包括遞變區域的半導體發光器件的制作方法

專利名稱：包括遞變區域的半導體發光器件的制作方法
包括遞變區域的半導體發光器件
背景技術：
相關技術描述
作為要求低功耗、小尺寸以及高可靠性的光源，發光二極管(LED)在許多應用中被廣 泛接受。在可見光譜的黃-綠色到紅色區域發射光的能量高效的二極管含有由AKialnP 合金形成的有源層。圖1和2示出常規透明襯底(TS) Alfe^nP LED的制作。在圖1中，例 如1000A的Ii-Ina5Giia5P層的蝕刻停止層12生長在半導體襯底10之上，該半導體襯底典 型地為GaAs。包括均布置成雙異質結配置的下約束層、至少一個(Alx(;ai_x)yIni_yP有源層 和上約束層的器件層14生長在蝕刻停止層12之上，接著是可選的厚(例如，厚度介于5μπι 和100 μ m之間)的窗口層16，該窗口層經常為通過氣相外延生長的ρ型GaP。約束層是由 透明半導體制成并提高LED的內量子效率，該內量子效率定義為有源層中復合和發光的電 子-空穴對的比例。窗口層16也是透明半導體，增大電流跨過有源層的擴展并提高LED的 內量子效率和提取效率。發光區域可由單個厚的均勻組份層組成或者由一系列薄的阱和壘 組成。GaAs作為生長襯底是優選的，因為它晶格匹配到其組份有利于形成在可見光譜的 黃-綠色到紅色區域發光的LED的(AlxGiih)yIrvyP,其中Γ0. 5。由于GaAs是吸收性的 (absorbing)，典型地它被移除以及用透明襯底18替代，如圖2所說明的。圖1中所示的 GaAs襯底10是通過蝕刻來移除，該蝕刻對GaAs的蝕刻速率遠快于對蝕刻停止層12的蝕刻 速率。通常通過在提升的溫度下對結構退火同時施加單軸力，典型地為η型GaP的透明襯 底18被晶片結合到外延結構(圖2中的蝕刻停止層12)的下表面。隨后使用適合于ρ型外 延GaP陽極和η型晶片結合的GaP陰極的常規金屬接觸和芯片制作技術，從該結合的晶片 來加工LED芯片。這里使用的“Alfe^nP”和“III-P”可以指鋁、鎵、銦和磷的任意二元、三元或四元
口巫ο

發明內容
一個或多個遞變組份的區域被包括在III-P發光器件中以減小與器件中的界面 關聯的vf。根據本發明的實施例，半導體結構包括布置在η型區域和P型區域之間的III-P 發光層。遞變區域布置在P型區域和GaP窗口層之間。在遞變區域中鋁組份是遞變的。在 一些實施例中，遞變區域具有至少150nm的厚度。在一些實施例中，除了 ρ型區域和GaP窗 口層之間的遞變區域，鋁組份還在布置在蝕刻停止層和η型區域之間的遞變區域中是遞變 的，或者替代P型區域和GaP窗口層之間的遞變區域，鋁組份在布置在蝕刻停止層和η型區 域之間的遞變區域中是遞變的。在一些實施例中，遞變區域被劃分為具有不同遞變分布(grading profile)的多 個區域。例如，在第一區域中，鋁組份可以從P型區域中的鋁組份遞變到發光層中的鋁組 份。在第二區域中，鋁組份可以從發光層中的鋁組份遞變到零。


圖1說明生長在吸收性的襯底之上的現有技術的Alfe^nP LED器件結構。圖2說明現有技術的透明襯底的AlGahP LED。圖3為AWaInP約束層和GaP窗口層之間的界面的能帶圖。圖4說明具有布置在AlInP約束層和窗口層之間的遞變區域的器件的一部分。圖5說明具有遞變區域的器件的一部分，該遞變區域包括具有不同遞變分布的多 個區域。圖6為對于圖5所說明的結構的部分，Al組份作為位置的函數的曲線圖。圖7為對于圖5所說明的結構的部分，帶隙作為位置的函數的曲線圖。圖8說明具有布置在四元約束層和窗口層之間的遞變區域的器件的一部分。圖9說明具有布置在蝕刻停止結構和四元約束層之間的遞變區域的器件的一部 分。圖10為已封裝的發光器件的分解視圖。
