专利名称：外延晶片及其制造方法以及具有增强亮度的发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光半导体微电子学，尤其涉及外延晶体多层结构及其制造方法。本发明也涉及具有增强发光输出强度的半导体发光器件。
在近几年，红光发光二极管(LED)逐渐被广泛应用于制造电子设备。至今已经开发出了几种类型的LED。一个实例是双异质结构LED。另一个例子是后表面反射LED。这些LED具有增强亮度，因此为我们提供了诸如室内灯和显示器件甚至室外显示器件等的广阔的使用性和应用性。
然而，按照前述背景，确实也存在对获得进一步提高亮度和进一步降低制造成本的无限需要。为了满足这种需求，已经对涉及外延层膜厚度、载流子密度或浓度、晶体生长温度设置等课题做了巨大努力的研究。不幸的是，至少现在还没有能够表现导致实现进一步改善亮度的显著优点的成功工程被报道。
由于这些原因，得到满足需要规格的亮度还是困难的，这反过来使得在降低成本的同时提高产量变得困难。
考虑到前述背景，那些熟悉半导体技术的人可以理解仍然存在着对能够提供高增强亮度、具有提高了稳定性和可靠性的外延晶片及其制造方法及由此得到的发光二极管的不可满足的需求。
因此本发明的一个目的是提供避免现有技术所遇到问题的改进的光半导体结构。
本发明的另一个目的是提供能够提高性能和可靠性的外延晶片结构。
本发明的另一个目的是提供形成外延多层叠层晶片的改进方法，该叠层晶片能够提高发光输出和可靠性而因此降低制造复杂性和成本。
本发明的另一个目的是提供能够提高发光输出和可靠性而因此降低制造复杂性和成本的改善的发光器件。
本发明的进一步的目的是提供能够使输出光亮度特性和光发射稳定性最大而同时降低复杂性和成本的高性能/高可靠性的发光多层外延半导体器件。
为了实现前述目的，根据本发明的一个方面，提供了双异质结构外延晶体板或晶片，在它的P型化合物半导体衬底上具有一包括P型化合物半导体镀层、P型化合物半导体有源层和由液相外延生长技术顺序形成的N型化合物半导体镀层的多层叠层。在P型化合物半导体镀层与P型化合物半导体有源层之间以及P型化合物半导体有源层与N型化合物半导体镀层之间界面的氧浓度为每立方厘米(cm-3)1×1017个原子或更低。
通过对有源层附近或周围氧浓度的具体数量的控制，调整发光输出强度变得可能，这又保证了光输出强度随氧浓度的减小而增强或反之随氧浓度的增加而减弱。因此，使得氧浓度在1×1017cm-3可以使光发射亮度相对现有技术增强30％左右。最好，用于形成多层晶片结构的化合物半导体材料是镓砷(GaAs)、镓磷(GaP)、镓铟磷(GaInP)或等效的材料。这里注意本发明的原理也可以应用于具有后表面反射结构的外延晶片，该结构取消了前述多层结构中对P型化合物半导体衬底的使用。
根据本发明的更进一步的方面，前述的双异质结构外延晶片可以由以下具体的方法制造。在使用氧密度或浓度小于或等于1×1016cm-3的非掺杂化合物半导体多晶时，通过液相外延技术在一P型化合物半导体衬底上依次生长一P型化合物半导体镀层、一P型化合物半导体有源层和一N型化合物半导体镀层。在制造过程中，在P型化合物半导体镀层与P型化合物半导体有源层之间以及P型化合物半导体有源层与N型化合物半导体镀层之间界面的氧浓度具体设定为低于或等于1×1017cm-3。在这种制造技术下，可能制造出增加产量和降低成本的具有发光亮度最大的高性能外延晶片。
本发明的这些和其它的目的、特性和优点从以下本发明的优选实施例的更详细说明和
中变得显而易见。
图1是显示根据本发明的一个实施例的双异质结构外延晶片的横截面图。
图2是显示一现有技术双异质结构外延晶片的有源层附近氧浓度分布图。
图3是显示光发射输出相对体现本发明的双异质结构外延晶片的邻近镀层和有源层之间界面的氧浓度的关系图。
图4是显示体现本发明的双异质结构外延晶片有源层附近氧浓度的分布图。
图5以横截面形式说明了根据本发明的进一步实施例的后表面反射外延晶片。
现在将参考附图描述本发明的一些优选实施例。在所说明的实施例中，在结构上特别配置双异质结构外延晶片和具有后表面反射结构的外延晶片以相对现有技术增强大约30％的亮度，从而获得大大增强的亮度特性。
现在参考图1，以横截面形式说明了根据本发明的一个优选实施例的双异质结构外延晶片。如图1所示，双异质结构外延晶片包括在其上形成P型GaAlAs镀层2的P型GaAs衬底1。在这GaAlAs镀层2上形成的是一P型GaAlAs有源层3，它具有一其上形成N型GaAlAs镀层4的表面。
