專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有氮化鎵有源層的雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，具體涉及由有足夠?qū)挼膸兜陌雽?dǎo)體材料形成以在可見(jiàn)光光譜的蘭光部分發(fā)光的發(fā)光二極管。
發(fā)光二極管(LED)是光電子半導(dǎo)體器件。光電子半導(dǎo)體器件分為三類(lèi)將電能轉(zhuǎn)換為光輻射的器件(LED和二極管激光器)，探測(cè)光信號(hào)的器件(光電探測(cè)器)，和將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件(光電器件或太陽(yáng)能電池)。
盡管這三類(lèi)器件都很有用，但由于LED可應(yīng)用于例如科學(xué)儀器、醫(yī)療設(shè)備、或更普通的各種用戶產(chǎn)品和應(yīng)用，其中LED用作各種信號(hào)、指示器、量規(guī)、鐘表等的光源以及許多其它類(lèi)似應(yīng)用，所以LED受到更普遍地認(rèn)可。
如LED的半導(dǎo)體光源長(zhǎng)壽命、低功耗和高可靠性，特別需要它作為光輸出器件。
盡管有廣泛用途，但LED的應(yīng)用也受到某種程度的限制，因?yàn)槟苌a(chǎn)的LED的顏色從根本上受到形成LED的半導(dǎo)體材料特性的限制。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，LED產(chǎn)生的光稱(chēng)為“電致發(fā)光”，它代表在所加電場(chǎng)下電流通過(guò)材料時(shí)產(chǎn)生的光。任何給定的產(chǎn)生電致發(fā)光的材料在給定的條件下有相對(duì)窄的波長(zhǎng)范圍。因此電致發(fā)光和熱輻射或白熾光不一樣，不象它們那樣有更寬的光譜寬度。
更基本地，LED的發(fā)光是由半導(dǎo)體材料中各能級(jí)間的基本量子力學(xué)躍遷所產(chǎn)生的。因?yàn)椴牧系膸捜Q于材料本身及其摻雜，躍遷能量及由此產(chǎn)生的輻射的顏色由眾所周知的躍遷能量(E)與所產(chǎn)生的光的頻率(v)之間的關(guān)系(E＝hv)來(lái)決定(h為普朗克常數(shù))。在可見(jiàn)光光譜中，蘭光比其他顏色的光有更短的波長(zhǎng)(或更高的頻率)，由此必須由比產(chǎn)生綠、黃、橙或紅光的躍遷能量更高的躍遷來(lái)產(chǎn)生。
更具體地，整個(gè)可見(jiàn)光光譜從約390納米的紫光到約770納米的紅光。所以可見(jiàn)光的蘭光部分可以認(rèn)為(有點(diǎn)人為地)在約425到480納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)。425到480納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)代表約2.6eV到2.9eV的能量躍遷(同樣有點(diǎn)人為地)。因此，即使在最佳條件下，也只有帶隙至少約大于2.6eV的材料才能發(fā)蘭光。
更為眾人所認(rèn)可的是，蘭色是三原色之一，因此任何希望用LED產(chǎn)生的全色顯示器件都多少需要蘭色。由于缺少有效的蘭色LED，在無(wú)蘭色LED源的顯示器中，必須用如過(guò)濾或遮閉等其他方法來(lái)產(chǎn)生蘭光。
從另一角度，蘭光的更短波長(zhǎng)使它能在光存儲(chǔ)器件(如CD ROM)上存儲(chǔ)比紅或黃光更多的信息。具體地，對(duì)于給定物理尺寸的CD ROM，用蘭光能存儲(chǔ)約八倍于紅光所能存儲(chǔ)的信息。因此，對(duì)于計(jì)算機(jī)和其他光存儲(chǔ)器，使用蘭光的益處更吸引人。
有足夠帶隙以產(chǎn)生蘭光的合適材料包括碳化硅、氮化鎵、其他III族元素的氮化物、硫化鋅和硒化鋅。更普通的半導(dǎo)體材料如硅、磷化鎵、或砷化鎵不適于用來(lái)產(chǎn)生蘭光，這是因?yàn)樗鼈兊膸对?.26eV量級(jí)或以下。
近十年來(lái)，蘭光發(fā)光二極管的基礎(chǔ)和商業(yè)發(fā)展取得了很大進(jìn)步，其中包括很多本發(fā)明的受讓人的貢獻(xiàn)。這些包括美國(guó)專(zhuān)利4918497、4966862、5027168、和5338944。
