CN103682000A - 具有改进的效率和下降率的iii-v族化合物器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明装置。该照明装置包括n掺杂半导体化合物层、与n掺杂半导体化合物层间隔开的p掺杂半导体化合物层以及设置在第一半导体化合物层和第二半导体化合物层之间的多量子阱(MQW)。MQW包括多个交替的第一层和第二层。MQW的第一层具有基本均匀的厚度。第二层具有关于离p掺杂半导体化合物层的距离的阶梯式厚度。最邻近p掺杂半导体化合物层的第二层的子集掺杂有p型掺杂剂。该掺杂第二层具有相对于离p掺杂半导体层的距离改变的阶梯式掺杂浓度等级。本发明还提供了具有改进的效率和下降率的III-V族化合物器件。

Description

具有改进的效率和下降率的III-V族化合物器件
技术领域
本发明通常涉及III-V族化合物器件，更具体地，涉及改进诸如氮化镓(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，半导体工业已经经历了快速的增长。半导体材料和设计方面的技术进步已经制造出用于不同目的的多种类型的器件。这些器件中的一些类型的器件的制造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族化合物的器件可以包括发光二极管(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。这些器件中的一些器件，(诸如，LED器件和LD器件)涉及形成具有多对有源层和势垒层的量子阱。当施加电压时，量子阱生成光。然而，传统的LED和LD器件的量子阱具有贫乏的电子空穴再结合，从而导致LED和LD器件的输出功率降低并且效率下降较大。
因此，虽然现有的LED和LD器件已经足以满足它们预期的目的，但是它们不能在每一个方面都完全满足要求。需要继续寻求具有较好电子空穴再结合的LED和LD器件。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种光子器件，包括：n型III-V族层，设置在衬底上方；p型III-V族层，设置在所述n型层上方；量子阱，设置在所述n型III-V族层和所述p型III-V族层之间；其中，所述量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；所述有源层具有基本均匀的厚度；以及每个势垒层的厚度都是其相对于所述p型III-V族层的位置的函数。
在该光子器件中，距离所述p型III-V族层较远的势垒层的厚度大于或等于距离所述p型III-V族层较近的势垒层的厚度。
在该光子器件中，相邻势垒层之间的厚度变化在约5％至约15％的范围内。
在该光子器件中，所述n型III-V族层包括n掺杂氮化镓(n-GaN)；所述p型III-V族层包括p掺杂氮化镓(p-GaN)；所述有源层含有氮化铟镓(InGaN)；以及所述势垒层含有氮化镓(GaN)。
在该光子器件中，所述光子器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
在该光子器件中，所述光子器件包括具有多个管芯的照明模块，并且在每个管芯中实施所述n型III-V族层、所述p型III-V族层和所述量子阱。
在该光子器件中，所述势垒层的子集掺杂有p型掺杂剂。
在该光子器件中，所述势垒层的所述子集包括距离所述p型III-V族层最近的至少三个势垒层。
在该光子器件中，所述子集中的每个所述势垒层均具有作为所述势垒层相对于所述p型III-V族层的位置的函数的相应掺杂浓度等级。
在该光子器件中，所述函数为所述子集中的所述势垒层的掺杂浓度等级随着所述势垒层和所述p型III-V族层之间的距离的减小而增加。
根据本发明的另一方面，提供了一种光子器件，包括：n型III-V族层，设置在衬底上；p型III-V族层，设置在所述n型层上方；量子阱，设置在所述n型III-V族层和所述p型III-V族层之间；其中，所述量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；所述量子阱中的至少一些势垒层掺杂有p型掺杂剂；以及被掺杂的所述势垒层的掺杂浓度随着所述势垒层和所述p型III-V族层之间距离变小而增加。
在该光子器件中，被掺杂的所述势垒层包括距离所述p型III-V族层最近的至少三个势垒层。
在该光子器件中，所述有源层具有基本均匀的厚度；以及所述势垒层随着它们接近所述p型III-V族层而变薄。
在该光子器件中，所述n型III-V族层包含n掺杂氮化镓(n-GaN)；所述p型III-V族层包含p掺杂氮化镓(p-GaN)；所述有源层包含氮化铟镓(InGaN)；以及所述势垒层包含氮化镓(GaN)。
