CN115668519A - 光发射元件应变管理层的组合 - Google Patents
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Abstract
本公开描述了诸如发光二极管(LED)的光发射元件的应变管理层的各个方面。本公开描述了一种LED结构，其在衬底上形成并且具有被支撑在所述衬底上的应变管理区和被配置成提供与所述LED结构相关联的光发射的有源区。所述应变管理区包括：第一层，所述第一层包括具有多个重复的第一和第二子层的超晶格；以及第二层，所述第二层包括主体层。在实施例中，所述第一和第二子层中的至少一个以及所述主体层包括组成InxAlyGa1‑x‑yN。还描述了一种具有多个LED结构的装置和一种制造所述LED结构的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请受益于2020年5月19日提交的第63/027,049号美国临时专利申请并要求其优先权，所述美国临时专利申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
本公开的方面大体上涉及光发射元件，诸如在各种类型显示器中使用的那些光发射元件，并且更具体地，涉及光发射元件结构中的改进的应变管理层。
一些发光二极管(LED)，诸如高效氮化铟镓(InGaN)LED，在有源区(例如，执行光发射的区)下方需要提供形成具有现代LED应用所需性能水平的有源区的材料质量类型的层结构。可能包括多层的该层结构可以一般地被称为应变管理层或制备(prep)层。应变管理层通常用于提供合适的材料特性，以允许形成具有期望的光发射特性——诸如发射波长和效率——的有源区。然而，应变管理层，诸如与InGaN LED一起使用的一个或多个含铟(In)层，例如能够容易出现表面缺陷，从而导致沉积在其上的有源区的光发射性能不理想。
本公开的方面提供了改进应变管理层及其对光发射元件性能的总体影响的技术和结构。
发明内容
下文呈现一个或多个方面的简要概述，以提供对这样的方面的基本理解。此概述不是对所有预期方面的广泛概括，并且既不旨在识别所有方面的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是作为稍后呈现的更详细描述的前奏以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念。
本公开描述了应变管理层的组合，例如应变层超晶格(SLS)和主体含In层在诸如LED的光发射装置中的应用。例如，所述组合可以使厚层能够恢复表面形态，提供有源区改进，和/或使SLS能够改进应变层管理和有源区性能。
在本公开的一个方面，描述了一种形成于衬底上的LED结构。所述LED结构包括被支撑在所述衬底上的应变管理区和被配置成提供与所述LED结构相关联的光发射的有源区。所述应变管理区包括：第一层，所述第一层包括具有多个重复的第一所和第二子层的超晶格；以及第二层，所述第二层包括主体层。在实施例中，所述第一和第二子层中的至少一个以及所述主体层包括组成InxAlyGa1-x-yN。
在本公开的另一方面，描述了一种光发射装置，其包括半导体模板；以及被支撑在所述半导体模板上的光发射结构阵列。所述光发射结构阵列的光发射结构中的至少一个光发射结构包括有源区，所述有源区被配置成提供与所述至少一个光发射结构相关联的光发射。所述至少一个光发射结构还包括应变管理区，所述应变管理区包括：第一层，所述第一层包括具有多个重复的第一和第二子层的超晶格；以及第二层，所述第二层包括主体层。在实施例中，所述第一和第二子层中的至少一个以及所述主体层包括组成InxAlyGa1-x-yN。
附图说明
附图仅示出一些实施方式，并且因此不应被视为对范围的限制。
图1示出使用应变层超晶格(SLS)应变管理方法的LED结构的示例。
图2示出使用厚含In层制备方法的LED结构的示例。
图3和4示出根据本公开的方面使用SLS和主体应变管理层的组合的LED结构的示例。
图5示出根据本公开的方面包括UV超晶格结构的LED结构的示例。
图6示出根据本公开的方面包括非发射量子阱结构的LED结构的示例。
图7至图9示出根据本公开的方面在平面表面、基座或由掩模限定的模板区域上具有SLS和主体应变管理层的组合的LED结构的示例。
图10示出根据本公开的方面作为显示器一部分的LED结构阵列的一部分。
