具有無鎵層的iii族氮化物發光器件的製作方法
2024-02-15 20:54:15
專利名稱：具有無鎵層的iii族氮化物發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光器件的半導體結構，尤其是由III族氮化物形成的發光二極體和雷射二極體，這些器件能夠發射電磁光譜中紅色到紫外部分的光。
背景技術：
光子半導體器件分為三個類別將電能轉化為光輻射的器件(例如發光二極體和雷射二極體)；檢測光信號的器件(例如光電探測器)；將光輻射轉化為電能的器件(例如光電池器件和太陽能電池)。儘管這三種器件都具有有用的應用，但是由於發光二極體應用於各種消費產品和場合，因此普遍認為它是最有用的。
這裡稱為LEDs的發光器件(例如發光二極體和雷射二極體)是將電能轉化為發射光的光電p-n結半導體器件，也許最普遍的是，LEDs形成了用於許多消費產品(例如，聲頻系統、汽車、家用電子設備和計算機系統)中的各種信號、指示器、測量表和顯示器的光源，該光源在電磁光譜的可見光部分。由於LEDs通常具有長的壽命、低的功率需求和高的可靠性，因此希望LEDs作為光輸出器件。
儘管普遍使用，LEDs在某種程度上功能也受到限制，因為給定的LED可以產生的顏色受限於用來製造LED的半導體材料的性質。如本領域及相關領域普通技術人員所公知的，由LED產生的光稱為「電致發光這表示在施加的電壓下由通過材料的電流產生光。產生電致發光的任何特定的成份都趨於在相對窄的波長範圍內發光。
給定的LED材料可以發射的光的波長受限於材料的物理特性，尤其是其帶隙能量。帶隙能量是分開半導體中較低能量價帶和較高能量導帶的能量的量。根據量子力學的公知原理，帶是載流子(即電子或空穴)能夠存在於其中的能量狀態。「帶隙」是導帶和價帶之間的禁止載流子的能量範圍(即，載流子不存在於這些能量狀態)。在某些情況下，當電子和空穴越過帶隙複合時，它們將以光的形式發射能量。換句話說，給定的半導體材料可以產生的電磁輻射的頻率(即顏色)是該材料的帶隙能量的函數。
在這一點上，較窄的帶隙產生了較低的能量、較長波長的光子。反之，較寬的帶隙材料產生較高的能量、較短波長的光子。藍光具有較短的波長，因此具有比可見光譜中的其它顏色更高的頻率。結果，必須由比產生綠色、黃色、橙色或紅色的那些躍遷能量更大的躍遷產生藍光。產生具有在可見光譜中的藍色或紫外部分的波長的光子需要具有相對大帶隙的半導體材料。
整個可見光譜的範圍從大約390nm的紫色到大約780nm的紅色。因此，可以認為可見光譜的藍色部分在大約425nm和480nm的波長之間延伸。相應的，大約425nm(接近紫色)和480nm(接近綠色)的波長分別代表大約2.9eV和大約2.6eV的能量躍遷。據此，至少具有大約2.6eV帶隙的材料才能夠產生藍光。
較短波長的器件除了顏色之外還提供了大量的好處。尤其是，當用於光存儲器件和存儲器時，例如CD-ROM光碟，較短的波長能使這種存儲器件明顯保存更多的信息。例如，在與使用紅光的存儲器件一樣的空間中，使用藍光存儲信息光學器件實質上能夠保存更多的信息。
發光二極體工作的基本機制在本領域是公知的，並且例如在Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd Edition(1981)的第681-703頁描述了上述機制。
本專利申請的共同受讓人是本領域第一個成功開發商業上可行的LEDs的人，該LEDs發射藍色光譜中的光，並且能夠在商業上大量生產。這些LEDs形成在碳化矽寬帶隙半導體材料中。在Edmond的美國專利Nos.4,918,497和5,027,168、發明名稱為「Blue Light EmittingDiode Formed in Silicon Carbide」中描述了這種藍色LEDs的例子。在共同轉讓的美國專利Nos.5,523,589；5,592,501和5,739,554中描述了III族氮化物LED結構和雷射結構的其它例子。
除了碳化矽，藍色發光器件的候選材料是氮化鎵(GaN)和與其相關的III族(即，周期表的III族)氮化物化合物，例如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和在一些情況下的氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。由於這些材料在室溫提供了直接能量躍遷，帶隙在大約1.9至大約6.2eV之間，這些材料由其引人注意。更普通的半導體材料例如矽、磷化鎵或砷化鎵不適用於產生藍光，因為它們的帶隙大約為2.26eV或更小，對於矽的情況，它是間接半導體和效率低的光發射器。
如那些對LEDs和電子躍遷熟悉的人員所知道的，當價帶頂和導帶底具有相同的動量態時，在半導體中出現直接躍遷。這意味著晶體動量在電子和空穴複合過程中守衡，使躍遷產生的能量能主要且有效地成為光子(即產生光而不是熱)。當導帶底和價帶頂不具有相同的動量態時，需要聲子(即振動能量的量子)保存晶體動量，該躍遷稱為「間接的」。對第三粒子即聲子的需要使間接輻射躍遷可能更少，從而減小了器件的發光效率。