在该光子器件中，所述光子器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
在该光子器件中，所述光子器件包括其光源包括一个或多个发光管芯的照明装置，并且在所述一个或多个发光管芯的每一个中实施所述n型III-V族层、所述p型III-V族层以及所述量子阱。
根据本发明的又一方面，提供了一种照明装置，包括：n掺杂半导体化合物层；p掺杂半导体化合物层，与所述n掺杂半导体化合物层间隔开；以及多量子阱(MQW)，设置在所述第一半导体化合物层和所述第二半导体化合物层之间，所述MQW包括多个交替的第一层和第二层；其中，所述MQW的所述第一层具有基本均匀的厚度；所述第二层相对于与所述p掺杂半导体化合物层的距离具有阶梯式厚度；最邻近所述p掺杂半导体化合物层的所述第二层的子集掺杂有p型掺杂剂并且具有相对于与所述p掺杂半导体层的距离而改变的阶梯式掺杂浓度等级。
在该照明装置中，所述n掺杂半导体化合物层包括n掺杂氮化镓(n-GaN)；所述p掺杂半导体化合物层包括p掺杂氮化镓(p-GaN)；所述MQW的所述第一层包括氮化铟镓(InGaN)；以及所述MQW的所述第二层包括氮化镓(GaN)。
在该照明装置中，所述第二层随着它们接近所述p掺杂半导体化合物层而变薄；以及掺杂的第二层的子集的掺杂浓度等级随着所述第二层接近所述p掺杂半导体化合物层而变大。
在该照明装置中，所述装置是具有用作其光源的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的照明模块；以及在所述LED或所述LD中设置所述n掺杂半导体化合物层、所述p掺杂半导体化合物层和所述MQW。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的数量和尺寸可以被任意增加或减少。
图1至图3是根据本发明的多方面的示例性LED结构的示意性部分截面侧视图；
图4A至图6是示出根据本发明的多方面的实验数据的曲线图；
图7是根据本发明的多方面的示例性LED照明装置的示意性部分截面侧视图；
图8是根据本发明的多方面的包括图7的LED照明装置的照明模块的示意图；
图9是根据本发明的多方面的示例性LD结构的示意性部分截面侧视图；以及
图10是示出根据本发明的多方面的制造用于LED或LD的多样量子阱的方法的流程图。
具体实施方式
可以理解的是，以下发明内容提供了用于实现多个实施例的不同特征的多种不同实施例或实例。以下将描述部件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，也可以包括其他部件形成在第一部件和第二部件之间使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。而且，为了方便，使用术语“顶部”、“底部”、“在......下方”、“在......上方”等，并且不是为了将实施例的范围限于任何特定方向。为了简化说明以及清楚起见，可以以不同的比例任意绘制各种部件。另外，本发明可以在多个实例中重复参考符号和/或字符。这种重复用于简化和清楚的目的，并且其本身并没有规定所述多个实施例和/或配置之间的关系。
随着半导体制造技术继续发展，III-V族化合物(也称为III-V系化合物或者III-V族化合物)已经用于制造多种器件，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/或高功率半导体器件。III-V族化合物包括来自元素周期表的“III”族(或系)的元素和来自元素周期表的“V”族(或系)的其他元素。例如，III族元素可以包括硼、铝、镓、铟和钛，并且V族元素可以包括氮、磷、砷、锑和铋。
这些III-V族化合物器件中的一些(诸如LED和LD)包括用于发射辐射(诸如，可见光谱中不同颜色的光以及具有紫外线波长或红外线波长的辐射)的量子阱。与传统光源(例如，白炽灯泡)相比较，LED和LD提供了诸如尺寸更小、能耗更低、寿命更长、多种可用颜色、以及更高的耐用性和可靠性的优点。近年来，使LED和LD更廉价并且更稳定的这些优点以及LED和LD制造技术方面的提高已经促进了LED和LD的日益普及。
然而，现有的LED和LD具有某些缺点。一个缺点是现有的LED和LD的量子阱具有较差的电子空穴再结合，从而导致输出功率减少以及效率下降很大。
根据本发明的多个方面，下面描述的是光子器件，该器件的量子阱具有提高的电子空穴再结合，从而与现有的LED和LD相比较，增加了功率输出并且降低了效率下降。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3是处于各个制造阶段的LED的一部分的示意性截面侧视图。为了更好的理解本发明的发明概念，已经简化了图1至图3。
