CN101297410A - 具有双异质结构发光区域的ⅲ-氮化物发光器件 - Google Patents

具有双异质结构发光区域的ⅲ-氮化物发光器件 Download PDF

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Abstract

将III－氮化物发光层设置在n型区域与p型区域之间。该发光层为掺杂的厚层。在一些实施例中，将该发光层夹在两个掺杂间隔层之间。

Description

具有双异质结构发光区域的Ⅲ-氮化物发光器件
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的发光区域。
相关技术描述
半导体发光器件是目前可以买到的最有效的光源之一，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)以及边缘发射激光器。目前，在制造能够工作于可见光谱的高亮度发光器件的过程中受到关注的材料系包括III-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称作III-氮化物材料。通常，通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其他外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或者其他适当的衬底上外延生长具有不同成分和掺杂物浓度的半导体层叠层来制造III-氮化物发光器件。该叠层通常包括形成在衬底上的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、形成在该一个或多个n型层上的发光或活动区域，以及形成在该活动区域上的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。形成在导电衬底上的III-氮化物器件可以具有形成在该器件的相对侧面上的p和n触点。通常在诸如蓝宝石的绝缘衬底上制造III-氮化物器件，其中这两个触点位于该器件的相同侧面上。安装这样的器件，使得通过这些触点(称作外延向上器件)或者通过该器件与这些触点相对的表面(称作倒装片器件)提取光。
美国专利5747832教导了一种“具有双异质结构的基于发光氮化镓的化合物半导体器件。该双异质结构包括由掺杂有p型和/或n型杂质的低电阻率InxGa1-xN(0＜x＜1)化合物半导体形成的发光层。”参见US5747832的摘要。具体而言，第5栏第45-50行描述了“在本发明中，该发光层18优选地具有在某一范围内的厚度，使本发明的发光器件提供90％或更大的实际相对光强度。更具体地讲，该发光层18优选地具有10埃到0.5微米的厚度，更优选的是0.01到0.2微米。”第10栏第44-49行教导了“在第三实施例中，掺入发光层18的InxGa1-xN中的n型杂质优选地为硅(Si)。出于发光特性的考虑，n型杂质的浓度优选地为1×1017/cm3到1×1021/cm3，更优选的是1×1018/cm3到1×1020/cm3。”
市售的具有InGaN发光层的III-氮化物器件通常具有小于50埃并且通常掺杂为小于约1×1018cm-3的多个量子阱发光层，这是因为这些量子阱设计能够在低驱动电流时改善性能，特别是质量差的外延材料的性能。在发光所希望的较高驱动电流时，这些器件的效率随着电流密度的增大而降低。本领域中所需的是在高电流密度时具有高效率的器件。
发明内容
根据本发明的实施例，将III-氮化物发光层设置在n型区域与p型区域之间。将该发光层掺杂为6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度，并且其具有50埃到250埃之间的厚度。在一些实施例中，该发光层夹在两个n型间隔层之间并且与它们直接接触，以及将这两个间隔层中的一个或两个掺杂为6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度。
附图说明
图1表示了III-氮化物发光器件。
图2是对于如图1所示的器件以及根据本发明实施例的器件而言，作为电流密度的函数的外部量子效率曲线图。
图3表示了根据本发明实施例的III-氮化物发光器件。
图4是作为几个InGaN膜的硅掺杂级别的函数的衰变时间曲线图。
图5和6是大结点倒装片发光器件的平面图和截面图。
图7表示了薄膜发光器件。
图8是封装后的发光器件的分解图。
图9A和9B分别表示了对于根据本发明实施例的发射450nm和400nm的光的器件而言，作为发光层与第一和第二间隔层中的硅掺杂级别的函数的相对内部量子效率。
图10表示了作为几个器件的发光层厚度的函数的相对内部量子效率。
图11表示了作为几个模拟器件的阻挡层成分的函数的注入效率和内部量子效率。
图12表示了作为实际器件中观察到的阻挡层成分的函数的相对内部量子效率。
图13A-13K表示了在发光区域中包含分级(grading)的器件的部分传导带。
具体实施方式
