发光器件外延片和发光器件的制作方法

专利名称：：发光器件外延片和发光器件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及由化合物半导体晶体形成的发光器件外延片和发光器件。
背景技术：
：由化合物半导体晶体形成的发光器件例如使用AlGaInP基外延片制造的发光二极管(LED)被广泛用于诸如显示器、遥控器、车灯等增加亮度的各种应用中。作为生长化合物半导体晶体的方法，有金属有机物气相外延(MOVPE)法、分子束外延(MBE)法等。在MOVPE中，将第III族有机金属和第V族原料气体与高纯度氢载气混合，并且引入到反应炉中，并且在所述反应炉中被加热的衬底周围热解，由此在所述衬底上外延生长所述化合物半导体晶体。在MBE中，在超高真空中加热原料金属以产生分子束，将分子束施加在目标衬底晶体上以生长薄膜。所述化合物半导体外延片是指具有用上述方法在化合物半导体衬底上形成的外延层的晶片(wafer)。作为化合物半导体外延片的典型实例，有发光器件外延片。发光器件外延片是通过MOVPE、MBE等方法将n_型包覆层、发光层和p_型包覆层依次堆叠在衬底上来构建的。所述η-型包覆层的η-型掺杂剂主要使用Te(碲)、Se(硒)和Si(硅)。其中，在外延生长中使用Te或Se会使Te或Se保留在反应炉中，使得在随后的生长中，剩下的Te或Se进入晶体中。该现象被称为记忆效应。由经验来看，Si不会引起记忆效应现象。例如参考JP-A-7-94780、JP-A-2004-241463、JP-A-10-270797、JP-A-2003-31597和JP-A-2004-63709。目前要求发光器件的成本更低且性能更稳定，这是因为所期望的日益增加的应用以及现有技术的竞争。
发明内容本发明人发现，使用Te或Se作为η_型掺杂剂会由于记忆效应引起所述η_型掺杂剂混入非故意的层(例如P-型包覆层)，由此具有使工作电压Vf变高的不利效应。工作电压Vf是指使20mA电流流入LED芯片以使LED芯片发光所需要的电压。在所述晶片的周界相对强烈地发生记忆效应，由此使得在所述晶片的周界Vf变高。因此，所述晶片的周界不能用于器件制造，由此使芯片产量变差。另一方面，使用无记忆效应的Si作为η-型掺杂剂导致在初始电传导期间低的发光功率Po，并且在电传导之后高的Po，由此使可靠性低。因此，本发明的一个目的是提供一种发光器件外延片和发光器件，该发光器件允许增加的产量和良好的可靠性。本发明的另一目的是提供一种发光器件外延片和高可靠性发光器件，该发光器件允许抑制在所述外延片的周界的工作电压增长，允许其性能的面内均勻性(in-planehomogeneity)提高，以及允许使用整个晶片表面。(1)根据本发明的实施方式，一种发光器件外延片包括Π-型衬底；层叠在所述η-型衬底上的η-型包覆层；层叠在所述η-型包覆层上的包含量子阱结构的发光层；以及层叠在所述发光层上的ρ-型包覆层，其中，所述η-型包覆层包括掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的外延层，并且厚度不小于250nm且不超过750nm。在上述实施方式(1)中，可以进行如下改进和变化(i)所述掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的外延层被形成为从其η-型衬底侧到发光层侧逐渐增加Si浓度，而从所述η-型衬底侧到发光层侧逐渐降低除Si以外的η-型掺杂剂的浓度。(ii)所述掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的外延层的η-型掺杂剂是Si和Se，并且Se掺杂量相对于Si和Se的掺杂总量不少于20%且不超过80%。(2)根据本发明的另一实施方式，一种发光器件外延片包括η-型衬底；层叠在所述η-型衬底上的η-型包覆层；层叠在所述η-型包覆层上的包含量子阱结构的发光层；以及层叠在所述发光层上的ρ-型包覆层，其中，所述η-型包覆层包括掺杂有除Si以外的η-型掺杂剂的η_型第一包覆层和掺杂Si作为η-型掺杂剂的η-型第二包覆层，并且所述η-型包覆层的总厚度不小于250nm且不超过750nm。在以上的实施方式(2)中，可以进行如下改进和变化(iii)所述η-型第一包覆层的η-型掺杂剂是Se，并且所述Se掺杂的η_型第一包覆层的厚度不小于所述η-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述η-型包覆层的总厚度的80%。(iv)具有量子阱结构的发光层包括AlGaInP(0≤Al混晶比≤0.35)量子阱层，并且所述量子阱层厚度不小于2.5nm且不超过6.5nm,并且所述n_型包覆层中的载流子浓度不小于2.5XIO17CnT3且不超过7.OX1017cm_3。(ν)使用上述发光器件外延片制造的发光器件。(3)根据本发明的另一实施方式，一种发光器件外延片包括η-型衬底；层叠在所述η-型衬底上的η-型包覆层；层叠在所述η-型包覆层上的发光层；以及层叠在所述发光层上的ρ-型包覆层，其中，所述η-型包覆层包括含Si的两种以上η-型杂质。在上述实施方式(3)中，可以进行如下改进和变化(vi)所述η-型包覆层包括掺杂有包含Si的两种以上η-型杂质的外延层。(vii)所述η-型杂质是Si和Se，并且Se掺杂量相对于Si和Se的掺杂总量不小于20%且不超过80%。