專利名稱：帶有電流擴展層的發(fā)光二極管的制作方法
帶有電流擴展層的發(fā)光二極管本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有電流擴展層的發(fā)光二極管。本專利申請要求德國專利申請10 2007 057 674. 0的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引
用結(jié)合于此。在傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)情況下，電接觸通常通過兩個電接觸層進行，其中通 常僅僅芯片表面的比較小的區(qū)域設(shè)置有接觸面。這種接觸會不利地導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片的不均 勻的饋電，其導(dǎo)致有源區(qū)中的提高的正向電壓和低的量子效率。這種效應(yīng)尤其是出現(xiàn)在具 有低的橫向?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體材料情況下、特別是在氮化物化合物半導(dǎo)體情況下。本發(fā)明的任務(wù)是，提出一種帶有改進的電流擴展結(jié)構(gòu)的LED，其特征尤其是在于改 進的橫向?qū)щ娦院透倪M的垂直電流傳輸。該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的LED來解決。本發(fā)明的有利的擴展方案和改 進方案是從屬權(quán)利要求的主題。根據(jù)本發(fā)明，設(shè)計了一種LED，其具有發(fā)射輻射的有源層、n接觸部、p接觸部和電 流擴展層。電流擴展層設(shè)置在有源層和n接觸部之間。此外，電流擴展層具有多次重復(fù)的 層序列。該層序列具有n摻雜的第一層、未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層，其中0<x< 1， 其中AlxGai_xN構(gòu)成的層具有A1含量的濃度梯度。在具有多次重復(fù)的層序列的電流擴展層中，在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之 間的邊界面上形成二維電子氣。通過形成二維電子氣，有利地提高了電流擴展層的橫向?qū)?電性。提高的電流擴展層的橫向?qū)щ娦詫?dǎo)致有源層的均勻的饋電并且由此有利地提高了 LED的效率。AlxGai_xN構(gòu)成的層的鋁含量的濃度梯度改進了電流擴展層中的垂直電流傳輸。此 外，由此降低了在各層之間的邊界面上的張力。這導(dǎo)致LED的退化降低，由此有利地提高了 LED的長期穩(wěn)定性和壽命。通過電流擴展層的組成，由此通過在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之間的邊界 面上形成二維電子氣產(chǎn)生了高的橫向?qū)щ娦?。此外，通過AlxGai_xN構(gòu)成的層的鋁含量的濃 度梯度實現(xiàn)了在電流擴展層中的垂直電流傳輸?shù)膬?yōu)化。發(fā)光二極管(LED)優(yōu)選實施為薄膜LED。在薄膜LED的情況下，制造襯底被局部或 完全地去除，其中在該制造襯底上制造、尤其是沉積了用于LED的層堆疊。制造襯底優(yōu)選是 生長襯底，層堆疊外延地生長在該生長襯底上。薄膜發(fā)光二極管芯片的基本原理例如在I. Schnitzer等人于1993年10月18日 所著的Appl. Phys. Lett. 63(16)第2174-2176頁中進行了描述，其就此的公開內(nèi)容通過引
