专利名称：具有减少极化感应电荷的高效能发光器的制作方法
相关申请本申请享有在1999年12月2日提出的，申请号为60/168,495的临时专利申请的优先权。
背景技术：
发明领域本发明涉及在极性表面上生长的发光化合物半导体晶体，具体地说涉及减少或消除其自然产生的极化感应电荷以改善发射效率。
相关技术的描述大部份半导体发光器具有一双异质结构的结构，其包括一在两包覆层之间生长的活化或发光层。双异质结构的各层由一种以上材料制成。一包覆层为n型，即表示其含有超量自由电子，而另一包覆层为p型，即表示其含有超量电洞。通常，包覆层比活化层具有较大的带隙。这使注入的电子和电洞被局限在活化层内，促使自由载体在活化层内通过空间局部化进行有效重组以产生光。另外，激光二极管(LD)的发射器也具有通常由一种带隙更宽的材料构成的分离限制光层，围绕在双异质结构的周围。双异质结构半导体装置已在许多刊物介绍过，包括O’Shea等人的“激光及其应用介绍”，第166-167页，由Addison Wesley出版公司在1978年12月发行。
当材料成分在其基本晶体结构的极性方向变化时，这种结构就会产生极化感应电荷。极性方向是指与晶体的极化向量P不正交的任何晶体方向。这对具有自然方向性和甚至稍微离子化晶键的材料特别适用，如第III-V族或第II-VI族半导体。在晶格失配的材料中，这些电荷可能与应变有关(压电性)，由于不同材料晶键的离子强度不同，这些电荷就可能与成分有关(自发性)，或与二者都有关。感应电荷会产生对自由载体及外部电场有相同影响的电场或电势梯度。这种现象已在许多刊物讨论过，包括Bernardini等人的“第III-V族氮化物的自发性极化及压电常数”，《美国物理学会期刊》，物理评论B，卷56，No.16，1997年，第R10024-027页，和Takeuchi等人的“因GaInN应变量子阱的压电场引起限制量子的斯塔克效应”，《日本应用物理期刊》，卷36，部2，No.4，1997年，第L382-L385页。在晶体极性表面上生长的氮化物双异质结构中，这种电场强度估计高达2.5×106V/cm，参考Bykhovski等人的“弹性应变张驰及GaN-AlN、GaN-AlGaN及GaN-InGaN超晶格压电效应”，《日本应用物理期刊》，卷81，No.9，1997年，第6332-6338页。
当考虑在晶体极性表面生长的异质结构的电特性时，必须要将极化感应电荷考虑在内。在纤锌矿氮化镓晶体中，晶体层沿0001方向生长，在闪锌矿砷化镓晶体中，晶体层则沿111方向生长，这两个都是晶体极化表面的例子。纤锌矿结构的布拉维晶格为六角形，垂直于六角形的轴通常称为C轴或0001方向。沿该轴可将结构看成一系列由正六角形构成的同元素(例如，全部为Ga或全部为N)的原子层。由于元素相同，所以每一层(或表面)都已极化并带有一正或一负电荷，产生穿过原子层的一偶极子。每层的电荷状态取决于其成分原子。其它具有各种生长方向的晶体平面的例子可参考Streetman的《固态电子装置》，第二版，Prentice-Hall公司，1980年，第1-24页，及Shuji Nakamura等人的《蓝激光二极管，以氮化镓为基的发光器及激光器》，Springer，1997年，第21-24页。
直到最近，与发光异质结构的活化及包覆区相关的内部极化场已不再引起重要问题。这是因为以已知的Al-Ga-In-As-P材料系统为基的发光二极管(LEDs)通常在非极性晶体表面上生长(特别是001闪锌矿表面)。然而，最近对以Al-Ga-In-N(氮化物)材料系统为基的发光器进行了大量的研究，这些发光器大部份都是沿纤锌矿晶体高极性表面的0001方向生长。但是，氮化物双异质结构却是传统非极性设计。
图1A显示常见在极性方向生长的传统氮化物双异质结构半导体的剖面示意图。图中所示的底层1可以是适合生长氮化物半导体的任何材料，包括尖晶石(MgAl2O4)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(包含6H、4H、和3C)、硫化锌、氧化锌、砷化镓、氮化铝和氮化镓。底层厚度一般为100μm至1mm。底层1上方的缓冲层2可由氮化铝、氮化镓、AlGaN、InGaN或类似材料制成。缓冲层有助于减少底层1和其上的导电接触层3之间可能存在的晶格失配。不过，如果底层1的晶格常数约等于氮化物半导体的晶格常数，则可以省却缓冲层2。利用某些氮化物生长技术也可以省却缓冲层2。根据材料成分，缓冲层2的能带隙由2.1eV至6.2eV，其厚度约0.5μm至1.0μm。
n型接触层3一般也是由氮化物半导体制成，优选材料为厚度从0.5μm至5.0μm的GaN或InGaN，GaN的带隙约3.4eV而InGaN的带隙则较少(取决于铟的浓度)。导电层3的下n型或非掺杂包覆层4一般包括GaN或AlGaN，GaN的带隙为3.4eV而AlGaN的带隙则较大(取决于铝的浓度)。其厚度范围可从1nm至100nm。
