CN1256795A - 半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
半导体发光二极管(10)被形成在n型GaAs基片上并包含:AlGaInP基双异质结结构,其中激活层(16)被夹在镀层(14,18)之间;上P型接触层20;环形上电极(22)有孔(28),光是通过上p型接触层(20)和上电极(22)的孔(28)发射。上p型接触层(20)是由含有0.5或更高Al含量的AlGaAs或AlGaAsP构成的半导体层,并且在5×1018cm－3或更高载流子浓度掺杂杂质。该半导体发光二极管以要求的发射图形和较高强度发射光并能以相对简单工艺制造。
Description
本发明涉及构造在n-型GaAs基片上的半导体发光二极管，用于发射可见光，尤其是具有由ALGaInP基材料构成的双异质结结构的高强度半导体可见发光二极管。
随着信息处理技术的发展，半导体光发射设备有逐渐地增大的要求以用于光学通信、光学记录媒介以及图像显示的光源。特别是，尤其需要更高的强度的可见发光二极管(以下，发光二极管将被缩写为LED)用于发展作为图像显示的有效的光源。
与GaAs(砷化稼)基片相配的AlGaInP(铝镓磷化铟)的混合晶体半导体晶格，由于它能够形成优秀的异质结和适于获得高亮度LED，所以近年来是广泛地使用作为形成能够显示从红到绿的可见色彩的高亮度LED的材料。
为获得高亮度发光二极管，它必需从其中规定的有限的区域产生光。常规的AlGalnP基发光二极管，不考虑他们的用于从规定的限制区域引导光的各种系统，基于接触层基本上被概略地分类成二种类型。
一个例子是有显示在图5中的形状的接触层的发光二极管。图5(a)是常规的AlGaInP基LED的结构的示意图，图5(b)是在图5(a)中所示的传统LED的发射图形的示意图。
显示在图5中的常规的LED 50包括：在n型GaAs基片52上的，由连续叠层的n-AlGaInP下镀层54、激活层56和p-AlGaInP上镀层58构成的双异质结结构。LED 50也有：p-GaAs接触层60形成在双异质结结构上以致于与上电极有相同直径，并且将与其同心；上电极64形成在接触层60上并具有环形中心孔62作为光发射区域；并且n-侧电极66形成在GaAs基片52的底表面上。
另一个例子是有显示在图6中的形状的接触层的LED 70。图6(a)是另一个常规的AlGaInP基LED的叠层结构的示意图，图6(b)是显示在图6(a)中的传统LED的发射图形。
除了以p-AlGaAs为材料制作的电流扩散层72和有与上电极64相似的形状的p-GaAs的接触层74被形成在双异质结结构上之外，显示在图6中的常规的LED 70有与显示在图5中的LED 50相似的结构。
在图5的有环形光发射区域62的LED 50中，以GaAs为材料制作的接触层60通常是以与GaAs相配的晶格被形成以便提供与AlGaInP基双异质结结构匹配的晶格，其后被蚀刻以形成环形接触层，并通过在其上设置具有环形孔的环形上电极64作为光发射区，从而获得环形发射图形。
然而，GaAs有对于发射波长的高吸收度；因此，在LED 50中，接触层有对辐射光的大吸收度，引起来自LED的辐射光大比例的减少。
同时，显示在图6中的LED 70并且具有与上电极相似的环形的接触层是一常规的例子，其避免上述的起因于GaAs接触层的吸收的亮度的降低。这里，高吸收性的GaAs接触层74被直接形成在上电极64下面的受限区域；此外，电流扩散层72被排列在接触层74下面以便充分散布注入的电流。
在降低在接触层中发射光的吸收以获得更高强度的发射的同时，这导致以下不利点：注入的电流扩散超出上电极引起差的发射效率；并且，如在图6(b)所显示的，圆环-形状发射图形在中心产生一空白，这是作为环形发射图形不可接受的。
