[发明专利]生长在模板上以减小应变的III-氮化物发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及用于半导体发光器件的生长技术和器件结构。

背景技术

半导体发光器件包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（CLED）、垂直腔发光二极管（VCLED）以及边发射激光器，这些器件当前可用于最高效的光源之中。在制造能够在UV、可见光以及可能的红外光谱范围内工作的高亮度发光器件中当前感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，尤其是稼、铝、铟和氮的二元、三元以及四元合金，也被称为III氮化物材料。典型地，通过利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术以在蓝宝石、碳化硅、III氮化物或者其它适合衬底上外延生长不同组分和掺杂浓度的一堆半导体层，来制作III氮化物发光器件。该堆（stack）往往包括在衬底上形成的掺杂有例如Si的一个或更多n型层、在n型层上形成的有源区中的一个或更多发光层、以及在有源区上形成的掺杂有例如Mg的一个或更多p型层。在n型区和p型区上形成电触点。这些III-氮化物材料对于其它光电子以及电子器件（比如场效应晶体管（FET）和探测器）而言也是备受关注的。

发明内容

在本发明的实施例中，包含III-氮化物器件的发光层的器件层生长在被设计用以减小器件中特别是发光层中应变（strain）的模板（template）上。这个应变可以被如下定义：给定层具有与和该层相同组分的独立式材料的晶格常数对应的体（bulk）晶格常数abulk以及与生长在结构中的该层的晶格常数对应的面内晶格常数ain-plane。层中的应变量是形成特定层的材料的面内晶格常数和器件中该层的体晶格常数之间的差除以体晶格常数。

减小发光器件中的应变可以提高器件的性能。模板可以将发光层的晶格常数扩展超过可从常规生长模板获得的晶格常数的范围。在本发明的一些实施例中，发光层中的应变小于1％。

在一些实施例中，模板包括在低温下生长的两层，即直接在衬底上生长的无铟成核（nucleation）层比如GaN以及在无铟层上生长的含铟层比如InGaN。这两层都可以是非单晶层。在一些实施例中，诸如GaN层的单晶层可以生长在成核层和含铟层之间。在一些实施例中，诸如GaN、InGaN或AlInGaN的单晶层可以生长在低温含铟层上。

在一些实施例中，模板还包括多层堆或渐变（graded）区，或者通过一种包括热退火或热循环生长步骤的工艺来形成。

附图说明

图1是根据现有技术的器件的一部分的横截面图。

图2是包括在常规低温成核层后生长的低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图3是包括在多个低温成核层上生长的低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图4是包括在常规低温成核层上生长的多个低温层的器件的一部分的横截面图。

图5是包括不止一组低温成核层和低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图6是包括多个低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图7是图6的结构在退火并生长器件层后的横截面图。

图8是包括在高温GaN层后生长的低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图9是包括在低温InGaN层后生长的高温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图10是包括在高温GaN层后生长的低温InGaN层后生长的高温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图11是包括在两个高温InGaN层之间设置的低温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图12是包括在低温InGaN层上生长的两个高温InGaN层的器件的一部分的横截面图。

图13是包括通过热循环生长所生长的多个富铟层和贫铟层的器件的一部分的横截面图。

图14是包括低温层和渐变组分层的器件的一部分的横截面图。

图15是包括GaN成核层和厚高温GaN层的若干器件以及包括低温InGaN层和厚高温GaN层的若干器件的、作为a-晶格常数的函数的c-晶格常数的曲线图。

图16是若干器件的c-晶格常数和a-晶格常数的曲线图。

图17说明了诸如蓝宝石的纤锌矿结构的若干主晶面。

图18说明了从其去除了生长衬底的倒装发光器件的一部分。

图19是封装后的发光器件的分解图。

具体实施方式