CN103681999A - 具有嵌入空穴注入层以提高效率和下降率的光子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有嵌入空穴注入层以提高效率和下降率的光子器件。发光器件包括位于衬底上方的n掺杂氮化镓(n-GaN)层。多量子阱(MQW)层位于n-GaN层上方。电子阻挡层位于MQW层上方。p掺杂氮化镓(p-GaN)层位于电子阻挡层上方。该发光器件包括空穴注入层。在一些实施例中，空穴注入层包括p掺杂氮化铟镓(p-InGaN)层，其位于下面三个位置的一个位置中：MQW层和电子阻挡层之间、电子阻挡层和p-GaN层之间以及p-GaN层内部。

Description

具有嵌入空穴注入层以提高效率和下降率的光子器件
技术领域
本发明总的来说涉及III-V族化合物器件，更具体地，涉及提高诸如氮化镓(GaN)器件的III-V族化合物器件的效率和下降率(drop rate)。
背景技术
近年来，半导体行业经历了迅速发展。半导体材料和设计的技术进步产生了用于不同用途的各种类型的器件。这些器件中的一些类型的制造可能需要在衬底上形成一个或多个III-V族化合物层，例如在衬底上形成氮化镓层。使用III-V族化合物的器件可包括发光二极管(LED)器件、激光二极管(LD)器件、射频(RF)器件、高电子迁移率晶体管(HEMT)器件和/或高功率半导体器件。这些器件中的一些(诸如LED器件和LD器件)被配置为当施加电压时由于电子-空穴再结合(recombination)而发光。
然而，传统的LED器件和LD器件具有较差的空穴注入率和较差的空穴扩散，这对于LED器件和LD器件来说，导致输出功率的降低和较大的效率下降。
因此，虽然现有的LED器件和LD器件一般能够满足它们预期的用途，但是它们不能在每个方面都满足要求。继续寻求具有更好空穴注入和空穴扩散性能的LED器件和LD器件。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光子器件，包括：n掺杂III-V族化合物层，设置在衬底上方；多量子阱(MQW)层，设置在n掺杂III-V族化合物层上方；p掺杂III-V族化合物层，设置在MQW层上方；以及空穴注入层，设置在MQW层和p掺杂III-V族化合物层之间，其中，空穴注入层包含不同于p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
优选地，空穴注入层的p掺杂III-V族化合物材料包括掺镁氮化铟镓(InGaN)。
优选地，空穴注入层设置在p掺杂III-V族化合物层的内部。
优选地，该光子器件还包括设置在MQW层和p掺杂III-V族化合物层之间的电子阻挡层。
优选地，空穴注入层设置在电子阻挡层和MQW层之间。
优选地，空穴注入层设置在电子阻挡层和p掺杂III-V族化合物层之间。
优选地，电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料。
优选地，n掺杂III-V族化合物层和p掺杂III-V族化合物层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；以及MQW层包含多个交错的氮化铟镓(InGaN)子层和氮化镓(GaN)子层。
优选地，光子器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
优选地，光子器件包括具有一个或多个管芯的照明模块，并且在一个或多个管芯的每个管芯中实施n掺杂III-V族化合物层、p掺杂III-V族化合物层和MQW层。
根据本发明的另一方面，提供了一种发光器件，包括：n掺杂氮化镓(n-GaN)层，位于衬底上方；多量子阱(MQW)层，位于n-GaN层上方；电子阻挡层，位于MQW层上方；p掺杂氮化镓(p-GaN)层，位于电子阻挡层上方；以及p掺杂氮化铟镓(p-InGaN)层，嵌入到以下三个位置的一个位置中：MQW层和电子阻挡层之间、电子阻挡层和p-GaN层之间以及p-GaN层的内部。
优选地，电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料。
优选地，n-GaN层、MQW层、电子阻挡层、p-GaN层和p-InGaN层是发光二极管(LED)器件的部分。
优选地，n-GaN层、MQW层、电子阻挡层、p-GaN层和p-InGaN层是激光二极管(LD)器件的部分。
优选地，p-InGaN层具有镁作为掺杂物；p-InGaN层中镁的浓度在大约1.0×1017ions/cm3到大约1.0×1019ions/cm3的范围内；以及p-InGaN层的厚度小于约100纳米。
