本申請要求于2014年5月14日提交的申請?zhí)枮?1/996,661的美國臨時專利申請的優(yōu)先權，出于所有目的，該臨時申請的全部內容通過引用并入本文。

技術領域

實施例一般涉及發(fā)光器件及其成形方法。

背景技術：

發(fā)光二極管(LED)，例如，GaN基的LED被認為是下一代固態(tài)照明的光源的選擇，并且在該領域的研究和開發(fā)在過去幾十年中已經(jīng)取得了巨大的進步。越來越多的應用采用GaN基LED，如LED電視、手機、交通燈、LCD背光、全彩顯示和一般照明。在各種應用中，通用照明市場最大和最具經(jīng)濟吸引力，并且在技術上也提出了最大的挑戰(zhàn)。

然而，效率下降，在高功率操作下LED的效率降低的現(xiàn)象，對LED的性能設置限制。例如，高端LED產(chǎn)品能夠釋放大約50％的效率，這遠遠超出接近統(tǒng)一的理論極限。存在許多對LED效率有負面影響的問題，例如電子溢出、空穴注入不足和俄歇復合等等。

圖1示出了常規(guī)的LED層結構101。層結構101包括無意摻雜的氮化鎵(u-GaN)層110、n型GaN(n-GaN)層120、有源層130、p型氮化鋁鎵(p-AlGaN)層140以及構筑在襯底100上的p型GaN(p-GaN)層150，例如c-面藍寶石襯底。有源層130可以包括單量子阱或多量子阱結構。

從有源區(qū)到LED的p型區(qū)的電子溢出是導致效率下降的原因之一。p型AlGaN層140應用于LED結構以減少電子溢出，并且被稱為電子阻擋層(EBL)。沒有極化誘發(fā)界面電荷的有源層130，EBL層140和p-GaN層150的對應能帶圖如圖2(a)和2(b)所示。

然而，由于在有源區(qū)和LED的p-AlGaN EBL的界面處的無意的極化誘導的正電荷，電子阻擋效應可能被削弱，并且空穴注入也可能被削弱，因此在傳統(tǒng)LED結構的EBL的有效性受損。這是因為LED通常在作為極性取向的藍寶石襯底的(0001)c-面上生長，且因此在有源層/p-AlGaN EBL的界面處產(chǎn)生極化誘導的正電荷140a和在p-AlGaN EBL/p-GaN層的界面處產(chǎn)生極化誘導的負電荷140b是由于自發(fā)極化失配和壓電極化，如圖3(a)所示。在有源層/p-AlGaN EBL的界面處的這些極化誘導的正電荷可以降低p-AlGaN EBL層140的有效電子勢壘高度，這可能損害電子阻擋的有效性，如在示意性能帶圖3(b)所示的，其中Ec表示導帶邊緣，Ev表示價帶邊緣。進一步地，極化誘導的正電荷140a還可以增加有效空穴勢壘高度，這可以降低空穴注入效率，如圖3(b)所示。有源層130包括夾在氮化鎵(GaN)層130a和氮化鎵(GaN)層130b之間的氮化銦鎵(InGaN)層130b。

已經(jīng)對具有圖1的層結構的常規(guī)450nm藍色LED的極化誘導的正界面電荷的效果進行了數(shù)值模擬。當p-AlGaN EBL的Al組成為0.15時，電子的有效勢壘高度僅為約317.4meV，這遠遠小于在沒有極化誘導的正界面電荷的情況下約560meV的預期值。進一步地，空穴的有效勢壘高度為約335.8meV，其遠遠大于在沒有極化誘導的正界面電荷的情況下約240meV的預期值。電子和空穴的有效勢壘高度的這些變化可能不利于LED的效率性能。

技術實現(xiàn)要素：

不同實施例提供發(fā)光器件的成形方法。該方法可以包括在襯底上形成緩沖層，在緩沖層上形成p型覆層，在p型覆層上形成電子阻擋層，在電子阻擋層上形成有源層，在有源層上形成n-型覆層。

不同實施例進一步提供形成發(fā)光器件的方法。該方法可以包括在襯底上形成緩沖層，在緩沖層上形成n型覆層，在n型覆層上形成有源層，在有源層上形成極性反轉層，在極性反轉層形成電子阻擋層，以及在所述電子阻擋層上形成p型覆層。

不同實施例進一步提供形成發(fā)光器件的方法。該方法可以包括在負c-面襯底上形成緩沖層，在緩沖層上形成n型覆層，在n型覆層上形成有源層，在有源層上形成電子阻擋層，以及在所述電子阻擋層上形成p型覆層。

附圖說明

在附圖中，相同的附圖標記在不同視圖中通常指代相同的元件。附圖不一定按照比例繪制，而重點在于說明本發(fā)明的原理。在下面的描述中，參考以下附圖描述各個實施例，其中：

圖1是常規(guī)LED層結構的示意圖。

圖2(a)和2(b)是在沒有極化誘發(fā)界面電荷的情況下的有源層、EBL層和p-GaN層的示意能帶圖。

圖3(a)是具有極化誘導界面電荷的圖1的LED結構示意圖。

圖3(b)示出了在存在如圖3(a)所示的極化誘導界面電荷，有源層、EBL層和p-GaN層的示意性帶圖。

圖4是根據(jù)不同實施例的發(fā)光器件(LED)的成形方法的流程圖。

圖5是根據(jù)圖4的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖。

圖6(a)是根據(jù)不同實施例在有源層附近的圖5的LED層結構。

圖6(b)示出了在存在如圖6(a)所示的負極化誘導界面電荷，有源層、EBL層和p-GaN層的示意性帶圖。

圖7是根據(jù)不同實施例的發(fā)光器件的成形方法的流程圖。

圖8是根據(jù)圖7的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖。

圖9(a)是根據(jù)不同實施例在有源層附近的圖8的LED層結構。

圖9(b)示出了在存在如圖9(a)所示的負極化誘導界面電荷，有源層、極性反轉層、EBL層和p-GaN層的示意性帶圖。圖10是根據(jù)不同實施例形成發(fā)光器件的方法的流程圖。