用結(jié)合于此。優(yōu)選的是，LED基于氮化物化合物半導(dǎo)體?！盎诘锘衔锇雽?dǎo)體”在本上下 文中意味著有源外延層序列或者其至少一個層包括氮化物-iii/v-化合物半導(dǎo)體材料， 優(yōu)選為AlnGamIni_n_mN，其中0彡n彡1，0彡m彡1，并且n+m彡1。在此，該材料不必一定具 有根據(jù)上式的數(shù)學(xué)上精確的組成。更確切地說，其可以具有一種或者多種摻雜材料以及附 加的組成部分，它們基本上不改變AlnGaJni_n_mN材料的典型的物理特性。然而出于簡單的原因，上式僅僅包含晶格的主要組成部分(Al、Ga、In、N)，即使它們可以部分地通過少量其 他材料來替代。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層設(shè)置在未摻雜的層和n摻雜的層之間。在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之間的邊界面上構(gòu)建具有特別高的橫向?qū)щ?性的區(qū)域。該區(qū)域的提高的橫向?qū)щ娦钥梢栽谀軒Ｐ椭腥缦陆忉屧谠撨吔缑嫔戏謩e出 現(xiàn)了導(dǎo)帶和價帶的帶邊緣的扭曲，這導(dǎo)致形成勢能波谷(Potentialmulde)，在該勢能波谷 中出現(xiàn)具有特別高的橫向?qū)щ娦缘亩S電子氣。在AlxGai_xN構(gòu)成的層和n摻雜的層之間的邊界面上會形成負的極化電荷，使得形 成對于電子的勢壘，該勢壘會對電流擴展層中的垂直電流傳輸有不利作用。這種勢壘可以 通過在AlxGai_xN構(gòu)成的層中的鋁含量的濃度梯度來降低，而在二維電子氣中的載流子密度 不會顯著變化。此外，由此減小了在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之間的邊界面上以及 在AlxGai_xN構(gòu)成的層和n摻雜的層之間的邊界面上出現(xiàn)的張力。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層具有在朝向有源層的方向降低的、鋁含量的濃度梯度。通過這樣構(gòu)建的電流擴展層，在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之間的邊界面上 形成二維電子氣，該電子氣于是提高電流擴展層的橫向?qū)щ娦圆⑶疫@樣引起有源層的均勻 的饋電。AlxGai_xN構(gòu)成的層的、朝向有源層降低的鋁含量的濃度梯度改進了在電流擴展層 中的垂直電流傳輸，由此實現(xiàn)了有源層的改進的饋電。優(yōu)選的是，鋁含量的濃度梯度具有線性降低。可替選地，鋁含量的濃度梯度可以具 有階梯狀的降低。優(yōu)選的是，電流擴展層具有層序列的至少10次重復(fù)，特別優(yōu)選的是，電流擴展層 具有層序列的至少20次重復(fù)。通過這種方式，在電流擴展層中形成了多個在未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之 間的邊界面，在這些邊界面上由于能帶扭曲而分別形成電勢波谷，在該波谷中出現(xiàn)具有高 的橫向?qū)щ娦缘亩S電子氣。整個電流擴展層的橫向?qū)щ娦杂纱伺c具有僅僅一個嵌入的由 AlxGai_xN構(gòu)成的層的電流擴展層相比被進一步提高。此外，通過多個由AlxGai_xN構(gòu)成的、具有鋁含量的濃度梯度的層提高了在整個電 流擴展層中的垂直電流傳輸，由此總體上提高了 LED的效率。AlxGai_xN構(gòu)成的層優(yōu)選具有在lOnm到20nm之間的厚度，例如具有12nm的厚度。對于AlxGai_xN構(gòu)成的層中的鋁含量X，優(yōu)選適用0. 1彡x彡0. 3。例如，在AlxGai_xN 構(gòu)成的層中的鋁含量x在與未摻雜的層的邊界面上為0. 2。在AlxGai_xN構(gòu)成的層中這樣選擇的鋁含量(其例如在與未摻雜的層的邊界面上為 x = 0. 2并且朝向有源層的方向降低)導(dǎo)致在二維電子氣中的載流子密度的所希望的提高 和在AlxGai_xN構(gòu)成的層與n摻雜的層之間的邊界面上的垂直電流傳輸勢壘的不希望的提高 之間最優(yōu)的折衷?？傮w上，有利地提高了 LED的效率。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層至少部分具有摻雜物。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層 至少部分地具有Si摻雜物。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層的朝向有源層的部分區(qū)域被摻雜，而AlxGai_xN構(gòu)成的 層的背離有源層的部分區(qū)域未被摻雜。
