集成有含铝层的发光二极管和相关方法与流程

集成有含铝层的发光二极管和相关方法
1.相关申请
2.本技术要求2020年5月4日提交的、名称为“additional layers below quantum wells in led structures for enhanced performance and directionality”的美国专利申请序号63/019,765和2021年1月8日提交的、名称为“light emitting diodes with aluminum-containing layers integrated therein and associated methods”的美国专利申请序号63/135,288的优先权，这两个美国专利申请通过引用整体地并入本文。


背景技术：

3.本公开的各方面一般涉及发光元件，诸如各种类型的显示器中使用的那些，并且更具体地，涉及改进的有源元件在发光元件中的有源层中的并入。
4.虽然需要在显示器中不断增加光发射器(例如，像素)的数目以提供更好的用户体验并且使得能实现新应用，但是在显示格式方面增加光发射器的数目已成为挑战。为了实现越来越小的光发射器以增加光发射器的计数和密度两者，诸如microled结构或纳米发射器的小型发光二极管(led)的潜在使用是有吸引力的。然而，用于制造大量、高密度并且能够产生不同颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的microled结构的当前可用技术是繁琐的、耗时的、昂贵的，或者导致具有性能限制的led结构。
5.诸如基于氮化铟镓(ingan)量子阱(qw)结构的高效率led的高级led结构需要精确形成各种材料层，这些各种材料层被设计成合作以产生具有期望发射特性的光发射。
6.图1示出通常实现的现有技术的外延层led结构100。led结构100包括半导体模板110，也称为半导体衬底，以用于支撑一个或多个块体或准备层120。有源多量子阱(mqw)区130形成在块体或准备层120上。块体或准备层120例如是被配置用于提供晶格失配和/或热膨胀系数失配的减少效果和/或从半导体模板110到有源mqw区130的缺陷过滤的材料的厚层或两种或更多种材料的结构。块体或准备层120的材料组分被调整以在针对有源mqw区130的材料选择中获得更多灵有源，从而使得能够形成具有期望光发射特性的有源区。最后，在有源qw上沉积一个或多个p层140以形成向led结构100提供电子连接的p-n二极管。p层140包括p掺杂层和/或接触层。led结构100然后被蚀刻或者以其他方式成形以为指定应用形成所期望的microled形状因数。


技术实现要素：

7.虽然现有技术的led结构100提供用于设计microled的框架，但是一系列材料选择、特定外延沉积条件以及两者的组合是可能的。例如，在microled结构内包括某些材料层已知提供有利的光学和电气特性，诸如减少的给出更高辐射效率的缺陷和减少的发射波长偏移。然而，迄今为止，具有在红色波长中的高效率和发光率的microled，特别是基于氮化铟镓(ingan)或磷化铟镓(ingap)的microled一直难以生产。
8.下文呈现一个或多个方面的简化概要以提供对此类方面的基本理解。本发明内容不是对所有设想方面的广泛概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或决定性要素，也不
旨在刻划任何或所有方面的范围。其目的是为了以简化形式呈现一个或多个方面的一些构思作为稍后呈现的更详细描述的序言。
9.本公开的各方面提供改进发光元件的性能的技术和结构。
10.在某些实施例中，一种发光二极管(led)结构包括：块体或准备层，该块体或准备层形成在半导体模板上；有源区，该有源区形成在块体或准备层上并且包括：形成在块体或准备层上的第一屏障层；形成在第一屏障层上的至少一个含铝有源量子阱(qw)堆叠；以及形成在有源qw堆叠上的第二屏障层；以及至少一个p层，该至少一个p层形成在有源区上；其中，当至少一个有源qw堆叠被注入电流驱动时，有源区从led结构发射光。
11.在其他实施例中，一种发光二极管(led)结构包括：半导体模板；第一准备层，该第一准备层形成在半导体模板上；第二准备层，该第二准备层形成在第一准备层上；至少一个有源量子阱(qw)层，该至少一个有源量子阱(qw)层形成在第二准备层上方；以及至少一个p层，该至少一个p层形成在有源qw层上；其中，有源qw层在被激活时从led结构发射光。
12.在其他实施例中，一种方法在半导体衬底上形成发光二极管(led)结构。该方法包括：在半导体衬底上沉积至少一个准备层；在至少一个准备层上形成有源多量子阱(mqw)区；以及在有源mqw区上沉积p层；其中，形成有源mqw区包括：沉积第一屏障材料，沉积有源qw材料，以及沉积第二屏障材料；其中，形成有源mqw区可选地包括：在第一屏障材料与有源qw材料之间沉积底层，在底层与有源qw材料之间沉积中间层，以及在有源qw材料与第二屏障材料之间沉积盖层；其中，沉积有源qw材料、沉积底层、沉积中间层和沉积盖层中的至少一者包括并入铝。
附图说明
13.附图仅图示一些实现方式并且因此不应被认为限制范围。
14.图1图示通常实现的现有技术的microled结构。
15.图2是在实施例中图示具有由单个衬底支撑的多个microled结构以供在显示器中使用的一个示例led阵列的一部分的顶视图。
16.图3是在实施例中图示具有改进的形态和应变特性的具有第一准备层和第二准备层的一个示例microled结构的示意横截面。
17.图4是在实施例中图示具有改进的形态和应变特性的具有非有源qw层和algan层的一个示例led结构的示意横截面。
18.图5是在实施例中图示具有改进的方向性的一个示例led结构的示意横截面。
19.图6是在实施例中图示通过减少空穴泄漏具有改进的性能的一个示例led结构的示意横截面。
20.图7是在实施例中图示在有源多量子阱(mqw)区内包括铝的一个示例microled结构的示意横截面。
21.图8a和图8b是在实施例中图示在有源mqw区内包括含铝底层的示例microled结构的示意横截面。
22.图9是在实施例中图示在有源mqw区内包括定位在有源qw上方的含铝盖层的一个示例microled结构的示意横截面。
