專利名稱：化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用III-V族化合物半導(dǎo)體層作為發(fā)光層的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管(下文中可以稱為化合物半導(dǎo)體LED)，其中該LED具有用于使LED工作電流擴(kuò)散到發(fā)光層的寬區(qū)域內(nèi)的電流擴(kuò)散層，導(dǎo)致高發(fā)射強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
已知具有由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構(gòu)成的發(fā)光層的LED發(fā)射具有與綠光至紅光對應(yīng)的波長的光(見Y.Hosokawa et al.，J.Crystal Growth，Vol.221(2000)，Holland，p.652-656)。
在上述Y.Hosokawa et al.中公開了，發(fā)射具有較短波長的可見光的發(fā)光層通常由AlXGaYInZP形成并呈現(xiàn)室溫下約2eV的相對大的帶隙。
通常，這樣的發(fā)光層具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中接合(join)包覆層以形成異質(zhì)結(jié)，用于增強(qiáng)輻射復(fù)合效率并獲得高強(qiáng)度光發(fā)射。
在由AlXGaYInZP形成的發(fā)光層中，包覆層由呈現(xiàn)其帶隙寬于發(fā)光層帶隙的AlXGaYInZP形成，該包覆層用作被接合以形成異質(zhì)結(jié)的勢壘層。盡管獲得載流子限制效應(yīng)，由于包覆層由呈現(xiàn)寬帶隙的半導(dǎo)體層形成，這樣的包覆層通常不足以使得用于使器件工作的電流(即器件工作電流)擴(kuò)散到發(fā)光層的寬范圍內(nèi)。
為了解決這個問題，一種現(xiàn)有技術(shù)采用在包覆層上的電流擴(kuò)散層，以使器件工作電流擴(kuò)散到發(fā)光層的寬范圍內(nèi)(見美國專利5,008,718)。
為了廣泛地擴(kuò)散器件工作電流，電流擴(kuò)散層由呈現(xiàn)相對窄帶隙(例如，小于發(fā)光層的帶隙)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
例如，公開了一種發(fā)射橙光或發(fā)射紅光的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中在由AlXGaYInZP構(gòu)成的發(fā)光層上設(shè)置由鋁鎵砷(組分分子式AlXGaYAs0≤X，Y≤1)構(gòu)成的電流擴(kuò)散層(見例如日本專利申請公開號11-4020中的第4頁，第 段)。
然而，由本質(zhì)上呈現(xiàn)這樣窄帶隙的半導(dǎo)體材料形成的電流擴(kuò)散層吸收由發(fā)光層發(fā)射的光。因此，即使發(fā)光層具有可獲得高強(qiáng)度光發(fā)射的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，只要LED具有常規(guī)結(jié)構(gòu)，就不能始終如一地且可靠地制造高強(qiáng)度LED，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，在光提取側(cè)上的發(fā)光區(qū)域上設(shè)置電流擴(kuò)散層。
同時，公開了這樣一種LED，其具有由光學(xué)透明材料例如銦錫復(fù)合氧化物膜(縮寫為ITO)形成的電流擴(kuò)散層(見例如日本專利申請公開號2001-144330)。
由于呈現(xiàn)寬帶隙和低電阻，透明氧化物例如ITO可以用作形成電流擴(kuò)散層的材料，該電流擴(kuò)散層還作為窗口層，通過該窗口層光被提取到外面。
然而，透明氧化物通常遇到在始終如一地維持與III-V族化合物半導(dǎo)體的歐姆接觸方面的困難，并且不能獲得器件工作電流在寬區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散。
為了克服以上問題，上述日本專利申請公開號2001-144330公開了一種通過采用這樣的電極結(jié)構(gòu)使器件工作電流擴(kuò)散到發(fā)光層內(nèi)的技術(shù)，在該電極結(jié)構(gòu)中，多個歐姆電極被離散地設(shè)置在由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層上。
然而，當(dāng)歐姆電極被離散地設(shè)置時，為了制造LED或其它器件，需要繁重的步驟，這是成問題的。
要求包括在LED中的電流擴(kuò)散層由光學(xué)透明材料形成，以便器件工作電流充分地擴(kuò)散到發(fā)光層的寬區(qū)域內(nèi)并允許由發(fā)光層發(fā)射的光被提取到外面，而不吸收發(fā)射的光。為了滿足以上要求，電流擴(kuò)散層必須呈現(xiàn)室溫下寬于發(fā)光層的帶隙。
然而，當(dāng)電流擴(kuò)散層由常規(guī)采用的AlXGaYAs(0≤X，Y≤1)形成時，很難形成呈現(xiàn)足夠低的電阻的導(dǎo)體層。換言之，保持了不能可靠地形成使器件工作電流適當(dāng)?shù)財U(kuò)散的電流擴(kuò)散層的缺陷。
