CN101160669B - 氮化物发光器件的反向极化发光区域 - Google Patents
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Abstract
半导体发光器件包括配置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光层可以是具有厚度至少50埃的纤锌矿III-氮化物层。发光层可以具有与常规纤锌矿III-氮化物层反向的极化，以便穿过发光层和p型区域之间的界面，纤锌矿c轴指向发光层。c轴的这种定向可以在p型区域内的界面处或其边缘处产生负的层电荷，给发光层中的电荷载流子提供势垒。
Description
相关申请的交叉参考
本申请是于2005年2月18日提交的申请No.11/061,247的继续。
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件的发光区域。
背景技术
包括发光二极管(LED)，谐振腔发光二极管(RCLED)，垂直腔激光二极管(VCSEL)和边缘发射激光器的半导体发光器件是目前可用的最有效的光源。在能够横跨可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中目前关心的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓，铝，铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III-氮化物材料。一般，III-氮化物发光器件通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或其它适当的基底上外延生长不同成分和掺杂物浓度的半导体层的叠层来制造。该叠层通常包括形成在基底上方的掺杂有例如Si的一层或多层n型层，形成在n型层或多个n型层上方的发光或激活区域(activeregion)，和形成在激活区域上方的掺杂有例如Mg的一层或多层p型层。形成在导电基底上的III-氮化物器件可以具有形成在该器件的相对侧上的p和n接触点。通常，在绝缘基底例如蓝宝石上制造III-氮化物器件，两个接触点在该器件的相同侧上。安装这些器件，使得通过这些接触点(通常所说的外延向上器件)或通过与接触点相对的器件(通常所说的倒装片器件)的表面提取光。
在该领域中需要的是在高电流密度下有效操作的III-氮化物发光器件。
发明内容
根据本发明的实施例，半导体发光器件包括配置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光层可以是具有厚度至少50埃的纤锌矿III-氮化物层。发光层可以具有与常规纤锌矿III-氮化物层反向的极化，以便穿过发光层和p型区域之间的界面，纤锌矿c轴指向发光层。c轴的这种定向可以在p型区域内或其边缘处的界面处产生负的层电荷，给发光层中的导带中的电子提供势垒。通过提供势垒以更好的捕获发光层中的电荷载流子，以及通过提供可以产生非辐射复合的更厚的发光层，这种厚的“反向极化”的发光层可以在高电流密度下提高效率。
附图说明
图1说明了III-氮化物发光器件。
图2说明了对于图1的器件的一部分导带。
图3说明了对于根据本发明实施例的器件的一部分导带。
图4说明了具有图3所示的导带的器件的例子。
图5说明了包括隧道结和在发光区域之前生长的p型区域的器件。
图6说明了具有在发光区域之前生长的p型区域的器件。
图7说明了在结合到主基底和生长基底的去除之后的图6的器件。
图8是封装的发光器件的分解图。
图9说明了纤锌矿GaN的晶胞。
具体实施方式
图1说明了普通的III-氮化物发光器件。n型区域11生长在蓝宝石基底10上方。可以包括多个由势垒层分隔的量子阱的激活区域12生长在n型区域11上方，接着是GaN隔离层13，p型AlGaN层14，和p型接触层15。
随着施加到图1的器件的电流密度增加，器件的内部量子效率最初增加，然后降低，该内部量子效率定义为产生的光子通量和提供的载流子通量的比。图1的器件的设计可以导致对于高电流密度下内部量子效率降低的多种可能的原因，包括从激活区域的电子泄漏和非辐射复合。
