CN101006590A - 具有含铟盖层结构的ⅲ族氮化物基量子阱发光器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了Ⅲ族氮化物基发光器件和Ⅲ族氮化物基发光器件制作方法。该发光器件包括:n型Ⅲ族氮化物层、该n型Ⅲ族氮化物层上并包括至少一个量子阱结构的Ⅲ族氮化物基有源区、该有源区上包含铟的Ⅲ族氮化物层、该包含铟的Ⅲ族氮化物层上包含铝的p型Ⅲ族氮化物层、该n型Ⅲ族氮化物层上的第一接触、以及该p型Ⅲ族氮化物层上的第二接触。该包含铟的Ⅲ族氮化物层还包括铝。
Description
相关申请的交叉引用
本申请为申请日为2002年5月7日的美国专利申请No.10/140,796″GROUP III NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODESTRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE,GROUP IIINITRIDE BASED QUANTUM WELL STRUCTURES AND GROUP III NITRIDEBASED SUPERLATTICE STRUCTURES″的部分延续申请,该美国专利申请要求申请日为2001年5月30日的临时专利申请No.60/294,445″MULTI-QUANTUM WELL LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE″、申请日为2001年5月30日的临时专利申请No.60/294,308″LIGHT EMITTINGDIODE STRUCTURE WITH SUPERLATTICE STRUCTURE″以及申请日为2001年5月30日的临时专利申请No.60/294,378″LIGHT EMITTING DIODESTRUCTURE WITH MULTI-QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE STRUCTURE″的利益和优先权,这些专利申请的全部内容在此引入作为参考,如同在此阐述了其全文一样。
技术领域
本发明设计微电子器件及其制作方法,更具体地涉及可用于III族氮化物半导体器件例如发光二极管(LED)的结构。
背景技术
发光二极管广泛地用于消费和商业应用。本领域技术人员公知的是,发光二极管通常包括微电子衬底上的二极管区域。该微电子衬底可包括例如砷化镓、磷化镓、其合金、碳化硅和/或蓝宝石。持续开发的LED已经实现了高效和机械牢固的可覆盖可见光谱以上的光源。与固态器件的潜在长寿命相结合,这些有助于实现各种新的显示应用,并可将LED置于与成熟的白炽灯竞争的地位。
制作例如氮化镓基LED的III族氮化物基LED的一个困难在于制作高质量的氮化镓。通常,氮化镓LED制作于蓝宝石或者碳化硅衬底上。这种衬底可导致衬底与氮化镓之间的晶格失配。已经采用各种技术以克服在蓝宝石和/或碳化硅上生长氮化镓的潜在问题。例如,氮化铝(AlN)可作为碳化硅衬底和III族有源层特别是氮化镓有源层之间的缓冲层。然而,通常氮化铝是绝缘的,而不是导电的。因此,使用氮化铝缓冲层的结构通常需要将氮化铝缓冲层旁路的短路接触,从而将导电的碳化硅衬底电连接到III族氮化物有源层。
备选地,例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、或者氮化镓与氮化铝镓组合的导电缓冲层材料可以消除通常在A1N缓冲层时使用的短路接触。通常,消除该短路接触减小了外延层厚度,减少了生产器件所需的制作步骤的数目,减小了总体芯片尺寸,和/或提高了器件效率。因此,III族氮化物器件生产成本可以降低且性能可以提高。然而,尽管这些导电的缓冲材料提供了这些优点,但是其与碳化硅衬底的晶格匹配程度要差于氮化铝与衬底的晶格匹配。
提供高质量氮化镓中的上述困难会导致器件效率降低。对改善III族氮化物基器件输出的改善包括改变器件有源区的配置。这种尝试例如包括使用单异质结和/或双异质结有源区。类似地,已经描述了使用一个或多个III族氮化物量子阱的量子阱器件。尽管这些尝试已经改善了III族氮化物基器件的效率,但是仍需要进一步改善效率。
发明内容
本发明的一些实施方案提供III族氮化物基发光器件及III族氮化物基发光器件的制作方法,该III族氮化物基发光器件包括:n型III族氮化物层、该n型III族氮化物层上并包括至少一个量子阱结构的III族氮化物基有源区、该有源区上包含铟的III族氮化物层、该包含铟的III族氮化物层上包含铝的p型III族氮化物层、该n型III族氮化物层上的第一接触、以及该p型III族氮化物层上的第二接触。
在本发明另外实施方案中,该包含铟的III族氮化物层还包括铝。例如,该包含铟的III族氮化物层可包括InAlGaN。该包含铟的III族氮化物层还可包括InGaN。该包含铟的III族氮化物层厚度为约20至约320_。