(viii)所述η-型包覆层中的Si浓度从其η-型衬底侧逐渐增加，而在所述η_型包覆层中除Si以外的η-型杂质的浓度从所述η-型衬底侧逐渐降低，并且所述η-型包覆层中的载流子浓度不小于3.5XIO1W3且不超过8.OX1017cm_3。(ix)通过层叠掺杂有除Si以外的η-型杂质的η-型第一掺杂剂掺杂层和在所述η-型第一掺杂剂掺杂层上掺杂Si作为η-型杂质的η-型第二掺杂剂掺杂层，形成所述η-型包覆层。(χ)所述η-型包覆层的总厚度不小于750nm且不超过1200nm，并且所述η-型第二掺杂剂掺杂层的厚度不小于所述η-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述η-型包覆层的总厚度的90%。(xi)使用上述发光器件外延片制造的发光器件。发明点根据本发明的一种实施方式，所述η-型包覆层包括含Si的两种以上η-型杂质。这通过添加Si以一起或相邻地形成Si掺杂的层使得记忆效应(这由添加除Si以外的η-型掺杂剂例如Se、Te等引起的)被抑制，由此抑制在所述晶片的周界的工作电压增长，提高了晶片性能的面内均勻性，以及允许使用整个晶片表面。另外，由发光器件外延片制造的发光器件的发光功率可以通过在η-型包覆层中的除Si以外的η-型杂质进行稳定化，从而允许高可靠性发光器件制造。接下来将结合附图更详细地解释本发明，其中图1是显示本发明第一实施方式中的发光二极管外延片的横截面图；图2Α是显示图1的发光二极管外延片的单层η-型包覆层的部分放大横截面图；图2Β是显示图1的发光二极管外延片的双层η-型包覆层的部分放大横截面图；图3是显示第一实施方式的实施例中和比较例中的发光二极管外延片的性能的图表；图4是显示在第一实施方式的实施例1中Se与Si+Se掺杂之比与Vf差和ΔP。之间关系的图；图5是显示在第一实施方式的实施例3中，η-型包覆层中的Se-掺杂的η-型第一包覆层的厚度与Vf差和APci之间关系的图；图6是显示在本发明的第二实施方式中的发光二极管外延片的横截面图；图7是显示在第二实施方式的实施例1中，在Se和Si混合物掺杂中Se与Si之比与Vf差和ΔΡ。之间关系的图；以及图8是显示在第二实施方式的实施例3中，在η-型包覆层中的Se-掺杂的η_型第一包覆层的厚度与Vf差和APci之间关系的图。优选实施方式的详细描述第一实施方式以下描述本发明的发光器件外延片的第一实施方式。发光器件外延片构造图1显示了本发明第一实施方式中的发光二极管外延片的横截面结构。如图1所示，通过金属有机物气相外延生长(MOVPE)在n_型衬底1上层叠n_型缓冲层2、层积有多对低-和高折射率层的反光层3、η-型包覆层4、具有量子阱结构的未掺杂的发光层5、未掺杂的分隔层6、ρ-型包覆层7、用于缓解晶格失配的ρ-型中间层8和P-型电流分散层9，形成第一实施方式中的发光二极管外延片。η-型包覆层4η-型包覆层4是掺杂有包含Si的两种以上η_型掺杂剂的混合物的外延层。作为除Si以外的η-型掺杂剂，有Se、Te等。所述n_型包覆层4优选是掺杂有Si和Se的混合物的外延层。所述η-型包覆层4还可以是掺杂有3种以上η-型掺杂剂例如Si、Se和Te的混合物的外延层。用Si和除Si以外的η-型掺杂剂(Se、Te)的η_型掺杂剂混合物掺杂所述η_型包覆层4，使得减轻单独掺杂Se(或Te)而产生的问题(即由Se或Te的记忆效应降低产量，尤其是在所述外延片的周界增加工作电压Vf的问题)，以及单独掺杂Si而产生的问题(即由于在初始电传导期间低的发光功率Po以及在电传导之后高的Po而导致的低可靠性的问题)。当所述η-型包覆层4是掺杂有Si和Se的混合物的外延层时，Se掺杂量(即Se掺杂剂浓度)优选相对于Si和Se的掺杂总量(即Si和Se掺杂剂总浓度)不小于20%且不超过80%(参见下文描述的图2Α、图2Β和3个实施例)。将在η-型包覆层4中的η-型掺杂剂分散以基本上均勻地混合Si和除Si以外的η-型掺杂剂。可选地，参见图2Α，η-型包覆层4中的η_型掺杂剂被形成为从其η_型衬底1(反光层3)侧到发光层5侧逐渐增加Si浓度，而从η-型衬底1(反光层3)侧到发光层5侧逐渐降低除Si以外的η-型掺杂剂(Se、Te)的浓度。从η_型衬底1(反光层3)侧到发光层5侧逐渐降低具有记忆效应的Se或Te的浓度的形成方式，可以大大减少由Se或Te导致的记忆效应的不利影响。此外，使无记忆效应的Si的浓度分布相对于Se等的浓度分布相反，可以确保在所述η-型包覆层4中所必需的载流子浓度。从实验和研究的结果来看，所述η-型包覆层4厚度优选不小于250nm且不超过750nm。此外，在所述n_型包覆层4中的载流子浓度优选为不小于2.5X1017cm_3且不超过T-OXlO1W3O此外参见作为所述η-型包覆层的另一实施方式的图2Β，所述η_型包覆层4可以具有双层(或多层)结构。在图2Β所示的实施方式中，所述η-型包覆层4具有双层结构，所述双层结构通过层叠掺杂Se作为除Si以外的η-型掺杂剂的η-型第一包覆层41和掺杂Si作为η-型掺杂剂的η-型第二包覆层42(所述η-型第一包覆层41可以是Te-掺杂的层或者Se和Te混合物掺杂的层)。在其η-型衬底1(反光层3)侧设置有Se-掺杂的η_型第一包覆层41的所述η_型包覆层4的双层结构，可以通过Se的记忆效应抑制在所述外延片的周界的工作电压增加。