电子泄漏通过在纤锌矿晶体中的自然产生的极化而加重。生长在晶格不匹配基底例如蓝宝石上的III-氮化物器件中的晶体层通常生长为应变的纤锌矿晶体。这种晶体显示两种类型的极化：由于晶体对称而产生的自发极化，和由于应变而产生的压电极化。层中的总极化是自发和压电极化的总和。极化诱发的层电荷(sheet charge)产生在不同成分的层之间的界面处。通常，层电荷的密度取决于自发极化和由于两个相邻层之间的应变而产生的压电极化。图2说明了图1的器件的一部分导带。层电荷的符号和位置在图2中用“+”和“-”符号来表示。
在一般基底例如蓝宝石或SiC上的常规生长导致纤锌矿[0001]c轴定向，在图2中处18表示。穿过激活区域和p型层之间的界面，c轴指向p型层。该定向导致正的层电荷在GaN帽层13和p型AlGaN层14之间的界面处。在图1所示的器件中，GaN帽层13和p型AlGaN层14之间的界面形成能量“势垒”，其限制激活区域中导带中的电子。可以理解，GaN帽层13可以省略，其它材料可以形成势垒，在界面处具有正的层电荷而形成势垒的问题可以一般化到其它器件。在势垒处的正的层电荷减小对电子的有效能量势垒，允许电子从激活区域泄漏。任何泄漏电流在p型层中非辐射复合，并且对来自器件的光发射没有贡献。当电流密度增加时，泄漏电流的量增加，对高电流密度下内部量子效率的降低作出贡献。
在图1所示的III-氮化物器件中，电流的方向(即正的电荷载流子或空穴的运动方向)反向平行于c轴的方向。电流和极化的相对布置起因于在n型区域之后而不是之前生长Mg掺杂p型III-氮化物材料的相对容易，和用于通过MOCVD在蓝宝石基底上的高质量III-氮化物层的常规生长的条件，其与在晶体表面上存在的N相比提供过剩的Ga，导致指向膜的表面外的[0001]c轴的正方向。由于p型区域放置在n型区域之上，电流将从晶片的顶部流向基底。
为了提供高电流下的高效率LED，根据本发明的实施例，半导体发光器件的发光区域是反向极化双异质结构。“反向极化”指使图1所示器件的电流和c轴的相对布置换向，以便电流平行于c轴，而不是如图1的器件中反向平行。在发光区域中反向极化可以减小泄漏电流。利用厚的双异质结构，而不是多个量子阱的激活区域可以减小损失到非辐射复合的载流子的数量。
图3说明了根据本发明实施例的器件的一部分导带。在图3所示的器件中，在发光层的p侧上的势垒配置在可以是GaN的帽层21和可以是p型AlGaN的层22之间，该势垒限制发光层20中的电荷载流子。穿过发光区域和p型区域之间的界面，在层20和21之间，c轴指向发光区域，如图3中的18所表示。在该定向中，电流平行于c轴。该定向导致势垒处的负层电荷，其增加势垒高度，减小泄漏通过发光区域20的电子电流。在一些实施例中，帽层21可以掺杂n型或不有意掺杂。由于帽层21定位在发光层的p侧上，因此帽层21被考虑为器件的p型区域的一部分，即使帽层21是n型或未掺杂也是如此。
在图3所示的器件中，图2的多个量子阱由单个的厚的发光层20替代。在一些实施例中，发光层20可以具有在例如50和
之间的厚度，更优选具有在60和
之间的厚度，以及更优选具有在75和
之间的厚度。最佳厚度可以取决于发光层中的位错密度。通常，随着位错密度增加，发光层的最佳厚度降低。激活区域中的位错密度优选限制到小于109/cm2，更优选限制到小于108/cm2，更优选限制到小于107/cm2，以及更优选限制到小于106/cm2。实现上述位错密度可以需要生长技术例如横向外延生长技术(epitaxial lateral overgrowth)，氢化物气相外延，以及在独立式的GaN基底上的生长。横向外延生长技术包含在形成在GaN层上的掩模层中的开口上的GaN的选择生长，该GaN层生长在常规生长基底例如蓝宝石上。选择生长GaN的聚结可以能够在整个生长基底上生长平坦的GaN表面。在选择生长GaN层之后生长的层可以显示低的位错密度。