具有无镓层的III族氮化物发光器件制造技术

本发明专利技术是用于发光器件的半导体结构，该发光器件能够发射电磁光谱的红色光到紫外光部分的光。该半导体结构包括：ＩＩＩ族氮化物的第一覆盖层、ＩＩＩ族氮化物的第二覆盖层和位于第一和第二覆盖层之间的ＩＩＩ族氮化物的有源层，有源层的带隙比第一和第二覆盖层的各自的带隙都小。该半导体结构的特征在于在这些结构层的一个或者多个层中不含镓。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光器件的半导体结构，尤其是由III族氮化物形成的发光二极管和激光二极管，这些器件能够发射电磁光谱中红色到紫外部分的光。
技术介绍
光子半导体器件分为三个类别将电能转化为光辐射的器件(例如发光二极管和激光二极管)；检测光信号的器件(例如光电探测器)；将光辐射转化为电能的器件(例如光电池器件和太阳能电池)。尽管这三种器件都具有有用的应用，但是由于发光二极管应用于各种消费产品和场合，因此普遍认为它是最有用的。这里称为LEDs的发光器件(例如发光二极管和激光二极管)是将电能转化为发射光的光电p-n结半导体器件，也许最普遍的是，LEDs形成了用于许多消费产品(例如，声频系统、汽车、家用电子设备和计算机系统)中的各种信号、指示器、测量表和显示器的光源，该光源在电磁光谱的可见光部分。由于LEDs通常具有长的寿命、低的功率需求和高的可靠性，因此希望LEDs作为光输出器件。尽管普遍使用，LEDs在某种程度上功能也受到限制，因为给定的LED可以产生的颜色受限于用来制造LED的半导体材料的性质。如本领域及相关领域普通技术人员所公知的，由LED产生的光称为“电致发光这表示在施加的电压下由通过材料的电流产生光。产生电致发光的任何特定的成份都趋于在相对窄的波长范围内发光。给定的LED材料可以发射的光的波长受限于材料的物理特性，尤其是其带隙能量。带隙能量是分开半导体中较低能量价带和较高能量导带的能量的量。根据量子力学的公知原理，带是载流子(即电子或空穴)能够存在于其中的能量状态。“带隙”是导带和价带之间的禁止载流子的能量范围(即，载流子不存在于这些能量状态)。在某些情况下，当电子和空穴越过带隙复合时，它们将以光的形式发射能量。换句话说，给定的半导体材料可以产生的电磁辐射的频率(即颜色)是该材料的带隙能量的函数。在这一点上，较窄的带隙产生了较低的能量、较长波长的光子。反之，较宽的带隙材料产生较高的能量、较短波长的光子。蓝光具有较短的波长，因此具有比可见光谱中的其它颜色更高的频率。结果，必须由比产生绿色、黄色、橙色或红色的那些跃迁能量更大的跃迁产生蓝光。产生具有在可见光谱中的蓝色或紫外部分的波长的光子需要具有相对大带隙的半导体材料。整个可见光谱的范围从大约390nm的紫色到大约780nm的红色。因此，可以认为可见光谱的蓝色部分在大约425nm和480nm的波长之间延伸。相应的，大约425nm(接近紫色)和480nm(接近绿色)的波长分别代表大约2.9eV和大约2.6eV的能量跃迁。据此，至少具有大约2.6eV带隙的材料才能够产生蓝光。较短波长的器件除了颜色之外还提供了大量的好处。尤其是，当用于光存储器件和存储器时，例如CD-ROM光盘，较短的波长能使这种存储器件明显保存更多的信息。例如，在与使用红光的存储器件一样的空间中，使用蓝光存储信息光学器件实质上能够保存更多的信息。发光二极管工作的基本机制在本领域是公知的，并且例如在Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd Edition(1981)的第681-703页描述了上述机制。本专利申请的共同受让人是本领域第一个成功开发商业上可行的LEDs的人，该LEDs发射蓝色光谱中的光，并且能够在商业上大量生产。这些LEDs形成在碳化硅宽带隙半导体材料中。在Edmond的美国专利Nos.4,918,497和5,027,168、专利技术名称为“Blue Light EmittingDiode Formed in Silicon Carbide”中描述了这种蓝色LEDs的例子。在共同转让的美国专利Nos.5,523,589；5,592,501和5,739,554中描述了III族氮化物LED结构和激光结构的其它例子。除了碳化硅，蓝色发光器件的候选材料是氮化镓(GaN)和与其相关的III族(即，周期表的III族)氮化物化合物，例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和在一些情况下的氮化铝铟镓(AlInGaN)。由于这些材料在室温提供了直接能量跃迁，带隙在大约1.9至大约6.2eV之间，这些材料由其引人注意。更普通的半导体材料例如硅、磷化镓或砷化镓不适用于产生蓝光，因为它们的带隙大约为2.26eV或更小，对于硅的情况，它是间接半导体和效率低的光发射器。如那些对LEDs和电子跃迁熟悉的人员所知道的，当价带顶和导带底具有相同的动量态时，在半导体中出现直接跃迁。这意味着晶体动量在电子和空穴复合过程中守衡，使跃迁产生的能量能主要且有效地成为光子(即产生光而不是热)。