图11和12示出描述根据本公开的方面的制造LED结构的方法的流程图。
具体实施方式
下文结合附图或图表阐述的详细描述旨在描述各种配置，而不旨在表示可以实践本文描述的概念的仅有配置。为了提供对各种概念的透彻理解的目的，详细描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，以框图形式示出众所周知的组件，以避免混淆这样的概念。
显示器中需要不断增加光发射结构或元件(例如，像素)的数量以提供更好的用户体验并启用新的应用，但增加更多的光发射结构或元件成为挑战。实现更小的光发射结构以增加计数和密度两者，已经使小型LED(例如，微型LED或纳米发射器)的潜在使用更具吸引力，但用于制造大量、高密度且能够产生不同颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的小型LED的少数技术目前繁琐、耗时、昂贵或导致具有性能限制的结构。虽然更复杂的显示器架构——诸如用于高密度和光场显示器的那些显示器架构——可以受益于小型LED的使用，但是这样的显示器的要求使小型LED的实施方式变得困难。因此，期望允许在同一衬底(例如，单个集成半导体装置)上产生不同颜色光的大量小型光发射结构的单片集成的新技术和装置。
对诸如外延生长和干法蚀刻或选择性区域生长(SAG)的用于制造光发射结构的某些半导体加工技术的使用光发射，例如为在单个集成半导体装置上对大量微型LED的单片集成提供有前景的方法。在半导体模板上生长的用于制造光发射结构的一个或多个材料的质量对LED的性能特性具有显著影响。
为此，需要使能够形成具有高质量有源(例如，发射)区的小型光发射结构的结构配置。例如，对于基于量子阱(QW)的LED，对制备层的战略性的包括可以改进或增强光发射结构中有源区的形态和/或应变特性。
对于LED中的应变管理，通常使用两个分开的且有区别的方法。在一个方法中，多对含In层和非含铟层形成应变层超晶格(SLS)作为应变管理机制。然而，SLS方法受到有源QW层在其上的形成之前在SLS表面上形成凹坑的倾向阻碍。例如，当InGaN–GaN对的薄层被堆叠以形成SLS时，SLS形成所需的低温外延生长工艺倾向于导致凹坑形成。在可替代的方法中，对于半导体模板与有源QW区之间的应变管理，可以使用主体层，诸如InGaN、AlInN或AlInGaN的厚层。在SLS或主体层方法中，使用含In层，因为对铟的包括已经被经验示出提供对LED的光发射效率的增强。层的In含量通常不超过有源QW区的In含量，以防止含In的SLS或主体层中的光吸收。
本公开提供SLS和一个或多个主体层(诸如，厚InGaN、AlInN或AlInGaN层)两者作为LED中应变管理层的组合应用。本文提出的方面使用主体层和SLS的组合来提供改进的或最优的应变层管理和有源区性能。
图1示出图示了使用上文描述的应变层超晶格(SLS)应变管理方法的LED结构100的示例的示意图。在半导体模板110上形成LED结构100。在一些实施方式中，可以使用诸如外延生长和干法蚀刻或选择性区域生长(SAG)的技术来定义半导体模板110上的LED结构的位置、形状和大小。在示例中，半导体模板110由n型GaN模板或在半导体衬底上形成的外延层形成。
如图1所示，LED结构100包括在半导体模板110上形成的SLS115。LED结构100还包括在其处产生来自LED结构100的光发射的有源量子阱(QW)140，以及使能够与LED结构100进行电接触的一个或多个p层150。来自QW 140的光发射可以是具有例如可见光谱中的波长范围的电磁波。P层150可以包括例如p掺杂层和/或接触层。在图1所示的示例性配置中，生长(例如，外延生长)、沉积或以其他方式彼此邻近地形成LED结构100的各种组件。
在示例中，SLS 115包括第一层165和第二层170的一对或多对160。在一些示例中，对于总厚度为20纳米或更大(>20nm)的SLS 115，SLS 115包括数十对160。在一些示例中，SLS 115包括第一层和第二层的20至60或更多对160。第一层165包括例如InGaN、AlInN或AlInGaN。第二层170包括例如GaN。在示例中，可以在半导体模板110与SLS 115之间，或者在SLS 115与有源QW 140之间形成可选的层结构(未示出)。
如上所述，虽然对SLS 115的包括可以改进LED结构100的有源QW 140的应变特性，但SLS 115容易形成凹坑，从而导致LED结构100光发射中的潜在性能问题。