参照显示前述双异质结构外延晶片的P型GaAlAs有源层3附近氧浓度分布的图2。在此显示的这个分布是以次级离子质谱分析(SIMS)方法沿外延层深度测量氧浓度的方式测量得到的。这种SIMS方法是掺杂每种样品或试样并用具有引起表面材料被溅射离化的微点(minute points or“mcropoints”)处的能量范围从几千伏(KV)到20KV的主离子轰击从而可以用质量分析设备分析。
测量结果显示这样的事实，氧浓度为每立方厘米(cm-3)1×1018个原子或附近的峰值存在于P型GaAlAs镀层2和P型GaAlAs有源层3之间的界面区而类似2×1017cm-3或附近的峰值存在于N型GaAlAs镀层4和GaAlAs有源层3之间的界面区。
也发现，在这个双异质结构外延晶片中，通过具体设定P型GaAlAs镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面处或附近和N型GaAlAs镀层4与P型GaAlAs有源层3之间界面处或附近的氧浓度为1×1017cm-3或更小，可能获得具有增强亮度和增加制造产量的外延晶片。
更进一步发现，为了使外延晶片层中的氧浓度小于或等于1×l017cm-3，推荐作为以液相外延生长使用的预选原材料使用氧浓度为1×1016cm-3或更小的非掺杂GaAs多晶材料。此外还发现最好增加周围气体，这里是氢气的流率。
事实上结合本发明原理的简化实施例在此后将被详细描述。最重要的是，在为了制造660-nm波长双异质结构LED，通过改变P型GaAlAs镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面氧浓度值来制备外延晶片的情况下，将解释一些优选实施例。
制备石墨板。在这个板上和构成各LED层的一些原始材料一起安置一P型GaAs衬底。然后，把所得板结构放入液相外延炉。作为例子，第一层材料可以包括安置Ga、GaAs多晶、Al和Zn的P型镀层材料。进一步，第二层材料可以包括安置Ga、GaAs多晶、Al和Zn的P型有源层材料。更进一步，第三层材料可以包括安置Ga、GaAs多晶、Al和Te的N型镀层材料。
然后，在氢气氛围中加热该结构到预定温度，例如950℃。其后，控制炉温以每分钟1.0℃的预定的下降率下降以随后在P型GaAs衬底上形成以下三层生长到25微米(μm)厚度的P型GaAlAs镀层2；长到1μm厚度的上层的P型GaAlAs有源层3；和长到40μm厚度的更上层的N型GaAlAs镀层4。
按上述的外延生长方法，制备P型GaAlAs镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面氧浓度分别为1×1018cm-3、8×1017cm-3、6×1017cm-3、4×1017cm-3、2×1017cm-3、1×1017cm-3和8×1016cm-3的七片外延晶片(或其腐蚀片)。
通过使用炉内流动的氢气流率和氧浓度不同的GaAs多晶来调节氧浓度值。此后，在所得晶体生长的各外延晶片上形成合适电极。最终进行树脂塑模从而完成LED的制造。
参照显示这样制造的LED光发射输出相对氧浓度关系的特性的图3。这是在正向电流置为20毫安培(mA)下测量的。在图3中，光发射输出随P型GaAlAs镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面氧浓度的降低而增加；在浓度为1×1017cm-3时，光发射输出大体保持常数。
和1×1018cm-3氧浓度的LED相比，这个实施例的光发射亮度增加了30％。为了提供低于或等于1×1017cm-3的这种界面氧浓度，需要使用特定的含氧浓度不大于1×1016cm-3的GaAs多晶。
参照图4，这张图表明了关于被制造成界面处氧浓度低于或等于1×1017cm-3的LED的SIMS分析结果。在图4中，在两个界面的氧浓度-即P型GaAlAs镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面和N型GaAlAs镀层4与P型GaAlAs有源层3之间界面的氧浓度为1×1017cm-3或更小。