当导带底和价带顶不具有相同的动量态时，需要声子(即振动能量的量子)保存晶体动量，该跃迁称为“间接的”。对第三粒子即声子的需要使间接辐射跃迁可能更少，从而减小了器件的发光效率。总的来说，在直接带隙材料中形成的LED将比在间接带隙材料中形成的LED更有效地工作。因此，III族氮化物的直接跃迁特性为比来自间接材料例如碳化硅的发射更亮和更有效的发射提供了潜在可能，因此提供了更亮和更有效的LEDs。据此，在前十年中大量的兴趣还集中在在氮化镓和相关的III族氮化物中制造发光二极管。尽管III族氮化物在宽的带隙能量范围内提供了直接跃迁，但该材料存在一系列特定的制造方面的技术问题。具体地说，还没有出现商业上可行的技术来制造氮化镓(GaN)体单晶，该氮化镓(GaN)体单晶能够作为氮化镓外延层的适当衬底，在氮化镓外延层上将形成光电器件。所有的半导体器件都需要某种类型的结构衬底。一般来说，由与有源区一样的材料形成的衬底提供了显著的优点，尤其在晶体生长和晶格匹配方面。由于氮化镓仍然必须形成在这种体单晶中，因此，氮化镓光电器件必须形成在非GaN衬底上的外延层中。近来在III族氮化物衬底领域中的工作包括共同未审和共同转让的1999年7月27日申请的美国专利申请序列号Nos.09/361,945、专利技术名称为“Growth of Bulk Single Crystals of Aluminium Nitride”，1999年7月27日申请的09/361944、专利技术名称为“Growth of Bulk SingleCrystals of Aluminium Nitride from a Melt1999年7月7日申请的09/111,413、专利技术名称为“Growth of Bulk Single Crystals of AluminiumNitride”，和1998年10月9日申请的09/169,385、专利技术名称为“Growthof Bulk Single Crystals of Aluminium NitrideSilicon CarbideAlloys”。所有这些未审申请这里全文引入作为参考。然而，使用不同的衬底会引起另外的一系列问题，大部分在晶格匹配方面。在几乎所有的情况下，不同材料具有不同的晶格参数。结果，当在不同的衬底上生长氮化镓外延层时，将出现一些晶格不匹配和热膨胀系数不匹配。得到的外延层涉及由这种不匹配而产生的“应变”。晶格不匹配，它们产生的应变会引起晶体缺陷的潜在可能。结果影响晶体和结的电子特性，这样趋于降低光电器件的性能。这些缺陷在高功率结构中更成问题。在早期的III族氮化物LEDs中，用于氮化镓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于发光器件的半导体结构（１０），该发光器件能够发射电磁光谱的红光至紫外光部分的光，所述结构（１０）包括：Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的第一覆盖层（１１），其中０≤ｘ≤１且０≤ｙ≤１且（ｘ＋ｙ）≤１；Ａｌ↓［ｘ ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的第二覆盖层（１２），其中０≤ｘ≤１且０≤ｙ≤１且（ｘ＋ｙ）≤１；和Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ的有源层（１３），其中０≤ｘ≤１且０≤ｙ≤１且０≤（ｘ＋ｙ）≤１，所述有源层（１３）位 于所述第一覆盖层（１１）和所述第二覆盖层（１２）之间；其中所述第一和第二覆盖层（１１－１２）具有各自的带隙，每个所述带隙比有源层（１３）的带隙大；和其中选自所述第一覆盖层（１１）、所述第二覆盖层（１２）和所述有源层（１３）的至少一个 层的特征在于不含有镓。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2000-11-3 09/706,0571.一种用于发光器件的半导体结构(10)，该发光器件能够发射电磁光谱的红光至紫外光部分的光，所述结构(10)包括AlxInyGa1-x-yN的第一覆盖层(11)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；AlxInyGa1-x-yN的第二覆盖层(12)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且(x+y)≤1；和AlxInyGa1-x-yN的有源层(13)，其中0≤x≤1且0≤y≤1且0≤(x+y)≤1，所述有源层(13)位于所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)之间；其中所述第一和第二覆盖层(11-12)具有各自的带隙，每个所述带隙比有源层(13)的带隙大；和其中选自所述第一覆盖层(11)、所述第二覆盖层(12)和所述有源层(13)的至少一个层的特征在于不含有镓。2.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)主要由AlxIn1-xN构成，其中0＜x≤1，其特征在于不含有镓。