在本发明的具体实施方案中,该包含铟的III族氮化物层包括InAlGaN层,在远离该有源区的区域内的A1组分高于邻近该有源区的区域内的A1组分。在一些实施方案中,该InAlGaN层组分连续渐变。在其他实施方案中,该InAlGaN层可包括具有不同A1和/或In组分的多个InAlGaN层。
在本发明另外实施方案中,该包含铟的III族氮化物层包括InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4,和InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。在具体实施方案中,该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
在本发明附加实施方案中,该发光器件进一步包括置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的p型III族氮化物层。置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的该p型III族氮化物层还可包含铟。该包含铝的p型III族氮化物层还可包含铟。
在本发明特定实施方案中,该发光器件包含置于该第一接触和该n型III族氮化物层之间的碳化硅衬底。
本发明的一些实施方案提供了发光器件及发光器件的制作方法,该发光器件包括:衬底上的n型氮化镓基层、该n型氮化镓基层上并包括至少一个量子阱结构的氮化镓基有源区、该有源区上包含铟的氮化镓基层、该包含铟的氮化镓基层上包含铝的p型氮化镓基层、该n型氮化镓基层上的第一接触、以及该p型氮化镓基层上的第二接触。
在本发明具体实施方案中,该n型氮化镓基层包含该衬底上的n型AlGaN层和该n型AlGaN层上的n型GaN层。该氮化镓基有源区可包括多个InGaN/GaN量子阱。
在本发明另外实施方案中,该p型氮化镓基层包括该包含铟的氮化镓基层上的p型AlGaN层和该p型AlGaN层上的p型GaN层。该第二接触位于该p型GaN层上。该包含铟的氮化镓基层可包含InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4,和InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。在本发明具体实施方案中,该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
在本发明另外实施方案中,该衬底为碳化硅衬底,该第一接触位于该碳化硅衬底上与该n型AlGaN层相对。
附图说明
通过下文结合附图对本发明具体实施方案的详细描述,本发明的其他特征将变得更加显而易见,附图中:
图1为结合了本发明实施方案的III族氮化物发光二极管的示意性图示;
图2为结合了本发明另外实施方案的III族氮化物发光二极管的示意性图示;
图3为根据本发明附加实施方案的量子阱结构和多量子阱结构的示意性图示;以及
图4为结合了本发明另外实施方案的III族氮化物发光二极管的示意性图示。
发明详述
以下参考附图更全面地描述本发明,其中在附图中示出了本发明的实施方案。然而,不应将本发明理解为受限于此处所述实施方案。相反,提供这些实施方案以便详尽并全面地公开本发明,并将本发明的范围全面地传达给本领域技术人员。在这些附图中,为清楚起见,放大了层和区域的厚度。全文中相同的标号表示相同的元件。如这里所用的,术语“和/或”包括一个或多个列出的相关项目的任何及所有组合。
此处所用的术语仅仅是为了说明特殊实施方案的目的,而不是要限制本发明。如这里所用的,单数形式“一”、“一个”和“该”也是要包括复数形式,除非在上下文中明确指出不包括复数形式。还应当理解,当在本说明书中使用时,术语“包括”和/或“包含”限定了规定的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或成分的存在,而不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、成分、和/或组的存在或增加。
应当理解,当例如层、区域或衬底的元件被提到与另一个元件的关系为“在……上”或延伸“到……上”时,其与其它元件的关系可以为直接位于其之上或延伸到其上或者还可能存在中间元件。相反,当一元件被提到与另一个元件的关系为“直接在……上”或延伸“到……上”时,就不存在中间元件。还应当理解,当元件被提到与另一个元件的关系为“连接到”或“耦合到”时,其与其它元件的关系可以为直接连接到或耦合到该元件或者还可能存在中间元件。相反,当一元件被提到与另一个元件的关系为“直接连接到”或“直接耦合到”时,就不存在中间元件。全文中相同的标号表示相同的元件。
应当理解,虽然在这里利用术语第一、第二等说明不同的元件、成分、区域、层和/或部分,但这些元件、成分、区域、层和/或部分不限于这些术语。这些术语仅仅是用于将一元件、成分、区域、层或部分区别于其它区域、层或部分。因此,接下来所说的第一元件、成分、区域、层或部分可称为第二元件、成分、区域、层或部分,而不脱离本发明的教导。