總的來說，在直接帶隙材料中形成的LED將比在間接帶隙材料中形成的LED更有效地工作。因此，III族氮化物的直接躍遷特性為比來自間接材料例如碳化矽的發射更亮和更有效的發射提供了潛在可能，因此提供了更亮和更有效的LEDs。據此，在前十年中大量的興趣還集中在在氮化鎵和相關的III族氮化物中製造發光二極體。
儘管III族氮化物在寬的帶隙能量範圍內提供了直接躍遷，但該材料存在一系列特定的製造方面的技術問題。具體地說，還沒有出現商業上可行的技術來製造氮化鎵(GaN)體單晶，該氮化鎵(GaN)體單晶能夠作為氮化鎵外延層的適當襯底，在氮化鎵外延層上將形成光電器件。
所有的半導體器件都需要某種類型的結構襯底。一般來說，由與有源區一樣的材料形成的襯底提供了顯著的優點，尤其在晶體生長和晶格匹配方面。由於氮化鎵仍然必須形成在這種體單晶中，因此，氮化鎵光電器件必須形成在非GaN襯底上的外延層中。
近來在III族氮化物襯底領域中的工作包括共同未審和共同轉讓的1999年7月27日申請的美國專利申請序列號Nos.09/361,945、發明名稱為「Growth of Bulk Single Crystals of Aluminium Nitride」，1999年7月27日申請的09/361944、發明名稱為「Growth of Bulk SingleCrystals of Aluminium Nitride from a Melt1999年7月7日申請的09/111,413、發明名稱為「Growth of Bulk Single Crystals of AluminiumNitride」，和1998年10月9日申請的09/169,385、發明名稱為「Growthof Bulk Single Crystals of Aluminium NitrideSilicon CarbideAlloys」。所有這些未審申請這裡全文引入作為參考。
然而，使用不同的襯底會引起另外的一系列問題，大部分在晶格匹配方面。在幾乎所有的情況下，不同材料具有不同的晶格參數。結果，當在不同的襯底上生長氮化鎵外延層時，將出現一些晶格不匹配和熱膨脹係數不匹配。得到的外延層涉及由這種不匹配而產生的「應變」。晶格不匹配，它們產生的應變會引起晶體缺陷的潛在可能。結果影響晶體和結的電子特性，這樣趨於降低光電器件的性能。這些缺陷在高功率結構中更成問題。
在早期的III族氮化物LEDs中，用於氮化鎵器件的最普遍的襯底是藍寶石(即，氧化鋁Al2O3)。現在某些III族氮化物器件繼續使用它。
藍寶石在可見光和紫外光範圍內是透光的，但與氮化鎵具有大約16％的晶格不匹配。此外，藍寶石是絕緣的，而不是導電的，不適於導電摻雜。結果，不能將必須通過LED以便產生光發射的電流引導通過藍寶石襯底。這樣，必須進行其它類型的與LED的連接。
總之，具有直立幾何形狀的LEDs使用導電襯底以便可以將歐姆接觸放在器件相對的端部。有大量的原因首選這種直立的LEDs，包括它們容易製造並且能夠比非直立器件更簡單地結合到最終使用的的器件中。然而，在不存在導電襯底的情況下，不能形成直立器件。
與藍寶石比較，氮化鎵與氮化鋁(AlN)僅具有大約2.4％的晶格不匹配，與碳化矽僅具有大約3.5％的不匹配。碳化矽在某種程度上與氮化鋁僅具有大約1％的更少的不匹配。
已經顯示出III族三元和四元氮化物(例如氮化銦鎵和氮化鋁銦鎵)具有相對寬的帶隙。據此，這種III族氮化物還為藍色光和紫外光半導體雷射和LEDs提供了潛在可能。然而，這些化合物的大部分都存在與氮化鎵一樣的問題，即缺少相同的單晶襯底。這樣，一般每個都採用在不同的襯底上生長外延層的形式。這同樣存在晶體缺陷和相關的電子問題的可能。
因此，作為解決藍寶石作為襯底的導電性問題的手段，本發明的受讓人已經研究將碳化矽襯底用於氮化鎵和其它III族器件。由於可以導電性地摻雜碳化矽，因此可以形成直立的LEDs。如上所述，直立結構便於LEDs的製造和將它們引入電路和最終使用的器件中。
如那些對III族氮化物熟悉的人員所知道的，它們的性能基於存在的III族元素(例如鎵、鋁、銦)的特性和摩爾分數而不同。例如，增加鋁的摩爾分數趨於增加帶隙，而降低鋁的量趨於增加折射率。同樣，較大比例的銦將降低材料的帶隙，這樣允許調整或「微調」帶隙以便產生想要頻率的光子。然而，這樣趨於降低晶體的化學和物理穩定性。基於摩爾分數的其它效果包括晶格間距的改變，導致應變效應。
因此，儘管在該領域付出了很大的努力，但仍然需要一些器件，這些器件結合直立形狀並且利用當在III族氮化物光電器件的有源層(active layer)、覆蓋層(cladding layers)和緩衝層(buffer layers)中銦、鋁和鎵的比例得到理想地調整時所得到的特性。
發明的目的和概述因此，本發明的目的是由III族氮化物以利用它們的有利特性的方式製造發光二極體和雷射二極體。
本發明通過一種半導體結構實現該目的，該半導體結構包括III族氮化物第一覆蓋層；III族氮化物第二覆蓋層；和位於第一和第二覆蓋層之間的III族氮化物有源層，有源層的帶隙比第一和第二覆蓋層的各自的帶隙都小。具體地說，半導體結構的特徵在於，在有源層或覆蓋層的至少一個層中不含鎵。
在下面的詳細描述和附圖中進一步說明了本發明的前面和其它的目的及優點，並且說明了實施方式。
附圖的簡要說明
圖1是根據本發明發光器件的半導體結構的截面示意圖。
圖2是鋁、銦和鎵的III族氮化物合金的帶隙能量與晶格參數之間關係的理論曲線圖。