图1表示了普通的III-氮化物发光器件。在蓝宝石衬底10上生长了n型区域11。在n型区域11上生长包括由屏蔽层(barrier layer)分隔开的多个薄量子阱层的活动区域12，随后生长GaN间隔层13、p型AlGaN层14和p型接触层15。
图2表示了诸如图1的器件的器件(图2上的三角形)和根据本发明实施例的器件(图2上的圆圈)的外部量子效率。该外部量子效率是内部量子效率乘以提取效率，该内部量子效率定义为所生成的光子通量除以所提供的载流子的通量。对于给定的灯设计而言，该提取效率为常数，因此该提取效率对于图2所示的两个器件而言是相同的。随着施加到图1的器件的电流密度提高，该器件的外部量子效率起初增大，然后降低，如图2所示。随着电流密度增大超过零，该外部量子效率增大，当电流密度约为10A/cm2时达到峰值。当电流密度提高到10A/cm2以上时，外部量子效率快速下降，然后外部量子效率的降低在高电流密度时变缓，所述高电流密度例如在200A/cm2以上。本发明的实施例设计成减少或者颠倒高电流密度时的量子效率下降。
根据本发明的实施例，III氮化物发光器件包括高度掺杂的厚双异质结构发光区域。尽管下面的实施例描述了其中发光层是掺杂有Si的n型的器件，但是应当理解，在其他实施例中，可以使用包括p型掺杂种类的其他掺杂种类。厚的双异质结构发光区域可以减少载流子密度，并且在发光区域中以及邻近发光区域掺杂可以提高发光区域的材料质量，这两种方式均可以减少由于非辐射复合而损失的载流子数量。本发明的实施例设计成减少或者颠倒图1的器件在图2中观察到的高电流密度时量子效率的下降。
图3表示了根据本发明实施例的发光器件。发光区域35夹在n型区域31与p型区域39之间。发光区域35可以通过可选的第一和第二间隔层33和37与n型区域31和p型区域39间隔开。该器件可以包括设置在n型区域31与第一间隔层33之间的可选预备层32和/或设置在第二间隔层37与p型区域39之间的可选的阻挡层(blockinglayer)38。
不同于被屏蔽层分开的薄量子阱层，发光区域35可以包括一个或多个厚发光层，例如比50埃厚。在一些实施例中，发光区域35包括单一的、厚发光层，其厚度为50-600埃之间，更优选的是100到250埃之间。厚度的上限是由于当前的生长技术在发光层的厚度超过600埃时，例如为大于1000埃的厚度时导致材料质量变差造成的。材料质量差通常导致内部量子效率降低。随着生长技术的改进，生长具有更厚发光层但内部量子效率未降低的器件成为可能，因此其在本发明的实施例范围之内。
最佳的厚度可能取决于发光层内缺陷的数量。一般而言，随着缺陷数量增加，发光层的最佳厚度降低。此外，缺陷可能是非辐射复合的中心，从而希望尽可能地减少缺陷的数量。III-氮化物材料中的判断性缺陷是线纹错位(threading dislocation)。在每个单位面积上测量线纹错位的浓度。优选地将发光区域中线纹错位的浓度限制为小于109cm-2，更优选的是限制为小于108cm-2，更优选的是限制为小于107cm-2，并且更优选的是限制为小于106cm-2。实现上述线纹错位浓度可能需要诸如外延横向附晶生长、氢化物汽相外延法以及在独立的GaN衬底上生长的生长技术。外延横向附晶生长包括在诸如蓝宝石的常规生长衬底上生长的GaN层上形成的掩模层中的开口上选择性生长GaN。选择性生长的GaN的聚结可以使整个生长衬底上生长平面GaN表面。在选择性生长的GaN层之后生长的层可以具有低缺陷密度。Mukai等人在Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)p.5735上发表的“在外延横向附晶生长的GaN衬底上生长的紫外I nGaN和GaN单一量子阱结构发光二极管(Ultraviolet InGaN and GaN Single-Quantum Well-StructureLight-Emitting Diodes Grown on Epitaxial Laterally OvergrownGaN Substrates)”中更加详细地描述了外延横向附晶生长，该文章在本文中引入作为参考。Motoki等人在Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)p.L140上发表的“利用GaAs作为起始衬底通过氢化物汽相外延法制备大的独立GaN衬底(Preparation of Large Freestanding GaNSubstrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as aStarting Substrate)”中更详细地描述了独立GaN衬底的氢化物汽相外延生长，该文章在本文中引入作为参考。
除了厚之外，对发光区域35的发光层进行掺杂，例如为掺有Si的n型。在一些实施例中，将Si用作掺杂物，这是因为Si可以对材料提供其他改善，例如可以改善从该器件的光提取或者释放发光层中的应力的粗糙表面。图4是针对几个InGaN膜的作为硅掺杂级别的函数的衰减时间曲线。为了收集图4中所示的数据，利用低激发强度的激光器探测掺杂为所示级别的InGaN膜。测量载流子的寿命，即在由于缺陷消耗了载流子之前的时间长度。较长的寿命表明该膜材料质量更好；较短的寿命表明材料质量较差。如图4所示，掺杂为6×1018和2×1019cm-3之间的InGaN膜具有最长的寿命，这表明这些膜中的非辐射复合最慢。图4证明了非辐射复合速率可以受到发光层中Si掺杂级别的影响。
