CN101960603A - 高性能异质结构发光装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种层式异质结构发光装置，至少包括衬底、n型氮化镓基半导体覆层区、p型氮化镓基半导体覆层区、p型氧化锌基空穴注入层区及欧姆接触层区。可替选地，该装置还可包括帽罩层区，或者还可包括反射层区和保护帽罩层区。该装置还可包括一个或多个邻近于欧姆接触层区的埋入插层。欧姆接触层区可由诸如氧化铟锡、氧化镓锡或氧化铟锡材料组成。n电极焊盘形成为与n型氮化镓基覆层区电接触。p型焊盘形成为与p型区电接触。

Description

高性能异质结构发光装置及方法
相关申请的交叉参考
本专利申请要求2008年1月8日提交的美国临时专利申请No.61/019817(代理档案号为MOXT-108-PR)的优先权，该申请通过引用并入本文中。下列共有专利申请也通过引用并入本文中：
2003年8月27日提交的PCT/US03/27143(MOXT-002-PCT)；
2006年1月25日提交的PCT/US06/02534(MOXT-003-PCT)；
2006年3月28日提交的PCT/US06/11619(MOXT-004-PCT)；
2005年12月6日提交的PCT/US05/43821(MOXT-005-PCT)；
2007年8月28日提交的PCT/US07/77003(MOXT-106-PCT)；及
2008年10月29日提交的PCT/US08/81556(MOXT-107-PCT)。
技术领域
本发明一般涉及半导体异质结构发光装置，更具体而言，涉及包括氧化锌基及氮化镓基材料的发光装置的功率效率及性能的改进，以及与这样的装置有关的方法。
背景技术
众所周知发光二极管(LED)装置可用来将电能转换成光能。传统LED具有层式结构，包括至少n型半导体层区、有源半导体层区、及p型半导体层区。此结构可藉由多种不同半导体材料沉积方法制造。氮化镓基的宽带隙半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、铟铝镓氮化物(InAlGaN)，及氧化锌基的宽带隙半导体材料比如氧化锌(ZnO)和氧化铍锌(BeZnO)已被使用以获得在紫外线(UV)及可见光谱区中的发光发射。
激光二极管(LD)是一种发光装置，其中光谱输出特征比较特别，包含但不局限于一个或多个窄光谱的发射线。
在传统发光装置中，电荷穿过有源半导体层区在电接触区之间流动。n型导电和p型导电的电载子均存在于有源层区中，且由结合过程产生光。发光结构中的电载子响应于产生于两电极之间的电场且响应于施加于该两电极的电压差而移动。每一电极对于半导体层区形成电接触。有源层区由一个或多个层组成，且含有n型和p型两种载子。若有源层区中的p型载子的浓度被降低，则装置的发光效率会变差，从而降低装置的功率效率和性能。加大有源层区中的p型载子数量可提高发光装置的功率效率和性能。当有源层区中的p型载子数量足以产生p型和n型电载子转换成光的高速率时，发光装置以较高功率效率和性能工作。发光装置以高功率效率和性能工作的能力的增强会提高其功能且增加其可运用的潜在应用的数量。
对于发光装置改善电接触可提高装置的效率和性能。存在各种欧姆接触层结构及用以形成改良欧姆接触层的各种材料，以减小对于发光装置中的层上的电极的电接触电阻。举例来说，欧姆接触层可包括从下列物中选出但不局限于此的一层或多层：氧化铟锡，氧化镓锌，及氧化铟锌。
还存在各种电极结构及用于形成改良电极的各种材料，以减小对于发光装置中的层上的电极的电接触电阻。举例来说，电极可采用金属元素或金属元素的组合、导电层、或它们的一些组合。可替选地，发光结构也可采用由一种或多种元素或化合物组成的导电层以加大电极有效面积，藉此改善电接触。可替选地，发光结构可采用由一种或多种金属元素或化合物组成的且提高对于欧姆接触层的电接触的埋入式嵌入薄层。
一般而言，在无机半导体材料内形成p型载子(空穴)比形成n型载子(电子)困难。
由氮化镓基的宽带隙半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置因为有源层区中p型载子(空穴)浓度低于n型载子(电子)浓度的事实而在功率效率和性能方面受限。
期望对于这样的装置的整体工作效率提供改善。
根据本发明获得期望改善的方法将在下文说明。
多种用于LED的层式结构见于或揭示于以下美国专利，这些专利的完整内容以引用的方式并入本文中，就如同在本文中描述一样：
US 2003/0209723A1，Sakai
US 2005/0077537A1，Seong等人
US 2005/0082557A1，Seong等人
US 2007/0111354A1，Seong等人。
作为更进一步的背景，应注意到宽带隙半导体材料适合用于工作于高温的装置。氧化锌是一种宽带隙材料，且其还具有良好的抗辐射特性。氧化锌宽带隙半导体薄膜当今有具备足供半导体装置的制造的特性的n型和p型两种载子类型可用。此外，宽带隙半导体合金材料适合用于高温的装置工作。氧化铍锌是一种宽带隙材料，且其也具有良好的抗辐射特性。氧化铍锌宽带隙半导体薄膜当今有具备足供半导体装置的制造的特性的n型和p型两种载子类型可用。
此外，授权给White等人的美国专利第6,291,085号揭示一种p型掺杂氧化锌薄膜，其中该薄膜可并入包含但不局限于LED和LD的半导体装置内。
授权给White等人的美国专利第6,342,313号揭示一种p型掺杂金属氧化物薄膜，其具有至少约1015个受体/cm3的净受体浓度，其中：
