具有嵌入空穴注入層以提高效率和下降率的光子器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有嵌入空穴注入層以提高效率和下降率的光子器件。發(fā)光器件包括位于襯底上方的n摻雜氮化鎵(n-GaN)層。多量子阱(MQW)層位于n-GaN層上方。電子阻擋層位于MQW層上方。p摻雜氮化鎵(p-GaN)層位于電子阻擋層上方。該發(fā)光器件包括空穴注入層。在一些實施例中，空穴注入層包括p摻雜氮化銦鎵(p-InGaN)層，其位于下面三個位置的一個位置中：MQW層和電子阻擋層之間、電子阻擋層和p-GaN層之間以及p-GaN層內(nèi)部。
【專利說明】具有嵌入空穴注入層以提高效率和下降率的光子器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及II1-V族化合物器件，更具體地，涉及提高諸如氮化鎵(GaN)器件的II1-V族化合物器件的效率和下降率(drop rate)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷了迅速發(fā)展。半導(dǎo)體材料和設(shè)計的技術(shù)進步產(chǎn)生了用于不同用途的各種類型的器件。這些器件中的一些類型的制造可能需要在襯底上形成一個或多個II1-V族化合物層，例如在襯底上形成氮化鎵層。使用II1-V族化合物的器件可包括發(fā)光二極管(LED)器件、激光二極管(LD)器件、射頻(RF)器件、高電子遷移率晶體管(HEMT)器件和/或高功率半導(dǎo)體器件。這些器件中的一些(諸如LED器件和LD器件)被配置為當(dāng)施加電壓時由于電子-空穴再結(jié)合(recombination)而發(fā)光。
[0003]然而，傳統(tǒng)的LED器件和LD器件具有較差的空穴注入率和較差的空穴擴散，這對于LED器件和LD器件來說，導(dǎo)致輸出功率的降低和較大的效率下降。
[0004]因此，雖然現(xiàn)有的LED器件和LD器件一般能夠滿足它們預(yù)期的用途，但是它們不能在每個方面都滿足要求。繼續(xù)尋求具有更好空穴注入和空穴擴散性能的LED器件和LD器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種光子器件，包括:n摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在襯底上方；多量子阱(MQW)層，設(shè)置在η摻雜II1-V族化合物層上方；ρ摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在MQW層上方；以及空穴注入層，設(shè)置在MQW層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間，其中，空穴注入層包含不同于P摻雜II1-V族化合物層的ρ摻雜II1-V族化合物材料。
[0006]優(yōu)選地，空穴注入層的ρ摻雜II1-V族化合物材料包括摻鎂氮化銦鎵(InGaN)。
[0007]優(yōu)選地，空穴注入層設(shè)置在ρ摻雜II1-V族化合物層的內(nèi)部。
[0008]優(yōu)選地，該光子器件還包括設(shè)置在MQW層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間的電子阻擋層。
[0009]優(yōu)選地，空穴注入層設(shè)置在電子阻擋層和MQW層之間。
[0010]優(yōu)選地，空穴注入層設(shè)置在電子阻擋層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間。
[0011]優(yōu)選地，電子阻擋層包含ρ摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料。
[0012]優(yōu)選地，η摻雜II1-V族化合物層和P摻雜II1-V族化合物層分別包括η摻雜氮化鎵(n-GaN)和ρ摻雜氮化鎵(ρ-GaN);以及MQW層包含多個交錯的氮化銦鎵(InGaN)子層和氮化鎵(GaN)子層。
[0013]優(yōu)選地，光子器件包括發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)。
[0014]優(yōu)選地，光子器件包括具有一個或多個管芯的照明模塊，并且在一個或多個管芯的每個管芯中實施η摻雜II1-V族化合物層、ρ摻雜II1-V族化合物層和MQW層。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種發(fā)光器件，包括:η摻雜氮化鎵(n-GaN)層，位于襯底上方；多量子講(MQW)層,位于n-GaN層上方；電子阻擋層,位于MQW層上方；p摻雜氮化鎵(P-GaN)層，位于電子阻擋層上方；以及ρ摻雜氮化銦鎵(P-1nGaN)層，嵌入到以下三個位置的一個位置中:MQW層和電子阻擋層之間、電子阻擋層和ρ-GaN層之間以及p_GaN層的內(nèi)部。
[0016]優(yōu)選地，電子阻擋層包含ρ摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料。
[0017]優(yōu)選地，n-GaN層、MQW層、電子阻擋層、p-GaN層和ρ-1nGaN層是發(fā)光二極管(LED)器件的部分。
[0018]優(yōu)選地，n-GaN層、MQW層、電子阻擋層、p-GaN層和p-1nGaN層是激光二極管(LD)器件的部分。
[0019]優(yōu)選地，P-1nGaN層具有鎂作為摻雜物；p_InGaN層中鎂的濃度在大約1.0X1017ions/cm3到大約1.0 X 1019ions/cm3的范圍內(nèi)；以及p-1nGaN層的厚度小于約100納米。
