专利名称：具有未掺杂覆盖层的第ⅲ族氮化物led的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光装置的半导体结构体，特别地涉及由第III族氮化物形成的发光二极管和激光二极管的半导体结构体，所述发光装置能发出电磁光谱中红到紫外部分的光。
背景技术：
光子半导体装置分成三类将电能转化为光辐射的装置(例如发光二极管和激光二极管)；检测光信号的装置(例如光电探测器)；和将光辐射转化成电能的装置(例如光生伏打装置和太阳能电池)。尽管所有三类装置都具有有用的用途，但发光二极管由于应用到各种消费产品和领域中，从而其可能是最为人所熟知的。
发光装置(例如发光二极管和激光二极管，此处被称为LED)是将电能转化成发光的光子、p-n结半导体装置。可能最常见地，LED形成在电磁光谱中的可见光部分的光源，该光源用于各种信号、指示器、计量器和在消费品中使用的显示器(例如音频系统、汽车、家用电器和计算机系统)。因为LED通常长的使用寿命、低的功率要求和高的可靠性，所以LED作为光输出装置是理想的。
尽管其具有广泛的用途，但LED在功能上受到一些限制，因为给定的LED可能产生的颜色受到制造该LED所使用的半导体材料的本性的限制。本领域和相关领域的技术人员公知，LED所产生的光被称为“电致发光”，它表示在外加电压下电流流过材料而产生光。产生电致发光的任何特定组合物倾向于在相对窄的波长范围内如此发光。
给定的LED材料可能发出的先的波长(即其颜色)受到该材料的物理特征，具体地其带隙能量的限制。带隙能量是在半导体中分开较低能量的价带和较高能量的导带所需的能量。根据量子力学的公知原理，能带是载流子(电子或空穴)可停留的能量状态。“带隙”是导带与价带之间的能量区域，该区域对载流子来说是被禁止的(即载流子不可能存在于这些能量状态)。在某些情况下，当电子和空穴越过带隙并重组(recombine)时，它们将以光的形式放出能量。换句话说，给定的半导体材料可能产生的电磁辐射频率(即颜色)是该材料带隙能量的函数。
在这方面，较窄的带隙产生较低的能量、较长波长的光子。相反，较宽的带隙产生较高的能量、较短波长的光子。蓝光比在可见光谱内的大多数其它颜色具有较短的波长，因此具有较高的频率。因此，必须由比产生绿、黄、橘黄或红光的那些跃迁能量大的跃迁来产生蓝光。产生波长在可见光谱中的蓝或紫外部分范围内的光子要求具有相对大的带隙的半导体材料。
整个可见光谱从在或约390nm的紫色变为在约780nm处的红色。依次地，可认为可见光谱的蓝色部分的波长从约425延伸至480nm。约425nm(接近紫色)和480nm(接近绿色)的波长分别依次代表约2.9eV和约2.6eV的能量跃迁。因此，只有具有至少约2.6eV带隙的材料可产生蓝光。
较短波长的装置除了提供颜色之外，还提供许多优点。特别地，当在光存储和记忆装置如CD-ROM光盘中使用时，较短的波长能使这种存储装置保留显著更多的信息。例如，在与使用红光的空间相同的空间内，使用蓝光存储信息的光学装置可以保留显著更多的信息。
发光二极管操作的基本机理是本领域公知的，例如在Sze的Physics of Semiconductor Devices，第2版(1981)第681-703页中被列出。
本发明的共同受让人是本领域中成功开发商业上可的LED的第一人，该LED发出蓝色光谱范围内的光，且可大量地从商业上获得。这些LED在碳化硅，即一种宽带隙半导体材料上形成。在授予Edmond的美国专利No.4918497和5027168(各自的标题为“BlueLight Emitting Diode Formed in Silicon Carbide”)中公开了这种蓝色LED的实例。在共同转让的美国专利No.5523589、5592501和5739554中公开了第III族氮化物LED结构体和激光结构体的其它实例。
除了碳化硅之外，发蓝光装置的候选材料是氮化镓(GaN)和其相关的第III族(即周期表中的第III族)氮化物化合物如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)。这些物质是特别有吸引力的，因为它们在室温下提供带隙介于约1.9至约6.2eV的直接能量跃迁。更常见的半导体物质如硅、磷化镓或砷化镓不适于产生蓝光，因为它们的带隙为大约2.26eV或更低，在硅的情况下，其是间接的半导体和无效率的光发射器。
熟知LED和电子跃迁的技术人员公知，当价带最大值和导带最小值具有相同的动量状态时，在半导体中发生直接的跃迁。这意味着在电子与空穴的重组(recombination)中结晶动量容易守恒，结果由跃迁所产生的能量大多数且有效地进入光子(即产生光，而不是热)。当导带最小值和价带最大值不具有相同的动量状态时，则要求光子(即振动能量的量子)结晶动量守恒和这种跃迁被称为“间接”。需要第三粒子，即光子，使得间接的辐射跃迁不太可能，从而降低装置的发光效率。
一般而言，在直接带隙物质中形成的LED比在间接带隙物质中形成的LED更有效。因此，与间接材料如碳化硅的发射相比，第III族氮化物的直接跃迁特征提供了更亮和更有效的发射，和因此更亮和更有效的LED可能性。因此，过去十年来的主要兴趣也集中于用氮化镓和相关的第III族氮化物产生发光二极管。