氮化物双异质结构一般采用InGaN作为在下包覆层上方的活化区5，其厚度为1nm至100nm。该层的带隙一般为2.0eV，但会随铟的浓度而变化。活化区上方的顶部p型或非掺杂层6通常包括AlGaN或GaN，厚度及能带隙与下n型包覆层4相似。在包覆层6上方的p型GaN导电接触层7的能带隙约为3.4eV，厚度为10nm至500nm。一般来说，假如该结构在极性方向生长，如0001，因为各层由不同材料组成，所以在各层之间的界面上就会产生极化感应电荷板。其中发光器操作时特别关心的是与活化区5相邻的极化感应电荷板。
在图1A所示的化合物半导体中，在活化区5与下包覆层4之间的界面上一般形成负极化感应电荷板密度σ1，其强度为1013电子/cm2。在活化区5与上包覆层6之间的界面上形成一相似强度的正电荷板密度σ2。这些电荷的极性取决于晶体层的晶键，即如上所述的方向性及稍微离子化。电荷板的密度通常取决于两层之间的成分差异而引起的自发性因素以及因两层之间晶格失配而引起的压电应变。例如，在In0.2Ga0.8N制成的活化区5和GaN包覆层4之间的σ1大约为8.3×1012电子/cm2。这是因为In0.2Ga0.8N制成的活化区5(自发性极化)中含有20％的铟，而与下方的GaN层的晶格失配则使活化层产生应变(压电极化)。
沿活化区相对表面的界面电荷板产生一穿过该区的偶极子。该偶极子对应一电场，其强度取决于电荷板σ1及σ2的大小。按上述的情况，电荷板的密度为8.3×1012电子/cm2，则产生的电场为1.5×106V/cm。根据其原始条件，将该电场看作极化感应电场。偶极子产生的静电电势降的大小根据偶极子层的厚度而定。偶极子层厚度是指在生长方向的物理长度，也就是σ1及σ2之间的距离。该距离可决定静电电势降的大小，这种方式与两电容板间的距离决定电容电势降相似。上述电荷密度σ1及σ2之间的距离为10nm，则穿过活化区5的极化感应电势降为1.5伏。穿过活化区的净电场也取决于许多参数，包括包覆层周围的掺杂浓度，p-n连结面的固有电压及自由载体的筛分，所以净电场一般不等于极化感应电场。不过，由于其强度很大，所以极化感应电场在净电场中起决定作用。
在晶体表面0001(极性)上生长的氮化物发射器的发射效率低，大约只有1％至10％。这可能是因为活化区内或附近存在相当多的极化感应电场使效率受到限制。图1B表示对应图1A装置结构的能带。当装置操作时，由σ1及σ2自然产生的极化电场在多方面使效率降低。首先，偶极子会引起区内电子和电洞的空间分离(反方向移动)。如图所示，价带Ev的电洞被吸引到活化区5一端的负电荷板σ1，而导电带Ec的电子被吸引到另一端的正电荷板σ2。自由载体的这种空间分离使发光重组的可能性减低，因而使发射效率降低。第二，与电场相关的量子化效应使导电带和价带的量子阱的能障降低。因此，低于能级Ev及高于能级Ec的载体经虚线A所示的路径从量子阱逸出。第三，极化感应电场的存在也导致载体自活化区σ1侧较高能级Ec至σ2侧较低能级Ec，以及自活化区σ2侧较低能级Ev至σ1侧较高能级Ev超射，如载体轨道B所示。
应用工程师所关心的另一个问题是当施加的偏压增大时发射波长的稳定性。如果存在强极化感应电场，发射波长就会随装置偏压的增大而蓝移。随着装置偏压增大，自由载体在导电带及价带阱中越积越多。因为自由载体在空间分离，它们本身会形成一抵消或筛分固有极化感应电场的偶极子。当净电场减少，量子阱的量子化状态也会发生变化，使发射波长蓝移。
图1C表示一没有极化感应电荷的发光器在非极性表面上操作的活化层5及包覆层4和6的能带。在其它条件均相等的情况下，其发射效率较高，这是因为上述讨论的三种效应不是消失就是大幅减少。
目前已经有人利用一些方法来增加以GaN为基的发光二极管的效率。Nakamura等人的两项美国专利5,959,307和5,578,839讨论了把铝添加到包覆层以增加活化区的能障高度，更有效地限制自由载体。但是，这种添加也使包覆层的材料成分从GaN变为AlGaN，使自发性和压电极化场增加。Al0.15Ga0.85N包覆层内含有15％的铝在发射层内可能会产生两倍极化场，约3×106V/cm。这些电场减少载体限制并通过改变发光器的能带而增加空间分离，因而使其发射效率降低。
发明内容
本发明通过下列方法以改善其各层沿极性方向生长的化合物半导体发光二极管的操作效率减少或消除晶体自然产生的极化感应电荷的影响以改善载体限制，减少其空间分离，以及减少载体超射。
在一实施例中，通过将与活化区相邻的各晶体层在材料成分上的差异降低而使这些电荷减少。包覆层也可由不同元素组合而成，每一种元素都能消除其它元素的极化效应。