電子在二維電子氣中的高的可移動性大部分歸因于在離子化的摻雜原子上的降 低的散射。二維電子氣形成于未摻雜的層和AlxGai_xN構(gòu)成的層之間的邊界面上，其中二維 電子氣集中地存在于未摻雜的層中。通過AlxGai_xN構(gòu)成的層的背離有源層的、未被摻雜的 部分區(qū)域，進一步提高了電子在二維電子氣中的可移動性，因為進一步降低了在離子化的 摻雜原子上的散射。通過這種方式，進一步改進了橫向?qū)щ娦院碗娏鲾U展，由此有利地提高 T LED的效率。LED的其他特征、優(yōu)點、優(yōu)選的擴展方案和合乎目的性從下面結(jié)合

圖1至圖5闡述 的實施例中得到。其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的LED的一個實施例的示意性橫截面，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的LED的電流擴展層的層序列的一個實施例的示意性橫截圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的LED的電流擴展層的一個實施例的示意性橫截面中的鋁 含量的曲線圖。相同或者作用相同的組成部分分別設(shè)置有相同的附圖標(biāo)記。所示的組成部分以及 組成部分彼此之間的大小關(guān)系不能視為合乎比例。在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有外延的層結(jié)構(gòu)13的LED的示意性橫截面，其中 LED優(yōu)選實施為薄膜LED。在薄膜LED的情況下，其上制造有、特別是沉積有用于LED的層 堆疊的制造襯底被局部地或者完全地去除。制造襯底優(yōu)選是生長襯底，層堆疊外延地生長 在該生長襯底上。LED的外延層序列13具有有源層7。LED的有源層7優(yōu)選包括pn結(jié)、雙異質(zhì) 結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)或者特別優(yōu)選為單量子阱結(jié)構(gòu)(SQW)，用于產(chǎn)生輻射。在本 申請的范圍中，術(shù)語量子阱結(jié)構(gòu)尤其是包括任意的如下結(jié)構(gòu)其中載流子可以通過限制 ("confinement")而經(jīng)歷其能量狀態(tài)的量化。特別地，術(shù)語量子阱結(jié)構(gòu)并不包含關(guān)于量化 的維度的說明。由此，其尤其是包括量子槽、量子線和量子點以及這些結(jié)構(gòu)的任意組合。有源層7例如設(shè)置在ρ摻雜的半導(dǎo)體層8和η摻雜的過渡層6之間。LED的ρ摻 雜的半導(dǎo)體層8不能理解為單個的層。更確切地說，ρ摻雜的半導(dǎo)體層8同樣可以由ρ摻 雜的層序列組成。與η摻雜的過渡層6接著的例如是例如GaN構(gòu)成的η摻雜的層5。GaN構(gòu)成的η 摻雜的層5上例如設(shè)置有電流擴展層4，在該電流擴展層上優(yōu)選構(gòu)建有例如由GaN構(gòu)成的η 摻雜的第二層3。在η摻雜的第二層3上優(yōu)選設(shè)置有η接觸部10。η接觸部10可以包括接合墊和/或多個與接合墊電連接的接觸接片，以便實現(xiàn)更 好的電流擴展。通過具有多個與接合墊導(dǎo)電連接的接觸接片的裝置，可以實現(xiàn)在LED中的 比較均勻的電流分布。在外延層序列13的與η接觸部10對置的側(cè)上借助連接層12、例如焊劑層將外延 層序列13固定在支承體1上。支承體的背面例如設(shè)置有電極2。為了電接觸LED的外延層序列13，設(shè)置有η接觸部10和ρ接觸部9。ρ接觸部與 外延層序列13的朝向支承體1的側(cè)鄰接，其中ρ接觸部9優(yōu)選建立與鄰接的外延層序列13 的歐姆接觸。P接觸部9優(yōu)選可以是反射有源層7所發(fā)射的輻射的層。通過這種方式，降低 了例如在支承體1內(nèi)或者在連接層12中會出現(xiàn)的吸收損耗。