蘭光發(fā)光二極管的另一合適材料為氮化鎵(GaN)，及其類(lèi)似的III族(即元素周期表中III族)氮化物，如鋁鎵氮(AlGaN)、銦鎵氮(InGaN)、銦鋁氮(InAlN)、有時(shí)為銦鋁鎵氮(InAlGaN)。由于這些材料在室溫下能有約3.4到6.2eV的直接能帶躍遷，所以很有吸引力。對(duì)LED和電子躍遷較熟悉的人知道，當(dāng)價(jià)帶最高點(diǎn)和導(dǎo)帶最低點(diǎn)有相同的K值時(shí)，半導(dǎo)體中發(fā)生直接(或垂直)躍遷，這意味著在躍遷過(guò)程中晶體的動(dòng)量守恒，這樣躍遷產(chǎn)生的能量基本轉(zhuǎn)換為光子，即產(chǎn)生光而不是熱。當(dāng)導(dǎo)帶和價(jià)帶最低點(diǎn)有不同K值時(shí)，需要聲子(即發(fā)射振動(dòng)能)來(lái)使晶體動(dòng)量保持守恒，此時(shí)的躍遷稱(chēng)為“間接”躍遷。聲子的能量明顯降低所得光子的能量，這樣便降低了發(fā)射光的頻率和強(qiáng)度。Sze在第二版“半導(dǎo)體器件物理”(1981)的第12章的681ff頁(yè)中，詳細(xì)討論了LED的理論和實(shí)踐。
從較外行的觀點(diǎn)來(lái)看，在其他因素相同時(shí)，與如碳化硅等間接材料的發(fā)射相比，包括氮化鎵的III族氮化物的直接躍遷特性有可能提供更亮、更有效的發(fā)射，由此提供更亮更有效的LED。
因此，最近十年來(lái)，人們的興趣集中在生產(chǎn)氮化鎵及相關(guān)的III族氮化物的發(fā)光二極管。
盡管氮化鎵可以在寬帶隙上直接躍遷，理論上可以更亮，但該材料在制造工作器件時(shí)有很多具體技術(shù)難題。主要問(wèn)題是缺少氮化鎵體單晶，這意味著氮化鎵或其它的III族氮化物器件必須在其他材料上作為外延層形成。目前最通用的材料為蘭寶石(氧化鋁，Al2O3)。蘭寶石與III族氮化物有可以接受的晶格匹配，而且熱穩(wěn)定性好、透明，這些對(duì)生產(chǎn)發(fā)光二極管很有用。但是蘭寶石有缺點(diǎn)，如不適于導(dǎo)電摻雜。因此，這意味著必須流過(guò)LED以產(chǎn)生發(fā)射的電流不能直接流過(guò)蘭寶石襯底。因此必須給LED制備其他類(lèi)型的連接。通常，由于很多理由LED最好用“垂直”結(jié)構(gòu)(即用導(dǎo)電襯底以便在器件的相對(duì)兩端作歐姆接觸)，包括比“非垂直”器件容易制備。
因此本發(fā)明的受讓人研制了用碳化硅作氮化鎵及其III族氮化物器件的襯底，以解決蘭寶石襯底的導(dǎo)電問(wèn)題。因?yàn)樘蓟杩梢赃M(jìn)行導(dǎo)電摻雜，可以在其上形成“垂直”LED；即器件的一個(gè)接觸可以作在器件的頂面，而另一個(gè)接觸可以在器件的底面，這樣的結(jié)構(gòu)的LED比較容易制備，同時(shí)也容易將LED放入電路或與器件或結(jié)構(gòu)結(jié)合。
不管這些理論上的優(yōu)點(diǎn)如何，長(zhǎng)期可靠和可預(yù)測(cè)的用氮化鎵作有源層的蘭光發(fā)射已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。例如，有人用硅和鋅一起摻雜或補(bǔ)償銦鎵氮(InGaN)，它們的解釋是單獨(dú)氮化鎵以及單獨(dú)的o不適合于LED，因?yàn)镮nGaN更適于發(fā)光二極管的帶-帶(“帶間”)躍遷。
同樣，另外一些人制備AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有進(jìn)行或沒(méi)有說(shuō)明補(bǔ)償摻雜，僅說(shuō)明用本征n型氮化鎵和p型AlGaN作結(jié)。確實(shí)，如果合適地理解一些已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)，用如鋅等補(bǔ)償受主進(jìn)行摻雜將得到絕緣層，而不是補(bǔ)償層。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)光二極管，它有氮化鎵特性的優(yōu)點(diǎn)，能產(chǎn)生連續(xù)的可預(yù)測(cè)的發(fā)射，并使用補(bǔ)償有源層。
