CN104412396A - 具有含氮和磷的发光层的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例包括n型区、p型区以及布置在n型区与p型区之间的发光层。发光层是包括氮和磷的III-V族材料。器件还包括布置在发光层与p型区和n型区之一之间的缓变区。缓变区中的材料的成分是缓变的。

Description

具有含氮和磷的发光层的发光二极管

技术领域

本发明涉及包括包含氮和磷二者的III-V族发光层的发光器件。

背景技术

发光二极管（LED）在要求低功耗、小尺寸和高可靠性的许多应用中作为光源而被广泛认可。发射可见光谱的黄-绿到红色区中的光的二极管包含通常生长在GaAs衬底上的由AlGaInP合金形成的有源层。由于GaAs是吸收性的，它典型地被移除并且被透明衬底取代。

US 2009/0108276陈述了“就目前使用的基于黄-红AlInGaP的发光器件而言存在许多已知难题。例如，它们遭受时常归因于劣质的电子局限的黄-红范围中的低内部量子效率和劣质温度稳定性。此外，用于移除光吸收GaAs衬底和将透明衬底或反射层晶片键合到所形成的层的常规过程具有低良率并且添加了若干相对昂贵的工艺步骤，因而导致高成本”。

图1图示了在US 2009/0108276的第21段中描述的LED结构。在图1中，“LED结构可以包括其上形成GaP缓冲层[12]的GaP衬底[10]，在所述GaP缓冲层[12]之上形成包括GaP阻挡层和In_mGa_1-mN_cP_1-c层的交替层的有源区[14]，其中0.001<c<0.05并且0≤m≤0.4有源层，在所述有源区[14]之上形成GaP盖/接触层[16]。在该特定结构的一些实施例中，GaP衬底[10]和GaP缓冲层[12]可以是n型的，并且盖/接触层[16]可以是p型的”。

发明内容

本发明的目的是提供一种发射具有绿色和红色之间的峰值波长的光的高效发光器件。

本发明的实施例包括n型区、p型区和布置在n型区与p型区之间的发光层。发光层是包括氮和磷的III-V族材料。器件还包括布置在发光层与p型区和n型区之一之间的缓变区。缓变区中的成分是缓变的。

根据本发明的实施例的方法包括生长布置在n型区与p型区之间的发光层以及生长布置在发光层与p型区与n型区之一之间的缓变区。发光层是包括氮和磷的III-V族材料。缓变区中的成分是缓变的或变化的。如本文所使用的，成分是指层的化学成分，例如，构成半导体层的组成原子的相对量。

附图说明

图1图示了形成在GaP衬底上的LED结构。

图2图示了生长在GaP衬底上的至少包括一个稀释氮化物发光层的LED结构。

图3和4图示了具有至少一个稀释氮化物发光层的LED结构上的金属接触的设置的两个示例。

图5图示了倒装芯片LED结构。

图6图示了已经从其移除了生长衬底的LED结构。

图7是作为用于稀释氮化物发光层的氮成分的函数的波长的绘图。

图8是作为用于具有薄发光层的LED结构的位置的函数的能带图。

图9是作为用于具有厚发光层的LED结构的位置的函数的能带图。

具体实施方式

III族磷化物和III族氮化物材料通常用于制作发射红或蓝光的LED。这些材料不能高效发射具有在500与600nm之间的范围中的峰值波长的光，这是由于例如劣质的材料质量所致。发射具有在500与600nm之间的峰值波长的光的InGaN和AlInGaP发光层通常被生长成具有相当高水平的应变，从而导致促成非辐射复合的缺陷，这可能降低LED的效率。

在本发明的实施例中，生长在GaP衬底之上的稀释氮化物InGaPN发光层可以几乎晶格匹配地生长（即，具有极少或者没有应变）并且可以发射在期望波长处的光。“稀释氮化物”半导体是指具有氮和至少一种其它V族原子的III-V族层。示例包括InGaAsN和InGaPN。相对于总体V族含量的氮含量一般不大于百分之几。在稀释氮化物层中，带隙可以随氮含量中的微小改变而显著地改变，这对于调整这些半导体的目标波长发射而言是期望的性质。在GaPN合金中，带结构中的子带的形成将GaP这种间接材料变换成适合用于诸如LED之类的发光器件的直接材料。GaPN在生长在GaP上时承受拉力，并且InGaP在生长在GaP上时承受压缩。因此，InGaPN合金可以晶格匹配地或者几乎晶格匹配地生长到GaP衬底上。

