CN100527452C - 发光二极管器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种双异质结构发光二极管器件，包括有源层(6)、正电极侧覆层、负电极侧覆层(4)、窗口层(9)和未掺杂AlInP层。正电极侧覆层包括生长到0.5μm厚度的未掺杂AlInP层(7)，和掺杂呈现p型导电性并具有落入未掺杂AlInP层的能带隙值和窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层(8)。中间层上的窗口层是在730℃或更高温度下并以7.8μm/小时或更快的生长速率在存在作为掺杂剂的Zn时生长的GaP层。负电极侧覆层具有0.1μm或更大厚度的未掺杂AlInP层(5)。利用这种结构，提供了一种发光二极管器件，能够提高窗口层的结晶度，防止由高温处理引起的缺陷的产生，并在落入黄绿带的波长下获得高亮度。

Description

发光二极管器件及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年2月10日提交的日本专利申请JP2003032580和2003年3月12日提交的日本专利申请JP2003067362的优先权。

技术领域

本发明涉及一种发射可见光的发光二极管(LED)器件，并涉及用于制造该LED器件的方法。

背景技术

发现LEDs的包括显示器的多种使用。正如公知的，采用半导体的LEDs的发射波长取决于半导体的类型，并以InGaN、AlGaInP、GaAlAs和GaInAsP的顺序增长。LEDs的亮度逐年地提高，而且现在采用高亮度的LED作为照明装置或液晶显示器的背后照明。然而，对于进一步提高亮度的研究正在进行中。

在此种高发射效率的LEDs中，USP 5,008,718和JP-A HEI 3-270186公开了具有如图14或15所示的双异质(DH)结结构的LEDs。这些LEDs的一个性能特征是在其结构中，用于通过电子和空穴的复合发光的有源层102被夹在用于限制有源层102中的电子和空穴的限制层103和104之间。带隙比有源层宽的限制层作为不吸收发射光的覆层。另外，标号101表示衬底，105表示窗口层，106表示背侧电极，107表示前侧电极，而108表示n型阻挡层。

正如公知的，从具有上述结构的LED发射的光的波长是由有源层的组分确定的。例如，在具有如图16所示的双异质(DH)结结构的采用由AlGaInP(例如，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P)形成的有源层102的LED中，有源层的带隙能(Eg)根据x的值变化，即根据方程：Eg＝1.91+0.61x(eV)(0≤x≤0.6)变化。因此，从LED发射的光的波长根据有源层的带隙能，即根据有源层的组分从650nm到545nm变化。正如公知的，当x的值增加时，从LED发射的光的波长变短，并且光的强度大大减小。

下面将说明发射光强度减小的原因。由于需要增加有源层的带隙以增加发射短波长的光，因此减小了有源层中镓(Ga)的组分比。然而，有源层和限制层之间的带隙差随着组分比的减小而减小。这样，将空穴注入有源层的势垒增加，从而减小了空穴注入的效率。此外，关于在有源层中限制的电子的覆层的垒级减小，导致弱的电子限制。结果，电子和空穴的复合的发生的频率变低，由此降低发光输出。

在这一点上，“High Brightness Light Emitting Diode(pp.108、162和168(1996)，G.B.Stringfellow等人)描述了用AlInP形成覆层提高了LED的空穴注入效率和电子限制作用。

JP-A HEI 8-321633公开了一种LED，其中与有源层接触的一部分p型覆层由具有约0.005到约0.2μm的厚度的未掺杂层形成。

JP-C 3233569公开了一种结构，其中在p-GaP层和p-AlGaInP层之间或p-AlGaInP覆层和AlGaInP有源层之间插入附加层，以防止由带不连续产生的缺口，其中附加层具有落入夹附加层的层的带隙值之间的中间带隙值，因此减小了正向电流的电阻。

JP-C 3024484公开了一种具有特有覆层结构的LED器件。如图17所示，该器件包括有源层102、置于有源层下侧的n型覆层103和置于有源层上侧的p型覆层104。n型覆层103包括邻近有源层的第一n型覆层103a和邻近第一覆层的第二n型覆层103b。p型覆层104包括邻近有源层的第一p型覆层104a和邻近第一p型覆层104a的第二p型覆层104b。第一覆层具有比第二覆层低的载流子浓度，并具有比第二n型覆层小而比用于施加量子机械隧道效应的厚度大的厚度。在有源层和第二覆层之间的价带中提供的势垒高度预定在比在有源层和第一覆层之间的价带中提供的势垒高度更高的级别上。第一和第二覆层由AlGaInP形成，并且第一覆层中的In与AlGa的比率预定在比第二覆层中的In与AlGa的比率更低的级别上。另外，标号109表示缓冲层。

JP-A 2000-312030公开了另一种LED器件。如图18所示，该器件具有叠层结构和与叠层结构连接的电极。叠层结构包括由基于AlGaInP的化合物半导体形成的n型覆层103、由具有用于获得比n型覆层更低带隙能的组分的基于AlGaInP的化合物半导体形成的有源层102、由具有用于获得比有源层更高带隙能的组分的p型基于AlGaInP的化合物半导体形成的覆层104、以及由GaP形成的p型窗口层105。该器件还包括在p型覆层104和p型窗口层105之间的由具有比p型覆层更低的带隙能的材料形成的中间层(正向电压减小层)110。

JP-A HEI 8-293623公开了一种用于制造具有DH结结构的LED器件的方法。如图19所示，该器件具有DH结发光层，包括在半导体衬底101上的n型覆层103、有源层102和p型覆层104，从而在没有导致由p型杂质扩散到未掺杂有源层引起的低光发射效率的情况下，可以获得极佳的特性。该方法包括连续形成半导体层，p型覆层104的有源层102侧的一部分基本上由未掺杂层111形成，并在电流扩散层(窗口层)105上的接触层113上形成电极107。