圖11是根據(jù)圖10的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖。

圖12(a)是根據(jù)不同實施例在有源層附近的圖11的LED層結構。

圖12(b)示出了在存在如圖12(a)所示的負極化誘導界面電荷，有源層、極性反轉層和p-GaN層的示意性帶圖。

圖13是根據(jù)不同實施例的發(fā)光器件。

圖14是根據(jù)不同實施例的發(fā)光器件。

具體實施方式

以下詳細描述參考附圖，所述附圖通過說明示出了可以實踐本發(fā)明的具體細節(jié)和實施例。足夠詳細地描述這些實施例使得本領域技術人員能夠實踐本發(fā)明。可以利用其他實施例，并且可以進行結構和邏輯改變而不脫離本發(fā)明的范圍。不同實施例不一定是相互排斥的，因為一些實施例可以與一個或多個其他實施例組合以形成新的實施例。

應當理解，當在下面的描述中使用時，術語“在……上”、“在……上方”、“側面”、“頂部”、“底部”、“背面”等是為了方便，和幫助對位置或方向的理解，并且不旨在限制任何器件或結構或任何器件或結構的任何部分的取向。

不同實施例提供形成發(fā)光器件的方法和由其形成的發(fā)光器件。不同實施例的發(fā)光器件改變極化誘導界面電荷的極性，使得在發(fā)光器件的有源層和電子阻擋層的界面處的極性誘導電荷是負的。不同實施例提供了高效率的發(fā)光器件，其可以增強電子阻擋層的電子阻擋效應和增強空穴注入效率。不同實施例的發(fā)光器件改變極化誘導界面電荷的極性，使得能夠增大有效電子勢壘高度同時能夠減小有效空穴勢壘高度。結果是，可以提高發(fā)光器件的效率，并且可以減少效率下降。

圖4是根據(jù)不同實施例形成發(fā)光器件(LED)的方法的流程圖400。

在402，在襯底上或上方形成緩沖層。

在404，在緩沖層上或上方形成p型覆層。

在406，在p型覆層上或上方形成電子阻擋層(EBL)。

在408，在電子阻擋層上或上方形成有源層。

在410，在有源層上或上方形成n型覆層。

根據(jù)圖4的實施例，形成的發(fā)光器件包括在電子阻擋層和有源層的界面處的負極化電荷，如下所述。

根據(jù)不同實施例，襯底可以是c-面襯底，也稱為(0001)襯底。在c-面襯底上形成或生長的層可以具有由于自發(fā)極化和壓電極化引起的極化誘導電荷效應，如將在下面進一步描述的。在不同實施例中，襯底可以選自由藍寶石(Al₂O₃)，硅(Si)，碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)和砷化鎵(GaAs)組成的組。襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。

可以提供緩沖層以緩解襯底和隨后沉積的氮化物層之間的晶格失配。

在不同實施例中，緩沖層可以包括涂覆在襯底上或上方的成核層，例如GaN或AlGaN(氮化鋁鎵)成核層。成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內?？梢栽?02處的襯底上或上方涂覆成核層。

在不同實施例中，緩沖層可以包括在襯底上或上方生長的無意摻雜氮化鎵(u-GaN)層。u-GaN層的厚度可以在500nm至5μm的范圍內。在不同實施例中，u-GaN層可以在涂覆在襯底上的成核層上生長。

在不同實施例中，p型覆層可以包括p型摻雜的氮化鎵(p-GaN)層、p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層、p型摻雜的氮化銦鎵p-InGaN)層或p型摻雜的氮化鋁鎵銦(p-AlGalnN)層。p型摻雜物可以是Mg(鎂)，Be(鈹)或Zn(鋅)。p型覆層的厚度可以在200nm至2μm的范圍內。

在不同實施例中，電子阻擋層(EBL)可以包括p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層，其中p型摻雜物可以是Mg、Be或Zn。EBL的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。EBL的鋁成分可以在5％至100％的范圍內。

在不同實施例中，可以通過形成夾在量子勢壘層之間的被稱為單量子阱(SQW)結構的單量子阱層或者通過形成每個量子阱層夾在量子勢壘層之間的被稱為多量子阱(MQW)結構的多量子阱層來在408形成有源層。量子阱層和量子勢壘層可以以交替的順序形成。量子阱/量子勢壘對的數(shù)量可以為1至15。

在不同實施例中，一個或多個量子阱層可以包括氮化銦鎵。量子阱層可以包括在0％至100％的范圍內的銦成分，其可以根據(jù)期望的發(fā)射波長而變化。量子阱層可以是無意摻雜的。

在不同實施例中，量子勢壘層可以包括氮化鎵。量子勢壘層可以無意摻雜或可以摻雜n型摻雜物，比如Si或Ge。

在不同實施例中，量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。

在不同實施例中，n型覆層可包括n型摻雜氮化鎵(n-GaN)層、n型摻雜氮化鋁鎵(n-AlGaN)層、n型摻雜氮化銦鎵(n-InGaN)層或n型摻雜氮化鋁鎵銦(n-AlGalnN)層。n型覆層的厚度可以在200nm至2μm的范圍內。n型摻雜物可以是Si(硅)或Ge(鍺)，并且摻雜濃度可以在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

在不同實施例中，可以選擇p型覆層、n型覆層、有源層和EBL層中的材料的成分，使得p型層、n型層以及EBL層的帶隙應該大于有源層的帶隙，從而避免內部光吸收。

在不同實施例中，可以使用金屬有機化學氣相沉積或分子束外延來生長緩沖層、p型覆層、電子阻擋層、有源層和n型覆層中的一個或多個。

根據(jù)方法400形成的LED結構可以在真空或氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過如下所述的激光剝離工藝移除襯底之后通過快速熱退火來進行。