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在p接觸部9和連接層12之間優(yōu)選包含勢壘層11，其例如包含TiWN。通過勢壘 層11，尤其是防止了連接層12的材料擴散到p接觸部9中，通過該擴散尤其是會影響用作 反射層的P接觸部9的反射。LED優(yōu)選基于氮化物化合物半導(dǎo)體?！盎诘锘衔锇雽?dǎo)體”在本上下文中意 味著有源外延層序列或者其至少一個層包括氮化物-III/V-化合物半導(dǎo)體材料，優(yōu)選為 AlnGamIni_n_mN，其中0彡n彡1，0彡m彡1，并且n+m彡1。在此，該材料不必一定具有根據(jù) 上式的數(shù)學(xué)上精確的組成。更確切地說，其可以具有一種或者多種摻雜材料以及附加的組 成部分，它們基本上不改變AlnGamIni_n_mN材料的典型的物理特性。然而出于簡單的原因，上 式僅僅包含晶格的主要組成部分(Al、Ga、In、N)，即使它們可以部分地通過少量其他材料來 替代。電流擴展層4優(yōu)選位于LED的n摻雜的側(cè)上。電流擴展層4優(yōu)選設(shè)置在兩個n摻 雜的層3、5之間，這些n摻雜的層例如包含GaN并且分別優(yōu)選用Si摻雜。電流擴展層4具有多次重復(fù)的層序列。優(yōu)選的是，電流擴展層4具有層序列的至 少10次重復(fù)，特別優(yōu)選地，電流擴展層4具有層序列的至少20次重復(fù)。在圖2中示出了電流擴展層的層序列的示意性橫截面的詳細結(jié)構(gòu)。層序列具有例如GaN構(gòu)成的n摻雜的層41和與其鄰接的未摻雜的例如GaN構(gòu)成的 層42。與GaN構(gòu)成的未摻雜的層42優(yōu)選接著的是AlxGai_xN構(gòu)成的層43，其中0 < x < 1。 AlxGai_xN構(gòu)成的層43優(yōu)選由未摻雜的部分區(qū)域43a以及摻雜的部分區(qū)域43b組成，其中 AlxGai_xN構(gòu)成的層43的摻雜的部分區(qū)域43b朝向有源層7。與AlxGai_xN構(gòu)成的層43接著 的是例如GaN構(gòu)成的n摻雜的第二層44。通過這樣構(gòu)建的電流擴展層4，在GaN構(gòu)成的未摻雜的層42和AlxGai_xN構(gòu)成的層 43之間的邊界面上形成二維電子氣。通過形成二維電子氣，有利地提高了電流擴展層4的 橫向?qū)щ娦浴ｋ娏鲾U展層4的提高的橫向?qū)щ娦詫?dǎo)致有源層7的均勻的饋電并且由此有利 地提高了 LED的效率。在能帶模型中如下解釋提高的橫向?qū)щ娦栽谠撨吔缑嫔戏謩e出現(xiàn)了導(dǎo)帶和價帶 的帶邊緣的扭曲，這導(dǎo)致形成勢能波谷，在該勢能波谷中出現(xiàn)具有特別高的橫向?qū)щ娦缘?二維電子氣。電流擴展層4優(yōu)選具有層序列的至少10次重復(fù)，如在圖2中示出的那樣。特別優(yōu) 選地，電流擴展層4具有層序列的至少20次重復(fù)。通過這種方式，在電流擴展層4中形成了多個在GaN構(gòu)成的未摻雜的層42和 AlxGai_xN構(gòu)成的層43之間的邊界面，在這些邊界面上由于能帶扭曲而分別形成電勢波谷， 在該波谷中出現(xiàn)具有高的橫向?qū)щ娦缘亩S電子氣。整個電流擴展層的橫向?qū)щ娦杂纱伺c 具有僅僅一個嵌入的由AlxGai_xN構(gòu)成的層43的電流擴展層相比被提高。優(yōu)選的是，AlxGai_xN構(gòu)成的層43在一個部分區(qū)域43b中具有摻雜物。