CN102439740A - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件能够用于发光二极管和激光二极管。发光器件包括：基底，第一半导体层，在基底上；第二半导体层，在第一半导体层上；多量子阱结构，在第一半导体层和第二半导体层之间包括至少一个阱层和至少一个垒层。载流子捕获部分形成在多量子阱结构中的至少一个层中。载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心逐渐减小。

Description

发光器件
技术领域
本公开涉及能够用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的发光器件。更具体地说，本公开涉及在多量子阱结构中的至少一个层中包括至少一个载流子捕获部分的发光器件。
背景技术
诸如GaN、AlN、InGaN等的III族氮化物具有良好的热稳定性和直接跃迁式能带结构，并且近年来作为用于蓝光和UV发光二极管以及激光二极管的材料而受到关注。具体地说，InGaN化合物半导体由于其窄的带隙能而受到关注。使用基于GaN的化合物半导体的LED具有各种应用，包括全彩平板显示器、背光单元的光源、信号灯、内部照明、高清晰度光源、高分辨率输出系统、光通信等。
通常，LED包括n型半导体层、p型半导体层以及置于n型半导体层和p型半导体层之间的有源区。n型半导体层和p型半导体层可由III族氮化物半导体层形成，例如，由基于(Al，In，Ga)N化合物的半导体层形成。有源区可具有包括单个量子阱层的单量子阱结构或包括多个量子阱层和多个量子垒层的多量子阱结构。多量子阱结构可包括交替地堆叠在彼此上方的InGaN阱层和GaN垒层。InGaN阱层可由带隙小于垒层的带隙的n型半导体层或p型半导体层形成，从而量子阱层能被形成为允许电子和空穴在量子阱层中复合。
III族氮化物半导体层通过金属有机化学气相沉积等在具有六边形结构的异质基底上生长。然而，当III族氮化物半导体层在异质基底上生长时，由于半导体层和基底之间的热膨胀系数和晶格常数的不同而导致半导体层产生裂纹或翘曲和位错。
为了防止这种问题，在生长半导体层之前，在基底上形成缓冲层，从而在缓冲层上生长的半导体层中基本防止晶体缺陷。然而，有源层仍然具有高密度的晶体缺陷，从而对III族氮化物半导体层的应用产生严重的阻碍。此外，有源区中的诸如位错的晶体缺陷捕获进入到有源区中的载流子并且不发射光，从而成为非辐射中心并且显著地劣化LED的内部量子效率。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的在于提供一种被构造为防止由有源区中的诸如位错的晶体缺陷导致的内部量子效率降低的发光器件。
本发明的另一目的在于提供一种被构造为提高多量子阱结构的晶体质量的发光器件。
技术方案
根据一方面，一种发光器件包括：基底；第一半导体层，在基底上；第二半导体层，在第一半导体层上；多量子阱结构，在第一半导体层和第二半导体层之间包括至少一个阱层和至少一个垒层，多量子阱结构中的至少一个层包括形成在其中的至少一个载流子捕获部分，所述至少一个载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心减小。
载流子捕获部分的带隙能可从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心以直线形状、以阶梯形状或以曲线形状逐渐减小。
载流子捕获部分可形成在多量子阱结构中的阱层中。例如，载流子捕获部分可埋入在阱层中。
包括载流子捕获部分的层可包含铟。例如，包括载流子捕获部分的层可由基于AlInGaN的化合物半导体或基于AlInGaP的化合物半导体组成。
发光器件还可包括：铟蒸发防止层，在多量子阱结构中，以防止铟从包括载流子捕获部分的层蒸发。
载流子捕获部分包含的铟的量可以从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心逐渐增大。载流子捕获部分的中心包含的铟可比载流子捕获部分的最外侧区域包含的铟多至少2％或更多。
包括载流子捕获部分的层可以是阱层，垒层包可以含铝(Al)这里，可调节垒层的Al含量以产生能够抵消在包括载流子捕获部分的层中产生的压应力的张应力。包含Al的垒层可由基于AlGaInN的化合物半导体或基于AlGaInP的化合物半导体组成。