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。在其他实施例中，衬底40可以包括碳化硅材料或者硅材料。衬底40的厚度可以在约50微米(um)至约1000um的范围内。在一些实施例中，可以在衬底40上方形成低温缓冲层。然而，为了简化的原因，此处未示出低温缓冲层。
在衬底40上方形成未掺杂半导体层50。未掺杂半导体层50没有p型掺杂剂或n型掺杂剂。在一些实施例中，未掺杂半导体层50包括含有来自元素周期表的“III”族(或系)的元素和来自元素周期表的“V”族(或系)的其他元素的化合物。在所示的实施例中，未掺杂半导体层50包括未掺杂氮化镓材料。
未掺杂半导体层50也可以用作在衬底40和将在未掺杂半导体层50上方形成的层之间的缓冲层(例如，以减小应力)。为了有效地执行其作为缓冲层的功能，未掺杂半导体层50具有减少的位错缺陷和良好的晶格结构质量。在某些实施例中，未掺杂半导体层50的厚度在约1um至约5um的范围内。
在未掺杂半导体层50上方形成掺杂半导体层60。通过本领域公知的外延生长工艺来形成掺杂半导体层60。在所示的实施例中，掺杂半导体层60掺杂有诸如碳(C)或硅(Si)的n型掺杂剂。在可选实施例中，掺杂半导体层60可以掺杂有诸如镁(Mg)的p型掺杂剂。掺杂半导体层60包括III-V族化合物，在本实施例中，III-V族化合物为氮化镓。因此，掺杂半导体层60也可以称为掺杂氮化镓层。在一些实施例中，掺杂半导体层60的厚度在约2um至约6um的范围内。
在掺杂半导体层60上形成预施应力层(pre-strained layer)70。预施应力层70可以掺杂有诸如硅的n型掺杂剂。预施应力层70可以用于释放应变并减少量子限制斯塔克效应(quantum-confined Stark effect，QCSE)(描述外部电场效应对在其上形成(即，下面描述的MQW层80)的量子阱的光吸收光谱的影响)。在一些实施例中，预施应力层70包括单个InxGa1-xN层，其中，x大于0但小于0.25。在一些其他实施例中，预施应力层70包括超晶格结构。例如，超晶格结构可以包含InxGa1-xN(其中，x大于0但小于0.2)和GaN层。预施应力层70的厚度可以在约30纳米(nm)至约200nm的范围内。
在预施应力层70上方形成多量子阱(MQW)层80。MQW层80包括多个交替的(或循环的)有源层和势垒层(也称为子层)。有源层包括氮化铟镓(InGaN)，并且势垒层包括氮化镓(GaN)。为了提供实例，在图1中示出7个势垒层81至87和6个有源层91至96作为示例性MQW层80。以交错方式设置势垒层81至87和有源层91至96。下面将更详细地论述势垒层81至87和有源层91至96的各个方面。
电子阻挡层100可以任选地形成在MQW层80上方。电子阻挡层100有助于将电子空穴载流子再结合限制在MQW层80内，从而可以提高MQW层80的量子效应并减少非期望带宽的辐射。在一些实施例中，电子阻挡层100可以包括掺杂氮化铝镓(AlGaN)材料，掺杂剂可以包括诸如镁的p型掺杂剂。电子阻挡层100的厚度可以在约15nm至约30nm的范围内。
在半导体阻挡层100上方(并因此在MQW层80上方)形成掺杂半导体层110。通过本领域公知的外延生长工艺形成掺杂半导体层110。在一些实施例中，掺杂半导体层110掺杂有导电类型与掺杂半导体层60的掺杂剂的导电类型相反(或不同)的掺杂剂。因此，在掺杂半导体层60掺杂有n型掺杂剂的实施例中，掺杂半导体层110掺杂有p型掺杂剂。掺杂半导体层110包括III-V族化合物，在所示实施例中，III-V族化合物为氮化镓化合物。因此，掺杂半导体层110也可以称为掺杂氮化镓层。在一些实施例中，掺杂半导体层110的厚度在约150nm至约200nm的范围内。
通过在掺杂层60和110之间设置MQW层80来制造LED 30的核心部。将电压(或电荷)施加给LED 30的掺杂层时，MQW层80发射诸如光的辐射。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的光，或者可以是诸如紫外(UV)光的不可见光。可以通过改变组成MQW层80的材料的组分和结构来调节光的波长(和相应的光的颜色)。
如上所述，现有的MQW具有不充足的电子空穴再结合率。因此，现有的LED的输出功率低，并且效率下降也大。为了克服困扰现有LED的这些问题，本发明的LED 30使用用于MQW层80中的势垒层81至87的阶梯式的厚度(即，图1的竖直尺寸)。更具体地来说，有源层91至96具有基本不变的厚度或者均匀的厚度。即，用于有源层91至96的相应厚度彼此变化不大。在一些实施例中，用于势垒层81至87的厚度在2nm至3.5nm的范围内。另一方面，根据本发明的多个方面，势垒层81至87的厚度作为它们离p掺杂半导体层110(或者离电子阻挡层100)的相应距离的函数。势垒层81至87离p掺杂半导体层110越近，它们会变得越薄。因此，由于势垒层81离p掺杂半导体层110最远，所以势垒层81是MQW层80中最厚的势垒层，由于势垒层82离p掺杂半导体层110较近，所以势垒层82比势垒层81薄等，势垒层87是MQW层80中最薄的势垒层。
