垂直结构lnGaN发光二极管

摘要

公开了一种能发射电磁波谱中红光、绿光、蓝光、紫光和紫外光部分的垂直结构发光二极管。所述发光二极管包括导电的碳化硅衬底、氮化镓量子阱、在衬底和量子阱之间的导电缓冲层、以及在量子阱每个表面上的各自未掺杂氮化镓层和在垂直结构方向上的欧姆性触点。

说明书

技术领域

本发明涉及由第III族(即元素周期表中的III族)氮化物形成的发光二极管(LED)，特别涉及用氮镓铟(InGaN)化合物量子阱作为有源部分以输出电磁波谱中红光至紫外光部分、尤其从绿光到紫外光部分的LED。

发明背景

在多年来光电子领域已得到成长发展的情况下，发光二极管(LED)是被发现有多方面用途的P-N结结构。发射电磁波谱中可见光部分的装置已被用作单一状态指示器、动态电平指示图(dynamic power level bargraphs)和被应用于很多领域的文字数字显示器，例如：音响、汽车、家用电子装置和计算机系统等等。红外装置被用作光隔离器中的与光谱匹配的光电晶体管、手持远端控制器、中断、反射装置以及光纤传感装置。

LED工作基于半导体中电子与空穴的复合。当导带中的电子载流子与价带中的空穴复合时，它将以发射光子即光的方式失去相当于带隙的能量。对于实用装置来说，平衡状态下电子载流子与空穴复合的数目是不够的，但是可以通过增加少数载流子密度的方法来增加。

在LED中，少数载流子的密度将随着对二极管施加正向偏压而增长。注入的少数载流子在P-N结边缘的非常小的扩散长度内与多数载流子复合。每次复合都产生电磁辐射，即光子。因为能量损失与半导体材料中的带隙有关，所以人们越来越认识到LED材料带隙性能的重要性。

许多电子装置急需更高效的LED，尤其是用低功率就能发出强光的LED。例如，更高亮度的LED对于工作在各种高温环境中的显示器和状态指示器是非常有用的。在LED的输出强度和驱动LED所需的功率之间也存在着一定的关系。例如，低功率LED对于各种便携式电子应用装置用途显著。通过用于可见光谱中红光部分的LED中的砷镓铝LED技术的发展，可以看到尝试满足这种高强度低电压、更高效的LED要求的例子。可以看出对能发出可见光谱中绿光、蓝光和紫外线的LED的相同持续的需求。例如，因为蓝色是基本色，它的存在是产生全色显示和纯白光所需要甚至必需的。

该专利申请的共同受让人是成功将发射可见光和蓝色光的LED在该领域内实现工业化的第一人。这些LED由碳化硅形成；在Edmond的每个题目为“由碳化硅形成的蓝色LED”、美国专利号为4918497和5027168的专利中给出了例证。

另一些蓝色LED的例证来自于Nakamura等的题目为“P型复合半导体的制造方法”、美国专利号为5306662和Nakamura的题目为“用晶体生长法制造氮化镓基复合二极管”、美国专利号为5290393的专利。同时，在Hatano等的美国专利号为5273933、题目为“制造半导体过程中的气相成膜法”的专利中也说明了LED的例子，该LED由在碳化硅(SiC)衬底上掺杂GaInAlN和在砷化镓(GaAs)衬底上掺杂硒化锌(ZnSe)而形成。

关于LED的基本论述来自于Dorf的《电子工程手册》，第二版(1997，CRC出版社)，1915至1925页，83.1节，“发光二极管”，和来自于Sze的《半导体装置物理学》，681ff页，第12章，“LED和半导体激光”(1981，John Wiley & Sons，公司)。

正如熟悉诸如LED的光子装置的人们所知道的，由所给的半导体材料产生的电磁辐射(即光子)的频率是材料带隙的函数。小的带隙产生低能量、长波长的光子，而要求宽的带隙材料产生高能量、短波长的光子。例如，一般用于激光器的半导体即为采用磷铝镓铟(InGaAlN)。由于该材料的带隙(实际上是取决于分子的重量或每种存在元素的分子碰撞的带隙范围)，InGaAlN产生的光限定在可见光谱中的红光部分，即，大约600～700纳米(nm)。

然后，为了产生具有波谱中蓝光和紫外光波长的光子，要求半导体材料有相应较大的带隙。典型的候选材料包括碳化硅和第III族氮化物，特别是氮化镓(GaN)，和三元或四元第III族氮化物，如氮镓铝化合物(AlGaN)、氮镓铟化合物(InGaN)、氮镓铟铝化合物(AlInGaN)。