尽管第III族氮化物在宽的带隙能量范围内提供直接跃迁，但该物质存在一系列特定的技术制造问题。特别地，尚未出现商业上可行的技术来生产大块的氮化镓(GaN)单晶，该单晶能充当氮化镓外延层(epitaxial layer)用的合适衬底，而在该衬底上将形成光子装置。
所有半导体装置要求某种类型的结构衬底。典型地，用与活性区域相同的材料形成的衬底提供显著的优点，特别地在晶体生长和晶格匹配性(matching)方面。由于氮化镓还必须在这种大块晶体内形成，所以必须在非GaN衬底上的外延层内形成氮化镓光子装置。
在第III族氮化物衬底领域中最近的工作包括共同转让的美国专利No.6296956(题为“Growth of Bulk Single Crystals of AluminumNitride”)；6066205(题为“Growth of Bulk Single Crystals ofAluminum Nitride from a Melt”)；6045612(题为“Growth of BulkSingle Crystals of Aluminum Nitride”)；和6048813(题为“Simulated Diamond Gemstones Formed of Aluminum Nitride andAluminum NitrideSilicon Carbide Alloys”)。
然而，使用不同的衬底引起一系列额外的问题，主要地在晶格匹配性方面。在几乎所有的情况下，不同材料具有不同的晶格参数。结果，当氮化镓外延层在不同衬底上生长时，会发生某些晶格失配(mismatching)和热膨胀系数失配。所得外延层因这种失配被认为产生“应变(strain)”。晶格失配和它们产生的应变引入晶体缺陷的可能性。这反过来影响晶体和接点的电子特征，并因此倾向于降低光子装置的性能。这类缺陷在高功率结构体中甚至更是问题。
在早期的第III族氮化物LED中，氮化镓装置用的最常见衬底是蓝宝石(即氧化铝Al2O3)。一些当今的第III族氮化物装置继续使用它。
蓝宝石在可见与紫外光范围内是光学透明的，但与氮化镓有约16％的晶格失配。此外，蓝宝石绝缘而不导电，和不适于电导掺杂。因此，必须经过LED产生发光的电流不可能直接流过蓝宝石衬底。因此必须制造其它类与LED的连接。
一般地，具有垂直几何形状的LED采用导电衬底，以便可在该装置的反向端处放置欧姆接触点。由于许多理由优选这种垂直LED，其中包括与非垂直的装置相比，它们比较容易制造和比较简单地加装入最终使用的装置内。但在不存在导电衬底情况下，不可能形成垂直装置。
与蓝宝石相反，氮化镓与氮化铝(AlN)仅具有约2.4％的晶格失配，与碳化硅仅具有约3.5％的失配。碳化硅与氮化铝具有稍微较少的失配，仅约1％。
也已证明第III族三元和四元氮化物(例如氮化铟镓和氮化铝铟镓)具有相对宽的带隙。因此，这种第III族氮化物固体溶液也提供蓝色和紫外半导体激光和LED的可能性。但这些化合物存在与氮化镓相同的问题，即不含全同的单晶衬底。因此，它们各自典型地以在不同衬底上生长的外延层形式被使用。在晶体缺陷和有关的电子问题方面，这存在相同的可能性。
因此，本发明的受让人开发出使用碳化硅衬底用于氮化镓和其它第III族装置作为解决蓝宝石作为衬底的电导问题的手段。由于碳化硅可被电导掺杂，所以可形成垂直的LED。正如所述的，垂直结构体既有助于LED的制造，又有助于将它们加装入电路和最终用途的装置内。
熟知第III族氮化物的技术人员公知，基于本发明第III族元素(例如镓、铝、铟)的本性和摩尔分数，它们的性能不同。例如，增加铝的摩尔分数倾向于增加带隙，而降低铝的用量则倾向于增加折射率。类似地，较大比例的铟将降低材料的带隙，进而使得带隙可能被调节或“调整”到产生所需频率的光子。改变这些方案中的摩尔比例也改变了晶格间距。因此，尽管在这一领域内作出了许多努力，但仍然存在对下述装置的需求，该装置可掺入垂直的几何形状，且能利用当所需地调节第III族氮化物光子装置中活性层、覆盖层和缓冲层内铟、铝和镓的比例时所产生的特征。
本发明进一步的方面提供发光装置，其具有降低的非辐射重组和改进的效率。
发明目的与概述因此，本发明的目的是以可利用其有利性能的方式由第III族氮化物制造发光二极管和激光二极管。
通过下述半导体结构体，本发明可满足这些目的，所述半导体结构体包括位于第一n-型第III族氮化物覆盖层和第二n-型第III族氮化物覆盖层之间的第III族氮化物活性层。活性层的带隙小于第一和第二n-型覆盖层各自的带隙。该半导体结构体进一步包括p-型第III族氮化物层，其处于该半导体结构体内，使得第二n-型覆盖层处在p-型层与活性层之间。
在另一实施方案中，第二n-型第III族氮化物覆盖层具有渐变的组成，使得在与p-型第III族氮化物层的接点处，它基本上与p-型第III族氮化物层是晶格匹配的。
在另一实施方案中，结构体包括位于第二n-型第III族氮化物覆盖层和p-型第III族氮化物层之间的第三n-型第III族氮化物层。第三n-型第III族氮化物层优选包括与p-型第III族氮化物层相同的材料结构，使得在第三n-型第III族氮化物层与p-型第III族氮化物层之间形成p-n同质结。