具體實施例方式在圖1和2所說明的器件中，上約束層經常為AlInP或Alfe^nP。上約束層也可稱 為上回退(setkick)層。此處使用的"上約束層"可以指緊鄰有源層的鋁、鎵、銦和磷的任 意的二元、三元或四元合金。圖3說明ρ型AlfetInP上約束層(器件層14其中之一)和GaP窗口層16之間界面 處的能帶圖。在這兩個層之間的界面19處，朝向發光層流動的空穴必須具有足夠的能量以 溢過能量壘20。空穴在界面19處必須攀越的能量壘20不期望地增加了器件的正向電壓Vf。本發明的實施例可以減小與器件中的界面關聯的Vf，特別是在窗口層和器件層之 間的界面處。在本發明的第一實施例中，遞變區域布置在上約束層和窗口層之間。圖4說明根 據本發明第一實施例的器件的一部分。有源區之下的器件層(包括η型約束層)未示于圖4 中。包括至少一個發光層的有源區在圖4中被描繪為層觀。設計成約束有源區觀中的電 子和空穴且通常為四元AlfeInP層的上約束層沈生長在有源區觀之上，接著是三元AlhP 約束層對。可替換地，層M可以是Al組份或帶隙比上約束層沈的Al組份或帶隙更高的 AlGaInP 層。遞變區域22布置在々111^層對和窗口層16之間。在根據第一實施例的一些器 件中，組份從50% Al的AlInP遞變到約50% Ga的InGaP。實際上，在遞變區域22的厚度上 Al原子被( 逐漸取代。遞變區域22的厚度在一些器件中可以例如為IOOnm至500nm，在 一些器件中厚度為至少150nm，在一些器件中厚度為300nm至400nm，以及在一些器件中厚 度為至少300nm。盡管遞變區域22的Al組份一般遞變到零，但并非必須如此。例如，遞變 區域22可以遞變到In0.5Ga0.5P以外的組份，例如(Α10.Α0.9)0.5Ιη0.5Ρ。盡管遞變區域22的 In組份一般維持在50%的恒定值，該恒定值與有源區中的一個或多個發光層以及GaAs生長 襯底晶格匹配，但并非必須如此。例如，遞變區域22可以遞變到Ina5Giia5P以外的組份，例 如(AlxGi^x)a5Jna45P 或(AlxGi^x) α45;[η0.55Ρ。
窗口層16典型地為ρ型GaP，其生長在遞變區域22之上。在一些實施例中，在遞 變區域22和窗口層16之間的界面處，組份突然從接近^ia5Giia5P切換到GaP。在其它實施 例中，化組份是遞變的。h組份可以在遞變區域22中的與Al組份遞變相同的部分中遞 變，或者可替換地，h組份可以在遞變區域22的第一部分中遞變而Al組份在遞變區域22 的第二部分中遞變。在本發明第二實施例中，遞變區域布置在上約束層和窗口層之間。遞變區域劃分 為具有不同遞變分布的兩個或更多個區域。圖5說明根據本發明第二實施例的器件的一部 分。與圖4的器件類似，上約束層沈形成于有源區觀之上。AlInP層M形成于上約束層之 上。遞變區域22布置在々111^層對和63 窗口層16之間。遞變區域22包括毗鄰AlInP 層24的第一區域30以及毗鄰窗口層16的第二區域32。在區域30和32中遞變分布是不 同的。圖6說明對于根據圖5的器件的一個實例的一部分，作為位置的函數的Al組份。 均勻的高Al組份AlInP層M示于圖6的左側。在遞變區域22的第一區域30中，Al組份 從AlInP層M的Al組份遞變到通常在四元層中的更低的Al組份。在遞變區域22的第二 區域32中，Al組份從第一區域30結束處的四元組份的Al組份遞變到在與窗口層16的界 面處通常為InGaP的具有很少或沒有Al的組份。圖6中說明的區域30和32中的遞變分 布均是線性的單調遞變。與第一遞變區域30中的組份相比，第二遞變區域32中的組份變 化更快速。諸如圖6中說明的器件那樣，包括具有不同遞變分布的多個區域的遞變區域對于 在短波長發光的器件是有吸引力的。更短的波長更容易被遞變區域22中的最低Al組份吸 收。Al組份在第一區域30中逐漸遞變到不吸收光的最低Al組份(即，發光層組份)，隨后在 第二區域32中快速遞變經過吸收性組份。第一區域30通常厚于第二區域32。在一些器件 中，第二區域32介于第一區域30厚度的5%和15%之間。例如，第一區域30的厚度可以在 IOOnm和500nm之間，且厚度經常介于300nm和400nm之間。第二區域32的厚度可以介于 2nm和50nm之間，且厚度經常介于20nm和40nm之間。