优选地，衬底包括以下材料中的一种：氮化镓衬底、蓝宝石衬底、硅衬底以及包括夹置在氮化镓层和接合晶圆之间的介电层的衬底。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造发光器件的方法，包括：在衬底上方生长n掺杂III-V族化合物层；在n掺杂III-V族化合物层上方生长多量子阱(MQW)层；在MQW层上方生长电子阻挡层；在电子阻挡层上方生长p掺杂III-V族化合物层；以及在下面位置的一个位置中形成空穴注入层：MQW层和电子阻挡层之间、电子阻挡层和p掺杂III-V族化合物层之间和p掺杂III-V族化合物层的内部；其中，空穴注入层包含不同于p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
优选地，n掺杂III-V族化合物层和p掺杂III-V族化合物层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；MQW层包含多个交错的氮化铟镓(InGaN)子层和氮化镓(GaN)子层；电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料；以及空穴注入层包含掺镁氮化铟镓(InGaN)。
优选地，以以下方式执行生长所述空穴注入层：空穴注入层中镁的浓度在大约1.0×1017ions/cm3到大约1.0×1019ions/cm3的范围内；以及空穴注入层的厚度小于约100纳米。
优选地，发光器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
附图说明
当参照附图阅读时，根据以下详细描述可以更好地理解本发明的方面。需要强调的是，根据行业标准惯例，各个部件没有按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚，可以任意增大或减小各个部件的尺寸。
图1至图2以及图7至图9是根据本发明各个方面的示例性LED结构的局部截面侧视图。
图3至图6是示出根据本发明各个方面的实验数据的示图。
图10是根据本发明各个方面的示例性LED照明装置的局部截面侧视图。
图11是根据本发明各个方面的包括图7的LED照明装置的照明模块的示意图。
图12是根据本发明各个方面的示例性LD结构的局部截面侧视图。
图13是示出根据本发明各个方面的制造具有嵌入空穴注入层的光子器件的方法的流程图。
具体实施方式
应该理解，以下发明提供了用于实现各个实施例的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下描述了部件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不用于限制。例如，在下面的描述中第一部件形成在第二部件之上或第二部件上可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，还可以包括可形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。此外，为了方便，使用术语“顶部”、“底部”、“之下”、“之上”、以及类似术语但不旨在以任何特定取向限制实施例的范围。为了简化和清楚的目的，各个部件还可以按不同比例任意绘制。此外，本发明可以在各个实例中重复参照的数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，但其自身并不表明所讨论的各个实施例和/或配置之间的必要关系。
随着半导体制造技术的不断进步，利用III-V族化合物来制造诸如发光二极管(LED)器件、激光二极管(LD)器件、射频(RF)器件、高电子迁移率晶体管(HEMT)器件和高功率半导体器件的各种器件。III-V化合物包含来自元素周期表“III”族(或家族)的元素以及来自元素周期表“V”族(或家族)的另一种元素。例如，III族元素可包括硼、铝、镓、铟和钛，而V族元素可包括氮、磷、砷、锑和铋。
这些III-V族化合物器件中的一些器件(诸如LED和LD)在施加电压时利用电子-空穴再结合来发射辐射。辐射可包括可见光谱中的不同颜色的光以及具有紫外线或红外线波长的辐射。与传统光源(例如，白炽灯)相比，LED和LD提供了许多优点，诸如较小的尺寸、较低的能耗、较长的寿命、各种可用的颜色以及较好的耐久性和可靠性。这些优点以及使LED和LD更便宜和更稳定的LED和LD制造技术的进步近年来促进了LED和LD的普及。
然而，现有LED和LD可能具有特定缺陷。一种这样的缺陷是现有LED和LD具有较差的空穴注入以及较差的空穴扩散，导致电子-空穴再结合的不充分。这使得LED或LD的输出功率减小以及潜在较大的效率下降。
根据本发明的各个方面，下面描述具有改善了空穴注入和空穴扩散的光子器件，其提高了电子-空穴再结合以增加输出功率并减小与现有LED和LD相关的效率下降。在一些实施例中，光子器件包括水平LED。在一些实施例中，光子器件包括垂直LED。图1至图2是处于各个制造阶段的部分LED的示意性截面侧视图。为了更好地理解本发明的发明概念而简化了图1至图2。