同時，包含鋅(Zn)作為組分元素的II-VI族化合物半導(dǎo)體層容易氧化。為了制造具有優(yōu)良的工作可靠性的發(fā)光器件，必須用抗氧化保護(hù)膜涂覆該II-VI族半導(dǎo)體層。這樣的額外操作使器件制造步驟變得繁重。
用作電流擴(kuò)散層的另一種材料的氧化材料例如ITO，不能可靠地獲得與例如用作包覆層的III-V族化合物半導(dǎo)體的優(yōu)良的歐姆接觸。因此，包覆層與由透明氧化物材料或類似材料形成的電流擴(kuò)散層之間的電阻增加，這不利于呈現(xiàn)低正向電壓(Vf)的LED的制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在嘗試解決包括在常規(guī)技術(shù)中的上述問題。因此，通過提供由化合物半導(dǎo)體材料形成的電流擴(kuò)散層，本發(fā)明提供了一種呈現(xiàn)優(yōu)良的電特性包括優(yōu)良的正向電壓的化合物半導(dǎo)體LED，所述化合物半導(dǎo)體材料可以容易地形成有利于造成器件工作電流擴(kuò)散到發(fā)光層內(nèi)的低電阻導(dǎo)體層，且所述化合物半導(dǎo)體材料光學(xué)透明，并獲得與包括在LED中的III-V族化合物半導(dǎo)體的優(yōu)良?xì)W姆接觸。
因此，本發(fā)明旨在以下方面。
(1)一種化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層以及設(shè)置在所述發(fā)光層上并由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層，其特征在于，所述電流擴(kuò)散層由導(dǎo)電的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
(2)如以上(1)所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層由選自一磷化硼、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷中的至少一種構(gòu)成。
(3)如以上(1)或(2)所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙與所述發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異為0.1eV或更大。
(4)如以上(1)至(3)中任何一項所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。
(5)如以上(1)至(4)中任何一項所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
(6)如以上(1)至(5)中任何一項所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括在所述電流擴(kuò)散層與所述發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層，以及所述包覆層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙并等于或窄于所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙。
(7)如以上(6)所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述包覆層由包含鋁、鎵和銦的III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，以及所述電流擴(kuò)散層由包含選自鋁、鎵和銦中的至少一種的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。
(8)如以上(6)或(7)所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括具有組分梯度并由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的組分漸變層，以及所述組分漸變層用作所述電流擴(kuò)散層和所述包覆層。
(9)如以上(1)至(8)中任何一項所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述發(fā)光層由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構(gòu)成，以及所述電流擴(kuò)散層和所述包覆層中的至少一者由沒有有意地對其添加雜質(zhì)元素的未摻雜的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。
(10)如以上(1)至(9)中任何一項所述的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中歐姆接觸電極被接合到所述電流擴(kuò)散層或所述組分漸變層。


圖1是實例1的LED的截面示意圖；以及圖2是實例2的LED的截面示意圖。
參考標(biāo)號的說明10，20 LED11 層疊結(jié)構(gòu)100GaAs襯底101 p型緩沖層102 p型下包覆層103 n型發(fā)光層104 n型上包覆層105 電流擴(kuò)散層106 n型歐姆電極107 p型歐姆電極108 組分漸變層具體實施方式
