏在碳化硅衬底17上形成的任何发光器件的功能的量。
此外，在另一个实施例中，不连续的晶体部分28可以位于碳化硅衬底17和导电缓冲层23之间。图1一般性的说明了当导电缓冲层23、过渡层24和不连续的晶体部分28存在于半导体结构中时，这些部件的相对位置。
不连续的晶体部分不形成外延层。据此，本领域普通技术人员应理解，图1和图7中示出的不连续晶体部分28仅仅是示意性的。
最好，不连续晶体部分28不由氮化镓或氮化铟镓形成。
在1997年10月7日申请的共同转让的美国专利申请序列号Nos.08/944,547、发明名称为“Group III Nitride Photonic Devices onSilicon Carbide Substrates with C0nductive Buffer InterlayerStructure”中更全面地公开了包含这种氮化镓不连续晶体部分的内容，这里全文引入作为参考。
在又一个实施例中，半导体结构10进一步包含第一欧姆接触25和第二欧姆接触26。如图1所示，第一欧姆接触25位于半导体结构中，使得碳化硅衬底17在第一欧姆接触25和第一覆盖层11之间。第二欧姆接触26位于半导体结构中，使得第二覆盖层12在第二欧姆接触26和有源层13之间。参见图1。
半导体结构10可以进一步包含位于第二欧姆接触26和第二覆盖层12之间的III族氮化物接触层27。接触层27和第二覆盖层12具有相同的导电类型，一般是p型。参见图1。
在优选实施例中，接触层是p型，并且由下列物质制成：氮化镓(最好是镁掺杂的氮化镓)；氮化铟；式AlxIn1-xN表示的氮化铝铟，其中0＜x＜1；式AlxGa1-xN表示的氮化铝镓，其中0＜x＜1；式InxGa1-xN表示的氮化铟镓，其中0＜x＜1；或AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1。在这一点上，从范围中既排除0又排除1要求在合金中存在两个III族元素。
在最优选的实施例中，接触层是p型接触层，包括由多个III族氮化物层形成的超晶格，所述多个III族氮化物层从由下列物质组成的组中选择：氮化镓(最好是掺杂了镁的氮化镓)；氮化铟；式AlxIn1-xN表示的氮化铝铟，其中0＜x＜1；式AlxGa1-xN表示的氮化铝镓，其中0＜x＜1；式InxGa1-xN表示的氮化铟镓，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1。
尤其是，超晶格最好由上述III族氮化物层的任何两个的交替层形成。在该超晶格中，氮化镓、氮化铝铟、氮化铟镓的任何两个的交替层最为优选。
更普遍地说，最好在超晶格结构中引入氮化铟、氮化铝铟、氮化铟镓或氮化铝铟镓中的至少一层(即，超晶格不应仅由氮化镓层构成)。氮化铝镓层在某种程度上不受欢迎。例如，倘若至少一个相邻的p型III族氮化物层是氮化铝铟或氮化铟镓，那么由选自氮化镓、氮化铝铟、氮化铟镓的多个相邻p型III族氮化物层形成的超晶格是尤其希望的。
最好，第一欧姆接触25直接放在碳化硅衬底17上，与第一覆盖层11相对；第二欧姆接触26直接放在III族氮化物接触层27上，与第二覆盖层12相对。在该实施例的变形中，接触层27夹在第二欧姆接触26和第二覆盖层12之间，没有插入层。
如本领域普通技术人员所公认的，缓冲层23提供了碳化硅衬底17和第一覆盖层11之间的物理和电学的过渡。在许多情况下，缓冲层23的存在有助于缓解由碳化硅衬底17和第一覆盖层11之间的晶格差异而产生的物理应变。此外，为了保持器件的直立功能(verticalfunction)，缓冲层23必须充分导电以承载想要的、或者需要的电流来使器件10工作。同样，过渡层24起到同样的物理和电学过渡的作用。
欧姆接触25和26完成了本发明的有利的直立结构，该欧姆接触25和26最好由下列金属或者这些金属的两个或者多个连续层形成，这些金属例如是铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、钒(V)、其混合物或合金，但欧姆接触25和26也可以由其它本领域技术人员知道的欧姆接触材料形成，条件是其它欧姆接触材料表现出欧姆特性并且不干扰LED10的结构或功能。
欧姆接触25形成到碳化硅衬底17上，对此本发明区别于采用蓝宝石的器件。蓝宝石不能导电，因此不能连接到欧姆接触。结果，蓝宝石基器件不能形成对于LEDs来说最优选的各种直立结构。
因此，在一个优选实施例中，本发明是用于发光器件的半导体结构，包含3C、4H、6H或15R多型体的单晶碳化硅衬底17；AlxInyGa1-x-yN的有源层13，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；主要由AlxIn1-xN构成的无镓的第一覆盖层11，其中0＜x≤1；和AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。
在另一个优选实施例中，本发明是用于发光器件的半导体结构，包含3C、4H、6H或15R多型体的单晶碳化硅衬底17；主要由AlxIn1-xN构成的无镓的有源层13，其中0≤x＜1；AlxInyGa1-x-yN的第一覆盖层11，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；和AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。