参照图1，示出了水平LED 30。水平LED 30包括衬底40。衬底40是晶圆的一部分。在一些实施例中，衬底40包括蓝宝石材料。在一些其它实施例中，衬底40包括硅材料。在一些其它实施例中，衬底40包括块状(bulk)III-V型化合物，例如块状氮化镓。在又一些其它实施例中，衬底40可包括氮化镓层、接合晶圆(其可包括蓝宝石、硅、莫来石、苏-莫来石(Su-mullite)、石英、钼等)以及接合在氮化镓层和接合晶圆之间的介电层(例如，氧化硅)。
衬底40可具有范围在大约50微米(μm)到大约1000μm之间的厚度。在一些实施例中，可在衬底40上方形成低温缓冲膜。然而，为了简化的目的，低温缓冲膜在本文没有示出。
非掺杂半导体层50形成在衬底40上方。非掺杂半导体层50没有p型掺杂物或n型掺杂物。在一些实施例中，非掺杂半导体层50包括含有来自元素周期表“III”族(或家族)的一种元素以及来自元素周期表“V”族(或家族)的另一种元素的化合物。在所示实施例中，非掺杂半导体层50包括非掺杂氮化镓(GaN)材料。
非掺杂半导体层50还可用作衬底40和将形成在非掺杂半导体层50上方的层之间的缓冲层(例如，为了减小应力)。为了有效地执行其用作缓冲层的作用，非掺杂半导体层50具有减少的位错缺陷和良好的晶格结构质量。在特定实施例中，非掺杂半导体层50具有范围在大约1μm到大约5μm之间的厚度。
掺杂半导体层60形成在非掺杂半导体层50上方。通过本领域公知的外延生长工艺来形成掺杂半导体层60。在所示实施例中，掺杂半导体层60掺杂有n型掺杂物，例如碳(C)或硅(Si)。在可选实施例中，掺杂半导体层60可掺杂有p型掺杂物，例如镁(Mg)。掺杂半导体层60包括III-V族化合物，其在本实施例中是氮化镓。因此，掺杂半导体层60还可称为掺杂氮化镓层。在一些实施例中，掺杂半导体层60具有范围在大约2μm到大约6μm之间的厚度。
预应变层(pre-strained layer)70形成在掺杂半导体层60上方。预应变层70可掺杂有诸如硅的n型掺杂物。在各个实施例中，预应变层70可包含多对(例如20-40对)交错的InxGa1-xN子层和GaN子层，其中，x大于或等于0但小于或等于1。预应变层70可用于释放应力并减少量子限制斯塔克效应(QCSE)，该效应是外部电场对其上形成的量子阱层(例如，以下讨论的MQW层80)的光吸收光谱的效应。在一些实施例中，InxGa1-xN子层可具有范围在大约0.5纳米(nm)到大约2nm的厚度，GaN子层可具有范围在大约1nm到大约7nm之间的厚度，以及预应变层70可具有范围在大约30nm到大约80nm的总厚度。
多量子阱(MQW)层80形成在预应变层70上方。MQW层80包括多个交替(或周期性的)有源子层和势垒子层。有源子层包括氮化铟镓(InxGa1-xN)，以及势垒子层包括氮化镓(GaN)。例如，MQW层80可包括6-13对交错的势垒子层和有源子层。每个势垒子层均可具有范围在大约2nm到大约5nm之间的厚度，以及每个有源子层均可具有范围在大约4nm到大约17nm之间的厚度。
在一些实施例中，势垒层90形成在MQW层80上方。垫垒层90可包含III-V族化合物，例如InxAlyGa1-x-yN，其中x和y都大于或等于0但小于或等于1。垫垒层90也可被认为是MQW层80的一部分。从这个意义上看，垫垒层90用作MQW层80的最顶部的垫垒子层。因此，垫垒层90还可称为“最后的垫垒层”。在一些实施例中，垫垒层90具有范围在大约4nm到大约25nm之间的厚度。
在所示实施例中，空穴注入层95形成在垫垒层90上方。可通过本领域公知的外延生长工艺来形成空穴注入层95。在一些实施例中，空穴注入层95包含p型掺杂InxGa1-xN，其中，x大于或等于0但小于或等于1。例如，x可在大约0.1和0.3之间。p型掺杂物可以是镁(Mg)。空穴注入层95可具有小于约100nm的厚度。空穴注入层95的存在提高了空穴注入率并增强了LED 30中的空穴扩散。这将在下文更加详细地讨论。
电子阻挡层100可以可选地形成在空穴注入层95上方。电子阻挡层100有助于限制MQW层80内的电子-空穴载体载流子再结合，这可以提高MQW层80的量子效率并减少不期望带宽中的辐射。在一些实施例中，电子阻挡层100可包括掺杂InxAlyGa1-x-yN材料，其中，x和y均大于或等于0但小于或等于1，并且掺杂物可包括诸如镁的p型掺杂物。电子阻挡层100可具有范围在大约7nm到大约25nm之间的厚度。
掺杂半导体层110形成在电子阻挡层100上方(因此也形成在MQW层80上方)。可通过本领域公知的外延生长工艺来形成掺杂半导体层110。在一些实施例中，掺杂半导体层110掺杂有与掺杂半导体层60的导电性相反(或不同)类型的导电性的掺杂物。因此，在掺杂半导体层60掺杂有n型掺杂物的实施例中，掺杂半导体层110掺杂有p型掺杂物。掺杂半导体层110包括III-V族化合物，其在所示实施例中是氮化镓化合物。因此，掺杂半导体层110还可称为掺杂氮化镓层。在一些实施例中，掺杂半导体层110具有范围在大约150nm到大约200nm之间的厚度。