在不同實施例中，在410形成n型覆層之后，可以在n型覆層上或上方形成金屬接觸層，并且可以在金屬接觸層上或上方進一步形成光反射層。金屬接觸層可以是每個具有厚度為3nm的Ti/Al雙層。光反射層，也稱為反射層，在可見光譜中具有90％和更高的高反射率。反射層可以包括具有高反射率的Al(鋁)，Ag(銀)，Ti(鈦)，Pt(鉑)，Cr(鉻)，Pd(鈀)或其他金屬，且反射層的厚度在50nm至200nm的范圍內。在不同實施例中，可以在光反射層的頂部上進一步沉積種子金屬層，以便增強隨后的金屬沉積的粘附強度。種子層可以包括Ni(鎳)，W(鎢)，Au(金)，TaN(氮化鉭)或任何其它合適的金屬。種子層的厚度可以在10nm至50nm的范圍內。

金屬接觸層、反射層和種子層可以使用電子束沉積、濺射、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD(PECVD)、離子束沉積、電化學沉積和任何其它合適的沉積方法來沉積。

在不同實施例中，金屬襯底，例如銅襯底，附接到種子金屬層上?？梢赃M行金屬電鍍過程以將具有前述金屬層的LED結構附接到可以形成LED的n電極的金屬襯底。金屬襯底的厚度在100μm至500μm的范圍內。

在不同實施例中，所述方法可以進一步包括通過UV激光剝離工藝去除襯底，如下面將更詳細描述的。

在不同實施例中，在去除襯底之后，可以通過比如ICP(電感耦合等離子體)或RIE(反應離子蝕刻)的干法刻蝕來去除保持附著到p型覆層的緩沖層，以便暴露p型覆層。在該階段，可以進行快速熱退火工藝以激活p型摻雜物。退火時間可以在5至10分鐘的范圍內，并且溫度范圍可以從500℃至700℃，并且環(huán)境氣體可以是N₂。

金屬接觸層，例如每個厚度為3nm的Ni/Ag金屬接觸層，可以附著或沉積在暴露的p型覆層上，例如以形成p電極，從而完成LED器件制造過程。

n型覆層和p型覆層上的金屬電極可以根據(jù)橫向芯片制造工藝形成，以形成橫向LED，或者根據(jù)垂直芯片制造工藝形成垂直LED。在上述不同實施例中描述的LED制造工藝可以在晶元級或芯片級進行。由此形成的LED在電子阻擋層和有源層的界面處具有負電荷，如下面更詳細地解釋的。

圖5是根據(jù)圖4的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖501。下面參考圖5描述的示例性實施例描述了使用藍寶石結構、u-GaN層、p-GaN層、p-AlGaN EBL、InGaN/GaN有源區(qū)和n-GaN層形成的LED結構，但是應當理解，上述不同實施例中描述的其它材料也可以用于LED的各個層。

如圖5所示，LED結構在由涂覆有GaN成核層的(0001)c-面藍寶石制成的襯底500的頂部上生長。藍寶石襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。GaN成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內。

無意摻雜的GaN(u-GaN)層510在藍寶石襯底500的頂部上生長。u-GaN層510的厚度可以在從500nm到5μm的范圍。

隨后在u-GaN層510的頂部上生長厚度在200nm至2μm范圍內的p型摻雜GaN 550。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。接下來，在p型摻雜GaN 550的頂部上生長p型摻雜的AlGaN EBL 540，厚度在5nm至50nm的范圍內，且Al成分在5％至100％的范圍內。類似地，p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。

有源層或區(qū)域530在EBL 540上生長。有源層530可以包括夾在GaN量子壘之間的單層或多層InGaN量子阱。InGaN量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且GaN量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。InGaN量子阱中的銦成分可以在0％至100％的范圍內，這取決于期望的發(fā)射波長。InGaN量子阱不是有意摻雜的，并且GaN量子勢壘可以被無意摻雜或摻雜有比如Si或Ge的n型摻雜物。InGaN/GaN對的數(shù)量可以為1至15。

厚度在200nm到2μm范圍內的n型摻雜GaN 520在有源層530上生長。n型摻雜物可以是Si或Ge。摻雜濃度在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

上述LED結構可以使用金屬有機化學氣相沉積法或分子束外延法來生長。生長的LED結構可以在真空中或在氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過激光剝離工藝去除藍寶石襯底之后通過快速熱退火來進行。

在如上所述的LED結構的生長之后，在n-GaN 520上沉積金屬接觸層和反射層(圖5中未示出)。金屬接觸層可以是每個具有厚度為3nm的Ti/Al雙層。反射層可以在可見光譜中具有90％以上的高反射率。用于反射層的材料可以是Al、Ag、Ti、Pt、Cr、Pd和具有高反射率的其他金屬。反射層的厚度在50nm至200nm的范圍內。種子金屬層(未示出)也可以沉積到反射層中，這對于增強隨后的金屬沉積的粘附強度是有用的。種子層材料可以是Ni、W、Au、TaN和任何其他合適的金屬。種子層的厚度在10nm至50nm的范圍內。

金屬接觸層、反射層和種子層可以使用電子束沉積、濺射、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD(PECVD)、離子束沉積、電化學沉積和任何其它合適的沉積方法來沉積。