23.图10是在实施例中图示包括在至少一个有源qw层内并入的铝的一个示例
microled结构的示意横截面。
24.图11是在实施例中图示类似于图10的microled结构并且进一步包括含铝底层的一个示例microled结构的示意横截面。
25.图12是在实施例中图示类似于图10的microled结构并且进一步包括含铝盖层的一个示例microled结构的示意横截面。
26.图13是在实施例中图示类似于图12的microled结构并且进一步包括含铝底层的一个示例microled结构的示意横截面。
27.图14是在实施例中图示用于制作microled结构的一个示例过程的流程图。
具体实施方式
28.在下面关于所附绘图或图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而不旨在表示可以在其中实践本文描述的构思的唯一配置。详细描述包括用于提供对各种构思的彻底理解的特定细节。然而，对本领域的技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实现这些构思。在一些实例中，以框图形式示出公知组件以避免使此类构思混淆。
29.对于某些应用，以红色、绿色、蓝色(rgb)波长工作的microled结构被组合在用于低成本、低功耗应用例如用于智能手表、智能电话和电视的低占空因数、低密度显示器中。在此类低密度显示器中，例如，每种颜色的microled结构被分开地制作，然后转移并组合在低占空因数rgb像素的分开的显示背板上，以提供相当于现有液晶显示器或具有更低功耗优点的有机发光二极管显示器的全色。
30.在另一应用途径中，microled结构(例如，形状因数为十微米数量级或更小的led)可以用于形成高密度的光发射器阵列以使得能实现新一类显示应用，诸如用于增强现实(ar)或虚拟现实(vr)成像的紧凑光场显示器。用于实现此类高密度的microled结构阵列的一个方式是在单个衬底上单片地集成微米级发射器。然而，由于旨在发射不同范围的波长中的光(诸如红色、绿色和蓝色)的microled结构在结构和材料组分方面的差异以及在实现必要的精度以将分开地形成的microled结构转移到高密度配置的背板上时的困难，以不同波长发射的microled结构的单片集成是内在有问题的。例如，虽然使用兼容材料以高发光率和效率工作的蓝色和绿色microled结构是可能的，但是实现具有可比较的发光率和效率的红色(或甚至长波长绿色、琥珀色或红橙色)microled结构已证明是困难的。例如，虽然蓝色和绿色可见光波长范围内的microled结构已被演示有高效率，但是红色可见光波长范围内的microled结构一直更难以生产。
31.tanner等人的、2020年1月28日的、标题为“polar ingan/gan quantum wells:revisiting the impact of carrier localization on the green gap problem”的论文将基于ingan的红色led(例如，在620nm和以上)的内部量子效率(iqe)讨论为已知非常低(例如，参见tanner图1，将iqe示出为基本上为零)。本文描述的实施例公开了led结构的各个层内的铝的包括，并且已在635nm波长下实现了12％和更大的iqe值。示例qw结构层组分包括以下各项中的一种或多种：gan、algan、gan、inxga1-xn和algan。改进的led结构还可以包括包含铝的一个或多个附加中间层。
32.目前的实施例的一个方面包括这样的认识：为了满足显示设备的需要，形成显示
元件(例如，像素)的发光结构的数目和密度应该增加，因此发光结构的大小需要在维持光发射效率和质量的同时减小。使用小型led(例如，micro-led结构或纳米发射器)来实现越来越小的发光结构是有吸引力的，但是用于制造大量、高密度并且能够产生不同颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的小型led的少数技术是繁琐的、耗时的、昂贵的，或者导致具有性能限制的结构。诸如用于光场显示器的更复杂的显示器架构可以受益于小型led结构的使用，但是此类显示器的要求使小型led的实现方式变得困难。目前的实施例通过提供允许在同一衬底(例如，单个集成半导体器件)上单片集成生成不同颜色光的大量小型发光结构的新技术来解决此问题。
33.用于制造发光结构的某些半导体处理技术例如外延生长和干蚀刻或选择性区域生长(sag)的使用提供了用于在单个集成半导体器件上单片集成大量微型led的有前途的途径。在用于制造发光结构的模板上生长的一种或多种材料的质量对led的性能特性具有重大影响。
34.为此目的，需要使得能够形成具有高质量有源(例如，发射)区的小型发光结构的结构配置。例如，对于基于qw的led，可能将复杂性引入到制作过程中的附加层的战略性包括提供用于改进或者增强发光结构的形态和/或方向性的功能性。
35.本文公开的一个途径涉及将高带隙材料或层并入到led结构中。在常规半导体器件中，通常不包括高带隙层，除非它们是器件操作所需要的或者以某种方式增强器件性能。然而，本文描述的实施例实现在发光多量子阱(mqw)有源区之前(例如，下方或下面)生长或者集成到mqw有源区本身中的含铝层，这些含铝层改进有源量子阱的质量并且向由有源量子阱产生的光提供更好的方向性。这些实施例在单片结构中提供尺寸为十微米数量级或更小并且在跨电磁频谱的波长范围内工作的多个高亮度microled结构，所述单片结构使得能实现以前不可能的各式各样新应用。
36.虽然下面的讨论集中于针对在红色波长范围中工作的microled结构的改进，但是注意，本文描述的技术和结构还可以被应用于其他微型或更大的led以及以其他波长例如在可见(包括长波长绿色、琥珀色和红橙色)、红外或紫外波长中工作的其他基于半导体的光发射器。红色波长范围的第一示例是在0.59μm与0.76μm之间。红色波长范围的第二较窄示例是在0.61μm与0.76μm之间。