在生长包括载流子捕获部分的层的同时，载流子捕获部分可与包括载流子捕获部分的层同时地形成。载流子捕获部分可以以比包括载流子捕获部分的层中的位错的密度高的密度分布。
载流子捕获部分的尺寸可为1nm至10nm。例如，载流子捕获部分的尺寸可为2nm至5nm。
发光器件还可包括通过使至少两个载流子捕获部分成簇形成的载流子捕获簇。载流子捕获簇可与另一相邻的载流子捕获簇分开至少20nm或更多的距离。例如，载流子捕获簇可与另一相邻的载流子捕获簇分开至少40nm至120nm的距离。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的发光器件的堆叠结构的剖视图；
图2是根据本发明一个实施例的具有载流子捕获部分的多量子阱(MQW)的TEM图；
图3是根据本发明一个实施例的具有载流子捕获部分的MQW的图；
图4中的(a)是沿图3的线I(a)-I(b)和线II(a)-II(b)截取的能带图，图4中的(b)和(c)是沿图3的线I(a)-I(b)截取的另一可能的能带图；
图5是根据本发明另一实施例的具有载流子捕获簇的多量子阱(MQW)的TEM图；
图6是根据本发明另一实施例的具有载流子捕获簇的多量子阱(MQW)的APT图；
图7是示出示出在载流子捕获部分中产生的压应力以及在垒层中产生的用来抵消该压应力的张应力的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施例。通过示出的方式给出下面的实施例以将对本发明的充分的理解提供给本领域技术人员。因此，应当理解的是，基于本公开，其它实施例将是显然的，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行修改和改变。相似地，应当注意的是，附图并不精确地成比例，为了附图中的描述清楚，夸大了一些尺寸。另外，在整个说明书和附图中，相同的标号表示相同的元件。
图1示出了根据本发明一个实施例的发光器件的堆叠结构。
参照图1，第一半导体层15位于基底11上。这里，缓冲层13可形成在第一半导体层15和基底11之间以减轻第一半导体层15和基底11之间的晶格失配。例如，缓冲层13由GaN或AlN组成。基底11可由蓝宝石、尖晶石或碳化硅(SiC)组成，但不限于此。第一半导体层15可以是n型杂质掺杂的GaN层。
第二半导体层19位于第一半导体层15上，有源区17置于第一半导体层15和第二半导体层19之间。有源区17可具有多量子阱(MQW)结构，其中，一个或多个阱层17b和一个或多个垒层17a交替地堆叠在彼此上方。这里，阱层17b具有比垒层17a的带隙能窄的带隙能。阱层17b和垒层17a可由基于AlInGaN的化合物半导体组成。例如，阱层17b可以是杂质掺杂的或未掺杂的InGaN，垒层17a可以是杂质掺杂的或未掺杂的InGaN或GaN。第二半导体层19可以是p型杂质掺杂的GaN。
第二电极21可形成在第二半导体层19上。第二电极21可以是允许光透过其的透明电极。透明电极21可由ITO组成。键合焊盘23可形成在透明电极21上以进行外部链接。键合焊盘23可由Cr/Au、Ni/Au等组成，但不限于此。此外，第一电极25可形成在第一半导体层15的的暴露区域上，第一半导体层15的所述暴露区域是通过局部去除第二半导体层19和多量子阱结构17而形成的。第一电极25也可由Cr/Au、Ni/Au等组成，但不限于此。
根据本发明的一个实施例，发光器件在多量子阱结构17中的至少一个层中包括至少一个载流子捕获部分27。载流子捕获部分27用于通过替代多量子阱结构17中的位错来捕获载流子。为此，载流子捕获部分27被构造为具有从载流子捕获部分27的外周到载流子捕获部分27的中心逐渐减小的带隙能，如图3和图4所示。图4中的(a)是沿图3的线I(a)-I(b)和线II(a)-II(b)截取的能带图。沿线II(a)-II(b)截取的能带图与普通的由阱层和垒层组成的多量子阱结构的能带图基本相同。然而，在沿线I(a)-I(b)截取的能带图中，带隙能在阱层17b中朝载流子捕获部分27的中心逐渐减小。这里，虽然在图4中的(a)中带隙能的减小示出为直线，但是通过在生长阱层17b的过程中控制室中的源气体的温度、压力和流速，带隙能可以以如图4中的(b)所示的阶梯形状减小或者以如图4中的(c)所示的曲线形状来减小。例如，当包括载流子捕获部分27的层包含铟时，载流子捕获部分27可被构造为使得载流子捕获部分27的铟含量从载流子捕获部分27的外周到载流子捕获部分27的中心逐渐增大。载流子捕获部分27的最外侧区域与载流子捕获部分27的中心区域之间的铟含量差可以是至少2％或更大。