在一些实施例中，势垒层81至87的厚度在相邻势垒层之间的变化范围为5％至15％。换句话说，势垒层82比势垒层81薄大约5％至15％，势垒层83比势垒层82薄大约5％至15％等。例如，势垒层81至87的厚度可以为约12nm、11nm、10nm、9nm、8nm、7nm和6nm。当然，在其他实施例中，可以根据设计要求和制造关系来选择用于这些势垒层的不同厚度。
应该理解，势垒层的厚度并不总是随着势垒层越接近p掺杂半导体层110而减小。可以预见，在一些其他实施例中，只要整体趋势为：势垒层随着它们接近p掺杂半导体层110而变薄，两个或更多相邻势垒层之间的厚度就可以保持相同。
势垒层81至87的阶梯式厚度提高了空穴注入比率，从而提高了电子-空穴结合比率。更具体地来说，载流子浓度的下降为距离函数。在空穴的情况下，其在靠近p掺杂半导体层110处的浓度最大，在靠近n掺杂半导体层60处的浓度最小。空穴浓度的下降可以是指数函数，也就是说，空穴离p掺杂半导体层110越远，空穴浓度的下降越会显著加速。因此，对于传统的LED来说，空穴不容易被移动(即，低迁移率)，尤其是在大电流的情况下。这导致效率下降很大。
根据本发明，势垒层81至87的厚度从n掺杂半导体层60至p掺杂半导体层110逐渐减小。势垒层81至87的这种阶梯式厚度图案表示现在空穴可以从p掺杂半导体层110朝向n掺杂半导体层60很容易地移动。因此，相比于传统的LED器件，MQW层80的每层实质上均具有提高的空穴浓度(和较好的空穴注入比率)。MQW层80中空穴迁移率和空穴浓度的提高导致更好的电子-空穴再结合比率，从而降低了下降并增加了光输出。
除了具有阶梯式的势垒层厚度以外，本发明的MQW层80还具有至少用于势垒层子集的阶梯式掺杂，从而进一步改进了电子-空穴再结合。更具体地来说，最靠近p掺杂半导体层110的势垒层的子集掺杂有诸如镁(Mg)的p型掺杂剂。选择要被掺杂的势垒层的数目涉及到折中分析。一方面，掺杂势垒层使得空穴在MQW层80中更分散，从而提高了空穴的注入比率。这表明，被掺杂的势垒层越多，电子-空穴再结合比率将会越好。
另一方面，掺杂势垒层会损害MQW层80中的有源层91至96，从而对MQW层80的质量产生负面影响。因此，重要的是，选择掺杂势垒层的最佳数量，使得可以大幅提高空穴注入比率，但对有源层的损害仍然是最小的。在一些实施例中，当有六对或更多对有源层/势垒层时，被掺杂的势垒层的子集为至少三个。因此，在所示的实施例中，势垒层85、86、和87(按照距离最接近p掺杂半导体层110)掺杂有诸如Mg的p型掺杂剂。
根据本发明的多个方面，掺杂的势垒层85、86、和87也具有作为其与p掺杂半导体层110的相应距离的函数的阶梯式掺杂浓度等级。势垒层离p掺杂半导体层110越近，其掺杂浓度等级越高。因此，在这三个掺杂的势垒层86、86、和87中，势垒层87具有最高的掺杂浓度等级，势垒层86的掺杂浓度等级低于势垒层87的掺杂浓度等级，势垒层85具有最低的掺杂浓度等级。在一些实施例中，势垒层87、86、和85的掺杂浓度等级分别为5×1017ions/cm3、4×1017ions/cm3和3×1017ions/cm3。
至少部分由于势垒层81至87的阶梯式厚度并且由于具有阶梯式掺杂浓度等级的势垒层85至87的子集，与传统的MQW层相比，这里所讨论的MQW层80具有提高的电子-空穴再结合(尤其是在大电流情况下)。因此，LED 30基本上缓解了困扰传统LED的下降问题，并且还提高了LED30的光输出。
可以实施其他工艺来完成LED 30的制造。例如，参照图2，可以在掺杂半导体层110上方形成导电接触层120。蚀刻层60的一部分，使得暴露掺杂半导体层60的一部分。然后，可以分别在暴露的掺杂半导体层60的表面上和接触层120的表面上形成金属接触件130和131。金属接触件130和131允许分别电连接至掺杂半导体层60和掺杂半导体层110。
如上面图1和2所示的具有改进的MQW层80的LED 30属于水平LED。类似地，也可以制造垂直LED，以包括改进的MQW层80。例如，图3示出这种垂直LED 150的实例。为了一致和清楚起见，在垂直LED和水平LED中相同的部件标示有相同的参考标号。
参照图3，垂直LED 150具有基板(submount)160。在所示的实施例中，该基板160包含金属材料。在另一些实施例中，基板160可以包括硅衬底。在又一些实施例中，基板160可以包括金属芯印制电路板(MCPCB)、引线框或陶瓷材料。掺杂半导体层110设置在基板160上。在所示的实施例中，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。MQW层80设置在电子阻挡层100上。预施应力层70设置在MQW层80上。掺杂半导体层60设置在预施应力层70上。在所示的实施例中，掺杂半导体层60包括n掺杂氮化镓(nGaN)。金属接触件131设置在接触层120上。可以通过金属接触件131和基板160获得与LED 150的掺杂层的电连接。