37.图2是图示具有由单个衬底240支撑的多个microled结构210、220和230的一个示例led阵列200的一部分的顶视图，其中led阵列200可以被用在显示器中。microled结构210、220和230分别可以以红色、绿色和蓝色波长发射光。尽管led阵列200的部分被示出有十六个microled结构，但是led阵列200可以是可以在例如microled结构210、220和230可以被布置成像素(例如，microled结构210、220和230的组或子阵列)的显示器中使用的microled结构210、220和230的大得多的阵列。在此类情况下，像素的布置、它们的形状、它们的数目、它们的大小以及它们对应的波长发射在制造期间是可配置的以为特定应用定制led阵列200。在某些实施例中，led阵列200被用在高分辨率、高密度显示器如光场应用中使用的那些中。在其他实施例中，led阵列200可以被并入到用于增强现实(ar)或虚拟现实(vr)应用的紧凑显示器中。
38.特别地，为了实现高密度的发射器，期望使用彼此兼容的过程来以单片地集成方式在衬底240上形成microled结构210、220和230。也就是说，不是在分开的衬底上形成每种
类型的microled结构(例如，在第一衬底上形成一个或多个发射红色的microled结构，在第二衬底上形成一个或多个发射绿色的microled结构，而在第三衬底上形成一个或多个发射蓝色的microled结构)，然后将每个microled结构转移到第四衬底以形成用于在显示器中使用的microled阵列，而是在衬底240上直接地形成所有三种类型的microled结构210、220和230的阵列。特别地，通过将所有三种类型的microled结构210、220和230作为阵列直接地形成到衬底240(例如，单个衬底)上，可以形成更高密度的led阵列。换句话说，不是在分开的晶片上形成每种颜色的microled结构210、220和230并且将每个led转移到另一衬底以形成用于显示器的led阵列，而是因为microled结构210、220和230被直接地形成到衬底240上，所以led阵列200实现更高的密度。
39.然而，在现有文献中有案可查的是使用与必要的波长范围上的高效光发射兼容的过程和材料来形成microled结构以产生全色显示器(例如，红色-绿色-蓝色(rgb)显示器)是极其困难的。尽管高度高效的大型(例如，在尺寸上数百微米)基于氮化物的蓝色led(诸如基于氮化铟镓(ingan)qw的那些)以及高度高效的大型基于磷化物的红色led(诸如基于磷化铝镓铟(algainp)的那些)已经可用，但是几十年来已认识到由以类似地高效率工作的绿色led的缺少产生的“绿色差距”。在相应的发射范围(例如，红色、蓝色、绿色)内形成每种类型的led的传统途径使用它自己的优化过程，然后将所得的led结构转移到分开的显示衬底上以形成led阵列。此途径具有与使得能够将独立地形成的microled结构转移到分开的显示衬底所需要的led的最小大小以及精确对准microled结构以形成高密度microled阵列所必需的对准保真度相关的限制。目前的实施例的一个方面包括这样的认识：在单个衬底上形成microled结构(例如，发射红色、绿色和蓝色的microled结构)的阵列并且有助于具有类似的发光率和效率水平的全色图像是非常困难的。
40.目前的实施例通过使用用于控制在量子阱(qw)内包括有源元件以在使用与多种颜色的microled结构的单片集成兼容的材料和制造过程的同时在较长波长下实现高效率microled结构的microled结构设计和制作过程来解决此问题。更具体地，目前的实施例公开这样的器件结构和制作过程，该器件结构和制作过程使得能够使用与较短波长(例如，蓝色和绿色)中的高效率microled结构的制造兼容的材料来形成较长波长(例如，红色)中的高效率microled结构，从而使得能够实现以不同颜色发射的microled结构的单片集成阵列。然而，应强调，本文公开的技术适用于所有大小和配置的外延地形成的led，包括例如仅红色microled结构。
41.如以上所提及的，分开地制造的高度高效的、大型基于氮化物的蓝色led和基于磷化物的红色led是已知的。在形成用于较长波长led(例如，红色)的基于氮化物的发光qw结构时，难以增加必要的有源材料(例如，qw中的铟(in))的百分比组分以在维持层均匀性并且控制缺陷的同时实现较长波长发射。特别地，尤其在高反应物蒸汽压力下，难以获得在qw内具有良好均匀性的in的所需高百分比。减少的铟百分比导致来自qw结构的比led的标称设计短的波长发射。附加地，通常在qw结构内看见诸如in聚集、相分离和点蚀的缺陷。在维持合适的材料质量的同时铟组分方面的改进达到常规氮化镓(gan)/ingan/gan qw材料和生长技术的极限之前，存在可经由生长条件参数(例如，温度、时间、蒸汽压力)可用的有限调整。
42.由于归因于氮化铝镓(algan)/ingan界面处的附加极化电荷的qw中增加的空穴浓
度以及可能稍微减少的点缺陷，在mqw结构中沉积有源ingan qw层之前包括铝(al)的薄层作为底层已表明实现改进的蓝色led性能。此类技术已用于使用1nm的algan层、3.5nm厚的ingan qw层、后面是5nm的gan层的堆叠作为屏障层来在硅衬底上生产蓝色led(“high-efficiency blue leds with thin algan interlayers in ingan/gan mqws grown on si(111)substrates,”s.kimura等人,proc.of spie第9748卷,97481u)。包括诸如al的材料作为底层似乎有助于有源区内的载流子分布和缺陷的可能减少。
43.然而，虽然在ingan qw内包括al对蓝光led而言可以是可行的，但是常规学识将指示为红色led包括al将不合适。特别地，由于al与in相比是较宽带隙材料，所以在qw结构内包括al将为qw产生较宽总带隙，从而很可能在发射器波长中产生蓝色偏移(即，向较短波长的偏移)。虽然对于蓝色led能够容易地补偿此蓝色偏移，但是红色led的通常的目标是为了实现具有较长波长的光发射，使得在红色led的qw结构内包括al将似乎起相反作用。