USP 5,008,718也公开了一种具有在AlGaInP层上提供的GaP窗口层的结构的LED器件。“J.Crys.Growth”(142，pp.15-20(1994)，J.Lin等人)公开了一种用于制造如图20所示的LED器件的方法，该方法包括在AlGaInP层上层叠GaP窗口层105的步骤，其中在800℃或更高温度下进行生长，以防止晶体缺陷的产生。

通常，公知p-AlGaInP或p-AlInP具有非常小的电导率。为了克服此小电导率，在LED器件中采用窗口层(或电流扩散层)，以增加发光部分的面积，以使电流在不局部流动的情况下扩散。然而，当窗口层具有大电阻率时，用于给LED器件提供额定电流所需的电压会增加。这样，优选用具有尽可能小的电阻率的物质形成窗口层。

提高窗口层(或电流扩散层)的结晶度对于降低窗口层的电阻率是有效的。然而，当在高温下生长窗口层以提高层的结晶度时，整个LED器件都要经受高温处理。这样，在除了窗口层的一部分器件中出现问题，导致生产高输出强度的LED器件的失败。

通常公知的发射假设从黄绿到红橙的颜色范围的光的发光器件(例如，发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs))包括结合由AlGaInP混合晶体层形成的发光部分的发光器件，例如，如JP-A HEI 8-83927中公开的。

JP-A HEI 8-83927中公开的发光器件具有包括由AlGaInP混合晶体层形成的发光部分、由在发光部分的表面上层叠的氧化铟锡形成的透明导电膜、以及在透明导电膜上形成的上表面电极的结构。在具有该结构的发光器件中，来自上表面电极的电流通过透明导电膜扩散到半导体表面上最大可能的区域。

然而，在上述常规发光器件中，很难获得透明导电膜和发光部分表面之间的充分的欧姆接触，导致正向电压的增加和寿命特性的退化。由于上述原因，例如，JP-A HEI 11-17220公开了一种显示出欧姆接触得到提高的发光器件。

JP-A HEI 11-17220中公开的发光器件具有包括发光部分、在发光部分的表面上形成的窗口层、在窗口层上形成的接触层、由在接触层上层叠的氧化铟锡形成的透明导电膜(导电、透明的氧化层)、以及在透明导电膜上形成的上表面电极(上层电极)的结构。在该发光器件中，来自上表面电极的电流通过透明导电膜、接触层和窗口层扩散到发光部分的表面上最大可能的区域。

在JP-A HEI 11-17220中公开的发光器件中，虽然提高了透明导电膜和半导体层之间的欧姆接触，但是发射的光在发光部分上提供的接触层中被吸收，并因此很难获得高亮度发射，并没有提高发射效率。

由于上述原因，本发明提供了一种具有包括半导体层和在半导体层的部分表面上提供的分布式电极的结构的发光器件。通过该结构，分布式电极和半导体层之间的电阻变得比透明导电膜和半导体层之间的电阻更低，并且从焊盘电极提供的大多数驱动电流，通过显示更低电阻的路径，连续流向透明导电膜、分布式电极和半导体层(发光部分)。JP-A 2001-189493中公开了该发光器件。

在JP-A 2001-189493中公开的发光器件中，由于光是从发光部分的与位于分布式电极周围的部分相对应的部分发射，因此光的发射不在分布式电极正下方的区域发生。因此，大多数发射光不会被分布式电极阻挡，并且可以从发光器件的上部提取，由此可以提高发射效率。另外，发光器件不包括接触层，这样发射的光可以防止在接触层中被吸收。光吸收的防止也有利于发射效率的提高。

然而，在JP-A 2001-189493中公开的发光器件中，虽然分布式电极是分散的并具有小面积，但是在每个电极正下方的区域中发射的光在从发光器件的上部提取时被电极阻挡。发现这样的阻挡会引起发射效率的降低。

由于上述原因，本发明考虑提供一种能够获得在落入黄绿带的波长下的高亮度的发光二极管器件，其中常规器件显示出明显减小的输出强度，其中通过在高于常规采用的处理温度下形成窗口层来制造该器件，从而提供了具有提高的电导率的窗口层，并通过修改器件结构来防止由高温处理引起的变化。

本发明的另一目的是提供能够在电极和半导体层之间获得良好欧姆接触，并有效提取从发光部分发射的光同时防止阻挡发射光的发光二极管器件，从而提高了发射效率，并提供了用于制造该发光二极管器件的方法。

发明内容

为了获得能够提高窗口层的结晶度和防止由于高温处理引起的缺陷的产生的精度得到提高的发光二极管器件，本发明的发光二极管器件包括AlGaInP有源层，将有源层夹在中间并具有比有源层的能带隙值更大的能带隙值的正电极侧覆层和负电极侧覆层，以及在正电极侧覆层上形成并具有比有源层更大的能带隙值的窗口层，其中正电极侧覆层包括生长到0.5μm或更大厚度并与有源层保持接触的未掺杂AlInP层，以及掺杂呈现p型导电性、与窗口层保持接触并具有落入未掺杂AlInP层的能带隙值和窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层。

本发明也提供了一种发光二极管器件，该器件包括AlGaInP有源层，将有源层夹在中间并具有比有源层的能带隙值更大的能带隙值的正电极侧覆层和负电极侧覆层，以及在正电极侧覆层上形成并具有比有源层更大的能带隙值的窗口层，其中窗口层是在730℃或更高温度下并以7.8μm/小时或更快的生长速率在存在作为掺杂剂的Zn时生长的GaP层。

在上述发光二极管器件中，正电极侧覆层包括生长到0.5μm或更大厚度并与有源层保持接触的未掺杂AlInP层，以及掺杂呈现p型导电性、与窗口层保持接触并具有落入未掺杂AlInP层的能带隙值和窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层。

本发明还提供了一种发光二极管器件，包括AlGaInP有源层，将有源层夹在中间并具有比有源层的能带隙值更大的能带隙值的正电极侧覆层和负电极侧覆层，以及在正电极侧覆层上形成并具有比有源层更大的能带隙值的窗口层，其中负电极侧覆层包括与有源层保持接触并具有0.1μm或更大厚度的未掺杂AlInP层。