[0020]優(yōu)選地，襯底包括以下材料中的一種:氮化鎵襯底、藍寶石襯底、硅襯底以及包括夾置在氮化鎵層和接合晶圓之間的介電層的襯底。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造發(fā)光器件的方法，包括:在襯底上方生長η摻雜II1-V族化合物層；在11摻雜II1-V族化合物層上方生長多量子阱(MQW)層；在1^評層上方生長電子阻擋層；在電子阻擋層上方生長P摻雜II1-V族化合物層；以及在下面位置的一個位置中形成空穴注入層:MQW層和電子阻擋層之間、電子阻擋層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間和P摻雜II1-V族化合物層的內(nèi)部；其中，空穴注入層包含不同于P摻雜II1-V族化合物層的P摻雜II1-V族化合物材料。
[0022]優(yōu)選地，η摻雜II1-V族化合物層和P摻雜II1-V族化合物層分別包括η摻雜氮化鎵(n-GaN)和ρ摻雜氮化鎵(p-GaN) ;MQW層包含多個交錯的氮化銦鎵(InGaN)子層和氮化鎵(GaN)子層；電子阻擋層包含ρ摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料；以及空穴注入層包含摻鎂氮化銦鎵(InGaN)。
[0023]優(yōu)選地，以以下方式執(zhí)行生長所述空穴注入層:空穴注入層中鎂的濃度在大約1.0X1017ions/cm3到大約1.0 X 1019ions/cm3的范圍內(nèi)；以及空穴注入層的厚度小于約100納米。
[0024]優(yōu)選地，發(fā)光器件包括發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]當(dāng)參照附圖閱讀時，根據(jù)以下詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的方面。需要強調(diào)的是，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)慣例，各個部件沒有按比例繪制。事實上，為了討論的清楚，可以任意增大或減小各個部件的尺寸。
[0026]圖1至圖2以及圖7至圖9是根據(jù)本發(fā)明各個方面的示例性LED結(jié)構(gòu)的局部截面?zhèn)纫晥D。
[0027]圖3至圖6是示出根據(jù)本發(fā)明各個方面的實驗數(shù)據(jù)的示圖。
[0028]圖10是根據(jù)本發(fā)明各個方面的示例性LED照明裝置的局部截面?zhèn)纫晥D。
[0029]圖11是根據(jù)本發(fā)明各個方面的包括圖7的LED照明裝置的照明模塊的示意圖。
[0030]圖12是 根據(jù)本發(fā)明各個方面的示例性LD結(jié)構(gòu)的局部截面?zhèn)纫晥D。[0031]圖13是示出根據(jù)本發(fā)明各個方面的制造具有嵌入空穴注入層的光子器件的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]應(yīng)該理解，以下發(fā)明提供了用于實現(xiàn)各個實施例的不同特征的許多不同的實施例或?qū)嵗Ｒ韵旅枋隽瞬考团渲玫木唧w實例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅僅是實例而不用于限制。例如，在下面的描述中第一部件形成在第二部件之上或第二部件上可以包括第一部件和第二部件被形成為直接接觸的實施例，還可以包括可形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實施例。此外，為了方便，使用術(shù)語“頂部”、“底部”、“之下”、“之上”、以及類似術(shù)語但不旨在以任何特定取向限制實施例的范圍。為了簡化和清楚的目的，各個部件還可以按不同比例任意繪制。此外，本發(fā)明可以在各個實例中重復(fù)參照的數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡單和清楚的目的，但其自身并不表明所討論的各個實施例和/或配置之間的必要關(guān)系。
[0033]隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進步，利用II1-V族化合物來制造諸如發(fā)光二極管(LED)器件、激光二極管(LD)器件、射頻(RF)器件、高電子遷移率晶體管(HEMT)器件和高功率半導(dǎo)體器件的各種器件。II1-V化合物包含來自元素周期表“III”族(或家族)的元素以及來自元素周期表“V”族(或家族)的另一種元素。例如，III族元素可包括硼、鋁、鎵、銦和鈦，而V族元素可包括氮、磷、砷、銻和鉍。
[0034]這些II1-V族化合物器件中的一些器件(諸如LED和LD)在施加電壓時利用電子-空穴再結(jié)合來發(fā)射輻射。輻射可包括可見光譜中的不同顏色的光以及具有紫外線或紅外線波長的輻射。與傳統(tǒng)光源(例如，白熾燈)相比，LED和LD提供了許多優(yōu)點，諸如較小的尺寸、較低的能耗、較長的壽命、各種可用的顏色以及較好的耐久性和可靠性。這些優(yōu)點以及使LED和LD更便宜和更穩(wěn)定的LED和LD制造技術(shù)的進步近年來促進了 LED和LD的普及。
[0035]然而，現(xiàn)有LED和LD可能具有特定缺陷。一種這樣的缺陷是現(xiàn)有LED和LD具有較差的空穴注入以及較差的空穴擴散，導(dǎo)致電子-空穴再結(jié)合的不充分。這使得LED或LD的輸出功率減小以及潛在較大的效率下降。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的各個方面，下面描述具有改善了空穴注入和空穴擴散的光子器件，其提高了電子-空穴再結(jié)合以增加輸出功率并減小與現(xiàn)有LED和LD相關(guān)的效率下降。在一些實施例中，光子器件包括水平LED。在一些實施例中，光子器件包括垂直LED。圖1至圖2是處于各個制造階段的部分LED的示意性截面?zhèn)纫晥D。為了更好地理解本發(fā)明的發(fā)明概念而簡化了圖1至圖2。