44.先前，使用algan的薄层(例如，1至2nm厚的层)来覆盖qw结构一直试图用于将基于氮化物的蓝色led的发射波长扩展到绿色和甚至微红橙色波长。例如，1nm厚的algan层作为盖层被直接地沉积在每个3nm厚的ingan qw层之上，然后在mqw结构中被10nm厚的ingan屏障层盖住以用11％-20％范围内的外部量子效率(eqe)值实现绿色-黄色、黄色和琥珀色波长中的光发射(hashimoto的,“addressing the green gap with a novel active region,”www.compoundsemiconductor.net,2014年3月,第44页)。hashimoto的文章推测，algan盖层用来使电子的波函数向阱的内部偏移，从而增加电子-空穴重叠和辐射重组，以及在ingan阱之后恢复表面的光滑度的同时为来自每个阱的电子溢出创建屏障。作为又一示例，相同技术即包含1nm厚的algan层作为每个qw层的盖层(即，氮化铟镓(ingan)的3nm厚的有源层，后面是1nm的algan层，两者都在755℃下生长，被作为屏障层在855℃下生长的10nm的ingan层盖住)已表明即使在2.9％的低eqe值下也产生以629nm的波长工作的led，所述629nm的波长位于红色波长范围的较短边(j.i.hwang等人的,“development of ingan-based red led grown on(0001)polar surface,”applied physics express 7,071003(2014))。然而，algan盖层似乎不防止涉及qw结构它本身内的in的缺陷，这是红色led的光发射向较短波长偏移以及低eqe值的常见原因。事实上，hwang等人具体地指出在增加注入电流以驱动所得的led情况下在发射波长中不存在红色偏移。此外，在以上报告的所有实验结果中，每一个led器件是大面积器件，在每侧上尺寸为几百微米的数量级。
45.作为在下面更详细地讨论的意外结果，与这种常规学识相反，已经发现均匀地在mqw结构内或者在mqw结构内的一个或多个位置处包括al确实产生改进性能的红色led，包括较长波长发射的高效率生成。特别地，在底层、盖层中、甚至在有源量子阱它本身及其组合内明智地并入铝已经甚至对于在一侧尺寸小至一微米的microled器件也以高效率并且在可见频谱(例如，比625nm长)的红色范围内意外地产生改进的红色led性能。
46.图3是图示具有改进的形态和应变特性的具有第一准备层320和第二准备层330的一个示例microled结构300的示意横截面。led结构300形成在半导体模板310(例如，支撑层)的表面上。led结构300包括：第一准备层320(准备层1)，其形成、生长(例如，外延地生长)或者沉积在半导体模板310上方；第二准备层330(准备层2)，其形成、生长或者沉积在第一准备层320上方；有源qw区340，其形成、生长或者沉积在第二准备层330上方；以及p层350，其包括在有源qw区340上方形成、生长或者沉积的接触层(例如，p掺杂层)。在一些实现
方式中，可以使用诸如外延生长和干蚀刻或选择性区域生长的技术来定义半导体模板310上的led结构300的位置、形状和大小。
47.第一准备层320和第二准备层330被配置成将用于形成有源qw区340的表面准备成具有适当的形态和应变，使得有源qw区340具有改进的材料特性和光发射性能。为此目的，第一准备层320、第二准备层330或两者都包括高带隙材料，诸如含铝层。例如，含铝层包括al的组分在5％至100％的范围内的alingan合金。第一准备层320和第二准备层330中的每一者可以具有0.3纳米～250纳米的厚度。
48.有源qw区340被配置成在led结构300的操作期间发射光。
49.在一个示例中，第一准备层320是含铝层并且包括超晶格。例如，超晶格可以由alingan和algan的交替层形成。作为示例，超晶格可以由具有不同的al和in组分的alingan和algan的交替层形成。在另一示例中，第一准备层120是块体层。块体层可以是含铝层。与有源qw区340不同，第一准备层320和第二准备层330分别未被配置用于发射与有源qw区340相同的可见波长中的光。例如，如果有源qw区340旨在发射红色波长中的光，则包括在第一准备层或第二准备层中的超晶格可以与绿色、蓝色、或甚至紫外波长中的波长相关联以便不干扰有源qw区340的预期功能。
50.作为示例，第二准备层330可以是如以上所指出的含铝层。在一个示例中，第二准备层330可以包括超晶格、块体层、一个或多个qw结构，该一个或多个qw结构未被配置成在led结构300的操作期间发射与有源qw区340相同的波长中的光。此外，在第二准备层330包括单个量子阱或多个量子阱的那些实例中，第二准备层330可以附加地包括形成在单个量子阱或多个量子阱下方或上方的高带隙中间层，诸如algan层。分别包括第一准备层320和第二准备层330，例如并入诸如含al层的高带隙材料，改进有源qw区340的发光特性。例如，通过提供诸如但不限于增加对更高温处理的耐受性、俘获迁移杂质、改进应变特性、以及优化有源qw区340的化学计量的有利效果，能够改进诸如有源qw的发射波长规范、发射波长峰值变窄和发射强度的发光性能。
51.图4是图示具有改进的形态和应变特性的一个示例led结构400的示意横截面。led结构400类似于图3的led结构300，并且形成在可以为gan模板或支撑层的半导体模板310的表面上。led结构400包括非有源qw层410、algan层420、有源qw区340和p层350。虽然图示了仅非有源qw层410和algan层420的单个组合，但是led结构400可以包括非有源qw层410和algan层420的多个或重复组合。非有源qw层410可以与比有源qw区340的发射波长短的波长相关联。例如，如果有源qw区340被配置用于产生红色波长中的光发射，则非有源qw层410可以与绿色、蓝色或紫外波长中的波长相关联。algan层420可以由包括algan的不同合金例如al的组分相对于in范围从5％至100％的alingan合金制成。
52.与图3的led结构300相比，led结构400包括在至少一个qw上方形成有algan层420的非有源qw层410中的至少一个qw。例如，可以包括单个或多个非有源qw的非有源qw层410对应于第一准备层320，而algan层420对应于第二准备层330。尽管图4示出仅非有源qw层410和algan层420的单个对，但是在不脱离其范围的情况下，led结构400可以包括非有源qw层410和algan层420的多个分层对。