本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管包括由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層和設(shè)置在發(fā)光層上的電流擴(kuò)散層。
電流擴(kuò)散層由屬于一種III-V族化合物半導(dǎo)體的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成，并使得用于使發(fā)光二極管工作的正向器件工作電流在發(fā)光層內(nèi)擴(kuò)散。
電流擴(kuò)散層具有寬室溫帶隙并由基于磷化硼的半導(dǎo)體層構(gòu)成，且使得器件工作電流在包覆層和發(fā)光層內(nèi)擴(kuò)散并有效地用作窗口層，通過該窗口層發(fā)射的光被提取到外面。
根據(jù)本發(fā)明，電流擴(kuò)散層具有寬于發(fā)光層帶隙的室溫帶隙，并由低電阻的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。因此，器件工作電流可以在寬的發(fā)光區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散。另外，電流擴(kuò)散層是光學(xué)透明的，呈現(xiàn)出與由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層的優(yōu)良的歐姆接觸特性，并可以容易地形成。
因此，可以制造一種化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其呈現(xiàn)優(yōu)良的電特性包括優(yōu)良的正向電壓，獲得在發(fā)光區(qū)域中的均勻的發(fā)射強(qiáng)度，且不吸收具有均勻發(fā)射強(qiáng)度的發(fā)射光，并將光傳送到外面。
該LED還包括在電流擴(kuò)散層與發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層，并且該包覆層的室溫帶隙寬于發(fā)光層的帶隙且等于或窄于電流擴(kuò)散層的帶隙。因此，該帶隙可以在化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的厚度方向上從發(fā)光層到電流擴(kuò)散層逐漸變化，從而可以提供呈現(xiàn)低正向電壓的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
當(dāng)電流擴(kuò)散層和包覆層具有寬帶隙并由低電阻的導(dǎo)電的基于磷化硼的半導(dǎo)體形成時，可以提供這樣的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其可以由發(fā)光層的實際上整個區(qū)域發(fā)射具有幾乎均勻的強(qiáng)度的光。
在發(fā)光層由鋁鎵銦磷混合晶體(組分分子式AlXGaYInZP0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)構(gòu)成的情況下，電流擴(kuò)散層由包含磷作為組分元素的未摻雜的磷化硼形成。通過采用這種結(jié)構(gòu)，電流擴(kuò)散層的帶隙增大，從而使電阻降低。
因此，可以提供一種化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其可以使得器件工作電流擴(kuò)散到發(fā)光層的實際上整個表面內(nèi)，并由發(fā)光層的實際上整個區(qū)域發(fā)射具有所關(guān)心波長的均勻強(qiáng)度的光。
這里采用的術(shù)語“基于磷化硼的半導(dǎo)體”是指具有立方閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)并包含作為必要元素的硼(B)和磷(P)的III-V族化合物半導(dǎo)體。其實例包括由組分分子式BαAlβGaγIn1-a-β-γP1-δAsδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)表示的化合物；以及由組分分子式BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δNδ(0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1，0≤δ＜1)表示的化合物。
其中，本發(fā)明尤其優(yōu)選采用不包含容易氧化的元素(例如，鋁(Al))的半導(dǎo)體化合物。實例包括一磷化硼(BP)、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷，它們是包含多個V族元素的混合晶體。
根據(jù)本發(fā)明的電流擴(kuò)散層由導(dǎo)電的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且其室溫帶隙寬于發(fā)光層的室溫帶隙。
電流擴(kuò)散層的室溫帶隙與發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異優(yōu)選大于等于0.1eV。當(dāng)該差異大于等于0.1eV時，形成的電流擴(kuò)散層足以用作窗口層。