另外，它可以减轻在初始电传导期间低发光功率和在电传导之后发光功率增加的问题，这是在单层Si-掺杂的η-型包覆层的情况中产生的。优选不小于所述η-型包覆层4的总厚度(不小于250nm且不超过750nm)的25%且不超过所述η-型包覆层4的总厚度的80%被Se-掺杂的η-型第一包覆层41占据(参见下文描述的图2Α、图2Β和4个实施例)。如以上描述的，用包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物掺杂η-型包覆层4，或者由掺杂有除Si以外的η-型掺杂剂的η-型第一包覆层41和掺杂有Si的η-型第二包覆层42形成η-型包覆层4，允许抑制由于除Si以外的η-型掺杂剂例如Se、Te等导致的记忆效应。这可以抑制在晶片的周界的工作电压增加，由此改善了晶片性能的面内均勻性，由整个晶片制造具有良好性能的发光器件，并且增加其产量。此外，使用除Si以外的η-型掺杂剂例如Se、Te等可以获得优良长期可靠性的发光器件。具有量子阱结构的未掺杂的发光层5具有量子阱结构的未掺杂的发光层具有AlGaInP(0(Al混晶比彡0.35)量子阱，并且所述量子阱厚度优选不小于2.5nm且不超过6.5nm。制造发光器件由图1所示的发光二极管外延片制造发光器件，例如通过在η-型衬底1的后侧上形成η-侧电极、并且在ρ-型电流分散层9的前侧上形成ρ-侧电极，然后将所述晶片切割成芯片，以及将每个芯片安装在支座(support)例如管座(stem)上，由此获得发光二极管。尽管在上述实施方式中，所述η-型包覆层4具有掺杂包含Si的两种以上η_型掺杂剂的混合物的单层结构，或者通过层叠掺杂有除Si以外的η-型掺杂剂的η-型第一包覆层41和掺杂有Si的η-型第二包覆层42所形成的双层结构，它不限于这些结构，除此之外可以是它们的组合。例如，所述η-型包覆层4可以进行各种变化以具有双层结构、三层结构等，所述双层结构由在其η-型衬底1侧形成掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的层和在该层上形成的Si-掺杂的η-型第二包覆层形成，所述三层结构由在其η-型衬底1侧上形成Se-掺杂的η-型第一包覆层、在所述Se-掺杂的η_型第一包覆层上的掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的层以及在其上的Si-掺杂的η-型第二包覆层等形成。第一实施方式的实施例下文将描述第一实施方式的实施例。在该实施例中的LED外延片具有与如图1所示的第一实施方式中的发光二极管外延片相同的层结构。在该实施例中的AlGaInP基LED外延片已经在n_型电传导GaAs衬底上形成n_型GaAS缓冲层(载流子浓度为丨父川！！^，厚度为日。。!!!!!)。在所述缓冲层上形成用于反射从发光层向GaAs衬底发出的光的反光层。所述反光层包括交替层叠的高_和低_折射率膜，每层膜具有1/4波长厚度。在该实施例中生长5对Ala85Gaai5As和GaAs。在所述反光层上形成η-型(Ala68Gaa32)a51Ina49P包覆层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为500nm)。在所述η-型包覆层上形成的发光层具有量子阱结构，该量子阱结构具有15对从GaAs衬底侧层叠的(Ala55Gaa45)tl51Ina49P层(阻挡层，厚度为6.5nm)和Gaa51Ιηα49Ρ(量子阱层，厚度为4.0nm)。所述发光层是未掺杂的。在所述发光层上形成未掺杂的(Ala5Gaa5)a51Ina49P分隔层(厚度300nm)。在所述分隔层上形成Mg-掺杂的ρ-型(Ala7Gaa3)a51Ina49P包覆层(载流子浓度为3Χ1017cm_3，厚度为SOOnm)。在所述ρ-型包覆层上形成用于缓解在ρ-型包覆层与电流分散层(接触层)之间的晶格失配的中间层。所述中间层由Zn-掺杂的ρ-型(八‘^一^工！^斤丨载流子浓度为1.0X1018cm_3，厚度为300nm)形成。在顶部由Zn-掺杂的P-型GaP电流分散层(载流子浓度为2.0\1018(^_3，厚度为94!11)形成。用于形成LED外延片的外延层的方法是M0VPE。即将必需的第III族有机金属、第V族和掺杂剂原料气体与高纯度氢载气混合，引入反应炉中，并且在反应炉中加热的GaAs衬底周围热解，由此在GaAs衬底上生长外延层。对于外延生长，该实施例使用TMG(三甲基镓)作为Ga原料、TMA(三甲基铝)作为Al原料、TMI(三甲基铟)作为In原料、AsH3(胂)作为As原料、PH3(磷化氢)作为P原料、Si2H6(乙硅烷)作为Si的η-型掺杂剂原料，还使用H2Se(硒化氢)作为Se原料，以及DETe(二乙基碲)作为Te原料。该实施例还使用Cp2Mg(二茂镁)作为Mgρ-型掺杂剂原料，以及使用DEZ(二乙基锌)作为Zn原料。在该实施例中，实施例1-5和比较例1-3中的LED外延片分别被制造为具有如下η-型包覆层结构。比较例1-3在比较例1-3中制造具有单层η-型包覆层(载流子浓度为5.5Χ1017cm_3，厚度为500nm)的晶片，对于单层n_型包覆层分别使用如下n_型掺杂剂(l)Se(比较例1)(2)Te(比较例2)(3)Si(比较例3)第一实施方式的实施例1-5(4)在实施例1中制造具有单层η-型包覆层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为500nm)的晶片，该n_型包覆层共掺杂有Se和Siη-型掺杂剂，使得Se和Si掺杂比例(即在所述单层η-型包覆层中的Se浓度和Si浓度之比)为SeSi=21。