CN102067342A - 包括递变区域的半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
一个或多个递变组份的区域被包括在III-P发光器件中以减小与器件中的界面关联的Vf。根据本发明的实施例，半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III-P发光层。递变区域布置在p型区域和GaP窗口层之间。铝组份在递变区域中是递变的。递变区域可具有至少150nm的厚度。在一些实施例中，除了p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，铝组份还在布置在蚀刻停止层和n型区域之间的递变区域中是递变的，或者替代p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，铝组份在布置在蚀刻停止层和n型区域之间的递变区域中是递变的。
Description
背景技术
相关技术描述
作为要求低功耗、小尺寸以及高可靠性的光源，发光二极管（LED）在许多应用中被广泛接受。在可见光谱的黄-绿色到红色区域发射光的能量高效的二极管含有由AlGaInP合金形成的有源层。图1和2示出常规透明衬底（TS）AlGaInP LED的制作。在图1中，例如1000Å 的n-In0.5Ga0.5P层的蚀刻停止层12生长在半导体衬底10之上，该半导体衬底典型地为GaAs。包括均布置成双异质结配置的下约束层、至少一个(AlxGa1-x)yIn1-yP有源层和上约束层的器件层14生长在蚀刻停止层12之上，接着是可选的厚（例如，厚度介于5μm和100μm之间）的窗口层16，该窗口层经常为通过气相外延生长的p型GaP。约束层是由透明半导体制成并提高LED的内量子效率，该内量子效率定义为有源层中复合和发光的电子-空穴对的比例。窗口层16也是透明半导体，增大电流跨过有源层的扩展并提高LED的内量子效率和提取效率。发光区域可由单个厚的均匀组份层组成或者由一系列薄的阱和垒组成。
GaAs作为生长衬底是优选的，因为它晶格匹配到其组份有利于形成在可见光谱的黄-绿色到红色区域发光的LED的(AlxGa1-x)yIn1-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衬底18替代，如图2所说明的。图1中所示的GaAs衬底10是通过蚀刻来移除，该蚀刻对GaAs的蚀刻速率远快于对蚀刻停止层12的蚀刻速率。通常通过在提升的温度下对结构退火同时施加单轴力，典型地为n型GaP的透明衬底18被晶片结合到外延结构（图2中的蚀刻停止层12）的下表面。随后使用适合于p型外延GaP阳极和n型晶片结合的GaP阴极的常规金属接触和芯片制作技术，从该结合的晶片来加工LED芯片。
这里使用的“AlGaInP”和“III-P”可以指铝、镓、铟和磷的任意二元、三元或四元合金。
发明内容
一个或多个递变组份的区域被包括在III-P发光器件中以减小与器件中的界面关联的Vf。根据本发明的实施例，半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III-P发光层。递变区域布置在p型区域和GaP窗口层之间。在递变区域中铝组份是递变的。在一些实施例中，递变区域具有至少150nm的厚度。在一些实施例中，除了p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，铝组份还在布置在蚀刻停止层和n型区域之间的递变区域中是递变的，或者替代p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，铝组份在布置在蚀刻停止层和n型区域之间的递变区域中是递变的。
在一些实施例中，递变区域被划分为具有不同递变分布(grading profile)的多个区域。例如，在第一区域中，铝组份可以从p型区域中的铝组份递变到发光层中的铝组份。在第二区域中，铝组份可以从发光层中的铝组份递变到零。
附图说明
图1说明生长在吸收性的衬底之上的现有技术的AlGaInP LED器件结构。
图2说明现有技术的透明衬底的AlGaInP LED。
图3为AlGaInP约束层和GaP窗口层之间的界面的能带图。
图4说明具有布置在AlInP约束层和窗口层之间的递变区域的器件的一部分。
图5说明具有递变区域的器件的一部分，该递变区域包括具有不同递变分布的多个区域。
图6为对于图5所说明的结构的部分，Al组份作为位置的函数的曲线图。
图7为对于图5所说明的结构的部分，带隙作为位置的函数的曲线图。
图8说明具有布置在四元约束层和窗口层之间的递变区域的器件的一部分。
图9说明具有布置在蚀刻停止结构和四元约束层之间的递变区域的器件的一部分。
图10为已封装的发光器件的分解视图。
具体实施方式
在图1和2所说明的器件中，上约束层经常为AlInP或AlGaInP。上约束层也可称为上回退（setback）层。此处使用的"上约束层"可以指紧邻有源层的铝、镓、铟和磷的任意的二元、三元或四元合金。
图3说明p型AlGaInP上约束层（器件层14其中之一）和GaP窗口层16之间界面处的能带图。在这两个层之间的界面19处，朝向发光层流动的空穴必须具有足够的能量以溢过能量垒20。空穴在界面19处必须攀越的能量垒20不期望地增加了器件的正向电压Vf。
本发明的实施例可以减小与器件中的界面关联的Vf，特别是在窗口层和器件层之间的界面处。