[0037]參照圖1，示出了水平LED 30。水平LED 30包括襯底40。襯底40是晶圓的一部分。在一些實施例中，襯底40包括藍寶石材料。在一些其它實施例中，襯底40包括硅材料。在一些其它實施例中，襯底40包括塊狀(bulk) II1-V型化合物，例如塊狀氮化鎵。在又一些其它實施例中，襯底40可包括氮化鎵層、接合晶圓(其可包括藍寶石、硅、莫來石、蘇-莫來石(Su-mullite)、石英、鑰等)以及接合在氮化鎵層和接合晶圓之間的介電層(例如，氧化硅)。
[0038]襯底40可具有范圍在大約50微米(μπι)到大約ΙΟΟΟμπι之間的厚度。在一些實施例中，可在襯底40上方形成低溫緩沖膜。然而，為了簡化的目的，低溫緩沖膜在本文沒有示出。
[0039]非摻雜半導(dǎo)體層50形成在襯底40上方。非摻雜半導(dǎo)體層50沒有p型摻雜物或η型摻雜物。在一些實施例中，非摻雜半導(dǎo)體層50包括含有來自元素周期表“III”族(或家族)的一種元素以及來自元素周期表“V”族(或家族)的另一種元素的化合物。在所示實施例中，非摻雜半導(dǎo)體層50包括非摻雜氮化鎵(GaN)材料。
[0040]非摻雜半導(dǎo)體層50還可用作襯底40和將形成在非摻雜半導(dǎo)體層50上方的層之間的緩沖層(例如，為了減小應(yīng)力)。為了有效地執(zhí)行其用作緩沖層的作用，非摻雜半導(dǎo)體層50具有減少的位錯缺陷和良好的晶格結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在特定實施例中，非摻雜半導(dǎo)體層50具有范圍在大約Iym到大約5 μπι之間的厚度。
[0041]摻雜半導(dǎo)體層60形成在非摻雜半導(dǎo)體層50上方。通過本領(lǐng)域公知的外延生長工藝來形成摻雜半導(dǎo)體層60。在所示實施例中，摻雜半導(dǎo)體層60摻雜有η型摻雜物，例如碳(C)或娃(Si)。在可選實施例中,摻雜半導(dǎo)體層60可摻雜有P型摻雜物,例如鎂(Mg)。摻雜半導(dǎo)體層60包括II1-V族化合物，其在本實施例中是氮化鎵。因此，摻雜半導(dǎo)體層60還可稱為摻雜氮化鎵層。在一些實施例中，摻雜半導(dǎo)體層60具有范圍在大約2 μ m到大約6 μ m之間的厚度。
[0042]預(yù)應(yīng)變層(pre-strained layer) 70形成在摻雜半導(dǎo)體層60上方。預(yù)應(yīng)變層70可摻雜有諸如硅的η型摻雜物。在各個實施例中，預(yù)應(yīng)變層70可包含多對(例如20-40對)交錯的InxGahN子層和GaN子層，其中，X大于或等于O但小于或等于I。預(yù)應(yīng)變層70可用于釋放應(yīng)力并減少量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)，該效應(yīng)是外部電場對其上形成的量子阱層(例如，以下討論的MQW層80)的光吸收光譜的效應(yīng)。在一些實施例中，InxGahN子層可具有范圍在大約0.5納米(nm)到大約2nm的厚度,GaN子層可具有范圍在大約Inm到大約7nm之間的厚度，以及預(yù)應(yīng)變層70可具有范圍在大約30nm到大約80nm的總厚度。
[0043]多量子阱(MQW)層80形成在預(yù)應(yīng)變層70上方。MQW層80包括多個交替(或周期性的)有源子層和勢壘子層。有源子層包括氮化銦鎵(InxGahN)，以及勢壘子層包括氮化鎵(GaN)。例如，MQW層80可包括6-13對交錯的勢壘子層和有源子層。每個勢壘子層均可具有范圍在大約2nm到大約5nm之間的厚度，以及每個有源子層均可具有范圍在大約4nm到大約17nm之間的厚度。
[0044]在一些實施例中，勢壘層90形成在MQW層80上方。墊壘層90可包含II1-V族化合物，例如InxAlyGai_x_yN，其中x和y都大于或等于O但小于或等于I。墊壘層90也可被認(rèn)為是MQW層80的一部分。從這個意義上看，墊壘層90用作MQW層80的最頂部的墊壘子層。因此，墊壘層90還可稱為“最后的墊壘層”。在一些實施例中，墊壘層90具有范圍在大約4nm到大約25nm之間的厚度。
[0045]在所示實施例中，空穴注入層95形成在墊壘層90上方?？赏ㄟ^本領(lǐng)域公知的外延生長工藝來形成空穴注入層95。在一些實施例中，空穴注入層95包含P型摻雜InxGai_xN，其中，X大于或等于O但小于或等于I。例如，X可在大約0.1和0.3之間。P型摻雜物可以是鎂(Mg)。空穴注入層95可具有小于約IOOnm的厚度?？昭ㄗ⑷雽?5的存在提高了空穴注入率并增強了 LED 30中的空穴擴散。這將在下文更加詳細(xì)地討論。
[0046]電子阻擋層100可以可選地形成在空穴注入層95上方。電子阻擋層100有助于限制MQW層80內(nèi)的電子-空穴載體載流子再結(jié)合，這可以提高MQW層80的量子效率并減少不期望帶寬中的輻射。在一些實施例中，電子阻擋層100可包括摻雜InxAlyGa1^N材料，其中，X和y均大于或等于O但小于或等于1，并且摻雜物可包括諸如鎂的P型摻雜物。電子阻擋層100可具有范圍在大約7nm到大約25nm之間的厚度。
[0047]摻雜半導(dǎo)體層110形成在電子阻擋層100上方(因此也形成在MQW層80上方)?？赏ㄟ^本領(lǐng)域公知的外延生長工藝來形成摻雜半導(dǎo)體層110。在一些實施例中，摻雜半導(dǎo)體層110摻雜有與摻雜半導(dǎo)體層60的導(dǎo)電性相反(或不同)類型的導(dǎo)電性的摻雜物。因此，在摻雜半導(dǎo)體層60摻雜有η型摻雜物的實施例中，摻雜半導(dǎo)體層110摻雜有P型摻雜物。摻雜半導(dǎo)體層110包括II1-V族化合物，其在所示實施例中是氮化鎵化合物。因此，摻雜半導(dǎo)體層110還可稱為摻雜氮化鎵層。在一些實施例中，摻雜半導(dǎo)體層110具有范圍在大約150nm到大約200nm之間的厚度。
