具有未摻雜覆蓋層的第Ⅲ族氮化物LED制造技術

本發明專利技術是一種發光裝置用的半導體結構體，所述發光裝置可發射在電磁光譜中紅到紫外部分的光。該半導體結構體包括位于第一ｎ－型第Ⅲ族氮化物覆蓋層（１１）和第二ｎ－型第Ⅲ族氮化物覆蓋層（１２）之間的第Ⅲ族氮化物活性層（１３），第一和第二ｎ－型覆蓋層各自具有的帶隙大于活性層的帶隙。該半導體結構體進一步包括ｐ－型第Ⅲ族氮化物層（１８），其位于半導體結構體內，使得第二ｎ－型覆蓋層（１２）處于ｐ－型層（１８）與活性層（１３）之間。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及發光裝置的半導體結構體，特別地涉及由第III族氮化物形成的發光二極管和激光二極管的半導體結構體，所述發光裝置能發出電磁光譜中紅到紫外部分的光。
技術介紹
光子半導體裝置分成三類將電能轉化為光輻射的裝置(例如發光二極管和激光二極管)；檢測光信號的裝置(例如光電探測器)；和將光輻射轉化成電能的裝置(例如光生伏打裝置和太陽能電池)。盡管所有三類裝置都具有有用的用途，但發光二極管由于應用到各種消費產品和領域中，從而其可能是最為人所熟知的。發光裝置(例如發光二極管和激光二極管，此處被稱為LED)是將電能轉化成發光的光子、p-n結半導體裝置。可能最常見地，LED形成在電磁光譜中的可見光部分的光源，該光源用于各種信號、指示器、計量器和在消費品中使用的顯示器(例如音頻系統、汽車、家用電器和計算機系統)。因為LED通常長的使用壽命、低的功率要求和高的可靠性，所以LED作為光輸出裝置是理想的。盡管其具有廣泛的用途，但LED在功能上受到一些限制，因為給定的LED可能產生的顏色受到制造該LED所使用的半導體材料的本性的限制。本領域和相關領域的技術人員公知，LED所產生的光被稱為“電致發光”，它表示在外加電壓下電流流過材料而產生光。產生電致發光的任何特定組合物傾向于在相對窄的波長范圍內如此發光。給定的LED材料可能發出的先的波長(即其顏色)受到該材料的物理特征，具體地其帶隙能量的限制。帶隙能量是在半導體中分開較低能量的價帶和較高能量的導帶所需的能量。根據量子力學的公知原理，能帶是載流子(電子或空穴)可停留的能量狀態。“帶隙”是導帶與價帶之間的能量區域，該區域對載流子來說是被禁止的(即載流子不可能存在于這些能量狀態)。在某些情況下，當電子和空穴越過帶隙并重組(recombine)時，它們將以光的形式放出能量。換句話說，給定的半導體材料可能產生的電磁輻射頻率(即顏色)是該材料帶隙能量的函數。在這方面，較窄的帶隙產生較低的能量、較長波長的光子。相反，較寬的帶隙產生較高的能量、較短波長的光子。藍光比在可見光譜內的大多數其它顏色具有較短的波長，因此具有較高的頻率。因此，必須由比產生綠、黃、橘黃或紅光的那些躍遷能量大的躍遷來產生藍光。產生波長在可見光譜中的藍或紫外部分范圍內的光子要求具有相對大的帶隙的半導體材料。整個可見光譜從在或約390nm的紫色變為在約780nm處的紅色。依次地，可認為可見光譜的藍色部分的波長從約425延伸至480nm。約425nm(接近紫色)和480nm(接近綠色)的波長分別依次代表約2.9eV和約2.6eV的能量躍遷。因此，只有具有至少約2.6eV帶隙的材料可產生藍光。較短波長的裝置除了提供顏色之外，還提供許多優點。特別地，當在光存儲和記憶裝置如CD-ROM光盤中使用時，較短的波長能使這種存儲裝置保留顯著更多的信息。例如，在與使用紅光的空間相同的空間內，使用藍光存儲信息的光學裝置可以保留顯著更多的信息。發光二極管操作的基本機理是本領域公知的，例如在Sze的Physics of Semiconductor Devices，第2版(1981)第681-703頁中被列出。本專利技術的共同受讓人是本領域中成功開發商業上可的LED的第一人，該LED發出藍色光譜范圍內的光，且可大量地從商業上獲得。這些LED在碳化硅，即一種寬帶隙半導體材料上形成。在授予Edmond的美國專利No.4918497和5027168(各自的標題為“BlueLight Emitting Diode Formed in Silicon Carbide”)中公開了這種藍色LED的實例。在共同轉讓的美國專利No.5523589、5592501和5739554中公開了第III族氮化物LED結構體和激光結構體的其它實例。除了碳化硅之外，發藍光裝置的候選材料是氮化鎵(GaN)和其相關的第III族(即周期表中的第III族)氮化物化合物如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。