图2示出具有主体层作为应变管理层的LED结构200的示例。与图1所示的LED结构100类似，LED结构200包括在半导体模板110上形成的有源QW 140和p层150的组合。代替SLS结构，LED结构200包括在有源QW 140与半导体模板110之间形成的包括主体层210和中间层220的应变管理结构205。主体层210例如是包括InGaN、AlInN或AlInGaN的厚层。在一些情况下，主体层210的厚度为50nm或更大。中间层220可以由例如GaN、AlGaN或InGaN形成，其被配置成提供用于沉积有源QW 140的合适界面。
本公开中提出的可使得用于在LED中的生长有源区(例如，有源QW 140)的凹坑减少的解决方案包括分别结合图1和2中的LED结构100和200描述的方面的组合。本文所呈现的方面提供SLS和主体层的组合。装置可以包括一组或多组组合，例如1至10组或多于10组。此解决方案可适用于微型LED(例如，使用蚀刻或SAG技术制造的具有近似于几微米或更小的装置间距的LED)，但也可适用于更大的LED。
图3示出根据本公开的方面的LED结构300，其使用SLS和主体应变管理层的组合。类似于分别在图1和2所示的LED结构100和200，LED结构300在半导体模板110上形成。LED结构300包括应变管理区315，所述应变管理区315在半导体模板110上形成、生长(例如，外延生长)或沉积。
应变管理区315可以包括一个或多个组320。在示例中，每个组320包括第一prep层结构，诸如分别由多对第一层326和第二层327形成的SLS 325，以及第二prep层结构，诸如主体层335。应注意，SLS结构325可以包括第一层326和第二层327的附加层以形成超晶格。
应变管理区315可以包括多组SLS结构325和主体层335。例如，应变管理区315可以包括两对至五十对或更多对的第一层326和第二层327。此外，应变管理区315可以进一步包括SLS 325和主体层335的一至数十组320。此外，如果在应变管理区315内包括多个组320，则可以贯穿应变管理区315内包含的组320来调整SLS结构325内的对的数量。
继续参考图3，形成SLS结构325的第一层326和第二层327包括例如被重复以形成堆叠的GaN和InGaN层。主体层335包括诸如InGaN、AlInN或AlInGaN等含In层，并且被配置成通过单独使用超晶格作为应变管理机制来提供改进的表面形态(例如，凹坑形成的减少)。根据本公开，第一层326、第二层327中的至少一个以及主体层335可以是含In层。在示例中，第一层326、第二层327中的一个以及主体层335可以包括InxAlyGa1-x-yN。在另一示例中，分别第一层326和第二层327中的一个或多个以及主体层335包括具有相应组成的InxAlyGa1-x-yN，即，这些层中的每一层的组成可以与其他层的组成不同。例如，主体层的组成InxAlyGa1-x-yN可以基于范围为0至0.15的x值。SLS结构内的第一层的组成InxAlyGa1-x-yN可以基于范围为0至0.3的x值，并且SLS结构内的第二层的组成InxAlyGa1-x-yN可以基于范围为0至0.1的x值。
如图3所示，主体层335可以具有比SLS结构325内的个体的对(例如，层326和327的对)更大的厚度。主体层325可以进一步包括结合图2中的主体层210描述的方面。有源QW340包括例如被配置成在LED结构300的操作期间发射光的多量子阱(MQW)结构。所发射的光可以处于电磁波长范围，例如在可见光谱中。LED结构300还包括一个或多个p层350，用于提供与LED结构300的电接触。
如图3所示，LED结构300被示为组320中的SLS结构325位于主体层335下方，即，比主体层335更靠近半导体模板110，或比主体层335更远离有源QW 340。然而，本文所呈现的方面也可以被应用于组320内第一层和第二层的相反次序。
图4示出示例LED结构400，其中应变管理区415包括主体层335和SLS结构425的一个或多个组420。在每个组420中，SLS结构425被置于主体层335上方，例如，比每个组420内的主体层335更远离半导体衬底110。附加地，图4示出SLS结构425内的第一层326和第二层327的次序已经从图3的SLS结构325被切换。