除了彩色外，短波LED还有许多优点。具体而言，当用于光学存储装置时(即，CD-ROM或光盘)，短的波长可使该装置按比例存储较多的信息。例如，一个蓝光存储装置在相同的空间内所存储的信息量大约是红光存储装置的4倍。

但是，因为第III族氮化物的相应较高的带隙(即氮化镓在室温是3.36eV)，且因为它们是直带隙材料而不是非直带隙材料，所以它们是作为可发射绿光、蓝光和紫外光频率的LED的具有吸引力的侯选材料。正如熟悉半导体特性的人们所知道的，直带隙材料是一种不需要改变电子的结晶动量(crystal momentum)就可以使电子从价带向传导带跃迁的材料。在非直接半导体中，出现了其它情况，即，电子从价带向传导带跃迁需要改变电子的结晶动量。硅和碳化硅就是这种非直接半导体的例子。

一般说来，因为从直接跃迁来的电子比从间接跃迁来的保留了更多的能量，因此由直带隙材料构成的LED较由非直带隙材料构成的LED具有更高的效率。

然而，第III族氮化物存在不同的缺点：至今没有用于制造第III族氮化物的大块单晶的实用技术，该大块单晶体可形成第III族光子装置的适当衬底。正如熟悉半导体装置的人们所知道的，它们都需要某种结构衬底。典型地，由同样材料作为装置的有源区形成的衬底可以显示重要的优点，特别是对于晶体的生长和匹配。可是，由于第III族氮化物已形成为大块晶体，第III族氮化物的光子装置必须在第III族氮化物以外的不同衬底上形成外延层。

然而，采用不同的衬底，会产生额外的问题，绝大部分存在于晶格匹配和热膨胀系数(TCEs)方面。在几乎所有情况下，不同材料具有不同的晶格常数和热膨胀系数(TCEs)。结果，当第III族氮化物外延层在不同衬底上生长时，将会出现某些晶格失配现象，必定导致外延层受拉或受压。这些晶格失配和产生的应力，带来潜在的晶格缺陷，反过来影响晶体和结的电子特性，因此必定降低甚至丧失光子装置的性能。在较高功率结构中这些缺陷问题会更严重。

迄今为止，第III族氮化物装置的通用衬底是蓝宝石，即三氧化二铝(Al₂O₃)。在可见光和紫外光区域，蓝宝石是透光的，但不幸的是，它是绝缘体，而不是导体，这将给(例如)氮化镓带来16％的晶格失配。缺少导体衬底，就不能形成垂直装置(那些在反面接触的装置)，从而使得装置的制造和使用复杂化。

作为值得注意的缺点，诸如在蓝宝石上形成第III族氮化物层时所要求的水平结构(具有在装置同侧的接触的结构)，也会产生水平电流，因此通过该层的电流密度将会得到显著增长。这种水平电流将会在已存在应力的结构(例如在氮化镓和蓝宝石之间16％的晶格失配)施加一个附加的应力，并加速结合区(junction)乃至整个装置的失效。

氮化镓与氮化铝结合会带来2.4％的晶格失配，与碳化硅结合会带来3.5％的晶格失配。碳化硅会给氮化铝带来较少的失配(大约只有1％)。

发明的目的和概述

因此，本发明的目的是利用碳化硅衬底和氮镓铟化合物结合发光的特性来改进发光二极管的亮度。

本发明利用可以发出电磁光谱中红光、绿光、蓝光、紫光和紫外光部分的垂直结构发光二极管来满足这种目的。发光二极管包含碳化硅导体衬底、氮镓铟化合物的量子阱、在衬底和量子阱之间的导电缓冲层、在量子阱每个表面分别不掺杂的氮化镓和在垂直结构方向上与装置的欧姆性触点。

另一方面，本发明为垂直结构发光二极管，该发光二极管由包含：N型的碳化硅衬底，衬底上的导电缓冲层，在N型导电缓冲层上的第一氮化镓层，在第一氮化镓层上的不掺杂的第二氮化镓层，在第二氮化镓层上的氮镓铟化合物量子阱，在量子阱上的不掺杂的第三氮化镓层，在第三氮化镓层上的不掺杂的第一氮镓铝层，在第一氮镓铝层上的P型第二氮镓铝层，在第二氮镓铝层上的P型第四氮化镓层，对衬底的欧姆性触点，和对第四氮化镓层的欧姆性触点。