把活化区内或活化区周围的一层或多层的成分或掺杂物进行分级以产生抵消极化感应电荷的空间电荷，以及抵消由极化感应电荷产生的极化感应电场的准电场。这种分级可以是连续的或非连续的。
化合物半导体晶体也可有多层发射系统，由发光层和非发光层交替组成以减少平均极化电场，并改善发射效率。与可比厚度的单一均匀活化区相比，整个多层发射系统的平均电场可减少或消除。
把各种离子化掺杂物加入晶体，使晶体根据其能级成一带电状态以抵消极化感应电荷，减少或消除其效应。优选掺杂物包括第II，IV，或VI族元素。
极化感应电荷的正负也可以倒转以加强而非抵消载体的有效限制。把晶体层的原子层序列倒转可使这些电荷相反。通过倒转p及n型层的生长次序也可使载体注入的方向相反，筛分极化感应电荷。利用外延生长技术使下缓冲层、接触层、或包覆层的晶格常数发生改变，与活化区的晶格常数更配合。这会减少活化区内应变感应压电效应，使极化感应电场减少而发光更有效率。
本发明的这些和其它一些特点和优点，通过结合附图和下面的详细说明中，本领域技术人员将会容易了解。
图1A是一氮化物发光器已知结构的剖面图；图1B表示对应在极性表面上生长的图1A所示装置的能带；图1C表示在非极性表面上生长的已知发光器的能带；图2A表示含有各种掺杂物的活化区及包覆层的能带；图2B是一掺杂物分布的曲线；图3A是根据本发明具有InGaN包覆层的发光器的剖面图；图3B表示对应图3A所示装置的能带；图4A及4B分别表示含三元AlGaN和四元AlInGaN包覆层的氮化物半导体的能带；图5表示在包覆生长中时间和原子浓度之间涵数关系的曲线图；图6A表示准电场活化区的能带；图6B及6C分别表示连续分级活化区的能带；图7A表示多层发光系统的能带；图7B表示宽度相等于图7A所示多层发光系统的的单活化区的能带；
图8A是对应图1A所示单层结构的原子层结构的剖面图；图8B是单半导体层中反向原子层结构的剖面图；图8C表示对应图8B所示装置结构的包覆及发射层的能带；图9A表示p-型层在n-型之前生长的反向氮化物发光器的剖面图；图9B表示对应图9A所示装置的能带；图10A表示其新缓冲层的晶格常数与活化区趋于配合的氮化物发光器的剖面图；及图10B表示对应图10A所示装置的能带。
本发明的详细描述下面对本发明各实施例进行说明，所有实施例都具有双异质结构构造的氮化物发射器系统，其晶体层都垂直于晶体极性方向而生长。假设氮化物发射器具有纤锌矿晶体结构，其各层都包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1和0≤y≤1。除非特别指出，晶体顶部表面为具有周期表第III族极性的0001方向。各实施例将会参考图1A所示的氮化物发射器和图1B所示的对应能带结构。
选择性掺杂本实施例通过把各种掺杂物加入半导体以减少或消除极性感应的不利影响。掺杂物必须为不会自预定位置扩散的一类物质。掺杂物按其能级离子化成带正或负电荷状态，与界面极化感应电荷状态相反，以减少或消除其效应。使用的掺杂物种类取决于目标界面电荷(正或负)。正电荷需要的掺杂物要离子化成为负电荷状态，负界面电荷则反之。
图2A表示包覆/活化/包覆层的带结构，在该结构加入大约1013硅原子/cm3作为正电荷源以减少或消除负界面电荷密度σ1。要减少或消除正电荷密度σ2，可用1013镁原子/cm3作为负电荷源。掺杂物的浓度分布部份取决于掺杂物离子化能和施主/受主能级。例如，如果用锌(Zn)作为负电荷源掺杂物以减少σ2，则需要的掺杂物浓度较高。掺杂物分布不必完全配合/消除极化感应电荷以显示效果。其它掺杂物包括第II、IV、或VI族的元素。
有几种方法将掺杂物分配(或加入)到半导体。当材料成分发生突变，在界面的一平面内会产生极化感应电荷，掺杂物优选δ分布在该平面或靠近该平面掺杂。突变是指其中一种给定成分的摩尔比变化超过一单层的1％，如一单晶体原子层。δ掺杂的目的是把掺杂物限制到单原子层，产生掺杂物薄板而非掺杂物体积。对于分级成分的变化，不论是非连续或连续步骤，优选的掺杂物分布也是分级的。图2B表示掺杂物分布的各种型式，包括δ61、非连续步骤的分级62和连续的分级63。
中间成分能障本实施例是改善具有GaN包覆层的发光器的发射效率。相对于其邻近各层的材料成分，使一层或两层包覆层的材料成分处于中间以减少或消除压电和自发性界面极化感应电荷。例如，在图1A所示的氮化物系统的GaN包覆层中加入大约5％铟(In)，使包覆层的成分变成In0.05Ga0.95N。这样包覆层的成分就处于含20％铟的In0.20Ga0.80N活化区5和含0％铟的GaN导电层3的中间。如图3A所示，铟使相邻两层在材料成分上的差异减少，因此活化和包覆层之间的界面极化感应电荷板的密度σ1A下降25％，大约为0.75×1013电子/cm2。σ1B约为0.25×1013电子/cm2。如果在含有σ1A或σ1B的一个或二个界面附近有施主型掺杂，则部分压电感应电荷会筛分出去，如上述选择性掺杂实施例所讨论的一样。因为σ1A和σ1B都小于σ1A+σ1B之和，所以这种装置结构与传统结构相比，其使部分极化感应电荷选择性筛分出去的能力降低，并使掺杂物远离活化区。通过把大量n型掺杂在σ1B界面上，就可把所有这种电荷进行有效筛分。利用这种方式，活化区的电场与传统结构相比减少25％，使发射效率增加。图3B表示这种情况的能带图。如果n-型掺杂延伸至含σ1A的界面，则会使电场进一步减少。包覆层使用的铟越多，活化区的电场越低。但是，铟使用得太多，载体限制就会受到损害。p-型掺杂除了用来筛分电荷外，也可用在上包覆层中。