53.图5是图示具有改进的方向性的一个示例led结构500的示意横截面。led结构500类似于图3的led结构300，并且形成在半导体模板310的表面上。led结构500包括第一准备
层320、反射层510、有源qw区340和p层350。反射层510可以是alinn/gan底反射镜或alingan/ingan底反射镜，并且可以在有源qw区340之前形成。在另一示例中，反射层510可以包括具有不同的al和in组分的alingan/alingan。因此，反射层510可以包括形成反射堆叠的至少一个含铝层。在反射层510是alinn/gan底反射镜的情况下，alinn层具有相对于可以与gan晶格匹配的in约82％的al含量，从而在保持可与具有相对于in大约50％的al含量的algan/gan系统比较的7％的高折射率对比的同时避免后续有源层中的应变相关问题。
54.此外，反射层510可以是或者被配置成用作分布式布拉格反射器(dbr)，其允许为特定应用定制由有源qw区340产生的辐射图案，从而改进来自有源qw 340的发射的方向性。例如，当反射层510将或者被配置成作为dbr工作时，led结构500可被配置成作为谐振腔led或垂直腔表面发射激光器(vcsel)工作。也就是说，p层350和反射层510形成包含有源qw 340的谐振腔，使得led结构500可以取决于有源qw 340相对于来自有源qw 340的光的预定发射波长的厚度而作为谐振腔led或vcsel工作。
55.上述led结构300、400和500中的每一者可以通过诸如外延生长和干蚀刻或选择性区域生长的技术来制作以具有适合于高密度应用的多达1微米的直径大小或特征大小。在某些实施例中，直径大小大于一微米，诸如在一微米与十微米之间。
56.使用含铝层除了具有由led结构300、400和500关于小型led的制造和此类小型led的单片集成提供的形态、应变和方向性益处之外还具有其他益处。这些含铝层可以作为用于捕获杂质并且因此通过在led结构的无源区中定位它们来减少有源区(例如，有源qw区340)中的杂质的捕集器。此外，即使在后续过程操作中应用高温下，也可以防止所捕获或定位的杂质移动。在图4的示例中，在非有源qw层410上生长的algan层420可以用于捕集杂质(例如，氧气)，这从而减少杂质(例如，氧气)在有源qw区340中的并入。在图5的示例中，用于形成反射层510的alinn层也可以用作氧气捕集层。
57.图6是图示通过减少空穴泄漏具有改进的性能的一个示例led结构600的示意横截面。led结构600类似于图3的led结构300，并且形成在半导体模板310的表面上。led结构600包括第一准备层320、空穴阻挡层610、有源qw区340和p层350。空穴阻挡层610防止空穴从半导体模板310和第一准备层320溢出到有源qw区340中，以及防止空穴从有源qw区340溢出到第一准备层320和半导体模板310中。在某些实施例中，空穴阻挡层610可以包括n-algan。在其他实施例中，空穴阻挡层610是由改进有源qw区340的发射效率的algan/gan或inaln/gan层形成的超晶格。然而，空穴阻挡层610可以使用其他合适的材料，包括n-algan、n掺杂algan/gan超晶格和n掺杂inaln/gan超晶格。
58.图7是图示将铝引入到有源mqw区730中的一个示例microled结构700的示意横截面。microled结构700包括半导体模板710(也称为半导体衬底，以用于支撑一个或多个块体或准备层720)、有源mqw区730和至少一个p层740。有源mqw区730可以形成在块体或准备层720上并且包括具有相邻屏障层734(例如，gan或ingan屏障层)的具有铝内含物的至少一个有源qw堆叠732。每个有源qw堆叠732可以包括含铝材料的单个层，或者可以包括不同材料的两个或多个层，其中这些层中的至少一者包含铝。图7的示例示出具有四个有源qw堆叠732的有源mqw区730，每个有源qw堆叠732具有相邻屏障层734；然而，取决于microled结构700的期望光发射性能，可以包括更少或更多的有源qw堆叠732和对应的屏障层734。
59.如以上所提及的，与in相比作为较宽带隙材料的al的包括将似乎有利于来自所得
的microled结构的较短波长光发射。然而，反常识地，al的明智包括产生与没有al内含物的microled结构相比具有更高效率和光致发光性能的microled结构。更具体地，al的包括如以上所讨论的那样随着跨led结构的电流密度增加而使从microled结构发射的波长向较短波长偏移(例如，蓝色偏移)，从而需要整体microled结构方面的调整以补偿蓝色偏移。公开了将al并入到有源qw堆叠732中的各种方法，诸如在有源qw区中和周围并入特定层，在下面进一步详细地描述。
60.图8a和图8b是图示分别在有源mqw区830a和830b内包括含铝底层的示例microled结构800a和800b的示意横截面。microled结构800a和800b类似于图7的microled结构700。有源mqw区830a和830b形成在块体或准备层720上。图8a示出包括四个有源qw层832的堆叠的microled结构800a的有源mqw区830a，所述四个有源qw层832被统称为qw堆叠。每个qw层832被沉积在相应的alga(in)n底层836(此后为al底层836)之上以形成由屏障层734分开的成对的层。al底层836的厚度可以范围从几个原子层到几个纳米。超过此类厚度，al底层836可能由于带隙增加而在microled结构中导致所不希望的蓝色偏移。有源qw层832可以由ingan形成。al底层836是与基于氮化物的microled结构如microled结构800a的制作过程兼容的包括铝的合金，诸如algan、alinn和inalgan中的一种。可以将al底层836称为中间层。
61.在基于qw的led结构中在有源qw层下方包括algan底层已在蓝色波长中得以演示，这在构思上变得有意义，因为由al的引入产生的发射波长中的蓝色偏移与蓝色led兼容。然而，虽然al底层836的附加包括将似乎进一步加宽有源mqw区830a的有效带隙，但是al底层836内的al内含物在有源qw层832内产生改进的高in含量材料质量和均匀性。似乎algan或alinn底层的包括修改在上面生长有源qw层的晶体表面形态，从而减少缺陷并且改进材料在高温处理期间例如在屏障层734的生长期间的稳定性。因此，由有源mqw区830a的有效较宽带隙产生的任何蓝色偏移似乎被改进的生长模式和有源qw层832内的缺陷的减少所克服。因此，与不具有图8a所示的特征的组合的microled结构相比，microled结构800a意外地产生优越的效率和较长波长发射。例如，已演示了microled结构800a与具有另外类似的材料结构的现有技术的led结构100相比，显示出随着施加的电流密度增加在波长上具有10nm或更小的蓝色偏移的类似峰值iqe值。