横向外延生长技术在“UltravioletInGaN and GaN Single-Quantum Well-Structure Light-Emitting DiodesGrown on Epitaxial Laterally Overgrown GaN substrates”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)p.5735中更详细描述，其在此引入作为参考。独立式的GaN基底的氢化物气相外延生长在“Preparation ofLarge Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase EpitaxyUsing GaAs as a Starting Substrate”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)p.L140中更详细描述，其在此引入作为参考。
可以使用多种方法来制造其中电流方向平行于c轴方向的器件。第一种方法是在生长期间反转[0001]c轴的方向，而不影响电流的方向。第二种方法是反转p和n型层的顺序，其反转电流的方向，而不影响c轴的方向。
图4说明了通过第一种方法形成的器件的例子，其中器件生长在产生图3所示的c轴定向的模板上。图4所示的器件包括GaN基底40，其上生长了n型区域41，发光层20，以及一个或多个p型层，包括例如GaN帽层21，AlGaN层22和接触层23。器件通过电连接接触到发光层20的n型和p型侧而完成。图9说明了纤锌矿GaN的晶胞，由镓原子93和氮原子94形成。纤锌矿GaN具有镓面90和氮面91。c轴92从氮面91指向镓面90。由例如在c平面蓝宝石基底上常规生长产生的GaN的暴露顶表面是镓面90。在GaN表面的镓面90上的生长导致图2所示的c轴定向。在c平面蓝宝石上常规生长之后相邻于蓝宝石的GaN的埋入表面是氮面91。在图4的器件中，选择基底40的材料和表面以促进外延表面上氮面91的生长。适当基底的例子包括：GaN或AlN基底的氮面；厚的GaN层的氮面，该层利用Ga面极性(face polarity)生长并从其生长基底去除；ZnO基底的氧面；SiC基底的碳面；和通过MBE沉积在蓝宝石上的GaN层的表面，其中GaN直接沉积在蓝宝石上而没有中间缓冲层。通常，通过首先沉积AlN缓冲层在蓝宝石上，随后是GaN层，厚的高质量GaN层通过MBE生长在蓝宝石上。这导致在表面上具有镓面90的膜。通过省略AlN缓冲层，膜将在表面上具有氮面91。镓面膜的生长在“Morpohological and structurecharacteristics of homoepitaxial GaN grown by metalorganic chemicalvapour deposition(MOCVD)”，Journal of Crystal Growth 204(1999)419-428和“Playing with Polarity”，Phys.Stat.Sol.(b)228，No.2，505-512(2001)中更详细描述，这两篇文件在此引入作为参考。
图5和7说明了通过第二种方法形成的器件的例子，其中p型区域在发光区域之前生长，导致图3所示的所需反向极化c轴定向。
图5说明了包括隧道结以提供反向极化的器件。在图5的器件中，n型区域11形成在常规基底10例如蓝宝石或SiC上。隧道结形成在n型区域11上，随后是p型区域25，其可以包括例如图3所示的层21，22和23。发光区域20形成在p型区域25上，随后是另一n型区域50。接触点51和52电连接到发光区域的相对侧，接触点51电连接到n型区域50，接触点52电连接到n型区域11。与下面的材料相比，隧道结100允许在隧道结上方生长的材料中的电导率改变。