图5示出示例LED结构500，其包括超晶格结构，所述超晶格结构被设计用于如果超晶格被电寻址为有源区则在比有源QW层更短的波长下产生光发射。如图5所示，LED结构500包括半导体模板110，所述半导体模板110支撑包括有源QW 340和p层350的结构，如图3和4所示的结构。附加地，LED结构500包括应变管理区515，所述应变管理区包括UV超晶格(UVSL)堆叠520。UVSL堆叠520可以包括例如主体层335和UVSL结构525。主体层535可以由例如InGaN层形成。UVSL层525包括例如被重复以形成UVSL结构525的第一层526和第二层527。作为示例，UVSL结构525可以被配置成使得，如果这些层被电寻址(即，跨UVSL结构525提供适当的电压或电流)，则这些层将导致紫外线(UV)波长范围内的电磁波发射。例如，第一层526可以是厚度近似于一纳米的薄InGaN层，第二层527可以是厚度近似于几纳米的稍厚GaN层。第一层526和第二层527可以被重复若干次，诸如五至十次。然而，UVSL结构525不发射UV波长范围内的电磁波，因为LED结构500被适当的电输入电寻址，以产生特别是来自有源QW340而不是UVSL结构525的光发射。也就是说，虽然LED结构500被配置成从有源QW 340而不是UVSL结构525光发射，但应变管理区515的存在促进了有源QW 340的改进的应变管理、缺陷减少和表面特性，因此，与在LED结构500内尚未包括应变管理区515的情况相比产生来自有源QW 340的改进的光发射特性。
在实施例中，包括UVSL结构525和主体层535的UVSL堆叠520可以在应变管理区515内重复两次或更多次。第一层526、第二层527和/或主体层535中的每一个的In含量可以针对有源QW 340的期望的材料特性和光发射性能而被定制。LED结构500中可以包括附加层，诸如电子阻挡层、缓冲或间隔层以及其他功能层。
图6示出另一示例性LED结构。LED结构600包括由例如n-GaN形成的半导体模板610。LED结构600还包括在半导体模板610上形成的应变管理区615。应变管理区615包括例如在半导体模板610上形成的UVSL prep层625。UVSL prep层625可以包括例如在UVSL prep层625内重复两次或更多次的图5的UVSL结构525和主体层535的组合。附加地，LED结构600包括蓝色QW结构635。在示例中，如果用特别适合于蓝光发射的电压或电流对蓝色QW结构635进行电寻址，则蓝色QW结构635是被配置用于蓝色波长范围内的光发射的多量子阱结构。LED结构600进一步包括红色多量子阱(MQW)结构640，并且最后包括用于提供与LED结构600的电接触的p-GaN层650。
同样，虽然LED结构600被配置成从红色MQW结构640而不是UVSL 525或蓝色QW结构635光发射，但应变管理区615的存在促进了红色MQW结构640的改进的应变管理、缺陷减少和表面特性，因此，与在LED结构600内尚未包括应变管理区615的情况相比产生改进的红色光发射特性。虽然元件625、635和640使用诸如UV、蓝色和红色的特定波长描述来被描述，但重要的因素是非发射应变管理区615内的超晶格和量子阱结构的设计波长比有源QW区——即，红色MQW结构640——的预期发射波长短。例如，如果红色MQW区640被替换为用于橙色、黄色或绿色波长范围内的光发射的多量子阱结构，则对UVSL 625和蓝色QW结构635的使用也可以改进光发射性能。
注意的是，LED结构600内可以包括附加中间层，诸如电子阻挡层、缓冲层或间隔层或其他功能层。例如，LED结构600可以可选地包括间隔层672(例如由GaN形成)、阻挡层674(同样例如由GaN形成)或电子阻挡层676(例如由AlGaN形成)。可以选择包括这样的附加层以提供功能性，诸如减少的电流泄漏、特定层内掺杂剂的改进的包含、改进的表面特性以及功能层——特别是有源QW区——内的减少的缺陷。
图3至图6所示的示例实施方式是非排他性的，并且LED结构可以基于图3至图6所示的方面的任何组合。此外，在不偏离本公开的精神的情况下，也可以在LED结构300、400、500或600内包括图3至图6中未示出的附加层，诸如中间层。例如，图3至图6所示的示例实施方式的有源QW 340可以直接邻近应变管理区315、415、515或615形成，而在其他实施方式中，可以在应变管理区与有源QW 340之间形成一个或多个层。例如，上文关于LED结构600描述的附加层可以被并入LED结构300、400和500中的任何一个。