在这种安排下，通过调整P型GaAlAs有源层3附近的氧浓度可以成功地控制光发射输出。这可以高效生产LED器件，此LED器件和现有技术的LED相比，光发射输出增加30％或更多而同时提高了生产量和降低制造成本。
现在转到图5，该图显示了根据本发明的进一步实施例的后表面反射外延晶片。该晶片在结构上类似于图1，只是P型GaAs衬底1被移去。这种LED结构所得亮度也能增加大约30％。
在前述说明实施例中，提出了使用低含氧浓度的某GaAs多晶材料的特定例子。然而，熟悉半导体技术的人员可以理解应该考虑引起前述界面氧浓度增加的其它因素。例如，所用氛围气体纯度的减小是一种可能的因素。石墨工具提纯或纯度的不足是另一个可能的因素。初始材料和/或掺杂物的意外氧化是又一个因素。避免这些因素可以改善界面氧浓度。
而且，尽管以上以基于使用GaAlAs作为其化合物半导体的特定例子描述了示意实施例，熟悉半导体技术的人员可以理解该化合物半导体可以被其它等价半导体材料替换，这些材料包括但不限于GaAs和GaP、GaInP。
已经说明了本发明提供具有双异质结构或具有后表面反射结构的特定外延晶片，其中P型化合物半导体镀层与P型化合物半导体有源层之间界面和P型化合物半导体有源层与N型化合物半导体镀层之间界面氧浓度低于或等于1×1017cm-3，因此使得所得光发射亮度增加大约30％。
尽管参照特定实施例描述了本发明，但描述是对本发明的解释，不能推断为限定本发明。在不离开本发明后附权利要求限定的实质精神和范围的条件下对熟练的技术人员可以作出各种修改和应用。
权利要求
1.双异质结构外延半导体器件包括预定导电类型的化合物半导体衬底；在所述衬底上的多层叠层，所述叠层包括预定导电类型的第一化合物半导体镀层，所述预定导电类型的化合物半导体有源层，和相反导电类型的第二化合物半导体镀层；第一镀层和有源层具有由它们之间限定的第一界面；所述有源层和第二镀层之间具有第二界面；和第一和第二界面氧浓度低于或等于每立方厘米(cm-3)1×1017个原子。
2.权利要求1的器件，其中所述衬底和化合物半导体层包括从镓砷(GaAs)、镓磷(GaP)和镓铟磷(GaInP)中选择的一种。
3.权利要求2的器件，其中第一导电类型是P型而第二导电类型是N型。
4.具有后表面反射结构的外延半导体器件，所述器件包括第一导电类型的第一化合物半导体镀层；在第一镀层上的多层叠层，所述叠层包括第一导电类型的化合物半导体有源层和第二导电类型的第二化合物半导体镀层；所述第一镀层和所述有源层具有由它们之间限定的第一界面；所述有源层和第二镀层之间具有第二界面；和第一和第二界面氧浓度低于或等于1×1017cm-3。
5.权利要求4的器件，其中化合物半导体层包括从GaAlAs、GaP和GaInP中选择的一种。
6.权利要求5的器件，其中第一导电类型是P型而第二导电类型是N型。
7.制造外延晶片的方法包括步骤利用氧浓度低于或等于1×1016cm-3的一种或多种非掺杂化合物半导体多晶材料；通过液相外延生长，在第一导电类型的化合物半导体衬底上顺序形成第一导电类型的第一化合物半导体镀层，第一导电类型的化合物半导体有源层，和第二导电类型的第二化合物半导体镀层；和在制造过程中，使得第一镀层与有源层之间界面和所述有源层与第二镀层之间界面的氧浓度低于或等于1×1017cm-3。
8.权利要求7的方法，其中在液相外延生长之后移去所述衬底形成后表面反射结构的外延晶片。
9.利用后表面反射类型的外延晶片的发光二极管，所述晶片包括第一导电类型的第一化合物半导体镀层；在第一镀层上的多层叠层，所述叠层包括第一导电类型的化合物半导体有源层和第二导电类型的第二化合物半导体镀层；所述第一镀层和所述有源层具有由它们之间限定的第一界面；所述有源层和第二镀层之间具有第二界面；第一和第二界面氧浓度低于或等于1×1017cm-3。在所述第一镀层上的阳极；和在所述第二镀层上的阴极。
10.权利要求9的二极管，其中第一导电类型是P型而第二导电类型是N型。
全文摘要
增加可靠性的、具有增强亮度的外延半导体晶体板或晶片和其制造方法以及发光二极管。具体安排双异质结构外延晶片使得P型镀层2与P型GaAlAs有源层3之间界面和N型GaAlAs镀层4与GaAlAs有源层3之间界面的氧浓度为1×10
文档编号H01L33/02GK1193820SQ9810429
公开日1998年9月23日 申请日期1998年1月22日 优先权日1997年1月29日
发明者柴田幸弥, 水庭清治, 丰岛敏也 申请人:日立电线株式会社