圖3是半導體結構一個實施例的截面示意圖。
圖4是半導體結構一個實施例的截面示意圖。
圖5是半導體結構一個實施例的截面示意圖。
圖6是半導體結構一個實施例的截面示意圖。
圖7是半導體結構一個實施例的截面示意圖。
詳細描述本發明是發光器件的半導體結構，該發光器件能夠發射電磁光譜中紅色光到紫外光部分內的光。該結構包含位於III族氮化物第一覆蓋層和III族氮化物第二覆蓋層之間的III族氮化物有源層。該有源層具有比第一和第二覆蓋層各自的帶隙都小的帶隙，且第一和第二覆蓋層最好具有相反的導電類型(即p型或n型，反之亦然)。具體地說，有源層、第一覆蓋或第二覆蓋層的至少一層不含鎵。
如這裡所用的，這意味著鎵可以存在，但僅以少量存在以至於在本發明的上下文中沒有意義(即對半導體器件沒有功能性影響)。應理解要求上述層中的至少一層排除了除微量鎵之外任何鎵的存在，但允許多於一層的層都具有該特徵(例如，第一覆蓋層和第二覆蓋層可以都具有不含鎵的特性)。
特定的導電類型(即n型或者p型)可以是本徵的，但更普遍的是用適當的施主或受主原子摻雜III族氮化物的結果。本領域技術人員容易理解III族氮化物的適當摻雜，除了必須用來描述本發明的情況之外，這裡不再進一步的討論。
本領域普通技術人員應理解，有源層、第一覆蓋層和第二覆蓋層中鋁、銦和鎵的摩爾分數通常可以由式AlxInyGa1-x-yN表示，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。這樣，應理解鋁、銦和鎵的相對濃度在層和層之間可以變化。
在本發明的一個優選實施例中，第一覆蓋層是III族氮化物，最好是氮化鋁銦，其特徵在於不含鎵。這樣，第一覆蓋層中鋁和銦的摩爾分數通常可以由式AlxIn1-xN表示，其中0＜x≤1。這裡，變量x的範圍排除了0，本領域技術人員應理解為需要含鋁(即氮化鋁合金)。
類似的，在本發明的另一個優選實施例中，有源層是III族氮化物，即氮化鋁銦，其特徵在於不含鎵。這樣，有源層中鋁和銦的摩爾分數通常可以由式AlxIn1-xN表示，其中0≤x＜1。這裡，變量x的範圍排除了1，從而需要含銦。
這種無鎵的氮化鋁銦有源層的好處在於可以提供更寬範圍的可能的發射(例如從紅色光到紫外光)。此外，當氮化鋁銦中的銦引起局域態(localized states)時，作為有源層，氮化鋁銦可以比氮化鋁鎵的性能更好。這樣可以提高發射效率和減小無輻射複合。
參考圖1可以理解本發明，圖1是根據本發明的LED半導體結構的截面示意圖。
一般指定為10的半導體結構包含AlxInyGa1-x-yN的第一覆蓋層11，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。在更具體的實施例中，第一覆蓋層11不含鎵，主要由具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦構成，其中0＜x≤1。
半導體結構10還包含AlxInyGa1-x-yN的第二覆蓋層12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1，或者在更具體的實施例中，不含鎵的氮化鋁銦覆蓋層12具有式AlxIn1-xN，其中0＜x≤1。
如這裡所提到的，第一覆蓋層11和第二覆蓋層12最好具有相反的導電類型。即，如果第一覆蓋層11是n型層，那麼第二覆蓋層12是p型層，反過來亦然。前者的實施例優於後者。這種關於導電類型的規則保持在整個說明書中。如對發光器件熟悉的人員所知道的，包含相反導電類型的結構層便於器件的正向偏置，因此促進了複合，產生想要的發射。
具有式AlxInyGa1-x-yN(其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1)的有源層13位於第一覆蓋層11和第二覆蓋層12之間。在更具體的實施例中，有源層不含鎵，主要由具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦構成，其中0≤x＜1。
如這裡所用的，術語「層」通常指單晶外延層。
有源層13可以是摻雜的或者未摻雜的。如對III族氮化物性能熟悉的人員所知道的，未摻雜的材料通常是本徵n型。具體地說，第一覆蓋層11和第二覆蓋層12具有各自的帶隙，每個帶隙都比有源層13的帶隙大。如前面提到的，可以選擇III族摩爾分數以便提供這些特性。
對於這點，圖2理論性地描述了帶隙能量與晶格參數之間的關係。圖2的三角形區域代表可以得到的鋁、銦和鎵的III族氮化物的帶隙能量範圍。圖2表明對於任何具體的晶格參數來說，除去鎵使帶隙能量最大(即，氮化鋁銦的帶隙可以通過AlN-InN線段估計)。
如那些對半導體結構-尤其是雷射器結構熟悉的人員所了解的，為了增強器件的能力，希望有源層具有比相鄰的覆蓋層更低的帶隙和更高的折射率。這種結構提供了對於雷射性能來說重要的兩個好處。首先，如果有源層具有最低的帶隙，它形成了量子阱，載流子趨於落入該量子阱中。這有助於增強雷射效果。其次，在結構中具有最高折射率的材料中出現波導。據此，當有源層的帶隙小於相鄰層的帶隙並且其折射率大於相鄰層的折射率時，增強了器件的發射雷射能力。