图2图示了根据一些实施例的包括稀释氮化物发光层的器件。以下描述的发光或有源区24布置在p型区200与n型区32之间。p型区200通常为GaP并且可以掺杂有诸如Zn之类的任何合适的p型掺杂物。n型区32通常为GaP并且可以掺杂有诸如Si之类的任何合适的n型掺杂物。n型区32和p型区200通常为GaP，因为GaP典型地对由有源区24发射的光透明，所述光可以具有红、红-橙、琥珀、黄或绿色的峰值波长。n型区32和p型区200可以是任何其它合适的材料，诸如包括但不限于InGaP和GaPN的三元材料以及四元材料。n型区32和p型区200不需要具有相同成分，尽管它们可以这样。在一些实施例中，以下描述的衬底20是p型GaP并且可以省略p型GaP区200。

衬底20通常为GaP，其具有~2.26eV或者~549nm的带隙，并且因此对很可能在由有源区24发射的峰值波长处的光（即，红、红-橙、琥珀、黄或绿光）透明。GaP衬底可以是掺杂有Zn或任何其它合适的掺杂物的p型或掺杂有Si或任何其它合适的掺杂物的n型。可以使用具有与GaP的a-晶格常数接近的a-晶格常数，或者具有与InGaPN发光层或器件中的其它层的a-晶格常数接近的a-晶格常数的其它衬底。合适的衬底的示例包括Si、AlInP、ZnS、Ge、GaAs和InP。可以使用便宜的但是吸收很可能在由有源区24发射的峰值波长处的光的硅，但是通常移除硅。生长衬底可以在生长上述半导体结构之后移除，可以在生长上述半导体结构之后减薄，或者可以在完成的器件中保留一部分。诸如Si之类的吸收衬底通常被移除。在一些实施例中，半导体器件结构21通过任何合适的外延技术生长在衬底20上，诸如金属有机化学气相沉积、气相外延或分子束外延。如本文所使用的，“半导体器件结构”可以是指生长在衬底上的半导体层，诸如n型层、p型层或有源区中的层。

在图2中图示的器件中，衬底20可以是p型的，因而任何p型层可以首先生长，随后是有源区24，随后是任何n型层，诸如n型区32。在一些实施例中，衬底是n型的，诸如n-GaP。在n型衬底上，图2中图示的半导体结构21可以反向生长，使得包括n型区32的n型层首先生长，随后是有源区24，随后是包括p型区200的p型层。任一种结构，即具有首先生长的p型层的结构或者具有首先生长的n型层的结构可以生长在诸如Si之类的无掺杂衬底上。

在一些实施例中，缓变区22生长在p型区200与有源区24之间，如图2中图示的那样。在一些实施例中，缓变区22的成分是缓变的。在一些实施例中，除成分之外或者替代于成分，缓变区22中的掺杂物浓度是缓变的。缓变区22可以是p型或无掺杂的。p型缓变区22在一些实施例中可以不大于500nm厚。无掺杂缓变区22在一些实施例中可以不大于100nm厚。

如本文所使用的，术语“缓变”当描述器件的一个或多个层中的成分时意指涵盖以任何方式实现除成分中的单个阶梯之外的成分改变的任何结构。每一个缓变层可以是子层的堆叠，子层中的每一个具有与邻近于它的任一子层不同的成分。如果子层具有可分解的厚度，缓变层是阶梯缓变层。在一些实施例中，阶梯缓变层中的子层可以具有范围从数十埃到数千埃的厚度。在其中各个子层的厚度接近零的限制中，缓变层是连续缓变区。构成每一个缓变层的子层可以被设置成形成在成分相对厚度方面的各种分布，包括但不限于，线性缓变、抛物线缓变和幂律缓变。同样，缓变层或缓变区不限于单个缓变分布，而是可以包括具有不同缓变分布的部分和具有基本上恒定成分的一个或多个部分。