帶隙可以根據(jù)吸收(＝h·ν)對光子能量的依賴關(guān)系(dependency)或根據(jù)反射系數(shù)(n)和消光系數(shù)(k)的乘積(＝2n·k)對光子能量的依賴關(guān)系確定。
例如，當(dāng)發(fā)射藍(lán)光的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光層由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成并具有2.7eV的室溫帶隙時，在發(fā)光層上設(shè)置由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的并具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙的電流擴(kuò)散層。
優(yōu)選地，電流擴(kuò)散層由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成并具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。當(dāng)滿足以上條件時，電流擴(kuò)散層可以將可見光(例如，紅光至綠光)傳送到外面，從而用作窗口層。
當(dāng)由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層具有大于5.0eV的帶隙時，電流擴(kuò)散層與發(fā)光層或包覆層之間的能隙過分地增加，這對于制造呈現(xiàn)低正向電壓或閾值電壓的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管是不優(yōu)選的。
優(yōu)選地，電流擴(kuò)散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
該基于磷化硼的低電阻的半導(dǎo)體層被有效地用作電流擴(kuò)散層，還用作窗口層，由發(fā)光層發(fā)射的光通過該窗口層被傳送到外面。
由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層通過氣相生長方法例如鹵素方法、鹵化物方法或MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)，或者分子束外延(見J.Solid State Chem.，133(1997)，P.269-272)形成。
例如，由n型一磷化硼(BP)構(gòu)成的電流擴(kuò)散層可以通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)和磷化氫(分子式PH3)作為源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)或減壓MOCVD形成。
在由n型一磷化硼(BP)構(gòu)成的電流擴(kuò)散層的形成期間，源供給比率(V/III比率；例如，PH3/(C2H5)3B)優(yōu)選大于等于200，更優(yōu)選大于等于400。
這里采用的術(shù)語“V/III比率”是指包括磷的V族元素的原子濃度與包括硼的III族元素的原子濃度的比率，這些源被供給到氣相生長區(qū)域。
通過精確控制除了形成溫度和V/III比率以外的形成速率，可以形成由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層，該電流擴(kuò)散層實際上不吸收由發(fā)光層發(fā)射的光并呈現(xiàn)寬帶隙。
n型BP層的形成溫度優(yōu)選700℃至1,000℃。
類似地，由p型一磷化硼(BP)構(gòu)成的電流擴(kuò)散層可以通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)和磷化氫(分子式PH3)作為源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)或減壓MOCVD形成。
p型BP層的形成溫度優(yōu)選1,000℃至1,200℃。在層形成期間，源供給比率(V/III比率；例如，PH3/(C2H5)3B)優(yōu)選10至50。
尤其當(dāng)將形成速率控制為2nm/min至30nm/min時，可以制造由一磷化硼構(gòu)成的并呈現(xiàn)大于等于2.8eV的室溫帶隙的電流擴(kuò)散層(見日本專利申請?zhí)?002-158282)。
接下來，將說明化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的另一實施例，其中為了增強(qiáng)輻射復(fù)合，將由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層接合到由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層，從而發(fā)射高強(qiáng)度的光。
在上述實施例中，電流擴(kuò)散層被設(shè)置在包覆層上。因此，包覆層介于發(fā)光層與電流擴(kuò)散層之間。
優(yōu)選地，電流擴(kuò)散層的室溫帶隙寬于包覆層的室溫帶隙。在這種帶隙條件下，由發(fā)光層發(fā)射的光可以被傳送到外面，同時盡可能有效地防止光吸收。
