一種高效率的發光二極管以及激光器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種諸如LED及激光器的光電子器件，通過其特殊結構改善晶格質量，提高量子阱區域中的載流子(電子和空穴)復合效率，改進LED和LD的性能，所述量子阱區域是由III族氮化物組成的量子阱層中的橫向厚度變化形成的。
【專利說明】一種高效率的發光二極管以及激光器【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高效率的發光二極管以及激光器。
【背景技術】
[0002]發光二極管(LED)是p-n結器件，隨著近年來光電子器件的發展和擴展，已經在很多應用中被廣泛使用。在許多應用中，諸如音頻系統、汽車、家用電子器件和計算機系統等，在電磁波譜中可見光部分發射的電子器件已經被用作簡單的狀態指示器、動態的功率水平圖形條，以及字母數字顯示。紅外線器件已經開始結合光譜匹配的光電晶體管來使用，例如在光隔離器、手持式遠程控制器以及在阻斷式反射型光纖感測應用中。
[0003]LED是根據半導體中的載流子(電子和空穴)的重組來操作的。當導帶中的電子與價帶中的空穴組合時，它會以發射光子(即光)的形式失去相當于半導體能帶隙的能量。在平衡條件下，重組事件的數量是對于實際應用來說是不充分的，但是可以通過增加少數載流子的數目來進行增強。
[0004]少數載流子的密度在傳統上是通過對二極管進行正向偏置來增加的。在結邊際的少許擴散長度內，被注入的少數載流子會與多數載流子進行重組，從而產生與半導體的能帶隙能量相對應的波長的光子。
[0005]與其他電子器件一樣，存在著對于更有效率的LED的期望和需求。具體來說，期望LED能夠以更高的強度運行同時消耗更少的能量。例如，較高強度的LED具體適用于各種高度惰性的環境中的顯示器或狀態指示器。而功耗較低的高效率LED具體適用于各種便攜式電子設備應用。為了滿足對于更高強度、更低功率和更有效率的LED的需要的嘗試的實例可以從用于可見光譜的紅光部分的AlGaAs LED技術的發展中看出。對于在可見光譜中的從400納米(nm) (3.1OeV)到770nm(l.61eV)的范圍中的綠光、藍光以及紫外區域中發射的LED來說，也能感受到相似的持續的需要。因為紅色、綠色和藍色是三原色，對于要產生全色彩的顯示器或純白光來說，它們的存在是必需的。
[0006]如上所述，給定半導體材料所能生成的光子的波長(S)是材料的能帶隙(Eg)的函數。這種關系可以被表達為s (nm) = 1240/Eg(eV)。因此，能帶隙較小的材料會產生能量較低、波長較長的光子，而能帶隙較寬的材料應產生能量較高、波長較短的光子。例如，常用于激光器的一種半導體是磷化銦鎵鋁(InGaAlP)。這種材料的能帶隙取決于所存在的各種元素的摩爾比或原子比，而InGaAlP所能生成的光受限于可見光譜中的黃光到紅光部分，SP約 560 至 700nm。
[0007]為了生成具有在光譜中的綠光、藍光或紫外(UV)部分中的波長的光子，需要具有相對大的能帶隙的半導體材料。通常的候選半導體材料包括碳化硅(6H-SiC，具有2.5eV的能帶隙)，以及氮化銦(InN，具有1.9eV的能帶隙)、氮化鎵(GaN，具有3.4eV的能帶隙)和氮化鋁(A1N，具有6.2eV的 能帶隙)的合金。因為這些氮化物能夠形成固溶體，所以有可能在室溫下將這些合金(AlInGaN)的能帶隙調整為從1.9eV到6.2eV，對應的波長為從653nm到 200nm。
【發明內容】
[0008]對于綠光、藍光和UV波長來說，氮化鋁銦鎵(AlInGaN)是極具吸引力的LED候選材料，因為其在室溫下具有相對大的能帶隙，并且還因為它是直接能帶隙材料，而不是間接能帶隙材料。總得來說，以直接能帶隙材料形成的LED比以間接能帶隙材料形成的LED更有效率，這是因為載流子的重組可以直接發生，無需借助光子(晶格振動)，并且直接躍遷產生的光子比間接躍遷產生的光子能夠保留更多的能量。
[0009]因為體型氮化鎵(六邊形GaN ；a = 0.3189nm, c = 0.5185nm)襯底不易獲得，AlInGaN層通常生長在藍寶石(六邊形a -Al2O3 ；a = 0.4578nm, c = 1.299nm)上或生長在碳化娃襯底(六邊形6H_SiC ；a = 0.308nm, c = 1.512nm)上。該等AlInGaN膜通過在6H-SiC上晶格匹配外延或者通過在藍寶石上域匹配外延來生長。藍寶石上的AlInGaN生長涉及到在基面中的30/90度旋轉，以及在膜與襯底之間的主平面(major plane)的6/7域匹配。在膜與襯底之間的晶格常數和熱膨脹系數之間的差異導致了失配的應變，造成了在AlInGaN層中的高的位錯密度，通常約為101(lCm_2。當載流子(電子和空穴)被位錯捕集時，它們會以非放射性的方式重組而不會產生光。