然后進行金屬電鍍工藝以將具有前述金屬層的LED結構附接到比如銅的金屬襯底(未示出)。銅襯底的厚度在100μm至500μm的范圍內。金屬襯底可以形成LED的n電極。在上述工藝之后，執(zhí)行襯底去除工藝。使用UV激光剝離技術去除藍寶石襯底500。在足夠高的溫度下，GaN的穩(wěn)定性受到晶體分解成氮氣和液態(tài)鎵的限制：2GaN(s)→N₂(g)+2Ga(l)。當溫度超過830℃的臨界升華溫度時，在真空中離開晶體表面的氮分子的通量顯示出隨溫度的指數(shù)增長。在930℃的溫度下，分解速率達到每秒約一個單層。因此，可以通過能夠將樣品的受控局部加熱到高于900℃的溫度的方法通過熱分解非常有效地去除GaN。局部分解GaN的一種可能性是通過吸收具有高于GaN的帶隙(3.42eV)的光子能量的強光，例如脈沖長度為τ＝6ns的Nd:YAG脈沖激光器的355nm(3.49eV)三次諧波，或者具有脈沖寬度τ＝38ns的KrF準分子激光器的248nm(4.99eV)線。由于在KrF激光器的情況下的極為更長的脈沖持續(xù)時間，通常需要600mJ/cm²的更高的脈沖能量來將GaN加熱到高于升華閾值，而脈沖能量為300mJ/cm²在Nd：YAG(釹摻雜釔鋁石榴石；Nd：Y₃Al₅O₁₂)激光器的情況下是足夠的。使用光束均化器將高功率UV激光束圖案化成3mm×3mm的正方形尺寸。光束均化器將高斯狀激光束轉換為平坦的平臺狀激光束，其提供改善的光束均勻性?？梢酝ㄟ^在整個晶元上掃描激光束來暴露大面積?？梢允褂盟p器來改變激光器輸出功率。UV激光器通常在1-10Hz的范圍內脈沖，且一個脈沖通常足以實現(xiàn)GaN層的分解。圖案化的激光束通過藍寶石襯底側照射在LED晶元上并且掃描整個晶元。當激光功率密度大于臨界值時，藍寶石/GaN界面附近的GaN緩沖層將分解成Ga金屬和氮?？梢灾苯映ニ{寶石襯底或在將晶元加熱至40℃以上后除去。氮自動釋放到環(huán)境中。使用HCl(氯化氫)酸除去Ga金屬。

可以例如通過比如ICP或RIE的干法刻蝕技術隨后去除保持附著到p型覆層550的暴露的u-GaN緩沖層510，以暴露p型覆層550。在該階段，可以進行快速熱退火工藝來激活p型摻雜物。退火時間可以在5至10分鐘的范圍內并且溫度范圍可以從500℃至700℃，并且環(huán)境氣體可以是N₂。

最后，在暴露的p-GaN層550上沉積厚度為3nm的金屬接觸層(未示出)，例如Ni/Ag金屬接觸層，以完成LED器件制造工藝。Ni/Ag金屬接觸層可以形成LED的p電極，其可以形成在暴露的p-GaN層550的與n電極相對的背面或底表面，或者可以形成在p-GaN層550接觸電子阻擋層540的相對表面。

可以根據(jù)橫向芯片制造工藝形成n型覆層和p型覆層上的金屬電極，以形成橫向LED，或者根據(jù)垂直芯片制造工藝形成垂直LED。

上述LED制造工藝可以在晶元級或芯片級進行?？梢允褂们懈?劃線技術或無切割工藝來分離LED晶粒。

在有源區(qū)附近的LED 601的層結構在圖6(a)中示出。如圖6(a)所示，LED 601包括通過設置在其間的p-AlGaN EBL 540分離的有源層530和p-GaN層550。通過上述圖4和圖5的方法，與圖3(a)所示的常規(guī)LED相反，在有源區(qū)530/p-AlGaN EBL 540的界面處的極化誘導電荷540b的極性被反轉為負極。在p-GaN層550/p-AlGaN EBL 540的界面處的極化誘導電荷540a變?yōu)檎?/p>

根據(jù)圖4和圖5的實施例，通過反轉InGaN LED結構的層序列，在有源區(qū)和p-AlGaN EBL的界面處的極化誘導電荷的極性已經(jīng)從正反轉為負。

圖6(b)示出了在存在如圖6(a)中的負極化誘導界面電荷的情況下，有源層、EBL層和p-GaN層的示意性帶圖，其中Ec表示導帶邊緣，Ev表示價帶邊緣。如圖6(b)所示，在有源區(qū)530/p-AlGaN EBL 540的界面處的負極化誘導電荷增加了夾在量子壘530a和530c之間的InGaN量子阱530b中的電子的有效勢壘高度，并且降低在p-GaN層550中的空穴的有效勢壘高度，這與圖3(b)所示的常規(guī)LED的能帶圖相反。從其中p-AlGaN EBL 540的Al成分為0.15的模擬結果，InGaN量子阱530b中的電子的有效勢壘高度能夠增加到約828.3meV，并且p-GaN層中的空穴的有效勢壘高度550可以減小到約316.7meV。

由于電子勢壘高度的增加和空穴勢壘高度的降低，與圖3(a)的參照LED相比，大大減少了進入p型GaN層550的電子泄漏，并且顯著改進了向有源區(qū)530中的空穴注入。因此，將大大改善根據(jù)上述不同實施例形成的LED的量子效率和輸出功率，并且將顯著抑制效率下降。

圖7是根據(jù)不同實施例形成發(fā)光器件的方法的流程圖700。

在702，在襯底上或上方形成緩沖層。

在704，在緩沖層上或上方形成n型覆層。

在706，在n型覆層上或上方形成有源層。

在708，在有源層上或上方形成極性反轉層。

在710，在極性反轉層上或上方形成電子阻擋層(EBL)。

在712，在電子阻擋層上或上方形成p型覆層。

根據(jù)圖7的實施例形成的發(fā)光器件在電子阻擋層和極性反轉層的界面處具有負極化電荷，如將在下面的圖9(a)中描述的。

根據(jù)不同實施例，襯底可以是c-面襯底，也稱為(0001)襯底。在c-面襯底上形成或生長的層可以具有由于自發(fā)極化和壓電極化引起的極化誘導電荷效應，如將在下面進一步描述的。在不同實施例中，襯底可以選自由藍寶石(Al₂O₃)，硅(Si)，碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)和砷化鎵(GaAs)組成的組。襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。