通过在掺杂层60和110之间沉积MQW层80来创建LED 30的核心部分(core portion)。当向LED 30的掺杂层施加电压(或电荷)时，MQW层80发出诸如光的辐射。由MQW层80发出的光的颜色对应于辐射的波长。辐射可以是诸如蓝光的可见光或诸如紫外(UV)光的不可见光。可以通过改变构成MQW层80的材料的成分和结构调整光的波长(并因此调整光的颜色)。
可以执行附加工艺以完成LED 30的制造。例如，参照图2，导电接触层120可形成在掺杂半导体层110上方。蚀刻掉层60的一部分以露出掺杂半导体层60的一部分。然后，金属接触件130-131可分别形成在露出的掺杂半导体层60的表面上以及接触层120的表面上。通过一次或多次沉积和图案化工艺形成金属接触件130-131。金属接触件130-131允许分别电接触掺杂半导体层60和掺杂半导体层110。
如上文讨论的，现有的MQW可能具有不充分的电子-空穴再结合率。结果，现有LED的输出功率可能很低，并且可能具有较大的效率下降。为了克服困扰现有LED的这些问题，本发明的LED 30利用空穴注入层95来提高电子-空穴再结合。更详细地，载流子浓度的衰减是LED内的距离或位置的函数。对于空穴，其浓度通常接近p掺杂半导体层110为最大而接近n掺杂半导体层60(均在图1-图2中示出)为最小。空穴浓度的衰减可以是指数的，即，空穴浓度的衰减随着其远离p掺杂半导体层110而加快。同样对于传统LED来说，空穴不能轻易移动(即，低迁移率)，尤其在高电流情况下。至少由于上述原因，传统LED可能在MQW层中具有非常不均匀的空穴分布，因此在LED的特定部分中具有不足的电子-空穴再结合。对于传统的LED，这导致减小的输出功率和较大的下降。
此处，空穴注入层95的存在大大改善了空穴的分布。参照图3，示出了LED的能带图。能带图的X轴表示穿过LED的距离(即，不同的LED深度)，能带图的Y轴表示能量。通过图3的能带图所示的阱135来表示空穴注入层95的位置。空穴将被捕获到阱135中(即，捕获到空穴注入层95中)。因为传统LED缺少空穴注入层95，所以对应于阱135的区域中的空穴浓度非常低。相比较，空穴注入层95会使得空穴更均匀地扩散到LED中，从而使空穴分布更加均匀。这在LED的更大区域中引起更好的电子-空穴再结合。结果，大大改善了光输出功率和下降。
图4还形象地示出通过本发明提供的改善空穴浓度，图4是示出Y轴的空穴浓度如何随X轴的距离(即，如图1-图2所示垂直穿过LED)变化的示图。该图包括表示传统LED的实验数据140以及表示本发明LED 30的两个实施例的实验数据141和142。两个实施例都利用包含p掺杂InGaN的p掺杂空穴注入层。对于由实验数据141表示的实施例，InGaN的铟含量约为0.01。对于由实验数据142表示的实施例，InGaN的铟含量约为0.015。
如图4清楚所示，本发明的实施例(即，实验数据141-142)与传统LED(实验数据140)相比具有明显更高的空穴浓度。这在对应于上述图3的阱135的距离0.16(即，LED中嵌入空穴注入层的位置)处附近尤其明显。因此，实验结果支持通过增加空穴注入层提高空穴注入率的理论，因为空穴扩散到LED的不同深度。
本发明还减少了电子泄露。这在图5中形象地示出，图5是示出电流(Y轴)如何随X轴上的距离(即，如图1-图2所示垂直穿过LED)变化的示图。再次，该图包括表示传统LED的实验数据140以及表示本发明的LED 30的两个实施例的实验数据141和142。
如图5中LED的区域145清楚示出，与传统LED(实验数据140)相比，本发明的实施例(即，实验数据141-142)具有明显较低的电流。区域145与上文讨论的空穴注入层位于其中的阱135重叠。图5所示区域145中减小的电流表明更多的电子与LED的其它发光区的空穴再结合，从而产生更大的光量。区域145中减小的电流还意味着更少的电子将从发光区泄漏。这又提高了高注入电流下的下降效率(即，减少下降)。
在图6中示出通过本发明提供的改善下降效率，其是量子效率对电流密度的示图。更详细地，图6的X轴表示电流密度，图6的Y轴表示量子效率。再次，图6示出实验数据140(表示传统LED)和实验数据141-142(表示本发明的LED 30的实施例)。传统LED和本发明的实施例都经历下降，通过事实表明，即使电流增加量子效率也开始减小。然而，在基本上所有的电流范围内，本发明的实施例仍具有高于传统LED的量子效率(通过事实表明，在图6中实验数据141-142大于实验数据140)。换言之，即使本发明没有完全消除不期望的下降，但与传统LED相比，仍然大大改善了其下降性能。
应该理解，图3至图6仅仅是示例性实验结果。在不背离本发明的精神和范围的情况下，其它实验结果可能与图3至图6所示结果有所变化。
应该理解，空穴注入层95的位置可稍有变化，意味着它不一定必须设置在最后的垫垒层90(即，MQW层80的顶部子层)和电子阻挡层100之间。参照图7，在可选实施例中，空穴注入层95可设置在电子阻挡层100和掺杂半导体层110之间。实验结果示出空穴注入层95位置的变化没有过多地影响空穴注入或空穴扩散。换言之，图7所示实施例仍提供与上文讨论的基本相同的空穴注入和空穴扩散的优点。