尤其優(yōu)選地，包覆層的室溫帶隙寬于發(fā)光層的室溫帶隙且等于或窄于電流擴(kuò)散層的室溫帶隙。在這種帶隙條件下，從電流擴(kuò)散層到發(fā)光層，帶隙減小，從而可以防止LED的正向電壓的增大和LD的閾值的增大。
當(dāng)包覆層由III-V族化合物半導(dǎo)體例如由組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)表示的化合物或包含作為III族元素的Al、Ga和In的類似化合物形成時，電流擴(kuò)散層優(yōu)選地由包含選自Al、Ga和In的至少一種的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。
在上述條件下，在包覆層上形成電流擴(kuò)散層期間，存在于包覆層的表面上的III族元素(Al、Ga和In)促進(jìn)了包含這些元素作為組分元素的電流擴(kuò)散層的生長。因此，電流擴(kuò)散層可以容易地形成，并呈現(xiàn)與包覆層的優(yōu)良的附著。
包含選自Al、Ga和In中的至少一種的基于磷化硼的半導(dǎo)體的實例包括由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的上述硼鎵銦磷、由組分分子式BαIn1-αP(0＜α＜1)表示的硼銦磷，以及由組分分子式BαIn1-αP1-δAsδ(0＜α＜1，0＜δ＜1)表示的硼銦砷磷。
當(dāng)提供有意對其添加一種雜質(zhì)元素的摻雜的III-V族化合物半導(dǎo)體(例如，鋅(Zn)摻雜的AlXGaYInZP)作為包覆層時，從包覆層擴(kuò)散的雜質(zhì)元素(鋅)可以改變發(fā)光層的載流子濃度和導(dǎo)電類型。在這種情況下，可以施加偏離所關(guān)心的電壓的正向電壓(Vf)，或者可以發(fā)射其波長偏離所關(guān)心的波長的光。
比較而言，未摻雜(即n型或p型)的基于磷化硼的半導(dǎo)體呈現(xiàn)未摻雜狀態(tài)下的低電阻。
因此，包覆層優(yōu)選由未摻雜的基于磷化硼的半導(dǎo)體形成。因為包覆層具有低的雜質(zhì)元素量，擴(kuò)散到發(fā)光層中的雜質(zhì)元素的量可以降低，從而可以防止否則將通過外部雜質(zhì)元素的擴(kuò)散造成的發(fā)光層特性的劣化。另外，由于低電阻，可以促進(jìn)器件工作電流在發(fā)光層內(nèi)的擴(kuò)散。
同時，在提供未有意對其添加雜質(zhì)元素的未摻雜的基于磷化硼的半導(dǎo)體作為電流擴(kuò)散層的情況下，也可以獲得與通過包覆層獲得的相同的效果。
由未摻雜的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層或電流擴(kuò)散層具有寬的帶隙。因此，當(dāng)發(fā)光層由通過組分分子式GaXIn1-XN(0≤X≤1)表示的鎵銦氮或通過組分分子式GaN1-YPY(0≤Y≤1)表示的鎵氮磷構(gòu)成時，未摻雜的一磷化硼層可以用作n型或p型包覆層。
尤其當(dāng)發(fā)光層由包含磷(P)作為組分元素的化合物半導(dǎo)體材料(例如，組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1))構(gòu)成時，更優(yōu)選地，未摻雜的一磷化硼用作包覆層。
當(dāng)發(fā)光層包含大量磷作為組分元素時，發(fā)光層與用作電流擴(kuò)散層或包覆層的基于磷化硼的半導(dǎo)體層之間的磷原子濃度的差異減小。因此，P原子從電流擴(kuò)散層或包覆層向發(fā)光層的擴(kuò)散被抑制，從而可以防止發(fā)光層的劣化。
在其中包覆層被接合到發(fā)光層的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管中，優(yōu)選設(shè)置具有組分梯度并由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的組分漸變層，以用作電流擴(kuò)散層和包覆層。
在組分漸變層中，提供了這樣的組分梯度，以使帶隙在厚度增加方向(即從發(fā)光層到電流擴(kuò)散層的頂部)上增加。
例如，在組分漸變層由硼鎵磷(B1-XGaXP0≤X≤1)構(gòu)成的情況下，設(shè)置組分梯度，以使在厚度增加方向上硼(B)組分比(＝1-X)增加，而鎵(Ga)組分比(＝X)減小。具體地說，設(shè)置組分梯度，以使與發(fā)光層接觸的組分漸變層部分由磷化鎵(GaP)形成，該磷化鎵的硼組分比(＝1-X)為0。隨著層厚度從包覆層向電流擴(kuò)散層增加，硼組分比增加。電流擴(kuò)散層的頂部由硼組分比為1的BP形成。
由此設(shè)置的具有組分梯度的組分漸變的基于磷化硼的半導(dǎo)體層可以將磷化鎵的室溫帶隙從2.2eV提高到例如2.8eV或更大，并可以作為電流擴(kuò)散層和包覆層。
通過提供具有使帶隙從電流擴(kuò)散層向發(fā)光層逐漸減小的組分梯度的基于磷化硼的半導(dǎo)體層(組分漸變層)，可以防止LED的正向電壓的增加和LD的閾值的增加。
當(dāng)形成用作電流擴(kuò)散層和包覆層的組分漸變層時，設(shè)置組分梯度，以使帶隙線性的、逐步的或曲線狀變化分布地變化。
用作包覆層的組分漸變層的部分具有組分梯度，以使帶隙在厚度增加的方向上逐漸增大。
在電流擴(kuò)散層或組分漸變層上，設(shè)置n型或p型歐姆電極。在電流擴(kuò)散層或組分漸變層由基于磷化硼的n型半導(dǎo)體構(gòu)成的情況下，歐姆電極可以由金(Au)合金例如金(Au)-鍺(Ge)形成。