優(yōu)選的是， 該部分區(qū)域43b具有Si摻雜物。AlxGai_xN構(gòu)成的層43的背離有源層7的部分區(qū)域43a優(yōu)選未被摻雜。電子在二維電子氣中的高的可移動性大部分歸因于在離子化的摻雜原子上的降 低的散射。二維電子氣形成于GaN構(gòu)成的未摻雜的層42和AlxGai_xN構(gòu)成的層43之間的邊 界面上，其中二維電子氣集中地存在于GaN構(gòu)成的未摻雜的層42中。通過AlxGai_xN構(gòu)成的層43的背離有源層7的、未被摻雜的部分區(qū)域43a，進一步提高了電子在二維電子氣中的可 移動性，因為進一步降低了在離子化的摻雜原子上的散射。通過這種方式，進一步改進了橫 向?qū)щ娦院碗娏鲾U展，由此有利地提高了 LED的效率。在AlxGai_xN構(gòu)成的層43和GaN構(gòu)成的η摻雜的第二層44之間的邊界面上會形成 負的極化電荷，使得形成對于電子的勢壘，該勢壘會對通過電流擴展層4的垂直電流傳輸 有不利作用。該勢壘的形成可以通過在AlxGai_xN構(gòu)成的層43中的鋁含量的濃度梯度來防 止，而在二維電子氣中的載流子密度不會顯著變化。此外，由此減小了在GaN構(gòu)成的未摻雜 的層42和AlxGa1J構(gòu)成的層43之間的邊界面上以及在AlxGa1J構(gòu)成的層43和η摻雜的 第二層44之間的邊界面上出現(xiàn)的張力。在圖3中示出了在電流擴展層4的層序列中的鋁含量的曲線圖。從左向右看，在 圖3中示出了 GaN構(gòu)成的η摻雜的層41、GaN構(gòu)成的未被摻雜的層42、AlxGa1J構(gòu)成的層 43和GaN構(gòu)成的η摻雜的第二層44。AlxGai_xN構(gòu)成的層43在朝向有源層7的方向上具有降低的鋁含量的濃度梯度。優(yōu) 選的是，鋁含量的濃度梯度具有線性的降低?？商孢x地，鋁含量的濃度梯度可以具有階梯狀 的降低。AlxGai_xN構(gòu)成的層43的鋁含量的濃度梯度改進了在電流擴展層4中的垂直電流 傳輸。此外，由此降低了在各個層之間的邊界面上的張力。這導(dǎo)致LED的退化降低，由此有 利地提高了 LED的長期穩(wěn)定性和壽命?？傮w上，通過這樣構(gòu)建的電流擴展層4，通過形成二維電子氣產(chǎn)生了高的橫向?qū)щ?性，以及同時通過在AlxGai_xN構(gòu)成的層43中的鋁含量的濃度梯度優(yōu)化了在電流擴展層4中 的垂直電流傳輸。對于AlxGai_xN構(gòu)成的層43中的鋁含量X，優(yōu)選適用0. 1彡χ彡0. 3。特別優(yōu)選的 是，在AlxGa1J構(gòu)成的層43中的鋁含量χ在與GaN構(gòu)成的未摻雜的層42的邊界面A上為 0. 2。在AlxGai_xN構(gòu)成的層43中這樣選擇的鋁含量(其例如在與GaN構(gòu)成的未摻雜的 層42的邊界面A上為χ = 0. 2并且朝向有源層7的方向降低)導(dǎo)致載流子在二維電子氣 中的密度的所希望的提高和在AlxGai_xN構(gòu)成的層43與GaN構(gòu)成的η摻雜的第二層44之間 的邊界面上的垂直電流傳輸勢壘的不希望的提高之間最優(yōu)的折衷?？傮w上，有利地提高了 LED的效率。電流擴展層4的層序列例如由如下層厚度的各個層組成GaN構(gòu)成的η摻雜的層41優(yōu)選具有大約15nm的厚度d41。GaN構(gòu)成的未摻雜的層 42優(yōu)選具有大約IOnm的厚度d42，在該層中尤其是形成二維電子氣。AlxGai_xN構(gòu)成的層43 優(yōu)選具有大約12nm的厚度d43，其中未摻雜的部分區(qū)域43b具有大約8nm的厚度d43b。隨后 是GaN構(gòu)成的η摻雜的第二層44，其具有大約13nm的優(yōu)選的厚度d44?？傮w上，由此對于電 流擴展層4的層序列得到大約50nm的優(yōu)選厚度d4。通過這種方式，對于電流擴展層4得到 大約Iym的層厚度，該電流擴展層優(yōu)選由20個層序列組成。LED除了上述層之外例如可以包含緩沖層、勢壘層和/或過渡層。此外，LED的各 層可以具有不同的摻雜物。借助上述實施例對本發(fā)明的描述不能視為將本發(fā)明限制于此。更確切地說，本發(fā)明包含任意新的特征和特征的任意組合，尤其是在權(quán)利要求中的特征的任意組合，即使該 特征或者該組合本身并未明確地在權(quán)利要求或者實施例中進行說明。