此外，参照图8，在又一可选实施例中，空穴注入层95可设置在掺杂半导体层110内。换言之，掺杂半导体层110的形成可分为两个步骤。作为第一个步骤，掺杂半导体层的第一部分110A可在电子阻挡层100上方外延生长。然后，空穴注入层95在掺杂半导体层的第一部分110A上生长。此后，掺杂半导体层的第二部分110B在空穴注入层95上方外延生长。这样，空穴注入层95可形成在掺杂半导体层110的“内部”。再次，实验结果确定空穴注入层95位置的改变没有过多影响空穴注入或空穴扩散性能。
具有空穴注入层95并在图1-图2和图7-图8中示出的LED 30各个实施例属于水平LED。类似地，还可制造垂直LED以包含空穴注入层95。例如，图9示出了这种垂直LED 150的实例。为了一致性和清楚，垂直LED和水平LED中类似部件标有类似的参考标号。
参照图9，垂直LED 150具有基板160。在所示实施例中，基板160包含金属材料。在其它实施例中，基板160可包括硅材料。掺杂半导体层110设置在基板160上。在所示实施例中，掺杂半导体层110包括p掺杂氮化镓(p-GaN)。电子阻挡层100设置在掺杂半导体层110上。空穴注入层95设置在电子阻挡层上。最后的垫垒层90和MQW层80设置在空穴注入层95上。预应变层70设置在MQW层80上。掺杂半导体层60设置在预应变层70上。在所示实施例中，掺杂半导体层60包括n掺杂氮化镓(n-GaN)。金属接触件131设置在接触层120上。可通过金属接触件131和基板160得到对LED 150的掺杂层电接触。
再次，虽然图9所示实施例示出了空穴注入层95设置在最后的垫垒层90和电子阻挡层100之间，但应该理解，空穴注入层95可设置在电子阻挡层100和掺杂半导体层110之间，或者在可选实施例中甚至可设置在掺杂的半导体层110内部。为了简单，本文没有具体示出这些可选实施例。
为了完成水平LED 30或垂直LED 150的制造，还可以执行诸如切割工艺、封装工艺和测试工艺的附加工艺，但为了简化的目的，本文没有示出这些工艺。
上述具有空穴注入层95以提高空穴注入率和空穴扩散的LED 30或LED 150可实施为照明装置的一部分。例如，LED 30(或LED 150)可实施为基于LED的照明设备300的一部分，图10示出其简化的截面图。图10所示基于LED的照明设备300的实施例包括多个LED管芯。在其它实施例中，照明设备300可包括单个LED管芯。
如上文所讨论的，LED管芯包括n掺杂III-V族化合物层、p掺杂III-V族化合物层以及设置在n掺杂和p掺杂III-V族化合物层之间的MQW层。LED管芯还包括空穴注入层，其可以包含上文所讨论的掺镁InGaN。空穴注入层的存在提高了LED的空穴注入和空穴扩散性能，在LED管芯内部产生更好的电子-空穴再结合。因此，与传统LED管芯相比，本文的LED管芯提供了更小的下降以及更好的光输出性能。
在一些实施例中，每一个LED管芯30都具有涂在其上的磷层。磷层可包括或磷光材料和/或荧光材料。磷层可以以浓缩粘性液体介质(例如，液体胶)涂覆在LED管芯30的表面上。随着粘性液体凝固或固化，磷材料成为LED封装的一部分。在实际的LED应用中，磷层可用于改变由LED管芯30发射的光的颜色。例如，磷层可将LED管芯30发射的蓝光改变为不同波长的光。通过改变磷层的材料成分，可以实现由LED管芯30发射的期望的光颜色。
LED管芯30被安装在衬底320上。在一些实施例中，衬底320包括金属基印刷电路板(MCPCB)。MCPCB包括可由铝(或其合金)制成的金属基底。MCPCB还包括设置在金属基底上的导热但电绝缘的介电层。MCPCB还可包括设置在介电层上的由铜制成的薄金属层。在可选实施例中，衬底320可包括其它适合的热传导结构。衬底320可以包含或者不包含有源电路，并且还可以用于建立互连。应该理解，在一些实施例中，LED管芯30在没有基板160(上面参照图9所述)的情况下与衬底320连接。
照明设备300包括扩散罩(diffuser cap)350。扩散罩350为其下方的LED管芯30提供遮盖。换言之，LED管芯30完全被扩散罩350和衬底320封装。在一些实施例中，扩散罩350具有弯曲的表面或轮廓。在一些实施例中，弯曲表面基本遵循半圆的轮廓，使得由LED管芯30发射的每个光束都可以基本以直角的入射角到达扩散罩350的表面，例如与90度偏差很小的角度。扩散罩350的弯曲形状有助于减少由LED管芯30发射的光的全内反射(TIR)。
扩散罩350可具有网纹表面。例如，网纹表面可以是粗糙的，或者可包含诸如多边形或圆形的多个小图案。这种网纹表面帮助散射LED管芯30发射的光以使光分布更加均匀。在一些实施例中，扩散罩350涂覆有包含扩散器颗粒的扩散器层。