(1)该薄膜是从由下列族组成的群中选出的元素的氧化化合物：第2族(铍、镁、钙、锶、钡和镭)，第12族(锌、镉和汞)，第2和12族，及第12和16族(氧、硫、硒、碲和钋)元素；且
(2)其中p型掺杂剂是从由下列族组成的群中选出的元素：第1族(氢、锂、钠、钾、铷、铯和钫)，第11族(铜、银和金)，第5族(钒、铌和钽)及第15族(氮、磷、砷、锑和铋)元素。
授权给White等人的美国专利第6,410,162号揭示一种p型掺杂氧化锌薄膜，其中p型掺杂剂从第1、11、5、15族元素选出，并且，其中该薄膜并入包括LED和LD的半导体装置内。此专利还揭示一种p型掺杂氧化锌薄膜，其中p型掺杂剂从第1、11、5、15族元素选出，并且，其中该薄膜并入半导体装置内当作衬底材料以与该装置内的材料晶格匹配。
授权给Ryu等人的PCT申请序号PCT/US06/02534揭示能带间隙高于氧化锌的能带间隙的(铍、锌和氧)合金，以及能带间隙低于氧化锌的能带间隙的(锌、镉、硒、硫、氧)合金。该申请还揭示p型掺杂的(铍、锌和氧)合金，即BeZnO合金；及(锌、镉、硒和氧)合金，即ZnCdSeO合金，具有至少约1015个受体/cm3的净受体浓度，其中：
(1)p型掺杂剂是从由下列族组成的群中选出的元素：第1族(氢、锂、钠、钾、铷、铯和钫)，第11族(铜、银和金)，第5族(钒、铌和钽)及第15族(氮、磷、砷、锑、铋)元素；
(2)该p型掺杂剂包括砷；且
(3)合金层并入包含但不局限于LED和LD的半导体装置内。
以上引用文献中的每个的完整内容以引用的方式并入本文中，且如同全文并入构成本专利申请的一部分。
本领域技术人员会理解包括异质结构的发光装置可提高装置的功率效率和性能。能以高效率和高性能工作的异质结构发光装置很适合用在许多商业和军事部门，包括但不限于诸如一般照明、白光源、LED、LD、通讯网路、及传感器等领域。
需要一种异质结构发光装置，其可由至少两种宽带隙半导体材料比如p型氧化锌基材料、p型氧化铍锌合金材料、n型氮化镓基材料、n型铟镓氮化物、及n型铝镓氮化物制造，且具有沉积在p型氮化镓基覆层上的p型氧化锌基空穴注入层区，用以在装置工作期间将空穴载子注入氮化镓基有源层区内，藉此在装置工作期间提高该有源层区内的空穴载子浓度，以在功能、装置效率及光功率输出方面获得更好性能。该p型氧化锌基空穴注入层的组合物可经选择以提高该装置的效率及发光输出功率的性能。可在该发光装置中形成其它层以提高性能。
还需要一种异质结构发光装置，其可由至少两种宽带隙半导体材料比如p型氧化锌基材料、p型氧化铍锌合金材料、n型氮化镓基材料、n型铟镓氮化物、及n型铝镓氮化物制造，且具有沉积在p型氮化镓基覆层上的p型氧化锌基空穴注入层区用以在装置工作期间将空穴载子注入氮化镓基有源层区内，藉此在装置工作期间提高该有源层区内的空穴载子浓度，且此装置具有沉积在该p型氧化锌基空穴注入层区上的欧姆接触层区以在功能、装置效率及光功率输出方面获得更好性能。该p型氧化锌基空穴注入层的组合物可经选择以提高该装置的效率及发光输出功率的性能。该欧姆接触层区可包括从下列物(但不局限于此)选出的一层或多层：氧化铟锡，氧化镓锌，及氧化铟锌。可在该发光装置中形成其它层以提高性能。
发明内容
本发明解决这些需求以及其它方面。在一实施例中，本发明提出一种层式异质结构，其用于提高发光装置的功能和效率，且具有用于高效率和高功率工作的特殊能力。
本发明的一实施例提出一种异质结构发光装置，其包括氮化镓基和氧化锌基半导体层式结构，该结构包括至少衬底、氮化镓基n型覆层区、氮化镓基有源层区、氮化镓基p型覆层、p型氧化锌基层区及欧姆接触层。电引线形成至n电极和p电极焊盘。所形成的装置是发光装置。
根据本发明的层式异质结构发光装置的一实施例使用包括多种半导体材料的半导体层式区域。作为发光装置的一示例，p型氧化锌基半导体层区提供充分紧邻该装置的氮化镓基有源层区的p型载子(空穴)源，使得该氮化镓基有源层区中的p型(空穴)载子的浓度在装置工作期间提高，藉此提高该装置的效率和功率性能。
在本发明的一实施例中，被定位在形成于氮化镓基有源层区上的p型氮化镓基覆层区上的p型氧化锌基半导体层式区域是可在装置工作期间注入该氮化镓基有源层区内的空穴载子的来源，藉此提高该发光装置的效率和功率性能。因此，该p型氧化锌基半导体层区具有空穴注入源层区的功能。在一实施例中，该p型氧化锌基半导体层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。
在本发明的一实施例中，氧化铟锡层用作欧姆接触层，藉此提高装置的效率和功率性能。因此，p型氧化锌基半导体层区不是欧姆接触层区。欧姆接触层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。
在本发明的一实施例中，该装置还可包含被形成且定位在p型氧化锌基空穴注入层区与欧姆接触层区之间的埋入插层，以改善欧姆接触，该插层的组合物由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该插层被形成为介于约0.1nm至100nm间的厚度。
在本发明的一实施例中，该装置还可包含被形成且定位在欧姆接触层区上的埋入插层，以改善欧姆接触，该插层的组合物由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该插层被形成为介于约0.1nm至100nm间的厚度。
p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提高该装置的效率及光功率输出的性能。