[0048]通過在摻雜層60和110之間沉積MQW層80來創(chuàng)建LED 30的核心部分(coreportion)。當(dāng)向LED 30的摻雜層施加電壓(或電荷)時，MQW層80發(fā)出諸如光的輻射。由MQW層80發(fā)出的光的顏色對應(yīng)于輻射的波長。輻射可以是諸如藍光的可見光或諸如紫外(UV)光的不可見光?？梢酝ㄟ^改變構(gòu)成MQW層80的材料的成分和結(jié)構(gòu)調(diào)整光的波長(并因此調(diào)整光的顏色)。
[0049]可以執(zhí)行附加工藝以完成LED 30的制造。例如，參照圖2，導(dǎo)電接觸層120可形成在摻雜半導(dǎo)體層110上方。蝕刻掉層60的一部分以露出摻雜半導(dǎo)體層60的一部分。然后，金屬接觸件130-131可分別形成在露出的摻雜半導(dǎo)體層60的表面上以及接觸層120的表面上。通過一次或多次沉積和圖案化工藝形成金屬接觸件130-131。金屬接觸件130-131允許分別電接觸摻雜半導(dǎo)體 層60和摻雜半導(dǎo)體層110。
[0050]如上文討論的，現(xiàn)有的MQW可能具有不充分的電子-空穴再結(jié)合率。結(jié)果，現(xiàn)有LED的輸出功率可能很低，并且可能具有較大的效率下降。為了克服困擾現(xiàn)有LED的這些問題，本發(fā)明的LED 30利用空穴注入層95來提高電子-空穴再結(jié)合。更詳細(xì)地，載流子濃度的衰減是LED內(nèi)的距離或位置的函數(shù)。對于空穴，其濃度通常接近P摻雜半導(dǎo)體層110為最大而接近η摻雜半導(dǎo)體層60 (均在圖1-圖2中示出)為最小?？昭舛鹊乃p可以是指數(shù)的，即，空穴濃度的衰減隨著其遠(yuǎn)離P摻雜半導(dǎo)體層110而加快。同樣對于傳統(tǒng)LED來說，空穴不能輕易移動(即，低遷移率)，尤其在高電流情況下。至少由于上述原因，傳統(tǒng)LED可能在MQW層中具有非常不均勻的空穴分布，因此在LED的特定部分中具有不足的電子-空穴再結(jié)合。對于傳統(tǒng)的LED，這導(dǎo)致減小的輸出功率和較大的下降。
[0051]此處，空穴注入層95的存在大大改善了空穴的分布。參照圖3，示出了 LED的能帶圖。能帶圖的X軸表示穿過LED的距離(即，不同的LED深度)，能帶圖的Y軸表示能量。通過圖3的能帶圖所示的阱135來表示空穴注入層95的位置?？昭▽⒈徊东@到阱135中(即，捕獲到空穴注入層95中)。因為傳統(tǒng)LED缺少空穴注入層95，所以對應(yīng)于阱135的區(qū)域中的空穴濃度非常低。相比較，空穴注入層95會使得空穴更均勻地擴散到LED中，從而使空穴分布更加均勻。這在LED的更大區(qū)域中引起更好的電子-空穴再結(jié)合。結(jié)果，大大改善了光輸出功率和下降。
[0052]圖4還形象地示出通過本發(fā)明提供的改善空穴濃度，圖4是示出Y軸的空穴濃度如何隨X軸的距離(即，如圖1-圖2所示垂直穿過LED)變化的示圖。該圖包括表示傳統(tǒng)LED的實驗數(shù)據(jù)140以及表示本發(fā)明LED 30的兩個實施例的實驗數(shù)據(jù)141和142。兩個實施例都利用包含P摻雜InGaN的p摻雜空穴注入層。對于由實驗數(shù)據(jù)141表不的實施例，InGaN的銦含量約為0.01。對于由實驗數(shù)據(jù)142表示的實施例，InGaN的銦含量約為0.015。
[0053]如圖4清楚所示，本發(fā)明的實施例(即，實驗數(shù)據(jù)141-142)與傳統(tǒng)LED(實驗數(shù)據(jù)140)相比具有明顯更高的空穴濃度。這在對應(yīng)于上述圖3的阱135的距離0.16 ( S卩，LED中嵌入空穴注入層的位置)處附近尤其明顯。因此，實驗結(jié)果支持通過增加空穴注入層提高空穴注入率的理論，因為空穴擴散到LED的不同深度。
[0054]本發(fā)明還減少了電子泄露。這在圖5中形象地示出，圖5是示出電流(Y軸)如何隨X軸上的距離(即，如圖1-圖2所示垂直穿過LED)變化的示圖。再次，該圖包括表示傳統(tǒng)LED的實驗數(shù)據(jù)140以及表示本發(fā)明的LED 30的兩個實施例的實驗數(shù)據(jù)141和142。
[0055]如圖5中LED的區(qū)域145清楚示出，與傳統(tǒng)LED(實驗數(shù)據(jù)140)相比，本發(fā)明的實施例(即，實驗數(shù)據(jù)141-142)具有明顯較低的電流。區(qū)域145與上文討論的空穴注入層位于其中的阱135重疊。圖5所示區(qū)域145中減小的電流表明更多的電子與LED的其它發(fā)光區(qū)的空穴再結(jié)合，從而產(chǎn)生更大的光量。區(qū)域145中減小的電流還意味著更少的電子將從發(fā)光區(qū)泄漏。這又提高了高注入電流下的下降效率(即，減少下降)。
[0056]在圖6中示出通過本發(fā)明提供的改善下降效率，其是量子效率對電流密度的示圖。更詳細(xì)地，圖6的X軸表示電流密度，圖6的Y軸表示量子效率。再次，圖6示出實驗數(shù)據(jù)140 (表示傳統(tǒng)LED)和實驗數(shù)據(jù)141-142 (表示本發(fā)明的LED 30的實施例)。傳統(tǒng)LED和本發(fā)明的實施例都經(jīng)歷下降，通過事實表明，即使電流增加量子效率也開始減小。然而，在基本上所有的電流范圍內(nèi)，本發(fā)明的實施例仍具有高于傳統(tǒng)LED的量子效率(通過事實表明，在圖6中實驗數(shù)據(jù)141-142大于實驗數(shù)據(jù)140)。換言之，即使本發(fā)明沒有完全消除不期望的下降，但與傳統(tǒng)LED相比，仍然大大改善了其下降性能。
[0057]應(yīng)該理解，圖3至圖6僅僅是示例性實驗結(jié)果。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，其它實驗結(jié)果可能與圖3至圖6所示結(jié)果有所變化。