(5)在实施例2中制造具有单层η-型包覆层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为500nm)的晶片，该n_型包覆层共掺杂有Te和Siη-型掺杂剂，使得Te和Si掺杂比例(即在所述单层η-型包覆层中的Te浓度和Si浓度)为TeSi=21。(6)在实施例3中制造具有双层η-型包覆层的晶片，所述双层η_型包覆层通过生长Se-掺杂的(Ala68Gaa32)tl51Ina49P层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为250nm)，和在其上的Si-掺杂的(Ala68Gaa32)tl51Ina49P层(载流子浓度为5.5X1017cnT3，厚度为250nm)来形成。(7)在实施例4中制造具有双层η-型包覆层的晶片，所述双层η_型包覆层通过生长Te-掺杂的(Ala68Gaa32)tl51Ina49P层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为250nm)，和在其上的Si-掺杂的(Ala68Gaa32)tl51Ina49P层(载流子浓度为5.5X1017cnT3，厚度为250nm)来形成。(8)在实施例5中制造具有单层η-型包覆层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为500nm)的晶片，所述单层n_型包覆层通过从其GaAs衬底侧到发光层侧改变n_型掺杂剂原料气体的供给来生长成，即H2Se从93ccm(初始生长)到Occm(最终生长)变化，Si2H6从Occm(初始生长)到176ccm(最终生长)变化。考虑目标Π-型掺杂剂浓度(以及在η-型半导体层中的载流子浓度)和每种原料的掺杂效率，确定所供给的每种η-型掺杂剂原料气体的量。由比较例1-3和实施例1-5中的LED外延片来制造LED芯片，并且测量LED芯片的性能。所获得的LED芯片的性能如以下(i)-(vi)所示。测量LED芯片的性能的结果如表3中所示。(i)Pol[mff]在初始电传导期间的发光功率(ii)Vfl[V]在初始电传导期间的工作电压(iii)Po2[mff]在240小时电传导以后的发光功率(iv)Vf2[V]在240小时电传导以后的工作电压(ν)ΔΡο[%]=02/01\100:在240小时电传导以后的发光功率？02与在初始电传导期间的发光功率Pol[mW]之比(vi)ΔVf[V]=Vf2-Vf1通过从在240小时电传导之后的工作电压Vf2减去在初始电传导期间的工作电压Vfl所表示的工作电压随时间的变化⑴和(ii)是初始性能，(ν)和(vi)是显示可靠性的性能。ΔPo越接近100%，可靠性越高；而ΔVf越小，可靠性越高。优选ΔΡο在95110%范围内，并且AVf在士0.IV范围内。工作电压是指使20mA电流流入LED芯片以使LED芯片发光所需要的电压。还测量比较例1-3和实施例1-5中的外延片的面内均勻性。对于比较例1-3和实施例1-5中的每个LED外延片，由晶片中间部分和由从晶片边缘向内3mm的部分(晶片边缘部分)制造芯片，并且测量在所述晶片中间部分和所述晶片边缘部分的在初始电传导期间的发光功率Pol和在初始电传导期间的工作电压Vfl。所获得的外延片的面内均勻性能如以下(vii)和(viii)所示。测量所述外延片的面内均勻性能的结果如图3中所示。(Vii)P0差通过从在所述晶片边缘部分中的芯片的初始电传导期间的发光功率Pol减去在晶片中间部分中的芯片的初始电传导期间的发光功率Pol的发光功率差(Viii)Vf差通过从在所述晶片边缘部分中的芯片的初始电传导期间的工作电压Vfl减去在所述晶片中间部分中的芯片的初始电传导期间的工作电压Vfl的工作电压差Po差和Vf差越小，性能的面内均勻性越好。先前提到的ΔΡο和AVf是测量在所述晶片中间部分的芯片。参见附图3，比较例1(100%的Se掺杂)和比较例2(100%的Te掺杂)分别显示出高达0.41V和0.45V的Vf差，由此具有差的面内均勻性。另外，比较例3(100%的Si掺杂)显示出非常高的达264.3%的ΔΡο，并且还显示出高至0.24V的AVf，由此具有低的可靠性。相比之下，发现实施例1-5显示出0.020.05V的Vf差，这些实施例都不超过0.IV，由此具有实质上改善的Vf面内均勻性。另外，实施例1-5显示出100.9103.的ΔPo，并且还显示出0.020.06V的AVf，由此具有良好的可靠性。所获得的实施例1_5的其它性能可以与比较例1-3的所述性能相当或与比较例1-3的所述性能相比更好。在实施例1(Se-和Si-掺杂的单层η-型包覆层)中，Se和Si比例是变化的。图4显示了当改变由Se掺杂量(即Se的掺杂剂浓度)相对于Se和Si的掺杂总量(即Si和Se的总掺杂剂浓度)定义的掺杂比例(％)时Vf差值和ΔΡο的结果。当Se相对于Se和Si的总量的掺杂比例小于20%时，ΔΡο大；并且当Se掺杂比例超过80%时，Vf差值大。