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CN103597617A - 高发射功率和低效率降低的半极性蓝色发光二极管 - Google Patents

高发射功率和低效率降低的半极性蓝色发光二极管 Download PDF

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CN103597617A
CN103597617A CN201280028479.9A CN201280028479A CN103597617A CN 103597617 A CN103597617 A CN 103597617A CN 201280028479 A CN201280028479 A CN 201280028479A CN 103597617 A CN103597617 A CN 103597617A
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S·P·登巴尔斯
D·F·费泽尔
C-C·潘
Y·赵
S·田中
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University of California San Diego UCSD
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Abstract

本发明涉及高发射功率和低效率降低的半极性蓝色发光二极管(LED)。

Description

高发射功率和低效率降低的半极性蓝色发光二极管
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)节要求由Shuji Nakamura,Steven P.DenBaars,Daniel F.Feezell,Chih-Chien Pan,Yuji Zhao和Shinichi Tanaka于2011年6月10日提交的题为“高发射功率和低效率降低的半极性{20-2-1}蓝色发光二极管”的共同未决的和共同转让的美国临时专利申请系列号61/495,840，代理人案卷号30794.416-US-P1(UC2011-833-1)的权益，该申请通过引用并入本文。
本申请与下列申请有关：由Shuji Nakamura,Steven P.DenBaars,Shinichi Tanaka,Daniel F.Feezell,Yuji Zhao和Chih-Chien Pan于2010年6月10日提交的题为“氮化镓半极性基板上的低效率降低的发光二极管结构”的共同未决的和共同转让的美国发明专利申请系列号xx/xxx,xxx，代理人案卷号30794.415-US-U1(UC2011-832-1)，该申请根据35U.S.C.119(e)节要求由Shuji Nakamura,Steven P.DenBaars,Shinichi Tanaka,Daniel F.Feezell,Yuji Zhao和Chih-Chien Pan于2010年6月10日提交的的题为“氮化镓半极性{20-2-1}基板上的低效率降低的发光二极管结构”的美国临时专利申请系列号61/495,829、代理人案卷号30794.415-US-P1(UC2011-832-1)的权益；
由Matthew T.Hardy,Steven P.DenBaars,James S.Speck和ShujiNakamura于2011年10月28日提交的题为“用于缺陷减少和应力工程的半极性GaN上的应变补偿的短周期超晶格”的美国发明专利申请系列号12/284,449，代理人案卷号30794.396-US-U1(2011-203)，该申请根据35U.S.C.119(e)节要求由Matthew T.Hardy,Steven P.DenBaars,James S.Speck,和Shuji Nakamura于2010年10月29日提交的题为“用于缺陷减少和应力工程的半极性GaN上的应变补偿的短周期超晶格”的共同未决的和共同转让的美国临时申请系列号61/408,280、代理人案卷号30794.396-US-P1(2011-203)的权益；
由Chih Chien Pan,Jun Seok Ha,Steven P.DenBaars,ShujiNakamura和Junichi Sonoda于2010年10月20日提交的题为“使用透明垂直直立结构的具有高光提取和热散逸的LED封装法”的美国发明专利申请系列号12/908,793,代理人案卷号30794.335-US-P1，该申请根据35U.S.C.119(e)节要求由Chih Chien Pan,Jun Seok Ha,Steven P.DenBaars,Shuji Nakamura和Junichi Sonoda于2009年11月4日提交的题为“使用透明垂直直立结构的具有高光提取和热散逸的LED封装法”的美国临时专利申请系列号61/258,056、代理人卷号30794.335-US-P1的权益；