此外,相对术语,例如“在……之下”或“在……底部”和“在……之上”或“在……顶部”,在这里可用作描述附图中示出的一元件与其它元件的关系。应当理解,这些相对术语旨在包含除了附图中示出的方位之外的不同器件方位。例如,如果附图中的器件被翻转,被描述成与其它元件的关系为“在……之下”的元件与其它元件的关系将为“在……之上”。因此,根据附图的特定方位,示范性的术语“在……之下”可包括“在……之下”和“在……之上”的方位。类似地,如果一个图示中的器件被翻转,被描述成与其它元件的关系为“在……下面”或“在……下方”的元件与其它元件的关系将为“在……上方”。因此,示范性的术语“在……下面”或“在……下方”可包括“在……上方”和“在……下方”的方位。
在这里,参照剖面视图来说明本发明实施方案,这些剖面视图示意性地说明了本发明的理想实施方案。如是,例如由于制造技术和/或公差引起的示意性形状的变化是预期的。因此,本发明实施方案不应当解释为限于这里所说区域的具体形状,而应当包括例如由于制造引起的形状偏差。例如,被示成或描述成矩形的腐蚀区域通常将具有圆形的或弯曲的特征。因此,附图中所示的区域实际上是示意性的,它们的形状不是要说明器件中区域的实际形状,也不是要限制本发明的范围。
除非另有限定,这里所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的意思。还应当理解,术语,例如在常用字典中所定义的,应当被解释为具有与上下文相关技术的意思一致的意思,并不被解释为是理想的或过度形式的意义,除非在这里作清楚的限定。
本领域技术人员还将理解,结构或特征置成“相邻”另外特征时,该结构或特征可具有交叠该相邻特征或位于该相邻特征之下的部分。
尽管此处所揭示的LED的各种实施方案包含衬底,但是本领域技术人员将理解,可以除去其上生长了包含LED的外延层的结晶外延生长衬底,且该自支撑外延层可安装在替代承载衬底或子支架(submount)上,该替代承载衬底或子支架具有优于原始衬底的热学、电学、结构和/或光学特性。此处所述本发明不限于具有结晶外延生长衬底的结构,还可以采用其中外延层从原始生长衬底除去并键合到替代承载衬底的结构。
图1示出了发光二极管(LED)结构40,将参照该图1描述本发明的实施方案。图1的LED结构40包含优选地为4H或6H的n型碳化硅的衬底10。衬底10还可包括蓝宝石、体氮化镓或其他合适的衬底。图1的LED结构40还是分层半导体结构,该分层半导体结构包含衬底10上氮化镓基半导体层。也就是说,所示LED结构40包含以下各层:导电缓冲层11、第一掺硅的GaN层12、第二掺硅的GaN层14、包含交替的掺硅GaN和/或InGaN层的超晶格结构16、由多量子阱结构提供的有源区18、未掺杂GaN和/或AlGaN层22、掺p型杂质的AlGaN层30、以及也掺p型杂质的GaN接触层32。该结构进一步包括位于衬底10上的n型欧姆接触23以及接触层32上的p型欧姆接触24。
缓冲层11优选为n型AlGaN。转让给本发明受让人的美国专利No.5,393,993和5,523,589以及题为″Vertical Geometry InGaNLight Emitting Diode″的美国专利申请No.09/154,363提供了碳化硅和III族氮化物材料之间的缓冲层的示例,其全部内容于此引入作为参考,如同在此阐述了其全文一样。类似地,本发明的实施方案还包括例如题为″Group III Nitride Photonic Devices on SiliconCarbide Substrates With Conductive Buffer Interlay Structure″的美国专利No.6,201,262所述的结构,其全部内容于此引入作为参考,如同在此阐述了其全文一样。
GaN层12优选厚度范围为约500至4000nm闭区间,最优选厚度为约1500nm。GaN层12可掺杂约5×1017至约5×1018cm-3的硅。GaN层14优选厚度范围为约10至500_闭区间,最优选厚度为约80_。GaN层14可掺杂小于约5×1019cm-3的硅。
如图1所示,根据本发明实施方案的超晶格结构16包括交替的InxGa1-xN和InYGa1-YN层,其中0≤X≤1且X不等于Y。优选地,X=0且各个交替的InGaN层的厚度为约5至40_闭区间,各个交替的GaN层的厚度为约5至100_闭区间。在特定实施方案中,GaN层厚约30_,InGaN层厚约15_。超晶格结构16可包括约5至约50个周期(其中一个周期等于包含该超晶格的各InxGa1-xN和InYGa1-YN层的一个重复)。在一个实施方案中,超晶格结构16包括25个周期。在另一个实施方案中,超晶格16包括10个周期。然而可以通过增大各层厚度而减小周期数目。因此,例如通过使层厚度翻倍,周期数目可减少一半。备选地,周期数目和厚度可以相互独立。
