CN109952659B - 具有超晶格的ⅲ-p发光器件 - Google Patents

具有超晶格的ⅲ-p发光器件 Download PDF

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Abstract

一种器件，包括半导体结构，该半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的Ⅲ‑P发光层。n型区包括超晶格。超晶格包括多个堆叠的层对，每个层对包括第一层和第二层。第一层具有比第二层更小的铝组分。

Description

具有超晶格的Ⅲ-P发光器件
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月28日提交的美国临时专利申请号 62/367935、2017年7月26日提交的美国专利申请号15/660602和2016年9月29日提交的欧洲专利申请号16191414.8的优先权。美国临时专利申请号62/367935、美国专利申请号15/660602和欧洲专利申请号16191414.8并入本文。
背景技术
相关技术的描述
发光二极管（LED）在许多需要低功耗、小尺寸和高可靠性的应用中被广泛接受作为光源。在可见光谱的黄绿色至红色区中发射光的能量高效的二极管通常包含由AlGaInP合金形成的有源层。在可见光谱的UV到蓝色到绿色区中发射光的能量高效的二极管通常包含由III族氮化物合金形成的有源层。
图1是在US 6057563中稍微详细地描述的现有技术AlGaInP器件的截面视图。图1的器件包括：第一导电类型的GaAs衬底10；由AlAs/GaAs构成、并形成在衬底10上的布拉格反射器层11；在布拉格反射器层11上生长的第一导电类型的AlGaInP限制层12；在AlGaInP限制层12上生长的导电AlGaInP有源层13；在AlGaInP有源层13上生长的第二导电类型的AlGaInP限制层14；在AlGaInP限制层14上生长的多个导电GaInP/AlGaInP超晶格层15；在导电AlGaInP超晶格层15上生长的第二导电类型的欧姆接触层16；形成在欧姆接触层16顶部上的前接触17；以及形成在衬底10的背侧上的后接触18。
US 6057563教导“根据本发明的具有透光窗口的LED可以通过使得电流能够均匀地流过整个LED芯片并增加窗口层的透明度来提供明亮且均匀的亮度。
发明内容
在一个方面，提供了一种发光器件，其包括半导体结构，该半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的Ⅲ-P发光层，n型区包括超晶格、以及在超晶格的与Ⅲ-P发光层相对的表面上并与之接触的n接触金属。超晶格包括多个堆叠的层对，每个层对包括AlxGa1-xInP（其中0<x<1）的第一层和AlyGa1-yInP（其中0<y<1）的第二层，第一层具有比第二层更小的铝组分。
在另一方面，提供了一种发光器件，其包括半导体结构，该半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的Ⅲ-P发光层，n型区包括超晶格，在超晶格的与Ⅲ-P发光层相对的表面上并与之接触电流扩散层；以及在电流扩散层上并与之接触的n接触。超晶格包括多个堆叠的层对，每个层对包括AlxGa1-xInP（其中0 <x <1）的第一层和AlyGa1-yInP（其中0 <y <1）的第二层，第一层具有比第二层更小的铝组分。
在又一方面，提供了一种方法，该方法包括在生长衬底上生长n型超晶格，该超晶格包括多个堆叠的层对，每个层对包括AlGaInP的第一层和AlGaInP的第二层，第一层具有比第二层更小的铝组分；在p型区上形成第一金属接触；在n型超晶格上直接生长发光区；在发光区上生长p型区；移除生长衬底以暴露超晶格的表面；并且在超晶格的暴露表面上直接形成第二金属接触。
附图说明
图1图示了现有技术的AlGaInP LED器件。
图2是在衬底上生长的AlGaInP器件结构的截面视图。
图3是在形成接触并移除生长衬底之后的图2的AlGaInP器件结构的截面视图。