在上述发光二极管器件中，负电极侧覆层包括与未掺杂AlInP层的负电极侧保持接触并包含作为掺杂剂的硅的n型覆层。

本发明还提供了一种用于制造发光二极管器件的方法，包括以下步骤：在砷化镓(GaAs)衬底上沉积缓冲层，在缓冲层上提供n型反射层，在反射层上沉积掺杂硅的n型覆层，在n型覆层上提供第一未掺杂的AlInP层，在第一未掺杂的AlInP层上提供AlGaInP有源层，在有源层上提供第二未掺杂的AlInP层，在第二未掺杂的AlInP层上提供p型中间层，以及在p型中间层上，在730℃或更高温度下并以7.8μm/小时或更快的生长速率生长掺杂锌的p型GaP层作为窗口层。

另外，为了获得显示电极和半导体层之间的良好接触和高发射效率的发光二极管器件，本发明的发光二极管器件包括在其背表面上具有第一电极的半导体衬底、在半导体衬底上形成并包括由AlGaInP形成的发光部分以及在该发光部分上形成的窗口层的半导体层、形成以沿窗口层的部分表面延伸并与窗口层保持欧姆接触的分布式电极、形成以覆盖窗口层和分布式电极的表面并与分布式电极建立电导通的透明导电膜、以及在透明导电膜的部分表面上形成并与导电膜建立电导通的焊盘电极。

在上述发光二极管器件中，半导体衬底为n型导电性，而窗口层由包含Zn或Mg作为杂质的p型GaP层形成。

窗口层包括具有至少3μm的厚度、具有至少5×10¹⁴cm^-2的厚度和载流子浓度的乘积N·d并具有至少1×10¹⁸cm^-3的表面载流子浓度的窗口层。

发光二极管器件的分布式电极在半导体层的表面上形成，以在从上面看时不与焊盘电极交迭；比焊盘电极的面积小；具有占有效发射面积的3％或更多，但30％或更小的总表面积，并由金合金形成。

发光二极管器件的透明导电膜由氧化铟锡(ITO)形成。

发光二极管器件的焊盘电极在从上面看时在器件的表面的中心上形成，具有由金形成的表面，由具有与透明导电膜接触的由铬形成的层的多层膜形成。

发光二极管器件的分布式电极由具有基本方形或基本圆形形状的环形电极形成以围绕焊盘电极并具有20μm或更小的宽度。

本发明还提供了一种用于制造发光二极管器件的方法，包括以下步骤，在单晶衬底上外延生长包括由AlGaInP形成的发光部分和在该发光部分上的p型窗口层的半导体层；在窗口层的部分表面上形成与窗口层欧姆接触的分布式电极；形成透明导电膜以覆盖窗口层和分布式电极的表面，并建立与分布式电极的电导通，以及在透明导电膜的部分表面上形成焊盘电极，以建立与所述导电膜的电导通。

在上述方法中，半导体层通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成，透明导电膜通过溅射形成，而焊盘电极通过溅射形成。

本发明还提供了一种能够提高窗口层的结晶度，防止缺陷的产生并具有在窗口层内提供的分布式电极的精度得到提高的发光二极管器件。

如上所述，在具有AlGaInP有源层的本发明的DH结构发光二极管器件中，正电极侧覆层包括生长到0.5μm或更大厚度并与有源层保持接触的未掺杂AlInP层，以及掺杂呈现p型导电性、与窗口层接触并具有落入未掺杂AlInP层的能带隙值和窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层。由此，可以提高高窗口层的结晶度，而且亮度几乎可以翻倍。

另外，本发明的发光二极管器件具有与窗口层的部分表面欧姆接触的分布式电极，由于分布式电极和窗口层之间的电阻变得相当低，而从分布式电极流向窗口层的电流在窗口层内适当地扩散，光从位于分布式电极周围的部分发射。因此，大多数发射的光未被分布式电极阻挡，并可以从发光二极管器件的上部提取。

附图说明

图1是示意性截面图，示出了根据本发明的具有AlGaInP有源层的双异质结构发光二极管(LED)器件的一个实施例。

图2(a)是图表，示出了LED的正向电压(Vf)与图1的LED器件中包括的中间层的组分的依从关系。

图2(b)是图表，示出了LED的亮度与图1的LED器件中包括的中间层的组分的依从关系。

图3(a)是图表，示出了LED的Vf与图1的LED器件中包括的负电极侧未掺杂的AlInP层的厚度的依从关系。

图3(b)是图表，示出了LED的亮度与图1的LED器件中包括的负电极侧未掺杂的AlInP层的厚度的依从关系。

图4(a)是图表，示出了LED的Vf与图1的LED器件中包括的窗口层的生长条件的依从关系。

图4(b)是图表，示出了LED的亮度与图1的LED器件中包括的窗口层的生长条件的依从关系。

图5是示意性截面图，示出了本发明的具有与窗口层的部分表面欧姆接触的分布式电极的另一LED器件的结构。

图6是示意性平面图，示出了图5的LED器件。

图7是示意性截面图，示出了图5的LED器件的修改结构。

图8是示意性平面图，示出了图7的LED器件。

图9是平面图，示出了本发明的LED器件中采用的分布式电极的另一示例性布置。

图10是平面图，示出了本发明的LED器件中采用的分布式电极的另一示例性布置。

图11是平面图，示出了本发明的LED器件中采用的分布式电极的另一示例性布置。

图11是平面图，示出了本发明的LED器件中采用的分布式电极的另一示例性布置。

图13是示意性截面图，示出了根据本发明的具有AlGaInP有源层和具有分布式电极的窗口层的发光二极管器件的结构。

图14是示意性截面图，示出了第一常规LED实例。

图15是示意性截面图，示出了第二常规LED实例。

图16是示意性截面图，示出了第三常规LED实例。

图17是示意性截面图，示出了第四常规LED实例。

图18是示意性截面图，示出了第五常规LED实例。

图19是示意性截面图，示出了第六常规LED实例。

图20是示意性截面图，示出了第七常规LED实例。

具体实施方式

图1是示意性截面图，示出了根据本发明的具有AlGaInP有源层的双异质结构发光二极管(LED)器件的一个实施例。在该实施例中，在衬底1上依次形成缓冲层2、反射层3、n型覆层4、第一未掺杂AlInP层5、有源层6、第二未掺杂AlInP层7、p型中间层8和窗口层9，同时在衬底1的背面上提供n-电极10，并在窗口层9的前表面上提供p-电极11。