结合详述及附图，本发明的上述及其它目的和优点将变得更加清楚。

附图简述

图1为本发明中发光二极管的切面图；

图2为本发明与现有装置的二极管的量子效率的比较图；

图3为与本发明的发光二极管与现有蓝宝石衬底的发光二极管的正向电流与主波长的对应关系比较图；

图4为本发明的发光二极管与现有形成于蓝宝石衬底上的发光二极管的波长和半高宽的对应关系比较图；

图5和图6分别为本发明的两种发光二极管的电流与电压特性的关系图。

发明详述

本发明是可以发出电磁波谱中红光、绿光、蓝光、紫光和紫外光部分的垂直结构发光二极管。这里用的“垂直结构”指的是装置的欧姆性触点可以被置于结构两个相对表面的特性。这种结构与传统的阳极与阴极必须置于装置同一表面结构不同，相对于阳极与阴极必须置于装置同一表面的结构，该结构使得装置更容易制造适当的金属触点和引线(包括微处理器和印刷电路板中的引线)。图1说明了统称为10的装置，在该装置的最大范围内包括：导电碳化硅衬底11、氮镓铟化合物量子阱12、在衬底11和量子阱12之间的导电缓冲层、在量子阱的每个表面上的各自未掺杂氮化镓层14和15以及在垂直结构方向上的欧姆性触点16和17。

优选地，碳化硅衬底11从3C、4H、6H和15R多型体中选择。最优选为6H多型体。衬底最优选按照共同受让的(或许可的)美国专利中提出的生长技术形成，该美国专利号为Re 34861(4866005)。

导电缓冲层13优选按照共同未决的和共同受让未决的、题目为“具有导电缓冲夹层结构的碳化硅衬底上的第III族氮化物光子装置”的专利中提出的结构和方法，该专利申请号为PCT/US98/21160(国际公布号WO99/18617)。

如上所述，碳化硅衬底与第III族氮化物较蓝宝石有较好的晶格匹配。此外，第III族氮化物在碳化硅上受拉，然而在蓝宝石上受压。本技术中所用的“受拉”是指外延层的热膨胀系数高于衬底的状态。“受压”是指外延层的热膨胀系数低于衬底的状态。在第III族氮化物和碳化硅衬底之间，晶格常数的差异(氮化物的晶格常数高于碳化硅的)使压力增加，但总的拉力由各自的热膨胀系数决定。在这点上，几乎没有在受拉情况下的外层(epilayer)上生长的InGaN的报道。

正如熟悉电子结构的人们所知道的，量子阱一般由具有非常薄的有源层的一层或几层半导体材料层形成。特别是当有源层的厚度减小到载流子的德布罗意波长的量级时，结果是会出现一系列具有限定量子阱边界状态能的不连续的能级。参见Sze《半导体装置物理学》，2d Ed.(1981)，127页和729页。正如熟悉这种装置的人们所公认的，单个或多个量子阱的应用增加了欲跃迁的电子密度，并且增加了产品的最终发射的亮度。

在更细的方面，碳化硅衬底11是N型，典型掺杂硅的第一层N型氮化镓20是在导电缓冲层13和上面提到的第二个氮化镓掺杂层边界之上。

优选的结构还包括在总体上为第三层氮化镓层的另一个未掺杂的氮化镓层15上的第一个未掺杂的氮镓铝化合物层21。第二个P型氮镓铝层22(优选掺杂镁)在第一个未掺杂层21之上。总体上为第四个氮化镓层的P型氮化镓层23完成了该装置并且优选未与镁掺杂。正如图1所示，欧姆性触点16被制成与导电碳化硅衬底接触，另一个欧姆性触点17被制成与P型氮化镓层23接触。在优选的实施例中，与衬底11接触的欧姆性触点16包括镍(Ni)，另一个与P型氮化镓层23接触的欧姆性触点由铂(Pt)形成。当然，倘若其他金属具有与它们接触的层相适当的欧姆特性，并且他们可以提供与各自层的适当的化学和物理结合，这些金属也可用作欧姆性触点。

在优选的实施例中，氮镓铟化合物量子阱12是本征N型，并可包含单量子阱(SQW)和多量子阱(MQW)。

本发明的整体结构中的每一层都有特殊的优点。如上所述，N型碳化硅衬底比蓝宝石有更高的热传导特性，提供比蓝宝石更好与第III族氮化物的晶格匹配。它的导电特性使它成为垂直装置的理想选择。

如上所述，导电缓冲层12是为了满足WO 99/18617中提出的目的。在它的基本功能中，导电缓冲层13提供了从碳化硅衬底到氮化镓层20和14的晶体转换优势，并且，它的导电特性使装置的垂直结构得到完善并得以实现。