在一些实施例中，LED管芯30和扩散罩350之间的空间360由空气填充。在其它实施例中，空间360可由光学级基于硅树脂的粘合材料(也被称为光学凝胶)填充。在该实施例中，荧光颗粒可混合在光学凝胶内以进一步扩散由LED管芯30发射的光。
虽然所示实施例示出了所有LED管芯30都封在单个扩散罩350内，但应该理解，在其它实施例中可以使用多个扩散罩。例如，每一个LED管芯30都可封在多个扩散罩的对应一个扩散罩内。
照明设备还可以可选地包括反射结构370。反射结构370可安装在衬底320上。在一些实施例中，反射结构的形状类似于杯子，因此其还可称为反射杯。从俯视图看，反射结构360度环绕或围绕LED管芯30和扩散罩350。从俯视图看，反射结构370可具有环绕扩散罩350的圆形轮廓、蜂巢状六边形轮廓或其它适合的多孔轮廓。在一些实施例中，LED管芯30和扩散罩350定位为靠近反射结构370的底部。换言之，反射结构370的顶部或上部开口位于LED管芯30和扩散罩350的上方。
反射结构370可用于反射从扩散罩350传播出来的光。在一些实施例中，反射结构370的内表面涂有诸如铝、银、或它们的合金的反射膜。应该理解，在一些实施例中，反射结构370的侧壁表面可以是有纹理的，类似于扩散罩350的网纹表面。因此，反射结构370可用于进一步执行LED管芯30发射的光的散射，这减少了照明设备300的输出光的眩光并使输出光对人眼更加舒适。在一些实施例中，反射结构370的侧壁具有倾斜或锥形轮廓。反射结构370的锥形轮廓提高反射结构370的光反射效率。
照明设备300包括热耗散结构380，也称为散热器380。散热器380通过衬底320与LED管芯30(其在操作期间产生热)热耦合。换言之，散热器380与衬底320连接，或者衬底320位于散热器380的表面上。散热器380被配置为促进热量分散至环境大气。散热器380包含诸如金属材料的热传导材料。散热器380的形状与几何尺寸被设计成为传统电灯泡提供支架并同时扩散或引导热量远离LED管芯30。为了增加热传递，散热器380可具有从散热器380的主体向外突出的多个鳍390。鳍390可具有暴露给周围环境的非常大的表面积以促进热传递。
图11示出了包括上文讨论的照明设备300的一些实施例的照明模块400的简化示意图。照明模块400具有底座410、连接至底座410的主体420和连接至主体420的灯430。在一些实施例中，灯430是筒灯(或筒灯照明模块)。灯430包括上文参照图7讨论的照明设备300。灯430可用于有效地投射光束440。此外，与传统白炽灯相比，灯430可以提供更大的耐用性和更长的寿命。应该理解，其它照明应用可得益于使用上文讨论的本发明的LED。例如，本发明的LED可用于以下照明应用，包括但不限于车前灯或尾灯、汽车仪表盘显示器、投影仪的光源、电子设备(诸如液晶显示器(LCD)电视机或LCD显示器、平板电脑、移动电话或笔记本/膝上型电脑)的光源。
虽然使用LED作为实例示出上文讨论的空穴注入层的实现，但应该理解，还可以针对激光二极管(LD)实施类似的空穴注入层。图12示出了根据本发明各个方面的LD 500的实施例的简化侧视截面图。
LD 500包括衬底510，其在所示实施例中为硅衬底。III-V族化合物层520形成在衬底510上方。在一些实施例中，III-V族化合物层520包括AlN。另一个III-V族化合物层530形成在III-V族化合物层510上方。在一些实施例中，III-V族化合物层530包括多个子层，例如AlGaN子层。随着子层的上升(例如，远离衬底510)，这些子层的厚度可能增加并且这些子层的铝含量可以减少。
然后，III-V化合物外延层540形成在III-V化合物层530上方。在一些实施例中，III-V化合物外延层540可包括GaN。此后，AlN层或AlGaN层550形成在III-V化合物外延层540上方。然后，另一个III-V化合物外延层560形成在AlN或AlGaN层550上方。
然后，n掺杂III-V化合物层570形成在III-V化合物外延层560上方。在一些实施例中，n掺杂III-V化合物层570包括n型掺杂GaN。多个其它层575可形成在n掺杂III-V化合物层570上方，例如包括n掺杂InGaN层、包含n掺杂InAlGaN的覆盖层和包含n掺杂InGaN的引导层。
此后，MQW层580可形成在层575上方(以及n掺杂III-V化合物层570上方)。如上文所讨论的，MQW层包括交错的阻挡层和有源层，它们分别可包括InGaN和GaN。最后的阻挡层590形成在MQW层580上方。最后的阻挡层590包含InAlGaN并且还可被认为是MQW层580的最顶部的势垒层。
空穴注入层595形成在最后的阻挡层590上方。空穴注入层595与上面参照基于LED实施方式讨论的空穴注入层95类似。再次，空穴注入层595的存在提高了LD 500空穴注入和空穴扩散性能。结果，LD 500具有更好的光输出和减小的下降。
