包括遞變區域的半導體發光器件的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]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AlGalnP合金形成的有源層。圖1和2示出常規透明襯底(TS) AlGalnP LED的制作。在圖1中，例如1000A的n-1na5Gaa5P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(AlxGai 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5 μπι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p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皇組成。
[0002]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(AlxGai x)ylni yP，其中y~0.5。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p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。
[0003]這里使用的“AlGalnP”和“II1-P”可以指鋁、鎵、銦和磷的任意二元、三元或四元
1=1Ο
【發明內容】
[0004]一個或多個遞變組份的區域被包括在ΙΙΙ-Ρ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ρ型區域之間的ΙΙΙ-Ρ發光層。遞變區域布置在Ρ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Ρ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。
[0005]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。
【附圖說明】
[0006]圖1說明生長在吸收性的襯底之上的現有技術的AlGalnP LED器件結構。
[0007]圖2說明現有技術的透明襯底的AlGalnP LED。
[0008]圖3為AlGalnP約束層和GaP窗口層之間的界面的能帶圖。
[0009]圖4說明具有布置在AllnP約束層和窗口層之間的遞變區域的器件的一部分。
[0010]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。
[0011]圖6為對于圖5所說明的結構的部分，A1組份作為位置的函數的曲線圖。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]圖10為已封裝的發光器件的分解視圖。
【具體實施方式】
[0016]在圖1和2所說明的器件中，上約束層經常為AllnP或AlGalnP。上約束層也可稱為上回退(setback)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。
[0017]圖3說明p型AlGalnP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皇20。空穴在界面19處必須攀越的能量皇20不期望地增加了器件的正向電壓
Vfo
[0018]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。
[0019]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28。設計成約束有源區28中的電子和空穴且通常為四元AlGalnP層的上約束層26生長在有源區28之上，接著是三元AllnP約束層24。可替換地，層24可以是A1組份或帶隙比上約束層26的A1組份或帶隙更高的AlGalnP 層。
[0020]遞變區域22布置在AllnP層24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% A1的AllnP遞變到約50% Ga的InGaP。實際上，在遞變區域22的厚度上A1原子被Ga逐漸取代。遞變區域22的厚度在一些器件中可以例如為lOOnm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A1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Ina5Gaa5P以外的組份，例如(Ala如。.9)Q.5Ina5P。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Ina5Gaa5P以外的組份，例如(AlxGa! x) 0.55In0.45P 或(Al^Ga! x) ?.45Ιηα55Ρ。
[0021]窗口層16典型地為p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I%5Gaa5P切換到GaP。在其它實施例中，In組份是遞變的。In組份可以在遞變區域22中的與A1組份遞變相同的部分中遞變，或者可替換地，In組份可以在遞變區域22的第一部分中遞變而A1組份在遞變區域22的第二部分中遞變。
[0022]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26形成于有源區28之上。AllnP層24形成于上約束層之上。遞變區域22布置在AllnP層24和GaP窗口層16之間。遞變區域22包括毗鄰AllnP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。
[0023]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A1組份。均勻的高A1組份AllnP層24示于圖6的左側。在遞變區域22的第一區域30中，A1組份從AllnP層24的A1組份遞變到通常在四元層中的更低的A1組份。在遞變區域22的第二區域32中，A1組份從第一區域30結束處的四元組份的A1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A1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。
[0024]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A1組份吸收。A1組份在第一區域30中逐漸遞變到不吸收光的最低A1組份(S卩，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lOOnm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。
[0025]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中的能量皇平滑。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。
[0026]有源區的發光層的組份為(AlxGalx)yInlyP，其中y~0.5。發射琥珀色光的器件可具有發光層中X = 0.3的A1組份。在第一區域30中，在lOOnm至400nm的厚度上所述組份從Α1α5Ιηα5Ρ遞變到(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Po在第二區域32中，在10nm至40nm的厚度上所述組份從(Ala3Gaa7)a5I%5P遞變到InGaP。發射橙色光的器件可具有發光層中X = 0.1-0.15的A1組份。在第一區域30中，在lOOnm至400nm的厚度上所述組份從 Al0.5In0.5P 遞變到(Al0.15Ga0.85) 0.5In0.5P。在第二區域 32 中，在 2nm 至 40nm 的厚度上所述組份從(Alai5GaQ.S5)Q.5InQ.5P遞變到InGaP。發射紅色光的器件可具有發光層中x =0.05-0.1的A1組份。在第一區域30中，在lOOnm至400nm的厚度上所述組份從AlQ.5In0.5P遞變到(Al。.1Ga0.9)0.5In0.5Po在第二區域32中，在2nm至40nm的厚度上所述組份從(AlaiGa0.9)0.5In0.5P 遞變到 InGaP。
[0027]在本發明的第三實施例中，遞變區域布置