3.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述第二覆盖层(12)主要由AlxIn1-xN构成，其中0＜x≤1，其特征在于不含有镓。4.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)具有相反的导电类型；和所述有源层(13)主要由AlxIn1-xN构成，其中0≤x＜1，其特征在于不含有镓。5.根据权利要求1的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)具有第一表面(14)和第二表面(15)，所述有源层(13)的所述第一表面(14)与所述第一覆盖层(11)接触，且所述有源层(13)的所述第二表面(15)与所述第二覆盖层(12)接触。6.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)的特征在于不含有镓。7.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述第二覆盖层(12)的特征在于不含有镓。8.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)的特征在于不含有镓。9.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)是掺杂的。10.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述有源层(13)是未掺杂的。11.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)和所述第二覆盖层(12)具有相反的导电类型。12.根据权利要求1-5任何一个的半导体结构(10)，还包括碳化硅衬底(17)；其中所述第一覆盖层(11)位于所述碳化硅衬底(17)和所述有源层(13)之间；和其中所述碳化硅衬底(17)和所述第一覆盖层(11)具有相同的导电类型。13.根据权利要求12的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)与所述第一覆盖层(11)接触，与所述有源层(13)相对。14.根据权利要求13的半导体结构(10)，其中所述第一覆盖层(11)具有第一表面(21)和第二表面(22)，所述第一覆盖层(11)的所述第一表面(21)与所述碳化硅衬底(17)接触，且所述第一覆盖层(11)的所述第二表面(22)与所述有源层(13)接触；和其中所述第一覆盖层(11)的成份逐渐变化，使得在所述第一覆盖层(11)的所述第一表面(21)处的晶格与所述碳化硅(17)的晶格更紧密地匹配，且所述第一覆盖层(11)的所述第二表面(22)处的晶格与所述有源层(13)的晶格更紧密地匹配。15.根据权利要求12的半导体结构(10)，其中所述碳化硅衬底(17)是单晶。16.根据权利要求12的半导体结构(10)，其中所述碳化硅(17)是选自3C、4H、6H和15R的一种多型体。17.根据权利要求12的半导体结构(10)，其中所述碳化硅(17)是选自3C、4H、6H和15R的一种多型体的单晶碳化硅衬底(17)。18.根据权利要求12的半导体结构(10)，还包括选自氮化镓和氮化铟镓的不连续晶体部分(28)，所述不连续晶体部分(28)位于所述第一覆盖层(11)和所述碳化硅衬底(17)之间，所述不连续晶体部分(28)以足够的量存在以减小所述第一覆盖层(11)和所述碳化硅衬底(17)之间的势垒，但小于对任何得到的形成在所述碳化硅衬底(17)上发光器件有不利影响的量。19.根据权利要求12的半导体结构(10)，还包括第一欧姆接触(25)，其中所述碳化硅衬底(17)位于所述第一欧姆接触(25)和所述第一覆盖层(11)之间；和第二欧姆接触(26)，其中所述第二覆盖层(12)位于所述第二欧姆接触(26)和所述有源层(13)之间。20.根据权利要求19的半导体结构(10)，其中所述第一和第二欧姆接触(25-26)包括选自铝、镍、钛、金、铂和钒，及其混合物，层和合金的至少一个金属。21.根据权利要求19的半导体结构(10)，还包括III族氮化物接触层(27)，其中所述接触层(27)位于所述第二欧姆接触(26)和所述第二覆盖层(12)之间，且所述接触层(27)和所述第二覆盖层(12)具有相同的导电类型。22.根据权利要求21的半导体结构(10)，其中所述接触层(27)是p型接触层(27)，由选自氮化镓；氮化铟；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＜...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA爱德蒙德，KM德弗斯派克，孔华双，MJ博格曼，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]