[0010]根據本發明的第一實施例，通過載流子(電子和空穴)的放射性重組來產生自發輻射的類型的有效率的光電子器件是由分層的量子阱(QW)結構形成的，其中該等QW層的厚度周期性變化。據信厚度變化導致量子受限(QC)區的形成，后者會捕集載流子。如果該等QC區域小于位錯之間的間距，那么被捕集的載流子會放射性重組并有效率地生成光子。在另一個實施例中，Al被添加到InGaN中，以增加波長來制造出AlyInxGa(1_x_y)N激光器件(LD)或多量子阱(MQW)LED。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]通過閱讀如在附圖中圖示的本發明的優選實施例的以下具體描述，本發明的前述及其他目的、特征以及優勢將顯而易見。在所有附圖中，類似的附圖標記指代類似的部分。附圖不一定按實際比例繪制，而是著重于說明本發明的原理。
[0012]圖1為在高效率發光二極管結構中的有源GaN/InGaN量子阱超晶格層的一部分中的短范圍厚度變化(SR-TV)和長范圍厚度變化(LR-TV)的示意圖。
[0013]圖2為圖示LED結構的細節的示意圖。
[0014]圖3A為截面中的掃描透射電子顯微鏡原子數(STEM-Z)對比度圖像，圖示了在高效率LED結構中的有源InGaN層中的短范圍厚度變化。
[0015]圖3B為圖3A的放大圖。
[0016]圖4為截面中的STEM-Z對比度圖像，圖示了在多量子阱(MQW)結構中的所有十個InGaN層中的長范圍厚度變化。
[0017]圖5A為截面中的STEM-Z對比度圖像，圖示了在來自另一個高效率LED晶圓的InGaN/GaN MQff結構中的長范圍厚度變化特性。
[0018]圖5B為截面中的STEM-Z對比度圖像，圖示了在InGaN/GaN MQff結構(與圖5A為同一晶圓)中的短范圍厚度變化。
[0019]圖6A為STEM-Z對比度圖像，圖示了在效率較低的LED結構中的均勻InGaN層。[0020]圖6B為圖6A的放大圖。
[0021]圖7為具有周期性厚度變化(A)的LED與具有均勻厚度(C)的LED的輸出功率的比較。
[0022]圖8A為在藍寶石上生長LD的激光二極管(LD)結構的示意圖。
[0023]圖8B為在η型GaN或SiC上生長LD的激光二極管(LD)結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下將要給出本發明的優選實施例的描述。
[0025]根據本發明，制造出具有高的光學效率的基于InxGa(1_x)N的多量子阱(MQW)發光二極管(LED)和激光器件，其中該光效率與InxGa(1_x)N有源層的厚度變化(TV)有關。在這些器件中，發現有源層的厚度變化比激子(載流子)的量子受限域(QC)中的In組成波動更重要。在本發明中，我們制備出了具有周期性厚度變化的MQW InxGa(1_x)N層，這造成了載流子的量子受限域的能帶隙的周期性波動。為了研究In的空間分布，進行了詳細的STEM-Z對比分析(其中圖像對比度與Z2(原子數目)2成比例)。我們發現，在縱向上的在InxGa(1_x)N層的厚度的周期性變化具有兩個周期，一個短范圍(SR-TV，3至4nm)和另一個長范圍的厚度變化(LR-TV，50至IOOnm)。還發現，在表現出高的光學效率的LED結構中，In濃度的變化的效應可觀地小于厚度變化的效應。在高光學效率MQW結構與低光學效率MQW結構之間的比較性微結構研究指示出InxGa(1_x)N有源層的厚度變化是增強其光學效率的關鍵。
[0026]如圖1所示，由于厚度變化，QC區域2被形成在LR-TV或SR-TV的邊界內。該等QC區域2會捕集載流子，這些載流子會重組且不會受到應力引發的位錯的存在的影響。詳細的STEM-Z對比度分析顯示出在形成載流子的量子受限區域并增強LED和LD的光學效率方面，InxGa(1_x)N層12的厚度變化比In組成的波動更重要。能帶隙的變化通過厚度來指示:
[0027](Lz) via: Δ E1 = h2n2/ (8m*Lz2)