此外，如本領域普通技術人員所知道的，三元或者四元III族氮化物的成份會影響它們的折射率和帶隙。總的來說，較大比例的鋁增加了帶隙，減小了折射率。這樣，在優選實施例中，為了使覆蓋層11和12具有比有源層13大的帶隙和比有源層13小的折射率，覆蓋層11和12最好具有比有源層高的鋁比例。覆蓋層11和12的較大的帶隙增強了將載流子限制(confinement)到有源層13，從而增加了器件的效率。類似地，異質結構層11和12的較低的折射率使光限定在有源層13中。
如上所述，所列舉的變量(例如x和y)指的是它們所描述的結構層。即，關於一層的變量值相對關於另一層的變量值是無關緊要的。例如，在描述半導體結構時，變量x可以具有關於第一覆蓋層11的一個值、關於第二覆蓋層12的另一個值和關於所描述的有源層13的再一個值。如本領域普通技術人員所理解的，表示式AlxInyGa1-x-yN中的限定0≤(x+y)≤1隻是要求III族元素和氮以1∶1的摩爾比存在。
例1和2(下面)公開了覆蓋層和有源層中III族氮化物的各種摩爾比。具體地說，例1描述了對於藍色LED來說的三元InxAl1-xN覆蓋層成份，例2描述了對於藍色LED來說的三元InxAl1-xN有源層成份。
例1對於藍色LED(425nm＜λ＜480nm)來說的覆蓋層必須具有比藍色有源層的帶隙能量(2.58-2.92eV)高的帶隙能量。對於三元InxAl1-xN來說，理想晶體的帶隙能量處於探索和爭論狀態。這主要是由於在生長高質量的、均勻的固溶體外延層方面存在困難，該固溶體外延層對於光透射測量來說要足夠厚(大約0.2μm)以便確定帶隙能量。從目前的數據，In0.17Al0.83N具有2.9-3.0eV的帶隙能量，參見S.Yamaguchi，M.Kariya，S.Nitta，T.Takeuchi，C.Wetzel，H.Amano，and I.Akasaki，Appl.Phys.Lett.76 876(2000)。因此，對於藍色LEDs來說覆蓋層應具有小於0.17的銦摩爾分數。參見K.S.Kim，A.Saxler，P.Kung，M.Razeghi，and K.Y.Kim，Appl.Phys.Lett.71 800(1997)。
例2對於三元InxAl1-xN來說在0.14＜x＜0.21之間發射藍光，In0.17Al0.83N發光在450nm達到高峰，In0.22Al0.78N在500nm達到高峰。參見S.Yamaguchi，M.Kariya，S.Nitta，T.Takeuchi，C.Wetzel，H.Amano，and I.Akasaki，Appl.Phys.Lett.76 876(2000)。減小銦的摩爾分數小於0.14將產生更短波長的光，從而允許發射425nm的光。對於綠色光(例如500＜λ＜575nm)的發射來說，銦摩爾分數應在大約0.22＜x＜0.35之間。
本領域普通技術人員應理解，這些是整體發射值(bulk emissionvalues)，並且作為量子阱的材料的生長將產生量子限定，這將使這些發射波長藍移。
本領域普通技術人員應進一步理解，這裡所使用的位於兩個其它層「之間」的一層的概念並不一定意味著這三層相鄰(即緊密接觸)。此外，這裡所用的位於兩個其它層之間的一層的概念是用來描述半導體結構中層的相對位置的。類似的，這裡所使用的與第二層接觸、與第三層「相對」的第一層的概念僅僅描述半導體結構中第一和第二層的相對位置。
也就是說，在半導體結構的優選實施例中，有源層13具有與第一覆蓋層11相鄰的第一表面14和與第二覆蓋層12相鄰的第二表面15。換句話說，在這個實施例中，有源層13直接夾在第一覆蓋層11和第二覆蓋層12之間，沒有另外的層打亂這三層雙異質結構，雙異質結構用括弧16指定。
這裡指定結構「雙異質結構」的使用是的本領域眾所周知的方式。例如，在Sze，Physics of Semiconductor Devices，Second Edition(1981)中的第708到710頁討論了這些結構的技術方案。儘管所述的Sze的討論指的是雷射，但它仍然說明了同質結構、單異質結構和雙異質結構的特性和它們之間區別。
半導體器件10可以進一步包括碳化矽襯底17，它具有與第一覆蓋層11相同的導電類型。碳化矽襯底17最好具有3C、4H、6H或15R的多型體。第一覆蓋層11位於碳化矽襯底17和有源層13之間。
在由圖3所示出的本發明的另一個實施例中，碳化矽襯底17與第一覆蓋層11接觸，與有源層13相對(即，在碳化矽襯底17和第一覆蓋層11之間沒有插入層)。
碳化矽襯底17最好是單晶。如本領域普通技術人員眾所周知的，高質量單晶襯底提供了大量的結構上的優點，因此提供了顯著的性能和壽命方面的優點。碳化矽襯底17可以通過在美國專利No.4,866,005(現在的美國專利No.RE34,861)中所述的方法形成，該美國專利與該未審申請共同轉讓。由於高質量的碳化矽單晶襯底在某種程度上更易於產生n型，因此碳化矽襯底17和第一覆蓋層11是n型的。
在圖4的所示的優選實施例中，第一覆蓋層11具有與碳化矽襯底17接觸的第一表面21和與有源層13接觸的第二表面22。具體地說，第一覆蓋層11的成份逐漸變化，使得在其第一表面21的晶格與碳化矽17的晶格更緊密地匹配，在其第二表面22處的晶格與有源層13的晶格更緊密地匹配。在第一覆蓋層11中必須存在足夠摩爾分數的銦，以便確保在與碳化矽襯底17相鄰的第一表面21處保持導電。