可以提供緩沖層以緩解襯底和隨后沉積的氮化物層之間的晶格失配。

在不同實施例中，緩沖層可以包括涂覆在襯底上或上方的成核層，例如GaN或AlGaN(氮化鋁鎵)成核層。成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內?？梢栽?02處的襯底上或上方涂覆成核層。

在不同實施例中，緩沖層可以包括在襯底上或上方生長的無意摻雜氮化鎵(u-GaN)層。u-GaN層的厚度可以在500nm至5μm的范圍內。在不同實施例中，u-GaN層可以在涂覆在襯底上的成核層上生長。

在不同實施例中，n型覆層可包括n型摻雜氮化鎵(n-GaN)層、n型摻雜氮化鋁鎵(n-AlGaN)層、n型摻雜氮化銦鎵(n-InGaN)層或n型摻雜氮化鋁鎵銦(n-AlGalnN)層。n型覆層的厚度可以在1μm至4μm的范圍內。n型摻雜物可以是Si(硅)或Ge(鍺)，并且摻雜濃度可以在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

在不同實施例中，可以通過形成夾在量子勢壘層之間的被稱為單量子阱(SQW)結構的單量子阱層或者通過形成每個量子阱層夾在量子勢壘層之間的被稱為多量子阱(MQW)結構的多量子阱層來在906形成有源層。量子阱層和量子勢壘層可以以交替的順序形成。量子阱/量子勢壘對的數(shù)量可以為1至15。在不同實施例中，一個或多個量子阱層可以包括氮化銦鎵。量子阱層可以包括在0％至100％的范圍內的銦成分，其可以根據(jù)期望的發(fā)射波長而變化。量子阱層可以是無意摻雜的。

在不同實施例中，量子勢壘層可以包括氮化鎵。量子勢壘層可以無意摻雜或可以摻雜n型摻雜物，比如Si或Ge。

在不同實施例中，量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。

在不同實施例中，極性反轉層(PIL)可以包括氮化鎂(Mg₃N₂)。在不同實施例中，極性反轉層可以形成為具有在1nm至2nm范圍內的厚度。

在不同實施例中，由于極性反轉層的薄區(qū)域內的晶體結構變化，實現(xiàn)了電子阻擋層處的極性反轉。作為說明地，在通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在[0001]方向上GaN的外延生長中，Ga原子和N原子交替地逐層沉積，形成六方晶體結構。當在MOCVD中提供Mg原子和N原子以在有源區(qū)生長之后形成極性反轉層時，由于它們不同的原子性質，原始Ga/N/Ga/N序列將改變?yōu)镚a/N/Mg/Mg/N/Ga序列，且因此在一個MOCVD生長過程中實現(xiàn)極性反轉。

在不同實施例中，電子阻擋層(EBL)可以包括p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層，其中p型摻雜物可以是Mg、Be或Zn。EBL的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。EBL的鋁成分可以在0％至100％的范圍內。

在不同實施例中，p型覆層可以包括p型摻雜的氮化鎵(p-GaN)層、p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層、p型摻雜的氮化銦鎵p-InGaN)層或p型摻雜的氮化鋁鎵銦(p-AlGalnN)層。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。p型覆層的厚度可以在200nm至2μm的范圍內。

在不同實施例中，可以選擇p型覆層、n型覆層、有源層和EBL層中的材料的成分，使得p型層、n型層以及EBL層的帶隙應該大于有源層的帶隙，以便避免內部光吸收。

在不同實施例中，可以使用金屬有機化學氣相沉積或分子束外延來生長緩沖層、n型覆層、有源層、極性反轉層、電子阻擋層和p型覆層中的一個或多個。

根據(jù)方法700形成的LED結構可以在真空或氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過激光剝離工藝去除襯底之后通過快速熱退火來進行。

在根據(jù)上述圖7的實施例的LED結構的不同層的生長之后，可以類似地應用關于上述圖4和圖5描述的橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝，以形成橫向LED或垂直LED。例如，可以在p型覆層上形成金屬接觸層以形成p電極。例如，可以通過如上所述的UV激光剝離來移除襯底。例如，可以通過干法刻蝕進一步去除在襯底移除之后保持附著到n型覆層的緩沖層，以便暴露n型覆層，并且可以將金屬接觸層附接到暴露的n型覆層來形成n電極。

在上述不同實施例中描述的LED制造工藝可以在晶元級或芯片級進行。由此形成的LED在電子阻擋層和有源層的界面處具有負電荷，如下面更詳細地解釋的。

圖8是根據(jù)圖7的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖801。下面參考圖8描述的示例性實施例描述了使用藍寶石結構、u-GaN層、n-GaN層、InGaN/GaN有源區(qū)、Mg₃N₂極性反轉層、p-AlGaN EBL和p-GaN層形成的LED結構，但是應當理解的是上述圖7的各種實施例中描述的其他材料也可以用于LED的各個層。

如圖8所示，LED結構在由涂覆有GaN成核層的(0001)c-面藍寶石制成的襯底800的頂部上生長。藍寶石襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。GaN成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內。

無意摻雜的GaN(u-GaN)層810在藍寶石襯底800的頂部上生長。u-GaN810的厚度可以在從500nm到5μm的范圍。

隨后在u-GaN層810上生長厚度在1μm至4μm范圍內的n型摻雜GaN(n-GaN)層820。n型摻雜物可以是Si或Ge，并且摻雜濃度可以在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