[0058]應(yīng)該理解，空穴注入層95的位置可稍有變化，意味著它不一定必須設(shè)置在最后的墊壘層90 ( S卩，MQW層80的頂部子層)和電子阻擋層100之間。參照圖7，在可選實施例中，空穴注入層95可設(shè)置在電子阻擋層100和摻雜半導(dǎo)體層110之間。實驗結(jié)果示出空穴注入層95位置的變化沒有過多地影響空穴注入或空穴擴散。換言之，圖7所示實施例仍提供與上文討論的基本相同的空穴注入和空穴擴散的優(yōu)點。
[0059]此外，參照圖8，在又一可選實施例中，空穴注入層95可設(shè)置在摻雜半導(dǎo)體層110內(nèi)。換言之，摻雜半導(dǎo)體層110的形成可分為兩個步驟。作為第一個步驟，摻雜半導(dǎo)體層的第一部分IlOA可在電子阻擋層100上方外延生長。然后，空穴注入層95在摻雜半導(dǎo)體層的第一部分IlOA上生長。此后，摻雜半導(dǎo)體層的第二部分IlOB在空穴注入層95上方外延生長。這樣，空穴注入層95可形成在摻雜半導(dǎo)體層110的“內(nèi)部”。再次，實驗結(jié)果確定空穴注入層95位置的改變沒有過多影響空穴注入或空穴擴散性能。
[0060]具有空穴注入層95并在圖1-圖2和圖7-圖8中示出的LED 30各個實施例屬于水平LED。類似地，還可制造垂直LED以包含空穴注入層95。例如，圖9示出了這種垂直LED150的實例。為了一致性和清楚，垂直LED和水平LED中類似部件標(biāo)有類似的參考標(biāo)號。
[0061]參照圖9，垂直LED 150具有基板160。在所示實施例中，基板160包含金屬材料。在其它實施例中，基板160可包括硅材料。摻雜半導(dǎo)體層110設(shè)置在基板160上。在所示實施例中，摻雜半導(dǎo)體層110包括P摻雜氮化鎵(p-GaN)。電子阻擋層100設(shè)置在摻雜半導(dǎo)體層110上?？昭ㄗ⑷雽?5設(shè)置在電子阻擋層上。最后的墊壘層90和MQW層80設(shè)置在空穴注入層95上。預(yù)應(yīng)變層70設(shè)置在MQW層80上。摻雜半導(dǎo)體層60設(shè)置在預(yù)應(yīng)變層70上。在所示實施例中，摻雜半導(dǎo)體層60包括η摻雜氮化鎵(n-GaN)。金屬接觸件131設(shè)置在接觸層120上。可通過金屬接觸件131和基板160得到對LED 150的摻雜層電接觸。
[0062]再次，雖然圖9所示實施例示出了空穴注入層95設(shè)置在最后的墊壘層90和電子阻擋層100之間，但應(yīng)該理解，空穴注入層95可設(shè)置在電子阻擋層100和摻雜半導(dǎo)體層110之間，或者在可選實施例中甚至可設(shè)置在摻雜的半導(dǎo)體層110內(nèi)部。為了簡單，本文沒有具體示出這些可選實施例。
[0063]為了完成水平LED 30或垂直LED 150的制造，還可以執(zhí)行諸如切割工藝、封裝工藝和測試工藝的附加工藝，但為了簡化的目的，本文沒有示出這些工藝。
[0064]上述具有空穴注入層95以提高空穴注入率和空穴擴散的LED 30或LED 150可實施為照明裝置的一部分。例如，LED 30(或LED 150)可實施為基于LED的照明設(shè)備300的一部分，圖10示出其簡化的截面圖。圖10所示基于LED的照明設(shè)備300的實施例包括多個LED管芯。在其它實施例中，照明設(shè)備300可包括單個LED管芯。
[0065]如上文所討論的，LED管芯包括η摻雜II1-V族化合物層、ρ摻雜II1-V族化合物層以及設(shè)置在η摻雜和ρ摻雜II1-V族化合物層之間的MQW層。LED管芯還包括空穴注入層，其可以包含上文所討論的摻鎂InGaN?？昭ㄗ⑷雽拥拇嬖谔岣吡?LED的空穴注入和空穴擴散性能，在LED管芯內(nèi)部產(chǎn)生更好的電子-空穴再結(jié)合。因此，與傳統(tǒng)LED管芯相比，本文的LED管芯提供了更小的下降以及更好的光輸出性能。
[0066]在一些實施例中，每一個LED管芯30都具有涂在其上的磷層。磷層可包括或磷光材料和/或熒光材料。磷層可以以濃縮粘性液體介質(zhì)(例如，液體膠)涂覆在LED管芯30的表面上。隨著粘性液體凝固或固化，磷材料成為LED封裝的一部分。在實際的LED應(yīng)用中，磷層可用于改變由LED管芯30發(fā)射的光的顏色。例如，磷層可將LED管芯30發(fā)射的藍光改變?yōu)椴煌ㄩL的光。通過改變磷層的材料成分，可以實現(xiàn)由LED管芯30發(fā)射的期望的光顏色。
[0067]LED管芯30被安裝在襯底320上。在一些實施例中，襯底320包括金屬基印刷電路板(MCPCB)。MCPCB包括可由鋁(或其合金)制成的金屬基底。MCPCB還包括設(shè)置在金屬基底上的導(dǎo)熱但電絕緣的介電層。MCPCB還可包括設(shè)置在介電層上的由銅制成的薄金屬層。在可選實施例中，襯底320可包括其它適合的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。襯底320可以包含或者不包含有源電路，并且還可以用于建立互連。應(yīng)該理解，在一些實施例中，LED管芯30在沒有基板160 (上面參照圖9所述)的情況下與襯底320連接。
[0068]照明設(shè)備300包括擴散罩(diffuser cap) 350。擴散罩350為其下方的LED管芯30提供遮蓋。換言之，LED管芯30完全被擴散罩350和襯底320封裝。在一些實施例中，擴散罩350具有彎曲的表面或輪廓。在一些實施例中，彎曲表面基本遵循半圓的輪廓，使得由LED管芯30發(fā)射的每個光束都可以基本以直角的入射角到達擴散罩350的表面，例如與90度偏差很小的角度。擴散罩350的彎曲形狀有助于減少由LED管芯30發(fā)射的光的全內(nèi)反射(TIR)。[0069]擴散罩350可具有網(wǎng)紋表面。例如，網(wǎng)紋表面可以是粗糙的，或者可包含諸如多邊形或圓形的多個小圖案。這種網(wǎng)紋表面幫助散射LED管芯30發(fā)射的光以使光分布更加均勻。在一些實施例中，擴散罩350涂覆有包含擴散器顆粒的擴散器層。