在该实施例中使用的衬底是掺杂硅(Si)的砷化镓(GaAs)衬底(相对于(100)偏离15°)。在衬底上，通过使用三甲基镓(Ga(CH₃)₃)、三甲基铟(In(CH₃)₃)、三甲基铝(Al(CH₃)₃)、二甲基锌(Zn(CH₃)₂)、乙硅烷(Si₂H₆)、三氢化砷(AsH₃)和三氢化磷(PH₃)形成下面表1中列出的层。注意，在膜形成期间，优选与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP层和AlInP层。

表1

 

层	层厚度(μm)	CV载流子浓度(cm<sup>-3</sup>)	化学式
				窗口层	5≤	2到4×10<sup>18</sup>	p(Zn)-GaP
p型中间层	0.5	5到10×10<sup>17</sup>	p(Zn)-(Al<sub>0.6</sub>Ga<sub>0.4</sub>)InP
				未掺杂的AlInP层	0.5	-	未掺杂的AlInP
有源层	1.0	-	未掺杂的AlGaInP
				未掺杂的AlInP层	0.2	-	未掺杂的AlInP
n型覆层	1.3	0.5到3×10<sup>18</sup>	n(Si)-AlInP
				反射层	1.0到1.5	0.5到3×10<sup>18</sup>	n(Si-Al<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>As/Al<sub>0.9</sub>Ga<sub>0.1</sub>As)
缓冲层	0.5	0.5到3×10<sup>18</sup>	n(Si)-GaAs
				衬底	280	-	掺杂Si的GaAs(偏离15°)

这样，根据本发明的制造工艺的一般程序如下所述。

(1)在GaAs衬底1上沉积作为缓冲层2的掺杂硅的n型GaAs层，以获得0.5μm的层厚度。

(2)提供n型SiAl_0.5Ga_0.5As/Al_0.9Ga_0.1As叠层膜作为反射层3(DBR：分布布拉格反射器)。在没有提供反射层时，会削弱发射的光。

(3)在反射层3上提供掺杂硅的AlInP层作为第一n型覆层4。

(4)在n型覆层4上提供未掺杂的AlInP层作为第一未掺杂的覆层5。优选层5具有0.1μm或更大的厚度。另外，在没有提供层5时，会削弱发射的光。n型覆层4和第一未掺杂的AlInP层5结合形成负电极侧覆层。

(5)在第一未掺杂的AlInP层5上提供由未掺杂的AlGaInP形成的层作为有源层6。有源层夹在第一未掺杂的AlInP层5和第二未掺杂的AlInP层7之间，以形成对光发射有利的双异质(DH)结构。

(6)在有源层6上提供未掺杂的AlInP层作为第二未掺杂的覆层7。优选覆层7具有0.5μm或更大的厚度。

(7)在第二未掺杂的覆层7上形成由掺杂锌(Zn)的(Al_0.6Ga_0.4)InP形成的p型中间层8。(Al_0.6Ga_0.4)InP具有落入GaP的带隙值和AlInP的带隙值之间的中间带隙值。因此，在窗口层9和第二未掺杂的AlInP层7之间提供了两个小的、不连续的带隙。这样，相对于存在一个不连续的带隙的情况，更有效地防止了由于不连续的带隙的存在引起的电阻值的增加。p型中间层8的组分不限于(Al_0.6Ga_0.4)InP，而是如下面表2所示，也可以采用(Al_0.7Ga_0.3)InP来发射光。相对于采用AlInP的情况，当用(Al_0.6Ga_0.4)InP或(Al_0.7Ga_0.3)InP形成中间层时，正向电压(Vf)会减小越一半，而亮度几乎会翻倍。下面表2中所示的数据来自图2(a)和图2(b)中所示的数据分布图。特别优选使用(Al_0.6Ga_0.4)In，因为，相对于采用(Al_0.7Ga_0.3)InP的情况，Vf减小了0.15V，而亮度增加了8.5％。正电极侧覆层由第二未掺杂的AlInP层7和p型中间层8结合形成。

表2

(8)在p型中间层8上提供由掺杂锌的p型GaP形成的窗口层9。优选层9具有5μm或更大的厚度。优选在730℃或更高温度下进行层9的生长。膜生长包括用锌掺杂。为了增加掺杂密度，优选采用更高的生长速率。如下所述，通过以7.8μm/小时或更快的速率生长层9可以将亮度提高70％。

(9)在窗口层的前表面上形成p-电极11，而在GaAs衬底1的背面上形成n-电极10。

下面将描述Vf和亮度与负电极侧覆层的构造的依存关系。表3示出了负电极侧覆层中包括的未掺杂的AlInP层在不同的厚度值时的Vf值和亮度值。如从表3中清楚看到的，相对于没有未掺杂的AlInP层的情况，当存在具有0.1μm或0.2μm厚度的未掺杂的AlInP层时，Vf减小了约0.2V，而亮度几乎翻倍。另外，相对于AlInP层具有0.1μm厚度的情况，当未掺杂的AlInP层具有0.2μm的厚度时，亮度增强了6％。表3中所示的数据源自图3(a)和图3(b)中所示的数据分布图。