这里，载流子捕获部分27是指能够利用可被位错捕获而损失的载流子的结构。这种结构不限于物理形状。换言之，根据本发明的实施例，载流子捕获部分27可以是能够有效地利用可被位错捕获而损失的载流子的量子力学能量态或物理形状。
如上所述，由于载流子捕获部分27作为捕获注入到多量子阱结构17中的载流子来发光的辐射中心，所以根据实施例的载流子捕获部分27可形成在多量子阱结构17中的阱层17b中。例如，载流子捕获部分27可以埋入到如图2或图3中所示的阱层17b中。然而，应当理解的是，阱层17b中的载流子捕获部分27的构造不限于此。
可通过三维生长来实现在层中的载流子捕获部分27的形成。三维生长是指通过控制室中的源气体的压力、温度和流速来生长三维形状的层的方法。例如，如果包括载流子捕获部分27的层是由InGaN组成的阱层17b，则以二维的方式执行InGaN的初始生长直到InGaN生长到预定厚度或更厚，然而改为三维生长，通过这种三维生长InGaN层进一步生长到预定厚度或更厚，从而能够通过铟的相分离特性来形成根据本发明实施例的包括载流子捕获部分的层。另外，当铟含量超过5％并且生长温度超过600℃时，铟在层中经受相分离并表现出密集趋势以形成根据本发明实施例的载流子捕获部分27。通过这种方法，可以在形成包括载流子捕获部分的层的同时，同时形成载流子捕获部分27与该层。
然而，如图6中所示，三维载流子捕获部分27具有在阱层中的压应力，从而导致多量子阱结构17的晶体质量劣化。关于这一点，可在多量子阱结构中将包含铝的层(例如，由基于AlGaInN的化合物半导体或基于AlGaInP的化合物半导体组成的层)形成为垒层17a，以产生能够抵消压应力的张应力，从而解决由压应力导致的晶体质量劣化的问题。根据一个实施例，调节垒层17a中的Al含量以产生与InGaN阱层17b中产生的压应力相同的张应力。
另外，当InGaN阱层17b与GaN垒层17a一起使用时，由于形成在InGaN阱层17b中以具有从载流子捕获部分27的外周到载流子捕获部分27的中心逐渐增大的铟含量的载流子捕获部分27，使得InGaN阱层17b的晶格常数变得与GaN垒层17a的晶格常数相似，从而解决了由于InGaN阱层17b与GaN垒层17a之间的晶格差异而导致的问题。
如上所述，根据本发明的实施例的发光器件被构造为防止由于多量子阱结构17中的位错导致的内部量子效率降低。为此，本实施例的载流子捕获部分27可以以比包括载流子捕获部分27的层中的位错的密度高的密度分布。
载流子捕获部分27可具有1nm至10nm的尺寸。可选择地，载流子捕获部分27可具有2nm至5nm的尺寸。
当多量子阱结构17包含铟时，可能会有由于铟的特性导致的铟蒸发的问题。为了防止该问题，根据本发明的一个实施例的多量子阱结构17还可包括铟蒸发防止层(未示出)，以防止铟从包括载流子捕获部分27的层蒸发。
根据另一实施例，多量子阱结构17还可包括通过使至少两个上述载流子捕获部分27成簇来形成的载流子捕获簇。这种构造在图5的点状部分或图6中清楚地示出。可通过在包括载流子捕获部分27的层的三维生长过程中调节反应室中的源气体的温度、压力和流速来形成载流子捕获簇。当形成由例如InGaN组成的阱层17b时，室中的300托或更高的压力将引起密集趋势以使载流子捕获部分27成簇来形成载流子捕获簇。
载流子捕获簇可与另一相邻的载流子捕获簇分开至少20nm或更远的距离。例如，载流子捕获簇可与另一相邻的载流子捕获簇分开至少40nm至120nm的距离。
虽然在上面的描述中已经参照基于AlInGaN的化合物半导体描述了一些实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，本发明可应用到其它化合物半导体中，例如，基于AlInGaP的化合物半导体等。
如上所述，根据本发明的实施例，发光器件在多量子阱结构17中的层中包括载流子捕获部分27和/或载流子捕获簇，以有效地捕获可被多量子阱结构17中的位错捕获的载流子，使得被载流子捕获部分27和/或载流子捕获簇捕获的载流子能够用于发光，从而提高发光器件的内部量子效率。
此外，根据本发明的另一实施例，发光器件的多量子阱结构17被构造为产生能够抵消在多量子阱结构中产生的压应力的张应力，使得多量子阱结构17具有提高了的晶体质量。