有源區(qū)830在n-GaN層820上生長。有源層830可以包括夾在GaN量子壘之間的單層或多層InGaN量子阱。InGaN量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且GaN量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。InGaN量子阱中的In成分可以在0％至100％的范圍內，這取決于期望的發(fā)射波長。InGaN量子阱可能是無意摻雜的，并且GaN量子勢壘可以被無意摻雜或摻雜有比如Si或Ge的n型摻雜物。InGaN/GaN對的數(shù)量可以為1至15。

然后，薄極性反轉層(PIL)860在有源層830上生長。PIL 860的厚度在1nm至2nm的范圍內。PIL由氮化鎂(Mg₃N₂)組成。

厚度在5nm至50nm范圍內的p型摻雜AlGaN(p-AlGaN)EBL 840在PIL 860上生長。p-AlGaN EBL 840的Al成分可以在從0％至100％的范圍內。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。

最后，在EBL 840上生長厚度在200nm至2μm范圍內的p型摻雜GaN(p-GaN)層850。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。

上述LED結構的不同層可以使用金屬有機化學氣相沉積法或分子束外延法來生長。生長的LED結構可以在真空中或在氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過激光剝離工藝去除藍寶石襯底之后通過快速熱退火來進行。

在如上所述的LED結構的不同層的生長之后，可以類似地應用關于上述圖4和圖5所描述的橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝，以形成橫向LED或垂直LED。例如，可以在p型覆層上形成金屬接觸層以形成p電極。例如，可以通過如上所述的UV激光剝離來移除襯底。例如，可以通過干法刻蝕進一步去除在襯底移除之后保持附著到n型覆層的緩沖層，以便暴露n型覆層，并且可以將金屬接觸層附接到暴露的n型覆層來形成n電極。在橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝之后，可以使用切割/劃線技術或無切割工藝來分離LED晶粒。

圖9(a)是根據(jù)不同實施例在有源層附近的圖8的LED層結構901。如圖9(a)所示，LED 901包括通過設置在其間的p-AlGaN EBL 840分離的有源層830和p-GaN層850，以及插入在有源層830和AlGaN EBL 840之間的進一步的PIL 860。通過上述圖7和圖8的方法，在PIL 860/p-AlGaN EBL 840的界面處的極化誘導電荷840b的極性被反轉為負，并且p界面處的極化誘導電荷840a-AlGaN EBL 840/p-GaN層850被反轉為正。由于PIL 860的非常薄的厚度，負極化誘導電荷840b對如在圖6的LED(a)的有源區(qū)830、p-AlGaN EBL 840和p-GaN850的性質具有類似的影響，與如圖3(a)所示的常規(guī)LED相反。

根據(jù)圖7和圖8的實施例，通過在有源區(qū)域和p-AlGaN EBL之間插入薄的極性反轉層，在有源區(qū)域和p-AlGaN EBL之間的界面處的極化誘導電荷的極性已經(jīng)從正到負反轉。

圖9(b)示出了在存在如圖9(a)中的負極化誘導界面電荷的情況下，有源層、極性反轉層、PIL、EBL和p-GaN層的示意性帶圖，其中Ec表示導帶邊緣，Ev表示價帶邊緣。如圖9(b)所示，在PIL860/p-AlGaN EBL 840的界面處的負極化誘導電荷840b增加了夾在量子壘830a和830c之間的InGaN量子阱830b中的電子的有效勢壘高度，并且降低在p-GaN層850中的空穴的有效勢壘高度，這與圖3(b)所示的常規(guī)LED的能帶圖相反。結果是，根據(jù)圖7和圖8的實施例形成的LED的量子效率大大提高，并且效率下降被顯著抑制。

圖10是根據(jù)不同實施例形成發(fā)光器件的方法的流程圖1000。

在1002，在負c-面襯底上或上方形成緩沖層。負c-面襯底也稱為襯底或在負c-面襯底上形成或生長的層可以具有由于自發(fā)極化和壓電極化引起的極化誘導電荷效應，如將在下面進一步描述的。

在1004，在緩沖層上或上方形成n型覆層。

在1006，在n型覆層上或上方形成有源層。

在1008，在有源層上或上方形成電子阻擋層(EBL)。

在1010，在電子阻擋層上或上方形成p型覆層。根據(jù)圖10的實施例形成的發(fā)光器件在電子阻擋層和有源層的界面處具有負極化電荷，如將在下面的圖11(a)中描述的。

根據(jù)不同實施例，襯底可以選自由藍寶石(Al₂O₃)，硅(Si)，碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)和砷化鎵(GaAs)組成的組。襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。

可以提供緩沖層以緩解襯底和隨后沉積的氮化物層之間的晶格失配。

在不同實施例中，緩沖層可以包括涂覆在襯底上或上方的成核層，例如GaN或AlGaN(氮化鋁鎵)成核層。成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內?？梢栽?002處的襯底上或上方涂覆成核層。

在不同實施例中，緩沖層可以包括在襯底上或上方生長的無意摻雜氮化鎵(u-GaN)層。u-GaN層的厚度可以在500nm至5μm的范圍內。在不同實施例中，u-GaN層可以在涂覆在襯底上的成核層上生長。

在不同實施例中，n型覆層可包括n型摻雜氮化鎵(n-GaN)層、n型摻雜氮化鋁鎵(p-AlGaN)層、n型摻雜氮化銦鎵(p-InGaN)層或n型摻雜氮化鋁鎵銦(p-AlGalnN)層。n型覆層的厚度可以在1μm至4μm的范圍內。n型摻雜物可以是Si(硅)或Ge(鍺)，并且摻雜濃度可以在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