优选地,超晶格16掺杂约1×1017cm-3至约5×1019cm-3的n型杂质(例如硅),这种掺杂水平为超晶格16各层的实际掺杂或平均掺杂水平。如果该掺杂水平为平均掺杂水平,则提供与超晶格结构16相邻的掺杂层是有益的,这些掺杂层提供了所期望的平均掺杂,其中该相邻层的掺杂为该相邻层和该超晶格结构16上的平均。通过在衬底10和有源区18之间提供超晶格16,可以为生长InGaN基有源区18提供更好的表面。尽管不期望受任何工作理论的约束,本发明人认为超晶格结构16中的应力效应提供了有益于生长高质量的包含InGaN有源区的生长表面。另外,已知超晶格影响器件的工作电压。恰当选择超晶格厚度和组分参数可以降低工作电压并提高光学效率。
可以在氮气或者其他气体气氛中生长超晶格结构16,这种气氛可以实现该结构内更高质量InGaN层的生长。通过在氮气气氛中在掺硅GaN层上生长掺硅InGaN/GaN超晶格,可以实现具有改善的结晶性和导电性的具有优化应力的结构。
在本发明特定实施方案中,有源区18可包括单量子阱或多量子阱结构以及单异质结或双异质结有源区。在本发明具体实施方案中,有源区18包括多量子阱结构,该多量子阱结构包括由阻挡层分隔的多个InGaN量子阱层(未示于图1)。
层22设于有源区18上,且优选地为未掺杂GaN或AlGaN,厚度为约0至120_闭区间。如这里所使用的,未掺杂是指非故意掺杂。层22优选厚度为约35_。如果层22包括AlGaN,该层内的铝百分比优选地为约10至30%,最优选地为约24%。层22内铝的水平也可以是步进式或连续递减的方式渐变。可以在高于量子阱区25生长温度的温度下生长层22,从而改善层22的晶体质量。层22附近可包含未掺杂的GaN或AlGaN附加层。例如LED1可包含位于有源区18和层22之间的未掺杂的AlGaN附加层,厚度为约6-9_。
在层22上提供掺杂了例如镁的p型杂质的AlGaN层30。AlGaN层30厚度为约0至300_闭区间,且优选地为约130_。p型GaN的接触层32设于层30上,且优选厚度为约1800_。分别在p-GaN接触层32和衬底10上提供欧姆接触24和25。
图2示出了包含多量子阱有源区的本发明另外实施方案。图2所示本发明实施方案包括分层半导体结构100,该分层半导体结构100包括生长在衬底10上的氮化镓基半导体层。如上所述,衬底10可以是SiC、蓝宝石或者体氮化镓。如图2所示,根据本发明具体实施方案的LED可包括导电的缓冲层11、第一掺硅的GaN层12、第二掺硅的GaN层14、包含交替的掺硅GaN和/或InGaN层的超晶格结构16、包括多量子阱结构的有源区125、未掺杂GaN或AlGaN层22、掺p型杂质的AlGaN层30、以及也掺p型杂质的GaN接触层32。该LED可进一步包括位于衬底10上的n型欧姆接触23和位于接触层32上的p型欧姆接触24。在衬底10为蓝宝石的本发明实施方案中,将在n型GaN层12和/或n型GaN层14上提供n型欧姆接触23。
参考图1如上所述,缓冲层11优选是n型AlGaN。类似地,GaN层12优选厚度为约500至4000nm闭区间,最优选地为约1500nm。GaN层12可掺杂约5×1017至5×1018cm-3的硅。GaN层14优选厚度为约10至500_闭区间,最优选地为约80_。GaN层14可掺杂低于约5×1019cm-3的硅。还可以参考图1如上所述提供超晶格结构16。
有源区125包括多量子阱结构,该多量子阱结构包括由阻挡层118分隔的多个InGaN量子阱层120。阻挡层118包括InxGa1-xN,其中0≤X<1。优选地,阻挡层118的铟组分小于量子阱层120的铟组分,使得阻挡层118具有大于量子阱层120的带隙。阻挡层118和量子阱层120可以是未掺杂(即,未故意掺杂例如硅或镁的杂质原子)。然而,期望对阻挡层118掺杂5×1019cm-3以下的Si,特别是如果期望紫外发光。
在本发明另外实施方案中,阻挡层118包括AlxInYGa1-X-YN,其中0<X<1,0≤Y<1,且X+Y≤1。通过在阻挡层118的晶体内包含铝,阻挡层118与量子阱层120晶格匹配,由此在量子阱层120提供改善的结晶质量,这增大了器件的发光效率。
参考图3,说明了提供氮化镓基器件的多量子阱结构的本发明实施方案。图3所示多量子阱结构可提供如图1和/或图2所示的LED的有源区。从图3可以看出,有源区225包括周期性重复结构221,该周期性重复结构包括具有高晶体质量的阱支持层218a、量子阱层220、以及作为量子阱层220的保护盖层的盖层218b。在生长结构221时,盖层218b和阱支持层218a一起形成相邻量子阱220之间的阻挡层。优选地,在高于InGaN量子阱层220生长温度的温度下生长高质量的阱支持层218a。在本发明一些实施方案中,阱支持层218a的生长速率低于盖层218b。在其他实施方案中,在低温生长工艺中使用低的生长速率,在高温生长工艺中使用高的生长速率。例如,为了获得用于生长InGaN量子阱层220的高质量表面,可以在约700至900℃的生长温度生长阱支持层218a。接着,使生长腔体的温度降低约0至约200℃,从而允许生长高质量的InGaN量子阱层220。接着,将温度保持在该较低的InGaN生长温度时,生长盖层218b。按照这个方式,可以制作包含高质量InGaN层的多量子阱区。