本發(fā)明用發(fā)光二極管的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括有第一導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；有相反導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；在所述鋁鎵氮層之間的氮化鎵導(dǎo)電層，所述氮化鎵層用II族受主和IV族施主一起摻雜，其中一種摻雜劑的量足以使所述氮化鎵層有明確導(dǎo)電類(lèi)型，用與之有相反導(dǎo)電類(lèi)型的相鄰鋁鎵氮層形成p-n結(jié)。
本發(fā)明的另一方案包括雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，它發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分并包括襯底；所述襯底上的緩沖層；及在緩沖層上的本發(fā)明的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的第三方案中，本發(fā)明包括制備有源層的方法，該有源層為能發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的補(bǔ)償n型氮化鎵層。
通過(guò)下面參照說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明會(huì)更明白本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特性以及實(shí)現(xiàn)它們的方法。
圖1是本發(fā)明發(fā)光二極管(LED)的第一實(shí)施例的剖面圖；圖2是本發(fā)明發(fā)光二極管(LED)的第二實(shí)施例的剖面圖；圖3是本發(fā)明制備的LED的掃描電子顯微鏡照片；圖4是本發(fā)明LED的輸出與電流的關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明LED的光譜輸出和效率與正向電流的關(guān)系圖；圖6是鋁鎵氮(AlxGa1-xN)的歸一化光致發(fā)光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖；圖7是在碳化硅上制備的n型氮化鎵層的歐姆接觸的電流與電壓的關(guān)系圖；圖8與圖7相似，但歐姆接觸制備在p型氮化鎵上；圖9是本發(fā)明的LED的電流電壓特性圖圖10是碳化硅上的摻鎂p型氮化鎵的室溫光致發(fā)光圖；圖11是霍爾效應(yīng)圖，它表示n型氮化鎵的載流子濃度和電阻率與溫度的關(guān)系；圖12表示在碳化硅上的摻硅n型氮化鎵的遷移率數(shù)據(jù)；圖13是另一霍爾效應(yīng)圖，表示摻鎂氮化鎵的空穴濃度和電阻率與溫度的關(guān)系；圖14表示在碳化硅上的摻鎂p型氮化鎵的遷移率數(shù)據(jù)的曲線圖。
在最普通的方案中，本發(fā)明為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，它包括有第一導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；有相反導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；及在鋁鎵氮層之間的氮化鎵有源層，其中氮化鎵層用II族受主和IV族施主一起摻雜，其中一種摻雜劑的量足以使氮化鎵層有明確的導(dǎo)電類(lèi)型，有源層與有相反導(dǎo)電類(lèi)型的相鄰鋁鎵氮層形成p-n結(jié)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其中異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括p型鋁鎵氮層；n型鋁鎵氮層；及在鋁鎵氮層之間的氮化鎵n型層。氮化鎵層用鋅和硅一起摻雜，以便與p型鋁鎵氮層形成p-n結(jié)。
雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)比同質(zhì)結(jié)或單異質(zhì)結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)。包括因?yàn)镚aN和AlGaN之間的不同折射率所導(dǎo)致的增強(qiáng)的發(fā)射，更有效的載流子限制從而導(dǎo)致更有效的載流子復(fù)合和使LED的輸出更亮。