把铟加到一层或二层包覆层，活化区的极化感应电场在装置操作条件下有所下降，不管能障是否较低，其发射效率都会增加。本发明证明，与不含铟的包覆层相比，在下包覆层4使用约5％的低铟含量可改善发光二极管在450nm至470nm范围内的效率。
四元能障本实施例是改善具有三元AlGaN包覆层的发光器的发射效率。众所周知，把氮化铝(AlN)加入原GaN包覆层可以产生三元AlGaN包覆层。加入AlN，得到的包覆层带隙比其相邻的接触和活化层的带隙都大，使活化区的相对侧面产生较高的能障，因此载体限制得以改善。但是，加入铝也会增加材料成分的变化，产生极化感应电荷。事实上，自发性和压电极化感应电荷由一层与下一层的Ga和N晶键的极性变化而决定，它们在活化区/包覆层界面实际上是增加的。增加的电荷是由于两种材料的压电应变和自发性极化之差所致。因此装置的活化区中存在高电场。
本发明的一个特征是使材料成分更接近以减少应变与极化的差异。把氮化铟(InN)加到一层或二层三元AlGaN包覆层中，产生四元AlInGaN包覆层，这会使包覆层和活化区晶键的平均极性相近。其层内含有的铟抵消铝在包覆层/活化区界面上产生的界面压电极化感应电荷。这就是说，与三元AlGaN包覆层和InGaN活化区之间的电荷板相比较，四元AlInGaN包覆层及InGaN活化区之间的电荷板较小。在这种结构中，大部份极化感应电荷被包覆或接触层内的高掺杂区所限制，可从活化区除去这些电荷并使其有效筛分出去。向这些层所加入的铟量通常取决于层厚、材料成分和生长限制。例如，Al0.12In0.03Ga0.85N包覆层与In0.05Ga0.95N活化层相邻，它的界面压电电荷密度减少大约30％，约0.7×1013电子/cm2，相比之下，Al0.15Ga0.85N层与同一活化层相邻，其活化区的电场减少约30％。
四元包覆层中铟及铝成分都可消除相互间与活化区相关的能障的影响。虽然把铟加到AlGaN包覆层会降低活化区的能障，但实际上由于极化感应电荷减少而使限制效率增加。
包覆层不需要用同一成分来改善发射器效率。例如，本发明已经证明，利用具有0.26eV Ec和0.08eV Ev能障的上四元Al0.15In0.03Ga0.82N包覆层，就能使发射380nm波长的发光二极管的效率改善约25％。但下包覆层的成分仍是Al0.15Ga0.85N。
图4A和4B分别表示具有三元AlGaN及四元AlInGaN包覆层的示意图，这些包覆层处于接近打开发光二极管的正偏压条件下(例如，接近发光的临界状态)。两种结构的包覆层4及6含有相同的铝浓度，但是三元结构不含铟。在两幅示意图中，活化区5的线30的斜度表示极化感应电场。其强度取决于在接触层3和7之间的包覆层4和6上掺杂的偏压，以及界面极化电荷板密度大小。两种结构都采用约2，6V的偏压，并且包覆层4中n型(硅)掺杂物的浓度约为1×1018/cm3，包覆层6中p型(镁)掺杂物的浓度约为1×1019/cm3。具有三元AlGaN包覆层的活化区5产生的极化感应电场约为8.8×105V/cm。
如图4A所示，通过限制载体接近离各自发射接触层最远的界面31，该电场把GaN接触层3和7注入的电子及电洞进行空间分离。这种现象使载体发射重组的可能性减少。图4B所示的四元AlInGaN包覆层4和6在活化区5内具有相当低的极化感应电场。Al0.05In0.025Ga0.925N下包覆层4及Al0.20In0.10Ga0.70N上包覆层6的电场约为4.6×105V/cm。这些层也具有较低的量子能31，使自由载体的空间分离减少以改善发射重组。要得到最大的载体限制，在减少极化感应电荷与维持高能障之间要作出平衡，这可凭经验决定。
具有分级成分的包覆层在本实施例中，把一层或两层包覆层的成分进行分级以产生一空间电荷，以抵消在包覆层和活化区之间的界面上产生的界面极化效应。这种分级使其材料成分在极性方向上是不同的以便产生压电电荷。分级可以是连续的或非连续的。分布的电荷极性应与目标界面极化电荷相反。极性由分级层及其相邻二层的成分决定。例如，图lA的下GaN接触层3及下AlGaN包覆层4产生正界面电荷板密度。通过逐渐改变该层的铝含量，使这种电荷分布在包覆层4的整个体积。具体地说，将下包覆层4进行分级，从GaN成分中含0％的铝，与GaN导电层3接近，直至Al0.10Ga0.90N中含10％的铝，与InGaN活化区5接近。所产生的正空间电荷部分抵消在Al0.10Ga0.90N/In0.05Ga0.95N界面上的0.75×1013电子/cm2负电荷板密度σ1。