为了完成水平LED 30或垂直LED 150的制造，也可以实施诸如切割、封装和测试工艺的其他工艺，但是，为了简化起见，本文中并没有示出这些工艺。
图4至图6包括示出示例性实验结果的曲线图，这些实验结果有助于示出由上述MQW层80所提供的改进。图4A至图4D是空穴浓度关于位置(沿着LED)的曲线图。换句话说，图4A至图4D的水平轴表示沿着LED的位置(即，图1至图3中穿过LED的竖直位置)，图4A至图4D的竖直轴表示空穴浓度。图4A至图4D中的每幅图都对应于不同的电流密度(分别为20A/cm2、35A/cm2、70A/cm2和100A/cm2的电流密度)。图4A至图4D中的每幅图也都包括三个数据组：用于样本A的数据集200，其中，势垒层厚度不变(与传统器件相似，并且本文中用作参考数据集)；用于样本B的数据集201，势垒层厚度阶梯式但是是以与本发明所教导的相反的方式阶梯式(即，势垒层离p掺杂半导体层越近，它们变得越厚)；和用于样本C的数据集202，势垒层厚度根据本发明的实施例阶梯式。
如图4A至图4D所示，数据集202(本发明的实施例)与数据集200或201相比沿着X轴横穿明显更大的位置。这表明本发明的MQW层的空穴浓度更加分散，而传统LED器件的空穴浓度趋于集中在小区域中(靠近p掺杂半导体层)。由于即使电流密度从图4A至图4D增加，数据集202的空穴浓度与数据集200和201相比也沿着X轴横穿更多位置，所以不管电流密度如何，以上结果的有效。因此，图4A至图4D所示的实验结果证实了本发明的MQW层能提供比传统器件的更好的空穴注入比率。
图5A至图5D示出载流子再结合分布相对于位置(沿着LED)的实验结果。与图4A至图4D类似，图5A至图5D与不同的电流密度相关。此外，上述在图4A至图4D中讨论的数据集200、201和202在图5A至图5D中用曲线图表示。通常对于空穴浓度来说(如图4A至图4D所示)，图5A至图5D示出的载流子再结合分布曲线图示出了数据集202(即，表示本发明实施例的数据集)横穿LED的更多区域，而不是主要集中在p掺杂半导体层附近。换句话说，图5A至图5D示出了本发明的载流子再结合具有比传统器件改进的分布，从而产生高输出功率。
图6是量子效率与电流密度的关系曲线图，以示出本发明所提供的下降率改进。更具体地来说，图6的X轴表示电流密度，图6的Y轴表示量子效率。再次在图6中示出了数据集200(样本A，其中，势垒层厚度不变)、数据集201(样本B，其中，势垒层厚度阶梯式但是是以与本发明所教导的相反的方式阶梯式)和数据集202(样本C，其中，势垒层厚度根据本发明的实施例阶梯式)。对于数据集200和201，如图所示，随着电流密度开始增加，量子效率达到峰值，然后开始下降。这被称为下降或下降速率。下降越显著，LED的性能越差。相比而言，对于数据集202来说，随着电流增加，量子效率下降要小得多，这表示本发明相比于传统LED器件提供显著改进的下降速率(即，较小的下降)。因此，本发明使得性能增强。
可以理解，图4至图6仅仅是示例性实验结果。其他实验结果可以根据图4至图6所示出的曲线图略有变化而不背离本发明精神和范围。
具有如上所述的改进的MQW层的LED 30可以用作照明设备的一部分。例如，LED 30可以用作基于LED的照明装置300的一部分，图7示出了该装置的简化截面图。图7所示的基于LED的照明装置300的实施例包括多个LED管芯。在另一些实施例中，照明装置300可以包括单个LED管芯。
如上所述，LED管芯包括n掺杂III-V族化合物层、p掺杂III-V族化合物层和设置在n掺杂III-V族化合物层和p掺杂III-V族化合物层之间的MQW层。MQW层具有用于其势垒层的阶梯式厚度和/或靠近p掺杂III-V族化合物层具有阶梯式掺杂浓度等级的掺杂势垒层的子集。由于MQW层的这些改进，与传统LED管芯相比较，LED管芯提供较小的下降和较好的光输出性能。
在一些实施例中，每个LED管芯30均具有涂覆在其上的荧光层。荧光层可以包括磷光材料和/或荧光材料。可以以集中粘性流体介质(例如，液态胶)的方式在LED管芯30的表面上涂覆荧光层。当粘性液体凝结或凝固时，荧光材料变成LED封装件的一部分。在实际的LED应用中，荧光层可以用于转换LED管芯30发出的光的颜色。例如，荧光层可以将LED管芯30所发出的蓝光转换成不同波长的光。通过改变荧光层的材料组分，可以获得由LED管芯30所发出的期望光的颜色。