在上述每个实施例中，第一覆盖层11位于碳化硅衬底17和有源层13之间，第二覆盖层12位于半导体结构中，使得有源层13在第一覆盖层11和第二覆盖层12之间。此外，如在本发明公开的另一些实施例中，第一覆盖层11和碳化硅衬底17具有相同的导电类型，最好与第二覆盖层12的导电类型相反。最后，第一覆盖层11和第二覆盖层12的各自的带隙都比有源层13的带隙大。
在上述这些实施例的任何一个中，第一覆盖层11的成份可以逐渐变化，使得在其第一表面21处的晶格与碳化硅17的晶格更紧密地匹配，且在其第二表面22处的晶格与有源层13的晶格更紧密地匹配。此外，根据前面的描述，这些优选实施例中的任何一个都还可以包含一个或者多个下列层一导电缓冲层23、III族氮化物过渡层24、III族氮化物接触层27和欧姆接触25和26。在这一点上，导电缓冲层18最好是具有式AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)的氮化铝镓，或者具有式AlxIn1-xN(其中0≤x≤1)的氮化铝铟。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例。已经使用的具体的术语仅在一般的和说明性的意义上，没有限制的目的。本发明的范围在下列权利要求中阐明。

Claims (28)

1.一种用于发光器件的半导体结构(10)，该发光器件能够发射电磁光谱的红色光到紫外光部分的光，所述结构(10)包括：
碳化硅衬底(17)，
AlxInyGa1-x-yN的第一覆盖层(11)，其中0≤x≤1且0≤y＜1且x+y≤1，所述第一覆盖层具有第一表面(21)和第二表面(22)；
AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层(12)，其中0≤x≤1且0≤y＜1且x+y≤1，所述第二覆盖层具有第一表面和第二表面；和
AlxInyGa1-x-yN的有源层(13)，其中0≤x＜1且0≤y≤1且0≤x+y≤1，所述有源层(13)位于所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)之间；
其中所述第一覆盖层(11)位于所述碳化硅衬底(17)和所述有源层(13)之间；
其中所述有源层(13)具有第一表面(14)和第二表面(15)，所述有源层(13)的所述第一表面(14)与所述第一覆盖层(11)的所述第二表面(22)接触，且所述有源层(13)的所述第二表面(15)与所述第二覆盖层(12)的所述第一表面接触；
其中所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)具有相反的导电类型；
其中所述第一和第二覆盖层(11-12)具有各自的带隙，每个所述的带隙比所述有源层(13)的带隙大；
其中所述第一覆盖层(11)、所述第二覆盖层(12)和所述有源层(13)中的至少一个层的特征在于不含有镓；和
其中所述第一覆盖层的晶格逐渐变化，使得所述第一覆盖层的第一表面(21)处的晶格与碳化硅衬底(17)的晶格更紧密的匹配，且所述第一覆盖层的第二表面(22)处的晶格与有源层(13)的晶格更紧密的匹配。
2.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)主要由AlxIn1-xN构成，其中0＜x≤1，并且其特征在于不含有镓。
3.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述第二覆盖层(12)主要由AlxIn1-xN构成，其中0＜x≤1，其特征在于不含有镓。
4.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中：
所述有源层(13)主要由AlxIn1-xN构成，其中0≤x＜1，其特征在于不含有镓。
5.根据权利要求1的半导体结构(10)，进一步包括在所述第二覆盖层的所述第二表面上的接触层(27)；
其中所述第二覆盖层的晶格逐渐变化，使得所述第二覆盖层的所述第一表面处的晶格与所述有源层(13)的晶格更紧密的匹配，且所述第二覆盖层的第二表面处的晶格与所述接触层(27)的晶格更紧密的匹配。
6.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)是掺杂的。
7.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)是未掺杂的。
8.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)和所述第一覆盖层(11)具有相同的导电类型。
9.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中：
所述第一覆盖层(11)的所述第一表面(21)与所述碳化硅衬底(17)接触。
10.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)是单晶。
11.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)是选自3C、4H、6H和15R的一种多型体。
12.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)是选自3C、4H、6H和15R的一种多型体的单晶碳化硅衬底(17)。
13.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，还包括选自氮化镓和氮化铟镓的不连续晶体部分(28)，所述不连续晶体部分(28)位于所述第一覆盖层(11)和所述碳化硅衬底(17)之间，所述不连续晶体部分(28)减小所述第一覆盖层(11)和所述碳化硅衬底(17)之间的势垒。