图9A表示了对于具有96埃厚度的In0.16Ga0.84N发光层的器件而言，作为硅掺杂级别函数的330A/cm2时的内部量子效率，所述发光层发射峰值波长约为450nm的光。图9B表示了对于具有96埃厚度的In0.08Ga0.92N发光层的器件而言，作为硅掺杂级别函数的330A/cm2时的内部量子效率，所述发光层发射峰值波长约为400nm的光。和图4一样，图9A和9B表示了具有硅掺杂级别为6×1018和3×1019cm-3之间的InGaN发光层的器件具有最高的内部量子效率。尤其是，图9A表示了对于发射峰值波长约为450nm的光的器件而言，在330A/cm2时内部量子效率的峰值出现在约为2×1019cm-3处。图9B表示了对于发射峰值波长约为400nm的光的器件而言，内部量子效率的峰值出现在约为8×1018cm-3处。当发光层中的掺杂级别下降到6×1018cm-3以下或者提高到3×1019cm-3以上时，内部量子效率下降。当硅掺杂级别提高到3×1019cm-3时，材料质量变差。
图2中的圆圈表示对于根据本发明实施例的器件而言作为电流密度的函数的外部量子效率。在图2中的圆圈所示的器件中，将130埃厚的In0.12Ga0.88N发光层掺杂Si到1019cm-3的浓度。该器件发射约430nm的光。与图2中由三角表示的图1的器件形成对比，在根据本发明实施例的器件中，外部量子效率随着电流密度的提高而改善，然后当电流密度约为250A/cm2时稳定在约26％的外部量子效率处。在相同电流密度时，图1的器件仅具有约18％的外部量子效率，其随着电流密度提高而下降。
在一些实施例中，仅在同时实现根据本发明实施例的最佳厚度和根据本发明实施例的最佳硅掺杂级别时，器件性能显著改善，如图10所示，该图为作为几个器件发光层厚度的函数的330A/cm2时的内部量子效率的曲线。图10中的菱形表示具有线纹错位密度为1.5×109cm-2、掺杂为上述最佳硅掺杂范围以下的掺杂级别1018cm-3的发光层的器件。图10中的方块表示具有线纹错位密度为4×108cm-2、掺杂为上述最佳硅掺杂范围之内的掺杂级别1019cm-3的发光层的器件。
如图10中的菱形所示，对于掺杂为小于上述最佳掺杂级别的发光层而言，内部量子效率随着发光层厚度增大到上述最佳厚度范围之内而下降。例如，对于具有掺杂到1018cm-3的发光层的器件而言，内部量子效率从发光层厚度小于50埃时的峰值下降到发光层厚度约为130埃时的零。相反，如图10中的方块所示，在上述最佳掺杂级别时，当发光层厚度在约80埃和约230埃之间时，内部量子效率在针对仅掺杂为1018cm-3的发光层所观察到的峰值内部量子效率以上。
图10还表示了即使将发光层掺杂到上述最佳掺杂级别，如果发光层厚度在上述最佳厚度范围之外，该器件的内部量子效率也会受到损害。例如，图10中的方块表示了当发光层厚度为30埃，即为诸如图1所示器件中的薄量子阱的一般厚度以及上述最佳发光层厚度以下的厚度时，具有掺杂为1019cm-3的最佳掺杂级别的发光层的器件仍然证明内部量子效率非常低。因此，在一些实施例中，发光层厚度和发光层掺杂物浓度必须均在上述最佳范围之内，以便实现内部量子效率的改善。
在一些实施例中，将上述最佳发光区域厚度和掺杂级别与硅掺杂的第一和第二间隔层33和37相结合。如以下的表1所示，通过掺杂到相同掺杂范围并且间隔层直接邻接发光层，可以进一步提高厚的、最佳硅掺杂的发光层的内部量子效率。这些间隔层可以为例如介于约20和约1000埃厚，并且通常约为100埃厚。
表1：对于64埃InGaN发光层而言，在330A/cm2时的相对内部量子效率
Figure A20068003979000131
图2、4和10中以及表1中所示的数据针对的是具有12％InN的InGaN发光层的器件，其发射约430nm的光。提高所发射的光的波长需要提高发光层中InN的量。一般而言，当层中的InN的量增大时，该层的材料质量降低。相应地，在发光层中具有更多InN的器件在发光层中可能需要更大的掺杂物浓度，以便实现效率的改善，如图2、9A和10所示。例如，在具有16％InN的InGaN发光层的器件中，其发射约450nm的光，最佳硅掺杂级别可以为例如1×1019cm-3到5×1019cm-3(如图9A所示)，而不是针对发射400nm光的器件的6×1018cm-3到1019cm-3(如图9B所示)。
上述实例描述了对于第一间隔层33、发光区域35和第二间隔层37中的每一个而言的最佳厚度和掺杂级别。在不同实施例中，区域33、35和37中的一个或多个可以不有意掺杂，或者可以掺杂到以上给出的最佳掺杂范围之下的级别。例如，可以按照最佳方式掺杂全部三个区域33、35和37；可以按照最佳方式掺杂间隔层33和发光区域35，并且可以不是有意地掺杂间隔层37，或者可以将其掺杂到最佳范围之下的级别；可以按照最佳方式掺杂间隔层37和发光区域35，并且可以不是有意地掺杂间隔层33，或者可以将其掺杂到最佳范围之下的级别；或者可以按照最佳方式掺杂间隔层33和37，并且可以不是有意地掺杂发光区域35，或者可以将其掺杂到最佳范围之下的级别。