[0070]在一些實施例中，LED管芯30和擴散罩350之間的空間360由空氣填充。在其它實施例中，空間360可由光學(xué)級基于硅樹脂的粘合材料(也被稱為光學(xué)凝膠)填充。在該實施例中，熒光顆?？苫旌显诠鈱W(xué)凝膠內(nèi)以進一步擴散由LED管芯30發(fā)射的光。
[0071]雖然所示實施例示出了所有LED管芯30都封在單個擴散罩350內(nèi)，但應(yīng)該理解，在其它實施例中可以使用多個擴散罩。例如，每一個LED管芯30都可封在多個擴散罩的對應(yīng)一個擴散罩內(nèi)。
[0072]照明設(shè)備還可以可選地包括反射結(jié)構(gòu)370。反射結(jié)構(gòu)370可安裝在襯底320上。在一些實施例中，反射結(jié)構(gòu)的形狀類似于杯子，因此其還可稱為反射杯。從俯視圖看，反射結(jié)構(gòu)360度環(huán)繞或圍繞LED管芯30和擴散罩350。從俯視圖看，反射結(jié)構(gòu)370可具有環(huán)繞擴散罩350的圓形輪廓、蜂巢狀六邊形輪廓或其它適合的多孔輪廓。在一些實施例中，LED管芯30和擴散罩350定位為靠近反射結(jié)構(gòu)370的底部。換言之，反射結(jié)構(gòu)370的頂部或上部開口位于LED管芯30和擴散罩350的上方。
[0073]反射結(jié)構(gòu)370可用于反射從擴散罩350傳播出來的光。在一些實施例中，反射結(jié)構(gòu)370的內(nèi)表面涂有諸如鋁、銀、或它們的合金的反射膜。應(yīng)該理解，在一些實施例中，反射結(jié)構(gòu)370的側(cè)壁表面可以是有紋理的，類似于擴散罩350的網(wǎng)紋表面。因此，反射結(jié)構(gòu)370可用于進一步執(zhí)行LED管芯30發(fā)射的光的散射，這減少了照明設(shè)備300的輸出光的眩光并使輸出光對人眼更加舒適。在一些實施例中，反射結(jié)構(gòu)370的側(cè)壁具有傾斜或錐形輪廓。反射結(jié)構(gòu)370的錐形輪廓提高反射結(jié)構(gòu)370的光反射效率。
[0074]照明設(shè)備300包括熱耗散結(jié)構(gòu)380，也稱為散熱器380。散熱器380通過襯底320與LED管芯30 (其在操作期間產(chǎn)生熱)熱耦合。換言之，散熱器380與襯底320連接，或者襯底320位于散熱器380的表面上。散熱器380被配置為促進熱量分散至環(huán)境大氣。散熱器380包含諸如金屬材料的熱傳導(dǎo)材料。散熱器380的形狀與幾何尺寸被設(shè)計成為傳統(tǒng)電燈泡提供支架并同時擴散或引導(dǎo)熱量遠(yuǎn)離LED管芯30。為了增加熱傳遞，散熱器380可具有從散熱器380的主體向外突出的多個鰭390。鰭390可具有暴露給周圍環(huán)境的非常大的表面積以促進熱傳遞。
[0075]圖11示出了包括上文討論的照明設(shè)備300的一些實施例的照明模塊400的簡化示意圖。照明模塊400具有底座410、連接至底座410的主體420和連接至主體420的燈430。在一些實施例中，燈430是筒燈(或筒燈照明模塊)。燈430包括上文參照圖7討論的照明設(shè)備300。燈430可用于有效地投射光束440。此外，與傳統(tǒng)白熾燈相比，燈430可以提供更大的耐用性和更長的壽命。應(yīng)該理解，其它照明應(yīng)用可得益于使用上文討論的本發(fā)明的LED。例如，本發(fā)明的LED可用于以下照明應(yīng)用，包括但不限于車前燈或尾燈、汽車儀表盤顯示器、投影儀的光源、電子設(shè)備(諸如液晶顯示器(LCD)電視機或LCD顯示器、平板電腦、移動電話或筆記本/膝上型電腦)的光源。
[0076]雖然使用LED作為實例示出上文討論的空穴注入層的實現(xiàn)，但應(yīng)該理解，還可以針對激光二極管(LD)實施類似的空穴注入層。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明各個方面的LD 500的實施例的簡化側(cè)視截面圖。[0077]LD 500包括襯底510，其在所示實施例中為硅襯底。II1-V族化合物層520形成在襯底510上方。在一些實施例中，II1-V族化合物層520包括A1N。另一個II1-V族化合物層530形成在II1-V族化合物層510上方。在一些實施例中，II1-V族化合物層530包括多個子層，例如AlGaN子層。隨著子層的上升(例如，遠(yuǎn)離襯底510)，這些子層的厚度可能增加并且這些子層的鋁含量可以減少。
[0078]然后，II1-V化合物外延層540形成在II1-V化合物層530上方。在一些實施例中，II1-V化合物外延層540可包括GaN。此后，AlN層或AlGaN層550形成在II1-V化合物外延層540上方。然后，另一個II1-V化合物外延層560形成在AlN或AlGaN層550上方。
[0079]然后，η摻雜II1-V化合物層570形成在II1-V化合物外延層560上方。在一些實施例中，η摻雜II1-V化合物層570包括η型摻雜GaN。多個其它層575可形成在η摻雜II1-V化合物層570上方，例如包括η摻雜InGaN層、包含η摻雜InAlGaN的覆蓋層和包含η摻雜InGaN的弓丨導(dǎo)層。
[0080]此后，MQff層580可形成在層575上方(以及η摻雜II1-V化合物層570上方)。如上文所討論的，MQW層包括交錯的阻擋層和有源層，它們分別可包括InGaN和GaN。最后的阻擋層590形成在MQW層580上方。最后的阻擋層590包含InAlGaN并且還可被認(rèn)為是MQW層580的最頂部的勢壘層。
[0081]空穴注入層595形成在最后的阻擋層590上方?？昭ㄗ⑷雽?95與上面參照基于LED實施方式討論的空穴注入層95類似。再次，空穴注入層595的存在提高了 LD 500空穴注入和空穴擴散性能。結(jié)果，LD 500具有更好的光輸出和減小的下降。