第一氮化镓层20加上导电缓冲13的总厚度为大约1.8微米。导电缓冲层13和氮化镓层20优选在氢气气氛、大约1040℃、优选的环境中生长。N型氮化镓层20应足够厚，以减小由碳化硅衬底11和导电缓冲层13之间的界面传播出的缺陷，并使全部表面成为接触面。如果层太薄，可能会影响装置波长的单一性。

优选实施例中的未掺杂氮化镓层14在总体上为第二个氮化镓层，已被证明可以增加装置的亮度并使之均匀发射。尽管它至今为止仍是一个经验上的结果，而且申请人不希望被任何特殊的理论所束缚，显然，未掺杂氮化镓层14(在氮气气氛中生长)趋于捕获或吸收氢以至于它后来不会对必须与氮气隔离的InGaN量子阱产生影响。未掺杂氮化镓层14的使用还可以消除任何生长停顿，由于它在InGaN量子阱后来生长的相同气氛中生长，另一方面也需要该生长停顿。当在这种装置的生产中设计了生长停顿，停顿前后生长层间的界面的性能趋于下降。

未掺杂氮化镓层14也可以简单帮助释放在碳化硅衬底和第III族氮化物层之间产生的应力。如上所述，未掺杂氮化镓层14在氮气气氛中生长(与在氢气气氛中生长的N型原氮化镓层相反)，并且在750℃～800℃的优选温度下达到200埃的总厚度。

氮镓铟化合物量子阱12可以为单量子阱或多量子阱，并且可以在与未掺杂氮化镓层14相同的氮气气氛中，在750～800℃的温度下典型生长成大约20～30埃的厚度。当然，量子阱为装置的有源层并能产生所需的输出。从功能的观点上看，量子阱12应该是“不规则的”或“亚稳的”，即足够薄以可以避免在其它相似或相同材料的较厚层中易于出现的晶体缺陷。

正如熟悉第III族氮化物的人们知道的，带结构和量子阱的发射不同在于三元化合物中铟的量，参见如美国专利号为5684309的专利中的表10和11，和第7栏，19-42行，说明但并未限定这种特性。对于蓝色LED，铟的摩尔分数大约是35％，然而对于绿色LED，铟的摩尔分数稍高，优选为约50～55％。因此可以通过控制三元InGaN化合物中铟的摩尔分数(或摩尔百分数)将该装置设计成发射特定波长。然而，大分数的铟比小分数的更不稳定，因此在选择量子阱所需的或最适宜的成分时需特别考虑这种特性。

整个第三个氮化镓层15是量子阱相邻并作为防止InGaN量子阱12在晶体生长进程中暴露在氢气和高温中的另一个未掺杂氮化镓层。同样，上面的氮化镓层15在氮气气氛中生长也是为了防止InGaN量子阱12暴露在氢气中。此外，氮化镓层15防止InGaN量子阱12暴露在高温中，InGaN已被认定会在约950℃以上的温度下分解。

未掺杂氮镓铝层21通常比掺杂AlGaN具有更高的晶体特性，并且和未掺杂氮化镓层15一同帮助防止InGaN量子阱12暴露在比要求温度更高的温度或氢气中。未掺杂氮镓铝层21生长于氮气气氛中。

通常，氢气气氛产生高性能的GaN和AlGaN层，但是会对InGaN产生不利影响。因此，在可能的情况下，在氢气气氛中完成生长，换成氮气气氛以成功生长InGaN量子阱和它的邻近层。

未掺杂氮化镓层15和未掺杂氮镓铝层21两者都相对较薄。氮化镓层15厚约为20-30埃的量级，在750～800℃的温度下生长。未掺杂氮镓铝层21具有约30～50埃的厚度，在约800～850℃的温度下生长。

P型氮镓铝层22较厚一些，约200埃左右，并且在约900℃以上的温度下在氢气气氛中生长。它为整个结构提供了高性能的晶体层和注入量子阱中以产生所需发射的空穴。最终，P型氮化镓层23为欧姆性触点17提供了更方便的材料。正如熟悉这些材料的人们所知道的，为氮镓铝制造一个适宜的欧姆性触点至少是困难的，且在很多情况下是不可能的。

用于不同的层的生长气体是明了的，使用硅烷(SiH₄)、三甲基镓((CH₃)₃Ga)和氨气(NH₃)以形成N型氮化镓层20。可以根据需要用三乙基镓((C₂H₅)₃Ga)代替三甲基镓。同样的，用三甲基铟((CH₃)₃In)或三甲基铝((CH₃)₃Al)为源气体提供铟和铝。对于每个层氨气也用作优选源气体。