在一些实施例中，通过包含如图3所示的可选的电流阻挡层38，可以进一步提高该器件的内部量子效率。阻挡层38限制了发光层内的电流，并且在一些实施例中其为含铝p型层，通常为p型AlGaN或者p型AlInGaN。器件的内部量子效率为电流注入效率与辐射复合效率乘积的函数。电流注入效率是在发光层中复合的电流量与提供给该器件的电流量之比。辐射复合效率是发光层中复合并且发射光的电流量(与例如在发光层中的晶体缺陷中复合并且不发射光的电流形成对比)与发光层中复合的电流总量之比。
注入效率对于阻挡层38中的AlN的成分敏感。阻挡层38提供的势垒的“高度”是由阻挡层中AlN的成分、在阻挡层38与间隔层37之间的界面处薄层电荷的数量以及阻挡层38和周围层中的掺杂确定的。图11表示了对于具有根据本发明实施例的In0.12Ga0.88N和In0.16Ga0.84N发光层的器件而言作为阻挡层38中AlN的成分的函数的注入效率和内部量子效率。图11中的数据是通过仿真获得的。图11中的菱形和方块表示具有In0.16Ga0.84N发光层的器件的注入效率和内部量子效率；图11上的三角和x标记表示具有In0.12Ga0.88N发光层的器件的注入效率和内部量子效率。当阻挡层38中的AlN为0％时，注入效率和内部量子效率均约为零。当阻挡层中AlN的成分提高到8％时，注入效率跳变到50％以上。当AlN的成分提高到8％以上时，注入效率提高。对于大于90％的注入效率而言，AlN成分至少可以为15％。
图12表示了作为阻挡层38中AlN成分的函数的内部量子效率，如在发射430nm光的实际器件中观察到的。如图12所示，当阻挡层中的AlN成分提高到0％以上时，内部量子效率提高并且在AlN成分约为20％时达到内部量子效率峰值。相应地，在该器件的一些实施例中，AlGaN阻挡层中的AlN成分大于8％并且小于30％，优选的是大于15％并且小于25％。当AlN成分提高到20％以上时内部量子效率的减小可能是由于在生长高AlN成分层过程中包含了污染物所致。
可以将上述AlN成分概括为阻挡层38所希望的带隙，如下表2所示。由等式 E g , Al x Ga 1 - x N = E g , GaN · ( 1 - x ) + E g , AlN · x - bx ( 1 - x ) 计算表2中的数据，其中Eg，GaN是GaN的带隙3.4eV，Eg，AlN是AlN的带隙6.2eV，并且b是弯曲参数，其在室温下为1eV。
表2：AlxGa1-xN阻挡层的带隙
  x，AlN的成分 Eg，AlGaN(eV)
  0.05   3.49
  0.08   3.55
  0.12   3.63
  0.15   3.69
  0.17   3.73
  0.20   3.80
  0.25   3.89
如表2中所示，8％到25％之间的AlN成分对应于3.55到3.89eV之间的带隙。相应地，在本发明的实施例中，阻挡层可以为具有大于3.5eV带隙的任何成分的层。因为图12所示的AlN成分的上限可能是由于材料问题、特别是由于AlGaN层当前的生长技术造成的，而不是由于带隙造成的，因此在假设这些材料问题已经得到解决的情况下，AlGaN阻挡层的带隙的上限就是AlN阻挡层的上限。
阻挡层38必须足够厚，使得载流子不能穿过阻挡层38，其一般大于10埃厚。在一些实施例中，阻挡层38的厚度在10到1000埃之间，更优选的是在100到500埃之间。在一些实施例中，阻挡层38可以为部分或者整个p型区域39；例如，阻挡层38可以为其上形成了与发光层的p型侧的电接触的层。
在一些实施例中，通过包含如图3所示的可选预备层32，可以进一步提高该器件的内部量子效率。预备层32可以是2003年10月21日授权的、名称为“III-氮化物器件的氮化铟镓平滑结构”的美国专利6635904中描述的平滑结构，并且本文中引入该专利作为参考。将预备层32形成在n型区域31之上。该预备层可以是位于发光层之下、在发光层的5000埃之内的n型层。该预备层能够具有从约200埃到几微米范围的厚度。预备层32具有比发光区域35低的铟成分；例如，预备层32可以是包含2-12％InN的InGaN层，并且更优选的是包含2-6％InN的InGaN层。在一些实施例中，预备层32可以是n型区域31的一部分；例如，预备层32可以是其上形成了与发光层的n型侧的电接触的层。
除了在高电流密度时效率降低之外，图1的器件还可以具有随着施加到该器件的电流密度增大而移位的峰值波长。根据本发明实施例的器件设计可以根据希望减少或者消除随着电流密度增大的峰值波长移位，如表3所示。表3中标记为“图3器件”的器件具有以1×1019cm-3的浓度掺有Si的130埃厚发光层，其发射峰值波长约为430nm的光，还具有以1×1019cm-3的浓度掺有Si的200埃厚GaN第一间隔层、以1×1019cm-3的浓度掺有Si的100埃厚GaN第二间隔层，以及210埃厚Al0.16Ga0.84N阻挡层。