图4是诸如图3的器件的薄膜AlInGaP器件的俯视图。
具体实施方式
Ⅲ-P或AlxGa1-xInP合金体系对于制造发射具有在约580nm（琥珀色）至770nm（远红色）的波长范围中的峰值波长的光的发光二极管（LED）和激光器是至关重要的。通过在合金生长期间调节铝-镓比来实现此波长范围。发光层中增加的铝（x）组分提供更短的波长。LED的一个示例具有在吸收GaAs衬底上外延生长的p-i-n结。第一层是AlxGa1-xInP的n型下限制层（LCL），其外延生长在GaAs衬底上。然后在n型LCL上外延生长具有合适的铝-镓比以提供期望的波长的AlxGa1-xInP的有源i-层。然后，在有源层上外延生长AlxGa1-xInP的p型上限制层（UCL）。p-i-n结具有单个发光层，并且是双异质结构。作为单个发光层的替代，Ⅲ-P LED可以具有夹在n型和p型区之间的多量子阱发光区（也称为有源区）。多量子阱发光区包括由势垒层隔开的多个量子阱发光层。在表面发射LED中，前金属电极形成在LED的发射面上，并且后金属电极形成在后面。
对于给定的有源层设计，高效的LED操作取决于从金属电极到LED芯片的对应的n型和p型层的高效的电流注入。理想地，电流尽可能均匀地分布在LED的整个有源区之上，而不阻挡或反射从有源区发射的光。理想的电流分布要求n型和p型层具有尽可能低的薄层电阻，以避免金属电极下方或附近的任何电流拥挤。理想的电流分布还要求n型和p型层具有大于有源区的发射波长的带隙，以避免任何吸收和/或反射。降低AlxGa1-xInP中的铝组分确实降低了薄层电阻，但也降低了AlxGa1-xInP的带隙，这可能增加来自有源层的发射的吸收。在发射较短波长的LED处，这种吸收变得严重。
在本发明的一些实施例中，AlGaInP器件包括多层超晶格半导体结构，其可以降低薄层电阻以防止LED的n接触中的电流拥挤，同时保持足够高的带隙以防止显著吸收LED的有源层发射的光。在一些实施例中，超晶格形成在有源区的n型侧上，并且可以包括n型层。
根据上下文，如本文所使用的，“AlGaInP”或“AlInGaP”可以特别指铝、铟、镓和磷的四元合金，或通常指铝、铟、镓和磷的任何二元、三元或四元合金。 “III-氮化物”可以指任何III族原子（诸如铝、铟和镓）和氮的二元、三元或四元合金。例如，“AlGaInP”可以包括(AlxGa(1-x))rIn(1-r)P（其中0 <x <1,0 <r <1）。根据上下文，如本文所使用的，“接触”可以特别指金属电极，或者通常指半导体接触层、金属电极和设置在半导体接触层和金属电极之间的任何结构的组合。
图2是根据一些实施例的在生长衬底48之上生长的半导体器件结构的截面视图。生长衬底48通常是GaAs，但是可以使用任何合适的生长衬底。
可以在衬底48之上生长蚀刻停止层（未示出）。蚀刻停止层可以是可以用于停止用于随后移除衬底48的蚀刻的任何材料。蚀刻停止层可以是例如，InGaP、AlGaAs或AlGaInP。蚀刻停止层的材料可以与生长衬底（通常是GaAs）晶格匹配，但不必如此。与生长衬底晶格不匹配的蚀刻停止层可以足够薄以避免松弛和/或可以进行应变补偿。蚀刻停止层的厚度取决于用于移除GaAs衬底的蚀刻溶液的选择性；蚀刻选择性越低，蚀刻停止层越厚。AlGaAs蚀刻停止层可以例如在2000到5000 Å之间，但是如果蚀刻停止层用于图案化器件的发射表面，则可以使用更厚的蚀刻停止层，如下所述。AlxGa1-xAs蚀刻停止层的组分x可以例如在0.50到0.95之间。
在蚀刻停止层之上生长器件层，该器件层包括在夹在n型区和p型区之间的发光区或有源区中的至少一个发光层。
在一些实施例中，n型区50包括多层超晶格半导体结构。超晶格可以提供低薄层电阻和可调谐带隙。在一些实施例中，超晶格包括较低铝含量的AlxGa1-xInP和较高铝含量的AlxGa1-xInP（其中0 <x <1）的交替层的堆叠。超晶格中的较低铝含量层可以提供较低的薄层电阻的路径，以得到更好的电流扩散。可以通过适当地选择超晶格中的层的厚度和铝含量来设计超晶格以获得期望的带隙。在一些实施例中，超晶格中的较低铝含量层可以充当量子阱，其被可以充当量子势垒的较高铝含量层围绕。足够薄的量子势垒可能导致量子阱的能量状态共振并生成电子和空穴的微带，该微带定义超晶格的带隙。可以调整超晶格的微带以提供位于较低铝含量层和较高铝含量层的带隙之间的带隙。