在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1的20所示，發(fā)光二極管有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。如圖1所示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管20發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分，并包括最好由碳化硅形成的襯底21，該碳化硅已充分摻雜以給圖1所示的垂直結(jié)構(gòu)LED20提供導(dǎo)電襯底。為了與襯底21上的緩沖層和鋁鎵氮層的晶體結(jié)構(gòu)匹配，碳化硅襯底最好具有選自6H或4H碳化硅的多型。
熟悉這些材料的人知道，4H或6H為碳化硅的兩種六方晶體形式，在其上形成的氮化鎵(和其他III族氮化物)也為六方多型晶體。但是如果用立方(即3C)碳化硅作襯底，氮化鎵也可形成立方結(jié)構(gòu)。
LED 20還包括在襯底21上的緩沖層22。在美國(guó)專(zhuān)利5393993中說(shuō)明了合適的緩沖層。該緩沖結(jié)構(gòu)在碳化硅襯底和LED 20的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)部分之間提供了合適的晶體和電子躍遷。
在一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層包括第一層氮化鎵和氮化鋁；與第一層鄰近的第二層氮化鎵和氮化鋁。在所述第二層中氮化鋁的摩爾百分比與第一層中的摩爾百分比很不同。
在另一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層包括導(dǎo)電層，它選自氮化鎵；氮化鋁；氮化銦；AxB1-xN形式的三元III族氮化物，其中A和B為III族元素，x為0、1、或0與1之間的小數(shù)； AxByC1-x-yN形式的四元III族氮化物，其中A、B和C為III族元素，x和y為0、1、或0與1之間的小數(shù)，且(x+y)小于等于1；及碳化硅與這些三元、四元III族氮化物的合金。
在又一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層包括在襯底上的第一層，它由漸變組分的碳化硅鋁鎵氮形成，其中鄰近襯底的部分基本為純碳化硅，而離襯底最遠(yuǎn)的部分基本為純鋁鎵氮，在中間的是從碳化硅到鋁鎵氮的逐步漸變部分。第二層可以加到第一層上，該第二層可以由漸變組分的鋁鎵氮形成。
在優(yōu)選實(shí)施例中，LED 20還包括在緩沖層22上的n型氮化鎵外延層23，它提供額外的襯底、緩沖層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的晶格過(guò)渡。
LED 20還包括圖1中括號(hào)24表示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)24包括n型鋁鎵氮層25，當(dāng)n型氮化鎵外延層23包括在結(jié)構(gòu)中時(shí)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)在n型氮化鎵外延層23上。n型鋁鎵氮層25有AlxGa1-xN的形式，其中x代表鋁的摩爾份數(shù)，x小于1并大于0(1＞x＞0)。在優(yōu)選實(shí)施例中，摩爾份數(shù)x在約0.05和2.0間，在最優(yōu)選的實(shí)施例中，摩爾份數(shù)x約為0.1。鋁鎵氮層25還有約2E18的凈摻雜濃度，在最優(yōu)實(shí)施例中用硅摻雜。如同已有技術(shù)中一樣，“E”為摻雜濃度的簡(jiǎn)寫(xiě)指數(shù)符號(hào)，所以2E18代表2×1018cm-3。
雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)24包括在n型鋁鎵氮層25上的氮化鎵有源層26，和前面一樣，它用II族受主和IV族施主補(bǔ)償，其中優(yōu)選的H族受主為鋅或鈣或鎂，碳可以為IV族施主。優(yōu)選的IV族施主為硅或鍺。在最優(yōu)選實(shí)施例中，II族受主為鋅，IV族施主為硅，和對(duì)于許多其他


的產(chǎn)生特征蘭光發(fā)射的實(shí)施例一樣。有源層26的凈摻雜濃度為約1E18和4E18之間，最好為2E18。
用有AlxGa1-xN形式的p型鋁鎵氮層27來(lái)完成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這里x小于1大于0(1＞x＞0)，優(yōu)選摩爾份數(shù)x也在約0.05到2.0之間，最好約為0.1。