表3：根据本发明实施例的器件以及根据图1的器件的峰值波长移位：
  电流密度变化   波长移位，图1器件   波长移位，图3器件
  从20到930A/cm2   8nm   3nm
  从20到400A/cm2   6nm   2nm
  从20到200A/cm2   4nm   1nm
尽管在以上实例中，每个器件仅包括单一的发光层，但是本发明的一些实施例可以包括由屏蔽(barrier)分开的多个发光层。此外，尽管以上实例使用硅作为发光区域和周围层中的掺杂物，但是在一些实施例中，除了硅之外或者取代硅，可以使用其他适当的掺杂物，例如其他的IV族元素(诸如锗和锡)、VI族元素(诸如氧、硒、碲和硫)、III族元素(诸如铝或者硼)以及p型掺杂物(诸如镁)。最后，尽管上述实例描述了具有通常发射近UV到红外范围的光的InGaN发光层的器件，但是在其他实施例中，发光层或者间隔层可以是GaN、AlGaN或者AlInGaN，并且这些器件可以发射UV到红光。
尽管上述实例中，每个掺杂的层或者区域(例如发光层或者间隔层)是均匀掺杂的，但是在其他实施例中，可以将一个或者多个掺杂层或区域部分掺杂，或者可以对掺杂分级。可替换的是或者除此之外，可以对上述的一个或多个层的成分进行分级。本文中在描述器件中的一层或多层中的成分或者掺杂物浓度时使用的术语“分级(grade)”是指包含按照不同于成分和/或掺杂物浓度中的单一阶梯的任何方式实现成分和/或掺杂物浓度改变的任何结构。在一个实例中，对一个或者两个间隔层中的掺杂进行分级。在另一实例中，对发光层中的InN成分进行分级。每个分级的层可以是子层的叠层，每个子层具有不同于与其相邻的子层的掺杂物浓度或者成分。如果子层具有可分解的厚度，则该分级层是阶梯分级层。在单个的子层厚度接近零的极限时，该分级层是连续分级区域。构成每个分级层的子层能够设置为形成成分和/或掺杂物浓度相对于厚度的多种轮廓，包括但不限于线性分级、抛物线分级和幂定律分级。而且，分级层不限于单一的分级轮廓，而是可以包括具有不同分级轮廓的部分，以及具有基本上不变的成分和/或掺杂物浓度区域的一个或多个部分。
图13A-13K表示了针对图3的发光区域35的几种分级方案。图13A-13K表示了包含第一间隔层33、发光区域35和第二间隔层37的能带图的传导带的一部分。在具有InGaN发光区域35的器件中，带隙越大，即每幅图上表示的级别越高，则存在越少的InN。因此，将图13A作为一个实例，第一间隔层33是不具有InN或者具有低InN成分的GaN或者InGaN。在InGaN发光层35的第一部分中增大InN成分，并且将其保持恒定，然后在与第二间隔层37的界面处将InN成分分级为零或者低成分。在图13G-13K中，在发光区域35内的带隙中存在一个或多个局部最大值130。在InGaN发光区域35中，带隙的这些局部最大值表示具有比发光区域35的周围区域低的InN成分的区域。在一些实施例中，这些局部最大值与发光区域35中它们周围的区域之间的带隙差足够小，使得这些最大值不具有电子态，这意味着在它们之间的区域中不存在量子限制，因此它们之间的区域不是量子阱。
图3所示的半导体结构可以包含在任何配置的发光器件中。图5和6表示了包含图3结构的倒装片器件。图7表示了包含图3结构的薄膜器件。
图5是大结点器件(即面积大于或者等于1平方毫米)的平面图。图6是沿着所示轴截取的图5所示器件的截面图。图5和6还表示了可以与图3所示的半导体结构一起使用的触点的设置。美国专利6828586中更加详细地描述了图5和6的器件，该专利在本文中引入作为参考。图6上将图3所示的和以上各个实例中描述的整个半导体结构表示为外延结构110，其生长在生长衬底10上，该衬底也是该完成的器件的一部分。形成多个通孔，其中n型触点114与图3的n型区域31电接触。P型触点112形成在图3的p型区域39的其余部分上。形成在通孔中的单独的n型触点114通过导电区域118电连接。该器件可以相对于图5和6所示的朝向翻转，并且向下安装在底座(mount)接触侧，从而通过衬底10从该器件提取光。n型触点114和导电区域118通过n型连接区域124与底座电接触。在n型连接区域124之下，p型触点112通过电介质116与n型触点114、导电区域118和n型连接区域124隔离。p型触点112通过p型连接区域122与底座电接触。在p型连接区域122之下，n型触点114和导电区域118通过电介质120与p型连接区域122隔离。
图7是薄膜器件的截面图，其为去除了生长衬底的器件。可以通过在常规生长衬底58上生长图3的半导体结构57、将该器件各层键合(bond)到主衬底70，然后去除生长衬底58来形成图7所示的器件。例如，在衬底58上生长n型区域31。n型区域31可以包括可选的预备层，例如缓冲层或者成核层，以及可以包括可选的释放层，其设计为辅助生长衬底的释放或者在衬底去除之后使外延层变薄。在n型区域31上生长发光区域35，随后是p型区域39。发光区域35可以夹在可选的第一与第二间隔层33和37之间。将一个或多个金属层72沉积在p型区域39之上，所述金属层72包括例如欧姆接触层、反射层、屏蔽层和键合层。