取决于LED的峰值发射波长，AlxGa1-xInP LCL的Al组分可以是在一些实施例中至少x=0.3（30％Al），并且在一些实施例中不超过x=0.65（65％Al）。具有30％Al的AlxGa1-xInPLCL具有约2.08eV的带隙和约596nm的吸收边。在另一端，具有65％Al的AlxGa1-xInP LCL具有约2.23eV的带隙和约553nm的吸收边。在一些实施例中，30％Al的 LCL可以适用于峰值发射波长大于660nm的LED。对于峰值发射波长低于660nm的LED，LCL中的Al组分可以增加，在一些实施例中，对于约590nm的峰值发射波长达到高达65％。对于给定的超晶格结构，在一些实施例中，超晶格中的较低铝含量AlGaInP层和超晶格中较高铝含量AlGaInP层的Al浓度可以在30％至65％的范围内。针对给定LED颜色的超晶格层的带隙（或吸收边）不仅取决于Al浓度，还取决于各个层的厚度。在一个实施例中，超晶格包括与100Å厚的Al0.35Ga0.65InP层交替的100Å厚的Al0.45Ga0.55InP层，该超晶格提供约2.14的有效带隙和约578nm的吸收边。此带隙和吸收边与具有40％Al的本征（bulk）（即，均匀组分的单层）AlInGaP层非常接近地匹配。为了实现更高的带隙（或更低的吸收边），可以降低较低Al含量层的厚度，和/或可以增加两层中的任一者或两者中的Al组分。
超晶格中的较高铝组分层和较低铝组分层可以具有在一些实施例中至少1×1017/cm3、在一些实施例中不大于1×1019/cm3、在一些实施例中至少0.5×1018/cm3、并且在一些实施例中不大于1.5×1018/cm3的掺杂剂浓度。较高铝组分层和较低铝组分层可以不同地掺杂。在一些实施例中，超晶格层可以以梯度掺杂，其中掺杂分布跨超晶格变化。可以使用任何合适的掺杂剂，包括例如（多种）n型掺杂剂、Si和Te。可以调制掺杂以匹配组分的调制。例如，较高带隙层可以是更高掺杂的，并且较低带隙层可以是更少掺杂的。可替代地，较高带隙层可以是更少掺杂的，并且较低带隙层可以是更高掺杂的。n型区50可以包括非均匀的掺杂浓度，诸如以1×1018cm-3掺杂的一个或多个厚区，以及更重掺杂（高达例如1×1019cm-3）的一个或多个薄区。这些高掺杂区可以掺杂有Te、Si、S或其他合适的掺杂剂，并且高掺杂浓度可以通过外延生长、通过掺杂剂扩散或通过两者来实现。
超晶格中的各个层可以是在一些实施例中至少5nm，在一些实施例中不超过100nm厚，并且在一些实施例中不超过20nm厚。整个超晶格的总厚度可以是在一些实施例中至少1μm厚，在一些实施例中不超过8μm厚，在一些实施例中至少2μm厚，并且在一些实施例中不超过5μm厚。超晶格在一些实施例中可以包括至少100对的较低Al组分层和较高Al组分层，在一些实施例中可以包括不超过1600对，并且在一些实施例中可以包括不超过400对。
在一些实施例中，n型区50包括单独的AlGaInP n接触层，在其上可以形成金属n接触。在一些实施例中，金属n接触形成在超晶格中的第一或其他层对上。单独的n接触层可以是具有针对接触形成而不是针对超晶格而优化的掺杂和/或组分的层。
在一些实施例中，超晶格作为整体与生长衬底（通常为GaAs）晶格匹配。在一些实施例中，超晶格层的各个层可以是应变的（即，不与生长衬底晶格匹配）。在一些实施例中，超晶格层的各个层可以与生长衬底晶格匹配。
在一个示例中，超晶格包括具有45％铝的AlGaInP薄层，其充当具有35％铝的AlGaInP薄层的势垒层，35％铝的AlGaInP薄层充当量子阱层。通过选择35％和45％铝层的正确厚度，可以将超晶格的有效带隙调整到具有40％铝的均匀组分AlGaInP的单层的带隙。