因此，作为用于防止在GaAs接触层中的吸收和具有大致环形的外形发射图形的LED，提出了有显示在图7中的结构的LED 80，其中电极之外的电流扩散层被蚀刻除去。图7是显示另一个常规的LED的叠层结构的示意图。这个LED 80有与显示在图6中的LED 70相似的结构，除了以AlGaAs为材料制作的p-型电流扩散层82被形成作为环形层之外，该环形层具有与上电极64和接触层74的环形相同外部直径，并且与它们同心。
由于上电极外的光发射的抑制，在显示在图7中的LED 80与显示在图6中的LED相比发射效率被改善的同时，它的缺点在于它的发射图形倾向于取一圆环外形并且是难于形成一个可接受的环形的外形。此外，需要深深蚀刻电流扩散层的一个步骤，其导致在构造元件中增加步骤和使过程复杂的的缺点。
如上面所描述的，常规的AlGaInP基发光二极管有不同的问题，并且通过相对简单的工艺过程是很难制造以所要求的发射图形和以较高的强度发射光的LED。
本发明的目的是提供一种半导体发光二极管，其以所要求的发射图形和较高的强度发射光，并且具有能够以相对简单的工艺制造的结构。
本发明家构思为：由于具有0.5的或更高Al(铝)含量的AlGaAs或AlGaAsP与GaAs相比较有较大的带隙，从AlGaAs或AlGaAsP(铝镓砷磷)形成的接触层使接触层对于由AlGaInP基的激活层发射的光大致透明以允许在接触层中光吸收的大的降低；并且接触层被掺杂有相同导电率的高浓度的杂质，以提高载流子的浓度，以致在接触层中的电流扩散被增强以除去对传统技术中的电流扩散层的需要。本发明者为了实现本发明已反复进行了实验。
为了实现上述的目的，在所获得的知识的基础上，本发明提供了一种形成在n型GaAs基片上的半导体发光二极管，并包括具有夹在镀层之间的激活层的AlGaInP基双异质结结构，以及具有一孔并形成在具有一插入的接触层的双异质结结构上的一p侧电极，其特征在于：
p-型接触层被作为一半导体层形成，该半导体层是以有0.5或更多的Al含量的AlGaAs或AlGaAsP为材料制作并以5×1018cm(厘米)-3或更高的载流子浓度掺杂p型杂质；并且
通过p-型接触层和在p-侧电极中的孔发射光。
根据本发明，由于形成在n-型GaAs基片上的半导体发光二极管的上p型接触层是作为半导体层被形成，该半导体层是由具有特定的Al含量并且掺杂有杂质以便具有特定的载流子浓度的AlGaAs或AlGaAsP构成，所以在接触层中的光吸收被降低以实现一可见半导体激光器，该激光器按所要求的图形以高亮度发射光并能用相对简单的工艺制造。
在本发明中，在对于AlGaInP基半导体的外延方法上没有限制的同时，在大多数情况下金属组织化学汽相淀积(MOCVD)通常被采用。顺便说一下，将Zn掺杂到具有大Al含量的AlGaAs或AlGaAsP中以致有如5×1018cm-3或更高的浓度是非常困难的，Zn是使用在MOCVD方法中的最典型的p型掺杂物。因此，在本发明中，最好采用碳(C)掺杂物作为p型杂质以允许5×1018cm-3或更高的杂质浓度。
用于较高的载流子浓度的高浓度搀杂充分地增加在接触层中的电流扩散，其使在常规的发光二极管中需要的电流扩散层没有必要。因此，在高亮度以所要求发射图形发射光的半导体发光二极管能够以相对简单的工艺过程制造，其除去了对于形成一电流扩散层的需要。
在本发明的另一个最佳实施例，由电介质构成的低反射涂层被形成在p-侧电极的孔的范围内的p-型接触层上。此外，在另一个最佳实施例中，根据本发明的半导体发光二极管包括：由电介质构成的形成在p侧电极的孔的范围内的p型接触层上的低反射率涂层；以及由排列于双异质结结构和n-型GaAs基片之间的半导体多层膜构成的一反射镜。
在p型接触层上低反射膜的设置，以及由排列于该基片和双异质结结构之间的半导体多层膜构成的一反射镜的设置，使得在激活层中光的产生有较高的效率，实现了较高强度的半导体发光二极管。
图1(a)是第一实施例的LED的叠层结构的示意图，图1(b)是第一实施例的LED的发射图形的示意图。
图2(a)是第二实施例的LED的叠层结构的示意图，图2(b)是第二实施例的LED的发射图形的示意图。