在不同實施例中，可以通過形成夾在量子勢壘層之間的被稱為單量子阱(SQW)結構的單量子阱層或者通過形成每個量子阱層夾在量子勢壘層之間的被稱為多量子阱(MQW)結構的多量子阱層來在1006形成有源層。量子阱層和量子勢壘層可以以交替的順序形成。量子阱/量子勢壘對的數(shù)量可以為1至15。在不同實施例中，一個或多個量子阱層可以包括氮化銦鎵。量子阱層可以包括在0％至100％的范圍內的銦成分，其可以根據(jù)期望的發(fā)射波長而變化。量子阱層可以是無意摻雜的。

在不同實施例中，量子勢壘層可以包括氮化鎵。量子勢壘層可以無意摻雜或可以摻雜n型摻雜物，比如Si或Ge。

在不同實施例中，量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。

在不同實施例中，電子阻擋層(EBL)可以包括p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層，其中p型摻雜物可以是Mg、Be或Zn。EBL的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。EBL的鋁成分可以在0％至100％的范圍內。

在不同實施例中，p型覆層可以包括p型摻雜的氮化鎵(p-GaN)層、p型摻雜的氮化鋁鎵(p-AlGaN)層、p型摻雜的氮化銦鎵p-InGaN)層或p型摻雜的氮化鋁鎵銦(p-AlGalnN)層。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。p型覆層的厚度可以在200nm至2μm的范圍內。

在不同實施例中，可以選擇p型覆層、n型覆層、有源層和EBL層中的材料的成分，使得p型層、n型層以及EBL層的帶隙應該大于有源層的帶隙，以便避免內部光吸收。

在不同實施例中，可以使用金屬有機化學氣相沉積或分子束外延來生長緩沖層、n型覆層、有源層、電子阻擋層和p型覆層中的一個或多個。

根據(jù)方法1000形成的LED結構可以在真空或氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過激光剝離工藝去除襯底之后通過快速熱退火來進行。在根據(jù)上述圖10的實施例的LED結構的不同層的生長之后，可以類似地應用關于上述圖4和圖5描述的橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝，以形成橫向LED或垂直LED。例如，可以在p型覆層上形成金屬接觸層以形成p電極。例如，可以通過如上所述的UV激光剝離來移除襯底。例如，可以通過干法刻蝕進一步去除在襯底移除之后保持附著到n型覆層的緩沖層，以便暴露n型覆層，并且可以將金屬接觸層附接到暴露的n型覆層來形成n電極。

在上述不同實施例中描述的LED制造工藝可以在晶元級或芯片級進行。由此形成的LED在電子阻擋層和有源層的界面處具有負電荷，如下面更詳細地解釋的。

圖11是根據(jù)圖10的不同實施例形成LED的層序列的過程的示意圖1101。下面參考圖11描述的示例性實施例描述了使用藍寶石結構、u-GaN層、n-GaN層、InGaN/GaN有源區(qū)、p-AlGaN EBL和p-GaN層形成的LED結構，但是應當理解的是上述圖10的各種實施例中描述的其他材料也可以用于LED的各個層。

如圖11所示，LED結構在由涂覆有GaN成核層的制成的襯底1102的頂部上生長。藍寶石襯底的厚度可以在200μm至1mm的范圍內。GaN成核層的厚度可以在20nm至100nm的范圍內。

無意摻雜的GaN(u-GaN)層1110在藍寶石襯底1102的頂部上生長。u-GaN層1110的厚度可以在500nm至5μm的范圍內。

隨后在u-GaN層1110上生長n型摻雜GaN(n-GaN)層1120，其中n-GaN層1120的厚度可以在1μm至4μm的范圍內。摻雜物可以是Si或Ge，并且摻雜濃度可以在從1x10¹⁸cm^-3到1x10²⁰cm^-3的范圍內。

然后有源區(qū)1130在n-GaN層1120上生長。有源層1130可以包括夾在GaN量子壘之間的單層或多層InGaN量子阱。InGaN量子阱的厚度可以在2nm至5nm的范圍內，并且GaN量子勢壘的厚度可以在5nm至50nm的范圍內。InGaN量子阱中的In成分可以在0％至100％的范圍內，這取決于期望的發(fā)射波長。InGaN量子阱不是有意摻雜的，并且GaN量子勢壘被無意摻雜或摻雜有比如Si或Ge的n型摻雜物。InGaN/GaN對的數(shù)量可以為1至15。

然后，在有源層1130上生長厚度在5nm至50nm范圍內的p型摻雜AlGaN(p-AlGaN)EBL 1140。EBL 1140的Al成分可以在從0％至100％的范圍內。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。

最后，在EBL 1140上生長厚度在200nm至2μm范圍內的p型摻雜GaN(p-GaN)層1150。p型摻雜物可以是Mg、Fe或Zn。

上述LED結構的不同層可以使用金屬有機化學氣相沉積法或分子束外延法來生長。生長的LED結構可以在真空中或在氮氣環(huán)境中在600℃至800℃的溫度下退火10分鐘以激活p型摻雜物。退火工藝也可以在通過激光剝離工藝去除藍寶石襯底之后通過快速熱退火來進行。

在如上所述的LED結構的不同層的生長之后，可以類似地應用關于上述圖4和圖5所描述的橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝，以形成橫向LED或垂直LED。例如，可以在p型覆層上形成金屬接觸層以形成p電極。例如，可以通過如上所述的UV激光剝離來移除襯底。例如，可以通過干法刻蝕進一步去除在襯底移除之后保持附著到n型覆層的緩沖層，以便暴露n型覆層，并且可以將金屬接觸層附接到暴露的n型覆層來形成n電極。在橫向芯片制造工藝或垂直芯片制造工藝之后，可以使用切割/劃線技術或無切割工藝來分離LED晶粒。