在電流擴(kuò)散層或組分漸變層由基于磷化硼的p型半導(dǎo)體構(gòu)成的情況下，歐姆電極可以由常規(guī)采用的鎳(Ni)、鎳合金、金(Au)-鋅(Zn)合金、金(Au)-鈹(Be)合金等形成。
當(dāng)歐姆電極具有多層結(jié)構(gòu)時，為了方便焊接(bonding)，最上面的層優(yōu)選地由金(Au)或鋁(Al)形成。在歐姆電極具有三層結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)置在底部與最上面的層之間的中間層可以由過渡金屬(例如鈦(Ti)、鉬(Mo)或鉑(Pt))形成。
通過采用由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層或組分漸變層，即使當(dāng)電流擴(kuò)散層或組分漸變層的帶隙寬于另一層例如包覆層的帶隙時，在電流擴(kuò)散層或組分漸變層上可以形成呈現(xiàn)優(yōu)良?xì)W姆接觸的電極。
可以形成該優(yōu)良的歐姆電極的原因如下。與由AlXGaYAs或AlXGaYInZP構(gòu)成的常規(guī)電流擴(kuò)散層相比，由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層或組分漸變層呈現(xiàn)較小的離子鍵特性。因此，即使帶隙很寬，也可以獲得導(dǎo)電層，與常規(guī)半導(dǎo)體材料相比，該導(dǎo)電層呈現(xiàn)顯著低的電阻。在基于磷化硼的半導(dǎo)體中，處于未摻雜狀態(tài)的一磷化硼(BP)可以容易地提供具有1019cm-3至1020cm-3的高載流子濃度的導(dǎo)電層。因此，通過寬帶隙，對于提取到外面的發(fā)射光，由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層或組分漸變層呈現(xiàn)優(yōu)良的透射率(permeability)。在電流擴(kuò)散層或組分漸變層上，可以形成低接觸電阻的歐姆電極。
實例<實例1>
接下來，將參考具有由一磷化硼半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層的示例性磷化硼LED，詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1是具有雙異質(zhì)(DH)結(jié)結(jié)構(gòu)和其層疊結(jié)構(gòu)11的實例1的磷化硼LED 10的截面示意圖。因為圖1是示意圖，組分層的尺寸(例如厚度比例)可以不同于實際數(shù)值。
通過在鋅(Zn)摻雜的p型(100)砷化鎵(GaAs)單晶襯底100上順序地層疊以下層鋅摻雜的p型GaAs緩沖層101、由鋅摻雜的鋁鎵銦磷混合晶體((Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P)構(gòu)成的下包覆層102、由(Al0.14Ga0.86)0.50In0.50P構(gòu)成的未摻雜的n型發(fā)光層103，以及由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構(gòu)成的硒(Se)摻雜的n型上包覆層104，形成層疊結(jié)構(gòu)11(見J.KoreanAssociation of Crystal Growth，11(5)(2001)，P.207-210)。
層101至104通過常規(guī)的減壓MOCVD方法氣相生長在襯底100上。
在由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構(gòu)成的上包覆層104上沉積未摻雜的n型硼銦磷(B0.40In0.60P)，從而形成電流擴(kuò)散層105。
由n型硼銦磷構(gòu)成的電流擴(kuò)散層105通過采用三乙基硼烷(分子式(C2H5)3B)作為硼(B)源、三甲基銦(分子式(CH3)3In)作為銦源以及磷化氫(分子式PH3)作為磷源，通過大氣壓力(接近大氣壓力)金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)形成。
電流擴(kuò)散層105在與形成其室溫帶隙為約4.3eV的一磷化硼(BP)期間采用的條件相同的條件下，即在V/III比率為800、生長溫度為700℃以及生長速率為30nm/min的條件下形成。
將形成電流擴(kuò)散層105的n型硼銦磷的硼(B)組分比率控制為0.40，以便不與GaAs晶格匹配，而是獲得寬帶隙。由n型硼銦磷構(gòu)成的電流擴(kuò)散層105的厚度為700nm。
發(fā)現(xiàn)由此形成的電流擴(kuò)散層105由未摻雜的n型B0.40In0.60P構(gòu)成并具有2.5eV的室溫帶隙。
發(fā)現(xiàn)室溫下載流子濃度和電阻率為1×1020cm-3和2×10-2Ω·cm。
在電流擴(kuò)散層105的整個表面上，通過常規(guī)的真空氣相沉積和電子束氣相沉積，順序地沉積金-鍺(Au/Ge)合金膜、鎳(Ni)膜和金(Au)膜。
隨后，通過已知的光刻技術(shù)選擇性地構(gòu)圖這些金屬膜，以便具有由Au-Ge合金膜形成的底面的上述三層電極僅僅保留在將要設(shè)置還用作金屬絲焊接的襯墊電極的n型歐姆電極106的部分。
除了設(shè)置n型歐姆電極106的區(qū)域以外，金屬膜(包括Au-Ge合金膜)被通過蝕刻去除，以使用作電流擴(kuò)散層105的n型硼銦磷層的表面暴露。