這裡所使用的與各個晶格更緊密的匹配的概念不意味完全匹配，而是層的成份逐漸變化使得其在層界面的晶格與相鄰層的晶格更相容。當製造器件時，必須平衡大量的因素，其中之一是晶格匹配。如果其它的因素更重要，完全或緊密的晶格匹配可以是次重要的，反之亦然。
在這一點上，可以選擇性地使覆蓋層、尤其是氮化鋁銦覆蓋層與含鎵有源層、尤其是氮化鎵和氮化銦鎵有源層晶格匹配，以便減小應變和缺陷。具體地說，由於可以使鋁銦氮化物與其它具有較高帶隙的III族氮化物晶格匹配，因此，鋁銦氮化物是有益的。參見圖2。
如本領域普通技術人員所公知的，覆蓋層和有源層的晶格匹配可以是一側晶格匹配(即，晶格匹配出現在有源層的一面上)，也可以是兩側晶格匹配(即，晶格匹配出現在有源層的兩面上)。
在圖5所示的另一個實施例中，半導體結構10進一步包括位於碳化矽襯底17和第一覆蓋層11之間的導電緩衝層23。在該實施例的變形中，導電緩衝層23夾在碳化矽襯底17和第一覆蓋層11之間，沒有插入層。導電緩衝層23最好主要由具有式AlxGa1-xN的氮化鋁鎵構成，其中0≤x≤1。另外，當第一覆蓋層11主要由具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦構成時(其中0＜x≤1)，導電緩衝層23最好由具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦構成，其中0≤x≤1。其它可接受的緩衝層和緩衝結構包括在共同轉讓的美國專利Nos.5,523,589、5,393,993和5,592,501中所描述的那些，因此這裡將上述每個專利的內容都全文引入作為參考。
為了便於第一覆蓋層11和導電緩衝層23之間的過渡，半導體結構10可以進一步包含III族氮化物過渡層24，最好由位於導電緩衝層23和第一覆蓋層11之間的成份梯度層形成。該過渡層24具有與第一覆蓋層11和碳化矽襯底17相同的導電類型。參見圖6。
另外，如圖7所示，導電緩衝層23和過渡層24可以被不連續的晶體部分28(即，III族氮化物點(dots)，最好是氮化鎵點或氮化銦鎵點)代替，該不連續的晶體部分28分隔第一覆蓋層11和碳化矽襯底17。在這個實施例中，不連續的晶體部分28存在的量足以使第一覆蓋層11和碳化矽襯底17之間的勢壘最小或者消除其間的勢壘，但該量小於將不利地影響或破壞在碳化矽襯底17上形成的任何發光器件的功能的量。
此外，在另一個實施例中，不連續的晶體部分28可以位於碳化矽襯底17和導電緩衝層23之間。圖1一般性的說明了當導電緩衝層23、過渡層24和不連續的晶體部分28存在於半導體結構中時，這些部件的相對位置。
不連續的晶體部分不形成外延層。據此，本領域普通技術人員應理解，圖1和圖7中示出的不連續晶體部分28僅僅是示意性的。
最好，不連續晶體部分28不由氮化鎵或氮化銦鎵形成。
在1997年10月7日申請的共同轉讓的美國專利申請序列號Nos.08/944,547、發明名稱為「Group III Nitride Photonic Devices onSilicon Carbide Substrates with Conductive Buffer InterlayerStructure」中更全面地公開了包含這種氮化鎵不連續晶體部分的內容，這裡全文引入作為參考。
在又一個實施例中，半導體結構10進一步包含第一歐姆接觸25和第二歐姆接觸26。如圖1所示，第一歐姆接觸25位於半導體結構中，使得碳化矽襯底17在第一歐姆接觸25和第一覆蓋層11之間。第二歐姆接觸26位於半導體結構中，使得第二覆蓋層12在第二歐姆接觸26和有源層13之間。參見圖1。
半導體結構10可以進一步包含位於第二歐姆接觸26和第二覆蓋層12之間的III族氮化物接觸層27。接觸層27和第二覆蓋層12具有相同的導電類型，一般是p型。參見圖1。
在優選實施例中，接觸層是p型，並且由下列物質製成氮化鎵(最好是鎂摻雜的氮化鎵)；氮化銦；式AlxIn1-xN表示的氮化鋁銦，其中0＜x＜1；式AlxGa1-xN表示的氮化鋁鎵，其中0＜x＜1；式InxGa1-xN表示的氮化銦鎵，其中0＜x＜1；或AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1。在這一點上，從範圍中既排除0又排除1要求在合金中存在兩個III族元素。
在最優選的實施例中，接觸層是p型接觸層，包括由多個III族氮化物層形成的超晶格，所述多個III族氮化物層從由下列物質組成的組中選擇氮化鎵(最好是摻雜了鎂的氮化鎵)；氮化銦；式AlxIn1-xN表示的氮化鋁銦，其中0＜x＜1；式AlxGa1-xN表示的氮化鋁鎵，其中0＜x＜1；式InxGa1-xN表示的氮化銦鎵，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1。
尤其是，超晶格最好由上述III族氮化物層的任何兩個的交替層形成。在該超晶格中，氮化鎵、氮化鋁銦、氮化銦鎵的任何兩個的交替層最為優選。