可将上面描述的不同的实施例组合来提供其它实施例。本说明书中涉及的和/或在申请数据表中列出的全部美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利公开通过引用全部包含于此。如果需要应用不同的专利、申请和公开的构思，可以修改实施例的各方面来提供其它实施例。
可以根据上面的详细描述对实施例进行这些和其它改变。通常，在权利要求书中，使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应当解释为包括这些要保护的权利要求的全部可能实施例以及等同物的全部范围。因此，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (21)

1.一种发光器件，所述发光器件包括：
基底；
第一半导体层，在基底上；
第二半导体层，在第一半导体层上；
多量子阱结构，在第一半导体层和第二半导体层之间包括至少一个阱层和至少一个垒层，多量子阱结构中的至少一个层包括形成在其中的至少一个载流子捕获部分，所述至少一个载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心逐渐减小。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心以直线形状减小。
3.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心以阶梯形状减小。
4.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的带隙能从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心以曲线形状减小。
5.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分形成在多量子阱结构中的阱层中。
6.如权利要求5所述的发光器件，其中，载流子捕获部分埋入在阱层中。
7.如权利要求1所述的发光器件，其中，包括载流子捕获部分的层包含铟。
8.如权利要求7所述的发光器件，其中，包括载流子捕获部分的层由基于AlInGaN的化合物半导体或基于AlInGaP的化合物半导体组成。
9.如权利要求7所述的发光器件，所述发光器件还包括：
铟蒸发防止层，在多量子阱结构中，以防止铟从包括载流子捕获部分的层蒸发。
10.如权利要求7所述的发光器件，其中，载流子捕获部分包含的铟的量从载流子捕获部分的外周到载流子捕获部分的中心逐渐增大。
11.如权利要求10所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的中心包含的铟比载流子捕获部分的最外侧区域包含的铟多至少2％或更多。
12.如权利要求7所述的发光器件，其中，包括载流子捕获部分的层是阱层，垒层包含铝。
13.如权利要求12所述的发光器件，其中，调节垒层的铝含量以产生能够抵消在包括载流子捕获部分的层中产生的压应力的张应力。
14.如权利要求12所述的发光器件，其中，垒层由基于AlGaInN的化合物半导体或基于AlGaInP的化合物半导体组成。
15.如权利要求1所述的发光器件，其中，在生长包括载流子捕获部分的层的同时，载流子捕获部分与包括载流子捕获部分的层同时地形成。
16.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分以比包括载流子捕获部分的层中的位错的密度高的密度分布。
17.如权利要求1所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的尺寸为1nm至10nm。
18.如权利要求17所述的发光器件，其中，载流子捕获部分的尺寸为2nm至5nm。
19.如权利要求1所述的发光器件，所述发光器件还包括：
载流子捕获簇，通过使至少两个载流子捕获部分成簇来形成。
20.如权利要求19所述的发光器件，其中，载流子捕获簇与另一相邻的载流子捕获簇分开至少20nm或更多的距离。
21.如权利要求20所述的发光器件，其中，载流子捕获簇与另一相邻的载流子捕获簇分开至少40nm至120nm的距离。
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