优选在氮气气氛中生长图2和3的有源区125和225,氮气气氛可以提供改进的InGaN晶体质量。阻挡层118、阱支持层218a和/或盖层218b厚度为约50至400_闭区间。相应的阱支持层218a和盖层218b的组合厚度为约50至400_闭区间。阻挡层118、阱支持层218a和/或盖层218b厚度优选地大于约90_,最优选地为约225_。另外,阱支持层218a优选地厚于盖层218b。因此,盖层218b优选地尽可能薄,同时仍然降低铟从量子阱层220的解吸或者该量子阱层220的退化。量子阱层120和220厚度为约10至50_闭区间。优选地,量子阱层120和220大于20_,最优选地为约25_。可以改变量子阱层120和220的厚度及铟百分比,从而产生期望波长的光。典型地,量子阱层120和220内的铟百分比为约25至30%,然而,根据期望波长,铟百分比从约5%改变至约50%。
在本发明优选实施方案中,超晶格结构16的带隙大于量子阱层120的带隙。通过调整超晶格16内铟的平均百分比可以实现这一点。超晶格层的厚度(或周期)和这些层的平均铟百分比应该选择为使得超晶格结构16的带隙大于量子阱120的带隙。通过保持超晶格16的带隙大于量子阱120的带隙,可以最小化器件内不希望的吸收,并且可以最大化光发射。超晶格结构16的带隙可以为约2.95eV至约3.35eV。在优选实施方案中超晶格结构16的带隙为约3.15eV。
在本发明附加实施方案中,图2所示LED结构包含置于超晶格16和有源区125之间的隔离层(spacer layer)17。隔离层17优选包括未掺杂GaN。在掺杂超晶格16和有源区125之间存在可选的隔离层17可以阻止硅杂质结合到有源区125内。因此,这反过来可以改善有源区125的材料质量,提供了更一致的器件性能和更好的均匀性。类似地,在图1所示LED结构中在超晶格16和有源区18之间也可以提供隔离层。
返回到图2,可以在有源区125上提供层22,层22优选地为未掺杂的GaN或AlGaN,其厚度为约0至120_闭区间。层22优选厚度为约35_。如果层22包括AlGaN,则该层内铝百分比优选为约10-30%,最优选为约24%。层22内铝的水平也可以是步进式或连续递减的方式渐变。可以在高于有源区125生长温度的温度下生长层22,从而改善层22的晶体质量。层22附近可包含未掺杂的GaN或AlGaN附加层。例如图2所示LED可包含位于有源区125和层22之间的未掺杂的AlGaN附加层,厚度为约6-9_。
在层22上提供掺杂了例如镁的p型杂质的AlGaN层30。AlGaN层30厚度为约0至300_闭区间,优选地为约130_。在层30上提供p型GaN的接触层32,厚度为约1800_。在p-GaN接触层32和衬底10上分别提供欧姆接触24和25。
图4示出了在器件的有源区上结合了包含铟的III族氮化物层的本发明另外实施方案。例如,可以提供InAlGaN盖层结构。图4所示本发明实施方案包括生长在衬底10上包含氮化镓基半导体层的分层半导体结构400。如前所述,衬底10可以是SiC、蓝宝石或者体氮化镓。在本发明具体实施方案中,衬底10为SiC衬底,其厚度为约50至约800μm,在一些实施方案中厚度为约100μm。
如图4所示,根据本发明具体实施方案的LED可包括导电缓冲层11、第一掺硅的GaN层12、第二掺硅的GaN层14、包含交替的掺硅GaN和/或InGaN层的超晶格结构16、包括多量子阱结构的有源区125、未掺杂AlInGaN层40、掺p型杂质的AlGaN层30、以及也掺p型杂质的GaN接触层32。该LED可进一步包括位于衬底10上的n型欧姆接触23和位于接触层32上的p型欧姆接触24。在衬底10为蓝宝石的本发明实施方案中,将在n型GaN层12和/或n型GaN层14上提供n型欧姆接触23。
参考图1和2如上所述,缓冲层11可以是n型AlGaN。例如,缓冲层11可以是掺Si的AlGaN,且厚度为约100至约10000_。在具体实施方案中,该厚度为约1500_。GaN层12可掺Si,厚度为约5000至约50000_闭区间,且在具体实施方案中该厚度为约18000_。GaN层12可掺杂约5×1017至5×1018cm-3的硅。还可以参考图1如上所述提供超晶格结构16。例如,超晶格结构16可以具有3至35周期的InGaN/GaN。周期的厚度为约30至约100_。在本发明具体实施方案中,提供了二十五(25)个周期的InGaN/GaN,层周期的厚度为约70_,GaN或InGaN层的厚度为约15_,其余为另一个层的厚度。
有源区325可包括多量子阱结构,该多量子阱结构包括由阻挡层318分隔的多个InGaN量子阱层320。阻挡层318包括InxGa1-xN,其中0≤X<1。优选地,阻挡层318的铟组分小于量子阱层320的铟组分,使得阻挡层318具有大于量子阱层320的带隙。阻挡层318和量子阱层320可以是未掺杂(即,未故意掺杂例如硅或镁的杂质原子)。然而,可能期望对阻挡层318掺杂5×1019cm-3以下的Si,特别是如果期望紫外发光。