這些物質是特別有吸引力的，因為它們在室溫下提供帶隙介于約1.9至約6.2eV的直接能量躍遷。更常見的半導體物質如硅、磷化鎵或砷化鎵不適于產生藍光，因為它們的帶隙為大約2.26eV或更低，在硅的情況下，其是間接的半導體和無效率的光發射器。熟知LED和電子躍遷的技術人員公知，當價帶最大值和導帶最小值具有相同的動量狀態時，在半導體中發生直接的躍遷。這意味著在電子與空穴的重組(recombination)中結晶動量容易守恒，結果由躍遷所產生的能量大多數且有效地進入光子(即產生光，而不是熱)。當導帶最小值和價帶最大值不具有相同的動量狀態時，則要求光子(即振動能量的量子)結晶動量守恒和這種躍遷被稱為“間接”。需要第三粒子，即光子，使得間接的輻射躍遷不太可能，從而降低裝置的發光效率。一般而言，在直接帶隙物質中形成的LED比在間接帶隙物質中形成的LED更有效。因此，與間接材料如碳化硅的發射相比，第III族氮化物的直接躍遷特征提供了更亮和更有效的發射，和因此更亮和更有效的LED可能性。因此，過去十年來的主要興趣也集中于用氮化鎵和相關的第III族氮化物產生發光二極管。盡管第III族氮化物在寬的帶隙能量范圍內提供直接躍遷，但該物質存在一系列特定的技術制造問題。特別地，尚未出現商業上可行的技術來生產大塊的氮化鎵(GaN)單晶，該單晶能充當氮化鎵外延層(epitaxial layer)用的合適襯底，而在該襯底上將形成光子裝置。所有半導體裝置要求某種類型的結構襯底。典型地，用與活性區域相同的材料形成的襯底提供顯著的優點，特別地在晶體生長和晶格匹配性(matching)方面。由于氮化鎵還必須在這種大塊晶體內形成，所以必須在非GaN襯底上的外延層內形成氮化鎵光子裝置。在第III族氮化物襯底領域中最近的工作包括共同轉讓的美國專利No.6296956(題為“Growth of Bulk Single Crystals of AluminumNitride”)；6066205(題為“Growth of Bulk Single Crystals ofAluminum Nitride from a Melt”)；6045612(題為“Growth of BulkSingle Crystals of Aluminum Nitride”)；和6048813(題為“Simulated Diamond Gemstones Formed of Aluminum Nitride andAluminum NitrideSilicon Carbide Alloys”)。然而，使用不同的襯底引起一系列額外的問題，主要地在晶格匹配性方面。在幾乎所有的情況下，不同材料具有不同的晶格參數。結果，當氮化鎵外延層在不同襯底上生長時，會發生某些晶格失配(mismatching)和熱膨脹系數失配。所得外延層因這種失配被認為產生“應變(strain)”。晶格失配和它們產生的應變引入晶體缺陷的可能性。這反過來影響晶體和接點的電子特征，并因此傾向于降低光子裝置的性能。這類缺陷在高功率結構體中甚至更是問題。在早期的第III族氮化物LED中，氮化鎵裝置用的最常見襯底是藍寶石(即氧化鋁Al2O3)。一些當今的第III本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種發光裝置用的半導體結構體，所述發光裝置可發射在電磁光譜中紅到紫外部分的光，所述結構體包括：　　　　Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的第一ｎ－型覆蓋層，其中０≤ｘ≤１和０≤ｙ＜１和（ｘ＋ｙ）≤１；　　　　Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的第二ｎ－型覆蓋層，其中０≤ｘ≤１和０≤ｙ＜１和（ｘ＋ｙ）≤１，其中第二ｎ－型覆蓋層的特征進一步在于基本上不存在鎂；　　　　Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的活性層，其中０≤ｘ＜１和０≤ｙ≤１和（ｘ＋ｙ）≤１，其中所述活性層是ｎ－型，且位于所述第一ｎ－型覆蓋層與所述第二ｎ－型覆蓋層之間；和　　　　第Ⅲ族氮化物的ｐ－型層，其中所述第二ｎ－型覆蓋層處在所述ｐ－型層與所述活性層之間；　　　　其中所述第一與所述第二ｎ－型覆蓋層各自分別具有的帶隙大于所述活性層的帶隙。

【技術特征摘要】