因此，在Se和Si混合物掺杂中，当Se相对于Se和Si的总量的掺杂比例不小于20%且不超过80%时，Vf差值和APo是优良的。此外，由图3和图4可以推定当在实施例2(Te-和Si_共掺杂的单层n_型包覆层)中改变Te和Si比例时，获得类似的结果。在实施例3(具有Se-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为250nm)和Si-掺杂的(Alc^Gau^iIn^P层(载流子浓度为5.5X1017cm_3，厚度为250nm)的双层n型包覆层)中，Se-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层的厚度得到变化，但n-型包覆层的总厚度控制在500nm。当Se-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层的厚度小于125nm时，APo大；并且当Se-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层的厚度超过400nm时，Vf差值大。当Se-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层的厚度不小于125nm且不超过400nm时(当Se-掺杂的(Al^GauJuJn^P层具有不小于所述n_型包覆层的总厚度的25%且不超过所述n_型包覆层的总厚度的80%时)，Vf差值和APo两者都是优良的。此外，更优选Se-掺杂的层厚度不小于125nm且不超过350nm(Se-掺杂的n型第一包覆层厚度不小于所述n_型包覆层的总厚度的25%且不超过所述n-型包覆层的总厚度的70%)。另外，由图3和图5可以推定在具有层叠其中的Te-掺杂层和Si-掺杂层的实施例4中，获得类似结果。在上述实施例中，LED外延片的发光层具有量子阱结构，所述量子阱结构具有15对从GaAs衬底侧层叠的(Alc^GaaJmln^P层(阻挡层，厚度为6.5nm)和Ga(1.51In(1.49P(量子阱层，厚度4.Onm)。该量子阱层掺杂有A1以形成AlGalnP层，并且其A1混晶比例被改变为基本上0.35，并且改变量子阱层厚度至基本上为2.56.5nm。即发现当发光层的发光波长变化时，获得类似的结果。在发光层的量子阱结构中的对数不限于15对。第二实施方式以下描述根据本发明的发光器件外延片的第二实施方式。发光器件外延片构造图6显示了在本发明的第二实施方式中的发光器件外延片的横截面结构。此处描述LED外延片。如图6所示，通过在n-型衬底102上顺序层叠缓冲层103、n_型包覆层104、发光层105、分隔层106、p-型包覆层107、中间层108和电流分散层109，形成在第二实施方式中的该发光器件外延片101。n-型衬底102是底层化合物(underlyingcompound)半导体晶体，并且由导电的GaAs衬底形成。缓冲层103是用于缓解在n-型衬底102和n_型包覆层104之间的晶格失配的层，并且是由n-型GaAs形成的。n-型包覆层104是由n-型AlGalnP形成，并且p-型包覆层107是由p-型AlGalnP形成。这些是形成为与活性层105相邻或紧密接触的高带隙能量半导体层。活性层105是发光层，并且是由未掺杂的AlGalnP形成。分隔层106用于抑制活性层105的自由电子的离子散射，并且由高A1组成比的未掺杂的AlGalnP形成。中间层108是用于缓解在p-型包覆层107与电流分散层109之间的晶格失配，并且由p-型AlGalnP形成。电流分散层109是用于将电流沿芯片表面方向分散以用于扩大发光面积，并且是由P-型GaP形成的。在第二实施方式中的发光器件外延片101的特征在于，n-型包覆层104是通过使用包含Si的2种以上n-型杂质来形成的。即，所述n-型包覆层104是由掺杂有包含Si的两种以上n-型杂质的混合物的外延层来形成的。除了Si以外，n-型杂质使用Te或Se。所述n_型包覆层104具有不小于3.5X1017cnT3且不大于8.OX1017cnT3的载流子浓度，并且具有不小于750nm且不超过1200nm的厚度。例如，当掺杂Si和Se的混合物作为n-型杂质时，Se掺杂量(即Se的掺杂剂浓度)不小于Si和Se的掺杂总量(即Si和Se的总掺杂剂浓度)的20%且不超过Si和Se的掺杂总量(即Si和Se的总掺杂剂浓度)的80%。这是因为Se掺杂量小于Si和Se的掺杂总量的20%，不能确保所生产的发光器件的稳定发光功率，由此导致低的可靠性，而Se掺杂量超过Si和Se掺杂总量的80%时，使工作电压的面内均勻性变差。如下解释该发光器件外延片101的功能和效果。常规地，已知使用Te或Se作为所述n_型包覆层104的n_型杂质会引起记忆效应。Si不具有记忆效应，但是单独掺杂Si会使器件芯片的发光功率被电导率改变，从而使其稳定性变差。相比之下，发光器件外延片101是掺杂有无记忆效应的Si、和具有良好掺杂效率的Se或Te的混合物作为n-型包覆层104的n_型杂质。这使记忆效应被Si抑制，由此抑制在所述晶片的周界的工作电压增加，提高了晶片性能的面内均勻性，以及允许使用整个晶片。此外，可以由Se或Te确保由发光器件外延片101制造的发光器件的稳定发光功率，由此允许高可靠性的发光器件生产。接着描述另外的第二实施方式。