在本发明的第一实施例中，递变区域布置在上约束层和窗口层之间。图4说明根据本发明第一实施例的器件的一部分。有源区之下的器件层（包括n型约束层）未示于图4中。包括至少一个发光层的有源区在图4中被描绘为层28。设计成约束有源区28中的电子和空穴且通常为四元AlGaInP层的上约束层26生长在有源区28之上，接着是三元AlInP约束层24。可替换地，层24可以是Al组份或带隙比上约束层26的Al组份或带隙更高的AlGaInP层。
递变区域22布置在AlInP层24和窗口层16之间。在根据第一实施例的一些器件中，组份从50% Al的AlInP递变到约50% Ga的InGaP。实际上，在递变区域22的厚度上Al原子被Ga逐渐取代。递变区域22的厚度在一些器件中可以例如为100nm至500nm，在一些器件中厚度为至少150nm，在一些器件中厚度为300nm至400nm，以及在一些器件中厚度为至少300nm。尽管递变区域22的Al组份一般递变到零，但并非必须如此。例如，递变区域22可以递变到In0.5Ga0.5P以外的组份，例如(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P。尽管递变区域22的In组份一般维持在50%的恒定值，该恒定值与有源区中的一个或多个发光层以及GaAs生长衬底晶格匹配，但并非必须如此。例如，递变区域22可以递变到In0.5Ga0.5P以外的组份，例如(AlxGa1-x)0.55In0.45P或(AlxGa1-x)0.45In0.55P。
窗口层16典型地为p型GaP，其生长在递变区域22之上。在一些实施例中，在递变区域22和窗口层16之间的界面处，组份突然从接近In0.5Ga0.5P切换到GaP。在其它实施例中，In组份是递变的。In组份可以在递变区域22中的与Al组份递变相同的部分中递变，或者可替换地，In组份可以在递变区域22的第一部分中递变而Al组份在递变区域22的第二部分中递变。
在本发明第二实施例中，递变区域布置在上约束层和窗口层之间。递变区域划分为具有不同递变分布的两个或更多个区域。图5说明根据本发明第二实施例的器件的一部分。与图4的器件类似，上约束层26形成于有源区28之上。AlInP层24形成于上约束层之上。递变区域22布置在AlInP层24和GaP窗口层16之间。递变区域22包括毗邻AlInP层24的第一区域30以及毗邻窗口层16的第二区域32。在区域30和32中递变分布是不同的。
图6说明对于根据图5的器件的一个实例的一部分，作为位置的函数的Al组份。均匀的高Al组份AlInP层24示于图6的左侧。在递变区域22的第一区域30中，Al组份从AlInP层24的Al组份递变到通常在四元层中的更低的Al组份。在递变区域22的第二区域32中，Al组份从第一区域30结束处的四元组份的Al组份递变到在与窗口层16的界面处通常为InGaP的具有很少或没有Al的组份。图6中说明的区域30和32中的递变分布均是线性的单调递变。与第一递变区域30中的组份相比，第二递变区域32中的组份变化更快速。
诸如图6中说明的器件那样，包括具有不同递变分布的多个区域的递变区域对于在短波长发光的器件是有吸引力的。更短的波长更容易被递变区域22中的最低Al组份吸收。Al组份在第一区域30中逐渐递变到不吸收光的最低Al组份（即，发光层组份），随后在第二区域32中快速递变经过吸收性组份。第一区域30通常厚于第二区域32。在一些器件中，第二区域32介于第一区域30厚度的5%和15%之间。例如，第一区域30的厚度可以在100nm和500nm之间，且厚度经常介于300nm和400nm之间。第二区域32的厚度可以介于2nm和50nm之间，且厚度经常介于20nm和40nm之间。
图7说明对于根据图5的器件的一个实例的一部分，作为位置的函数的带隙。图5和6中的递变组份区域导致递变的带隙分布，该递变的带隙分布至少部分地使图3中的能量垒平滑。图7中所示的带隙分布是由递变区域22的第一区域30以及递变区域22的第二区域32构建的，所述第一区域对于由发光层发射的光是基本上透明的，所述第二区域基本上吸收由发光层发射的光。
有源区的发光层的组份为(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中y~0.5。发射琥珀色光的器件可具有发光层中x＝0.3的Al组份。在第一区域30中，在100nm至400nm的厚度上所述组份从Al0.5In0.5P递变到(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P。在第二区域32中，在10nm至40nm的厚度上所述组份从(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P递变到InGaP。发射橙色光的器件可具有发光层中x＝0.1-0.15的Al组份。在第一区域30中，在100nm至400nm的厚度上所述组份从Al0.5In0.5P递变到(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P。在第二区域32中，在2nm至40nm的厚度上所述组份从(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P递变到InGaP。发射红色光的器件可具有发光层中x＝0.05-0.1的Al组份。在第一区域30中，在100nm至400nm的厚度上所述组份从Al0.5In0.5P递变到(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P。在第二区域32中，在2nm至40nm的厚度上所述组份从(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P递变到InGaP。