把铝含量进行分级，可使在上GaN接触层7及上AlGaN包覆层6之间的负电荷板密度分布在包覆层6的整个体积上。所产生的负空间电荷抵消正电荷板密度σ2以减少或消除其对活化区的影响。空间电荷的大小取决于发生分级的距离。图5以图形表示AlGaN包覆层的分级，从含0％的铝开始，每单位时间把铝原子(连续步骤41或非连续步骤42)加至晶体表面。所加入的镓及氮原子40的浓度在整个生长期间保持相等。当包覆层的厚度和分级达到适当时，这个过程便会停止。另外，也可利用两种材料变化的周期超晶格来对成分进行分级。
由于在活化区附近有自由载体，掺杂物分散入其中会造成反效应，因此在装置的最佳性能之间要作出平衡。分级包覆层所产生的空间电荷使掺杂物离开分级层(例如，只在导电层)，但能够吸引其自由载体。与分级成分相关的空间电荷把相邻导电层的自由掺杂物载体自然吸引到包覆层。因此，掺杂物不必在活化区附近为该区提供自由载体，即使在相邻包覆层也可以将其消除或减少。
具有分级或混合成分的活化区半导体装置的成分变化对自由载体的影响与电场对它的影响相似，可将其看作准电场。参考Physica Scripta期刊，1996年，卷T68，第10-16页，HerbertKroemer的“带偏置及化学结合异结构应用基础”。本实施例利用一准电场来抵消极化感应电场对自由载体的影响。在系统内没有电荷存在的情况下，也有可能在活化区内建立一准电场。图6A表示的准电场由能带的梯度51产生，而不是由真正的电荷所产生。把活化区5的成分进行分级就可以形成这些梯度。在准电场中，导电带的电子移到一接近正电荷的低能级，价带的电洞移到一接近负电荷的高能级。值得注意的是，准电场中活化区的带结构并不是平行的。相反，电场中的能带则具有平行关系，如图1B所示。活化区可以按成分进行分级以在带构造中产生一所需梯度，从而得到一所需的准电场效应。然而，所得到的准电场应该减少真正电场对至少一种载体类型的影响。活化区的材料成分可以通过改变铟的含量而进行分级(连续或非连续)。根据活化区的宽度及所需发射器的性质，可以把铟的含量由低至高或由高至低来加入，形成一分级成分。所关心的性质通常包括发射波长及操作电流。
图6B及6C表示准电场对活化区5的能带的净影响。图6B中活化区的铟浓度是连续分级的，从低的5％至高的10％，梯度大约为每毫微米1％。铟的浓度在包覆层4及活化区5之间的界面上最低，并逐渐增加，在活化区的相对侧达到最高。在这种情况下，准电场使价带的极化感应电场减少。相反方向的分级则会使导电带的电场偏移。在图6C中，活化区的铟也有梯度，浓度在5％至10％之间，平均梯度为每毫微米1％，但方向相反。电子或电洞因为是载体形式的其中一种，可以向外分散，所以载体的空间重叠会较好，从而增加发射效率。
具有电场补偿能障的多层发射图7A表示具有电场补偿能能障93的多层发射系统90的能带。在本实施例中，发射系统90由活化区91(如发光)的多层和包覆层92(非发光)交替而成。包覆层92的能障93具有限制活化区内注入的载体和抵消其极化感应电场的双重功能。所产生的电场和多层发射系统90的总厚度通常取决于各活化区91和包覆层92的数量、厚度及成分。多层系统90有四个各厚2nm的In0.1Ga0.9N活化区91和三层各厚5nm的Al0.05Ga0.95N包覆层92，总厚度为23nm，平均极化感应电场强度大约为4.5×105V/cm。图7B所示的是具有可比体积的单活化区100的能带结构，其极化电场强度为9×105V/cm。与可比体积的单活化区的结构相比，利用多层发射系统可增加活化材料的总体积，同时又确保因活化区内的极化感应电荷而产生的平均电场减少。
反相极化在本实施例中，化合物半导体自然产生相反的极化感应电荷以改善载体限制。GaN原子间的晶键因为Ga原子稍微带正电，N原子稍微带负电而自然离子化，因此在晶键的两端之间就产生一偶极子。图8A表示沿晶体表面极性方向生长的单Ga原子层和单N原子层。如图所示的序列，Ga和N连续变换形成原子层，每一层的底部表面70是只含镓的原子层，而顶部表面71是只含氮的原子层。在各GaN原子对上的所有偶极子72结合起来产生一穿过所示方向的层的平均极化感应电场73。其对活化区能带的影响如以上对图1B所述一样。