半导体层中的成分可以通过变化生长温度、生长期间前驱物材料的流率和生长期间不同前驱物材料的相对流率中的一个或多个来缓变。

缓变区22的成分可以从邻近于p型区200的区22的一部分中的AlGaP或GaP缓变到邻近于有源区24的区22的一部分中的AlGaP或AlP。例如，在最接近p型区200的部分中的Al_xGa_1-xP缓变区22中的铝的成分可以是在一些实施例中x=0，在一些实施例中x≤0.05，以及在一些实施例中x≤0.1。成分可以缓变到在一些实施例中x=1，在一些实施例中x≥0.95，以及在一些实施例中x≥0.9的最接近有源区24的Al_xGa_1-xP缓变区22的一部分中的铝成分。

在一些实施例中，省略缓变区22并且有源区24被布置成与p型区200直接接触。

发光或有源区24生长在缓变区22上或p型区200上。在一些实施例中，有源区24包括单个厚或薄发光层。在一些实施例中，有源区24包括通过一个或多个阻挡层28分离的多个发光层26，如图2中所图示的那样。发光层26在一些实施例中可以是量子阱。尽管在图2中图示了三个发光层26和两个阻挡层28，但是有源区24可以包括更多或更少的发光层和阻挡层。阻挡层28分离发光层26。阻挡层28可以是例如GaP、AlGaP、AlInGaP、InGaPN或具有比发光层26更大的带隙的任何其它合适的材料。

发光层26的成分可以被选择成使得发光层发射具有范围从绿到黄到红的峰值波长的光。在一些实施例中，发光层26是In_xGa_1-xP_1-yN_y。下标x是指In含量并且下标y是指N含量。成分x在一些实施例中可以至少为0.01并且在一些实施例中不大于0.07。成分y在一些实施例中可以至少为0.005并且在一些实施例中不大于0.035。为了使InGaPN发光层在生长在GaP上时晶格匹配，x=（2到2.4）y。在一些实施例中，x至少是y的两倍。在一些实施例中，x不大于y乘以2.5。在一些实施例中，x是y乘以2.4。在具有厚于10nm的AlGaP阻挡和发光层的器件中，发光层可以在y=0.005（0.5%）且x=0.01时发射具有绿色峰值波长的光，在y=0.015（1.5%）且x=0.03时发射具有黄色峰值波长的光，并且在y=0.035（3.5%）且x=0.07时发射具有红色峰值波长的光。图7图示了作为用于具有厚于10nm的AlGaP阻挡和In_xGa_1-xP_1-yN_y发光层器件中N的若干成分的N含量（y）的函数的估计波长，其中x=2y。如果阻挡是GaP，图7中图示的成分将导致与如图7中图示的近似相同的峰值波长。如果阻挡是AlP，图7中图示的曲线可以朝向蓝色至多漂移50nm，这意味着可以制造发射峰值波长为蓝色的发光层（即在大约510nm处）。

在一些实施例中，InGaPN发光层26晶格匹配到GaP衬底20，使得发光层26无应变。在一些实施例中，InGaPN发光层26是在生长在衬底20上时受应变的成分。发光层的成分可以被选择成使得与发光层相同成分的理论弛豫材料的晶格常数与衬底的晶格常数的不同之处在一些实施例中小于1%，以及在一些实施例中小于0.5%。

发光层26在一些实施例中可以至少为2nm厚，在一些实施例中不大于10nm厚，在一些实施例中至少10nm厚，以及在一些实施例中不大于100nm后。阻挡层28在一些实施例中可以不大于200nm厚，在一些实施例中不大于100nm厚，以及在一些实施例中至少20nm厚。例如，在具有厚发光层（即，在10nm与100nm厚之间）的有源区中，阻挡层可以小于100nm厚。在具有薄发光层（即，在3nm与10nm厚之间）的有源区中，阻挡层可以在20nm与100nm厚之间。