在下述详细的说明和其附图内进一步详举了本发明前述以及其它目的和优点和实现它们的方式。
附图的简要说明
图1是本发明的发光装置用半导体结构体的正面剖视简图；图2是铝、铟和镓的第III族氮化物合金的带隙能量对晶格参数的曲线图(假定线性内插)；图3是半导体结构体实施方案的剖视简图；图4是半导体结构体实施方案的剖视简图；图5是半导体结构体实施方案的剖视简图；图6是半导体结构体实施方案的剖视简图；图7是半导体结构体实施方案的剖视简图；图8和9是对应某些现有技术装置的带隙示意图；图10-12是本发明装置的带隙示意图。
发明的详细说明本发明是一种发光装置用的半导体结构体，其可发射在电磁光谱中红到紫外部分的光。该结构体包括位于第一n-型第III族氮化物覆盖层和第二n-型第III族氮化物覆盖层之间的第III族氮化物活性层。第二n-型覆盖层的特征在于基本上不存在镁(即，可存在镁，但其量仅小到以致于对半导体装置的功能没有影响)。该半导体结构体本身的特征进一步在于p-型第III族氮化物层，其处在半导体结构体内，使得第二n-型覆盖层处在p-型层与活性层之间。另外，活性层的带隙小于第一和第二n-型覆盖层各自分别的带隙。此处所使用的术语“层”通常是指单晶外延层。
特定的导电类型(即n-型或p-型)可以是非故意的，但更常见地是使用合适的给体或受体原子特定地掺杂第III族氮化物的结果。所需地包括导电类型相反的层，以便在装置内形成p-n结。在正向偏压之下，穿过p-n结注入的少数载流子重组，产生所需的光发射。第III族氮化物的适当掺杂是本领域公知的，在此不进一步讨论，除非需要它来描述本发明。
一般地，活性层和覆盖层包括第III族氮化物化合物。在这种化合物内的第III族元素可以是铝、铟、镓或两种或更多种这些元素的结合。
本领域的技术人员将理解，在活性层、第一n-型覆盖层和第二n-型覆盖层内的铝、铟和镓的摩尔分数通常可用下述分子式表达AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1。在这方面，各层的铝、铟和镓的相对浓度可变。但本领域的技术人员将理解，覆盖层不可能是氮化铟(即y＝1)，因为InN具有所有可能组合中的最低带隙，并且活性层不可能是氮化铝(即x＝1)，因为AlN具有所有可能组合中的最高带隙。应理解，在这些实施方案中，覆盖层具有比活性层大的能带间隙。
参考图1，可实现本发明的理解，而图1是本发明的LED用半导体结构体的剖视简图。通常标记为10的半导体结构体包括AlxInyGa1-x-yN的第一n-型覆盖层11，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1。
半导体结构体10也包括AlxInyGa1-x-yN的第二n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，或在更具体的实施方案中，包括不含铟的氮化铝镓n-型覆盖层12，其具有分子式AlxGa1-xN，其中0＜x＜1。在这方面，变量x的范围不包括0和1，本领域的技术人员将理解为这要求存在铝和镓二者(即铝和镓的合金)。正如所述的，第二n-型覆盖层12特别地排除镁，和可被掺杂或不被掺杂。覆盖层可以是非故意的n-型，即不被掺杂。
具有分子式AlxInyGa1-x-yN(其中0≤x＜1和0≤y≤1和(x+y)≤1)的n-型活性层13位于第一n-型覆盖层11和第二n-型覆盖层之间12之间。在更具体的实施方案中，活性层13不含铝，其基本上由具有分子式InyGa1-yN的氮化铟镓组成，其中0＜y＜1。在这方面，变量y的范围不包括0和1，本领域的技术人员将理解为这要求存在铟和镓二者(即铟和镓的合金)。
半导体结构体的特征进一步在于p-型第III族氮化物层18，如前所述，其处在半导体结构体内，使得第二n-型覆盖层12处在p-型层18与活性层13之间。在优选的实施方案中，p-型层由氮化镓(优选镁-掺杂的氮化镓)、氮化铟、或分子式为InxGa1-xN的氮化铟镓制造，其中0＜x＜1。
注意到，在p-型层18由镁-掺杂的氮化镓制造的实施方案中，第二n-型覆盖层12应当足够厚，以阻止镁从p-型层18到活性层13的迁移，然而又足够薄，以促进活性层13内电子和空穴的重组。这有助于从活性层13中的发射最大化。而且，因为在InGaN层与AlGaN层间的界面处不形成p-n结，即避免形成InGaN/AlGaN p-n结，所以该界面应当具有降低的界面状态密度。界面状态的这种降低应当导致活性层内载流子更有效的重组，同时整个装置效率相应增加。
在另一实施方案中，p-型层包括由选择掺杂的p-型第III族氮化物层形成的p-型超晶格，所述选择掺杂的p-型第III族氮化物层选自氮化镓、氮化铟、或分子式InxGa1-xN的氮化铟镓，其中0＜x＜1。特别地，由这些第III族氮化物层中的任何两种的交替层最佳地形成超晶格。在这种超晶格中，最优选氮化镓和氮化铟镓的交替层。
活性层13可被掺杂或不被掺杂。熟知第III族氮化物性能的技术人员公知，未掺杂的材料通常是非故意的n-型，而第二n-型覆盖层12就是如此。特别地，第一n-型覆盖层11和第二n-型覆盖层12各自分别具有的带隙大于活性层13的带隙。
