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CN102341887A - 包含硼的iii族氮化物发光器件 - Google Patents

包含硼的iii族氮化物发光器件 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例包含一种III族氮化物半导体结构，其包括布置在n型区域（14）和p型区域之间的发光区域（16）。发光区域（18）中的至少一个层为Bx(InyGa1-y)1-xN。在一些实施例中，x小于14%。在一些实施例中，BN组份选择为使得Bx(InyGa1-y)1-xN层与可比较的InGaN层具有相同的带隙能量，其体晶格常数等于或小于可比较的InGaN层。

Description

包含硼的III族氮化物发光器件
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的领域，并且更具体地涉及III族氮化物发光器件。
背景技术
包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边发射激光器的半导体发光器件属于目前可获得的最高效光源。在制造能够跨越可见光谱操作的高亮度发光器件中当前感兴趣的材料体系包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也称为III族氮化物材料。典型地，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术，通过在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物、复合物或者其它合适衬底上外延生长不同组份和掺杂剂浓度的半导体层叠层来制作III族氮化物发光器件。该叠层经常包括在衬底上方形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在所述一个或多个n型层上方形成的有源区域中的一个或多个发光层、以及在所述有源区域上方形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。在n型和p型区域上形成电接触。
经常在蓝宝石或SiC衬底上生长III族氮化物器件。在常规器件中，在衬底上生长n型GaN区域，接着是InGaN有源区域，接着是AlGaN或GaN p型区域。非III族氮化物衬底和III族氮化物层之间的晶格常数差异以及不同组份的III族氮化物层之间的晶格常数差异造成器件内的应变。由于晶格失配引起的应变能可以造成InGaN有源区域的缺陷和分解，这会造成不良器件性能。由于应变能是InGaN发光层组份（其确定应变的量）以及发光层厚度这二者的函数，在常规III族氮化物器件中厚度和组份二者受限制。
Ougazzaden等人的Bandgap bowing in BGaN thin films（BGaN薄膜中的带隙弯曲）, Applied Physics Letters 93, 083118 (2008)进行了关于“thin films of BxGa1-xN grown on AlN/sapphire substrates using metal-organic vapor phase epitaxy”（使用金属有机气相外延在AlN/蓝宝石衬底上生长的BxGa1-xN薄膜）的报道。例如参考摘要。“三元和四元氮化物层对于基于GaN的光电子器件的带隙工程是重要的。引入“轻”元素的硼可以在原理上补偿基于InGaN的发光器中由高份额的‘重’铟引起的应变，并且可以为在AlN和SiC衬底上生长的BGaN提供晶格匹配”。例如参考Ougazzaden等人的第1页第1栏的第1段。
发明内容
本发明的目的是提供一种III族氮化物器件，其中发光区域中的至少一个层包括硼。本发明的实施例包括一种III族氮化物半导体结构，其包括布置在n型区域和p型区域之间的发光区域。发光区域中的至少一个层为Bx(InyGa1-y)1-xN。所述Bx(InyGa1-y)1-xN层具有带隙能量和体晶格常数，该体晶格常数对应于与Bx(InyGa1-y)1-xN发光层具有相同组份的弛豫层的晶格常数。与Bx(InyGa1-y)1-xN层具有相同带隙能量的InGaN层具有对应于与InGaN层具有相同组份的弛豫层的晶格常数的体晶格常数。Bx(InyGa1-y)1-xN层的体晶格常数小于InGaN层的体晶格常数。
附图说明
图1说明根据本发明的实施例的III族氮化物发光器件的一部分。
图2、3和4为对于根据本发明的实施例的III族氮化物器件的多个部分，理想带隙能量与位置的函数的曲线图。
图5为铝、硼、镓、铟和氮的二元、三元和四元合金的带隙能量与晶格常数的函数的曲线图。
图6为以倒装芯片配置安装在底座上的III族氮化物器件的一部分的截面视图。
图7为经封装的发光器件的分解视图。
图8为与GaN晶格匹配的BInGaN层的BN组份与InN组份的函数的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，硼被包含到III族氮化物器件的一个或多个层内。将硼包含到III族氮化物器件的层内，特别是器件的有源区域内，可以减小器件内的应变，这可以提高器件的性能。