在一个示例中，超晶格包括包含AlxGa1-xInP（其中x>0）的第一层，以及包含AlyGa1- yInP（其中y>0）的第二层。第一层可以具有0.3≤x≤0.4的组分，并且第二层可以具有0.4≤y≤0.5的组分。在一个示例中，超晶格包括包含AlxGa1-xInP（其中x>0）的第一层，以及包含AlyGa1-yInP（其中y>0）的第二层。第一层可以具有0.2≤x≤0.5的组分，并且第二层可以具有0.3≤y≤0.65的组分。
在一个示例中，超晶格包括10nm厚(Al0.35Ga0.65)0.51In0.49P和10nm厚(Al0.45Ga0.55)0.51In0.49P的交替层。超晶格包括在GaAs衬底之上外延生长的225对这些层。此超晶格层提供~2.14的有效带隙（吸收边~578nm），并且可以用于具有在一些实施例中至少620nm、并且在一些实施例中不超过700nm的峰值发射波长的LED中。
给定的超晶格可以用于多个峰值发射波长。发射波长的下限由超晶格（由超晶格吸收边确定）设定，然而具有长于下限的峰值波长的任何有源区适合供超晶格使用。
下表说明了超晶格结构的若干示例。说明了四个超晶格结构。给出了较低Al组分层和较高Al组分层的厚度和铝组分，以及有效带隙。 “有效WL截止”是低于其光将被超晶格吸收的波长。在一些实施例中，有源区很少或不发射低于截止波长的光。在一些实施例中，有源区可以发射一些低于截止波长的光，并且其可以被超晶格吸收（例如，以优化层相对于其吸收边的导电性）。给出的示例仅仅是说明而不意图于限制。
%Al，低Al层 厚度，低Al层 %Al，高Al层 厚度，高Al层 有效带隙 有效WL截止
30 10nm 40 10nm 2.1eV 590nm
35 10nm 45 10nm 2.14eV 580nm
45 10nm 55 10nm 2.2 564nm
55 10nm 65 10nm 2.24 554nm
发光或有源区52生长在n型区50之上。合适的发光区的示例包括单个发光层和多阱发光区，其中多个厚或薄的发光阱被势垒层隔开。在一个示例中，被配置为发射红光的器件的发光区52包括由(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P势垒隔开的(Al0.06Ga0.94)0.5In0.5P发光层。发光层和势垒可以各自具有例如20到200Å之间的厚度。发光区的总厚度可以例如在500Å到3μm之间。
在发光区52之上生长p型区54。P型区54被配置为将载流子限制在发光区52中。在一个示例中，p型区54是(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P，并且包括高Al组分的薄层以限制电子。p型区54的厚度可以是微米级；例如，在0.5到3μm之间。发光区的发光层通过薄p型区54与p接触的接近也可以降低器件的热阻抗。
在一些实施例中，可以在p型区54之上生长p型接触层（未示出）。p型接触层可以是高度掺杂的并且对于由发光区52发射的光是透明的。例如，p型接触层在一些实施例中可以掺杂至至少5×1018cm-3的空穴浓度，并且在一些实施例中可以掺杂至至少1×1019cm-3的空穴浓度。在这种情况下，p型接触层可以具有在100Å到1000Å之间的厚度。如果p型接触层不是高度掺杂的，则厚度可以增加到12μm之多，例如具有高达5×1018cm-3的空穴浓度。在一些实施例中，p型接触层是高度掺杂的GaP。例如，通过金属有机化学气相沉积生长的GaP接触层可以掺杂有Mg或Zn，活化至至少8×1018cm-3的空穴浓度。GaP层可以在低生长温度和低生长速率下生长；例如，在低于~850°C的典型GaP生长温度约50至200°C的生长温度下，以及在~5μm/小时的典型GaP生长速率的约1％至10％的生长速率下。通过分子束外延生长的GaP接触可以用C掺杂至至少1×1019cm-3的浓度。在一些实施例中，作为在生长期间并入掺杂剂的替代，可以生长p型接触层，然后掺杂剂可以在生长之后从蒸汽源扩散到p型接触层中，例如通过提供在扩散炉中或在生长反应器中的高压掺杂剂源，如本领域中已知的。