表3

接下来，将描述Vf和亮度与窗口层生长条件的依存关系。表4示出了在不同的窗口层生长温度下的Vf值和亮度值。如从表4中清楚看到的，相对于在700℃和2.8μm/小时的生长速率下生长的情况，当在700℃和7.8μm/小时的生长速率下生长时，获得了几乎相同的Vf和亮度值。然而，当在730℃和7.8μm/小时的生长速率下进行生长时，Vf减小了约0.16V的量，而亮度增强了88％。在这种情况下，负电极侧未掺杂的AlInP层具有0.2μm的厚度，而如从表3中所示的数据计算的，厚度差别的影响占6％。甚至在忽略该影响时，亮度仍增强了80％或更多。表4中所示的数据源自图4(a)和图4(b)中所示的数据分布图。

表4

将参照图5至12描述本发明的具有与窗口层的部分表面接触的分布式电极的发光二极管器件。

图5和图6示意性地示出了本发明的发光二极管器件的结构。图6是该器件的平面图，而图5是图6的器件的截面图，如沿线V-V所得。在下文中使用的表述“在从上面看时半导体层的表面”指在图6所示的平面图中观看表面的情况。

如这些图所示，本发明的发光二极管器件包括在其背面上具有第一电极30的半导体衬底21、在半导体衬底21上形成并包括由AlInGaP形成的发光部分22和在发光部分上形成的窗口层23的半导体层24、形成以沿窗口层23(半导体层24)的部分表面延伸并与窗口层23保持欧姆接触的分布式电极32、形成以覆盖窗口层23和分布式电极32的表面并与分布式电极32建立电导通的透明导电膜29、以及在导电膜29的部分表面上形成并与导电膜29建立电导通的焊盘电极31。优选，发光部分22具有显示高发射效率的结构，例如公知的双异质结构或公知的多量子阱(MQW)结构。如图6所示，优选在半导体层24的部分表面上提供分布式电极32，该部分在从上面看时没有与焊盘电极31交迭。更优选，在与焊盘电极31交迭的部分上不提供分布式电极32。由于在分布式电极32和窗口层23之间保持了良好的欧姆接触，所以它们之间的电阻变低。相反，由于在透明导电膜和窗口层23之间不能建立充分的欧姆接触，所以它们之间的电阻变高。

在具有上述结构的发光二极管器件中，在窗口层23的部分表面上提供分布式电极32，并保持与窗口层23欧姆接触。因此，分布式电极32和窗口层23之间的电阻变的比透明导电膜29和窗口层23之间的低，而且，如图5中箭头所示，从焊盘电极31提供的大多数驱动电流通过显示更低电阻的路径持续流向透明导电膜29、分布式电极32、窗口层23和发光部分22。由于从分布式电极32流向窗口层23的电流在窗口层23内被适当地扩散，所以光从部分发光部分22发射，该部分对应于位于分布式电极32周围的部分。因此，只有从发光部分22发射的少量光被分布式电极32阻挡，而大多数发射的光可以从发光二极管器件的上部提取，由此可以提高发射效率。

不管其导电类型(n型或p型)，窗口层23都有助于提高发射效率。通常，p型窗口层显示出低的迁移率，而且在来自分布式电极32的电流在该层中扩散时会遇到困难。然而，本发明发现，当p型窗口层满足特定要求，并当优化包括层的厚度、层的厚度和载流子浓度的乘积、层的表面载流子浓度以及层的材料的因素时，所得层极其有助于获得高亮度发射。

具体地说，本发明人发现，当窗口层为p型导电性时，如果层具有3μm或更大的厚度，那么足量的电流会在该层中扩散。然而，当层的厚度过大时，会削弱层的表面条件。因此，优选层的厚度为20μm或更小。从降低成本的观点出发，更加优选层的厚度为10μm或更小。

本发明人还发现，窗口层23的厚度和载流子浓度的乘积在获得高亮度发射中是一个非常重要的因素，而且，当乘积为5×10¹⁴cm^-2或更大时，层明显显示出获得高亮度发射的效果。

当窗口层23的表面载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3或更大时，层23和分布式电极32之间的接触电阻降低，导致促进电流扩散和获得高亮度发射。

窗口层23的材料优选为能够传输发射并扩散足量电流的材料。例如，GaP是用于形成窗口层的最佳材料，因为GaP层可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长，并且很容易获得GaP层的电阻的降低和层的增厚。

如图6所示，分布式电极32由基本圆的环形电极形成，以环绕焊盘电极31。环形电极包括放射状延伸的部分。环形电极的宽度优选为20μm或更小。此种分布式电极32的平面布置能够使电流在窗口层23中更有效地扩散，而且这样，来自焊盘电极31的驱动电流可以遍布于窗口层23的广阔的表面区域。

如上所述，提供分布式电极32以使不与焊盘电极31交迭。因此，在位于焊盘电极31正下方的区域内发射的只是少量的光，而大多数发射的光没有被焊盘电极31阻挡，并且可以从发光二极管器件的上部提取，导致发射效率的可观的提高以及高亮度发射的获得。

当调整分布式电极32的面积小于焊盘电极31的面积时，相对于常规发光二极管器件的情况，发射可以被更有效地提取到器件外面，即可以进一步提高发射效率。

如上所述，由于电极32和层24之间的欧姆接触，分布式电极32和半导体层24之间的电阻变低。因此，可以抑制发光二极管器件的正向电压的增长，由此可以提高器件的寿命特性。

透明导电膜29由，例如，氧化铟锡(ITO)形成，并显示出极佳的半透明。尤其在通过溅射形成膜时，所得膜显示出极佳的特性(即，低电阻和高透明度)。因此，当发射的光通过透明导电膜29时，从发光部分22发射的光在该层中基本上没有被吸收，于是可以通过透明导电膜29有效地从发光二极管器件的上部提取发射的光。