在不限制本发明的范围的情况下，本发明的其它实施例、示例、实施或方面可采用或提供下述一项或多项：
(1)用作p型氧化锌基半导体层区的铍、锌和氧合金(BeZnO合金)。
(2)用作p型氧化锌基半导体层区的铍、镁、锌、和氧合金(BeMgZnO合金)。
(3)用作半导体层区的(II族元素、锌和氧)合金。
(4)用作p型氧化锌基半导体层区的BeMgZnO合金，其中镁可用来提高相邻层之间的晶格匹配。
(5)用作p型氧化锌基半导体层区的锌、镉、硒、硫和氧合金(ZnCdSeSO合金)。
(6)用作p型氧化锌基半导体层区的锌、镉、硒、硫、铍和氧合金(BeZnCdSeSO合金)，其中铍可用来提高相邻层之间的晶格匹配。
(7)欧姆接触层区可覆盖p型氧化锌基半导体层区的全部或一部分。
(8)各层可外延生长以提高装置性能。
本发明的上述及其它实施例、示例、实施和方面将在下文结合附图详细说明，所述结构的制造方法也于其中说明。特别地，本领域技术人员从以下结合示出本发明的示例性实施例的附图对本发明的详细描述中将更为明了本发明的其它细节、优点和特征以及根据本发明的发光装置可进行的操作方式。
附图说明
图1是示出根据本发明的发光装置的一实施例的示意图，包括衬底、缓冲层、n型氮化镓基半导体覆层区、氮化镓基有源层区、p型氮化镓基覆层区、p型氧化锌基空穴注入层区、氧化铟锡欧姆接触层区、p电极、及n电极。
图2是示出本发明的另一实施例的示意图，包括衬底、缓冲层、n型氮化镓基半导体覆层区、氮化镓基有源层区、p型氮化镓基覆层区、p型氧化锌基空穴注入层区、氧化铟锡欧姆接触层区、反射层区、保护帽罩层区、p电极、及n电极。
具体实施方式
概述
本发明利用且施行本发明人的下列认识：
1)如果能增大在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度，则能提升包括氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)的发光装置的整体工作效率。
2)此外，使用氧化锌基半导体材料比如氧化锌(ZnO)所能获得的p型载子(空穴)浓度高于在氮化镓基半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)中所能获得的浓度。
3)包括氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一p型半导体层区的形成而被加大时会提升，其中该p型半导体层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源层区提供p型载子(空穴)。
4)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一p型氧化锌基半导体层区的形成而被加大时会提升，其中该p型氧化锌半导体层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源层区提供p型载子(空穴)。
5)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一p型氧化锌基半导体层区的形成而被加大时会提升，其中该p型氧化锌基层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源层区注射p型载子(空穴)。
6)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一p型氧化锌基半导体层区的形成且此p型氧化锌基层区的p型载子(空穴)浓度高于该氮化镓基有源层区的p型载子(空穴)浓度而被加大时会提升，其中该p型氧化锌基层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源层区注射p型载子(空穴)。
7)此外，发光装置的整体工作效率可藉由提高有源层区中的p型载子浓度且降低该装置的电接触电阻的方式提升。
8)半导体发光装置具有层式结构。因此，该结构及该装置内的某些层和层区的电学特性可提升该装置的整体工作特性、效率、性能及用途。同样地，用来形成该装置内的层和层区的半导体材料的材料组合物可大幅影响该装置的整体工作特性、效率、性能及用途。
9)发光装置的整体工作效率可因在该装置的有源层区中提供空穴浓度提高的异质结构的使用而提升。含有由半导体材料组成的p型层区的异质结构装置可提升该装置的整体工作特性、效率、性能及用途，其中该半导体材料是在装置工作期间向包括不同半导体材料的有源层区供给空穴载子的空穴载子源。
10)一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区是在装置工作期间向包括不同宽带隙半导体材料的有源层区供给空穴载子的空穴载子源，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
11)一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区在装置工作期间将空穴载子注射到包括不同宽带隙半导体材料的有源层区内，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
12)一种异质结构装置，其含有由第一种材料的宽带隙半导体组成的p型层区，该p型层区形成在包括第二种材料的宽带隙半导体的p型覆层区上，其中该第一种材料的p型层区是在装置工作期间用于第二种材料的有源层区的空穴载子源，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