62.图8b示出类似于图8a的microled结构800a但是包括位于有源mqw区830b的al底层836和有源qw层832之间的中间层838的microled结构800b。中间层838可以由诸如gan的传统屏障层材料或诸如与基于氮化物的microled制作兼容的各种组分的algan、ingan和alingan材料的其他材料形成。al底层836和中间层838的组合进一步改进有源qw层832的粘合性和均匀性，减少界面处和有源qw层832内的缺陷，并且增加每个有源qw层832内的in保留。因此，与不包括al底层836的microled结构相比，microled结构800b的光发射向红色波长偏移，并且microled结构800b的量子效率性能被改进了。
63.图9是图示类似于图7的microled结构700并且进一步在形成在块体或准备层720上的有源mqw区930内包括定位在有源qw层832上方的含铝盖层932(在下文中称为al盖层932)的一个示例microled结构900的示意横截面。例如，厚度为一纳米数量级或更小的algan层可以被用作盖层932。可以将al盖层932称为另一中间层。尽管al盖层932的包括似乎会为有源mqw区930产生较宽有效带隙，但是al盖层932提供许多优点，使得al盖层932像microled结构800a和800b的al底层836一样用来平衡有源qw层832与屏障层734之间的应
变，这允许在有源qw层832的生长之前和之后定制形态，在有源qw层832内保留in，和/或在使蓝色偏移最小化的同时提供有利于长波长发射的带对准。因此，有源qw层832显示出更好的in保留和均匀性，与没有图9所示的特征的组合的microled相比产生优越的效率和较长波长发射。
64.al盖层932可以作为包括来自任何电子阻挡层和可以被并入到整体结构中的p层的氢的点缺陷的迁移的屏障。然而，本文认识到，al盖层932可能不总是帮助防止有源qw层832它本身内的缺陷，从而潜在地需要附加措施，诸如如图8a和图8b所图示的al底层836的包括。
65.图10是图示在形成于块体或准备层720上的有源mqw区1030的至少一个有源qw层1032内包括铝的一个示例microled结构1000的示意横截面。尽管被示出有四个有源qw层1032，也统称为qw堆叠，但是在不脱离其范围的情况下，有源mqw区1030可以包括更多或更少的有源qw层1032。在某些实施例中，例如，在有源qw层1032的沉积期间，以特定浓度引入含al气体以将al以0.01％至5％之间的浓度并入到有源qw层1032的合金组分中。在某些实施例中，针对有源mqw区1030内的所有有源qw层1032执行此过程以包括al。在其他实施例中，使用类似过程来改变有源mqw区1030的每个有源qw层1032包括的al的量。例如，特定qw层内的al内含物可以形式为假合金、数字合金或短周期超晶格。在有源mqw区1030内，有源qw层1032被由诸如gan的合适材料形成的屏障层734分开。
66.在有源qw层1032内包括al改进in分布均匀性并且防止在后续高温处理期间例如在屏障层734的生长期间来自有源qw层1032的in解吸，这通常需要比在有源qw层1032的沉积期间高大约100℃的温度。al的包括似乎补偿qw应变，从而修改极化引发的电场。换句话说，在有源qw层1032的沉积期间包括al似乎改进in容纳和in保留，减少与高in含量ingan材料相关联的缺陷并且/或者增强有源qw层1032内的ingan稳定性，从而克服包括诸如al的较宽带隙材料的潜在负面影响。此外，al可以被用作有源mqw区1030内的掺杂剂以获得发光结构的各种波长，所述发光结构包括传统led(尺寸为一百微米数量级或更大)和被配置用于在红外、可见和紫外波长中工作的microled结构两者。al是有利的，因为al是在通常用于生产qw结构的系统中例如在金属有机化学气相沉积(mocvd)系统中可容易地获得的标准前体。
67.将al并入到有源qw层1032中取决于有源qw材料的生长条件(例如，温度、压力、时间)而变化，因此可以调整进入有源qw层1032的al内含物的量以提供有源qw层1032的期望性质。尽管有源mqw区1030被示出有四个有源qw层1032，但是可以包括更多的更少的有源qw层1032以及对应的屏障层734以实现microled结构1000的期望光发射和操作特性。
68.图11是图示类似于图10的microled结构1000并且进一步包括含铝底层，诸如图8a和图8b的microled结构800a和800b的al底层836的一个示例microled结构1100的示意横截面。有源mqw区1130形成在块体或准备层720上并且包括al底层836和有源qw层1032(两者都具有al内含物)的组合。al底层836似乎促进有源qw层1032在其中的沉积均匀性和粘合性，并且有源qw层1032内的al内含物促进qw内的in保留，从而与不包括图11的特征的microled结构的红色波长中的量子效率相比导致在红色波长中的改进的量子效率。在某些实施例中，可以在al底层836与有源qw层1032之间包括中间层838(如图8b所示)。
69.图12是图示类似于图10的microled结构1000并且进一步包括microled结构900
(图9)的al盖层932的一个示例microled结构1200的示意横截面。microled结构1200的有源mqw区1230形成在块体或准备层720上并且与也包括al的有源qw层1032一起包括al盖层932。用al盖层932盖住的有源qw层1032的组合促进有源qw层1032内的in保留，从而与没有有源mqw区1230的microled结构的红色波长中的量子效率相比导致在红色波长中的改进的量子效率。