圖7說明對于根據圖5的器件的一個實例的一部分，作為位置的函數的帶隙。圖5 和6中的遞變組份區域導致遞變的帶隙分布，該遞變的帶隙分布至少部分地使圖3中的能 量壘平滑。圖7中所示的帶隙分布是由遞變區域22的第一區域30以及遞變區域22的第 二區域32構建的，所述第一區域對于由發光層發射的光是基本上透明的，所述第二區域基 本上吸收由發光層發射的光。有源區的發光層的組份為(AlxGiih)yIrvyP,其中Γ0. 5。發射琥珀色光的器件 可具有發光層中χ = 0.3的Al組份。在第一區域30中，在IOOnm至400nm的厚度上所 述組份從Ala5Ina5P遞變到(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Po在第二區域32中，在IOnm至40nm的 厚度上所述組份從(Ala3Giia7)a5Ina5P遞變到InGaP。發射橙色光的器件可具有發光層 中χ = 0. 1-0. 15的Al組份。在第一區域30中，在IOOnm至400nm的厚度上所述組份 從Al0. Jn0.5P遞變到(Al0.15Ga0.85) 0. Jn0.5P。在第二區域32中，在2nm至40nm的厚度上 所述組份從(Alai5Giia85)a5Ina5P遞變到InGaP。發射紅色光的器件可具有發光層中χ = 0. 05-0. 1的Al組份。在第一區域30中，在IOOnm至400nm的厚度上所述組份從Ala5Ina5P 遞變到(AlaiGiia9)a5Ina5P0在第二區域32中，在2nm至40nm的厚度上所述組份從(Al0. A0.9)0. Jna5P 遞變到 MiaP。在本發明的第三實施例中，遞變區域布置在上約束層和窗口層之間，且圖4和5的 AlInP約束層M從該器件中略去。圖8說明根據第三實施例的器件的一部分。上約束層 26形成于有源區沘之上。上約束層通常為晶格匹配的四元層，即(Alx^vx)JrvyP,其中 廣0.5。約束層洸中的Al組份一般為χ彡0.4，經常為χ彡0.65。遞變區域；34布置在上 約束層26和窗口層16之間。遞變區域34中的Al組份從上約束層沈的組份遞變到毗鄰 窗口層16的部分中的零。遞變區域34可以例如在一些器件中厚度為IOOnm至500nm，以及 在一些器件中厚度為300nm至400nm。當層中的Al組份增大時，層的帶隙增大，且相應地層的約束載流子的能力增大。 當AlInP層M被略去時，四元上約束層必須具有足夠高的Al組份以提供充分的載流子約 束。有源區28的發光層中的Al組份χ和上約束層沈中的Al組份χ之間的差在一些實施 例中為Δχ彡0.4，在一些實施例中為Δχ彡0. 5，以及在一些實施例中為Δχ彡0.6。例 如，發射琥珀色光的器件可具有(Ala3Giia7)a5Ina5P的發光層組份。在一些實施例中，上約 束層中的Al組份至少為χ = 0. 7或(Al。.7Gii。.3)。.5In。.5P。在一些實施例中，上約束層中的 Al組份至少為χ = 0. 8或(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5Po在一些實施例中，上約束層中的Al組份至 少為χ = 0. 9或(Ala9Giiai)a5Ina5Ptj發射紅色光的器件可具有(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P的發光 層組份。在一些實施例中，上約束層中的Al組份至少為χ = 0. 45或(Ala45Giia55)a5Ina5Ptj 在一些實施例中，上約束層中的Al組份至少為χ = 0. 55或(Ala55G^l45)ci5Ina5Pt5在一些實 施例中，上約束層中的Al組份至少為χ = 0. 65或(Ala65Giia35)ci. Jna5P。在一些實施例中， 上約束層中的Al組份至少為χ = 0. 