[0028]其中E1為最低允許的能級，h為普朗克常量，m*為有效質量。
[0029]圖2中所示的LED結構借助于金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)而生長于藍寶石襯底6上。用于該生長的來源包括:三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦被用作III族元素的來源，氨被用作氮的來源，乙硅烷被用作η型摻雜的來源，而雙環戊二烯基(CP2Mg)被用作P型摻雜的來源。首先，在?500°C的溫度下生長5-30nm厚的AlGaInN的成核層。然后，在1000°C?1050°C之間的溫度下生長摻雜了硅的η型GaN層4(3-5微米厚)。然后生長InGaN(12)/GaN MQff (14)結構8，其中在700°C?750°C之間的溫度下生長InGaN，而在850°C?950°C之間生長GaN。然后在950°C?1000°C之間的溫度下生長摻雜了 Mg的p型GaN層10。任選地，在950°C?1000°C之間的溫度下在MQW結構與p型GaN之間生長摻雜了 Mg 的 P 型 AlGaN 層 10A。
[0030]為了產生厚度變化，η型層(?0.1微米)中靠近有源區的部分的生長溫度被降低。優選的溫度范圍在880°C?920°C之間，而傳統的生長溫度在1000°C?1050°C之間。晶圓A在優選的生長條件下生長，而晶圓C在傳統的生長條件下生長(見圖7)。
[0031 ] 我們已經使用STEM-Z透射電子顯微鏡(TEM)分析了 InGaN/GaN MQff結構，其中圖像對比度與Z2 (Z =原子數目)成比例。因為In(49)的原子數目遠高于Ga(31)的原子數目，所以相對于Ga所產生的對比度，In的對比度是前者的兩倍半，因此圖像對比度主要由In濃度來指示。
[0032]圖3至圖5所示為兩個表現出高的光學效率的LED結構的截面中的STEM-Z對比度圖像。這些樣本在InGaN層中表現出短范圍(3至4nm周期)和長范圍(50至IOOnm周期)的厚度變化。這種對比度分析揭示出在In濃度中存在變化，但不是特別大。在其他實施例中，取決于該結構的生長，短范圍厚度變化可以處于2nm至IOnm之間，而長范圍厚度變化可以處于50nm至200nm之間。
[0033]與光學效率高的樣本(圖3至圖5)相比，在圖6A和圖6B中示出光學效率較低的樣本。在這些樣本中，光學效率是圖3至圖5中的樣本的三分之一到二分之一，超晶格厚度和In濃度是相當均勻的。
[0034]InxGa(1_x)N合金的能帶隙的變化量可以隨著組成‘X’和超晶格的厚度‘Lz’來變化。對于典型的有源層組成(X = 0.4)來說,能帶隙的變化量被估計為如下:x = 0.4,能帶隙=
2.58eV ；x = 0.5,能帶隙=2.43eV ；x = 0.3,能帶隙=2.75eV。這樣在有源層組成中形成了+/-25%的變化量(從x = 0.4算起)。實驗觀測到的組成波動小于+/_5%，應導致在能帶隙中的小于0.07eV的變化量。另一方面，從3nm至2nm的厚度變化可以使能帶隙變化大于0.2eV的量。實驗觀測到的LR-TV處于20-50%的范圍中，而SR-TV小于10%。基于該分析，我們相信QC區域首先由InGaN層的厚度來限定。
[0035]LED通過以下方式來制造:在圖2中的頂部P型GaN表面10上形成歐姆接觸20，然后在通過對P型GaN層10和有源區8進行蝕刻使η型GaN表面4暴露之后在η型GaN表面4上形成另一觸點。在圖7中示出來自兩個此類晶圓的LED的光輸出功率。具有InGaN厚度變化22的樣本的LED的輸出功率是具有均勻InGaN厚度24的樣本的2_3倍。因此，我們對于高效率LED和低效率LED的比較研究的實驗結果表明，與In濃度變化相關聯的厚度變化是增強LED光學效率的關鍵。我們認為厚度變化是由于在InxGa(1_x)N層中的低于其臨界厚度的二維應變所導致的。因為應變能量會隨著厚度而增加，所以將均勻的厚度分解為周期性的變化，可以降低系統中的自由能量。因為應變也隨著In濃度而增加，所以也可以預期In濃度中的一些波動。在(100)硅上進行低于臨界厚度(其中任何的組成波動沒有涉及到參考水平)的純鍺膜生長的過程中已經明顯出現了厚度變化的現象。我們對厚度變化進行建模，并從中導出對于TV周期(λ)的以下等式:
[0036]λ = Ji Y (1-V)/[2(1+V)2 μ ε 2] (2)
[0037]其中Υ為表面能，V為泊松比，μ為該膜的剪切模量，而ε為垂直于膜表面的應變。為避免在位錯處的非放射性的重組(密度P)，我們導出該優化結構應為:
[0038]P _1/2 > Ji Y (1-V)/[2(1+V)2 μ ε 2] (3)
[0039]或
[0040]P < { Ji y (1- ν)/[2(1+ ν)2μ ε 2]} (4)
[0041]我們使用了關于生長條件的以下參數來估計典型的λ值。對于Ina4Gaa6N,剪切模量被估計為82Gpa,泊松比被估計為0.3,表面能被估計為4，OOOergs/cm2,而應變被估計為2%。這些值造成80am的λ，與所觀測到的LR-TV非常一致。因為周期隨著ε _2變化，所以大的失配應變初始地可以產生所觀測到的SR-TV。
[0042]盡管我們已經展示出由于InGaN的厚度變化而形成QC區域2，但是對于用于較短波長LED的AlInGaN可以獲得相似的效應。在這種情況下，可以使用不同的合金組成在AlInGaN層與AlGaN層之間，或在AlInGaN層與AlInGaN層之間形成超晶格。
[0043]QC區域2也可以有益于激光器二極管的制造。圖8A和圖8B所示為LD結構26的示意圖。為了形成該波導，可以使用AlGaN、AlGaN/GaN超晶格，或AlInGaN層來作為夾層，可以使用InGaN/GaN或AlInGaN/AlGaN MQW來作為有源層。為了促成歐姆接觸，P型GaN或InGaN覆蓋層28被添加到p型夾層30的頂部上。如果LD結構26生長在諸如藍寶石的絕緣襯底6上，那么在通過蝕刻頂部層使得η型GaN層4暴露之后，形成η型觸點32。如果其生長在諸如SiC或GaN的導電襯底7的頂部上，那么η型觸點32被形成在該襯底的底部上。該激光器的制造通過形成反饋鏡來完成。這項工作也可以通過剪切垂直于觸點帶的晶圓來完成，也可以通過使用各向異性蝕刻技術對垂直壁進行蝕刻來完成。
[0044]盡管已參考本發明的優選實施例具體展示并描述了本發明，但是本領域的技術人員應了解，可以在不偏離由所附權利要求所涵蓋的本發明的范圍的前提下，對本發明做出各種形式和細節上的改變。
【權利要求】
1.一種光電子器件，包括:襯底；以及由III族氮化物形成的多個多量子阱(MQW)層，其特征在于:載流子重組以發射出光子，所述多個MQW層被形成在所述襯底上，并且其中所述多個MQW層沿著自身的連續長度在厚度上發生周期性的變化。
2.根據權利要求1所述的一種光電子器件器件，其特征在于:所述層具有應力引發的位錯，并且所述厚度變化導致量子受限區域的形成，所述量子受限區域小于所述應力引發的位錯之間的間距；所述量子受限區域捕集所述載流子，所述載流子重組以生成所述光子來進行有效率的自發發射。
3.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:包括被形成在所述器件上的觸點，以及電壓源，所述電壓源耦接至所述觸點以使得所述器件作為高效率LED來操作。
4.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:包括用于生成相干光的反饋鏡。
5.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:所述MQW是由InxGa(1-x)N和GaN組成的層形成的。
6.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:所述MQW是由AlyInxGa (1-x-y) N 以及 A12Ga(l_z)N 組成的層形成的。
7.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:所述襯底是由選自A1203、S1、SiC、GaN或AlN組成的類別中的化合物或其合金形成的。
8.根據權利要求1所述的一種光電子器件，其特征在于:所述厚度變化是2至10納米(nm)的相對短的長度范圍，具有50至200nm的額外長范圍厚度變化以及大于10%的厚度變化；具有大于10%的額外長范圍厚度變化，具有小于位錯間距的長范圍厚度變化周期。
【文檔編號】H01S5/343GK103887382SQ201410129798
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】葉瑾琳 申請人:葉瑾琳