LED管芯30安装在衬底320上。在一些实施例中，衬底320包括金属芯印制电路板(MCPCB)。MCPCB包括由铝(或其合金)制成的金属基底。MCPCB也包括设置在金属基底上的导热但是电绝缘的介电层。MCPCB还可以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可以包括其他导热结构。衬底320可以包括或者可以不包括有源电路，并且也可以用于建立互连件。在一些其他实施例中，衬底320包括引线框、陶瓷的或硅衬底。
照明装置300包括扩散罩350。扩散罩350为下面的LED管芯30提供盖子。换句话说，由扩散罩350和衬底320共同封装LED管芯30。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，弯曲的表面可以基本上与半圆形的轮廓一致，使得由LED管芯30所发出的每道光束都可以以基本垂直的入射角(例如，在90多度内)到达扩散罩350的表面。扩散罩350的弯曲形状有助于减少由LED管芯30所发出的光的全内反射(TIR)。
扩散罩350可以具有有纹理的表面。例如，该有纹理的表面可以是粗糙的，或者可以包含诸如多边形或圆形的多个小图案。这种有纹理的表面有助于散射LED管芯30所发出的光，从而使得光分布更均匀。在一些实施例中，扩散罩350涂覆有包含扩散颗粒的扩散层。
在一些实施例中，LED管芯30和扩散罩350之间的空间360填充有空气。在另一些实施例中，空间360可以填充有光学级硅基粘性材料，也称为光学胶。在实施例中，可以将磷光体颗粒混合在光学胶中，从而进一步散射LED管芯30所发出的光。
尽管所示的实施例示出了封装在单个扩散罩350中的所有的LED管芯30，但是可以理解，在其他实施例中可以使用多个扩散罩。例如，每个LED管芯30都可以被封装在多个扩散罩中的相应一个中。
照明装置300也可以任选地包括反射结构370。反射结构370可以安装在衬底320上。在一些实施例中，反射结构成形为杯状，因此，其也可以称为反射杯。从俯视图可知，反射结构以360度包围或环绕LED管芯30和扩散罩350。从俯视图可知，反射结构370可以具有圆形轮廓、蜂窝状六边形轮廓或包围扩散罩350的其他合适的蜂窝状轮廓。在一些实施例中，LED管芯30和扩散罩350位于反射结构370的底部附近。换句话说，反射结构370的顶部或上部开口位于LED管芯30和扩散罩350的之上或上方。
反射结构370可用于反射扩散罩350传播出的光。在一些实施例中，反射结构370的内表面涂覆有反射层，诸如，铝、银或其合金。可以理解的是，在一些实施例中，反射结构370的侧壁表面可以以与扩散罩350的有纹理的表面相似的方式具有纹理。因此，反射结构370可用于对LED管芯30所发出的光进行进一步的散射，从而降低了照明装置300输出的光的刺眼程度并且使得输出的光对人眼来说比较柔和。在一些实施例中，反射结构370的侧壁具有倾斜的或渐变轮廓。反射结构370的渐变轮廓加强了反射结构370的光反射效率。
照明装置300包括散热结构380，也称为散热器380。散热器380通过衬底320与LED管芯30(其在工作期间产生热量)热耦合。换句话说，散热器380附接至衬底320，或者衬底320位于散热器380的表面上。散热器380被配置成有助于将热量驱散至周围大气中。散热器380包括诸如金属材料的导热材料。将散热器380的形状和尺寸设计成提供用于常见灯泡的框架同时将来自LED管芯30的热量驱散走或传导出去。为了提高热传递，散热器380可以具有从散热器380的主体上向外突出的多个鳍状件390。这些鳍状件390可以具有暴露在周围大气中的相当大的表面积，从而有助于热传递。
图8示出照明模块400的简化示意图，该照明模块包括上述的照明装置300的一些实施例。照明模块400具有基座410、附接至基座410的主体420以及附接至主体420的灯430。在一些实施例中，灯430是筒灯(或者筒灯照明模块)。灯430包括上面参照图7描述的照明装置300。灯430可用于有效地投射光束440。此外，与传统的白炽灯相比较，灯430可以提供更好的耐用性和更长的使用寿命。
尽管使用LED作为实例示出了上述MQW的改进，但是可以理解，也可以实施用于激光二极管(LD)的类似MQW层。图9示出了根据本发明的多方面的LD 500的实施例的简化截面侧视图。
LD 500包括衬底510，在所示实施例中该衬底为硅衬底。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包括诸如AlGaN子层的多个子层。随着子层上升(即，距离衬底510越来越远)，这些子层的厚度可以增加，并且这些子层的铝成分可以减少。
然后，在III-V族化合物层530上方形成III-V族化合物外延层540。在一些实施例中，III-V族化合物外延层540可以包括GaN。此后，在III-V族化合物外延层540上方形成AlN层或AlGaN层550。然后，在AlN层或AlGaN层550上方形成另一III-V族化合物外延层560。