在一些实施例中，第二缓变区30生长在有源区24之上，与n型区32直接接触。缓变区30的成分可以在邻近于有源区24的区30的一部分中的AlGaP缓变到邻近于n型区32的区30的一部分中的GaP。例如，最接近有源区24的Al_xGa_1-xP缓变区30的部分中的成分在一些实施例中可以是x=1，在一些实施例中x≥0.8，以及在一些实施例中x≥0.9。最接近n型区32的部分中的Al_xGa_1-xP缓变区30的部分中的成分在一些实施例中可以是x=0，在一些实施例中x≤0.05，以及在一些实施例中x≤0.1。缓变区30可以无掺杂或者掺杂有诸如Si之类的n型掺杂物。N型缓变区30在一些实施例中可以不大于500nm厚。无掺杂缓变区30在一些实施例中可以不大于100nm厚。

在一些实施例中，省略缓变区30并且n型区32被布置成直接与有源区24接触。

p型缓变区22和n型缓变区30中的一个或二者的使用可以最小化器件中的带不连续性，其可以降低器件的串联电阻和正向电压。此外，缓变区22和/或30可以降低或消除具有不同折射率的两种材料的相交处的波导，这可以增加从器件提取的光量。

图8图示了作为用于图2中图示结构的第一示例的位置函数的带能量。p型区200和n型区32在结构中具有最大带隙。发光层26在结构中具有最小带隙。在有源区24中，发光层26通过具有大于发光层26的带隙的阻挡层28分离。价带50和导带52在对应于p型区200、发光层26、阻挡层28和n型区32的区域中是平坦（即水平）的，这指示这些区域具有由恒定成分引起的恒定带隙。尽管图8将n型区32、阻挡层28和p型区200图示为具有相同带隙，但是在一些实施例中它们不需要具有相同带隙。价带50和导带52的竖直部分指示成分中的阶梯改变。缓变区22包括恒定成分的区104，其可以是AlP。在恒定成分区104与p型区200之间的是缓变区108。缓变区30包括恒定成分的区102，其可以是AlP。在恒定成分区102与n型区32之间的是缓变区106。在缓变区106和108中，价带50是倾斜的，这指示带隙和因此的成分是单调、线性缓变的。导带52不是倾斜的，因为在AlGaP层中，仅价带可能受Al含量影响。在图8中图示的器件中，p型区200和n型区32是GaP。缓变区106和108是Al_xGa_1-xP，其中x从最接近GaP层32或200的一部分缓变区中的0缓变到最接近恒定成分区102和104的一部分缓变区中的1。恒定成分的区102和104可以例如是器件中的阻挡层之一厚度的至少两倍。发光层26是InGaPN，其具有如上文参考图7描述的一个或多个成分，并且阻挡层是AlP。发光层在一些实施例中在2nm厚与10nm厚之间。

图9图示了作为用于图2中图示结构的第二示例的位置函数的带能量。p型区200和n型区32在结构中具有最大带隙。发光层26在结构中具有最小带隙。在有源区24中，发光层26通过具有大于发光层26的带隙的阻挡层28分离。价带50和导带52在对应于p型区200、发光层26、阻挡层28和n型区32的区域中是平坦（即水平）的，这指示这些区域具有由恒定成分引起的恒定带隙。价带50和导带52的竖直部分指示成分中的阶梯改变。省略缓变区30。缓变区22包括恒定成分的第一部分70（即平坦价带和导带）和其中成分缓变的第二部分72（即倾斜的价带50），这指示带隙和因此的成分在部分72中是单调、线性缓变的。在缓变部分72中，材料可以是Al_xGa_1-xP，其中x从邻近于GaP部分70的0.5与1之间缓变到最接近p型区200的缓变区的部分中的0.2与0之间。阶梯改变74指示部分70中的GaP与缓变部分72的最左边缘处的AlP之间的转变。在图9中图示的器件中，p型区200和n型区32是GaP。恒定成分部分70可以是例如至少与器件中的阻挡层之一一样厚。发光层26是InGaPN，其具有如上文参考图7描述的一个或多个成分，并且阻挡层是GaP。发光层在一些实施例中在10nm厚与100nm厚之间。