在本发明另外实施方案中,阻挡层318包括AlXInYGa1-X-YN,其中0<X<1,0≤Y<1,且X+Y≤1。通过在阻挡层318的晶体中包含铝,阻挡层318与量子阱层320晶格匹配,由此实现量子阱层320的晶体质量改善,这可以提高器件的发光效率。
还可以如图3所示以及结合图1至3所述地提供有源区325。在本发明具体实施方案中,有源区325包括3个以上量子阱,在特定实施方案中,提供了八(8)个量子阱。量子阱结构的厚度为约30至约250_。在本发明具体实施方案中,量子阱结构的厚度为约120_,阱层的厚度为约25_。
图4所示LED结构也可以包括置于超晶格16和前述有源区325之间的隔离层。
返回到图4,可以在有源区325上,更具体而言在有源区325的量子阱320上提供包含铟的III族氮化物盖层40。III族氮化物盖层40可包括厚度为约10至320_闭区间的InAlGaN。盖层40可以是均匀的组分、不同组分的多层和/或渐变组分的多层。在本发明具体实施方案中,盖层40包括组分为InxAlyGa1-x-yN的第一盖层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4,厚度为约10至约200_,以及组分为InwAlzGa1-w-zN的第二盖层,其中0<w≤0.2且y≤z<1,厚度为约10至约120_。在本发明特定实施方案中,该第一盖层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二盖层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。可以在高于有源区325生长温度的温度下生长盖层40,从而改善层40的晶体质量。可以在层40附近包含未掺杂GaN或AlGaN的附加层。例如,可以在最后一个量子阱层与盖层40之间提供GaN薄层。包含铟的盖层40与有源区325的量子阱更为晶格匹配,可以提供从有源区325的晶格结构到p型层的晶格结构的过渡。这种结构可导致器件亮度增大。
在盖层40上提供掺杂了例如镁的p型杂质的AlGaN空穴注入层42。AlGaN层42厚度为约50至2500_闭区间,在具体实施方案中厚度约为150_。AlGaN层42组分可以为AlGa1-xN,其中0≤x≤0.4。在本发明具体实施方案中,AlGaN层42的x=0.23。AlGaN层42可掺Mg。在本发明一些实施方案中,层42还可包括铟。
在层42上提供p型GaN的接触层32,厚度为约250至约10000_,在一些实施方案中厚度为约1500_。在一些实施方案中,接触层32还可包括铟。在p-GaN接触层32和衬底10上分别提供欧姆接触24和25。
在本发明一些实施方案中,可以如以下专利/申请所述的地在发光器件内提供包含铟的盖层40:与本申请同时申请的题为″ULTRA-THINOHMIC CONTACTS FOR P-TYPE NITRIDE LIGHT EMITTING DEVICES″的美国临时专利申请序列No.______(Attorney Docket No.5308-463PR)、与本申请同时申请的题为″LIGHT EMITTING DEVICES HAVINGA REFLECTIVE BOND PAD AND METHODS OF FABRICATING LIGHTEMITTING DEVICES HAVING REFLECTIVE BOND PADS″的美国专利申请序列No._______(Attorney Docket No.5308-468)、美国专利No.6,664,560、申请日为2004年6月30日的题为″LIGHT RMITTINGDEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES AND METHODS OFFABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKINGSTRUCTURES″的美国专利申请序列No._______(Attorney DocketNo.5308-457)、题为″LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATEMODIFICATIONS FOR LIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODSTHEREFOR″的美国专利公开No.2003/0123164、和/或题为″REFLECTIVE OHMIC CONTACTS FOR SILICON CARBIDE INCLUDING ALAYER CONSISTING ESSENTIALLY OF NICKEL,METHODS OFFABRICATING SAME,AND LIGHT EMITTING DEVICES INCLUDING THESAME″的美国专利公开No.2003/0168663,其全部内容于此引入作为参考,如同在此阐述了其全文一样。