US 2001-1-16 09/760,6351.一種發光裝置用的半導體結構體，所述發光裝置可發射在電磁光譜中紅到紫外部分的光，所述結構體包括AlxInyGa1-x-yN的第一n-型覆蓋層，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1；AlxInyGa1-x-yN的第二n-型覆蓋層，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中第二n-型覆蓋層的特征進一步在于基本上不存在鎂；AlxInyGa1-x-yN的活性層，其中0≤x＜1和0≤y≤1和(x+y)≤1，其中所述活性層是n-型，且位于所述第一n-型覆蓋層與所述第二n-型覆蓋層之間；和第III族氮化物的p-型層，其中所述第二n-型覆蓋層處在所述p-型層與所述活性層之間；其中所述第一與所述第二n-型覆蓋層各自分別具有的帶隙大于所述活性層的帶隙。2.權利要求1的半導體結構體，其中所述活性層具有第一表面和第二表面，所述活性層的所述第一表面與所述第一n-型覆蓋層接觸，和所述活性層的所述第二表面與所述第二n-型覆蓋層接觸。3.權利要求1的半導體結構體，其中所述第二n-型覆蓋層具有第一表面和第二表面，所述第二n-型覆蓋層的所述第一表面與所述活性層接觸，和所述第二n-型覆蓋層的所述第二表面與所述p-型層接觸，其中所述第二n-型覆蓋層的組成漸進式漸變，使得在第二n-型覆蓋層的所述第一表面處的晶格更緊密地匹配所述活性層的晶格，和在所述第二n-型覆蓋層的所述第二表面處的晶格更緊密地匹配所述p-型層的晶格。4.權利要求1的半導體結構體，其中所述p-型層與所述第二n-型覆蓋層接觸，與所述活性層相對。5.權利要求1的半導體結構體，其中所述第二n-型覆蓋層基本上由AlxGa1-xN組成，其中0＜x＜1。6.權利要求1的半導體結構體，其中所述活性層基本上由InyGa1-yN組成，其中0＜y＜1。7.權利要求1的半導體結構體，其中所述p-型層是鎂摻雜的氮化鎵。8.權利要求7的半導體結構體，其中所述第二n-型覆蓋層足夠厚，以阻止鎂從所述p-型層到所述活性層的遷移，然而又足夠薄，以促進在所述活性層內的重組。9.權利要求1的半導體結構體，其中所述p-型層是氮化銦。10.權利要求1的半導體結構體，其中所述p-型層是InxGa1-xN，其中0＜x＜1。11.權利要求1的半導體結構體，其中所述p-型層包括由多個第III族氮化物層形成的超晶格，其中所述氮化物層選自氮化鎵、氮化銦和InxGa1-xN，其中0＜x＜1。12.權利要求11的半導體結構體，其中由兩種第III族氮化物層的交替層形成所述超晶格，其中所述氮化物層選自氮化鎵、氮化銦和InxGa1-xN，其中0＜x＜1。13.權利要求1的半導體結構體，進一步包括AlxInyGa1-x-yN的第三n-型覆蓋層，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中所述第三n-型覆蓋層位于所述第二n-型覆蓋層與所述p-型層之間。14.權利要求13的半導體結構體，其中所述第三n-型層具有第一表面和第二表面，其中所述第三n-型層的所述第一表面與所述p-型層接觸，和所述第三n-型層的所述第二表面與所述第二n-型覆蓋層接觸。15.權利要求1的半導體結構體，進一步包括n-型碳化硅襯底，其中所述第一n-型覆蓋層位于所述碳化硅襯底與所述活性層之間。16.權利要求15的半導體結構體，進一步包括選自氮化鎵和氮化銦鎵的離散晶體部分，所述離散晶體部分位于所述第一n-型覆蓋層與所述碳化硅襯底之間，所述離散晶體部分的存在量足以降低所述第一n-型覆蓋層與所述碳化硅襯底之間的屏蔽，但小于將有害地影響在所述碳化硅襯底上形成的任何所得發光裝置的功能的量。17.權利要求1的半導體結構體，進一步包括n-型碳化硅襯底；和位于所述碳化硅襯底與所述第一n-型覆蓋層之間的導電緩沖層。18.權利要求17的半導體結構體，其中所述導電緩沖層具有第一表面和第二表面，其中所述導電緩沖層的所述第一表面與所述碳化硅襯底接觸，和所述導電緩沖層的所述第二表面與所述第一n-型覆蓋層接觸。19.權利要求17的半導體結構體，其中所述導電緩沖層基本上由分子式為AlxG...

【專利技術屬性】
技術研發人員：JA埃得蒙德，KM多沃斯派克，孔華雙，MJ博格曼，
申請(專利權)人：克里公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]