图7至图9示出根据本公开的方面的具有被形成为平面装置或小型LED装置阵列的应变管理区的组合的LED结构的示例。例如，图7中的平面LED结构700包括多个层720在其上形成的平面衬底710。平面衬底710和层720可以包括与图3至图6所示的LED结构300、400、500和600相同或类似的配置。
在另一示例中，图8中的阵列800包括在图案化衬底830上形成的多个LED结构820。图案化衬底830包括升高的基座区832，由较低槽区834分隔的LED结构820在其上形成。例如，一个或多个LED结构820最初可以如图7的LED结构700那样被形成，然后可以使用蚀刻工艺将LED结构分隔成分隔的LED结构820。较低槽区834可以用于进一步电隔离邻近LED结构820，在示例中，尽管较低槽区834可以可选地被消除，使得多个LED结构820的阵列800在平面衬底(例如，图7的平面衬底710)上形成。可替代地，可以首先在图案化衬底830上形成基座832，然后可以通过例如掩模沉积工艺在基座832上形成LED结构820。LED结构820可以包括与图3至6所示的LED结构300、400、500和600相同或类似的配置。
在又一示例中，图9中的阵列900包括在图案化衬底940上形成的多个LED结构920。图案化衬底940包括较低槽区942，由升高的区944分隔的LED结构920在其中形成。作为示例，可以首先使用掩模蚀刻工艺形成槽区942，然后在掩模沉积工艺中在所述槽区942中形成LED结构920。LED结构920可以包括与图3至图6所示的LED结构300、400、500和600相同或类似的配置。作为示例，槽区942可以具有一微米或更小的直径。在其他示例中，槽区可以具有大于一微米的直径。提出槽的具体大小仅仅是为了说明本文提出的概念的潜在应用，并且上述概念同样可以被应用于任何大小的LED结构。
本文提出的概念可以被应用于平面和异型LED结构，即使图3至图9中仅示出LED结构的一部分。
图10示出根据本公开的方面的示例性LED阵列1000的顶视图。LED阵列1000包括例如被支撑在衬底1040上的分别以红色、绿色和蓝色波长发射的多个LED结构1010、1020和1030。例如，阵列可以是形成显示器或作为显示器的一部分的光发射装置的一部分，并且可以针对特定应用调整像素的布置、像素的形状、像素的数量、像素的大小以及其对应的波长发射。如上所述，显示器可以是高分辨率、高密度显示器，诸如在光场应用中使用的那些显示器。LED结构1010、1020和/或1030中的任一个可以使用结合图3至图9描述的方面来形成。
图11示出描述根据本公开的方面的制造LED结构的方法1100的简化流程图。在步骤1110，方法1100包括形成应变管理区。步骤1110可以包括结合图3-9描述的方面。在步骤1120处，方法1100包括形成被配置成生成与LED结构相关联的光的有源区。
图12中示出方法1100的1110的示例性实施例的进一步细节。如图12所示的示例中所示，在实施例中，步骤1110进一步包括在步骤1210中形成第一prep层结构。第一prep层结构包括例如如上所述的超晶格结构(例如，SLS结构325)或主体层(例如，主体层335)。步骤1110还包括在步骤1220中形成第二prep层结构。第二prep层结构也包括例如超晶格结构(例如，SLS结构325)或主体层(例如，主体层335)。做出决策1230以确定对于正在形成的特定LED结构是否期望附加的prep层。如果对决策1230的回答为“是”，则需要更多prep层，然后过程返回至1210。如果对决策1230的回答为“否”，则不需要更多prep层，过程前进至图11的方法1100的1220。
本公开描述了使得能够在光发射元件(例如，LED)内使用应变管理结构以用于改进那些光发射元件的光发射性能的各种技术和结构。
因此，尽管根据所示的实施方式已经提供了本公开，但本领域普通技术人员将容易认识到，实施例可能存在变化，并且那些变化将在本公开的范围内。因此，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。
Claims (20)
1.一种在衬底上形成的发光二极管LED结构，所述LED结构包括：
应变管理区，所述应变管理区被支撑在所述衬底上；以及
有源区，所述有源区被配置成提供与所述LED结构相关联的光发射，
其中，所述应变管理区包括：
第一层，所述第一层包括具有多个重复的第一子层和第二子层的超晶格，以及