电子阻挡层600形成在MQW层580上方。在一些实施例中，电子阻挡层600包括p掺杂InAlGaN。此后，引导层605形成在电子阻挡层600上方。在一些实施例中，引导层605包括p掺杂InGaN。然后，覆盖层610形成在引导层605上方。在一些实施例中，覆盖层610包括p掺杂InAlGaN。然后，p掺杂III-V化合物层620形成在覆盖层610上方。在一些实施例中，p掺杂III-V化合物层570包括p型掺杂GaN。
虽然LD 500的实施例示出空穴注入层595被设置在最后的阻挡层590和电子阻挡层600之间，但应该理解，在LD 500的其它实施例中，可以对空穴注入层595进行不同的设置。例如，在LD 500的多个其它实施例中，空穴注入层595可设置在电子阻挡层600和引导层605之间，或设置在引导层605和覆盖层610之间，或设置在覆盖层610和p掺杂III-V化合物层620之间，或者甚至设置在p掺杂III-V化合物层620内。然而，为了简单起见，此处没有具体示出这些其它实施例。
上文讨论且在图12中示出的LD 500的各个层仅仅是实例层。其它LD可根据设计需要包含不同的层。
图13是示出根据本发明各个方面的制造具有空穴注入层的光子器件的简化方法700的流程图。光子器件可以是水平LED、垂直LED或LD。
方法700包括步骤710，n掺杂III-V族化合物层形成在衬底上方。方法700包括步骤720，多量子阱(MQW)层形成在n掺杂III-V族化合物层上方。方法700包括步骤730，电子阻挡层形成在MQW层上方。方法700包括步骤740，p掺杂III-V族化合物层形成在电子阻挡层上方。方法700包括步骤750，空穴注入层形成在以下位置的一个位置中：MQW层和电子阻挡层之间；电子阻挡层和p掺杂III-V族化合物层之间；以及p掺杂III-V族化合物层内部。在一些实施例中，空穴注入层包含不同于p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
可在本文讨论的步骤710至步骤730之前、期间或之后执行附加工艺以完成光子器件的制造。为了简单起见，本文没有详细讨论这些其它工艺。
本发明的一个方面包括一种光子器件。该光子器件包括：n掺杂III-V族化合物层，设置在衬底上方；多量子阱(MQW)层，设置在n掺杂III-V族化合物层上方；p掺杂III-V族化合物层，设置在MQW层上方；以及空穴注入层，设置在MQW层和p掺杂III-V族化合物层之间，其中，空穴注入层包含不同于p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
在一些实施例中，空穴注入层的p掺杂III-V族化合物材料包括掺镁氮化铟镓(InGaN)。
在一些实施例中，空穴注入层设置在p掺杂III-V族化合物层内部。
在一些实施例中，光子器件还包括设置在MQW层和p掺杂III-V族化合物层之间的电子阻挡层。
在一些实施例中，空穴注入层设置在电子阻挡层和MQW层之间。
在一些实施例中，空穴注入层设置在电子阻挡层和p掺杂III-V族化合物层之间。
在一些实施例中，电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料。
在一些实施例中，n掺杂III-V族化合物层和p掺杂III-V族化合物层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；并且MQW层包含多个交错的氮化铟镓(InGaN)子层和氮化镓(GaN)子层。
在一些实施例中，光子器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
在一些实施例中，光子器件包括具有一个或多个管芯的照明模块，并且在一个或多个管芯的每个管芯中实施n掺杂和p掺杂III-V族化合物层以及MQW层。
本发明的另一方面涉及一种发光器件。该发光器件包括：n掺杂氮化镓(n-GaN)层，位于衬底上方；多量子阱(MQW)层，位于n-GaN层上方；电子阻挡层，位于MQW层上方；p掺杂氮化镓(p-GaN)层，位于电子阻挡层上方；以及p掺杂氮化铟镓(p-InGaN)层，嵌入以下三个位置的一个位置中：MQW层和电子阻挡层之间、电子阻挡层和p-GaN层之间以及p-GaN层内部。
在一些实施例中，电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料。
在一些实施例中，n-GaN层、MQW层、电子阻挡层、p-GaN层和p-InGaN层是发光二极管(LED)器件的部分。
在一些实施例中，n-GaN层、MQW层、电子阻挡层、p-GaN层和p-InGaN层是激光二极管(LD)器件的部分。
在一些实施例中，p-InGaN层具有镁作为掺杂物；p-InGaN层中镁的浓度在大约1.0×1017ions/cm3到大约1.0×1019ions/cm3的范围内；并且p-InGaN层的厚度小于约100纳米。
在一些实施例中，衬底包括以下材料中的一种：氮化镓衬底、蓝宝石衬底、硅衬底以及包括夹置在氮化镓层和接合晶圆之间的介电层的衬底。