隧道结100包括重掺杂p型层5，也称为p++层，和重掺杂n型层6，也称为n++层。p++层5可以是例如对于蓝色发光器件的InGaN或GaN，或对于UV发射器件的AlInGaN或AlGaN，掺杂具有受主例如Mg或Zn到约1018cm-3至约5×1020cm-3的浓度。在一些实施例中，p++层5被掺杂到约2×1020cm-3至约4×1020cm-3的浓度。n++层6可以是例如对于蓝色发光器件的InGaN或GaN，或对于UV发射器件的AlInGaN或AlGaN，掺杂具有施主例如Si，Ge，Se或Te到约1018cm-3至约5×1020cm-3的浓度。在一些实施例中，n++层6被掺杂到约7×1019cm-3至约9×1019cm-3的浓度。隧道结100通常非常薄，例如隧道结100可以具有从约2nm至约100nm范围的总厚度，以及p++层5和n++层6的每个可以具有从约1nm至约50nm范围的厚度。在一些实施例中，p++层5和n++层6的每个可以具有从约25nm至约35nm范围的厚度。p++层5和n++层6可以没有必要为相同厚度。在一个实施例中，p++层5是Mg掺杂InGaN的15nm，n++层6是Si掺杂GaN的30nm。p++层5和n++层6可以具有分级的掺杂浓度。例如，相邻于p型区域25的一部分p++层5可以具有掺杂浓度，其被从p型区域的掺杂浓度至p++层5中的所需掺杂浓度分级。类似地，n++层6可以具有掺杂浓度，其被从相邻于p++层5的最大至相邻于n型区域11的最小分级。隧道结100被制造得足够薄和足够掺杂，以便隧道结100在反向偏压时接近电阻性，即隧道结100在反向偏压模式中传导电流时显示低串联压降和低电阻。在一些实施例中，当反向偏压时在隧道结100上的压降在200A/cm2的电流密度下是约0.1V至约1V。
隧道结100被制造以便当电压加在接触点51和52上以便p-n结正向偏压时，隧道结100快速击穿并以反向偏压方向传导，具有最小的压降。隧道结100中的每层不需要具有相同的成分、厚度或掺杂成分。隧道结100还可以包括p++层5和n++层6之间的附加层，其包含p和n型掺杂物。
在一些实施例中，p型区域25可以直接形成在基底10上生长的n型或未掺杂区域上，而不需要隧道结。接触点52然后必须连接到p型区域25，以及在操作器件中没有电学上涉及基底10上的n型或未掺杂区域。如图5所示的隧道结100的使用具有形成在n型区域11上的接触点52的优点，其比p型区域提供更好的电流扩散。
图7说明了具有在发光区域之前生长的p型区域的器件的另一例子，从该器件中常规生长基底已经被去除。这种器件通过在常规生长基底上生长器件层，结合器件层到主基底，然后去除生长基底来形成。图6说明了在常规生长基底10上生长的器件层。通常为n型或未掺杂的区域60生长在基底10上。区域60可以包括任选的制备层例如缓冲层或成核层(nucleation layers)，和任选的刻蚀阻挡层，其设计成有助于生长基底的释放或基底去除后外延层的变薄。P型区域25生长在区域60上，随后是发光层20，和n型区域50。一个或多个金属层61，包括例如电阻接触层，反射层，势垒层，和结合层，沉积在n型区域50上。
器件层然后经由金属层61的暴露表面粘接到主基体(hostsubstrate)70，如图7所示。一般为金属的一个或多个结合层71可以用作外延结构和主基底之间的热压或共晶结合的应允材料(compliantmaterials)。适当的结合层金属的例子包括金和银。在生长基底被去除后，主基底70给外延层提供机械支持，以及提供与n型区域50的电接触。主基底70通常选择为导电(即小于约0.1Ωcm)、导热、具有与外延层匹配的热膨胀系数(CTE)，以及足够平坦(即具有小于约10nm的均方根粗糙度)以形成强的晶片结合。适当的材料包括例如金属如Cu，Mo，Cu/Mo，和Cu/W；具有金属接触的半导体，例如具有欧姆接触的Si和具有欧姆接触的GaAs，该接触包括例如一个或多个Pd，Ge，Ti，Au，Ni，Ag；和例如AlN的陶瓷或压缩金刚石。
主基底70和外延层25，20和50在升高的温度和压力下被挤压在一起以形成结合层之间的耐久的金属结合，在图7中的71处示出。在一些实施例中，在具有外延结构的晶片被划分为单独的器件之前，结合在晶片尺度上进行。用于结合的温度和压力范围由所得到结合的强度来限制较低端，以及由主基底结构和外延结构的稳定性来限制较高端。例如，高温和/或高压可以引起外延层的分解，金属接触的分层，扩散势垒的失效，或外延层中组分材料的除气。适当的温度范围是例如约200℃至约500℃。适当的压力范围是例如约100磅/平方英寸(psi)至约300psi。