第二层，所述第二层包括主体层。
2.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述应变管理区被配置成与不具有所述应变管理区的另一LED结构相比改进来自所述有源区的所述光发射。
3.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述应变管理区包括多组交替的第一层和第二层。
4.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述第一层被邻近所述衬底设置。
5.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述第二层被邻近所述衬底设置。
6.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述主体层以及所述第一子层和所述第二子层中的至少一个包括组成InxAlyGa1-x-yN。
7.根据权利要求6所述的LED结构，其中，所述主体层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.15的x值。
8.根据权利要求6所述的LED结构，其中，所述第一子层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.3的x值。
9.根据权利要求6所述的LED结构，其中，所述第二子层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.1的x值。
10.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述有源区包括至少一个量子阱。
11.根据权利要求1所述的LED结构，其中，与所述LED结构相关联的所述光发射包括可见波长范围内的电磁辐射。
12.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述第一层包括应变层超晶格SLS，所述SLS被配置成与不具有所述SLS的另一LED结构相比改进所述有源区的应变管理和材料质量。
13.根据权利要求1所述的LED结构，其中，所述主体层被配置成与不具有所述主体层的另一LED结构相比改进所述有源区的表面形态和材料质量。
14.一种光发射装置，包括：
半导体模板；以及
被支撑在所述半导体模板上的光发射结构阵列，所述光发射结构阵列中的至少一个光发射结构包括
有源区，所述有源区被配置成提供与所述至少一个光发射结构相关联的光发射，以及
应变管理区，所述应变管理区包括
第一层，所述第一层包括具有多个重复的第一子层和第二子层的超晶格，以及
第二层，所述第二层包括主体层。
15.根据权利要求14所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区被配置成与不具有所述应变管理区的另一LED结构相比改进来自所述有源区的所述光发射。
16.根据权利要求14所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区包括多组交替的第一层和第二层。
17.根据权利要求14所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区的所述主体层以及所述第一子层和所述第二子层中的至少一个包括组成InxAlyGa1-x- yN。
18.根据权利要求17所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区的所述主体层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.15的x值。
19.根据权利要求17所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区的所述第一子层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.3的x值。
20.根据权利要求17所述的光发射装置，其中，所述至少一个光发射结构的所述应变管理区的所述第二子层的所述组成InxAlyGa1-x-yN是基于范围为从0至0.1的x值。
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