在本发明的第三实施例中，递变区域布置在上约束层和窗口层之间，且图4和5的AlInP约束层24从该器件中略去。图8说明根据第三实施例的器件的一部分。上约束层26形成于有源区28之上。上约束层通常为晶格匹配的四元层，即(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中y~0.5。约束层26中的Al组份一般为x≥0.4，经常为x≥0.65。递变区域34布置在上约束层26和窗口层16之间。递变区域34中的Al组份从上约束层26的组份递变到毗邻窗口层16的部分中的零。递变区域34可以例如在一些器件中厚度为100nm至500nm，以及在一些器件中厚度为300nm至400nm。
当层中的Al组份增大时，层的带隙增大，且相应地层的约束载流子的能力增大。当AlInP层24被略去时，四元上约束层必须具有足够高的Al组份以提供充分的载流子约束。有源区28的发光层中的Al组份x和上约束层26中的Al组份x之间的差在一些实施例中为Δx≥0.4，在一些实施例中为Δx≥0.5，以及在一些实施例中为Δx≥0.6。例如，发射琥珀色光的器件可具有(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P的发光层组份。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.7或(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.8或(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5P。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.9或(Al0.9Ga0.1)0.5In0.5P。发射红色光的器件可具有(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P的发光层组份。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.45或(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5P。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.55或(Al0.55Ga0.45)0.5In0.5P。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.65或(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P。在一些实施例中，上约束层中的Al组份至少为x＝0.8或(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5P。
在本发明的第四实施例中，递变区域布置在蚀刻停止层和下约束层之间，位于有源区的n型侧上。图9说明根据第四实施例的结构的一部分。蚀刻停止结构36生长在生长衬底10之上，该生长衬底经常为GaAs。递变区域38生长在蚀刻停止结构36之上，接着是下约束层40、有源区28和上约束层26。在上述实施例中描述的任意递变结构可生长在上约束层26之上，接着是窗口层16（未示于图9中)。
蚀刻停止结构36例如可以是由例如GaAs层分隔的一个或多个蚀刻停止层。蚀刻停止层可以是例如InGaP。蚀刻停止结构的顶层为蚀刻停止层，经常为InGaP。
递变区域中的组份从顶部蚀刻停止层的组份递变到下约束层的组份。例如，下约束层一般为晶格匹配的四元层，即(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中y~0.5。下约束层40中的Al组份一般为x≥0.4，经常为x≥0.65。递变区域38可以例如在一些器件中厚度为40nm至100nm，以及在一些器件中厚度为100nm至300nm。
正如上述的上约束层那样，四元下约束层必须具有足够高的Al组份以提供充分的载流子约束。有源区28的发光层中的Al组份x和下约束层40中的Al组份x之间的差在一些实施例中为Δx≥0.25，在一些实施例中为Δx≥0.5，以及在一些实施例中为Δx≥0.6。例如，发射琥珀色光的器件可具有(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P的发光层组份。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.65或(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.8或(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5P。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.9或(Al0.9Ga0.1)0.5In0.5P。发射红色光的器件可具有(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P的发光层组份。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.4或(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.55或(Al0.55Ga0.45)0.5In0.5P。在一些实施例中，下约束层中的Al组份至少为x＝0.65或(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P。