可选择第III族的摩尔分数，以提供这些特征。例如，图2在理论上描述了带隙能量对晶格参数的曲线图。图2的三角形区域代表铝、铟和镓的第III族氮化物可获得的带隙能量范围。图2表明对于任何特定的晶格参数，排除镓使带隙能量最大化(即由AlN-InN部分定义氮化铝铟的带隙)。
熟知半导体结构体，特别是激光结构体的技术人员公知，活性层必须具有比相邻的n-型覆盖层低的带隙，且比相邻的覆盖层高的折射率。这一结构体对激光效力来说产生两种重要的优势。第一，若活性层具有最低的带隙，则它可形成量子阱，而载流子会倾向于落入其中，这有助于提高装置的效率。第二，在材料中会出现波导(waveguiding)，而该材料在结构体内具有最高的折射率。因此，当活性层的带隙小于相邻层的带隙且其折射率大于相邻层的折射率时，装置的激光效力被提高。
而且，本领域的技术人员公知，三元和四元第III族氮化物的组成既可影响其折射率，又影响其带隙。一般而言，较大比例的铝增加带隙和降低折射率。因此，在优选的实施方案中，为了使覆盖层11和12具有大于活性层13的带隙和小于活性层13的折射率，则与活性层13相比，覆盖层11和12优选具有较高分数的铝或镓。覆盖层11和12的较大带隙促使载流子局限在活性层13内，从而增加装置的效率。类似地，异质结构(heterostructure)层11和12的较低折射率促使光更优选地沿着(即局限于)活性层13导引。
如前所述，列举的变量(即x和y)是指它们描述的结构层。也就是说，相对于一层的变量值与相对于另一层的变量值无关。例如，在描述半导体结构体时，变量x可具有相对于第一n-型覆盖层11的一个数值和相对于第二n-型覆盖层12的另一数值。本领域的技术人员也会理解，在表达式AlxInyGa1-x-yN中的限定0≤(x+y)≤1简单地要求第III族元素与氮化物应当以1∶1摩尔比存在。
在优选实施方案中，活性层13包括铟的摩尔分数为约0.05至0.55的InGaN层。参考图1和图3，层12优选铝的摩尔分数为约0.14至0.24的AlxGa1-xN层，而层11优选铝的摩尔分数为约0至0.15的AlxGa1-xN层。参考图3，层19优选铝的摩尔分数为约0至0.15的AlxGa1-xN层。
本领域的技术人员应当理解，此处所使用的一层在其它两层“之间”的概念并不必须暗含这三层邻接(即紧密接触)。相反，此处所使用的一层在其它两层之间的概念是描述该半导体结构体内各层的相对位置。类似地，此处所使用的第一层与第二层接触，与第三层“相对”的概念仅仅描述该半导体结构体内第一层与第二层的相对位置。
认为，在半导体结构体的优选实施方案中，活性层13具有邻接第一n-型覆盖层11的第一表面14和邻接第二n-型覆盖层12的第二表面15。换句话说，在这种实施方案中，活性层13直接夹在第一n-型覆盖层11和第二n-型覆盖层12之间，而没有其余的层干扰这种三层同型异质结构(即所有材料具有相同电导类型的异质结构)，其在括号内标记为16。在另一优选实施方案中，p-型层18与所述第二n-型覆盖层12接触，与所述活性层13相对。
以本领域公知的方式使用结构名称“异质结构”。例如在Sze，Physics of Semiconductor Devices，第2版(1981)708-710页讨论了这些结构体的各方面。尽管所引证的Sze的论文涉及激光，但它阐述了同质结构(homostructure)、单一异质结构和二元异质结构装置的本质和它们之间的区别。Hartman等在美国专利No.4313125中讨论了同型异质结构。
半导体装置也可包括额外的AlxInyGa1-x-yN的n-型层，其中0≤x＜1和0≤y＜1和(x+y)≤1。在图3所述的实施方案中，第三n-型层19位于第二n-型覆盖层12和p-型层18之间。第三n-型层19优选具有与p-型层18接触的第一表面和与第二n-型覆盖层12接触的第二表面。
第三n-型层19与p-型层18晶格匹配。第三n-型层19优选与p-型层18形成p-n同质结。具有p-n同质结降低在接点处界面状态的数量。由于这种状态可导致非辐射的重组，降低这种状态的数量会改进重组效率，因此改进了总的装置效率。
半导体装置10可进一步包括碳化硅衬底17，其具有与第一n-型覆盖层11相同的电导类型(即n-型碳化硅衬底)。碳化硅衬底17优选具有3C、4H、6H或15R的多型体。第一n-型覆盖层11位于碳化硅衬底17与活性层13之间。在本发明的一个实施方案中，碳化硅衬底17与第一n-型覆盖层11接触，与活性层13相对(即在碳化硅衬底17与活性层13之间不存在插入层)。
碳化硅衬底17最优选单晶。本领域的技术人员公知，高质量的单晶衬底提供许多结构优点，这些优点进而提供显著的性能和使用寿命的优点。可通过美国专利No.4866005(现为美国专利No.RE34861)中所述的方法形成碳化硅衬底17。碳化硅衬底17和第一n-型覆盖层11优选为n-型。
在图4所述的优选实施方案中，第一n-型覆盖层11具有与碳化硅衬底17接触的第一表面21和与活性层13接触的第二表面22。特别地，第一n-型覆盖层11的组成是渐进式渐变的，以便在它的第一表面21处的晶格与碳化硅17的晶格更紧密地匹配，而它的第二表面22处的晶格与活性层13的晶格更紧密地匹配。充足摩尔分数的铟应当存在于第一n-型覆盖层11中，以确保它在邻接碳化硅衬底17的它的第一表面21处保持导电性。