图3(a)是第三实施例的LED的叠层结构的示意图，图3(b)是第三实施例的LED的发射图形的示意图。
图4是说明注入的电流和光输出功率之间的关系的一曲线图。
图5(a)是常规的LED的叠层结构的示意图，图5(b)是图5(a)的常规LED的发射图形的示意图。
图6(a)是另一常规的LED的叠层结构的示意图，图6(b)是图6(a)的另一常规LED的发射图形的示意图。
图7是另一常规的LED的叠层结构的示意图。
以下，将通过参照附图对本发明的实施例更加详细地进行描述。第一实施例
本实施例是根据本发明的半导体发光二极管的实施例的一个例子。图1(a)是本实施例的半导体发光二极管的叠层结构的示意图，图1(b)是本实施例的半导体发光二极管的发射图形的示意图。
如图1(a)所示，本实施例的半导体发光二极管(以下，简单地称为LED)10包括：n-型GaAs基片12，形成在GaAs基片12上的双异质结结构，形成在双异质结结构上以致于与p侧电极22具有相同的外直径并且将是同心的一环形的p型接触层20，p侧电极22，由GaAs构成的并且位于接触层20和p侧电极22之间的一保护层24，以及设置在GaAs基片12的底表面上的一n侧电极26。
双异质结结构是由n-AlGaInP下镀层14，GaInP激活层16，以及p-AlCaInP上镀层18构成的。
在本实施例中，接触层20由含有0.9的Al并被掺杂有碳的AlGaAs层以如3×1019cm-3那么高的载流子浓度实现的。如在图1(a)所示，p-侧电极22是具有中央孔28作为光发射区域28的环形状电极。为了防止接触层20的氧化，保护层24被形成在接触层20和p-侧电极22之间。
为构造本实施例的LED 10，通过MOCVD方法，下镀层14、激活层16和上镀层18被顺序的外延生长在n-GaAs基片12上。生长条件包含在反应气体中的670℃的温度和250的V/III比。
然后，由MOCVD方法在温度500℃和V/III比10，在上镀层18上外延生长接触层20。这些条件的应用提供在如3×1019cm-3那么高的浓度的掺杂碳。此外，由MOCVD方法在温度670℃和反应汽中的V/III比为250的条件下，在接触层20上外延生长保护层24。
然后，采用光刻制版和化学蚀刻技术，保护层24和接触层20被蚀刻以具有规定外形。
其后，用光刻制版技术形成电极图形，其后在那上面淀积金属以形成p侧电极22。而且，基片12被抛光到规定厚度，然后淀积金属以形成n侧电极24，藉此完成LED 10。第二实施例
本实施例是根据本发明的LED的实施例的另一个例子。图2(a)是本实施例的LED的叠层结构的示意图，图2(b)是本实施例的LED的发射图形的示意图。
本实施例的LED 30具有与第一实施例相似的结构，并且包含：基片12；形成在基片12上的双异质结结构并包括低镀层14，激活层16和上镀层18；以及形成在双异质结结构上的接触层20。
LED 30还包含：有外形与接触层20的外形相似的GaAs保护层32；p-侧电极22和n-侧电极26，此两者与第一实施例的相似；并且通过涂敷形成有低反射系数的SiN反射膜34以致于充填在p-侧电极22中的孔。SiN反射膜34有大约100nm(纳米)厚度的膜厚，以致光学路径长度是第四发射波长。
为构造本实施例的LED 30，双异质结结构被形成在基片12上，其后成膜接触层20和GaAs保护层32，其成膜条件与第一实施例的条件相似。
其后，通过光刻制版和化学蚀刻技术，保护层32和接触层20被蚀刻以便制图为规定的环形。
其后，SiN电介质膜34被淀积到大约100nm的厚度。此外，由光刻制版和蚀刻技术把形成在p-侧电极22的区域以内的一部分SiN电介质膜34除去以暴露保护层32。
其后，用光刻技术形成电极图形，其后在那上面淀积金属形成p-侧电极22。而且，基片12被抛光到规定的厚度，然后淀积金属以形成n侧电极26，藉此完成LED 30。第三实施例
本实施例是根据本发明的LED实施例的另一个例子。图3(a)是本实施例的LED的叠层结构的示意图，图3(b)是本实施例的LED的发射图形的示意图。