焊盘电极31是要经受用于将发光二极管器件连接到外部电路的引线焊接的电极，并因此电极31必须具有一定的面积。在常规发光二极管器件的情况中，通过从焊盘电极31流向位于焊盘电极31正下方的区域的驱动电流发射的光被焊盘电极31阻挡，并很难提取到器件外部。因此，通常要采取一些措施。例如，在焊盘电极31和发光部分22之间提供绝缘层，以由此强制阻止驱动电流从焊盘电极31向位于电极31正下方的区域流动。相反，在本发明中，可以引导驱动电流流过分布式电极32。因此，通过不具有绝缘层的更加简化的结构，可以防止驱动电流流向位于焊盘电极31正下方的区域。

在发光期间变为有效的区域(有效发光区域)的透明导电膜29的表面(或半导体层24的表面)区域的面积，通过从膜29的表面的面积减去焊盘电极31的表面的面积获得(即，当在如图6所示的平面图中看时测量的面积)。在下文中，所得面积被称作有效发射面积S。发射光的提取被焊盘电极31在位于电极正下方的区域中阻挡，而且该现象在某种程度上甚至会在分布式电极32的情况中出现。因此，在本发明中，优选调整分布式电极32的总表面积(即，从上面看时测量的面积)为有效发射面积S的3％到30％，以防止出现会在分布式电极32的表面积过大的情况下出现的由过多地阻挡发射光的提取引起的问题，或会在分布式电极32的表面积过小的情况下出现的由正向电压(Vf)的增长引起的问题。

当电流在窗口层23中以适当的方式良好地扩散时，发射光的提取在位于电极32正下方的区域内被分布式电极32阻挡的现象几乎不可能出现。

下面将参考图7到12描述本发明的半导体发光器件的更加具体的实施例。

图7和8示出了图5所示的本发明的发光二极管器件的修改。图8是该器件的平面图，而图7是图8的器件的沿线VII-VII截取的截面图。这些图中所示的本发明的发光二极管器件发射黄绿光。

在掺杂硅的n型偏离(001)15°的GaAs单晶衬底21上形成半导体层24。半导体层24包括由掺杂硅的n型GaAs形成的缓冲层25、由掺杂硅的n型Al_0.5Ga_0.5As/Al_0.9Ga_0.1As多层膜形成的DBR反射层26、由掺杂硅的n型Al_0.5In_0.5P层和未掺杂的Al_0.5In_0.5P层形成的下覆层27、由组分比受到控制以获得570nm发射波长的未掺杂的AlGaInP混合晶体形成发光层22、由未掺杂的Al_0.5In_0.5P层和掺杂Zn的p型Al_0.5In_0.5P层形成的上覆层28、以及掺杂Zn的p型GaP窗口层23，这些层以此顺次连续在衬底21上形成。

在衬底21上通过使用三甲基铝((CH₃)₃Al)、三甲基镓((CH₃)₃Ga)、三甲基铟((CH₃)₃In)作为III族元素的原材料的降压MOCVD形成组成半导体层24的层25、26、27、22、28和23的每一层。采用二乙基锌((C₂H₅)₂Zn)作为掺杂锌(Zn)的原材料。采用乙硅烷(Si₂H₆)作为n型掺杂的原材料。另外，采用三氢化磷(PH₃)或三氢化砷(AsH₃)作为V族元素的的原材料。在735℃的温度下形成层25、26、27、22、28和23的每一层。

分别将缓冲层25的载流子浓度和厚度控制在约2×10¹⁸cm^-3和约0.5μm。分别将反射层26的载流子浓度和厚度控制在约2×10¹⁸cm^-3和约1.2μm。将下覆层27的载流子浓度控制在约1×10¹⁸cm^-3。在层27中，分别将在其上形成的掺杂硅的n型层和未掺杂的层的厚度控制在约1.3μm和0.2μm。将发光层22的厚度控制在约1μm。在上覆层28中，分别将在其上形成的未掺杂的层和掺杂Zn的p型层的厚度控制在0.5μm和约0.5μm。将掺杂Zn的p型层的载流子浓度控制在约6×10¹⁷cm^-3。

分别将p型窗口层23的载流子浓度和厚度控制在约3×10¹⁸cm^-3和约6μm。窗口层23的载流子浓度N和厚度d的乘积，即N·d，为约1.8×10¹⁵cm^-2。

下覆层27、发光层22和上覆层28组成发光二极管器件的发光部分。这样，该发光部分具有由AlGaInP形成的双异质结构。

在发光二极管器件中，为了形成分布式电极32，首先，通过通常采用的真空沉积技术，在窗口层23的整个表面上临时沉积金铍合金(Au(99wt.％)-Be(1wt.％))膜(厚度：约50nm)，接着在金铍合金膜的表面上沉积金(Au)膜(厚度：约100nm)。

接着，通过通常采用的光刻技术构图包括金铍合金膜(第一膜)和金膜(第二膜)的如此形成的双层膜，以从而形成具有基本方形框形状(宽：约6μm，每侧的尺寸：150μm)的分布式电极32。得到分布式电极32的面积为约0.36×10^-4cm²。如图8所示，在窗口层23的表面的区域(除了在焊盘电极31正下方的区域)上形成包括第一和第二膜的分布式电极32，以使电极32围绕焊盘电极31。在从上面看时，分布式电极32呈现对称的、基本方形的形状。

在单晶衬底21的背面上形成金锗合金层(厚度：约0.3μm)，并在其上形成金层(厚度：约0.3μm)，以从而形成n型欧姆电极30。此后，所得的产品在450℃及氮气流下经历10分钟合金热处理，以从而形成分布式电极32和窗口23之间的欧姆接触以及n型欧姆电极30和单晶衬底21之间的欧姆接触。

接着，通过公知的磁控管溅射技术，在窗口层23和分布式电极32的表面上沉积氧化铟锡(ITO)透明导电膜29。将透明导电膜的具体电阻和厚度分别控制在约4×10^-4Ω和约500nm。膜29显示出相对于发射波长约95％的透明度，即膜显示良好特性。

通过公知的磁控管溅射技术，在透明导电膜29上形成包括Cr层(厚度：30nm)和金层(厚度：1μm)的多层膜。在将通常采用的有机光刻胶材料施加到多层膜之后，通过公知的光刻技术构图将要提供焊盘电极31的区域，以由此形成具有约110μm的直径的环形焊盘电极31。得到的焊盘电极31的表面积约为1×10^-4cm²。