本领域的技术人员应当理解，渐进式渐变既包括阶梯渐变和线性渐变。因此，此处所使用的更紧密地匹配各晶格的概念并不暗含完美的匹配，而是其组成在成分上是渐进式渐变的层，以便在层界面处它的晶格与邻接层的晶格更相容。当制造装置时，必须平衡许多因素，其中之一是晶格匹配。若其它因素更重要，则完美或紧密的晶格匹配可能不那么重要，反之亦然。
在这方面，可选择地使n-型覆盖层，特别是氮化铝铟n-型覆盖层与含镓的活性层，特别是氮化镓和氮化铟镓活性层晶格匹配，以便降低应变和缺陷。特别地，氮化铝铟是有用的，因为它们可与较低带隙的其它第III族氮化物晶格匹配，因此可用作覆盖层材料。参见图2。
本领域的技术人员会理解，覆盖层与活性层的晶格匹配可以是一侧的晶格匹配(即晶格匹配发生在活性层的一侧上)或两侧的晶格匹配(即晶格匹配发生在活性层的两侧上)。
在图5所述的另一实施方案中，半导体结构体进一步包括位于碳化硅衬底17和第一n-型覆盖层11之间的导电缓冲层23。在这一实施方案的变通方案中，导电缓冲层23夹在碳化硅衬底17和第一n-型覆盖层11之间，而没有插入层。导电缓冲层23优选基本上由分子式为AlxGa1-xN的氮化铝镓组成，其中0＜x＜1。或者，若第一n-型覆盖层11基本上由分子式为AlxIn1-xN的氮化铝铟组成，其中0＜x＜1时，则导电缓冲层23优选基本上由分子式为AlxIn1-xN的氮化铝铟组成，其中0＜x＜1。其它可接受的缓冲和缓冲结构体包括共同转让的美国专利No.5523589、5393993和5592501中所述的那些。
为了促进在第一n-型覆盖层11与导电缓冲层23之间的过渡，半导体结构体可进一步包括第III族氮化物过渡层24(其优选由氮化镓形成)，该层位于导电缓冲层23与第一n-型覆盖层11之间，参见图6。过渡层24具有与第一n-型覆盖层11相同的电导类型(即n-型过渡层)。
或者，如图7所述，导电缓冲层23与过渡层24可被离散晶体部分28替代，这在共同转让的美国专利No.6201262中更全面地被公开，其标题为“Group III Nitride Photonic Devices on SiliconCarbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure”，在此其全部引入作为参考。
在又一实施方案中，半导体结构体10进一步包括第一欧姆接触点25和第二欧姆接触点26。如图1所示，第一欧姆接触点25位于半导体结构体内，使得碳化硅衬底17处在第一欧姆接触点25与第一n-型覆盖层11之间。第二欧姆接触点26位于半导体结构体内，使得p-型层18处在第二欧姆接触点26与第二n-型覆盖层12之间。
第一欧姆接触点25优选直接放置在碳化硅衬底17上，与第一n-型覆盖层11相对(或与导电缓冲层23或离散晶体部分28相对，这取决于特定的结构实施方案)，而第二欧姆接触点26直接放置在p-型层18上，与第二n-型覆盖层12相对。在这一实施方案的变通方案中，p-型层18夹在第二欧姆接触点26与第二p-型层之间(未示出)。
本领域的技术人员熟知，导电缓冲层23提供碳化硅衬底17与第一n-型覆盖层11间的物理和电子过渡。在许多情况下，导电缓冲层23的存在辅助减少物理应变，而物理应变可来自于碳化硅衬底17与第一n-型覆盖层11之间的晶格差别。而且，为了保持装置的垂直功能，导电缓冲层23必须具有充足的导电性来携带所需或所要求的电流，以便操作半导体装置10。同样，过渡层24充当类似的物理和电子过渡。
使本发明的有利垂直结构体完善的欧姆接触点25和26优选由金属如铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、钒(V)、合金或其共混物或两种或更多种这些金属的连续层形成，而且可由本领域技术人员公知的其它欧姆接触材料形成，前提是它们显示出欧姆特征和另外不干扰发光装置10的结构或功能。
第一欧姆接触点25朝碳化硅衬底17形成的程度使得本发明区别于使用蓝宝石的那些装置。蓝宝石不可能导电，因此不可能连接到欧姆接触点上。因此，蓝宝石基装置不可能形成最优选用于LED的这类垂直结构体。
因此，在一个优选实施方案中，本发明是一种发光装置用半导体结构体，其包括3C、4H、6H或15R多型体的n-型单晶碳化硅衬底17；由至少一种第III族氮化物形成的p-型层18，所述第III族氮化物选自氮化镓(优选镁-掺杂的氮化镓)、氮化铟和分子式为InxGa1-xN的氮化铟镓组成，其中0＜x＜1；AlxInyGa1-x-yN的未掺杂的活性层，其中0≤x＜1和0≤y≤1和(x+y)≤1；AlxInyGa1-x-yN的第一n-型覆盖层11，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1；和AlxInyGa1-x-yN的第二n-型覆盖层12，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1。p-型层18最优选包括由任何两种前述第III族氮化物的交替层形成的超晶格。
如前所述，第一n-型覆盖层11和第二n-型覆盖层12各自具有的带隙分别大于活性层13的带隙。而且，第一n-型覆盖层11位于碳化硅衬底17与活性层13之间，第二n-型覆盖层12位于活性层13与p-型层18之间，和活性层13位于第一n-型覆盖层11与第二n-型覆盖层12之间。