图3图示了形成为器件的图2的半导体结构。在生长之后，（在p接触层（如果存在）上，或在p型区54上）形成与p型区54电接触的p接触60。在一些实施例中，p接触60是金属反射镜，诸如AuZn，其中Zn扩散到半导体中。在一些实施例中，p接触60包括在半导体层上间隔开的许多小接触，其中在小接触之上形成电介质层，使得半导体表面的大部分被电介质覆盖，基于全内反射原理，电介质对于发射光的大部分充当反射镜。电介质可以用金属覆盖，该金属（诸如Ag或Au）是优异的反射镜但是不与半导体形成良好的欧姆接触。这种结构通常被称为复合或混合反射镜，并且在本领域中是已知的。在一些实施例中，使用分布式布拉格反射器代替上述单个电介质层。p接触60可以包括其他材料，包括例如诸如TiW的保护材料或任何其他合适的材料。保护层可以将反射金属层密封就位并且充当对环境和其他层的屏障。
可以在p接触60之上和/或下面描述的底座68上形成接合层66。接合层可以是例如Au或TiAu，并且可以通过例如蒸发形成。该器件可以通过接合层66临时附着到支撑件上，或者永久地接合到底座68上，以便便于进一步加工。底座可以选择为具有与半导体层的热膨胀系数（CTE）合理紧密匹配的CTE。底座可以是例如GaAs、Si、诸如钼的金属、或任何其他合适的材料。通过例如热压接合或任何其他合适的技术在器件和底座之间形成接合。
通过适合于生长衬底材料的技术移除生长衬底48。例如，可以通过湿法蚀刻移除GaAs生长衬底，该湿法蚀刻终止于在器件层之前在生长衬底之上生长的蚀刻停止层上。半导体结构可以可选地变薄。移除生长衬底可以暴露n型区50的表面，诸如超晶格的表面。
通过移除生长衬底而暴露的n型区50的表面可以被粗糙化以改善光提取，例如通过光电化学蚀刻，或者通过例如纳米压印光刻来图案化以形成光子晶体或其他光散射结构。在其他实施例中，光提取特征埋在结构中。光提取特征可以是，例如，平行于器件顶部表面的方向（即垂直于半导体层的生长方向）上的折射率的变化。在一些实施例中，在形成p接触60之前，可以使p型区或p型接触层的表面粗糙化或图案化。在一些实施例中，在半导体结构生长之前或期间，低折射率材料层沉积在生长衬底上或半导体层上并图案化以形成低折射率材料中开口或低折射率材料的接线柱（post）。然后在图案化的低折射率层之上生长半导体材料，以形成设置在半导体结构内的折射率的变化。
可以在超晶格的顶部表面32上沉积N接触金属34，诸如例如Au/Ge/Au或任何其他合适的一个或多个接触金属，然后图案化以形成n接触。例如，可以沉积并图案化光阻层，然后用(多个)接触金属覆盖，然后移除光阻。可替代地，可以覆盖式（blanket）涂覆（多个）接触金属，然后经由光阻形成图案，并蚀刻金属中的一些。
图4是器件的俯视图，图示了n接触金属的布置的一个示例。如上所述，n接触34可以是例如金、AuGe或任何其他合适的金属。n接触34可以具有形成正方形的臂35和从正方形的角部延伸的延伸部36，但不必如此。N接触可以具有任何合适的形状。N接触臂35和延伸部36可以是在一些实施例中1到100微米宽，在一些实施例中1到30微米宽，并且在一些实施例中20到50微米宽。n接触臂35和延伸部36通常保持尽可能窄以最小化光阻挡或吸收，但足够宽以不引起过度的电接触电阻。对于小于传输长度Lt的宽度，接触电阻增加，传输长度Lt取决于金属对半导体电阻和下面的半导体n型层的薄层电阻。n接触节段宽度可以是Lt的两倍，因为接触臂从两侧注入电流，或者对于上述器件n接触节段宽度可以是1到30微米，这取决于具体的材料参数。
在一些实施例中，使n接触34高度反射（R>0.8）。在一些实施例中，电流扩散层设置在n型区50和n型接触34之间，以便改善电流扩散，并且可能使n接触的表面最小化，从而减少光学损耗。选择电流扩散层材料以得到低光学损耗和良好的电接触。用于电流扩散层的合适材料包括氧化铟锡、氧化锌或其他透明导电氧化物。
N接触34连接到接合焊盘38。接合焊盘38足够大以容纳线接合，线桥（wirebridge）或与外部电流源的其他合适的电接触。虽然在图4的器件中，接合焊盘38位于器件的角落中，但接合焊盘38可以位于任何合适的位置，包括例如在器件的中心。
在形成n接触34之后，可以加热该结构，例如以使n接触34和/或p接触60退火。