14.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，还包括：
第一欧姆接触(25)，其中所述碳化硅衬底(17)位于所述第一欧姆接触(25)和所述第一覆盖层(11)之间；和
第二欧姆接触(26)，其中所述第二覆盖层(12)位于所述第二欧姆接触(26)和所述有源层(13)之间。
15.根据权利要求14的半导体结构(10)，其中所述第一和第二欧姆接触(25-26)包括铝、镍、钛、金、铂或钒，或其合金。
16.根据权利要求5的半导体结构(10)，
其中所述接触层(27)和所述第二覆盖层(12)具有相同的导电类型。
17.根据权利要求16的半导体结构(10)，其中所述接触层(27)是p型接触层(27)，由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的一种III族氮化物形成。
18.根据权利要求16的半导体结构(10)，其中所述接触层(27)是p型超晶格，由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的多个III族氮化物层形成。
19.根据权利要求18的半导体结构(10)，其中所述超晶格由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的两个III族氮化物层的交替层形成。
20.根据权利要求19的半导体结构(10)，其中所述超晶格由氮化镓和InxGa1-xN的多个交替层形成，其中0＜x＜1；或者由氮化镓和AlxGa1-xN的多个交替层形成，其中0＜x＜1。
21.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，还包括：
导电缓冲层(23)；
其中所述导电缓冲层(23)位于所述碳化硅衬底(17)和所述第一覆盖层(11)之间。
22.根据权利要求21的半导体结构(10)，其中所述导电缓冲层(23)是选自由具有分子式AlxGa1-xN的氮化铝镓，其中0≤x≤1；和具有分子式AlxIn1-xN的氮化铝铟，其中0≤x≤1构成的组中的一种III族氮化物。
23.根据权利要求21的半导体结构(10)，还包括III族氮化物过渡层(24)，所述过渡层(24)位于所述导电缓冲层(23)和所述第一覆盖层(11)之间，并且具有与所述第一覆盖层(11)相同的导电类型。
24、根据权利要求21的半导体结构(10)，还包括：
第一欧姆接触(25)，其中所述碳化硅衬底(17)位于所述第一欧姆接触(25)和所述导电缓冲层(23)之间；和
第二欧姆接触(26)，其中所述第二覆盖层(12)位于所述第二欧姆接触(26)和所述有源层(13)之间。
25.根据权利要求5的半导体结构(10)，还包括：
导电缓冲层(23)，其中所述导电缓冲层位于所述碳化硅衬底(17)和所述第一覆盖层(11)之间；
第一欧姆接触(25)，其中所述碳化硅衬底(17)位于所述第一欧姆接触(25)和所述导电缓冲层(23)之间；和
第二欧姆接触(26)，其中所述接触层(27)位于所述第二欧姆接触(26)和所述第二覆盖层(12)之间。
26.根据权利要求25的半导体结构(10)，其中所述接触层(27)是p型超晶格，由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的多个III族氮化物层形成。
27.根据权利要求26的半导体结构(10)，其中所述超晶格由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的两个III族氮化物层的交替层形成。
28.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，还包括：
III族氮化物过渡层(24)，所述过渡层(24)与所述第一覆盖层(11)接触，与所述有源层(13)相对，并且具有与所述第一覆盖层(11)相同的导电类型；
与所述过渡层(24)接触且与所述第一覆盖层(11)相对的导电缓冲层(23)，所述导电缓冲层(23)是选自具有分子式AlxGa1-xN且其中0≤x≤1的氮化铝镓，和具有分子式AlxIn1-xN且其中0≤x≤1的氮化铝铟的一种III族氮化物；
与所述导电缓冲层(23)接触且与所述过渡层(24)相对的单晶碳化硅衬底(17)，所述碳化硅衬底(17)具有选自3C、4H、6H和15R的一种多型体，并且所述碳化硅衬底(17)和所述第一覆盖层(11)具有相同的导电类型；
在所述碳化硅衬底(17)的表面上且与所述导电缓冲层(23)相对的第一欧姆接触(25)，所述第一欧姆接触(25)包括选自铝、镍、钛、金、铂和钒的至少一种金属、或其合金；
在所述第二覆盖层(12)上且与所述有源层(13)相对的III族氮化物接触层(27)，其中所述接触层(27)是p型超晶格，由选自氮化镓；氮化铟；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且x+y＜1的多个III族氮化物层形成；
在所述III族氮化物接触层(27)的表面上且与所述第二覆盖层(12)相对的第二欧姆接触(26)，所述第二欧姆接触(26)包括选自铝、镍、钛、金、铂和钒的至少一种金属、或其合金。
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