圖12(a)是根據(jù)不同實施例在有源層附近的圖11的LED層結構1201。如圖12(a)所示，LED 1201包括通過設置在其間的p-AlGaN EBL 1140分離的有源層1130和p-GaN層1150。通過上述圖10和圖11的方法，與圖3(a)所示的常規(guī)LED相反，在有源層1130/p-AlGaN EBL1140的界面處的極化誘導電荷1140b的極性被反轉為負極。在p-AlGaN EBL 1140/p-GaN層1150的界面處的極化誘導電荷1140a反轉為正。

根據(jù)圖10和圖11的實施例，通過在方向藍寶石襯底而不是常規(guī)(0001)方向藍寶石襯底上生長LED結構，在有源區(qū)和p-AlGaN EBL之間的界面處的極化誘導電荷的極性已經(jīng)從正反轉為負。

圖12(b)示出了在存在如圖12(a)中的負極化誘導界面電荷的情況下，有源層、EBL和p-GaN層的示意性帶圖，其中Ec表示導帶邊緣，Ev表示價帶邊緣。如圖12(b)所示，在有源區(qū)1130/p-AlGaN EBL 1140的界面處的負極化誘導電荷1140b增加了夾在量子壘1130a和1130c之間的InGaN量子阱1130b中的電子的有效勢壘高度，并且降低如圖12(b)所示的在p-GaN 1150中的空穴的有效勢壘高度，這與圖3(b)所示的常規(guī)LED的能帶圖相反。結果是，根據(jù)圖10和圖11的實施例形成的LED的量子效率大大提高，并且效率下降被顯著抑制。

上述不同實施例中描述的方法可以應用在比如高功率LED、光電探測器、激光二極管和比如雙極型晶體管的微電子器件的光電器件的制造中。

圖13示出了根據(jù)上述不同實施例的方法形成的發(fā)光器件1301。

發(fā)光器件1301包括n型摻雜層1320、設置在n型摻雜層1320上方并與其物理接觸的有源層1330、設置在有源層1330上方并與有源層1330物理接觸的電子阻擋層1340以及設置在電子阻擋層1340上方并與電子阻擋層1340物理接觸的p型摻雜層1350。

發(fā)光器件1301可以進一步包括形成在n型摻雜層1320處的n電極(未示出)和形成在p型摻雜層1350處的p電極(未示出)。n電極和p電極可以根據(jù)垂直制造工藝制造以形成垂直結構化的發(fā)光器件，或者可以根據(jù)橫向制造工藝制造以形成橫向結構化的發(fā)光器件。

發(fā)光器件1301可以根據(jù)上述圖4和圖5的方法形成，其中LED結構的層序列在制造期間反轉，或者可以根據(jù)上述圖10和圖11的方法形成，其中LED層結構在方向襯底而不是(0001)方向襯底上生長，使得在有源層1330/EBL 1340的界面處的極化誘導電荷從正反轉為負。如圖13所示，在有源層1330/EBL 1340的界面處的極化感應電荷1340b變?yōu)樨?，并且在EBL 1340/p型層1350的界面處的極化誘導電荷1340a因此變?yōu)檎?/p>

圖14示出了根據(jù)上述不同實施例的方法形成的發(fā)光器件1401。

發(fā)光器件1401包括n型摻雜層1420、設置在n型摻雜層1420上方并與n型摻雜層1420物理接觸的有源層1430、設置在有源層1430上方并與有源層1430物理接觸的極性反轉層1460、設置在極性反轉層1460上方并與極性反轉層1460物理接觸的電子阻擋層1440、以及設置在電子阻擋層1440上方并與電子阻擋層1440物理接觸的p型摻雜層1450。發(fā)光器件1401可以進一步包括形成在n型摻雜層1420處的n電極(未示出)和形成在p型摻雜層1450處的p電極(未示出)。n電極和p電極可以根據(jù)垂直制造工藝制造以形成垂直結構化的發(fā)光器件，或者可以根據(jù)橫向制造工藝制造以形成橫向結構化的發(fā)光器件。

發(fā)光器件1401可以根據(jù)上述圖7和圖8的方法形成，其中極性反轉層(PIL)1460插入在有源層1430和電子阻擋層1440之間，使得在PIL 1460/EBL 1440界面處的極化誘導電荷的從正反轉為負。如圖14所示，在PIL 1460/EBL 1440的界面處的極化感應電荷1440b變?yōu)樨?，并且在EBL 1440/p型層1450的界面處的極化誘導電荷1440a因此變?yōu)檎?/p>

根據(jù)上述各種實施例形成的發(fā)光器件改變在有源層/EBL的界面處的極化誘導電荷的極性，使得存在于常規(guī)LED結構中的有源區(qū)和EBL的界面處的正電荷已經(jīng)變成負電荷。以這種方式，可以增大有效電子勢壘高度，同時可以減小有效空穴勢壘高度。因此，不同實施例提供了可以增強BEL的電子阻擋效應和空穴注入效率的高效率LED。結果是，可以提高LED的絕對效率，并且可以降低效率下降。

不同實施例的方法和發(fā)光器件提供了增加電子的有效能量勢壘高度的益處，使得可以抑制在常規(guī)InGaN LED中觀察到的電子溢出，并且可以顯著改善器件的量子效率。此外，不同實施例的方法和發(fā)光器件提供了降低空穴的有效能壘勢壘高度的益處，使得可以提高空穴注入效率，并且空穴可以更深地滲透到有源區(qū)中并且具有更均勻分布，這將導致器件的量子效率的提高。進一步地，不同實施例的方法和發(fā)光器件提供了由于電子溢出的減少和空穴注入的改善而抑制在高功率操作時的效率下降的益處。

雖然已經(jīng)參考具體實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員應當理解，可以在形式和細節(jié)上進行各種改變而不脫離由所附權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明的范圍由所附權利要求書表明，并且因此旨在涵蓋落入權利要求書的等同物的含義和范圍內的所有變化。