13)一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区形成在包括第二种组合物型宽带隙半导体材料的p型覆层区上，其中第一种组合物型的材料的p型层区在装置工作期间将空穴载子注射到第二种组合物型的材料的有源层区内，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
14)一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区是在装置工作期间用于包括不同宽带隙半导体材料的有源层区的空穴载子源，且此装置含有形成在该p型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
15)一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区在装置工作期间将空穴载子注射到包括不同宽带隙半导体材料的有源层区内，且此装置含有形成在该p型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
16)一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型材料的宽带隙半导体组成的p型层区，该p型层区形成在包括第二种组合物型材料的宽带隙半导体的p型覆层区上，其中第一种组合物型材料的p型层区是在装置工作期间向第二种组合物型材料供给空穴载子的空穴载子源，且此装置含有形成在该p型空穴源层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途
17)一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型材料的宽带隙半导体组成的p型层区，该p型层区形成在包括第二种组合物型材料的宽带隙半导体的p型覆层区上，其中第一种组合物型材料的p型层区在装置工作期间将空穴载子注射到第二种组合物型材料的有源层区内，且此装置含有形成在该p型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。
本发明的示例性实施例/实施
现参照图1，其示出根据本发明的发光装置的一实施例的示意图。具体而言，图1是示出根据本发明的发光装置的层式结构的剖面图。
如图1所示，在本发明的一实施例中，缓冲层102长在衬底101上。氮化镓基半导体材料的n型覆层区103长在该缓冲层上。氮化镓基有源层区104长在该n型氮化镓基覆层区上。氮化镓基半导体材料的p型覆层区105长在该氮化镓基有源层区上。氧化锌基半导体材料的p型空穴注入层区106长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接触层区107沉积在该p型氧化锌基空穴注入层区上。在该欧姆接触层上形成有p电极焊盘108。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层氮化镓基层区上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘109。该装置还可包含(未示出)被形成并定位在该p型氧化锌层空穴注入区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该p型氧化锌基半导体层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0.1nm至100nm之间。
该p型氧化锌基空穴注入层区的材料组合物可经选择以提升该装置的效率和光功率输出的性能。
图2是根据本发明的发光装置的另一实施例的示意图。具体而言，图2是示出根据本发明的发光装置的层式结构的剖面图。
如图2所示，在本发明的一实施例中，缓冲层202长在单晶衬底201上。氮化镓基半导体材料的n型覆层区203长在该缓冲层上。氮化镓基有源层区204长在该n型覆层区上。氮化镓基半导体材料的p型覆层区205长在该氮化镓基有源层区上。氧化锌基半导体材料的p型空穴注入层区206长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接触层区207沉积在该p型氧化锌基空穴注入层区上。利用包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素在该欧姆接触层区上形成反射层区210：Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr及Pt，当该装置用在覆晶发光装置设计中时此反射层有助于光的提取。利用来自包含但不限于下列物的一种或多种元素或化合物在该反射层区上形成保护帽罩层区211：Ni、Pt、Pd、Zn、TiN，此保护帽罩层区有助于提高对于该p电极的电接触且抑制该反射层区的氧化作用以提升装置寿命。在该保护帽罩层区上形成有p电极焊盘208。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层区上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘209。该装置还可包含(未示出，但与本专利申请完整内容有关的领域的技术人员可轻易理解)被形成并定位在该p型氧化锌层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该p型氧化锌基半导体层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该欧姆接触层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该反射层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该保护帽罩层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0.1nm至100nm之间。