可渐进式地渐变第一n-型覆盖层11的组成，以便在它的第一表面21处的晶格更紧密地匹配碳化硅17的晶格，和在它的第二表面22处的晶格更紧密地匹配活性层13的晶格。类似地，可渐进式地渐变第二n-型覆盖层12的组成，以便在它的第二表面处的晶格更紧密地匹配p-型层18的晶格。如前所述，在整个外延层内的渐进式地渐变包括阶梯渐变和连续渐变(即没有阶梯)。引起n-型覆盖层12与p-型层18基本上晶格匹配会降低在层间形成的p-n结处界面状态的数量。因为这种状态可导致非辐射的重组，所以降低这种状态数量会改进重组效率，进而改进活性层13内的整个装置效率。
此外且根据前述说明，这一优选结构也可包括一种或多种下述层-第三n-型覆盖层19、导电缓冲层23、第III族氮化物过渡层24、离散晶体部分28和欧姆接触点25与26。在这方面，导电缓冲层23最优选分子式为AlxGa1-xN的氮化铝镓，其中0≤x≤1。
图8、9、10、11和12是包括本发明实施方案的各种结构体的带隙简图。所有带隙简图8-12代表在正向偏压下的带隙(即“平带”条件)。本领域的技术人员会理解，带隙8-12实质上是示意图且不必按比例绘制。尽管它们阐述了本发明重要的方面，但应理解实际的能带结构可略微不同于描述。在图8-12中，只要有可能，相同的数字标记是指简图中相同的部分。
图8是现有技术装置的带隙简图，该装置显示出n-型氮化镓覆盖层30、氮化铟镓活性层31和p-型氮化铝镓层32。在这一装置中，p-n结用虚线33表示。
关于装置的物理结构和层间的界面质量，在相同材料间的界面最容易制造高质量。在第III族氮化物当中，氮化镓和氮化镓之间的界面最容易制造高质量，而氮化镓与氮化铝镓之间的界面比较困难，但比多数其它的界面容易。倒数第二的是氮化镓与氮化铟镓之间的界面，典型地证明氮化铟镓与氮化铝镓之间的界面质量最差。
此外，我们记得氮化铟镓的离解温度通常小于所有其它第III族氮化物。因此，一旦InGaN活性层已生长，则其余层的生长温度必须限制到避免氮化铟镓层非所需的离解或降解的温度。与之不同的叙述是，若不存在InGaN活性层，则AlGaN和GaN层可在较高温度下生长，而较高温度更有利于这些材料中高质量的外延层(其它因素相当)。
结果，在生长氮化铝镓层所使用的较低温度下，要求所述温度保护氮化铟镓层，所得氮化铝镓层的质量比较高温度下使层生长时它将具有的质量稍差。
因此，尽管认为在保护本发明所需的氮化铟镓活性层所要求的较低生长温度下，AlGaN-AlGaN界面正常地会制造良好的同质结，但氮化铝镓层的质量差，且p-型氮化铝镓层尤其差。结果，对于掺入氮化铟镓层活性层的装置来说，p-型氮化铝镓和n-型氮化铝镓之间的界面和接点通常具有非常差的质量。因此，本发明的避免这种接点是违反直觉的，且产生了预料不到的更好装置。与之不同的叙述是，掺入图8结构体的现有技术装置要求第III族氮化物之间的界面，而该界面难以高质量地形成。
图9阐述了另一现有技术装置的带隙简图。正如图8所示，在30处标记n-型氮化镓层，在31处标记氮化铟镓活性层，在33处标记p-n结和在32处标记p-型氮化铝镓。但图9所示的装置还包括额外的n-型氮化镓覆盖层34，它提供与氮化铟镓活性层31略微较好的界面；即邻接的GaN-InGaN层比邻接的AlGaN-InGaN层倾向于提供更高质量界面的机率。图9也阐述了在第二氮化镓层34与p-型氮化铝镓层32之间的n-型氮化铝镓层35。最后，图9包括额外的p-型氮化镓层36作为顶部接触层。这一装置提供具有p-n结33的优点，而p-n结33是在邻接的氮化铝镓层之间形成的，和与图8的AlGaN层32相比，GaN层34同样提供与氮化铟镓活性层31略微较好的界面。
图10阐述了图1所示的本发明实施方案的带隙关系，其中n-型氮化镓层30(在图1中标记为11)还是氮化铟镓活化层31(在图1中标记为13)用的覆盖层。相对的覆盖层35由n-型氮化铝镓形成，和用p-型氮化镓层36完成装置，由此定义在n-型AlGaN层35与p-型氮化镓层36之间的p-n结33。这在n-型氮化铝镓层35与p-型氮化镓层36之间的界面处提供具有p-n结的优点。如上所述，除了GaN-GaN结之外，AlGaN-GaN结是在成功装置所要求的质量下最容易形成的一种。
图11阐述了本发明的另一实施方案，其中第一覆盖层是n-型氮化镓层30，活性层是氮化铟镓31，和第二覆盖层是n-型氮化铝镓35。但该实施方案包括邻接n-型氮化铝镓层35的n-型氮化镓37的额外层。结果在n-型氮化镓37与p-型氮化镓36之间形成p-n结，从而从结构观点考虑，得到提供最高质量的GaN-GaN界面。
图12阐述了本发明的另一优选实施方案，其中n-型氮化镓层30再次形成氮化铟镓活性层31用的一种覆盖层。类似地，顶部接触层是图10和11中的p-型氮化镓层36。图12包括在InGaN活性层31的界面处的n-型氮化铝镓与p-型氮化镓层36的界面处的基本上全部的n-型氮化镓之间组成上渐进式渐变的作为覆盖层和过渡层的部分40。结果p-n结33再次以在渐变层40的n-GaN部分与p-GaN层36之间的同质结构形式制造。