由于下面的原因，如图8的平面图所示，确定将要提供焊盘电极31的区域包括发光二极管器件的表面的中心；即，包括器件的方形表面的对角线的交点。因为在焊盘电极31在发光二极管器件的表面的中心区域上提供的情况下，电流趋于均匀地流过发光二极管器件，并且在焊盘电极31经历引线焊接时不会出现器件芯片的倾斜。

此后，通过通常采用的切割技术将上面形成的产品切成芯片，以由此制造方形发光二极管器件(尺寸：230μm×230μm)。得到的透明导电膜29的表面积约为4×10^-4cm²，而计算的通过从透明导电膜29的表面积减去焊盘电极31的表面积获得的有效发射面积S为约3×10^-4cm²。得到的分布式电极32的总面积为约0.36×10^-4cm²，而计算的总表面积与有效发射面积S的比约为12％。

当使正向电流流过上述形成的发光二极管器件的欧姆电极30和焊盘电极31时，通过透明导电膜29的表面发射黄绿光(波长：约570nm)。当使20mA的电流流过时，由于分布式电极32的良好欧姆特性和窗口层32的电流扩散作用，正向电压(Vf：对应于20mA)变为约2V。

由于在发光二极管器件的外围区域上提供的欧姆分布式电极32的作用，以及窗口层23的作用，在发光二极管器件的外围区域观察到光的发射，并且以简单方法测量得到的从器件芯片发射的光的强度为约40mcd。由于分布式电极32和窗口层23的存在，驱动电流均匀扩散通过器件，所以通过透明导电膜29的任何一部分表面都发射基本均匀强度的光。

在上述第一实施例中，采用Zn或Si作为掺杂剂。然而，甚至在采用如Mg、Te或Se等公知的掺杂剂时，可以获得与上述类似的效果。在第一实施例中，将双异质结构应用到了发光层22。然而，甚至在发光层22具有MQW结构时，可以获得与上述类似的效果。

如上所述，在第一实施例的发光二极管器件中，窗口层23的厚度和载流子浓度分别为约6μm和约3×10¹⁸cm^-3，而层23的载流子浓度N和厚度d的乘积，即N·d，约为1.8×10¹⁵cm^-2。该发光二极管器件被看作实例1的发光二极管器件。重复实例1(第一实施例)的制造程序，除了如表5中所示对窗口层的厚度和载流子浓度进行改变，以由此制造5类发光二极管器件(实例2、3、4、5和6)。测量了实例1到6的每个发光二极管器件的Vf值和发射强度。结果在下面的表5中示出。

表5

制造与实例1的器件相同结构的除了没有提供窗口层的发光二极管器件，用于对比。将这样制造的对比器件的Vf值和发射强度与实例1到6的每个发光发光二极管的Vf值和发射强度相比较。结果在面表5中示出。

如表5所示，对比实例的发光二极管器件的Vf值(对应于20mA)为约2.2V，这要高于实例1到6的各个发光二极管器件的Vf值；即，1.99V到2.02V。在对比实例的器件中，光的发射只出现在位于欧姆电极正下方的区域和电极周围的区域中，于是大量的发射光被电极阻挡并很难提取到器件的外面。结果，对比器件发射低亮度的光；即，具有小于15mcd的亮度的光。相反，实例1到6的各个器件发射具有30mcd到42mcd的亮度的光。

对比实例的器件和实例的器件之间的对比表明本发明的发光二极管器件在保持低水平的Vf的同时发射高亮度的光。

图9到图12是平面图，示出了分布式电极的其它示例性布置。在上述实施例中，提供连续环形分布式电极以围绕焊盘电极。然而，如图9所示，分布式电极32可以由在焊盘电极31周围布置的分离的单独环形电极形成。如图10所示，分布式电极32可以呈现为环形电极的线性组合。如图11所示，分布式电极32可以由格子布置的环形电极形成。如图12所示，分布式电极32可以由环形电极和分离的单独电极的组合形成。

如上所述，分布式电极32可以由单独分散的电极、连续的带状或环形电极、或平面电极形成。

在分布式电极32由连续的带状或环形电极形成的情况下，电极可以呈现任何形状，例如方形、矩形、圆形、椭圆形或多边形。然而，在分布式电极32由单独分散的电极形成的情况下，分散的电极可以呈现任何图案，例如放射状、圆形或螺旋形图案。

在实例1的条件下，在如表4中的样品I所示的器件的窗口层上形成分布式电极、透明导电膜和焊盘电极。在与样品I相同的条件下测量Vf、亮度和发射波长。结果作为实例7在表6中示出。相对于样品I可以显著地确定实例7的亮度增强而Vf降低。

表6

 

	亮度(mcd)	波长(nm)	Vf(V)
				实例7	51	573	1.94

然而，本发明包括如图13所示的具有AlGaInP的有源层6的双异质结构发光二极管器件，在该器件中提供在其中具有分布式电极32的窗口层9。利用这种结构，可获得提高了窗口层的结晶度、增强了亮度和提高了发射效率的的发光二极管器件。

工业适用性

根据本发明的上述构造，可以提供下述结果。

如上所述，在具有AlGaInP有源层的本发明的双异质结构发光二极管器件中，正电极侧覆层包括生长以具有0.5μm或更大厚度并与有源层保持接触的未掺杂AlInP层，以及掺杂以呈现p型导电性、与窗口层保持接触并且具有落入未掺杂ALInP层的能带隙值和窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层。这样，Vf可以减小一半，而亮度近乎可以翻倍。