更普遍地說，最好在超晶格結構中引入氮化銦、氮化鋁銦、氮化銦鎵或氮化鋁銦鎵中的至少一層(即，超晶格不應僅由氮化鎵層構成)。氮化鋁鎵層在某種程度上不受歡迎。例如，倘若至少一個相鄰的p型III族氮化物層是氮化鋁銦或氮化銦鎵，那麼由選自氮化鎵、氮化鋁銦、氮化銦鎵的多個相鄰p型III族氮化物層形成的超晶格是尤其希望的。
最好，第一歐姆接觸25直接放在碳化矽襯底17上，與第一覆蓋層11相對；第二歐姆接觸26直接放在III族氮化物接觸層27上，與第二覆蓋層12相對。在該實施例的變形中，接觸層27夾在第二歐姆接觸26和第二覆蓋層12之間，沒有插入層。
如本領域普通技術人員所公認的，緩衝層23提供了碳化矽襯底17和第一覆蓋層11之間的物理和電學的過渡。在許多情況下，緩衝層23的存在有助於緩解由碳化矽襯底17和第一覆蓋層11之間的晶格差異而產生的物理應變。此外，為了保持器件的直立功能(verticalfunction)，緩衝層23必須充分導電以承載想要的、或者需要的電流來使器件10工作。同樣，過渡層24起到同樣的物理和電學過渡的作用。
歐姆接觸25和26完成了本發明的有利的直立結構，該歐姆接觸25和26最好由下列金屬或者這些金屬的兩個或者多個連續層形成，這些金屬例如是鋁(Al)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、金(Au)、鉑(Pt)、釩(V)、其混合物或合金，但歐姆接觸25和26也可以由其它本領域技術人員知道的歐姆接觸材料形成，條件是其它歐姆接觸材料表現出歐姆特性並且不幹擾LED10的結構或功能。
歐姆接觸25形成到碳化矽襯底17上，對此本發明區別於採用藍寶石的器件。藍寶石不能導電，因此不能連接到歐姆接觸。結果，藍寶石基器件不能形成對於LEDs來說最優選的各種直立結構。
因此，在一個優選實施例中，本發明是用於發光器件的半導體結構，包含3C、4H、6H或15R多型體的單晶碳化矽襯底17；AlxInyGa1-x-yN的有源層13，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；主要由AlxIn1-xN構成的無鎵的第一覆蓋層11，其中0＜x≤1；和AlxInyGa1-x-yN的第二覆蓋層12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。
在另一個優選實施例中，本發明是用於發光器件的半導體結構，包含3C、4H、6H或15R多型體的單晶碳化矽襯底17；主要由AlxIn1-xN構成的無鎵的有源層13，其中0≤x＜1；AlxInyGa1-x-yN的第一覆蓋層11，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；和AlxInyGa1-x-yN的第二覆蓋層12，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1。
在上述每個實施例中，第一覆蓋層11位於碳化矽襯底17和有源層13之間，第二覆蓋層12位於半導體結構中，使得有源層13在第一覆蓋層11和第二覆蓋層12之間。此外，如在本發明公開的另一些實施例中，第一覆蓋層11和碳化矽襯底17具有相同的導電類型，最好與第二覆蓋層12的導電類型相反。最後，第一覆蓋層11和第二覆蓋層12的各自的帶隙都比有源層13的帶隙大。
在上述這些實施例的任何一個中，第一覆蓋層11的成份可以逐漸變化，使得在其第一表面21處的晶格與碳化矽17的晶格更緊密地匹配，且在其第二表面22處的晶格與有源層13的晶格更緊密地匹配。
此外，根據前面的描述，這些優選實施例中的任何一個都還可以包含一個或者多個下列層一導電緩衝層23、III族氮化物過渡層24、III族氮化物接觸層27和歐姆接觸25和26。在這一點上，導電緩衝層18最好是具有式AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)的氮化鋁鎵，或者具有式AlxIn1-xN(其中0≤x≤1)的氮化鋁銦。
在附圖和說明書中，已經公開了本發明的典型實施例。已經使用的具體的術語僅在一般的和說明性的意義上，沒有限制的目的。本發明的範圍在下列權利要求中闡明。
權利要求
1.一種用於發光器件的半導體結構(10)，該發光器件能夠發射電磁光譜的紅光至紫外光部分的光，所述結構(10)包括AlxInyGa1-x-yN的第一覆蓋層(11)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；AlxInyGa1-x-yN的第二覆蓋層(12)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；和AlxInyGa1-x-yN的有源層(13)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且0≤(x+y)≤1，所述有源層(13)位於所述第一覆蓋層(11)和所述第二覆蓋層(12)之間；其中所述第一和第二覆蓋層(11-12)具有各自的帶隙，每個所述帶隙比有源層(13)的帶隙大；和其中選自所述第一覆蓋層(11)、所述第二覆蓋層(12)和所述有源層(13)的至少一個層的特徵在於不含有鎵。
2.根據權利要求1的半導體結構(10)，其中所述第一覆蓋層(11)主要由AlxIn1-xN構成，其中0＜x≤1，其特徵在於不含有鎵。