8或(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5Po在本發明的第四實施例中，遞變區域布置在蝕刻停止層和下約束層之間，位于有 源區的η型側上。圖9說明根據第四實施例的結構的一部分。蝕刻停止結構36生長在生 長襯底10之上，該生長襯底經常為GaAs。遞變區域38生長在蝕刻停止結構36之上，接著 是下約束層40、有源區觀和上約束層26。在上述實施例中描述的任意遞變結構可生長在 上約束層沈之上，接著是窗口層16 (未示于圖9中)。蝕刻停止結構36例如可以是由例如GaAs層分隔的一個或多個蝕刻停止層。蝕刻 停止層可以是例如InGaP。蝕刻停止結構的頂層為蝕刻停止層，經常為InGaP。遞變區域中的組份從頂部蝕刻停止層的組份遞變到下約束層的組份。例如，下約 束層一般為晶格匹配的四元層，即(AlxGi^x)yIrvyP,其中Γ0. 5。下約束層40中的Al組 份一般為χ彡0. 4，經常為χ彡0. 65。遞變區域38可以例如在一些器件中厚度為40nm至 IOOnm,以及在一些器件中厚度為IOOnm至300nm。正如上述的上約束層那樣，四元下約束層必須具有足夠高的Al組份以提供充分 的載流子約束。有源區觀的發光層中的Al組份χ和下約束層40中的Al組份χ之間的 差在一些實施例中為ΔΧ彡0.25，在一些實施例中為ΔΧ彡0.5，以及在一些實施例中 為Ax彡0.6。例如，發射琥珀色光的器件可具有(Ala3Giia7)a5Ina5P的發光層組份。在 一些實施例中，下約束層中的Al組份至少為χ = 0.65或(Al0.65Ga0.35)o.5ln0.5P°在一些 實施例中，下約束層中的Al組份至少為χ = 0.8或(AluG^^kdn^P。在一些實施例 中，下約束層中的Al組份至少為x = 0.9或(Ala9G^1)a5Ina5Pa發射紅色光的器件可 具有(Alatl5G^l95)a5Ina5Pm發光層組份。在一些實施例中，下約束層中的Al組份至少為χ = 0.4或(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Po在一些實施例中，下約束層中的Al組份至少為χ = 0. 55或(Al0.55Ga0.45)0.5In0.5Po在一些實施例中，下約束層中的Al組份至少為χ = 0. 65或
(Al。· 65^ . 35) 0. 5工打0. 5 。η型下約束層的Al組份可以低于ρ型上約束層的Al組份。上面描述的實施例可以組合。例如，在第三和/或第四實施例中描述的遞變區域 可包括具有不同遞變分布的多個區域，如在第二實施例中所描述的那樣。器件可包括位于 有源區的η型側和ρ型側二者上的各個遞變區域。盡管上面的實例描述了具有線性遞變分布的區域，此處使用的術語“遞變區域“ 旨在涵蓋以除了單一組份臺階以外的任何方式實現組份改變的任何結構。在一個實例中， 遞變區域為層的堆疊體，每個層具有與其毗鄰的任一層不同的組份。如果各層具有可分辨 的厚度，則遞變區域稱為臺階遞變或者指數遞變(index-graded)區域。在各個層的厚度接 近零的極限中，遞變區域稱為連續遞變區域。構成遞變區域的各層可以布置成形成多種組 份與厚度關系的分布，其包括但不限于線性遞變、拋物線遞變以及冪定律遞變。此外，遞變 區域不限于單個遞變分布，而是可以包括具有不同遞變分布的多個部分以及具有基本上恒 定組份的一個或多個部分。如圖2及附帶文本所說明和描述的，圖4、5、7、8和9中說明的結構可以加工成透 明襯底器件。例如，通過終止于蝕刻停止結構的蝕刻來移除生長襯底。半導體層隨后連接 到透明襯底，且接觸形成于器件的相對側上。可替換地，圖4、5、7、8和9中說明的結構可以 加工成倒裝芯片器件，其中一部分半導體層被蝕刻掉以露出P型或η型層，隨后ρ型和η型 接觸二者形成于器件的同一側上。圖10為已封裝的發光器件的分解視圖，如美國專利6，274，擬4中所更詳細地描述 的。散熱嵌塊100置于插入模制引線框中。插入模制引線框為例如模制在提供電學路徑的 金屬框架106周圍的填充塑性材料105。嵌塊100可包括可選的反射杯102。發光器件管 芯104可以是上面實施例中描述的任何器件，直接地或者經由熱傳導載具103間接地安裝 到嵌塊100。可以添加覆蓋件108，該覆蓋件可以是光學透鏡。對于本發明已經予以詳細描述，本領域技術人員將理解，鑒于本公開內容可以對 本發明進行修改而不背離此處描述的發明構思的精神。因此，本發明的范圍并非旨在受限 于所說明和描述的具體實施例。