在该实施方式中的发光外延片基本上与在所述第二实施方式中的发光器件外延片101相同，除了n-型包覆层104的n-型杂质被形成为从其n_型衬底102侧逐渐增加Si浓度，而从n-型衬底102侧逐渐降低除了Si以外的n-型杂质的浓度，并且在所述n_型包覆层中的载流子浓度不小于3.5X1017cm_3且不超过8.OX1017cm_3，并且所述n_型包覆层104的厚度不小于750nm且不超过1200nm。如同在第二实施方式中一样，除了Si以外的n_型杂质使用Se或Te。更具体地，除了Si以外的n-型杂质在所述n-型包覆层104中的浓度从在其n_型衬底102侧的100%变化到在发光层105侧的0%，而Si浓度从0%到100%相反变化。掺杂n-型杂质(掺杂剂)使得n-型包覆层具有所希望的载流子浓度。例如，当Se载流子浓度在lOOccm时为7.5X1017cnT3，并且Si载流子浓度在200ccm时为7.5X1017cm_3时，Se载流子浓度从在n_型包覆层104生长开始时的lOOccm逐渐变化到在所述n-型包覆层104生长期间的Occm，而Si浓度从所述n_型包覆层104生长开始时的Occm逐渐变化到在所述n-型包覆层104生长期间的200ccm。因此，刚在所述n-型包覆层生长结束之前，不供应除Si以外的n-型杂质。这消除了n-型杂质被引入随后形成的层中的担心。此外，用具有良好掺杂效率的Se或Te掺杂n_型包覆层104可以确保所制造的发光器件的稳定发光功率，由此提高了其可靠性。因此，在该实施方式中的发光器件外延片可以抑制在所述晶片的周界的工作电压增加，提高了晶片性能的面内均勻性，允许使用整个晶片表面，并且允许高可靠性的发光器件生产，如同在第二实施方式中的一样。进一步描述另外的第二实施方式。在该实施方式中的发光器件外延片具有双层结构的n-型包覆层。具体地，通过层叠掺杂有除Si以外的n-型杂质(Se或Te)的n_型第一掺杂剂掺杂层以及在n-型第一掺杂剂掺杂层的顶部上掺杂Si作为n-型杂质的n-型第二掺杂剂掺杂层，形成所述n-型包覆层。优选所述n-型包覆层的总厚度不小于750nm且不大于1200nm，并且所述n_型第二掺杂剂掺杂层具有不小于所述n-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述n-型包覆层的总厚度的90%。这是因为n-型第二掺杂剂掺杂层厚度小于所述n-型包覆层的总厚度的25%，不能确保所制造的发光器件的稳定发光功率，由此导致低的可靠性，而n-型第二掺杂剂掺杂层厚度超过90%会使工作电压的面内均勻性变差。由于在该实施方式中的发光器件外延片在所述n-型包覆层的上层，即n-型第二掺杂剂掺杂层中掺杂无记忆效应的Si作为n-型杂质，所以不担心n-型杂质被引入在生长n-型包覆层之后所形成的层。因此，在该实施方式中的发光器件外延片可以抑制在晶片的周界的工作电压增加，提高了晶片性能的面内均勻性，允许使用整个晶片表面，以及允许高可靠性的发光器件制造，如同在第二实施方式中的一样。接着描述根据本发明的发光器件。根据本发明的该发光器件是通过使用在上述实施方式中的发光器件外延片来制造的。该发光器件具有稳定的发光功率，由此具有优异的可靠性，因为使用本发明的发光器件外延片，其n-型包覆层104是通过使用包含Si的2种以上n-型杂质来形成的。第二实施方式的实例通过第二实施方式的实例来解释本发明的原因。首先，第III族有机金属和第V族原料气体与高纯度的氢载气混合，引入反应炉中，并且在反应炉中被加热的衬底附近热解，由此在所述衬底上金属有机物气相外延生长LED外延结构，如下表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>此处，n-型和p-型分别由n-和p-表示。对于外延生长，该实施例使用TMG(三甲基镓)作为Ga原料、TMA(三甲基铝)作为A1原料、TMI(三甲基铟)作为In原料、AsH3(胂)作为As原料、PH3(磷化氢)作为P原料、Si2H6(乙硅烷)作为Sin-型杂质原料，还使用H2Se(硒化二氢)作为Se原料以及DETe(二乙基碲)作为Te原料。该实施例还使用Cp2Mg(二茂镁)作为Mgp_型杂质原料以及DEZA(二乙基锌)作为Zn原料。在n-型衬底(n-型电传导GaAs衬底)102上生长n_型GaAs缓冲层103(载流子浓度为lX1018cm_3，厚度为500歷)。在缓冲层103上生长n-型(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P包覆层104(载流子浓度为7.5X1017cnT3，厚度为lOOOnm)。在所述包覆层104上生长未掺杂的(AluGauhiln^P发光层105(厚度650nm)。在所述发光层105上生长(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P分隔层106(厚度300nm)。在所述分隔层106上生长Mg-掺杂的p-型(Ala7Ga(1.3)Q.51In(1.49P包覆层107(载流子浓度为3X1017cm_3，厚度为800nm)。在所述n_型包覆层107上生长用于缓解在p-型包覆层107与电流分散层(接触层)109之间的晶格失配的中间层108。所述中间层108由Zn-掺杂的p-型(AlMG^J^In。」；^载流子浓度为1.0X1018cm_3，厚度为300nm)形成。