如上所述，在优选实施例中，导电缓冲层13和第一个GaN层20在有利于它们生长并有利于得到所需特性的氢气气氛中生长。图1中的箭头25标明了氢气下的生长。然后，第二个GaN层14、InGaN量子阱12、第三个GaN层15和第一个AlGaN层21在氮气气氛下生长并且优选不出现生长停顿。最终，第二个AlGaN层22和第四个GaN层23在氢气气氛下生长，并且仍然优选不出现生长停顿。在这种方式中，InGaN量子阱12连同它的邻近层全都生长而不出现生长停顿，因为从氢气向氮气气氛的转换发生在未掺杂的GaN层14，并且相应的从氮气向氢气气氛的转换发生在掺杂的AlGaN层21之后。正如熟悉晶体生长技术和特定的CVD取向生长技术的人们所知到的，连续生长进程较含有停顿的生长进程趋于在外延层间间产生明显较好的的界面。在这种方式下，根据本发明的LED结构提高了生长技术和连续生长技术并提高了LED的最终性能。

在优选实施例中，碳化硅衬底是“背面注入”的。需要930℃(至少)的温度作为背景，以得到在LED中在6E17～2E18之间典型掺杂的N型碳化硅上的欧姆性触点。这样的温度通常不会对氮化镓产生负面影响，但是趋于降低氮镓铟量子阱12的功能或毁坏氮镓铟量子阱12。因此，为了在低温下得到好的与碳化硅的欧姆性触点，碳化硅衬底11在背面高度掺杂，类似的可以得到能在800℃的低温下乃至在750℃的低温下获得适宜的欧姆性触点的技术。

虽然也能够使用诸如激光退火或甚至薄的外延层(在多数情况下是不切实际的)的其它技术，但背面高度掺杂的碳化硅衬底11优选通过离子注入掺杂。作为例子而不是限制，碳化硅衬底11通常大约掺杂1.2E18(1.2×10¹⁸cm^-3)，且注入部分的浓度达到大约1E20(1×10²⁰cm^-3)。

因此，在另一方面，本发明包括制造本发明中的垂直方向发光二极管的制造方法。在这方面，发明包括在氢气气氛下，在N型碳化硅衬底上连续生长导电缓冲层和N型氮化镓层。其后，在氮气气氛中，生长薄的未掺杂氮化镓、氮镓铟量子阱、第二个未氮化镓薄层和未掺杂氮镓铟薄层等连续层。通过后面在氢气气氛中的P型氮镓铝层和P型氮化镓层的连续生长完善了该技术。通过优选实施例，包括在用上述方式增加欧姆性触点部分增加碳化硅衬底的掺杂，即优选离子注入，欧姆性触点可以被加到P型氮化镓层和碳化硅衬底上。其源气体是上面所述的气体。

如源气体所显示的，这些层优选的生长技术为化学气相淀积(CVD)。在本发明中很好的理解了该技术。CVD和个别CVID设备的特性，不过是单个气体流动速率、温度、反应器压力、时间周期和其它的通常在特定设备和环境中确定的过程参数。如果给出这里所述的层的组分，包括每层的厚度和优选的生长温度范围，则如果不用不适当的实验法，那些本发明中的一般技术就可以复制公开的过程和所得结构。

图2～6说明了根据本发明设计和制造的二极管的已被证明的优点。图2说明了根据本发明的LED的量子效率好于在蓝宝石衬底上的其他一些LED。进一步讲，在产生同样输出的时候，垂直装置比相当的以蓝宝石为基础的装置提供小得多的芯片。例如，用途相当的以蓝宝石为基础的装置是14密耳×14密耳(196平方密耳)，然而根据本发明的装置(提供同样的亮度)是10密耳×10密耳(100平方密耳)；即后者大小上只有前者的57％。

图3说明了根据本发明的LED比在蓝宝石上形成的LED在一定范围的正向电流上保持了更为一致的颜色。如图3所示，以蓝宝石为基础的LED在低正向电流上趋于发射波谱中的黄光或近黄光部分(例如，在2毫安为544nm)，然而根据本发明的LED保持在绿光区域(在2毫安为531nm)。

图4表明根据本发明的以SiC为基础的LED在要求的波长上表现出更窄的发射范围(更纯的颜色)，即在每个测量的波长上，以SiC为基础的LED的半高宽至少比以蓝宝石为基础的二极管的半高宽(FWHM)少5nm。

图5和6表明根据本发明的绿色(525nm)和蓝色(470nm)LED在正向偏压下都提供优异的电流特性。

在用途上，本发明的二极管可以用作提供包括红光、绿光和蓝光LED的像素和显示器。

已经在附图和说明书中公开了本发明的典型实施例，并且，虽然使用了特定的术语，他们只被用作一般的描述性意义而并非为了限制，本专利的范围在下述的权利要求中给出。