所有这些申请通过引用并入本文。
发明背景
1.发明领域
本发明一般地涉及电子和光电子器件的领域，并且更具体地，涉及高发射功率和低效率降低的半极性(例如，{20-1-1})蓝色发光二极管(LED)。
2.相关领域描述
(注意：本申请参考了许多不同的出版物，如在整个说明书中通过括号内的一个或多个参考文献编号指示，例如，[X]。根据这些参考文献编号排序的这些不同出版物的列表可在下面题为“参考文献”的章节中找到。这些出版物中的每一篇都通过引用并入本文。)
基于InGaN/GaN的高亮度发光二极管(LED)由于其在移动电话、背面照明和普通照明中的应用而已经受到较多的关注。然而，在纤锌矿晶体的c-面上生长的LED遭受由于大的极化相关电场引起的量子限制斯塔克效应(QCSE)的困扰，所述大的极化相关电场导致有源区中的频带偏移，因电子和空穴波函数的空间隔离而引起较低的内量子效率。此外，因俄歇非辐射复合(Auger non-radiative recombination)导致内量子效率在较高的电流密度区内进一步减小，俄歇非辐射复合与载流子浓度的三次幂成比例。
基于半极性(20-2-1)GaN的器件对于高发射效率LED是有前景的，因为它们表现出非常小的QCSE,因此由于电子-空穴波函数重叠的增加而导致的增加辐射复合率。另外，半极性(20-2-1)蓝色LED还表现出在不同的电流密度下与极性(c-面)蓝色LED相比较窄的半峰全宽(FWHM)，可能促成因减少合金辅助的俄歇非辐射复合而引起的相对高的内量子效率。
因此，在本领域中对于用于在LED中提供高发射功率和低效率降低的改进方法存在着需求。本发明满足了这种需求。具体地，本发明描述了高发射功率和低效率降低的半极性{20-1-1}蓝色LED。
发明概述
为了克服上述现有技术中的限制，并且克服在阅读并理解本说明书后变得显而易见的其他限制，本发明证明在半极性(20-2-1)面上生长的具有小芯片尺寸(～0.1mm2)的基于氮化物的蓝色LED——其以新型透明的垂直几何形状的ZnO棒封装——在脉冲操作(1%占空比)下在35、50、100和200A/cm2的电流密度下分别实现了52.56%、50.67%、48.44%和45.35%的外量子效率(EQE)水平和仅0.7%、4.25%、8.46%和14.3%的效率反转(roll-over)(在10A/cm2下的EQE峰值=52.91%)。在DC条件下，具有小芯片尺寸的(20-2-1)蓝色LED也可以在35、50、100和200A/cm2的电流密度下分别实现50.73%、49.31%、46.02%和41.4%的EQE水平以及仅1.69%、4.44%、10.81%和19.79%的效率反转(在20A/cm2下的EQE峰值=51.6%)。
本发明还公开了具有在蓝色发射波长处的峰值发射的基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中LED在半极性氮化镓(GaN)基板上生长，并且在至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度下在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
所述LED可以在例如半极性(20-2-1)或(20-21)GaN基板上生长。
所述蓝色发射波长可以在430-470nm的范围内。
LED的效率降低在至少35A/cm2的电流密度下可以为小于1%，在至少50A/cm2的电流密度下可以为小于5%，在至少100A/cm2的电流密度下可以为小于10%，和/或在至少200A/cm2的电流密度下可以为小于15%。
所述器件还可以包括在GaN基板上或上方的n-型超晶格(n-SL)，例如，III-氮化物超晶格(SL)；n-SL上或上方的III-氮化物有源区，其包含一个或多个具有势垒的含铟量子阱(QWs)，所述量子阱具有QW数、QW组成和QW厚度，所述势垒具有势垒组成、势垒厚度和势垒掺杂；和有源区上或上方的p-型III-氮化物超晶格(p-SL)。n-SL可以包含周期数、SL掺杂、SL组成和各自具有层厚度的层，并且所述QW数、所述QW组成、所述QW厚度、所述势垒组成、所述势垒厚度、所述势垒掺杂、所述周期数、所述SL掺杂、所述SL组成、所述层厚度可以是这样的：使得所述峰值发射在蓝色发射波长处，并且当所述LED以至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度驱动时在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