在顶部上生长Zn-掺杂的p-型GaP电流分散层109(载流子浓度为2.0X1018cm_3，厚度为9lim)。在以下的第二实施方式的实施例1-5和比较例1-3中，生长LED外延片。在第二实施方式的实施例1-5和比较例1-3中的LED外延片的大小为4-英寸。比较例1-3在比较例1-3中，分别使用Se(比较例1)、Te(比较例2)和Si(比较例3)作为n-型包覆层的n-型杂质来生产所述晶片。第二实施方式的实施例1-5在实施例1中，用n-型包覆层104来生产所述晶片，所述n-型包覆层共掺杂Se和Sin-型杂质使得Se和Si掺杂比例(即在所述n-型包覆层104中的Se浓度和Si浓度之比)为SeSi=21。在实施例2中，用共掺杂Te和Sin_型掺杂剂的n_型包覆层104来生产晶片，所述n-型包覆层共掺杂Te和Sin-型掺杂剂使得Te和Si掺杂比例(即在所述n-型包覆层104中的Te浓度和Si浓度的比例)为TeSi=21。在实施例3中，用Se-掺杂的(Ala68Ga(1.32)a51Ina49P层(载流子浓度为7.5X1017cm_3，厚度为500nm)和在其上生长作为n_型包覆层的Si-掺杂的(Alc^Gau^jln^P层(载流子浓度为〖.SXlOtcnT3，厚度为500nm)来生长所述晶片。在实施例4中，用Te_掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层(载流子浓度为7.5X1017cm_3，厚度为500nm)和在其上生长作为n-型包覆层的Si-掺杂的(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P层(载流子浓度为7.5X1017cm_3，厚度为500nm)来生长所述晶片。在实施例5中，用如下所述的n_型包覆层来生产所述晶片，所述n-型包覆层通过将Se掺杂剂原料气体的量从125ccm(在所述n_型包覆层生长开始时)逐渐变化到Occm，以及将Si掺杂剂原料气体的量从Occm(在所述n_型包覆层生长开始时)逐渐变化到241ccm，使得所述n-型包覆层的载流子浓度为7.9X1017cm_3，总厚度为lOOOnm的方式来生长的。考虑目标n-型掺杂剂浓度(以及在n-型半导体层中的载流子浓度)和每种原料的掺杂效率，确定所供给的每种n-型掺杂剂原料气体的量。LED芯片由实施例1-5和比较例1-3中的LED外延片来制造，并且比较LED芯片的性能。所比较的LED芯片的性能如下⑴Pol[mW]在初始电传导期间的发光功率；(ii)Vfl[V]在初始电传导期间的工作电压；(iii)Po2[mW]在240小时电传导之后的发光功率；以及(iv)Vf2[V]:在240小时电传导之后的发光功率。此外，(v)APo[%]是在240小时电传导之后的发光功率Po2[mW]与在初始电传导期间的发光功率Pol[mW]之比，以及(vi)AVf[V]是通过从在240小时电传导之后的工作电压Vf2减去在初始电传导期间的工作电压VH所表示的工作电压随时间的变化。⑴和(ii)是初始性能，(v)和(vi)是显示可靠性的性能。APo越接近于100%,可靠性越高，而AVf越小，可靠性越高。对于实施例1-5和比较例1-3中的每种LED外延片，由晶片中间部分以及由从晶片边缘向内3mm的部分制造所述芯片。在所述晶片中间部分和从晶片边缘向内3mm部分之间的发光功率差被表示为Po差(=从晶片边缘向内3mm的部分的数值-晶片中间部分的数值)。同样，其间的工作电压差被表示为Vf差。Po差和Vf差越小，所述性能的面内均勻性越好。先前提到的APo和AVf是在晶片的中间部分来测量的。如下表2显示了在第二实施方式的实施例1-5和比较例1-3中制造的LED芯片的性能。表215<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>比较例1-2显示了Vf差分别高达0.35V和0.42V。此外，比较例3显示了APo高达256.1%。相比之下，发现第二实施方式的实施例1-5显示了Vf差小至0.010.06V,由此具有实质上改善的Vf面内分布。另外，实施例1-5还显示出APo为101.8-104.3%，由此没有可靠性的问题。所获得的实施例1-5的其它性能能与比较例1-3的所述性能相当或者与比较例1-3的所述性能相比更好。图7显示出当改变第二实施方式的实施例1中的Se和Si比例时Vf差和APo的结果。正如图7中所示的，在Se和Si混合物掺杂中，当Se掺杂量(即Se掺杂剂浓度)相对于Se和Si掺杂总量(即Se和Si的总掺杂剂浓度)的掺杂比例不小于20%且不大于80%，Vf差和APo两者都是优良的。由此结果来看，可以推定当第二实施方式的实施例2中Te和Si的比例变化时，获得类似的结果。图8显示了当在第二实施方式的实施例3中变化Se-掺杂的(Ala68Ga0.32)0.51Ina49P层(载流子浓度为7.5X1017cnT3，厚度为500nm)及其上的生长作为n_型包覆层的Si-掺杂的(Ala68Ga(1.32)a51Ina49P层(载流子浓度为7.5X1017cm_3，厚度为500nm)的各层厚度时，Vf差和APo的结果；但是总厚度控制在lOOOnm。正如图8中所示的，在该结构中，当Se-掺杂的仏‘⑷^一^^！^“层(载流子浓度为7.5X1017cnT3)不小于250nm且不超过900nm时Vf差和APo两者都是优良的。