70.图13是图示类似于图12的microled结构1200并且进一步包括图8b的al底层836的一个示例microled结构1300的示意横截面。microled结构1300具有形成在块体或准备层720上的有源mqw区1330，其对于每个有源qw层1032，包括al底层836和al盖层932，并且进一步包括与al底层836和al盖层932相邻的屏障层734。可选地，如图13所示，在al底层836是例如alga(in)n的情况下，中间层838可以设置在al底层836与有源qw层1032之间。在有源mqw区1330内包括al改进每个有源qw层1032内的in分布均匀性，促进有源mqw区1330内的in保留，并且减少在屏障层734的生长期间来自有源qw层1032的in解吸。microled结构1300因此组合图8b、图9和图10所示的microled结构的有益效果。
71.图14是图示用于制作microled结构的一个示例过程1400的流程图。过程1400可以例如在mocvd系统或适合于microled制作的其他系统中进行。在过程1400的框1410中，在衬底上沉积一个或多个块体或准备层。在框1410的一个示例中，第一准备层320和第二准备层330被沉积到半导体模板310上。在框1410的另一示例中，块体或准备层720被沉积到半导体模板710上。框1412是可选的。当被包括时，在框1412中，过程1400沉积一种或多种屏障材料。在框1412的一个示例中，屏障层734被沉积到块体或准备层720上。注意，在某些实施例中，不是在框1412中分开地沉积屏障材料，而是可以将第一屏障材料并入到在框1410中沉积的一个或多个块体或准备层720中。
72.框1420是判定框。当在框1420处判定是添加具有al的底层时，过程1400继续进行框1422；否则，过程1400继续进行框1424。在框1422中，过程1400沉积含al底层。在框1422的一个示例中，al底层836被沉积在先前沉积的层上。
73.框1424是判定框。当在框1424处判定是添加中间层时，那么过程1400继续进行框1426；否则，过程1400继续进行框1430。在框1426中，过程1400将中间层沉积到先前沉积的层中。在框1426的一个示例中，中间层838被沉积到al底层836上。
74.框1430是判定框。当在框1430处判定是在有源qw层中包括al时，过程1400继续进行框1432；否则，过程1400继续进行框1440。在框1432中，过程1400沉积并入al的有源qw材料。在框1432的一个示例中，随着有源qw层1032被沉积到屏障层734上而添加al。在框1432的另一示例中，随着有源qw层1032被沉积到al底层836上而添加al。在框1432的另一示例中，随着有源qw层1032被沉积到中间层838上而添加al。过程1400然后继续进行框1450。在框1440中，过程1400在不添加al的情况下沉积有源qw材料。在框1440的一个示例中，有源qw区340被沉积到第二准备层330上。在框1440的另一示例中，有源qw层832被沉积到al底层836上。在框1440的另一示例中，有源qw层832被沉积到中间层838上。在框1440的另一示例中，有源qw层832被沉积到屏障层734上。
75.框1450是判定框。当在框1450处做出要包括al盖层的判定时，过程1400继续进行框1452；否则，过程1400继续进行框1470。在框1452中，过程1400沉积al盖层。在框1452的一个示例中，al盖层932被沉积到有源qw层832上。在框1542的另一示例中，al盖层932被沉积
到有源qw层1032上。
76.框1470是判定框。当在框1470处确定要沉积附加qw层时，过程1400继续进行框1412；否则，过程1400继续进行框1480。因此，对于要添加的每个附加qw层重复框1412至1470。
77.在框1480中，过程1400沉积屏障材料。在框1480的一个示例中，屏障层734被沉积到有源qw堆叠732上。在框1480的另一示例中，屏障层734被沉积到有源qw层832上。在框1480的另一示例中，屏障层734被沉积到al盖层932上。在框1482中，过程1400沉积一个或多个p层。在框1482的一个示例中，一个或多个p层350被沉积到有源qw区340上。在框1482的另一示例中，p层740被沉积到屏障层734上。过程1400然后可以终止。
78.本公开描述使用技术和结构来改进从microled结构发射的红色波长中的性能的各种实施例。虽然以上讨论集中于在红色波长中发射的microled结构，但是所描述的实施例的技术和结构还可以被用于定制在其他波长范围内包括以较短可见波长以及在红外波长中工作的led的性能。此外，虽然所公开的实施例主要示出基于氮化物的microled结构，但是用于带隙和缺陷工程的类似材料和分层结构修改也适用于其他发光结构，诸如基于磷化物的led结构。更进一步，尽管所公开的实施例涉及在microled结构的mqw区内包括作为在通常用于生产qw结构的mocvd系统中可容易地获得的标准前体的al，但是可以设想其他材料的包括以进一步设计来自microled结构的期望光发射。此外，可以包括附加中间层，诸如在图9中在有源qw层832与al盖层932之间，和/或在图12和13中在有源qw层1032与al盖层932之间。
79.led结构可以包括具有至少一个量子阱的有源区，其中有源区被配置成提供来自led结构的相关光发射。一定量的铝被并入在至少一个量子阱内。led结构的有源区可以进一步包括并入比在至少一个量子阱内并入的铝量更大的铝量的至少一个含铝层。在至少一个量子阱内并入的铝量是至少一个量子阱的0.01％至5％。该led结构显示出改良的内部量子效率值，该改良的内部量子效率值高于由在至少一个量子阱内未并入铝量的未改良的led结构显示出的未改良的内部量子效率值。该led结构以改良的峰值波长工作，该改良的峰值波长比在至少一个量子阱内未并入铝量的未改良的led结构的未改良的峰值波长长。该led结构的直径小于十微米。