n-SL可以包括在n-型GaN层上或上方的交替的InGaN和GaN层，其中所述n-型GaN层在基板的半极性面上或上方。
有源区——包括具有GaN势垒的InGaN多量子阱(MQW)，可以在所述n-SL上或上方。
p-型SL(p-SL)——包括交替的AlGaN和GaN层，可以在有源区上或上方。
基板可以是具有粗糙的背面的半极性GaN基板，其中所述粗糙的背面从所述发光器件吸取(extract)光，并且
该器件还可以包括p-SL上或上方的p-型GaN层，p-型GaN层上或上方的p-型透明导电层，p-型透明导电层上或上方的p-型垫；与n-型GaN层的n-型触点；与半极性GaN基板的粗糙的背面连接的氧化锌(ZnO)子底座；与ZnO子底座的端部连接的管座(header)；和包封LED的密封剂。LED器件结构的有效面积可以为0.1mm2以下。
本发明还公开了具有在蓝色发射波长处的峰值发射的基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中所述LED在体相半极性或非极性氮化镓(GaN)基板上生长，并且效率降低低于具有相似铟(In)组成并且在相似的电流密度下工作的在极性GaN基板上生长的基于III-氮化物的LED。所述LED的发射光谱的半峰全宽(FWHM)可以低于具有相似铟组成并且在相似的电流密度下工作的在极性GaN基板上生长的基于III-氮化物的LED。
附图简述
现在参照附图，其中类似的附图标记表示相应的部件，在整个附图中：
图1(a)是图示了根据本发明的一个实施方式，通过MOCVD在半极性{20-2-1}GaN基板上生长的半极性{20-2-1}LED的epi结构的横截面示意图。
图1(b)是图示加工成器件的图1(a)的结构的横截面示意图。
图1(c)图示与LED的半极性GaN基板连接的氧化锌(ZnO)子底座。
图2是图示根据本发明的实施方式制造光电子器件的方法的流程图。
图3是显示在多达200A/cm2的不同电流密度下半极性(20-2-1)LED的光输出功率(LOP)(mW)和外量子效率(EQE)(%)的图。
图4是显示在多达200A/cm2的不同脉冲(1%占空比)电流密度下极性c-面(0001)LED和半极性(20-2-1)LED的LOP(mW)和EQE(%)的图。
图5显示在不同的电流密度下基于极性(c-面)和半极性(20-2-1)GaN二者的器件的半峰全宽(FWHM)。
图6是显示具有如图1(b)中所示的结构的蓝色发光二极管的发射波长(nm)作为电流密度(A/cm2)的函数和FWHM(nm)作为电流密度的函数的图。
图7(a)是对于具有在515nm处的峰值发射波长和25nm的FWHM的(20-2-1)LED和具有在516nm处的峰值发射波长和40nm的FWHM的(20-2-1)LED，将电致发光(EL)作为波长的函数作图的图。
图7(b)是对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED，对于c-面LED、(11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED，将FWHM(nm)作为波长的函数作图的图。
图8(a)是对于c-面LED、(11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED——其中LED芯片尺寸为～0.01mm2，将EL波长(nm)作为驱动电流的函数作图的图。
图8(b)是对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED((11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED)，将FWHM(nm)作为驱动电流的函数作图的图。
对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED，图9(a)是将EL波长(nm)和FWHM作为驱动电流的函数作图的图，且图9(b)是对于各种驱动电流将EL强度作为波长的函数作图的图。
图10是图示用于各向同性应变的结构(c-面)和各向异性应变的结构(半极性)的俄歇复合过程的图。
发明详述
在下面对优选实施方式的描述中，参考附图，所述附图形成其一部分，并且其中通过图示显示可以实施本发明的具体实施方式。要理解可以利用其它实施方式，并且在不背离本发明的范围的前提下可以做出一些结构变化。
概述
本发明公开了高发射功率和低效率降低的半极性(20-2-1)蓝色LED。这些LED可以用于各种产品中，包括闪光灯、电视、路灯、车用照明和普通照明(户内和户外两者)。