该p型氧化锌基空穴注入层区的材料组合物可经选择以提升该装置的效率和光功率输出的性能。
举例来说，生长各层、施用电引线及形成电触点的技术可包含本领域已知的技术，或是在本专利申请中列出姓名的发明人中一人或多人的专利申请(包括上面列出的专利申请)中描述的技术；且这样的其它申请以引用的方式并入本文中。
额外的发光装置示例
本发明有许多其它可行实施例、示例和变型，且均在如下文提出的权利要求所限定的本发明精神和范围以内。更进一步举例来说，在本发明的另一发光实施例中，使用类似图1所示的层式结构，氧化铍锌半导体合金区的p型空穴注入层区长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接触层区沉积在该p型氧化铍锌空穴注入层区上。在该欧姆接触层区上形成有p电极焊盘。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层区上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘。该装置还可包含(未示出)被形成并定位在该p型氧化铍锌层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。该p型氧化铍锌半导体层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该反射层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该保护帽罩层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0.1nm至100nm之间。
更进一步举例来说，在本发明的一发光实施例中，使用类似图2所示的层式结构，氧化铍锌半导体合金的p型空穴注入层区长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接触层区沉积在p型锌氧化物型空穴注入层区上。利用包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素在该欧姆接触层区上形成反射层区：Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr及Pt，当该装置用在覆晶发光装置设计中时此反射层有助于光的提取。利用来自包含但不限于下列物的一种或多种元素或化合物在该反射层区上形成保护帽罩层区：Ni、Pt、Pd、Zn、TiN，此保护帽罩层有助于提高对于p电极的电接触且抑制该反射层区的氧化作用以提升装置寿命。在该保护帽罩层区上形成有p电极焊盘。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层区上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘。该p型氧化铍锌半导体层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该反射层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。该保护帽罩层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0.1nm至100nm之间。该装置还可包含(未示出)被形成并定位在该p型氧化锌基层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。该装置还可包含(未示出)形成在该欧姆接触层区上的插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。
举本发明的其它示例来说，利用层式结构制造本发明的发光实施例，其运用紧邻氮化镓基装置的氮化镓基有源层区形成的p型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该p型氧化锌基层区注射到该氮化镓基有源层区内。所形成装置是发光二极管。该p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提升该装置的效率和光功率输出的性能。
举其它示例来说，在本发明的其它发光实施例中使用层式结构，其运用紧邻氮化镓基装置的氮化镓基有源层区形成的p型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该p型氧化锌基层区注射到该氮化镓基有源层区内，其中层式区域的一或多者由单一层组成。所形成装置是发光二极管。