本发明的又一方面涉及一种制造发光器件的方法。该方法包括：在衬底上方生长n掺杂III-V族化合物层；在n掺杂III-V族化合物层上方生长多量子阱(MQW)层；在MQW层上方生长电子阻挡层；在电子阻挡层上方生长p掺杂III-V族化合物层；以及在下面位置的一个位置中形成空穴注入层：MQW层和电子阻挡层之间、电子阻挡层和p掺杂III-V族化合物层之间以及p掺杂III-V族化合物层内部，其中，空穴注入层包含不同于p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
在一些实施例中，n掺杂III-V族化合物层和p掺杂III-V族化合物层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；MQW层包含多个交错的氮化铟镓(InGaN)子层和氮化镓(GaN)子层；电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料；以及空穴注入层包含掺镁氮化铟镓(InGaN)。
在一些实施例中，以以下方式执行生长空穴注入层：空穴注入层中镁的浓度在大约1.0x1017ions/cm3到大约1.0x1019ions/cm3的范围内；并且空穴注入层的厚度小于约100纳米。
在一些实施例中，发光器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
前面概述了许多实施例的特征，使得本领域那些技术人员更好地理解下面详细的描述。本领域那些技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为用于设计或修改以执行与本文介绍的实施例相同目的和/或实现相同优点的其它工艺和结构的基础。本领域那些技术人员还应意识到，这种等效结构不背离本发明的精神和范围，并且可以进行各种改变、替换和变更而不背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光子器件，包括：
n掺杂III-V族化合物层，设置在衬底上方；
多量子阱(MQW)层，设置在所述n掺杂III-V族化合物层上方；
p掺杂III-V族化合物层，设置在所述MQW层上方；以及
空穴注入层，设置在所述MQW层和所述p掺杂III-V族化合物层之间，其中，所述空穴注入层包含不同于所述p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
2.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述空穴注入层的所述p掺杂III-V族化合物材料包括掺镁氮化铟镓(InGaN)。
3.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述空穴注入层设置在所述p掺杂III-V族化合物层的内部。
4.根据权利要求1所述的光子器件，还包括：设置在所述MQW层和所述p掺杂III-V族化合物层之间的电子阻挡层。
5.根据权利要求4所述的光子器件，其中，所述空穴注入层设置在所述电子阻挡层和所述MQW层之间。
6.根据权利要求4所述的光子器件，其中，所述空穴注入层设置在所述电子阻挡层和所述p掺杂III-V族化合物层之间。
7.根据权利要求4所述的光子器件，其中，所述电子阻挡层包含p掺杂氮化铟铝镓(InAlGaN)材料。
8.根据权利要求1所述的光子器件，其中：
所述n掺杂III-V族化合物层和所述p掺杂III-V族化合物层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；以及
所述MQW层包含多个交错的氮化铟镓(InGaN)子层和氮化镓(GaN)子层。
9.一种发光器件，包括：
n掺杂氮化镓(n-GaN)层，位于衬底上方；
多量子阱(MQW)层，位于所述n-GaN层上方；
电子阻挡层，位于所述MQW层上方；
p掺杂氮化镓(p-GaN)层，位于所述电子阻挡层上方；以及
p掺杂氮化铟镓(p-InGaN)层，嵌入到以下三个位置的一个位置中：
所述MQW层和所述电子阻挡层之间；
所述电子阻挡层和所述p-GaN层之间；以及
所述p-GaN层的内部。
10.一种制造发光器件的方法，包括：
在衬底上方生长n掺杂III-V族化合物层；
在所述n掺杂III-V族化合物层上方生长多量子阱(MQW)层；
在所述MQW层上方生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上方生长p掺杂III-V族化合物层；以及
在下面位置的一个位置中形成空穴注入层：
所述MQW层和所述电子阻挡层之间；
所述电子阻挡层和所述p掺杂III-V族化合物层之间；和
所述p掺杂III-V族化合物层的内部；
其中，所述空穴注入层包含不同于所述p掺杂III-V族化合物层的p掺杂III-V族化合物材料。
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