活性层与p-n结之间的层厚影响装置的功能。太薄的层不能提供合适的限制(confinement)，而太厚的层使得重组可能太多，以致于不是在所需的活性层内，而是在厚层内发生重组。因此，按照图1所示的实施方案，覆盖层12应当介于约30至70厚，按照图3所示的实施方案，覆盖层12应当介于约20至50厚，而层19应当介于约30至50厚。层12和19的总厚度应当优选不大于约100。至于装置的效率，一个目的是使非辐射的重组电流(Jnr)最小，而使辐射的重组电流(Jr)最大。在这方面，图8所示的结构体具有最大(即最小所需的)的非辐射重组电流。图9的装置的非辐射重组电流稍微小于图8，但仍然大于图10、11或12的更有利的较低非辐射重组电流。
在附图与说明书中，已公开了本发明的典型实施方案。仅在通用和描述的意义上使用具体的术语，而不是为了限制目的。在下述权利要求中列出了本发明的范围。
权利要求
1.一种发光装置用的半导体结构体，所述发光装置可发射在电磁光谱中红到紫外部分的光，所述结构体包括AlxInyGa1-x-yN的第一n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1；AlxInyGa1-x-yN的第二n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中第二n-型覆盖层的特征进一步在于基本上不存在镁；AlxInyGa1-x-yN的活性层，其中0≤x＜1和0≤y≤1和(x+y)≤1，其中所述活性层是n-型，且位于所述第一n-型覆盖层与所述第二n-型覆盖层之间；和第III族氮化物的p-型层，其中所述第二n-型覆盖层处在所述p-型层与所述活性层之间；其中所述第一与所述第二n-型覆盖层各自分别具有的带隙大于所述活性层的带隙。
2.权利要求1的半导体结构体，其中所述活性层具有第一表面和第二表面，所述活性层的所述第一表面与所述第一n-型覆盖层接触，和所述活性层的所述第二表面与所述第二n-型覆盖层接触。
3.权利要求1的半导体结构体，其中所述第二n-型覆盖层具有第一表面和第二表面，所述第二n-型覆盖层的所述第一表面与所述活性层接触，和所述第二n-型覆盖层的所述第二表面与所述p-型层接触，其中所述第二n-型覆盖层的组成渐进式渐变，使得在第二n-型覆盖层的所述第一表面处的晶格更紧密地匹配所述活性层的晶格，和在所述第二n-型覆盖层的所述第二表面处的晶格更紧密地匹配所述p-型层的晶格。
4.权利要求1的半导体结构体，其中所述p-型层与所述第二n-型覆盖层接触，与所述活性层相对。
5.权利要求1的半导体结构体，其中所述第二n-型覆盖层基本上由AlxGa1-xN组成，其中0＜x＜1。
6.权利要求1的半导体结构体，其中所述活性层基本上由InyGa1-yN组成，其中0＜y＜1。
7.权利要求1的半导体结构体，其中所述p-型层是镁掺杂的氮化镓。
8.权利要求7的半导体结构体，其中所述第二n-型覆盖层足够厚，以阻止镁从所述p-型层到所述活性层的迁移，然而又足够薄，以促进在所述活性层内的重组。
9.权利要求1的半导体结构体，其中所述p-型层是氮化铟。
10.权利要求1的半导体结构体，其中所述p-型层是InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
11.权利要求1的半导体结构体，其中所述p-型层包括由多个第III族氮化物层形成的超晶格，其中所述氮化物层选自氮化镓、氮化铟和InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
12.权利要求11的半导体结构体，其中由两种第III族氮化物层的交替层形成所述超晶格，其中所述氮化物层选自氮化镓、氮化铟和InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
13.权利要求1的半导体结构体，进一步包括AlxInyGa1-x-yN的第三n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中所述第三n-型覆盖层位于所述第二n-型覆盖层与所述p-型层之间。
14.权利要求13的半导体结构体，其中所述第三n-型层具有第一表面和第二表面，其中所述第三n-型层的所述第一表面与所述p-型层接触，和所述第三n-型层的所述第二表面与所述第二n-型覆盖层接触。
15.权利要求1的半导体结构体，进一步包括n-型碳化硅衬底，其中所述第一n-型覆盖层位于所述碳化硅衬底与所述活性层之间。
16.权利要求15的半导体结构体，进一步包括选自氮化镓和氮化铟镓的离散晶体部分，所述离散晶体部分位于所述第一n-型覆盖层与所述碳化硅衬底之间，所述离散晶体部分的存在量足以降低所述第一n-型覆盖层与所述碳化硅衬底之间的屏蔽，但小于将有害地影响在所述碳化硅衬底上形成的任何所得发光装置的功能的量。
17.权利要求1的半导体结构体，进一步包括n-型碳化硅衬底；和位于所述碳化硅衬底与所述第一n-型覆盖层之间的导电缓冲层。
18.权利要求17的半导体结构体，其中所述导电缓冲层具有第一表面和第二表面，其中所述导电缓冲层的所述第一表面与所述碳化硅衬底接触，和所述导电缓冲层的所述第二表面与所述第一n-型覆盖层接触。