通过在高温下生长窗口层，加强了窗口层的结晶度，而且在进行掺杂的同时以高速进行生长。通过此程序，可以减小Vf约0.16V，而亮度可以增加80％或更多。

通过在负电极侧覆层的有源层侧上提供未掺杂的层，可以将Vf减小约0.2V，而亮度几乎可以翻倍。

通过使用硅作为负电极侧半导体层的掺杂剂，可以防止由于工艺温度的上升可能引起的其它问题。事实上，没有此类问题发生。

另外，在本发明的发光二极管器件中，分布式电极在窗口层的部分表面上提供并与窗口层保持欧姆接触。因此，分布式电极和窗口层之间的电阻变得远低于透明导电膜和窗口层之间的电阻，而大多数从焊盘电极上提供的驱动电流通过显示低电阻的路径连续流向透明导电膜、分布式电极、窗口层和发光部分。由于从分布式电极流向窗口层的电流在窗口层中适当地扩散，光从发光部分的对应于位于分布式电极周围的部分上发射。因此，只有少量的从发光部分发射的光被分布式电极阻挡，而大多数发射的光可以从发光二极管器件的上部提取，由此可以提高发射效率。

在窗口层为p型导电性的情况下，确定该层的厚度为3μm或更大，而因此足量的电流在该层中扩散。

在窗口层为p型导电性的情况下，确定该层的厚度和载流子浓度的乘积为5×10¹⁴cm^-2或更大，而因此该层有效地帮助获得了高亮度发射。

在窗口层为p型导电性的情况下，确定该层的表面载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3或更大，而因此降低了该层和分布式电极之间的接触电阻，导致电流扩散的提升和高亮度发射的获得。

由于窗口层由包含作为杂质的Zn或Mg的p型GaP形成，该层对于发射是透明的，并可以在其中扩散足量的电流。另外，也容易降低窗口层的电阻和增厚该层以及优化该层。

Claims (20)

1.一种发光二极管器件，包括：

AlGaInP有源层(6)；

正电极侧覆层和负电极侧覆层，将所述有源层夹在中间并具有比所述有源层的能带隙值更大的能带隙值；以及

窗口层(9)，在所述正电极侧覆层上形成并具有比所述有源层更大的能带隙值，所述窗口层为GaP层；

其中所述正电极侧覆层包括生长到0.5μm或更大厚度并与所述有源层保持接触的未掺杂AlInP层(7)，以及掺杂呈现p型导电性、与所述窗口层保持接触并具有落入所述未掺杂AlInP层的能带隙值和所述窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层(8)，所述未掺杂AlInP层、中间层和窗口层的能带隙值依次减小。

2.根据权利要求1的发光二极管器件，还包括：

分布式电极(32)，在所述窗口层的部分表面上形成并与所述窗口层欧姆接触；

透明导电膜(29)，形成以覆盖所述窗口层和所述分布式电极的表面，并与所述分布式电极建立电导通；以及

焊盘电极(31)，在所述透明导电膜的部分表面上形成，以建立与所述导电膜的电导通。

3.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述窗口层具有至少3μm的厚度。

4.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述窗口层具有至少5×10¹⁴cm^-2的厚度和载流子浓度的乘积。

5.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述窗口层具有至少1×10¹⁸cm^-3的表面载流子浓度。

6.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极在所述窗口层的表面上形成，以从上面看时不与所述焊盘电极交迭。

7.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极比所述焊盘电极的面积小。

8.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极具有占有效发射面积的3％或更多，但30％或更小的总表面积。

9.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极由金合金形成。

10.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述透明导电膜由氧化铟锡形成。

11.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述焊盘电极在从上面看时在所述器件的表面的中心上形成。

12.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述焊盘电极具有由金形成的表面。

13.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述焊盘电极由具有与所述透明导电膜接触的由铬形成的层的多层膜形成。

14.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极由具有方形或圆形形状的环形电极形成，以围绕所述焊盘电极。

15.根据权利要求2的发光二极管器件，其中所述分布式电极为具有20μm或更小宽度的环形电极。

16.一种发光二极管器件，包括：

AlGaInP有源层(6)；

正电极侧覆层和负电极侧覆层，将所述有源层夹在中间并具有比所述有源层的能带隙值更大的能带隙值；以及

窗口层(9)，在所述正电极侧覆层上形成并具有比所述有源层更大的能带隙值；

其中所述窗口层是在730℃或更高温度下并以7.8μm/小时或更快的生长速率在存在作为掺杂剂的Zn时生长的GaP层。

17.根据权利要求16的发光二极管器件，其中，所述正电极侧覆层包括生长到0.5μm或更大厚度并与所述有源层保持接触的未掺杂AlInP层(7)，以及掺杂呈现p型导电性、与所述窗口层保持接触并具有落入所述未掺杂AlInP层的能带隙值和所述窗口层的能带隙值之间的中间能带隙值的中间层(8)。

18.一种发光二极管器件，包括：

AlGaInP有源层(6)；

正电极侧覆层和负电极侧覆层，将所述有源层夹在中间并具有比所述有源层的能带隙值更大的能带隙值；以及

窗口层，在所述正电极侧覆层上形成并具有比所述有源层更大的能带隙值；

其中所述负电极侧覆层包括与所述有源层保持接触并具有0.1μm或更大厚度的未掺杂AlInP层(5)。

19.根据权利要求18的发光二极管器件，其中所述负电极侧覆层包括与所述未掺杂AlInP层的负电极侧保持接触并包含作为掺杂剂的硅的n型覆层(4)。

20.一种用于制造发光二极管器件的方法，包括以下步骤：

在砷化镓衬底(1)上沉积缓冲层(2)；

在所述缓冲层上提供n型反射层(3)；

在所述反射层上沉积掺杂硅的n型覆层(4)；

在所述n型覆层上提供第一未掺杂的AlInP层(5)；

在所述第一未掺杂的AlInP层上提供AlGaInP有源层(6)；

在所述有源层上提供第二未掺杂的AlInP层(7)；

在所述第二未掺杂的AlInP层上提供p型中间层(8)；以及

在所述p型中间层上，在730℃或更高温度下并以7.8μm/小时或更快的生长速率生长掺杂锌的p型GaP层(9)作为窗口层。

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