3.根據權利要求1的半導體結構(10)，其中所述第二覆蓋層(12)主要由AlxIn1-xN構成，其中0＜x≤1，其特徵在於不含有鎵。
4.根據權利要求1的半導體結構(10)，其中所述第一覆蓋層(11)和所述第二覆蓋層(12)具有相反的導電類型；和所述有源層(13)主要由AlxIn1-xN構成，其中0≤x＜1，其特徵在於不含有鎵。
5.根據權利要求1的半導體結構(10)，其中所述有源層(13)具有第一表面(14)和第二表面(15)，所述有源層(13)的所述第一表面(14)與所述第一覆蓋層(11)接觸，且所述有源層(13)的所述第二表面(15)與所述第二覆蓋層(12)接觸。
6.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述第一覆蓋層(11)的特徵在於不含有鎵。
7.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述第二覆蓋層(12)的特徵在於不含有鎵。
8.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述有源層(13)的特徵在於不含有鎵。
9.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述有源層(13)是摻雜的。
10.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述有源層(13)是未摻雜的。
11.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，其中所述第一覆蓋層(11)和所述第二覆蓋層(12)具有相反的導電類型。
12.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，還包括碳化矽襯底(17)；其中所述第一覆蓋層(11)位於所述碳化矽襯底(17)和所述有源層(13)之間；和其中所述碳化矽襯底(17)和所述第一覆蓋層(11)具有相同的導電類型。
13.根據權利要求12的半導體結構(10)，其中所述碳化矽襯底(17)與所述第一覆蓋層(11)接觸，與所述有源層(13)相對。
14.根據權利要求13的半導體結構(10)，其中所述第一覆蓋層(11)具有第一表面(21)和第二表面(22)，所述第一覆蓋層(11)的所述第一表面(21)與所述碳化矽襯底(17)接觸，且所述第一覆蓋層(11)的所述第二表面(22)與所述有源層(13)接觸；和其中所述第一覆蓋層(11)的成份逐漸變化，使得在所述第一覆蓋層(11)的所述第一表面(21)處的晶格與所述碳化矽(17)的晶格更緊密地匹配，且所述第一覆蓋層(11)的所述第二表面(22)處的晶格與所述有源層(13)的晶格更緊密地匹配。
15.根據權利要求12的半導體結構(10)，其中所述碳化矽襯底(17)是單晶。
16.根據權利要求12的半導體結構(10)，其中所述碳化矽(17)是選自3C、4H、6H和15R的一種多型體。
17.根據權利要求12的半導體結構(10)，其中所述碳化矽(17)是選自3C、4H、6H和15R的一種多型體的單晶碳化矽襯底(17)。
18.根據權利要求12的半導體結構(10)，還包括選自氮化鎵和氮化銦鎵的不連續晶體部分(28)，所述不連續晶體部分(28)位於所述第一覆蓋層(11)和所述碳化矽襯底(17)之間，所述不連續晶體部分(28)以足夠的量存在以減小所述第一覆蓋層(11)和所述碳化矽襯底(17)之間的勢壘，但小於對任何得到的形成在所述碳化矽襯底(17)上發光器件有不利影響的量。
19.根據權利要求12的半導體結構(10)，還包括第一歐姆接觸(25)，其中所述碳化矽襯底(17)位於所述第一歐姆接觸(25)和所述第一覆蓋層(11)之間；和第二歐姆接觸(26)，其中所述第二覆蓋層(12)位於所述第二歐姆接觸(26)和所述有源層(13)之間。
20.根據權利要求19的半導體結構(10)，其中所述第一和第二歐姆接觸(25-26)包括選自鋁、鎳、鈦、金、鉑和釩，及其混合物，層和合金的至少一個金屬。
21.根據權利要求19的半導體結構(10)，還包括III族氮化物接觸層(27)，其中所述接觸層(27)位於所述第二歐姆接觸(26)和所述第二覆蓋層(12)之間，且所述接觸層(27)和所述第二覆蓋層(12)具有相同的導電類型。
22.根據權利要求21的半導體結構(10)，其中所述接觸層(27)是p型接觸層(27)，由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的一種III族氮化物形成。
23.根據權利要求21的半導體結構(10)，其中所述接觸層(27)是p型超晶格，由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的多個III族氮化物層形成。
24.根據權利要求23的半導體結構(10)，其中所述超晶格由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的兩個III族氮化物層的交替層形成。