在去除光致抗蝕劑材料后，再次選擇性地構(gòu)圖n型硼銦磷層，以提供網(wǎng)格圖形的溝槽，用于將結(jié)構(gòu)切割成發(fā)光器件(芯片)。溝槽具有50μm的線寬，并設(shè)置在與襯底100的<110>晶向相同的方向上。
隨后，通過采用包含氯的鹵素混合氣體的等離子體干法蝕刻，選擇性地去除由此形成的n型硼銦磷層的網(wǎng)格圖形。
在p型GaAs單晶襯底100的整個背面上，通過常規(guī)的真空氣相沉積沉積金-鈹(Au-Be)膜，從而形成p型歐姆電極107。
沿著具有50μm線寬并設(shè)置在與襯底100的<110>晶向相同的方向上的上述窄條狀溝槽解理GaAs襯底100，從而制造正方形(350μm×350μm)LED芯片10。
當(dāng)使器件正向工作電流(20mA)在n型歐姆電極106和p型歐姆電極107之間流動時，評價LED芯片10的發(fā)射特性。發(fā)現(xiàn)LED芯片10發(fā)射具有610nm發(fā)射中心波長的紅色(輕微橙色)光。
在除了n型歐姆電極106的凸出區(qū)域外的發(fā)光層103的實際上整個表面中，目測到光發(fā)射。發(fā)射的光的近場圖形表明除了上述凸起區(qū)域外由發(fā)光層103發(fā)射的光具有基本上均勻的強(qiáng)度。通過典型積分球確定的樹脂模制前由各芯片發(fā)射的光的亮度為40mcd。
因為電流擴(kuò)散層105具有寬帶隙并由低電阻的n型硼銦磷構(gòu)成，電流擴(kuò)散層105還用作窗口層，通過該窗口層由發(fā)光層103發(fā)射的光被傳送到外面。
因為n型歐姆電極106設(shè)置在由低電阻的n型硼銦磷構(gòu)成的電流擴(kuò)散層105上，正向電壓(Vf)可以降低至2.3V。當(dāng)施加10μA的反向電流時，反向電壓超過8V。
<實例2>
接下來，將參考包括具有硼組分梯度的基于磷化硼的半導(dǎo)體層(組分漸變層)的示例性磷化硼半導(dǎo)體LED，詳細(xì)說明本發(fā)明，該基于磷化硼的半導(dǎo)體層用作電流擴(kuò)散層和包覆層。
圖2是實例2的磷化硼LED 20的截面示意圖。與圖1類似，因為圖2是示意圖，組分層的尺寸(例如厚度比例)可以不同于實際數(shù)值。
與在圖1中所示的磷化硼LED 10中采用的相同的部件由相同的參考標(biāo)號表示，并省略對它們的詳細(xì)說明。
在實例2中，將用于實例1的磷化硼LED 10并由(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構(gòu)成的硒(Se)摻雜的n型上包覆層104設(shè)置為薄膜包覆層(下文中，該層由相同標(biāo)號104表示)。在薄膜包覆層上，形成由未摻雜的硼鎵磷混合晶體(BαGa1-αP0＜α＜1)構(gòu)成的組分漸變層108。
由硒(Se)摻雜的n型(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P構(gòu)成的薄膜包覆層104通過與用于形成實例1中的上包覆層104(厚度5μm)采用的相同的工序形成，但是將該層的厚度調(diào)整為75nm。
由BαGa1-αP(0＜α＜1)構(gòu)成的組分漸變層108是在750℃下采用(C2H5)3B/(CH3)3Ga/PH3系統(tǒng)，通過減壓MOCVD形成的。將厚度調(diào)整為740nm。在該層與薄膜包覆層104之間的結(jié)界面處，將組分漸變層108的硼(B)組分比(α)調(diào)整為0.05。通過隨著時間的流逝和膜厚度的增加以恒定的速率對氣相生長系統(tǒng)減少(CH3)3Ga的供給并維持(C2H5)3B的供給，硼組分比具有線性組分梯度。具體地說，如此形成組分漸變層，以使上表面的硼(B)組分比(α)變?yōu)?.0(即形成磷化硼(BP))。
發(fā)現(xiàn)由BαGa1-αP構(gòu)成的組分漸變層108的表面部分具有8×1018cm-3的載流子濃度和6×10-2Ω·cm的電阻率。
通過采用常規(guī)偏振光橢圓率測量儀，確定組分漸變層108的折射率和消光系數(shù)，并且由確定的折射率和消光系數(shù)計算的組分漸變層108的平均帶隙為約3.1eV。特別地，發(fā)現(xiàn)(從表面到約100nm的深度的)表面部分的室溫帶隙約為4.0eV。因此，組分漸變層108可以被用作作為窗口層的包覆層和用作電流擴(kuò)散層。
通過常規(guī)SIMS方法確定組分漸變層108在深度方向上的磷(P)濃度分布。沒有觀測到包含在組分漸變層108中的大量磷(P)穿過薄膜包覆層104向發(fā)光層103的顯著擴(kuò)散。
以與實例1類似的方式，在組分漸變層108的中心上設(shè)置具有圓形平面圖(直徑約130μm)的n型歐姆電極106。與實例1類似，在GaAs襯底100的整個背面上形成由Au-Be合金構(gòu)成的p型歐姆電極107。形成p型歐姆電極107的Au-Be合金膜的厚度約為2μm。
在形成n型歐姆電極106后，沿與襯底100的[1.-1.0]和[-1.-1.0]晶向相同的方向，在(100)-GaAs單晶襯底100上設(shè)置網(wǎng)格狀的切割線，并沿著切割線切割襯底，從而制造具有正方形平面圖(400μm×400μm)的LED芯片20。