本实施例的LED 40有与第一实施例相似的结构，除了由多-层膜实现的多重反射镜42被设置在基片12和低镀层14之间之外。更具体地说，LED 40包含：基片12；形成在基片12上的双异质结结构并包括低镀层14，激活层16，和上镀层16；以及形成在双异质结结构上的接触层20。
LED 40，与第二实施例相同的结构，包含：保护层32，低反射率SiN反射膜34，以及p-侧电极22，以及n-侧电极26。
排列在基片12和低镀层14之间的多重反射镜42是有多层结构的一反射镜，该多层结构是通过使用MOCVD方法反复10次地形成包括40nm厚的n(Al0.1Ga0.9)InP42A和60nm厚的n-(Al0.9Ga0.1)InP42B的成对的层获得的。
应当注意多重反射镜42未被限制在本实施例中使用的材料，并且可以采用其他组合，比如Al0.5Ga0.5As/AlAs膜或Al0.5Ga0.5As/Al0.5In0.5P膜。
为构造本实施例的LED 40，多重反射镜42被形成在基片12，其是通过在670℃温度和250的V/III比的条件下使用MOCVD方法，反复10次地形成包括40nm厚的n(Al0.1Ga0.9)InP42A和60nm厚的n-(Al0.9Ga0.1)InP42B的成对的层获得的。
其后，如第二实施例那样，双异质结结构被形成在基片12，其后形成接触层20，GaAs保护层32，SiN电介质膜34，和p-侧电极22和n-侧电极26。
根据实验的例子，为评价第一至第三实施例的发光二极管10、30、40的发射特性，发射图形被检查。LED 10、30、40所有的发射图形展示出锐缘的环形图形，如在图1(b)、2(b)和3(b)中分别显示的。
而且，为了光输出功率和在电极之间注入的电流之间的关系对发光二极管10、30和40进行了测量，并且为了比较，对在图7中所是的常规的LED 80也进行了相同关系的测量，从而获得了显示在图4中的测量结果。如图4所示，在相同幅度的注入电流情况下，第一至第三实施例的所有的发光二极管展示出比常规的LED更高的光输出功率。设有反射机构的第三实施例的LED 40有尤其杰出的高强度发射特性。在图4中，曲线(1)、(2)和(3)分别表示第一至第三实施例的特性；而曲线(4)表示常规的LED的特性。
如从上述-描述的实验例子看出的，能够评价本实施例的LED是用于发射可见光的一个LED，其能以相对简单的工艺制造并且与常规的方法相比增加了很少的步骤，并且其是以较高的强度和所需要的图形发射光。
而且，虽然第一至第三实施例的描述示例了整体结构的激活层，本发明也可适用于有量子阱结构的激活层的LED以提供相似的结果。
Claims (4)
1.一种半导体发光二极管，其形成在n-型GaAs基片上的，并包括具有夹在镀层之间的激活层的AlGaInP基双异质结结构，以及具有一孔并形成在具有一插入的p型接触层的所述双异质结结构上的一p侧电极，其特征在于：
所述p型接触层被作为一半导体层形成，该半导体层是以有0.5或更多的Al含量的AlGaAs或AlGaAsP为材料制作并以5×1018cm-3或更多的载流子浓度掺杂p型杂质；以及
通过所述p型接触层和所述p侧电极的孔发射光。
2.根据权利要求1的半导体发光二极管，其特征在于碳(C)被用作掺入形成所述p型接触层的所述AlGaAs或AlGaAsP层中的所述的p型杂质。
3.根据权利要求1或2的半导体发光二极管，其特征在于由电介质材料构成的低反射率涂层膜被形成在所述p侧电极的孔的范围内的所述p型接触层上。
4.根据权利要求1或2的半导体发光二极管，其特征在于：
由电介质材料构成的一低反射率涂层膜被形成在所述p侧电极的孔的范围内的所述p型接触层上；以及
由半导体多叠层膜构成一反射镜并被设置在所述双异质结结构和所述n型GaAs基片之间。
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