然后，在III-V族化合物外延层560上方形成n掺杂III-V族化合物层570。在一些实施例中，n掺杂III-V族化合物层570包括n型掺杂GaN。多个其他层580可以形成在n掺杂III-V族化合物层570上方，例如，包括n掺杂的InGaN层、含有n掺杂InAlGaN的熔覆层和含有n掺杂InGaN的引导层。
此后，可以在层580上方(以及位于n掺杂III-V族化合物层570上方)形成诸如图1至图3的MQW层80的MQW层。如上所述，MQW层包括交错的势垒层和有源层，其中，势垒层具有阶梯式厚度，利用阶梯式掺杂浓度掺杂势垒层的子集。
电子阻挡层590形成在MQW层80上方。在一些实施例中，电子阻挡层590包括p掺杂的InAlGaN。此后，在电子阻挡层590上方形成引导层600。在一些实施例中，引导层600包括p掺杂InGaN。然后，在引导层上方形成熔覆层610。在一些实施例中，熔覆层包括p掺杂InAlGaN。然后，在熔覆层610上方形成p掺杂的III-V族化合物层620。在一些实施例中，p掺杂的III-V族化合物层620包括p型掺杂GaN。
上文讨论的和在图9示出的LD 500的各个层仅是示例性层。根据设计需要，其他LD可以包括不同层。
图10是示出根据本发明多方面的制造用于光子器件的MQW层的简化方法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，其中，形成第一掺杂半导体层。例如，第一掺杂半导体层可以形成在诸如蓝宝石衬底的衬底上方。在一些实施例中，第一掺杂半导体层包括诸如n掺杂GaN的n掺杂III-V族化合物材料。
方法700包括步骤720，其中，MQW层形成在第一掺杂半导体层上方。MQW层包括多个交错的势垒层和有源层。势垒层具有以厚度随着势垒层距离第一掺杂半导体层越来越远而减小的方式的阶梯式厚度。此外，MQW层的势垒层的子集掺杂有诸如Mg的p型掺杂剂。在一些实施例中，距离第一掺杂半导体层最远的三个势垒层为掺杂势垒层。掺杂势垒层也具有阶梯式掺杂浓度等级，使得随着势垒层离第一掺杂半导体层越来越远，该掺杂浓度等级增加。
方法700包括步骤730，其中，在MQW层上方形成第二掺杂半导体层。在一些实施例中，第二掺杂半导体层包括诸如p掺杂GaN的p掺杂III-V族化合物材料。
在本文中所述的框710至730之前、期间或之后可以实施其他工艺以完成光子器件的制造。为了简化起见，这里没有详细描述这些其他工艺。
本发明的一个方面涉及光子器件。光子器件包括：设置在衬底上方的n型III-V族层；设置在n型III-V族层上方的p型III-V族层；设置在n型III-V族层和p型III-V族层之间的量子阱，其中，量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；有源层具有基本均匀的厚度；并且每个势垒层的相应厚度是其相对于p型III-V族层的位置的函数。
在一些实施例中，该函数是随着势垒层更接近p型III-V族层，势垒层的厚度减小。
在一些实施例中，相邻势垒层之间的厚度变化在约5％至约15％的范围内。
在一些实施例中，n型III-V族层和p型III-V族层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)，有源层包含有氮化铟镓(InGaN)，势垒层包含有氮化镓(GaN)。
在一些实施例中，光子器件包括发光二极管(LED)和激光二极管(LD)中的一种。
在一些实施例中，光子器件包括具有多个管芯的照明模块，其中，在每个管芯中实施n型III-V族层、p型III-V族层和量子阱。
在一些实施例中，势垒层的子集掺杂有p型掺杂剂。在一些实施例中，势垒层的子集包括离p型III-V族层最近的至少三个势垒层。子集中的每个势垒层都具有为其相对于p型III-V族层的位置的函数的相应掺杂浓度等级。在一些实施例中，随着势垒层离p型III-V族层越近，子集中的势垒层的掺杂浓度等级增加。
本发明的另一方面涉及光子器件。光子器件包括：设置在衬底上方的n型III-V族层；设置在n型层上方的p型III-V族层；设置在n型III-V族层和p型III-V族层之间的量子阱，其中，量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；量子阱中的至少一些势垒层掺杂有p型掺杂剂；随着势垒层和p型III-V族层之间的距离变的越小，被掺杂的势垒层的掺杂浓度增加。
在一些实施例中，被掺杂的势垒层包括具有离p型III-V族层的距离最短的至少三个势垒层。
在一些实施例中，有源层具有基本均匀的厚度；随着势垒层接近p型III-V族层，势垒层变薄。