然后将这些器件层通过金属层72的暴露表面键合到主衬底70。一个或多个键合层(未示出)可以用作外延结构与主衬底之间的热压缩或者共晶键合的适合材料，其通常为金属。适当的键合层金属的实例包括金和银。在去除了生长衬底之后，主衬底70提供了对外延层的机械支撑，并且提供了与p型区域39的电接触。通常将主衬底70选择为导电的(即小于约0.1Ωcm)、导热的、具有与外延层相匹配的热膨胀系数(CTE)并且足够平(即具有小于约10nm的均方根粗糙度)以形成坚固的晶片键合。适当的材料包括例如金属，如Cu、Mo、Cu/Mo和Cu/W；具有金属触点的半导体，如具有欧姆触点的Si和具有欧姆触点的GaAs，所述触点包括例如Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag中的一种或多种；以及陶瓷，例如AlN、压缩金刚石或者通过化学汽相沉积生长的金刚石层。
可以将这些器件层键合到晶片规模的主衬底70上，使得器件的整个晶片键合到主晶片上，然后在键合之后切割单独的器件。可替换的是，可以将器件晶片切割成单独的器件，然后将每个器件键合到电路小片规模的主衬底70上，如2004年10月28日提交的、名称为“封装集成薄膜LED(Package-Integrated Thin-Film LED)”的美国专利申请No.10/977294中更详细描述的，将该专利引入作为参考。
以升高的温度和压力将主衬底70和半导体结构57压在一起，以在主衬底70与金属层72之间的界面处形成耐久的键合，例如在该界面处的金属键合层(未示出)之间形成的耐久金属键合。所生成的键合的强度将用于键合的温度和压力范围限制在低端，而主衬底结构、金属化和外延结构的稳定性将其限制在高端。例如，高温和/或高压能够造成外延层的分解、金属触点的脱层、扩散势垒失效或者外延层中的组成材料的放气。用于键合的适当温度范围例如为室温到约500℃。用于键合的适当压力范围例如为不施加压力到约500psi。然后去除生长衬底58。
为了去除蓝宝石生长衬底，使衬底58与半导体结构57之间的部分界面穿过衬底58以阶梯和重复的模式暴露于高注量脉冲紫外激光。可以利用穿过该器件的晶体层刻蚀的沟将曝光的部分隔离，以便隔离由于暴露于激光而造成的冲击波。该激光的光子能量大于邻接蓝宝石(在一些实施例中为GaN)的晶体层的带隙，从而有效地在邻接蓝宝石的外延材料的最初100nm之内将脉冲能量转变为热能量。当注量足够高(即大于约500mJ/cm2)并且光子能量大于GaN的带隙并且小于蓝宝石的吸收边缘(即在约3.44到约6eV之间)时，最初的100nm之内的温度以纳秒的数量级升高到大于1000℃、对于GaN足够高以分离为镓和氮气体的温度，从而将外延层从衬底58上释放下来。所得到的结构包括键合到主衬底70上的半导体结构57。在一些实施例中，可以利用其他方式去除该生长衬底，例如刻蚀、研磨或者其组合。
在去除了生长衬底之后，可以使半导体结构57变薄，例如用于去除最接近衬底58以及材料质量低的部分n型区域31。可以通过例如化学机械抛光、常规的干刻蚀或者光电化学刻蚀(PEC)来使外延层变薄。可以使外延层的顶表面纹理化或者变粗糙，以提高所提取的光量。然后在n型区域31的曝光表面上形成触点(未示出)。该n触点可以是例如栅极。可以利用例如氢注入位于n触点之下的层，以防止从发光区域35位于n触点之下的部分发射光。可以将本领域已知的辅助光学器件，例如二色性器件或者偏振片应用到发射表面上，以提供亮度或者转换效率的进一步提高。
图8是如美国专利6274924中更详细描述的封装发光器件的分解图。将散热金属块100放置在夹物模制的焊接框架中。夹物模制的焊接框架例如为在金属框架106周围模制的填充塑料材料105，其提供电路径。金属块100可以包括可选的反射杯102。将发光器件电路小片104通过导热子载片装置103直接或者间接地安装到金属块100中，该电路小片可以是以上实施例中描述的器件中的任意一种。可以添加盖子108，其可以为光学透镜。
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员可以理解，在说明书的教导下可以在不背离本文中描述的发明概念精神的情况下对本发明进行各种修改。因此，无意将本发明的范围局限在所示和所述的特定实施例。

Claims (47)

1.一种半导体发光器件，包括：
n型区域；
p型区域；以及
设置在该n型区域与p型区域之间的III-氮化物发光层，其中：
将该III-氮化物发光层掺杂到6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度；
该III-氮化物发光层具有50埃到250埃之间的厚度；以及