由于在半极性(20-2-1)蓝色LED中观察到的效率降低减少，与市售的在图形化蓝宝石基板或碳化硅基板上生长的c-面LED相比，它们提供了许多益处，尤其是在高发射功率和极低效率-反转(rollover)器件中。
技术说明
极性(c-面)InGaN/GaN多量子阱(MQW)LED的峰值量子效率在典型地<10A/cm2的非常低电流密度下发生，并且随着进一步增加注入电流而逐渐减小，其是高功率LED应用的关键限制。这种现象，称为“效率降低(efficiency droop)”，其在LED的峰值发射波长从UV光谱范围进一步向蓝色和绿色光谱范围增加时变得更加严重。已经报道了许多关于其起源的理论，诸如俄歇复合、电子泄露、载流子注入效率、极化场和局域态的带填充。
对于对InGaN蓝色LED中效率降低的研究，由于极化相关的电场所引起的非辐射俄歇复合或载流子泄露已经被认为是效率降低的原因。通过使用半极性体相GaN作为基板来生长InGaN蓝色LED，在有源区中可以减小极化诱导的QCSE，导致较高的辐射复合率，这增加了LED的总发射效率(外量子效率)。另外，半极性LED的有源区中电子和空穴的更均匀分布——导致减少量子阱中的载流子浓度，可以减少非辐射俄歇复合，非辐射俄歇复合是导致效率降低的另一可能机制。
图1(a)图示了根据本发明的一个实施方式，通过MOCVD在GaN半极性{20-2-1}基板102上生长的蓝色LED的epi结构100。此器件结构由1μm厚未掺杂的电子浓度为5×1018cm-3的GaN层104、接着是10对n-型掺杂的In0.01Ga0.99N/GaN(3/3nm)超晶格(SL)106构成。然后，生长由3.0nm厚In0.18Ga0.82N阱和13nm厚GaN势垒(具有2×1017cm-3Si掺杂的第一GaN势垒)构成的3周期InGaN/GaN MQW有源区108。在有源区的顶部是充当电子阻挡层(EBL)的5对p-Al0.2Ga0.8N/GaN(2/2nm)SL110和空穴浓度为5×1017cm-3的0.2μm厚p-型GaN帽层112。
图1(b)图示了加工成器件(例如，LED)的器件结构100，图示了在p-型GaN层112上或上方的台面114和p-型透明导电层(例如，氧化铟锡(ITO)透明p-触点116)。基于Ti/Al/Au的n-触点118和Ti/Au p-垫120分别沉积在n-GaN层104和ITO透明p-触点116上或上方，或与其接触。还显示了GaN基板102的表面粗糙化122，其中粗糙的背面122具有其尺寸被制成为吸取(extract)(例如，散射、衍射)从LED由有源区108发射的光的部件(feature)。
图1(c)图示了与半极性GaN基板102的粗糙的背面122连接的氧化锌(ZnO)子底座124和与ZnO子底座124的端部128连接的管座126。LED还可以包括封装LED的密封剂，其中LED的有效面积为例如，0.1mm2或以下。
加工步骤
图2图示了制造发光器件的方法，包括在(例如，体相)半极性III-氮化物或氮化镓(GaN)基板上生长基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中所述LED具有在蓝色发射波长处的峰值发射，并且当所述LED以至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度驱动时在蓝色发射波长(例如，430或470nm或430-470nm)处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。生长所述LED可以包括下列步骤。
块200表示在半极性III族氮化物上或上方，例如，在半极性III族氮化物(例如，体相)基板102上或上方，或在基板102的半极性面130上或上方，生长一个或多个第一III-氮化物层(例如，缓冲层)和/或n-型III-氮化物层104、106。半极性III族氮化物可以是半极性GaN。半极性III族氮化物可以是半极性(20-2-1)或(20-21)GaN基板102。第一或缓冲层可以包括n-型层104中之一。
n-型层可以包括n-SL106。
n-SL106可以在一个或多个n-型层104上或上方，或在第一层或缓冲层上或上方。
n-SL可以包括SL层106a、106b，例如，一个或多个含铟(In)层和含镓(Ga)层，或交替的具有不同的III-氮化物组成的第一和第二III-氮化物层106a、106b(例如，InGaN和GaN层)。
n-SL106可以包括周期数(例如，至少5或至少10)、SL掺杂、SL组成、和各自具有层厚度的层106a、106b。第一和第二III-氮化物层106a、106b可以包括应变补偿层，所述应变补偿层是与第一或缓冲层104匹配的晶格，并且其厚度可以小于其弛豫临界厚度(例如，小于5nm)。应变补偿层可以用于器件100和/或有源区108中的缺陷减小、应变松弛和/或应力工程。n-SL106的周期数可以是这样的：使得在块202中生长的有源区108与第一层104分开至少500纳米。