举其它示例来说，在本发明的其它发光实施例中使用层式结构，其运用紧邻氮化镓基装置的氮化镓基有源层区形成的p型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该p型氧化锌基层区注射到该氮化镓基有源层区内，其中该装置还可包含被形成并定位在该p型氧化锌基层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成：Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。
本发明的另外示例、实施例及实施：
1)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层或多层材料组成：BeZnO、MgZnO、BeMgO及BeMgZnO合金材料。
2)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层或多层材料组成：ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO及ZnSeO合金材料。
3)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层或多层材料组成：BeZnO、MgZnO、BeMgO、及BeMgZnO、ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO及ZnSeO合金材料，且结合用以提高对于一个或多个其它层的晶格匹配的一种或多种元素比如Mg或Be。
4)该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层的掺杂剂是从第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素。
5)该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂选自由砷、磷、锑及氮组成的群；或者在本发明的一特定方面，该p型氧化锌基半导体层区的掺杂剂可为只有砷。
6)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层的掺杂剂是从第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素；或是从由砷、磷、锑及氮组成的群中选出的一种或多种元素；或者在一示例中只有砷。
7)该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金半导体空穴注入层区的掺杂剂是从第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素。
8)该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金半导体空穴注入层区的掺杂剂是从由砷、磷、锑及氮组成的群中选出；或者在本发明的一特定方面，p型氧化锌半导体层区的掺杂剂可为只有砷。
9)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金空穴注入层区的掺杂剂是从第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素；或是从由砷、磷、锑及氮组成的群中选出的至少一种元素；或特别地只有砷。
10)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂可在生长过程中掺入。
11)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂可藉由选自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方法掺入。
12)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区可藉由选自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方法形成。
13)可替选地，p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提升该装置的效率和光功率输出的性能。
14)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区为一层或多层且从包含但不限于下列材料当中选出：氧化铟锡、氧化镓锌及氧化铟锌。欧姆接触层区被形成为介于约0.1nm至2000nm间的厚度。
15)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区可藉由选自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方法形成。
16)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区可藉由选自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方法形成。
17)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不限于下列材料当中选出的氧化物材料：由第II族元素构成的氧化物、ZnO、BeZnO、MgZnO、BeMgZnO、ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO及ZnSeO。p型氧化锌基层区被形成为介于约0.1nm至2000nm的厚度。