该III-氮化物发光层配置为发射具有大于390nm的峰值波长的光。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层为InGaN。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中对发光层中的InN成分进行分级。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层为AlInGaN。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有小于109/cm2的线纹错位浓度。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有小于108/cm2的线纹错位浓度。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有小于107/cm2的线纹错位浓度。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有小于106/cm2的线纹错位浓度。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有分级的掺杂物浓度。
10.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有1×1019cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度。
11.根据权利要求10所述的半导体发光器件，其中该发光层配置为发射具有440nm到460nm之间的峰值波长的光。
12.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有6×1018cm-3与2×1019cm-3之间的掺杂物浓度。
13.根据权利要求12所述的半导体发光器件，其中该发光层配置为发射具有420nm到440nm之间的峰值波长的光。
14.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该发光层具有75埃到150埃之间的厚度。
15.根据权利要求1所述的半导体发光器件，进一步包括：
设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的第一间隔层，该第一间隔层与III-氮化物发光层直接接触；以及
设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的第二间隔层，该第二间隔层与III-氮化物发光层直接接触；
其中第一和第二间隔层中的每一个不是有意地掺杂或者掺杂到小于6×1018cm-3的掺杂物浓度。
16.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该III-氮化物发光层为掺有Si的n型。
17.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中该III-氮化物发光层掺有单一掺杂物种类。
18.根据权利要求1所述的半导体发光器件，进一步包括设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的InGaN预备层。
19.根据权利要求1所述的半导体发光器件，进一步包括设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的阻挡层，该阻挡层具有大于3.5eV的带隙。
20.一种半导体发光器件，包括：
n型区域；
p型区域；
设置在该n型区域与p型区域之间的III-氮化物发光层，将该III-氮化物发光层掺杂到6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度，该III-氮化物发光层具有50埃到600埃之间的厚度，并且该III-氮化物发光层配置为发射具有大于390nm的峰值波长的光；
设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的第一间隔层，该第一间隔层与III-氮化物发光层直接接触；以及
设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的第二间隔层，该第二间隔层与III-氮化物发光层直接接触；
其中第一和第二间隔层之一掺杂为6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度。
21.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中：
该第一间隔层掺杂为6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度；并且
该第二间隔层不是有意地掺杂或者掺杂为小于6×1018cm-3的掺杂物浓度。
22.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中：
该第一间隔层不是有意地掺杂或者掺杂为小于6×1018cm-3的掺杂物浓度；
该第二间隔层掺杂为6×1018cm-3与5×1019cm-3之间的掺杂物浓度。