然后可以测试器件晶片并将其激光单体化成单独的器件。可以将各个器件放置在封装中，并且可以在器件的接合焊盘38上形成诸如线接合的电接触，以将n接触连接到封装的一部分，诸如引线。
在操作中，通过接触60经由底座将电流注入p型区中。通过接合焊盘38在器件的顶部表面上将电流注入n型区中。
图3和图4中所图示的器件是薄膜器件，意味着生长衬底被从最终器件移除。在上述薄膜器件中将器件连接到底座的接合层的顶部表面和顶部接触之间的总厚度在一些实施例中不超过20微米，并且在一些实施例中不超过15微米。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，在给出本公开内容的情况下，可以在不脱离本文描述的发明构思的精神的情况下对本发明进行修改。因此，并不意图于将本发明的范围限于所图示和描述的具体实施例。

Claims (15)

1.一种发光器件，包括：
半导体结构，包括设置在n型区和p型区之间的Ⅲ-P发光层，所述n型区包括超晶格；以及
在所述超晶格的与Ⅲ-P发光层相对的表面上并与之接触的n接触金属，
所述超晶格包括多个层对，每个层对包括AlxGa1-xInP的第一层和AlyGa1-yInP的第二层，其中0<x<1，其中0<y<1，所述第一层具有比所述第二层更小的铝组分。
2.根据权利要求1所述的发光器件，还包括：
设置在所述p型区上的接触。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中0.3≤x≤0.4且0.4≤y≤0.5。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中0.2≤x≤0.5且0.3≤y≤0.65。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一和第二层掺杂有n型掺杂剂。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一和第二层中的至少一个相对于生长所述半导体结构的生长衬底是应变的。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述超晶格与生长所述半导体结构的生长衬底晶格匹配。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述超晶格层用跨所述超晶格变化的掺杂分布掺杂。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述第一层比所述第二层更高掺杂。
10.一种形成发光器件的方法，包括：
在生长衬底上生长n型超晶格，所述超晶格包括多个层对，每个层对包括AlGaInP的第一层和AlGaInP的第二层，所述第一层具有比所述第二层更小的铝组分；
在p型区上形成第一金属接触；
在所述n型超晶格上直接生长发光区；
在所述发光区上生长p型区；
移除所述生长衬底以暴露所述超晶格的表面；并且
在所述超晶格的暴露表面上直接形成第二金属接触。
11.根据权利要求10所述的方法，其中0.2≤x≤0.5且0.3≤y≤0.65。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述超晶格与所述生长衬底晶格匹配。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括生长相对于所述生长衬底应变的所述第一和第二层中的至少一个。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括粗糙化或图案化所述超晶格的暴露表面。
15.根据权利要求10所述的方法，其中在所述超晶格的暴露表面上直接形成第二金属接触包括：
在所述超晶格的表面上直接形成金属层；并且
图案化所述金属层以形成某种形状的第二金属接触，所述形状在平面图中具有不小于1微米并且不大于30微米的宽度。
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