把各原子偶极子的方向倒转可使自然产生的极化感应电场73的方向相反。这可通过把Ga和N原子层的生长次序倒转来实现。在图8B中原子层的生长次序是相反的，先从氮开始，然后镓和氮原子层替换直到顶部表面为镓层74。有几种方法都可以使原子层的生长次序发生改变。首先，如果开始就以N为终结的GaN或以AlGaN作为底层，则要生长为氮极性并不困难。但是，大部份的生长都在蓝宝石或碳化硅上进行，而且希望自然生长为镓极性。现在已经有技术可以改变极性。一种技术是在氮含量高的条件下利用MBE生长以改变极性。另一种技术是在表面上沉积约一单镁层，使随后各层都生长成氮极性。第三种方法是通过MOCVD或MBE使原子层外延附生以迫使核化成正确的极性。
单偶极子75产生一极化感应电场76，方向与图8A的电场73相反。图8C显示其对活化区能带的影响。虽然这种生长次序在活化区内连续产生一极化感应电场，但电场偶极子的方向却是相反的。这就使注入的载体在装置打开之前，例如，在自由载体开始重组之前，对极化感应电荷密度σ1及σ2进行筛分(中和)。从高于能级Ec的包覆层4向活化区注入的电子在包覆/活化区界面上积聚，差不多等于σ2。这些自由载体的累积电荷与σ2中和。类似地，从低于能级Ev的包覆层6注入的电洞与靠近活化区/包覆界面上的σ1中和。在装置打开之前，这个过程“整平”活化区能带，与图1C所示的能带相似。因此，装置的效率不会因为有极化感应电荷而降低。这种装置结构的另一个优点是与传统结构相比，如路径A所示的载体超射大幅减少。另外，电子及电洞的载体限制也会增加。
反相结构在传统发光二极管中，n型层在p型之前生长。本实施例把这种生长次序倒转。图9A是具有新生长次序的发光二极管的剖面示意图，其p型接触层和包覆层83、84在n型包覆层和接触层86、87之前生长。本实施例所有层的厚度及材料成分与图1A的氮化物发射器相似。尽管层的结构相反，但界面极化感应电荷板密度σ1及σ2仍然是正向的，这是因为各层之间的材料成分发生变化。其对活化区能带的影响如图9B所示，基本上与图1B相似。但是，把p型及n型层生长次序倒转也会改变把电子及电洞注入活化区的方向。在这种方法中，通常自n型接触层注入的电子会从高于能级Ec的接触层87注入活化区85，图中所示的是注入活化区85的左侧。电洞从低于能级Ev的p型接触层83自右侧注入。这种反相层的序列能使载体在装置打开之前筛分电荷密度，与前述实施例的方式相似，只是相反的是电场方向而不是层结构。这种结构与前述实施例一样，也可减少载体超射及增加载体限制。
改变晶格常数图10A及10B显示改善结构极化感应电场的另一种方法。通过改变活化区113下方的结构平面内晶格常数以使活化层的应变较少，或使应变方向相反，就能使活化区内的压电极化感应电场减少、消除或反相，如图10B的能带图所示。有几种方法都可以改变下方的晶格常数。首先，缓冲层110可以用不同的材料成分来生长，如InAlGaN，使缓冲层的平面内晶格常数接近InGaN活化层的平面内晶格常数。InAlGaN缓冲层的带隙比InGaN活化层大以致不会有光吸收。改变平面内晶格常数的第二种方法是使用传统缓冲层，但至少有部份n接触层111用不同材料成分来生长，例如AlInGaN，以使缓冲层的平面内晶体格常数发生改变，接近活化层的平面内晶格常数的数值。这样，就可实现上述同样优点。第三种方法与所述n接触层的方式一样，在下包覆层112内改变晶格常数。第四方法是使活化区生长的厚度足以引起应变消除，因此使活化层内的压电感应电场消除。通常会选择一种材料位错最少，可以保持材料质量，又能提供以上装置结构优点的方法。
还有许多方法可进一步减少或消除大部份残留的极化感应电荷。上面讨论的各具体实施例都可以混合和配合使用，并适用于任何一层或全部适合发射或非发射层。对任何一种确定的用途，是采用一具体实施例或把实施例组合起来要取决于该用途的性质，这可以凭经验决定。例如，可以把AlGaN包覆层92及InGaN活化区91相结合，使其具有四元能障中所述的铝和铟的反作用。另外也可以把至少一包覆层92的铝含量进行分级及/或加入离子化掺杂物，使其成一带电状态以抵消界面极化感应电荷。
虽然本发明已经列举和说明了一些具体实施例，但本领域技术人员仍可有许多变化和不同实施例。例如，虽然本发明是以氮化物发射器来加以说明，但任何一个或全部实施例都可以用来说明由其它材料成分的发光器极化感应电荷的问题。那些变化及不同实施例均可以预计到，并且可以在不背离所附权利要求书限定的本发明精神和范围内而制成。
权利要求
1.一种发光器，其特征在于所述发光器包括一高效双异质结构，其有n型和p型接触层(3，7)，以及把一活化发光区(5)夹在中间，并沿一晶体极性方向生长的包覆层(4，6)，所述高效异质结构与基本异质结构相比具有结构差异，它包括一活化区(5)，其具有在活化区(5)两端之间产生极化感应电场的原子偶极子，以及二元或三元包覆层(4，6)，其具有在生长次序上先于p型接触层(7)的n型接触层(3)。与所述基本异质结构的极化感应电场相比，所述结构差异至少部分使所述高效异质结构中活化区(5)两端之间产生的极化感应电场的效率减少的效应降低。