在優(yōu)選實(shí)施例中，LED 20還可以包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)的頂層p型層27上的p型氮化鎵層30。p型層27有約1E19的凈摻雜濃度，且最好摻鋁。
如圖1所示的LED 20還包括襯底的各歐姆接觸層31和頂層的歐姆接觸層32，在圖1實(shí)施例中，頂層即p型氮化鎵層30。但是應(yīng)該明白，在不包括p型氮化鎵層30的實(shí)施例中，歐姆接觸層32直接制備在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的p型鋁鎵氮層27上。
圖1還表明，在優(yōu)選實(shí)施例中，接觸32包括鈦和金的鍵合焊盤(pán)。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，用一層金(Au)重疊在薄層鈦(Ti)上形成接觸。在一優(yōu)選實(shí)施例中，用延伸穿過(guò)LED 20的頂表面較大部分的透明歐姆接觸33來(lái)完成基本接觸32，以幫助電流的分布并由此增加亮度。
對(duì)碳化硅襯底的優(yōu)選歐姆接觸包括鎳，但也可以包括其他合適金屬或如鎳-礬的金屬?gòu)?fù)合物。
當(dāng)在p-n結(jié)上加典型LED電流(例如10到40毫安)時(shí)，該p-n結(jié)由異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鋁鎵氮層27和異質(zhì)結(jié)構(gòu)24的氮化鎵有源層26形成，圖1所示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管將持續(xù)產(chǎn)生發(fā)射，其峰值波長(zhǎng)約為430納米(nm)，半極大值帶寬(bandwidth at half maximum)約為65nm。
圖2表示本發(fā)明的LED 40的稍微不同的實(shí)施例，在圖2中，襯底用41表示，緩沖層為42，但該實(shí)施例中包括絕緣緩沖層。正如前面提到的，緩沖層可以包括美國(guó)專(zhuān)利5393993中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)。即緩沖層42可以包括AlGaN層，其接近襯底41的地方基本為氮化鋁，然后隨鎵含量逐漸增加連續(xù)漸變，直到與圖2中43和圖1中的23所表示的n型氮化鎵層的地方即漸變層的上表面基本為氮化鎵為止。
圖2和優(yōu)選實(shí)施例中44所表示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括n型鋁鎵氮層45，它對(duì)應(yīng)圖1中說(shuō)明的層25；補(bǔ)償?shù)膎型氮化鎵有源層46，它對(duì)應(yīng)圖1中說(shuō)明的氮化鎵有源層26；和p型鋁鎵氮層47，它對(duì)應(yīng)圖1中說(shuō)明的層27。對(duì)應(yīng)圖1中說(shuō)明的層30的p型氮化鎵層50在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上，襯底的歐姆接觸51和二極管頂層的歐姆接觸52和53與圖1中說(shuō)明的31、32和33對(duì)應(yīng)。
但是如圖2所示，因?yàn)樵搶?shí)施例中的緩沖層42為絕緣層而不是導(dǎo)電層，必須在襯底上的歐姆接觸51和二極管頂層上的歐姆接觸52和53之間提供電流流動(dòng)的其他通道?？梢酝ㄟ^(guò)短路接觸54和55來(lái)制備該接觸，最好形成于鋁或鈦和鋁上，并提供到n型氮化鎵層43的歐姆接觸。在最優(yōu)選實(shí)施例中，這些短路接觸還包括56和57所示的部分，它們直接與n型碳化硅襯底接觸，并由鈦和鎳形成以便與碳化硅形成合適的歐姆接觸。