关于应变补偿SL层的更多信息可以参见由Matthew T.Hardy,Steven P.DenBaars,James S.Speck和Shuji Nakamura于2011年10月28日提交的题为“用于缺陷减少和应力工程的半极性GaN上的应变补偿的短周期超晶格”的美国发明专利申请系列号12/284,449，代理人案卷号30794.396-US-U1(2011-203)，该申请通过引用并入本文。
块202表示在n-SL上或上方生长有源区或一个或多个有源层108。有源层108可以发射具有在处于蓝色或绿色波长范围内的波长、或更长的波长(例如，红光或黄光)处的峰强度、或在500nm或更长的波长处的峰强度的光(或电磁辐射)。然而，本发明不限于在特定波长处发射的器件100，并且器件100可以在其他波长处发射。例如，本发明可适用于紫外发光器件100。
发光有源层108可以包括III-氮化物层诸如含铟(In)III-氮化物层,或诸如InGaN层。例如，含铟层可以包含一个或更多个QW(具有QW数、QW组成和QW厚度)以及具有势垒组成、势垒厚度和势垒掺杂的QW势垒。例如，含铟层可以包含至少两个或三个具有例如GaN势垒的InGaNQW。InGaN QW的铟可以具有至少7%、至少10%、至少18%或至少30%的铟组成，和3纳米或以上例如5nm、至少5nm、或至少9nm的厚度或阱宽度。然而，量子阱厚度也可以小于3nm，尽管其厚度典型在2nm以上。
块204表示在有源区上或上方生长一个或多个III-氮化物p-型III-氮化物层(例如，包含p-SL层的p-SL)。p-SL可以包括例如交替的AlGaN和GaN层(AlGaN/GaN层)。p-SL可以包括AlGaN电子阻挡层。
层104,106,108,110和112可以形成p-n结。通常，本发明的优选实施方式包括在GaN半极性{20-2-1}基板上生长的LED，其中所述结构结合了在有源层下方的n-型SL、MQW有源区和在MQW上方的p-型SL层。MQW有源区应当典型地包含两个或更多个QW，和更优选地，至少三个QW。
半极性面、QW数、QW组成(例如，在组合物中)、QW厚度、势垒组成、势垒厚度、势垒掺杂、SL的周期数、SL掺杂、SL组成和层厚度可以是这样的：使得发光器件在所需的发射波长(例如，蓝色发射波长或更长的波长)处具有峰值发射，具有所需的效率降低(例如，当器件在至少35A/cm2的电流密度下被驱动时，效率降低可以为15%或以下)。
块206表示加工器件结构。
半极性{20-2-1}蓝色LED可以如下进一步加工。
1.随后，300×500μm2二极管台面可以通过基于氯的反应离子蚀刻(RIE)被分离。
2.250nm氧化铟锡(ITO)层可以用作透明p-触点并且(10/100/10/100nm)Ti/Al/Ni/Au层的堆叠可以被沉积为n-GaN触点。
3.200/500nm厚Ti/Au金属堆叠可以沉积在ITO层和n-GaN触点上充当p-侧和n-侧引线结合垫。
块208表示最终结果，器件诸如具有在蓝色发射波长处的峰值发射的基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中LED在(例如，体相)半极性氮化镓(GaN)基板上生长，并且当所述LED以至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度驱动时在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。发光器件可以具有为至少100mW或至少50mW的光输出功率。该器件可以包括在非极性或半极性(例如，20-2-1)基板上生长的基于III-氮化物的LED，其中所述LED的效率降低在35A/cm2的电流密度下可以为1%或以下，在50A/cm2的电流密度下为5%或以下，在100A/cm2的电流密度下为10%或以下，和/或在200A/cm2的电流密度下为15%或以下。
所述发光器件可以包括在大于100A/cm2下工作的基于III-氮化物的半极性或非极性LED。
该发光器件可以包括在半极性(例如,20-2-1)或非极性基板(例如,GaN)上生长的III-氮化物LED，其中效率降低可以低于具有相似铟(In)组成并且在相似的电流密度下工作的在极性(例如,GaN)基板上生长的基于III-氮化物的LED。
为了比较，以相同的结构和波长生长参考极性(c-面)蓝色LED，然后将其与半极性(20-2-1)蓝色LED比较，不同之处在于其具有不同数目的n-型和p-型SL。