權(quán)利要求
一種發(fā)光二極管，其具有發(fā)射輻射的有源層(7)、n接觸部(10)、p接觸部(9)和電流擴展層(4)，其中-電流擴展層(4)設(shè)置在有源層(7)和n接觸部(10)之間，-電流擴展層(4)具有多次重復(fù)的層序列，-該層序列至少具有n摻雜的層(44)、未摻雜的層(42)和AlxGa1-xN構(gòu)成的層(43)，其中0＜x＜1，并且-AlxGa1-xN構(gòu)成的層(43)具有Al含量的濃度梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中AlxGa1J構(gòu)成的層(43)設(shè)置在未摻雜的 層(42)和η摻雜的層(44)之間。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中AlxGai_xN構(gòu)成的層(43)具 有朝著有源層(7)的方向降低的Al含量的濃度梯度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管，其中Al含量的濃度梯度具有線性降低。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管，其中Al含量的濃度梯度具有階梯狀的降低。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中電流擴展層(4)具有層序列 的多于10次的重復(fù)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中AlxGai_xN構(gòu)成的層(43)具 有在IOnm到20nm之間的厚度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中對于在AlxGai_xN構(gòu)成的層 (43)中的鋁成分χ適用0. 1彡χ彡0.3。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中AlxGai_xN構(gòu)成的層(43)至 少部分地具有摻雜物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其中AlxGai_xN構(gòu)成的層(43)至少部分地具有 Si摻雜物。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的發(fā)光二極管，其中AlxGahN構(gòu)成的層(43)的朝向有 源層(7)的部分區(qū)域(43b)被摻雜。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)光二極管，其中AlxGai_xN構(gòu)成的層(43)的 背離有源層(7)的部分區(qū)域(43a)未被摻雜。
全文摘要
提出了一種發(fā)光二極管，其具有發(fā)射輻射的有源層(7)、n接觸部(10)、p接觸部(9)和電流擴展層(4)。電流擴展層(4)設(shè)置在有源層(7)和n接觸部(10)之間。此外，電流擴展層(4)具有多次重復(fù)的層序列，該層序列至少具有n摻雜的層(44)、未摻雜的層(42)和AlxGa1-xN構(gòu)成的層(43)，其中0＜x＜1。AlxGa1-xN構(gòu)成的層(43)具有Al含量的濃度梯度。
文檔編號H01S5/323GK101878545SQ200880118412
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者馬蒂亞斯·彼得, 馬蒂亞斯·扎巴蒂爾 申請人:歐司朗光電半導(dǎo)體有限公司