權利要求
1.一種器件，包括半導體結構，該半導體結構包括布置在η型區域和P型區域之間的III-P發光層； GaP窗口層；以及布置在P型區域和GaP窗口層之間的遞變區域，其中鋁組份在遞變區域中是遞變的，并 且遞變區域具有至少150nm的厚度。
2.權利要求1的器件，其中遞變區域中鋁的組份從ρ型區域中的組份遞變到零。
3.權利要求1的器件，其中ρ型區域包括與遞變區域直接接觸的(AlxGa1JJrvyP層， 其中χ彡0.4。
4.權利要求1的器件，其中ρ型區域包括與遞變區域直接接觸的AlInP層。
5.權利要求1的器件，其中遞變區域為第一遞變區域，該器件進一步包括 蝕刻停止層；和布置在蝕刻停止層和η型區域之間的第二遞變區域，其中鋁的組份在第二遞變區域中 是遞變的。
6.權利要求5的器件，其中第二遞變區域中鋁的組份從零遞變到η型區域中的組份。
7.權利要求5的器件，其中與遞變區域直接接觸的蝕刻停止層為InGaP，并且與遞變 區域直接接觸的η型層為(Alx(}ai_x)yIni_yP，其中χ彡0. 4。
8.權利要求5的器件，其中第二遞變層的厚度大于40nm。
9.權利要求1的器件，其中遞變區域中鋁的組份從ρ型區域中的組份遞變到非零值。
10.權利要求1的器件，其中遞變區域中銦的組份從與GaAs晶格匹配的組份改變到與 GaAs不晶格匹配的組份。
11.一種器件，包括半導體結構，該半導體結構包括布置在η型區域和ρ型區域之間的III-P發光層； GaP窗口層；以及布置在P型區域和GaP窗口層之間的遞變區域，其中 鋁的組份在遞變區域中是遞變的；以及遞變區域包括具有第一遞變分布的第一部分和具有第二遞變分布的第二部分。
12.權利要求11的器件，其中遞變區域具有至少IOOnm的厚度。
13.權利要求11的器件，其中遞變區域具有至少300nm的厚度。
14.權利要求11的器件，其中第一部分緊鄰P型區域且第二部分緊鄰窗口層；第一部分中的鋁組份從P型區域中的鋁組份遞變到發光層中的鋁組份；以及 第二部分中的鋁組份從發光層中的鋁組份遞變到比發光層中的鋁組份更少的鋁組份。
15.權利要求14的器件，其中第二部分中的鋁組份從發光層中的鋁組份遞變到零。
16.權利要求11的器件，其中第一部分厚于第二部分。
17.權利要求11的器件，其中與第一部分相比，第二部分的表示作為位置的函數的鋁 組份的線的斜度更陡峭。
18.權利要求11的器件，其中第一部分對于由發光層發射的光是基本上透明的；以及 第二部分基本上吸收由發光層發射的光。
全文摘要
一個或多個遞變組份的區域被包括在III-P發光器件中以減小與器件中的界面關聯的Vf。根據本發明的實施例，半導體結構包括布置在n型區域和p型區域之間的III-P發光層。遞變區域布置在p型區域和GaP窗口層之間。鋁組份在遞變區域中是遞變的。遞變區域可具有至少150nm的厚度。在一些實施例中，除了p型區域和GaP窗口層之間的遞變區域，鋁組份還在布置在蝕刻停止層和n型區域之間的遞變區域中是遞變的，或者替代p型區域和GaP窗口層之間的遞變區域，鋁組份在布置在蝕刻停止層和n型區域之間的遞變區域中是遞變的。
文檔編號H01L33/02GK102067342SQ200980122644
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月10日 優先權日2008年6月16日
發明者I. 陳 E., N. 格里洛特 P., I. 阿爾達茨 R., 薩利姆 S. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司