该发光器件可以包括在半极性或非极性基板(例如,GaN)上生长的基于氮化物的LED，其中所述LED的发射光谱的FWHM可以低于具有相似铟组成并且在相似的电流密度下工作的在极性(例如,GaN)基板上生长的基于III-氮化物的LED的发射光谱的FWHM。
本发明还公开了一种发光器件，其包括基于氮化物的LED，其中有意地加入各向异性应变以便减小效率降低。LED可以在c-面半极性(例如,20-2-1)或非极性GaN基板上、或在c-面蓝宝石基板上生长。各向异性应变可以加入至器件的发光层。各向异性应变可以减少器件中的俄歇复合。
表征
封装的器件在DC模式和具有1KHz频率和1%占空比循环以防止自加热效应的脉冲模式下测试。在室温下(RT)以多达200mA的正向电流进行测试。图3是显示在多达200A/cm2的不同电流密度下半极性(20-2-1)LED的光输出功率(LOP)(mW)和外量子效率(EQE)(%)的图。该器件具有图1(a)-(c)中显示的结构和封装。
为了图示使用半极性(20-2-1)作为体相GaN基板实现高发射功率和低效率降低的优势，图4是显示在多达200A/cm2的不同脉冲(1%占空比)电流密度下极性c-面(0001)LED和半极性(20-2-1)LED的LOP(mW)和EQE(%)的图，其中该器件具有图1(a)-(c)中显示的结构和封装。
在不同的电流密度下相应的EQE数和效率降低还显示在下表1中。
如在表1中可见，通过在半极性(20-2-1)面上生长LED，与极性(c-面)LED相比，在35、50、100、200A/cm2的电流密度下，效率降低可以分别从2.78%改善至0.7%、从10.62%至4.25%、从17.59%至8.46%、和从28.87%至14.3%。
这种通过在半极性(20-2-1)面上生长LED获得的总体效率性能的大幅改善可以通过合金辅助的非辐射俄歇复合减少来解释。图5显示在不同的电流密度下对于基于极性(c-面)和半极性(20-2-1)GaN的器件的半峰全宽(FWHM)。
对于半极性蓝色LED，观察到的FWHM比极性(c-面)LED的FWHM窄。对于减小的FWHM的一个可能解释是QW中的InGaN组成在半极性(20-2-1)上更均一。目前正在进行实验以检查半极性(20-2-1)上较窄的FWHM的起因。如果事实上确实存在更均一的QW层，则在半极性LED中预期会减小可以辅助俄歇复合过程的合金散射。
图6是显示对于具有如图1(b)中所示的结构和如图1(c)中所示封装的蓝色发光二极管，发射波长(nm)相对于电流密度(A/cm2)和FWHM相对于电流密度的图。
图7(a)是对于具有在515nm处的峰值发射波长和25nm的FWHM的(20-2-1)LED和具有在516nm处的峰值发射波长和40nm的FWHM的(20-2-1)LED，将电致发光(EL)作为波长的函数作图的图。
图7(b)是对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED，对于c-面LED、(11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED，将FWHM(nm)作为波长的函数作图的图。
图8(a)是对于c-面LED、(11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED——其中LED芯片尺寸为～0.01mm2，将EL波长(nm)作为驱动电流的函数作图的图。
图8(b)是对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED——(11-22)LED、(20-21)LED和(20-2-1)LED，将FWHM(nm)作为驱动电流的函数作图的图。
对于具有在绿色波长范围内的峰值发射波长的LED，图9(a)是将EL波长(nm)和FWHM作为驱动电流的函数作图的图，且图9(b)是对于各种驱动电流将EL强度作为波长的函数作图的图(图9(b)的插图显示经加工的LED结构的顶面)。
图10是图示用于各向同性应变的结构(c-面)和各向异性应变的结构(半极性)的俄歇复合过程的图，其中Δk和ΔΕ分别是动量和能量的差值，其应当具有相同的大小但具有相反的符号(Δk1+Δk2=0；ΔΕ1+ΔΕ2=0)，以便分别符合导带和价带中电子和空穴跃迁的动量和能量守恒。
如在图中所示，电子-电子-空穴(EEH)直接俄歇复合可以容易地在各向同性应变的结构中发生，因为在跃迁过程中动量和能量可以守恒(Δk1+Δk2=0；ΔΕ1+ΔΕ2=0)。另一方面，由于价带的曲率增加导致在各向异性应变的结构中EEH直接俄歇复合被抑制。在这种情况下，使能量和动量两者守恒的终态的可得性受到限制，并且直接俄歇复合将减少。作为结果，合金散射或声子相互作用也必须参与用于发生俄歇复合的跃迁。如上面所讨论的，如果由于优异的InGaN均一性而导致在(20-2-1)QW中减少合金散射，则间接俄歇复合过程也应当减小。作为结果，在该半极性面上效率降低也将减小。