在另一方案中，本發(fā)明包括給發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管制備補(bǔ)償?shù)売性磳拥姆椒āＴ谠摲桨钢?，本發(fā)明包括把鎵、氮、硅和鋅的汽化源引入到化學(xué)汽相淀積系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括有適合在其上生長(zhǎng)氮化鎵的半導(dǎo)體襯底。維持足夠高的溫度以促進(jìn)鋅和硅補(bǔ)償?shù)壍耐庋由L(zhǎng)，但是低于氮化鎵的分解溫度。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，此溫度必須足夠高以給原子在外延生長(zhǎng)表面移動(dòng)提供所需的能量，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該溫度通常保持在約800℃到1050℃。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還應(yīng)該明白，氣體流速和具體溫度通常取決于所用系統(tǒng)，因此不同于這里所采用的特定溫度也在本發(fā)明的方法方案之內(nèi)，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員不經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)就可以很容易地根據(jù)具體的化學(xué)汽相淀積(“CVD”)系統(tǒng)來(lái)決定溫度。
關(guān)于另一個(gè)限制因素，最好將溫度維持在低于外延層的表面形貌不適于在其上進(jìn)行進(jìn)一步的外延的溫度。
在優(yōu)選實(shí)施例中，引入鎵的汽化源的步驟包括引入三甲基鎵，(CH3)3Ga；引入氮的汽化源的步驟包括引入氨氣，NH3；引入鋅的汽化源的步驟包括引入二乙基鋅，(C2H5)2Zn；引入硅的汽化源的步驟包括引入硅烷，SiH4。優(yōu)選的鋁源(對(duì)AlGaN層)為三甲基鋁，(CH3)3Al；當(dāng)引入鎂時(shí)，優(yōu)選源為雙環(huán)戊二乙基鎂，(C5H5)2Mg。
圖3是本發(fā)明的LED的SEM照片。該器件有約14mil×14mil的芯片尺寸，有10mil×10mil的臺(tái)階部分。襯底約7或8mil厚，n-GaN層(即圖1中的23或圖2中的43)約3微米厚，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的層(n-AlGaN、CaN、和p-AlGaN)各約1000埃厚。頂層GaN(即圖1中的30和圖2中的50)約4000埃厚。
圖4-14示出了組成本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)二極管的各層的不同性能。圖4表示根據(jù)本發(fā)明的形成在碳化硅襯底上的氮化鎵雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的光譜響應(yīng)與工作電流的關(guān)系。圖4所示的測(cè)量在四個(gè)不同的電流下進(jìn)行，從10到40毫安(mA)。峰值發(fā)射波長(zhǎng)為430納米(nm)，半極大值帶寬約為60納米，這是硅和鋅補(bǔ)償?shù)売性磳拥奶卣鳌?br> 圖5表示本發(fā)明的發(fā)光二極管的功率輸出和外量子效率與工作電流之間的關(guān)系。在例如LED正常工作電流下(即約20毫安)，輸出約為850毫瓦，對(duì)應(yīng)的外量子效率約1.5％。
圖6表示在碳化硅襯底上的不同組分的鋁鎵氮的室溫光致發(fā)光、為比較還包括了純氮化鎵層的光致發(fā)光。在室溫下測(cè)量的清晰明確的峰表明這些層的晶體質(zhì)量高。這些光致發(fā)光測(cè)量是用325納米波長(zhǎng)的10毫瓦的氦/鎘激光器激發(fā)的。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明制備在碳化硅襯底上的n型氮化鎵上的歐姆接觸的電流電壓特性。優(yōu)選歐姆接觸金屬為鋁，它對(duì)于約1018m-3施主濃度的n型氮化鎵層有約10-5hm-cm2的接觸電阻。
圖8是類(lèi)似的電流電壓特性圖，表示據(jù)本發(fā)明制備在碳化硅襯底上的p型氮化鎵上的歐姆接觸的電流電壓特性。優(yōu)選歐姆接觸金屬為鈦和金的合金，它對(duì)于約6E17 p型受主濃度的氮化鎵層有約10-2ohm-cm2的接觸電阻。
圖9是本發(fā)明的在碳化硅襯底上的氮化鎵雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的電流電壓(I-V)曲線。在反偏時(shí)沒(méi)有探測(cè)到漏電流。在正偏下，LED在約2.7伏特開(kāi)始導(dǎo)通，在20毫安的典型電流下工作電壓約為3.7伏。
圖10表示碳化硅上摻鎂p型氮化鎵的室溫光致發(fā)光。對(duì)凈摻雜受主濃度為6E17的層，發(fā)光峰出現(xiàn)在約435納米。