當(dāng)使正向電流(20mA)在n型歐姆電極106與p型歐姆電極107之間流動時，評價LED芯片20。發(fā)現(xiàn)LED芯片20發(fā)射具有610nm的中心發(fā)射波長的紅-橙光，這是希望的。觀測到的發(fā)射光的近場圖形表明由除了設(shè)置在各芯片20的中心處的n型歐姆電極106外的區(qū)域發(fā)射的光具有基本上均勻的強(qiáng)度。
以上結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明，無需象在常規(guī)技術(shù)中為了獲得器件工作電流在發(fā)光面內(nèi)的擴(kuò)散所采用的在包覆層的表面上有意設(shè)置多個小歐姆電極，可以在發(fā)光層103的寬區(qū)域內(nèi)均勻地獲得器件工作電流的擴(kuò)散。通過典型的積分球確定的發(fā)射的光的亮度約為44mcd。
在用作電流擴(kuò)散層和窗口層的組分漸變層108中，帶隙從電流擴(kuò)散層表面向發(fā)光層103逐漸地減小。因此，20mA正向電流下的正向電壓降低至2.3V，并且發(fā)現(xiàn)10μA反向電流下的反向電壓為8V。
工業(yè)適用性本發(fā)明的LED可以用作具有各種發(fā)射波長的III-V族化合物半導(dǎo)體發(fā)光層的化合物半導(dǎo)體LED。具體地說，獲得高亮度的本發(fā)明的LED可以用作用于顯示設(shè)備的LED、用于電子裝置例如光通信裝置的LED。
權(quán)利要求
1.一種化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層以及設(shè)置在所述發(fā)光層上并由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層，其特征在于，所述電流擴(kuò)散層由導(dǎo)電的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層由選自一磷化硼、由組分分子式BαGaγIn1-α-γP(0＜α≤1，0≤γ＜1)表示的硼鎵銦磷、由組分分子式BP1-δNδ(0≤δ＜1)表示的硼氮磷以及由組分分子式BαP1-δAsδ表示的硼砷磷中的至少一種構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙與所述發(fā)光層的室溫帶隙之間的差異為0.1eV或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層具有2.8eV至5.0eV的室溫帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述電流擴(kuò)散層具有大于等于1×1019cm-3的室溫載流子濃度、小于等于5×10-2Ω·cm的室溫電阻率，以及50nm至5,000nm的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括在所述電流擴(kuò)散層與所述發(fā)光層之間的由III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的包覆層，以及所述包覆層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙并等于或窄于所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述包覆層由包含鋁、鎵和銦的III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，以及所述電流擴(kuò)散層由包含選自鋁、鎵和銦中的至少一種的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述二極管包括具有組分梯度并由基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成的組分漸變層，以及所述組分漸變層用作所述電流擴(kuò)散層和所述包覆層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述發(fā)光層由用組分分子式AlXGaYInZP(0≤X，Y，Z≤1，X+Y+Z＝1)表示的鋁鎵銦磷混合晶體構(gòu)成，以及所述電流擴(kuò)散層和所述包覆層中的至少一者由沒有有意地對其添加雜質(zhì)元素的未摻雜的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中歐姆接觸電極被接合到所述電流擴(kuò)散層或所述組分漸變層。
全文摘要
一種化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括由III－V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)光層以及設(shè)置在所述發(fā)光層上并由III－V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的電流擴(kuò)散層，其特征在于，所述電流擴(kuò)散層由導(dǎo)電的基于磷化硼的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且所述電流擴(kuò)散層的室溫帶隙寬于所述發(fā)光層的室溫帶隙。
文檔編號H01L33/30GK1934717SQ20058000807
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者竹內(nèi)良一, 宇田川隆 申請人:昭和電工株式會社