80.一种led结构包括被配置成提供与该led结构相关联的光发射的有源区，其中，该有源区包括屏障层和有源qw层，该有源qw层基本上由初级有源qw材料组成，并且其中，该有源qw层进一步包括在有源qw层内并入的一定量的次级材料，该次级材料显示出比初级有源qw材料更宽的带隙。有源区可以进一步包括至少一个中间层，该至少一个中间层并入比在有源量子阱层内并入的次级材料的量更大量的次级材料。该至少一个中间层设置在屏障层与有源量子阱层之间。该至少一个中间层可以是底层。该至少一个中间层可以是盖层。次级材料是铝。该led结构显示出改良的内部量子效率值，该改良的内部量子效率值高于由在整个至少一个量子阱中没有分布一定量的次级材料的未改良的led结构显示出的未改良的内部量子效率值。该led结构以改良的峰值波长工作，该改良的峰值波长比在整个至少一个量子阱中没有分布一定量的次级材料的未改良的led结构的未改良的峰值波长长。该led结构的直径小于十微米。
81.一种方法形成发光二极管(led)结构，该led结构包括至少一个量子阱区，该至少
一个量子阱区包括屏障层和有源量子阱层。当形成至少一个量子阱区时，初级有源量子阱材料连同一定量的次级材料一起被沉积，该次级材料显示出比初级有源量子阱材料更宽的带隙。次级材料的量是初级有源量子阱材料的0.01％至5％。连同一定量的次级材料一起沉积初级有源量子阱材料包括形成初级有源材料和次级材料的假合金。
82.特征的组合
83.具体地设想了以下实施例，以及彼此兼容的此类实施例的任何组合。
84.(a)一种发光二极管(led)结构包括：块体或准备层，该块体或准备层形成在半导体模板上；有源区，该有源区形成在块体或准备层上；以及至少一个p层，该至少一个p层形成在有源区上。该有源区包括：形成在块体或准备层上的第一屏障层；形成在第一屏障层上的至少一个含铝有源量子阱(qw)堆叠；以及形成在有源qw堆叠上的第二屏障层。当至少一个有源qw堆叠被注入电流驱动时，有源区从led结构发射光。
85.(b)在被表示为(a)的led结构中，有源区被配置成从led结构以红色波长发射光。
86.(c)在被表示为(a)和(b)的任何一个led结构中，至少一个有源qw堆叠包括(a)形成在第一屏障层上的含铝底层以及(b)形成在含铝底层上的有源qw层。
87.(d)在被表示为(a)-(c)的任一led结构中，含铝底层包括选自包括alga(in)n、algan、alinn和inalgan的组中的合金。
88.(e)在被表示为(a)-(d)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠进一步包括(c)形成在有源qw层上的含铝盖层。
89.(f)在被表示为(a)-(e)的任一led结构中，含铝盖层包括1nm厚的algan材料。
90.(g)在被表示为(a)-(f)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠包括(a)形成在第一屏障层上的含铝底层、(b)形成在含铝底层上的中间层、以及(c)形成在中间层上的有源qw层。
91.(h)在被表示为(a)-(g)的任一led结构中，中间层包括选自包括gan、algan、ingan和alingan的组中的材料。
92.(i)在被表示为(a)-(h)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠包括形成在第一屏障层上的含铝qw层。
93.(j)在被表示为(a)-(i)的任一led结构中，含铝qw层包括假合金、数字合金和短周期超晶格中的一种。
94.(k)在被表示为(a)-(j)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠包括(a)形成在第一屏障层上的含铝底层、以及(b)形成在含铝底层上的含铝有源qw层。
95.(l)在被表示为(a)-(k)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠包括(a)形成在第一屏障层上的含铝有源qw层；以及(b)形成在有源qw层上的含铝盖层。
96.(m)在被表示为(a)-(l)的任一led结构中，至少一个有源qw堆叠包括(a)形成在第一屏障层上的含铝底层、(b)形成在含铝底层上的含铝有源qw层、以及(c)形成在含铝有源qw层上的含铝盖层。
97.(n)在被表示为(a)-(m)的任一led结构中，多个microled结构被作为阵列单片地形成到衬底模板上，该阵列包括以蓝色波长发射光的蓝色microled结构、以绿色波长发射光的绿色microled结构、以及以红色波长发射光的红色microled结构中的每一者。
98.(o)一种发光二极管(led)结构包括：半导体模板；第一准备层，该第一准备层形成
在半导体模板上；第二准备层，该第二准备层形成在第一准备层上；至少一个有源量子阱(qw)层，该至少一个有源量子阱(qw)层形成在第二准备层上方；以及至少一个p层，该至少一个p层形成在有源qw层上；其中，有源qw层在被激活时从led结构发射光。
99.(p)在被表示为(o)的led结构中，第一准备层包括非有源qw并且第二准备层包括含铝底层。
100.(q)在被表示为(o)或(p)的任何一个led结构中，第二准备层包括反射层。
101.(r)在被表示为(o)-(q)的任何一个led结构中，第二准备层包括空穴阻挡层。
102.(s)一种方法形成在半导体衬底上形成的发光二极管(led)结构。该方法包括：在半导体衬底上沉积至少一个准备层；在至少一个准备层上形成有源多量子阱(mqw)区；以及在有源mqw区上沉积p层。形成有源mqw区包括：沉积第一屏障材料；沉积有源qw材料；以及沉积第二屏障材料。形成有源mqw区可选地包括：在第一屏障材料与有源qw材料之间沉积底层；在底层与有源qw材料之间沉积中间层；以及在有源qw材料与第二屏障材料之间沉积盖层。沉积有源qw材料、沉积底层、沉积中间层和沉积盖层中的至少一者包括并入铝。
103.因此，尽管已经依照所示出的实现方式提供了本公开，但是本领域的普通技术人员将容易地认识到，可能存在实施例的变化并且那些变化将在本公开的范围内。因此，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以做出许多修改。可以在以上方法和系统中在不脱离其范围的情况下做出改变。因此应该注意，在以上描述中包含或在附图中示出的事项应该被解释为说明性的，而不在限制性意义上进行解释。以下权利要求旨在涵盖本文描述的所有通用和特定特征以及本方法和系统的范围的所有陈述，这些作为语言问题，可能被说成落在本方法和系统之间。