23.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中该III-氮化物发光层是InGaN。
24.根据权利要求23所述的半导体发光器件，其中对发光层中的InN成分进行分级。
25.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中该第一和第二间隔层分别具有20埃到1000埃之间的厚度。
26.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中该第一和第二间隔层均为GaN。
27.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中该发光层为AlInGaN。
28.根据权利要求20所述的半导体发光器件，进一步包括：与n型区域和p型区域电连接的触点。
29.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中第一和第二间隔层之一具有分级的掺杂物浓度。
30.根据权利要求20所述的半导体发光器件，其中一部分n型区域掺杂为与发光层中的掺杂物浓度基本上相同的掺杂物浓度。
31.根据权利要求20所述的半导体发光器件，进一步包括设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的InGaN预备层。
32.根据权利要求20所述的半导体发光器件，进一步包括设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的阻挡层，该阻挡层具有大于3.5eV的带隙。
33.一种半导体发光器件，包括：
n型区域；
p型区域；
设置在n型区域与p型区域之间的III-氮化物发光层，其中：
该III-氮化物发光层具有50埃到600埃之间的厚度；
该III-氮化物发光层配置为发射具有大于390nm的峰值波长的光；以及
设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的阻挡层，该阻挡层具有大于3.5eV的带隙。
34.根据权利要求33所述的半导体发光器件，其中当向该器件提供200A/cm2时从该器件提取的光子与提供给该器件的电流之比大于当向该器件提供20A/cm2时从该器件提取的光子与提供给该器件的电流之比。
35.根据权利要求33所述的半导体发光器件，其中该发光层是InGaN。
36.根据权利要求35所述的半导体发光器件，其中对发光层中的InN的成分进行分级。
37.根据权利要求33所述的半导体发光器件，其中该阻挡层为AlGaN。
38.根据权利要求37所述的半导体发光器件，其中该阻挡层具有8％到30％之间的AlN成分。
39.根据权利要求33所述的半导体发光器件，其中当向该器件提供930A/cm2时该发光层发射的光的峰值波长与当向该器件提供20A/cm2时该发光层发射的光的峰值波长之差小于5nm。
40.根据权利要求33所述的半导体发光器件，其中当向该器件提供200A/cm2时该发光层发射的光的峰值波长与当向该器件提供20A/cm2时该发光层发射的光的峰值波长之差小于3nm。
41.根据权利要求33所述的半导体发光器件，进一步包括设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的InGaN预备层。
42.一种半导体发光器件，包括：
n型区域；
p型区域；
设置在n型区域与p型区域之间的III-氮化物发光层，其中：
该III-氮化物发光层具有50埃到600埃之间的厚度；并且
该III-氮化物发光层配置为发射具有大于390nm的峰值波长的光；以及
设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的InGaN预备层。
43.根据权利要求42所述的半导体发光器件，其中该III-氮化物发光层是InGaN。
44.根据权利要求43所述的半导体发光器件，其中对发光层中的InN的成分进行分级。
45.根据权利要求42所述的半导体发光器件，其中该预备层具有2％到12％之间的InN成分。
46.根据权利要求42所述的半导体发光器件，其中该预备层具有2％到6％之间的InN成分。
47.一种半导体发光器件，包括：
n型区域；
p型区域；
设置在n型区域与p型区域之间的III-氮化物发光层，该III-氮化物发光层具有50埃到600埃之间的厚度，该III-氮化物发光层不是有意地掺杂或者掺杂为小于6×1018cm-3的掺杂物浓度；
设置在n型区域与III-氮化物发光层之间的第一间隔层，该第一间隔层与III-氮化物发光层直接接触；
设置在p型区域与III-氮化物发光层之间的第二间隔层，该第二间隔层与III-氮化物发光层直接接触；其中：
第一和第二间隔层中的每一个掺杂为6×1018cm-3到5×1019cm-3之间的掺杂物浓度；
利用相同导电性类型的掺杂物对第一和第二间隔层进行掺杂。
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