[0082]電子阻擋層600形成在MQW層580上方。在一些實施例中，電子阻擋層600包括P摻雜InAlGaN。此后，引導(dǎo)層605形成在電子阻擋層600上方。在一些實施例中，引導(dǎo)層605包括ρ摻雜InGaN。然后，覆蓋層610形成在引導(dǎo)層605上方。在一些實施例中，覆蓋層610包括ρ摻雜InAlGaN。然后，ρ摻雜II1-V化合物層620形成在覆蓋層610上方。在一些實施例中，P摻雜II1-V化合物層570包括ρ型摻雜GaN。
[0083]雖然LD 500的實施例示出空穴注入層595被設(shè)置在最后的阻擋層590和電子阻擋層600之間，但應(yīng)該理解，在LD 500的其它實施例中，可以對空穴注入層595進行不同的設(shè)置。例如，在LD 500的多個其它實施例中，空穴注入層595可設(shè)置在電子阻擋層600和引導(dǎo)層605之間，或設(shè)置在引導(dǎo)層605和覆蓋層610之間，或設(shè)置在覆蓋層610和ρ摻雜II1-V化合物層620之間，或者甚至設(shè)置在ρ摻雜II1-V化合物層620內(nèi)。然而，為了簡單起見，此處沒有具體示出這些其它實施例。
[0084]上文討論且在圖12中示出的LD 500的各個層僅僅是實例層。其它LD可根據(jù)設(shè)計需要包含不同的層。
[0085]圖13是示出根據(jù)本發(fā)明各個方面的制造具有空穴注入層的光子器件的簡化方法700的流程圖。光子器件可以是水平LED、垂直LED或LD。
[0086]方法700包括步驟710，η摻雜II1-V族化合物層形成在襯底上方。方法700包括步驟720，多量子阱(MQW)層形成在η摻雜II1-V族化合物層上方。方法700包括步驟730，電子阻擋層形成在MQW層上方。方法700包括步驟740，ρ摻雜II1-V族化合物層形成在電子阻擋層上方。方法700包括步驟750，空穴注入層形成在以下位置的一個位置中:MQW層和電子阻擋層之間；電子阻擋層和P摻雜II1-V族化合物層之間；以及P摻雜II1-V族化合物層內(nèi)部。在一些實施例中，空穴注入層包含不同于P摻雜II1-V族化合物層的ρ摻雜II1-V族化合物材料。
[0087]可在本文討論的步驟710至步驟730之前、期間或之后執(zhí)行附加工藝以完成光子器件的制造。為了簡單起見，本文沒有詳細(xì)討論這些其它工藝。
[0088]本發(fā)明的一個方面包括一種光子器件。該光子器件包括:η摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在襯底上方；多量子阱(MQW)層，設(shè)置在η摻雜II1-V族化合物層上方；ρ摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在MQW層上方；以及空穴注入層，設(shè)置在MQW層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間，其中，空穴注入層包含不同于P摻雜II1-V族化合物層的ρ摻雜II1-V族化合物材料。
[0089]在一些實施例中，空穴注入層的ρ摻雜II1-V族化合物材料包括摻鎂氮化銦鎵(InGaN)。
[0090]在一些實施例中，空穴注入層設(shè)置在ρ摻雜II1-V族化合物層內(nèi)部。
[0091]在一些實施例中，光子器件還包括設(shè)置在MQW層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間的電子阻擋層。
[0092]在一些實施例中，空穴注入層設(shè)置在電子阻擋層和MQW層之間。
[0093]在一些實施例中，空穴注入層設(shè)置在電子阻擋層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間。
[0094]在一些實施例中，電子阻擋層包含P摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料。
[0095]在一些實施例中，η摻雜II1-V族化合物層和ρ摻雜II1-V族化合物層分別包括η摻雜氮化鎵(η-GaN)和ρ摻雜氮化鎵(ρ-GaN);并且MQW層包含多個交錯的氮化銦鎵(InGaN)子層和氮化鎵(GaN)子層。
[0096]在一些實施例中，光子器件包括發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)。
[0097]在一些實施例中，光子器件包括具有一個或多個管芯的照明模塊，并且在一個或多個管芯的每個管芯中實施η摻雜和ρ摻雜II1-V族化合物層以及MQW層。
[0098]本發(fā)明的另一方面涉及一種發(fā)光器件。該發(fā)光器件包括:η摻雜氮化鎵(n-GaN)層，位于襯底上方；多量子講(MQW)層,位于η-GaN層上方；電子阻擋層,位于MQW層上方；P摻雜氮化鎵(P-GaN)層，位于電子阻擋層上方；以及ρ摻雜氮化銦鎵(ρ-1nGaN)層，嵌入以下三個位置的一個位置中:MQW層和電子阻擋層之間、電子阻擋層和ρ-GaN層之間以及P-GaN層內(nèi)部。
[0099]在一些實施例中，電子阻擋層包含P摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料。
[0100]在一些實施例中，η-GaN層、MQW層、電子阻擋層、ρ-GaN層和ρ-1nGaN層是發(fā)光二極管(LED)器件的部分。
[0101]在一些實施例中，η-GaN層、MQW層、電子阻擋層、P-GaN層和P-1nGaN層是激光二極管(LD)器件的部分。
[0102]在一些實施例中，P-1nGaN層具有鎂作為摻雜物；P_InGaN層中鎂的濃度在大約
1.0X1017ions/cm3到大約1.0 X 1019ions/cm3的范圍內(nèi);并且ρ-1nGaN層的厚度小于約100納米。