在有/无包含铟的盖层特别是如图4所示InAlGaN盖层的器件的LED晶片上执行电致发光(EL)测试。该EL测试为测量LED外延结构亮度的晶片上测试。该测试不受LED制作方法、芯片形状、或者封装方法的影响。测试了约176个具有包括该含铟层结构的晶片和615个无该含铟层的晶片。在多个反应室内连续地生长该两种结构。该反应室基本上相同(即,未进行任何为了提高亮度的特殊调整,所有反应室在每次生长之前和之后都适用于生产应用)。来自晶片的数据被二进制化,表明具有含铟层的结构亮度为无该含铟层结构亮度的约1.15至1.25倍。
尽管已经结合多量子阱描述了本发明的实施方案,还可以在单量子阱结构中获得本发明教导的益处。因此,例如,发光二极管可设有仅一个图3的结构221作为该器件的有源区。因此,尽管根据本发明实施方案可以利用不同数目的量子阱,但是量子阱的数目通常为1至10个量子阱。
尽管已经参照氮化镓基器件描述了本发明的实施方案,但是也可以在其他III族氮化物中提供本发明的教导和益处。因此,本发明实施方案提供了III族氮化物基超晶格结构、量子阱结构和/或具有超晶格和/或量子阱的III族氮化物基发光二极管。
在图示和说明书中,已经揭示了本发明的典型优选实施方案,而且,尽管采用了具体的术语,但是这些术语仅仅是广义的和描述性质的而非出于限制目的,本发明的范围由所附权利要求书界定。
Claims (46)
1.一种III族氮化物基发光器件,包括:
n型III族氮化物层;
该n型III族氮化物层上并包括至少一个量子阱结构的III族氮化物基有源区;
该有源区上的包含铟的III族氮化物层;
该包含铟的III族氮化物层上的包含铝的p型III族氮化物层;
该n型III族氮化物层上的第一接触;以及
该p型III族氮化物层上的第二接触。
2.根据权利要求1的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层还包括铝。
3.根据权利要求2的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层包括InAlGaN。
4.根据权利要求2的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层包括InGaN。
5.根据权利要求1的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层厚度为约20至约320_。
6.根据权利要求1的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层包括InAlGaN层,在远离该有源区的区域内的Al组分高于邻近该有源区的区域内的Al组分。
7.根据权利要求6的发光器件,其中该InAlGaN层组分连续渐变。
8.根据权利要求6的发光器件,其中该InAlGaN层包括具有不同Al组分的多个InAlGaN层。
9.根据权利要求1的发光器件,其中该包含铟的III族氮化物层包括:
InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4;和
InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。
10.根据权利要求9的发光器件,其中该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。
11.根据权利要求10的发光器件,其中该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
12.根据权利要求1的发光器件,进一步包括置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的p型III族氮化物层。
13.根据权利要求12的发光器件,其中置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的该p型III族氮化物层还包含铟。
14.根据权利要求1的发光器件,其中该包含铝的p型III族氮化物层还包含铟。
15.根据权利要求1的发光器件,进一步包括置于该第一接触和该n型III族氮化物层之间的碳化硅衬底。
16.一种发光器件,包括:
衬底上的n型氮化镓基层;
该n型氮化镓基层上并包括至少一个量子阱结构的氮化镓基有源区;
该有源区上包含铟的氮化镓基层;
该包含铟的氮化镓基层上的包含铝的p型氮化镓基层;
该n型氮化镓基层上的第一接触;以及
该p型氮化镓基层上的第二接触。
17.根据权利要求16的发光器件,其中该n型氮化镓基层包含:
该衬底上的n型AlGaN层;和
该n型AlGaN层上的n型GaN层。
18.根据权利要求17的发光器件,其中该氮化镓基有源区包括多个InGaN/GaN量子阱。
19.根据权利要求18的发光器件,其中该p型氮化镓基层包括:
该包含铟的氮化镓基层上的p型AlGaN层;和
该p型AlGaN层上的p型GaN层,且
其中该第二接触位于该p型GaN层上。
20.根据权利要求19的发光器件,其中该包含铟的氮化镓基层包括:
InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4;和
InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。
21.根据权利要求20的发光器件,其中该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。
22.根据权利要求21的发光器件,其中该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
23.根据权利要求19的发光器件,其中该衬底包括碳化硅衬底,且其中该第一接触位于该碳化硅衬底上与该n型AlGaN层相对。
24.一种III族氮化物基发光器件的制作方法,包括:
形成n型III族氮化物层;
形成该n型III族氮化物层上并包括至少一个量子阱结构的III族氮化物基有源区;
在该有源区上形成包含铟的III族氮化物层;
在该包含铟的III族氮化物层上形成包含铝的p型III族氮化物层;
在该n型III族氮化物层上形成第一接触;以及
在该p型III族氮化物层上形成第二接触。
25.根据权利要求24的方法,其中形成包含铟的III族氮化物层包括形成包含铟和铝的III族氮化物层。
26.根据权利要求25的方法,其中形成包含铟和铝的III族氮化物层包括形成InAlGaN层。
27.根据权利要求25的方法,其中形成包含铟和铝的III族氮化物层包括形成InGaN层。
28.根据权利要求24的方法,其中该包含铟的III族氮化物层厚度为约20至约320_。
29.根据权利要求24的方法,其中形成包含铟的III族氮化物层包括形成InAlGaN层,在远离该有源区的区域内的Al组分高于邻近该有源区的区域内的Al组分。
30.根据权利要求29的方法,其中该InAlGaN层组分连续渐变。
31.根据权利要求29的方法,其中形成InAlGaN层包括形成具有不同Al组分的多个InAlGaN层。
32.根据权利要求24的方法,其中形成包含铟的III族氮化物层包括:
形成InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4;和
形成InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。
33.根据权利要求32的方法,其中该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。
34.根据权利要求33的方法,其中该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
35.根据权利要求24的方法,进一步包括形成置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的p型III族氮化物层。
36.根据权利要求35的方法,其中置于该第二接触和该包含铝的p型III族氮化物层之间的该p型III族氮化物层还包含铟。
37.根据权利要求24的方法,其中该包含铝的p型III族氮化物层还包含铟。
38.根据权利要求24的形成n型III族氮化物层的方法,包括在碳化硅衬底上形成n型III族氮化物层,且其中形成第一接触包括在该碳化硅衬底上形成与该n型III族氮化物层相对的第一接触。
39.一种制作发光器件的方法,包括:
形成衬底上的n型氮化镓基层;
形成该n型氮化镓基层上并包括至少一个量子阱结构的氮化镓基有源区;
在该有源区上形成包含铟的氮化镓基层;
在该包含铟的氮化镓基层上形成包含铝的p型氮化镓基层;
在该n型氮化镓基层上形成第一接触;以及
在该p型氮化镓基层上形成第二接触。
40.根据权利要求39的方法,其中形成n型氮化镓基层包括:
在该衬底上形成n型AlGaN层;和
在该n型AlGaN层上形成n型GaN层。
41.根据权利要求40的方法,其中形成氮化镓基有源区包括形成多个InGaN/GaN量子阱。
42.根据权利要求40的方法,其中形成p型氮化镓基层包括:
在该包含铟的氮化镓基层上形成p型AlGaN层;和
在该p型AlGaN层上形成p型GaN层,且
其中形成第二接触包括在该p型GaN层上形成第二接触。
43.根据权利要求42的方法,其中形成包含铟的氮化镓基层包括:
形成InxAlyGa1-x-yN第一层,其中0<x≤0.2且0≤y≤0.4;和
形成InwAlzGa1-w-zN第二层,其中0<w≤0.2且y≤z<1。
44.根据权利要求43的方法,其中该第一层厚度为约10至约200_,该第二层厚度为约10至约120_。
45.根据权利要求44的方法,其中该第一层厚度为约80_,x=0.1且y=0.25,该第二层厚度为约30_,w=0.05且z=0.55。
46.根据权利要求42的方法,其中该衬底包括碳化硅衬底,且其中形成第一接触包括在该碳化硅衬底上形成与该n型AlGaN层相对的第一接触。
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