圖11是霍爾效應(yīng)數(shù)據(jù)的部分對(duì)數(shù)圖，表示n型氮化鎵的載流子濃度和電阻率與溫度的關(guān)系，溫度繪制成溫度的倒數(shù)。圖11中測(cè)量的層用硅摻雜到室溫施主濃度約為1.4E18且電阻率為0.06ohm-cm。
圖12對(duì)應(yīng)圖11中相同的層的數(shù)據(jù)，但表示該層的遷移率。室溫下該層的遷移率約為300cm2/V.s，這樣的摻雜水平仍有這樣高的遷移率表明層的質(zhì)量高。
圖13是霍爾效應(yīng)數(shù)據(jù)圖，表示摻鎂氮化鎵的受主濃度和電阻率與溫度(圖中為倒數(shù))的關(guān)系。室溫下該層的凈受主濃度約為6E17且電阻率約為1.3ohm-cm。
圖14對(duì)應(yīng)圖13中相同的層的遷移率數(shù)據(jù)，表示出室溫該層的遷移率約為8cm2/V.s，這是p型氮化鎵的典型遷移率值。
在附圖和說(shuō)明書(shū)中，公開(kāi)了本發(fā)明的典型優(yōu)選實(shí)施例，盡管使用了一些具體術(shù)語(yǔ)，但它們僅僅是為了說(shuō)明，并非為了進(jìn)行限制，本發(fā)明的范圍限制在下面的權(quán)利要求書(shū)中。
權(quán)利要求
1.發(fā)光二極管的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；具有相反導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層；在所述鋁鎵氮層之間的氮化鎵有源層，所述氮化鎵層用II族受主和IV族施主一起摻雜，其中一種摻雜劑的量足以使所述氮化鎵有源層有明確導(dǎo)電類(lèi)型，所述有源層與有相反導(dǎo)電類(lèi)型的相鄰鋁鎵氮層形成p-n結(jié)。
2.如權(quán)利要求1的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征為所述氮化鎵層為n型，所述II族受主為鋅，所述IV族施主為硅。
3.發(fā)光二極管的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括p型鋁鎵氮層；n型鋁鎵氮層；在所述鋁鎵氮層之間的n型氮化鎵層，所述氮化鎵層用鋅和硅一起摻雜，并與所述p型鋁鎵氮層形成p-n結(jié)。
4.一種能發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，包括襯底；在所述襯底上的緩沖層；及在所述緩沖層上的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括n型鋁鎵氮層；在所述n型鋁鎵氮層上的補(bǔ)償n型氮化鎵有源層；及在所述氮化鎵層上的p型鋁鎵氮層，所述p型鋁鎵氮層和所述n型有源層形成p-n結(jié)。
5.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，還包括與所述襯底和所述p型鋁鎵氮層各自的歐姆接觸。
6.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，還包括在所述緩沖層上的n型氮化鎵外延層，其中所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的所述n型鋁鎵氮層在所述n型氮化鎵外延層上。
7.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，還包括在所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的所述p型鋁鎵氮層上的p型氮化鎵層；及與所述p型氮化鎵層的歐姆接觸。
8.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述襯底包括導(dǎo)電碳化硅。
9.如權(quán)利要求3或4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征為所述n型鋁鎵氮層有AlxGa1-xN的形式，其中1＞x＞0；所述p型鋁鎵氮層有AlxGa1-xN的形式，其中1＞x＞0。
10.如權(quán)利要求9的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征為x約為0.1。
11.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述氮化鎵層用鋅和硅同時(shí)摻雜。