器件中的任何缓变区可以包括恒定成分和/或缓变成分的多个部分。具有多个缓变成分的部分的缓变区可以在缓变成分的部分中具有相同或不同的缓变分布。例如，缓变区可以包括邻近于发光区的恒定成分GaP的部分，随后是从0% Al缓变到100% Al的AlGaP的部分，随后是具有小于110nm厚度的恒定成分AlP的部分，随后是从100% Al缓变到邻近于n型或p型GaP层32或200的0% Al的AlGaP的部分，这取决于器件中缓变区的定位。在另一示例中，缓变区包括邻近于发光区的恒定成分GaP的部分，随后是从0% Al（GaP）缓变到50与100%之间的Al的AlGaP的缓变部分，随后是在50%与100% Al之间的恒定成分AlGaP的部分，随后是从恒定成分部分中的Al成分缓变到邻近于n型或p型GaP层32或200的0%（GaP）的AlGaP的缓变部分，这取决于缓变区在器件中的定位。

图3、4、5和6图示了完成的LED，其包括以上描述的任何半导体结构和形成在n型区32上的金属接触和p型衬底20或p型区200。金属接触用于正向偏置器件。在图3和4中图示的器件中，生长衬底20在器件中部分保留。在图5和6中图示的器件中，将生长衬底从半导体结构移除。

在图3和4中图示的结构中，n接触34形成在n型区32的一部分上。n接触34可以是例如包括Ge、Au和Ni的任何合适的金属。在一些实施例中，n接触34是多层接触。例如，n接触34可以包括与n型区32直接接触的Ge层，随后是Au、Ni和Au层。

在图3中图示的结构中，导电点36做出到p型GaP衬底20的电接触。点36可以是例如AuZn。点36可以嵌入在镜38中。镜38可以是任何合适的反射材料，包括例如与衬底20直接接触的SiO₂层，以及形成在SiO₂之上的Ag层。第二镜40被形成使得导电点36位于镜40与衬底20之间。镜40可以是导电材料，诸如金属、Ag、Al或任何其它合适的材料。在图3中图示的结构中，p型衬底20足够厚以在有源区24的p侧上的相当大距离之上横向地高效扩散电流。p掺杂GaP衬底（掺杂有Zn）在大约200到400μm的厚度中可用。电流可以在300μm厚的p-GaP衬底中扩散大约0.2mm。在一些实施例中，将导电点36放置成不远于衬底20的电流扩散距离。导电点36在一些实施例中可以至少10μm宽以及在一些实施例中不大于100μm宽。导电点36可以在一些实施例中被间隔开至少100μm，在一些实施例中被间隔开至少200μm，以及在一些实施例中被间隔开不大于500μm。

在图4中图示的结构中，形成与p型GaP衬底20直接接触的反射性的整片接触42。片接触42可以是例如形成与GaP欧姆接触的AuZn或任何其它高反射层。

图5和6图示了其中生长衬底20被移除的器件。

图5是倒装芯片器件。n接触34形成在n型区32上，然后n接触34、n型区32、缓变区30和有源区24的一部分被刻蚀掉以形成暴露缓变区22的一部分的台面（其可以是p型或n型区200），其上形成p型接触42。可以填充有诸如电介质之类的固体材料的间隙43将n和p接触34和42电隔离。器件可以附接到底座（未示出）以支撑半导体结构21，或者可以形成n和p接触以支撑半导体结构21。然后移除生长衬底，从而使p型区200的表面显露。生长衬底可以通过任何合适的技术移除，包括湿法或干法刻蚀、诸如研磨之类的机械技术或激光熔融。n和p接触34和42可以是反射性的，并且安装的器件使得在图5中图示的取向中，光的大部分通过p型区200的顶表面提取。