[0103]在一些實施例中，襯底包括以下材料中的一種:氮化鎵襯底、藍寶石襯底、硅襯底以及包括夾置在氮化鎵層和接合晶圓之間的介電層的襯底。[0104]本發(fā)明的又一方面涉及一種制造發(fā)光器件的方法。該方法包括:在襯底上方生長η摻雜II1-V族化合物層；在11摻雜II1-V族化合物層上方生長多量子阱(MQW)層；在1^評層上方生長電子阻擋層；在電子阻擋層上方生長P摻雜II1-V族化合物層；以及在下面位置的一個位置中形成空穴注入層:MQW層和電子阻擋層之間、電子阻擋層和ρ摻雜II1-V族化合物層之間以及P摻雜II1-V族化合物層內(nèi)部，其中，空穴注入層包含不同于P摻雜II1-V族化合物層的P摻雜II1-V族化合物材料。[0105]在一些實施例中，η摻雜II1-V族化合物層和P摻雜II1-V族化合物層分別包括η摻雜氮化鎵(η-GaN)和ρ摻雜氮化鎵(ρ-GaN) ;MQW層包含多個交錯的氮化銦鎵(InGaN)子層和氮化鎵(GaN)子層；電子阻擋層包含ρ摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料；以及空穴注入層包含摻鎂氮化銦鎵(InGaN)。
[0106]在一些實施例中，以以下方式執(zhí)行生長空穴注入層:空穴注入層中鎂的濃度在大約1.0xl017ions/cm3到大約1.0xl019ions/cm3的范圍內(nèi)；并且空穴注入層的厚度小于約100納米。
[0107]在一些實施例中，發(fā)光器件包括發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)。
[0108]前面概述了許多實施例的特征，使得本領(lǐng)域那些技術(shù)人員更好地理解下面詳細(xì)的描述。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可以容易地使用本發(fā)明作為用于設(shè)計或修改以執(zhí)行與本文介紹的實施例相同目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的其它工藝和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員還應(yīng)意識到，這種等效結(jié)構(gòu)不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且可以進行各種改變、替換和變更而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光子器件，包括: η摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在襯底上方； 多量子阱(MQW)層，設(shè)置在所述η摻雜II1-V族化合物層上方； P摻雜II1-V族化合物層，設(shè)置在所述MQW層上方；以及 空穴注入層， 設(shè)置在所述MQW層和所述ρ摻雜II1-V族化合物層之間，其中，所述空穴注入層包含不同于所述P摻雜II1-V族化合物層的ρ摻雜II1-V族化合物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子器件，其中，所述空穴注入層的所述P摻雜II1-V族化合物材料包括摻鎂氮化銦鎵(InGaN)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子器件，其中，所述空穴注入層設(shè)置在所述P摻雜II1-V族化合物層的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子器件，還包括:設(shè)置在所述MQW層和所述ρ摻雜II1-V族化合物層之間的電子阻擋層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子器件，其中，所述空穴注入層設(shè)置在所述電子阻擋層和所述MQW層之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子器件，其中，所述空穴注入層設(shè)置在所述電子阻擋層和所述P摻雜II1-V族化合物層之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子器件，其中，所述電子阻擋層包含ρ摻雜氮化銦鋁鎵(InAlGaN)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子器件，其中: 所述η摻雜II1-V族化合物層和所述ρ摻雜II1-V族化合物層分別包括η摻雜氮化鎵(n-GaN)和ρ摻雜氮化鎵(ρ-GaN);以及 所述MQW層包含多個交錯的氮化銦鎵(InGaN)子層和氮化鎵(GaN)子層。
9.一種發(fā)光器件，包括: η摻雜氮化鎵(n-GaN)層，位于襯底上方； 多量子阱(MQW)層，位于所述n-GaN層上方； 電子阻擋層，位于所述MQW層上方； P摻雜氮化鎵(P-GaN)層，位于所述電子阻擋層上方；以及 P摻雜氮化銦鎵(P-1nGaN)層，嵌入到以下三個位置的一個位置中: 所述MQW層和所述電子阻擋層之間； 所述電子阻擋層和所述P-GaN層之間；以及 所述p-GaN層的內(nèi)部。
10.一種制造發(fā)光器件的方法，包括: 在襯底上方生長η摻雜II1-V族化合物層； 在所述η摻雜II1-V族化合物層上方生長多量子阱(MQW)層； 在所述MQW層上方生長電子阻擋層； 在所述電子阻擋層上方生長P摻雜II1-V族化合物層；以及 在下面位置的一個位置中形成空穴注入層: 所述MQW層和所述電子阻擋層之間； 所述電子阻擋層和所述P摻雜II1-V族化合物層之間；和所述P摻雜II1-V族化合物層的內(nèi)部； 其中，所述空穴注入層包含不同于所述P摻雜II1-V族化合物層的P摻雜II1-V族化合物材料 。
【文檔編號】H01L33/30GK103681999SQ201210567999
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月14日
【發(fā)明者】李鎮(zhèn)宇, 楊子德, 林弘偉, 林忠寶, 陳冠群, 陳京玉, 林佑達, 郭浩中 申請人:臺積固態(tài)照明股份有限公司