18)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不限于下列材料当中选出的氧化物材料：由第II族元素构成的氧化物、ZnO、MgZnO、ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO及ZnSeO，且经添加Be以提高层间晶格匹配。p型氧化锌基层区被形成为介于约0.1nm至2000nm的厚度。
19)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不限于下列材料当中选出的氧化物材料：由第II族元素构成的氧化物、ZnO及BeZnO，且经添加Mg以提高层间晶格匹配。p型氧化锌基层区被形成为介于约0.1nm至2000nm的厚度。
通过以下附加示例更进一步示出和理解本发明及其技术优点。
本发明的进一步示例和说明
以下说明提供本发明的各实施例和示例及其特性的进一步说明。如前所述，本发明涉及一种层式异质结构发光装置，用以提高发光装置的性能，特别是其高效率和高功率性能。
尽管接下来将参照LED发光装置说明特定实施例，但应理解到本发明可就其它类型的发光装置实施，比如激光二极管(LD)及在本文其它部分列出的其它装置和配置。
在本发明的一实施例中，将具备层式结构的晶圆放入混合射束沉积反应器内并加热至大约650℃，该层式结构包括蓝宝石衬底、缓冲层、n型氮化镓基覆层区、氮化镓基有源层区及p型氮化镓基覆层区。使压力降到大约1×10-5托且用RF氧等离子体清洁该p型氮化镓基覆层30分钟。然后使温度降到550℃，然后在该p型氮化镓基覆层区上沉积以砷(As)p型掺杂的氧化锌半导体材料层达约0.3微米的厚度。然后使温度降到室温。藉由溅镀方法在该p型氧化锌半导体层上沉积包括氧化铟锡的层达约1000nm的厚度。
适用于沉积氧化锌层、特别是以砷掺杂的p型氧化锌层以及其它材料(举例来说可包含氧化铍锌)的一种或多种示例性工艺的更详细说明举例来说参见美国专利第6,475,825号(White等人)和6,610,141号(White等人)，及PCT专利申请PCT/US03/27143(Ryu等人)、PCT/US05/043821(Ryu等人)和PCT/US06/011619(Ryu等人)，以上各专利以引用的方式并入本文中且构成本申请的一部分，如同其完整内容在这里提出一样。
带有所沉积的各层的该晶圆被图案化和蚀刻，且在n型氮化镓基层区上及氧化铟锡层上形成电极焊盘。利用Cr和Au金属形成对于n型氮化镓基层区的欧姆触点。利用Cr和Au金属形成对于氧化铟锡欧姆接触层的欧姆触点。
向电极施加电压差并测量该装置的电流-电压(I-V)特性。测量在正向偏置条件下来自该装置的光发射以获得该发光装置的功率和效率。
本领域技术人员会轻易理解到在其它变型当中，可造出具备与上述实施例所用的层式结构不同的层式结构的装置。该p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提高该装置的效率及发光功率输出的性能。
结论
根据本发明具有所公开的层式结构的发光结构可用来提高性能，特别是其效率和输出功率。根据本发明具有p型氧化锌基空穴注入层区和欧姆接触层区的发光装置会在光子学领域中的高效率和高功率装置应用中有许多用途。这样的用途可包含但不限于诸如高效率白光源、LED、LD等应用，以及用在一般型和专业型照明、显示器、和光谱研究中的传感器。
本领域技术人员会理解到也可根据本说明书揭示的内容加上额外的期望特征(比如用在覆晶发光设计中的反射层区和帽罩层区)来制造本发明的发光装置。
以上示例为说明性的阐述而非限制性的。相似地，文中所用术语和措辞是说明性的而非限制性的，且这样的术语和措辞的使用并不希望排除所示和所描述的特征或其部分的等效内容。可进行多种增添、减少及修改且在本发明的精神和范围以内。此外，本说明书所述的本发明任一实施例或本发明范围内的其它实施例的任一个或多个特征可与本发明任何其它实施例的任一个或多个其它特征结合，而不脱离本发明的范围。

Claims (24)

1.一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括：
衬底，
n型氮化镓基半导体覆层区，
氮化镓基有源层区，
p型氮化镓基覆层区，
p型氧化锌基空穴注入层区，以及
欧姆接触层区。
2.一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括：
衬底，
n型氮化镓基半导体覆层区，
氮化镓基有源层区，
p型氮化镓基覆层区，
p型氧化锌基空穴注入层区，
欧姆接触层区，以及
保护帽罩层区。
3.一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括：
衬底，
n型氮化镓基半导体覆层区，
氮化镓基有源层区，
p型氮化镓基覆层区，
p型氧化锌基空穴注入层区，
欧姆接触层区，
反射层区，以及
保护帽罩层区。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，还包括位于所述p型氧化锌基空穴注入层区与所述欧姆接触层区之间的埋入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La的列表的至少一种元素。
5.如权利要求2所述的装置，还包括位于所述欧姆接触层区与所述保护帽罩层区之间的埋入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La的列表的至少一种元素。