25.根據權利要求24的半導體結構(10)，其中所述超晶格由氮化鎵和InxGa1-xN的多個交替層形成，其中0＜x＜1；或者由氮化鎵和AlxGa1-xN的多個交替層形成，其中0＜x＜1。
26.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，還包括III族氮化物接觸層(27)，其中所述接觸層(27)與所述第二覆蓋層(12)接觸，與所述有源層(13)相對，且所述接觸層(27)和所述第二覆蓋層(12)具有相同的導電類型。
27.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，還包括碳化矽襯底(17)，其中所述碳化矽襯底(17)和所述第一覆蓋層(11)具有相同的導電類型；和導電緩衝層(23)；其中所述第一覆蓋層(11)位於所述碳化矽襯底(17)和所述有源層(13)之間；和其中所述導電緩衝層(23)位於所述碳化矽襯底(17)和所述第一覆蓋層(11)之間。
28.根據權利要求27的半導體結構(10)，其中所述導電緩衝層(23)是選自主要由具有式AlxGa1-xN的氮化鋁鎵，其中0≤x≤1；和具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦，其中0≤x≤1構成的組的一種III族氮化物。
29.根據權利要求27的半導體結構(10)，還包括III族氮化物過渡層(24)，所述過渡層(24)位於所述導電緩衝層(23)和所述第一覆蓋層(11)之間，並且具有與所述第一覆蓋層(11)相同的導電類型。
30.根據權利要求27的半導體結構(10)，還包括第一歐姆接觸(25)，其中所述碳化矽襯底(17)位於所述第一歐姆接觸(25)和所述導電緩衝層(23)之間；和第二歐姆接觸(26)，其中所述第二覆蓋層(12)位於所述第二歐姆接觸(26)和所述有源層(13)之間。
31.根據權利要求27的半導體結構(10)，還包括III族氮化物接觸層(27)，其中所述接觸層(27)和所述第二覆蓋層(12)具有相同的導電類型；第一歐姆接觸(25)，其中所述碳化矽襯底(17)位於所述第一歐姆接觸(25)和所述導電緩衝層(23)之間；和第二歐姆接觸(26)，其中所述接觸層(27)位於所述第二歐姆接觸(26)和所述第二覆蓋層(12)之間。
32.根據權利要求31的半導體結構(10)，其中所述接觸層(27)是p型超晶格，由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的多個III族氮化物層形成。
33.根據權利要求32的半導體結構(10)，其中所述超晶格由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的兩個III族氮化物層的交替層形成。
34.根據權利要求1-5任何一個的半導體結構(10)，還包括III族氮化物過渡層(24)，所述過渡層(24)與所述第一覆蓋層(11)接觸，與所述有源層(13)相對，並且具有與所述第一覆蓋層(11)相同的導電類型；與所述過渡層(24)接觸且與所述第一覆蓋層(11)相對的導電緩衝層(23)，所述導電緩衝層(23)是選自具有式AlxGa1-xN的氮化鋁鎵，其中0≤x≤1，和具有式AlxIn1-xN的氮化鋁銦，其中0≤x≤1，的一種III族氮化物；與所述導電緩衝層(23)接觸且與所述過渡層(24)相對的單晶碳化矽襯底(17)，所述碳化矽襯底(17)具有選自3C、4H、6H和15R的一種多型體，並且所述碳化矽襯底(17)和所述第一覆蓋層(11)具有相同的導電類型；所述碳化矽襯底(17)的且與所述導電緩衝層(23)相對的第一歐姆接觸(25)，所述第一歐姆接觸(25)包括選自鋁、鎳、鈦、金、鉑和釩、及其混合物，合金和層的至少一個金屬；在所述第二覆蓋層(12)上的且與所述有源層(13)相對的III族氮化物接觸層(27)，其中所述接觸層(27)是p型超晶格，由選自氮化鎵；氮化銦；AlxIn1-xN，其中0＜x＜1；AlxGa1-xN，其中0＜x＜1；InxGa1-xN，其中0＜x＜1；和AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x＜1且0＜y＜1且(x+y)＜1的多個III族氮化物層形成；所述III族氮化物接觸層(27)的且與所述第二覆蓋層(12)相對的第二歐姆接觸(26)，所述第二歐姆接觸(26)包括選自鋁、鎳、鈦、金、鉑和釩、及其混合物，合金和層的至少一個金屬；和其中所述第一覆蓋層(11)和所述第二覆蓋層(12)具有相反的導電類型。
全文摘要
本發明是用於發光器件的半導體結構，該發光器件能夠發射電磁光譜的紅色光到紫外光部分的光。該半導體結構包括III族氮化物的第一覆蓋層、III族氮化物的第二覆蓋層和位於第一和第二覆蓋層之間的III族氮化物的有源層，有源層的帶隙比第一和第二覆蓋層的各自的帶隙都小。該半導體結構的特徵在於在這些結構層的一個或者多個層中不含鎵。
文檔編號H01S5/343GK1473363SQ01818295
公開日2004年2月4日 申請日期2001年11月2日 優先權日2000年11月3日
發明者J·A·愛德蒙德, K·M·德弗斯派克, 孔華雙, M·J·博格曼, J A 愛德蒙德, 博格曼, 德弗斯派克 申請人:克裡公司