可能的修改和变化
器件100可以是半极性或非极性器件。基板102可以是半极性或非极性III-氮化物基板。器件层104-112可以是半极性或非极性层，或具有半极性或非极性取向(例如，层104-112可以生长在彼此之上或上方和/或生长在基板102的上/主/生长表面130上或上方，其中所述上/主/生长表面130和器件层(例如，有源层)的顶面130是半极性(例如，20-2-1或{20-2-1})或非极性面。
有源区设计中的变化，诸如改变QW的数目、QW的厚度、QW和势垒组成以及有源区掺杂水平，是可能的备选方案。也可以改变n-侧和p-侧上的SL层。例如，这些层中的任一个可以被省略，含有不同的周期数，具有备选的组成或掺杂，或以与在优选实施方式中显示的不同厚度生长。可以使用其他半极性面或基板。
其他变化形式包括多种可能的外延生长技术(分子束外延(MBE)、MOCVD、气相外延、氢化物气相外延(HVPE)等)、不同的干法蚀刻技术诸如感应耦合等离子体(ICP)蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)、聚焦式离子束(FIB)铣削、化学机械平坦化(CMP)和化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)。还可以使用高光吸取结构、倒装芯片LED、垂直结构LED、薄GaN LED、芯片成形的LED和先进封装方法诸如悬挂封装、透明直立封装等的形成。
术语
术语“(Al,Ga,In)N”、“GaN”、“InGaN”、“AlGalnN”、“III族氮化物”、“III-氮化物”、或“氮化物”、及其等效形式，意在指具有式AlxGayInzN的(Al,Ga,In)N半导体的任意合金组合物，其中0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,且x+y+z=1。这些术语意在被广义地解释为包括单一种类Al、Ga和In的各自的氮化物、以及这些III族金属种类的二元和三元组合物。因此，将理解，本发明下面关于GaN和InGaN材料的讨论适用于多种其他(Al,Ga,In)N材料种类的形成。此外，本发明的范围内的(Al,Ga,In)N材料可以进一步包含微量的掺杂剂和/或其他杂质或夹杂材料。
许多(Al,Ga,In)N器件沿晶体的极性c-面生长，尽管这由于强的压电和自发极化的存在而导致不期望的量子限制斯塔克效应(QCSE)。一种减小(Al,Ga,In)N器件中的极化效应的方式是在晶体的非极性或半极性面上生长器件。
术语“非极性面”包括{11-20}面——统称为a-面，和{10-10}面——统称为m-面。这些面含有每个面相同数目的III族(例如,镓)和氮原子并且是电荷中性的。随后的非极性层彼此等效，所以大量晶体将不会沿着生长方向被极化。
术语“半极性面”可以用来指不能被归类为c-面、a-面或m-面的任何面。在结晶学术语中，半极性面将是具有至少两个非零h,i,或k米勒指数和非零l米勒指数的任何面。随后的半极性层彼此等效，所以晶体将沿着生长方向具有减少的极化。
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结论
这总结出了本发明的优选实施方式的描述。为了举例说明和描述的目的，在前面已经给出了对本发明的一个或多个实施方式的描述。其不意在是穷尽的或将本发明限于所公开的准确形式。鉴于上述教导，可以做出许多修改和变化。本发明的范围不意在受此具体实施方式的限制，而是由附带的权利要求限制。

Claims (16)

1.一种发光器件，包括：
具有在蓝色发射波长处的峰值发射的基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中：
所述LED在半极性氮化镓(GaN)基板上生长，并且
在至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度下在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
2.权利要求1所述的器件，其中所述LED在半极性(20-2-1)GaN基板上生长。
3.权利要求1所述的器件，其中所述LED在半极性(20-21)GaN基板上生长。
4.权利要求1所述的器件，其中所述蓝色发射波长在430纳米(nm)-470nm的范围内。
5.权利要求1所述的器件，其中所述LED的效率降低在至少35A/cm2的电流密度下为小于1%，在至少50A/cm2的电流密度下为小于5%，在至少100A/cm2的电流密度下为小于10%,或在至少200A/cm2的电流密度下为小于15%。