在一些实施例中，n型III-V族层和p型III-V族层分别包括n掺杂氮化镓(n-GaN)和p掺杂氮化镓(p-GaN)；有源层含有氮化铟镓(InGaN)并且势垒层含有氮化镓(GaN)。
在一些实施例中，光子器件包括发光二极管(LED)和激光二极管(LD)中的一种。
在一些实施例中，光子器件包括照明装置，其光源包括一个或多个发光管芯，并且其中，在一个或多个发光管芯中的每个中实施n型III-V族层、p型III-V族层和量子阱。
本发明的又一方面涉及照明装置。该照明装置包括：n掺杂半导体化合物层；与n掺杂半导体化合物层间隔开的p掺杂半导体化合物层；以及设置在第一半导体化合物层和第二半导体化合物层之间的多量子阱(MQW)，该MQW包括多个交错的第一层和第二层；其中，MQW的第一层具有基本均匀的厚度；第二层具有与离p掺杂半导体化合物层的距离有关的阶梯式厚度；最邻近p掺杂半导体化合物层的第二层的子集掺杂有p型掺杂剂，并且具有相对于离p掺杂半导体层的距离改变的阶梯式掺杂浓度等级。
在一些实施例中，n掺杂半导体化合物层包括n掺杂氮化镓(n-GaN)，p掺杂半导体化合物层包括p掺杂氮化镓(p-GaN)，MQW的第一层包括氮化铟镓(InGaN)；并且MQW的第二层包括氮化镓(GaN)。
在一些实施例中，随着第二层接近p掺杂半导体化合物层，第二层变得较薄；并且随着掺杂第二层接近p掺杂半导体化合物层，掺杂第二层的子集的掺杂浓度等级变大。
在一些实施例中，该装置为具有发光二极管(LED)或激光二极管(LD)作为其光源的照明模块；以及n掺杂半导体化合物层、p掺杂半导体化合物层以及MQW设置在LED或LD中。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解以下详细描述。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种光子器件，包括：
n型III-V族层，设置在衬底上方；
p型III-V族层，设置在所述n型层上方；
量子阱，设置在所述n型III-V族层和所述p型III-V族层之间；
其中，所述量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；
所述有源层具有基本均匀的厚度；以及
每个势垒层的厚度都是其相对于所述p型III-V族层的位置的函数。
2.根据权利要求1所述的光子器件，其中，距离所述p型III-V族层较远的势垒层的厚度大于或等于距离所述p型III-V族层较近的势垒层的厚度。
3.根据权利要求2所述的光子器件，其中，相邻势垒层之间的厚度变化在约5％至约15％的范围内。
4.根据权利要求1所述的光子器件，其中，
所述n型III-V族层包括n掺杂氮化镓(n-GaN)；
所述p型III-V族层包括p掺杂氮化镓(p-GaN)；
所述有源层含有氮化铟镓(InGaN)；以及
所述势垒层含有氮化镓(GaN)。
5.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述光子器件包括发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
6.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述光子器件包括具有多个管芯的照明模块，并且在每个管芯中实施所述n型III-V族层、所述p型III-V族层和所述量子阱。
7.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述势垒层的子集掺杂有p型掺杂剂。
8.根据权利要求7所述的光子器件，其中，所述势垒层的所述子集包括距离所述p型III-V族层最近的至少三个势垒层。
9.一种光子器件，包括：
n型III-V族层，设置在衬底上；
p型III-V族层，设置在所述n型层上方；
量子阱，设置在所述n型III-V族层和所述p型III-V族层之间；
其中，
所述量子阱包括交错的多个有源层和多个势垒层；
所述量子阱中的至少一些势垒层掺杂有p型掺杂剂；以及
被掺杂的所述势垒层的掺杂浓度随着所述势垒层和所述p型III-V族层之间距离变小而增加。
10.一种照明装置，包括：
n掺杂半导体化合物层；
p掺杂半导体化合物层，与所述n掺杂半导体化合物层间隔开；以及
多量子阱(MQW)，设置在所述第一半导体化合物层和所述第二半导体化合物层之间，所述MQW包括多个交替的第一层和第二层；
其中，
所述MQW的所述第一层具有基本均匀的厚度；
所述第二层相对于与所述p掺杂半导体化合物层的距离具有阶梯式厚度；
最邻近所述p掺杂半导体化合物层的所述第二层的子集掺杂有p型掺杂剂并且具有相对于与所述p掺杂半导体层的距离而改变的阶梯式掺杂浓度等级。
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