12.如權(quán)利要求3或4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述n型氮化鎵層有約1E18到4E18的凈摻雜濃度；p型氮化鎵層有約1E19的凈摻雜濃度；n型鋁鎵氮層有約2E18的凈摻雜濃度。
13.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述緩沖層包括第一氮化鎵和氮化鋁層；鄰近所述第一層的第二氮化鎵和氮化鋁層，其中所述第二層中氮化鋁的摩爾百分比與所述第一層中氮化鋁的摩爾百分比大不相同。
14.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述緩沖層包括鋁鎵氮漸變層，在襯底處基本全部為氮化鋁，然后隨鎵含量增加連續(xù)漸變，直到在所述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)處在其上表面基本全部為氮化鎵為止。
15.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述緩沖層包括導(dǎo)電層，它選自氮化鎵；氮化鋁；氮化銦；AxB1-xN形式的三元III族氮化物，其中A和B為III族元素，x為0、1、或0與1之間的小數(shù)；AxByC1-x-yN形式的四元III族氮化物，其中A、B和C為III族元素，x和y為0、1、或0與1之間的小數(shù)，且(x+y)小于等于1；和碳化硅與這些三元、四元III族氮化物的合金。
16.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述緩沖層包括在所述襯底上的第一層，它由漸變組分的碳化硅鋁鎵氮形成，其中鄰近襯底的部分基本為純碳化硅，而離襯底最遠(yuǎn)的部分基本為純鋁鎵氮，在中間的是從碳化硅到鋁鎵氮的連續(xù)漸變部分；在所述第一層上由漸變組分鋁鎵氮形成的第二層。
17.如權(quán)利要求3或4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述氮化鎵有源層是II族受主和IV族施主補(bǔ)償?shù)?，II族受主選自鋅、鈣、鎂，IV族施主選自硅、鍺或碳。
18.如權(quán)利要求4的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征為所述緩沖層絕緣，還包括在所述襯底與所述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的短路接觸。
19.一種給發(fā)射可見(jiàn)光譜的蘭光部分的發(fā)光二極管制備補(bǔ)償n型氮化鎵有源層的方法，包括把鎵、氮、硅、鋅的汽化源引入到化學(xué)汽相淀積系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括有適合在其上生長(zhǎng)氮化鎵的半導(dǎo)體襯底；及同時(shí)維持足夠高的溫度以促進(jìn)鋅和硅補(bǔ)償?shù)壍耐庋由L(zhǎng)，但是該溫度低于氮化鎵的分解溫度。
20.如權(quán)利要求19的方法，其特征為溫度必須保持低于外延層的表面形貌不容許在其上進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長(zhǎng)的溫度。
21.如權(quán)利要求19的方法，其特征為引入鎵的汽化源的步驟包括引入三甲基鎵；引入氮的汽化源的步驟包括引入氨氣；引入鋅的汽化源的步驟包括引入二乙基鋅；引入硅的汽化源的步驟包括引入硅烷。
全文摘要
發(fā)光二極管的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),包括:具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層;具有相反導(dǎo)電類(lèi)型的鋁鎵氮層;和在鋁鎵氮層之間的氮化鎵有源層,氮化鎵層用Ⅱ族受主和Ⅳ族施主一起摻雜,其中一種摻雜劑的量足以使氮化鎵層有明確導(dǎo)電類(lèi)型,有源層與有相反導(dǎo)電類(lèi)型的相鄰鋁鎵氮層形成p－n結(jié)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1190491SQ96193819
公開(kāi)日1998年8月12日 申請(qǐng)日期1996年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月8日
發(fā)明者約漢·亞當(dāng)·埃德蒙德, 康華雙 申請(qǐng)人:克里研究公司