2.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述活化区(5)包括InGaN，而所述结构差异包括把铟加到至少一层所述包覆层(4，6)以使至少一层所述包覆层(4，6)包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1。
3.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括至少一层所述包覆层(4，6)的成分的一梯度以抵消在至少一层所述包覆层(4，6)和活化区(5)之间的界面上的界面极化效应。
4.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括所述活化区(5)的成分的一梯度以抵消所述极化感应电场。
5.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括在至少一层所述包覆层(4，6)中加入降低所述极化感应电场的掺杂物。
6.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括所述活化区的原子偶极子(72)的一种变换。
7.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括p型接触层(83)在n型接触层(87)之前生长。
8.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括多个以包覆层(92)替换的活化区(91)。
9.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括一至少部分应变消除的下包覆层(112)，其平面内晶格常数的数值接近无应变的活化区材料(113)的平面内晶格常数。
10.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异包括一至少部分应变消除的n型接触层(111)，其平面内晶格常数的数值接近无应变的活化区材料(113)的平面内晶格常数。。
11.如权利要求1所述的发光器，其特征在于所述结构差异在一缓冲层(110)上生长，并包括所述缓冲层(110)，其至少部分应变消除，并且其平面内晶格常数的数值接近无应变的活化区材料(113)的平面内晶格常数。
12.一种垂直于一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括至少三层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的；至少一层所述层(2-7)，其中间材料成分与相邻二层的材料成分有关。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于所述至少一层所述层(2-7)是AlxInyGa1-x-yN包覆层，其中0≤x≤1，0≤y≤1。
14.一种垂直于一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括多层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层(2-7)内产生至少一极化感应电荷浓度；至少一层所述层(2-7)包括一包覆层(4，6)，把其成分进行分级以在所述分级体积上产生一空间电荷，抵消所述电荷浓度。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于所述分级包覆层(4，6)包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1。
16.一种沿一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括多层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的；至少一层所述层(4，6)，把其成分进行分级以在所述分级体积上产生一空间电荷，使掺杂物离开一相邻层。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于所述分级包覆层(4，6)包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1。
18.一种沿一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括多层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生一极化感应电场；一层所述层包括一活化区(5)，将其成分进行分级以产生一抵消所述极化感应电场的准电场。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于所述分级在所述活化区(5)的能带中形成梯度以产生所述准电场。