6.如权利要求3所述的装置，还包括位于所述欧姆接触层区与所述反射层区之间的埋入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La的列表的至少一种元素。
7.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区是选自包括含第II族元素的氧化物，ZnO，BeZnO，MgZnO，BeMgZnO，ZnCdSeO，ZnCdSO，ZnCdSSeO，ZnSSeO，ZnSO及ZnSeO的列表的氧化物材料。
8.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区是选自包括含第II族元素的氧化物，ZnO，MgZnO，ZnCdSeO，ZnCdSO，ZnCdSSeO，ZnSSeO，ZnSO及ZnSeO的列表的氧化物材料，且添加有Be以提高层间晶格匹配。
9.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区是选自包括含第II族元素的氧化物，ZnO及BeZnO的列表的氧化物材料，且添加有Mg以提高层间晶格匹配。
10.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区是p型氧化锌材料。
11.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区是p型氧化铍锌合金材料。
12.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化铟锡。
13.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化镓锌。
14.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化铟锌。
15.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区为至少单层。
16.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区的掺杂剂包括选自第1(IA)族元素，第11(IB)族元素，第5(VB)族元素及第15(VA)族元素的至少一种元素。
17.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区的掺杂剂包括选自氮、砷、磷、锑及铋的至少一种元素。
18.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基空穴注入层区的掺杂剂包括砷。
19.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述装置包含形成在所述衬底上且位于所述衬底与所述n型氮化镓基半导体覆层区之间的缓冲层。
20.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述p型氧化锌基半导体层区形成为具有介于约0.1nm至约2000nm之间的厚度且所述欧姆接触层区形成为具有介于约0.1nm至约2000nm之间的厚度。
21.一种制造如权利要求1所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法包括：
形成n型氮化镓基半导体覆层区，
在所述n型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区，
在所述氮化镓基有源层区上形成p型氮化镓基覆层区，
在所述p型氮化镓基覆层区上形成p型氧化锌基空穴注入层区，以及
在所述p型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层区。
22.一种制造如权利要求2所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法包括：
形成n型氮化镓基半导体覆层区，
在所述n型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区，
在所述氮化镓基有源层区上形成p型氮化镓基覆层区，
在所述p型氮化镓基覆层区上形成p型氧化锌基空穴注入层区，
在所述p型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层区，以及
在所述欧姆接触层区上形成保护帽罩层。
23.一种制造如权利要求3所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法包括：
形成n型氮化镓基半导体覆层区，
在所述n型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区，
在所述氮化镓基有源层区上形成p型氮化镓基覆层区，
在所述p型氮化镓基覆层区上形成p型氧化锌基空穴注入层区，
在所述p型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层，
在所述欧姆接触层区上形成反射层，以及
在所述反射层区上形成保护帽罩层。
24.一种制造如权利要求4-20中任一项所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法。
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