n型下约束层的Al组份可以低于p型上约束层的Al组份。
上面描述的实施例可以组合。例如，在第三和/或第四实施例中描述的递变区域可包括具有不同递变分布的多个区域，如在第二实施例中所描述的那样。器件可包括位于有源区的n型侧和p型侧二者上的各个递变区域。
尽管上面的实例描述了具有线性递变分布的区域，此处使用的术语"递变区域"旨在涵盖以除了单一组份台阶以外的任何方式实现组份改变的任何结构。在一个实例中，递变区域为层的堆叠体，每个层具有与其毗邻的任一层不同的组份。如果各层具有可分辨的厚度，则递变区域称为台阶递变或者指数递变（index-graded）区域。在各个层的厚度接近零的极限中，递变区域称为连续递变区域。构成递变区域的各层可以布置成形成多种组份与厚度关系的分布，其包括但不限于线性递变、抛物线递变以及幂定律递变。此外，递变区域不限于单个递变分布，而是可以包括具有不同递变分布的多个部分以及具有基本上恒定组份的一个或多个部分。
如图2及附带文本所说明和描述的，图4、5、7、8和9中说明的结构可以加工成透明衬底器件。例如，通过终止于蚀刻停止结构的蚀刻来移除生长衬底。半导体层随后连接到透明衬底，且接触形成于器件的相对侧上。可替换地，图4、5、7、8和9中说明的结构可以加工成倒装芯片器件，其中一部分半导体层被蚀刻掉以露出p型或n型层，随后p型和n型接触二者形成于器件的同一侧上。
图10为已封装的发光器件的分解视图，如美国专利6,274,924中所更详细地描述的。散热嵌块100置于***模制引线框中。***模制引线框为例如模制在提供电学路径的金属框架106周围的填充塑性材料105。嵌块100可包括可选的反射杯102。发光器件管芯104可以是上面实施例中描述的任何器件，直接地或者经由热传导载具103间接地安装到嵌块100。可以添加覆盖件108，该覆盖件可以是光学透镜。
对于本发明已经予以详细描述，本领域技术人员将理解，鉴于本公开内容可以对本发明进行修改而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，本发明的范围并非旨在受限于所说明和描述的具体实施例。
Claims (18)
1. 一种器件，包括：
半导体结构，该半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III-P发光层；
GaP窗口层；以及
布置在p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，其中铝组份在递变区域中是递变的，并且递变区域具有至少150nm的厚度。
2. 权利要求1的器件，其中递变区域中铝的组份从p型区域中的组份递变到零。
3. 权利要求1的器件，其中p型区域包括与递变区域直接接触的(AlxGa1-x)yIn1-yP层，其中x≥0.4。
4. 权利要求1的器件，其中p型区域包括与递变区域直接接触的AlInP层。
5. 权利要求1的器件，其中递变区域为第一递变区域，该器件进一步包括：
蚀刻停止层；和
布置在蚀刻停止层和n型区域之间的第二递变区域，其中铝的组份在第二递变区域中是递变的。
6. 权利要求5的器件，其中第二递变区域中铝的组份从零递变到n型区域中的组份。
7. 权利要求5的器件，其中与递变区域直接接触的蚀刻停止层为InGaP，并且与递变区域直接接触的n型层为(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中x≥0.4。
8. 权利要求5的器件，其中第二递变层的厚度大于40nm。
9. 权利要求1的器件，其中递变区域中铝的组份从p型区域中的组份递变到非零值。
10. 权利要求1的器件，其中递变区域中铟的组份从与GaAs晶格匹配的组份改变到与GaAs不晶格匹配的组份。
11. 一种器件，包括：
半导体结构，该半导体结构包括布置在n型区域和p型区域之间的III-P发光层；
GaP窗口层；以及
布置在p型区域和GaP窗口层之间的递变区域，其中：
铝的组份在递变区域中是递变的；以及
递变区域包括具有第一递变分布的第一部分和具有第二递变分布的第二部分。
12. 权利要求11的器件，其中递变区域具有至少100nm的厚度。
13. 权利要求11的器件，其中递变区域具有至少300nm的厚度。
14. 权利要求11的器件，其中：
第一部分紧邻p型区域且第二部分紧邻窗口层；
第一部分中的铝组份从p型区域中的铝组份递变到发光层中的铝组份；以及
第二部分中的铝组份从发光层中的铝组份递变到比发光层中的铝组份更少的铝组份。
15. 权利要求14的器件，其中第二部分中的铝组份从发光层中的铝组份递变到零。
16. 权利要求11的器件，其中第一部分厚于第二部分。
17. 权利要求11的器件，其中与第一部分相比，第二部分的表示作为位置的函数的铝组份的线的斜度更陡峭。
18. 权利要求11的器件，其中：
第一部分对于由发光层发射的光是基本上透明的；以及
第二部分基本上吸收由发光层发射的光。
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