6.权利要求2所述的器件，还包括：
在所述GaN基板上或上方的n-型III-氮化物超晶格(n-SL)；
所述n-SL上或上方的III-氮化物有源区，其包含一个或多个具有势垒的含铟量子阱(QWs)，所述量子阱具有QW数、QW组成和QW厚度，所述势垒具有势垒组成、势垒厚度和势垒掺杂；和
所述有源区上或上方的p-型III-氮化物超晶格(p-SL)；
其中：
所述n-SL包含周期数、SL掺杂、SL组成和各自具有层厚度的层，并且
所述QW数、所述QW组成、所述QW厚度、所述势垒组成、所述势垒厚度、所述势垒掺杂、所述周期数、所述SL掺杂、所述SL组成、所述层厚度是这样的，使得：
所述峰值发射在蓝色发射波长处，并且
当所述LED以至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度驱动时在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
7.权利要求1的器件结构，还包括：
所述基板的半极性面上或上方的n-型GaN层，其中：
所述基板是具有粗糙的背面的半极性GaN基板，并且所述粗糙的背面从所述发光器件吸取光，并且
所述n-SL包括在所述n-型GaN层上或上方的交替的InGaN和GaN层；
有源区，其包括在所述n-SL上或上方的具有GaN势垒的InGaN多量子阱(MQW)；
所述有源区上或上方的p-型超晶格(p-SL)，包括交替的AlGaN和GaN层；
所述p-SL上或上方的p-型GaN层；
所述p-型GaN层上或上方的p-型透明导电层;
所述p-型透明导电层上或上方的p-型垫；
至所述n-型GaN层的n-型触点；
与所述半极性GaN基板的所述粗糙的背面连接的氧化锌(ZnO)子底座；
与所述ZnO子底座的端部连接的管座；和
包封LED的密封剂，其中为LED的所述器件结构的有效面积为0.1mm2或以下。
8.一种制造发光器件的方法，包括：
在半极性氮化镓(GaN)基板上生长基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中：
所述LED具有在蓝色发射波长处的峰值发射，并且
在至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度下在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
9.权利要求8所述的方法，其中所述LED在半极性(20-2-1)GaN基板上生长。
10.权利要求8所述的方法，其中所述LED在半极性(20-21)GaN基板上生长。
11.权利要求8所述的方法，其中所述蓝色发射波长为430纳米(nm)和470nm。
12.权利要求8所述的方法，其中所述LED的效率降低在至少35A/cm2的电流密度下为小于1%，在至少50A/cm2的电流密度下为小于5%，在至少100A/cm2的电流密度下为小于10%，或在至少200A/cm2的电流密度下为小于15%。
13.权利要求8所述的方法，其中生长所述LED还包括：
在所述GaN基板上或上方生长III-氮化物n-型超晶格(n-SL)；
在所述n-SL上或上方生长III-氮化物有源区，所述III-氮化物有源区包含一个或多个具有势垒的含铟量子阱(QWs)，所述量子阱具有QW数、QW组成和QW厚度，所述势垒具有势垒组成、势垒厚度和势垒掺杂；
在所述有源区上或上方生长III-氮化物p-型超晶格(p-SL)；
其中：
所述n-SL包含周期数、SL掺杂、SL组成和各自具有层厚度的层，并且
所述QW数、所述QW组成、所述QW厚度、所述势垒组成、所述势垒厚度、所述势垒掺杂、所述周期数、所述SL掺杂、所述SL组成、所述层厚度是这样的，使得：
所述峰值发射在蓝色发射波长处，并且
当所述LED以至少35Amps每平方厘米(A/cm2)的电流密度驱动时在蓝色发射波长处的峰值发射具有小于17纳米的光谱宽度。
14.一种发光器件，包括：
具有在蓝色发射波长处的峰值发射的基于III-氮化物的发光二极管(LED)，其中：
所述LED在体相半极性或非极性氮化镓(GaN)基板上生长，并且
效率降低低于具有相似铟(In)组成并且在相似的电流密度下工作的在极性GaN基板上生长的基于III-氮化物的LED。
15.权利要求14所述的器件，其中所述半极性基板是半极性(20-2-1)基板。
16.权利要求14所述的器件，其中所述LED的发射光谱的半峰全宽(FWHM)低于具有相似铟组成并且在相似的电流密度下工作的在极性GaN基板上生长的基于III-氮化物的LED的发射光谱的半峰全宽。
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