由该结果可以推定当在其中层叠有Te-掺杂的层和Si-掺杂的层的第二实施方式的实施例4中时，获得类似的结果。另外，当所述n-型包覆层的总厚度不小于750nm且不超过1200nm时，并且当Se-掺杂的层厚度不小于所述n-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述n-型包覆层的总厚度的90%时，Vf的面内分布、可靠性以及其它性能是优良的，正如在实施例1-5中的一样。尽管在上述实施例中发光层是未掺杂的AlGalnP单层(650nm)，但是它可以是多层量子阱(MQW)结构。由上所述，发现用包含Si的两种以上Π-型杂质掺杂所述Π-型包覆层可以抑制在所述晶片的周界的工作电压增加，改善晶片性能的面内均勻性，允许使用整个晶片表面，确保稳定的发光功率，并且允许高可靠性发光器件制造。尽管针对上述的实施方式已经描述了本发明，但是上述实施方式并不打算限制所附的权利要求。此外，需要注意的是，并不是在上述实施方式中所述的特征的所有组合对用于解决本发明的问题的手段都是必须的。权利要求一种发光器件外延片，其包括n-型衬底；层叠在所述n-型衬底上的n-型包覆层；层叠在所述n-型包覆层上的包含量子阱结构的发光层；以及层叠在所述发光层上的p-型包覆层，其中，所述n-型包覆层包括掺杂有包含Si的两种以上n-型掺杂剂的混合物的外延层，并且厚度不小于250nm且不超过750nm。2.根据权利要求1所述的发光器件外延片，其中所述掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的外延层被形成为从其η-型衬底侧到发光层侧逐渐增加Si浓度，而从所述η-型衬底侧到发光层侧逐渐降低除Si以外的η-型掺杂剂的浓度。3.根据权利要求1所述的发光器件外延片，其中所述掺杂有包含Si的两种以上η-型掺杂剂的混合物的外延层的η-型掺杂剂是Si和Se，并且Se掺杂量相对于Si和Se的掺杂总量不少于20%且不超过80%。4.一种发光器件外延片，其包括η-型衬底；层叠在所述η-型衬底上的η-型包覆层；层叠在所述η-型包覆层上的包含量子阱结构的发光层；以及层叠在所述发光层上的P-型包覆层，其中，所述η-型包覆层包括掺杂有除Si以外的η-型掺杂剂的η-型第一包覆层和掺杂Si作为η-型掺杂剂的η-型第二包覆层，并且所述η-型包覆层的总厚度不小于250nm且不超过750nm。5.根据权利要求4所述的发光器件外延片，其中所述η-型第一包覆层的所述η-型掺杂剂是Se，并且所述Se掺杂的η-型第一包覆层不小于所述η-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述η-型包覆层的总厚度的80%。6.根据权利要求1所述的发光器件外延片，其中具有量子阱结构的所述发光层包括AlGaInP(0≤Al混晶比≤0.35)量子阱层，并且所述量子阱层厚度不小于2.5nm且不超过6.5nm,并且所述n_型包覆层中的载流子浓度不小于2.5X1O17CnT3且不超过7.OX1O17CnT3。7.使用权利要求1所述的发光器件外延片制造的发光器件。8.一种发光器件外延片，其包括η-型衬底；层叠在所述η-型衬底上的η-型包覆层；层叠在所述η-型包覆层上的发光层；以及层叠在所述发光层上的P-型包覆层，其中，所述η-型包覆层包括含Si的两种以上η-型杂质。9.根据权利要求8所述的发光器件外延片，其中所述η-型包覆层包括掺杂有包含Si的两种以上η-型杂质的混合物的外延层。10.根据权利要求9所述的发光器件外延片，其中所述η-型杂质是Si和Se，并且Se掺杂量相对于Si和Se的掺杂总量不小于20%且不超过80%。11.根据权利要求9所述的发光器件外延片，其中所述η-型包覆层中的Si浓度从其η-型衬底侧逐渐增加，而在所述η-型包覆层中的除Si以外的η-型杂质的浓度从所述η-型衬底侧逐渐降低，并且在所述η-型包覆层中的载流子浓度不小于3.5XIO17CnT3且不超过8.OX1017cm_3。12.根据权利要求8所述的发光器件外延片，其中通过层叠掺杂有除Si以外的η-型杂质的η-型第一掺杂剂掺杂层和在所述η-型第一掺杂剂掺杂层上掺杂Si作为η-型杂质的η-型第二掺杂剂掺杂层，形成所述η-型包覆层。13.根据权利要求12所述的发光器件外延片，其中所述η-型包覆层的总厚度不小于750nm且不超过1200nm，并且所述η-型第二掺杂剂掺杂层不小于所述η-型包覆层的总厚度的25%且不超过所述η-型包覆层的总厚度的90%。14.使用权利要求8所述的发光器件外延片制造的发光器件。全文摘要一种发光器件外延片包括n-型衬底、层叠在所述n-型衬底上的n-型包覆层、层叠在所述n-型包覆层上的包含量子阱结构的发光层以及层叠在所述发光层上的p-型包覆层。所述n-型包覆层包括掺杂有包含Si的两种以上n-型掺杂剂的混合物的外延层，并且厚度不小于250nm且不超过750nm。或者，一种发光器件外延片包括n-型衬底、层叠在所述n-型衬底上的n-型包覆层、层叠在所述n-型包覆层上的发光层以及层叠在所述发光层上的p-型包覆层。所述n-型包覆层包括含Si的两种以上n-型杂质。文档编号H01L33/26GK101826584SQ201010122250公开日2010年9月8日申请日期2010年3月2日优先权日2009年3月3日发明者今野泰一郎,竹内隆申请人:日立电线株式会社