为了去除蓝宝石生长基底，基底10和晶体层60，25，20和50之间的部分界面通过基底10以分段和重复的图案暴露在高流量脉冲紫外激光下。激光的光子能量在相邻于蓝宝石的晶体层(在一些实施例中是GaN)的带隙以上，从而脉冲能量在相邻于蓝宝石的外延材料的第一100nm内有效地转换为热能量。在足够高的流量(即大于约1.5J/cm2)和高于GaN的带隙和低于蓝宝石的吸收限(即在约3.44和约6eV之间)的光子能量，在第一100nm内的温度以毫微秒刻度上升到大于1000℃的温度，其对于GaN足够高以分解为镓和氮气体，从基底10释放外延层。所得到的结构包括结合到主基底70的外延层60，25，20和50。在一些实施例中，生长基底可以通过其它方式例如刻蚀，研磨，或其组合被去除。
在生长基底被去除后，剩余的外延层可以例如更薄以去除低质量区域60以暴露p型区域25。外延层可以通过例如化学机械抛光，常规干刻，或光电化学刻蚀(PEC)变薄。接触点72然后形成在p型区域20上。接触点72例如可以是如图7的截面所示的栅格。
图8是封装发光器件的分解图。散热块100放置到插入模制引线框(insert-molded leadframe)中。插入模制引线框例如是在提供电通路的金属框架106周围模制的填充的塑料材料105。块(slug)100可以包括任选的反射体罩102。可以是上述任何一种器件的发光器件电路小片104直接或间接经由导热子装配台103安装到块100。可以添加可以是光学透镜的覆盖物108。
上面已经详细描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在给出的公开的基础上，可以对本发明做出变形，只要不偏离在此所述的本发明构思的精神。例如，尽管在此所述的实施例包括InGaN发光器件，但是相同的结构和技术可以用于具有AlGaN，GaN，或AlInGaN发光层的器件中。因此，不打算本发明的范围限制到所示和所述的具体实施例。
Claims (16)
1.一种半导体发光结构，包括：
配置在n型区域和p型区域之间的半导体发光层，其中：
发光层包括纤锌矿晶体结构；
发光层具有至少50埃的厚度；
穿过配置在发光层和p型区域之间的界面，限定为从III-氮化物晶胞的氮面指向III-氮化物晶胞的镓面的纤锌矿c轴指向发光层；和
其中n型区域是第一n型区域，
该结构进一步包括隧道结和第二n型区域，其中隧道结配置在第二n型区域和p型区域之间。
2.根据权利要求1的结构，其中发光层具有50和500埃之间的厚度。
3.根据权利要求1的结构，其中发光层具有60和300埃之间的厚度。
4.根据权利要求1的结构，其中发光层具有75和175埃之间的厚度。
5.根据权利要求1的结构，其中发光层是III-氮化物层。
6.根据权利要求1的结构，其中发光层是InGaN。
7.根据权利要求1的结构，其中发光层是AlGaN。
8.根据权利要求1的结构，其中发光层具有小于109/cm2的位错密度。
9.根据权利要求1的结构，其中发光层具有小于108/cm2的位错密度。
10.根据权利要求1的结构，其中发光层具有小于107/cm2的位错密度。
11.根据权利要求1的结构，其中发光层具有小于106/cm2的位错密度。
12.根据权利要求1的结构，进一步包括GaN基底，其中n型区域配置在GaN基底和发光层之间。
13.根据权利要求12的结构，其中穿过GaN基底和n型区域之间的界面，纤锌矿晶体c轴指向GaN基底。
14.根据权利要求1的结构，其中p型区域在发光层之前生长。
15.根据权利要求1的结构，其中发光层，p型区域，和n型区域通过邻近n型区域配置的粘合体结合到主基底。
16.根据权利要求1的结构，进一步包括电连接到n型区域的第一引线，电连接到p型区域的第二引线，和配置在发光层上方的覆盖物。
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