19.权利要求17的半导体结构体，其中所述导电缓冲层基本上由分子式为AlxGa1-xN的氮化铝镓组成，其中0＜x＜1。
20.权利要求17的半导体结构体，进一步包括第III族氮化物的n-型过渡层，所述过渡层位于所述导电缓冲层与所述第一n-型覆盖层之间。
21.权利要求17的半导体结构体，进一步包括选自氮化镓和氮化铟镓的离散晶体部分，所述离散晶体部分位于所述导电缓冲层与所述碳化硅衬底之间，所述离散晶体部分的存在量足以降低所述导电缓冲层与所述碳化硅衬底之间的屏蔽，但小于将有害地影响在所述碳化硅衬底上形成的任何所得发光装置的功能的量的量。
22.一种发光装置用半导体结构体，所述发光装置可发射在电磁光谱中红到紫外部分的光，所述结构体包括选自3C、4H、6H和15R中的多型体的n-型单晶碳化硅衬底；由至少一种第III族氮化物形成的p-型层，所述氮化物选自氮化镓、氮化铟和InxGa1-xN，其中0＜x＜1；AlxInyGa1-x-yN的活性层，其中0≤x＜1和0≤y≤1和(x+y)≤1，其中所述活性层是n-型，且位于所述碳化硅衬底与所述p-型层之间；和AlxInyGa1-x-yN的第一n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中所述第一n-型覆盖层位于所述碳化硅衬底与所述活性层之间；AlxInyGa1-x-yN的第二n-型覆盖层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1，其中所述第二n-型覆盖层位于所述活性层与所述p-型层之间；其中所述第一和第二n-型覆盖层各自分别具有的带隙大于所述活性层的带隙。
23.权利要求22的半导体结构体，其中所述第一n-型覆盖层具有第一表面和第二表面，所述第一n-型覆盖层的所述第一表面与所述碳化硅衬底接触，和所述第一n-型覆盖层的所述第二表面与所述活性层接触，其中所述第一n-型覆盖层的组成渐进式渐变，使得在所述第一n-型覆盖层的所述第一表面处的晶格更紧密地匹配所述碳化硅的晶格，和在所述第一n-型覆盖层的所述第二表面处的晶格更紧密地匹配所述活性层的晶格。
24.权利要求22的半导体结构体，其中所述第二n-型覆盖层具有第一表面和第二表面，所述第二n-型覆盖层的所述第一表面与所述活性层接触，和所述第二n-型覆盖层的所述第二表面与所述p-型层接触，其中所述第二n-型覆盖层的组成渐进式渐变，使得在所述第二n-型覆盖层的所述第一表面处的晶格更紧密地匹配所述活性层的晶格，和在所述第二n-型覆盖层的所述第二表面处的晶格更紧密地匹配所述p-型层的晶格。
25.权利要求22的半导体结构体，其中所述p-型层是镁掺杂的氮化镓。
26.权利要求25的半导体结构体，其中所述第二n-型覆盖层足够厚，以阻止镁从所述p-型层到所述活性层的迁移，然而又足够薄，以促进在活性层内的重组。
27.权利要求22的半导体结构体，其中所述p-型层包括由两种第III族氮化物层的交替层形成的超晶格，其中所述氮化物层选自氮化镓、氮化铟和InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
28.权利要求22的半导体结构体，进一步包括AlxInyGa1-x-yN的第三n-型层，其中0≤x≤1和0≤y＜1和(x+y)≤1；其中所述第三n-型覆盖层位于所述第二n-型覆盖层与所述p-型层之间。
29.权利要求22的半导体结构体，其中所述第三n-型层具有第一表面和第二表面，其中所述第三n-型层的所述第一表面与所述p-型层接触，和所述第三n-型层的所述第二表面与所述第二n-型覆盖层接触。
30.权利要求22的半导体结构体，进一步包括基本上由分子式为AlxGa1-xN的氮化铟镓组成的导电缓冲层，其中0≤x≤1；所述导电缓冲层位于所述碳化硅衬底与所述第一n-型覆盖层之间。
31.权利要求30的半导体结构体，进一步包括第III族氮化物的n-型过渡层，所述过渡层位于所述导电缓冲层与所述第一n-型覆盖层之间，且具有与所述第一n-型覆盖层相同的电导类型。
32.权利要求22的半导体结构体，进一步包括选自氮化镓和氮化铟镓的离散晶体部分，所述离散晶体部分位于所述第一n-型覆盖层与所述碳化硅衬底之间，所述离散晶体部分的存在量足以降低所述第一n-型覆盖层与所述碳化硅衬底之间的屏蔽，但小于将有害地影响在所述碳化硅衬底上形成的任何所得发光装置的功能的量。
全文摘要
本发明是一种发光装置用的半导体结构体，所述发光装置可发射在电磁光谱中红到紫外部分的光。该半导体结构体包括位于第一n－型第III族氮化物覆盖层(11)和第二n－型第III族氮化物覆盖层(12)之间的第III族氮化物活性层(13)，第一和第二n－型覆盖层各自具有的带隙大于活性层的带隙。该半导体结构体进一步包括p－型第III族氮化物层(18)，其位于半导体结构体内，使得第二n－型覆盖层(12)处于p－型层(18)与活性层(13)之间。
文档编号H01S5/323GK1503991SQ02803773
公开日2004年6月9日 申请日期2002年1月12日 优先权日2001年1月16日
发明者J·A·埃得蒙德, K·M·多沃斯派克, 孔华双, M·J·博格曼, J A 埃得蒙德, 博格曼, 多沃斯派克 申请人:克里公司