20.权利要求18所述的装置，其特征在于所述活化区(5)由AlxInyGa1-x-yN组成，其中0≤x≤1，0≤y≤1。
21.一种沿一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括多层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生一极化感应电荷浓度；至少一层所述层(2-7)加入离子化掺杂物，成一带电状态以抵消至少一所述电荷浓度。
22.一种化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括一具有极性方向的晶体；及多层晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生一极化感应电场；至少一层所述层(2-7)具有极性，变换原子层序列以使在至少一层所述层内产生的一极化感应电场的方向相反。
23.一种化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括一具有极性方向的晶体；及至少各一层p型(83，84)和n型晶体层(86，87)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生一极化感应电荷浓度；所述p型层(83，84)在生长次序上先于n型层(86，87)以使所述电荷浓度对所述装置的性能的影响相反。
24.一种垂直于一晶体极性方向生长的化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括多晶体层，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生至少一极化感应电场；一层所述层包括一多层活化区，该活化区包括交替的发光和非发光层(91，92)，以所述非发光层(92)使注入的载体限制在所述发光层(91)内，并抵消所述电场。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于把至少一层所述非发光层(92)的材料成分进行分级以产生一抵消所述电场的准电场。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于把至少一层所述发光层(91)的材料成分进行分级以产生一抵消所述电场的准电场。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于把至少一层所述非发光层(92)的材料成分进行分级以产生一抵消所述电场的准电场。
28.如权利要求24所述的装置，其特征在于至少一层所述非发光层(92)含有掺杂物以提供抵消所述电场的空间电荷。
29.一种化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括一具有极性方向的晶体；及多晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生多个极化感应电场；至少一层所述层(2-7)是活化区(5)；一层在所述活化区(5)下方的所述层(2，4)，至少部分应变消除以使在活化区(5)下方的所述层的平面内晶格常数接近无应变的所述活化区(5)的平面内晶格常数，因而使所述活化区(5)内的所电场减少、消除或反相。
30.一种化合物半导体装置，其特征在于所述装置包括一具有极性方向的晶体；及多晶体层(2-7)，其材料成分在所述极性方向上是不同的以便在至少一层所述层内产生一极化感应电场；至少一层所述层(2-7)是活化区(5)；所述活化区(5)这样生长以使所述装置的材料至少部分应变消除，从而减少在至少所述活化区(5)内的所述电场。
全文摘要
一种具有沿一极性方向生长的晶体层(2－7)的半导体发光器，使其自然产生的极化感应电场减少、消除或反相以改善发光器的操作效率和载体限制。这可通过降低相邻晶体层(2－7)材料成分上的差异，把一层或多层进行分级以产生抵消极化感应电荷的空间电荷和准电场，把各种离子化掺杂物加入半导体使其成一带电状态以抵消极化感应电荷，倒转带电原子层序列，倒转装置中n型和p型层的次序，采用一多层发射系统而非一均匀活化区以及/或改变材料的平面内晶格常数来实现。
文档编号H01L33/16GK1433579SQ00818793
公开日2003年7月30日 申请日期2000年11月30日 优先权日1999年12月2日
发明者B·希贝欧特, J·艾贝森 申请人:美商克立光学公司