在图6中，将半导体结构通过半导体结构21的n型区32的顶表面键合到主衬底60。一个或多个可选键合层（在图6中未示出）可以布置在主衬底60与半导体结构21之间。主衬底60在生长衬底20（在图6中未示出）的移除期间机械支撑半导体结构21。移除生长衬底暴露p型区200的底表面，其上形成p接触62。p接触62可以是任何合适的接触，包括以上参考图3和4描述的接触。n接触34形成在主衬底60上。在图6中图示的器件中，主衬底60必须是导电的。合适的主衬底材料的示例包括n型GaP。主衬底60可以是透明的并且n接触34就面积而言受限，因此光的大部分通过主衬底60的顶表面提取。可替换地，主衬底60可以是反射性的并且p接触62可以是透明的或者在面积方面受限，因此光的大部分通过p接触62和/或p型区200提取。

在一些实施例中，主衬底60不是导电的并且n和p接触形成在倒装芯片形成中，如图5中所图示的那样。合适的主衬底材料的示例包括蓝宝石和玻璃。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解到，在给出本公开的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离于本文描述的本发明概念的精神。因此，不旨在将本发明的范围限制于所图示和描述的特定实施例。

Claims (20)

1. 一种器件，包括：

n型区；

p型区；

发光层，其中发光层布置在n型区与p型区之间，其中发光层是包括氮和磷的III-V族材料；以及

布置在发光层与p型区和n型区之一之间的缓变区，其中缓变区中的成分是缓变的。

2. 权利要求1的器件，其中发光层是InGaN_xP_1-x，其中0<x≤0.03。

3. 权利要求1的器件，其中发光层具有当被正向偏置时发射具有在绿到红色范围中的峰值波长的光的成分。

4. 权利要求1的器件，其中缓变区布置在发光层与p型区之间。

5. 权利要求4的器件，其中发光层中的成分从最接近p型区的一部分缓变区中的GaP缓变到最接近发光层的一部分缓变区中的AlGaP。

6. 权利要求1的器件，其中缓变区布置在发光层与n型区之间。

7. 权利要求4的器件，其中发光层中的成分从最接近n型区的一部分缓变区中的GaP的成分缓变到最接近发光层的一部分缓变区中的AlGaP的成分。

8. 权利要求1的器件，其中缓变区是第一缓变区并且布置在发光层与p型区之间，器件还包括布置在发光层与n型区之间的第二缓变区，其中第二缓变区中的成分是缓变的。

9. 权利要求1的器件，其中n型区和p型区是GaP。

10. 权利要求1的器件，其中n型区、发光层和缓变区生长在p型GaP衬底之上。

11. 权利要求1的器件，其中缓变区包括布置在缓变成分的两个部分之间的恒定成分的部分。

12. 权利要求1的器件，其中：

缓变区布置在p型区与发光层之间；

缓变区包括：

　　布置成与发光层直接接触的恒定成分的第一部分；以及

　　布置成与p型区直接接触的缓变成分的第二部分；并且

第二部分是AlGaP并且铝的成分是缓变的。

13. 权利要求12的器件，其中发光层介于2nm与10nm厚之间。

14. 权利要求1的器件，其中：

缓变区是布置在n型区与发光层之间的第一缓变区；

器件还包括布置在p型区与发光层之间的第二缓变区；

第一缓变区是Al_xGa_1-xP，其中x从0缓变到1；并且

第二缓变区是Al_xGa_1-xP，其中x从1缓变到0。

15. 权利要求14的器件，其中发光层介于10nm与100nm厚之间。

16. 权利要求1的器件，其中：

缓变区是Al_xGa_1-xP；

0≤x≤1；并且

Al的成分是缓变的。

17. 一种方法，包括：

生长布置在n型区与p型区之间的发光层，其中发光层是包括氮和磷的III-V族材料；以及

生长布置在发光层与p型区和n型区之一之间的缓变区，其中缓变区中的成分是缓变的。

18. 权利要求17的方法，其中生长缓变区包括变化生长温度以使缓变区中的成分变化。

19. 权利要求17的方法，其中生长缓变区包括变化前驱物材料的流率。

20. 权利要求17的方法，其中生长缓变区包括变化不同前驱物材料的相对流率。