图1说明本发明的实施例。在合适的生长衬底10上方生长第一单晶层12。第一单晶层12确定其上方生长的所有III族氮化物层的晶格常数。第一单晶层12的组份和生长条件可以确定晶格常数。有源或发光区域16在第一单晶层12上方生长，夹置于n型区域14和p型区域18之间。
n型区域14和第一单晶层12可包括不同组份和掺杂剂浓度的多个层，该多个层例如包括在第一单晶层12之前或之后生长的诸如缓冲层或成核层的准备层（其可以是n型的或者非故意掺杂的）、设计成有利于随后释放生长衬底或者在衬底移除之后减薄半导体结构的释放层、以及针对使发光区域高效地发射光所期望的具体光学或电学属性所设计的n或者甚至p型器件层。在一些实施例中，最靠近生长衬底的n型区域14的一部分为在该器件内生长的第一单晶层，并且分离的第一单晶层12被略去。
在发光区域16上方生长p型区域18。与n型区域相似，p型区域可包括不同的组份、厚度和掺杂剂浓度的多个层，该多个层包括非故意掺杂的层或者n型层。
在n型区域14上方生长有源区域16。如下文所述，合适的发光区域的实例包括：单个厚或薄的发光层或者包括由势垒层分隔的多个薄或厚的量子阱发光层的多量子阱发光区域。例如，多量子阱发光区域可包括由势垒分隔的多个发光层，每个发光层具有25Å或更小的厚度，每个势垒的厚度为100Å或更小。
在一些实施例中，器件中每一个发光层的厚度厚于50Å。在一些实施例中，器件的发光区域是厚度介于50和600Å之间、更优选地介于100和400Å之间的单个厚发光层。最佳厚度可取决于发光层内缺陷的数目。发光区域内缺陷的浓度在一些实施例中被限制为小于109cm-2、在一些实施例中被限制为小于108cm-2、在一些实施例中被限制为小于107cm-2且在一些实施例中被限制为小于106cm-2。
在一些实施例中，器件中的至少一个发光层掺杂有诸如Si的掺杂剂，掺杂至介于1×1018cm-3和1×1020cm-3之间的掺杂剂浓度。Si掺杂可进一步减小发光层中的应变。在一些实施例中，所述一个或多个发光层是非故意掺杂的。
图2-4说明对于根据本发明实施例的发光器件的多个部分，理想带隙与位置的函数。所说明的带隙是理想的，并且因此仅仅为组份的函数。会使带隙图变形的实际器件中的效应（诸如极化）未在图2-4中说明。
在图2说明的器件中，有源区域16包含单个发光层。发光层可以是硼、铟、镓和氮的四元合金。对于发光层中的期望带隙，选择硼和铟组份，该带隙确定发射光的波长。n型区域14毗邻有源区域16的部分例如可以是GaN或InGaN。p型区域18毗邻有源区域16的部分例如可以是GaN、InGaN或AlGaN。n型区域14和p型区域18的组份被选择为使得n型区域14和有源区域16之间以及有源区域16和p型区域18之间的带隙的变化将电子和空穴充分地约束在有源区域内。有源区域16的发光层与紧邻有源区域的部分n和p型区域14和18的带隙能量之间的差异可以至少为kT的若干倍，所述kT在室温为0.026eV。例如，所述差异在一些实施例中可以为至少0.1eV，在一些实施例中至少为0.15eV。
在图3说明的器件中，有源区域16包括单个发光层，如上面参考图2所述。毗邻发光层的所述n型区域和所述p型区域其中之一或二者中的组份是渐变的。例如，n型区域14毗邻渐变区域14a的部分可以是GaN。在渐变区域14a中，组份可以从GaN渐变到InGaN，直到发光层16中的BInGaN组份。类似地，p型区域18毗邻渐变区域18a的部分可以是GaN。在渐变区域18a中，组份可以从发光层16中的BInGaN组份渐变到InGaN，直到GaN。在有源区域16任一侧上的组份分布无需如图3所说明是对称的，并且任何渐变区域无需是如图3所说明线性渐变。在一些实施例中，仅有源区域16的一侧上的组份是渐变的。在一些实施例中，如图3所说明的渐变区域与如图2中说明的组份台阶变化结合。例如，组份可以在渐变区域14a中从GaN渐变到InGaN，接着按照台阶变化从InGaN改变到有源区域16中的BInGaN组份。
在图4说明的器件中，有源区域16为多量子阱有源区域，其具有由一个或多个势垒层分隔的量子阱层。尽管在图4中示出三个量子阱层16a和两个势垒层16b，但更多或更少的量子阱层可以被包含在有源区域16中。量子阱16a可以是BInGaN，其中对于发光层中期望的带隙选择硼和铟组份。势垒层16b可以是GaN或者InGaN，该InGaN中的铟组份使其带隙大于量子阱16a中的带隙。备选地，量子阱16a可以是InGaN并且势垒层16b可以是BInGaN，该BInGaN中的硼和铟组份被选择为使其带隙大于量子阱16a中的带隙。
图4中说明的多量子阱有源区域可以与如上文在与图3相关文本中所描述的渐变组份n和/或p型区域结合。
器件中的III族氮化物层可以用晶格常数表征。如此处所使用，"面内"晶格常数指器件内的层的实际晶格常数。"体"晶格常数指给定组份的弛豫的自支撑材料的理想晶格常数。当层的面内和体晶格常数相同时，层是弛豫或者无应变的。层内的应变量限定为：应变=|ε|=|(a面内-a体)|/a体。尽管此方程涉及a晶格常数并且因此限定在c面纤锌矿内的应变，但在其它取向的纤锌矿层中，可以利用a晶格常数以外的晶格常数或者利用一种以上的晶格常数来测量应变。多个层对于一种晶格常数可以是晶格匹配的，并且对于另一晶格常数可以是有应变的。
在一些实施例中，BInGaN发光层内的组份被选择为具有匹配或者接近图1所示的第一单晶层12的面内晶格常数的体晶格常数。第一单晶层12经常为GaN，其面内a晶格常数约为3.189Å。
合金AxB1-xC的带隙Eg可以由下式来表达：
Eg ABC=xEg AC+(l-x)Eg BC+x(l-x)B，
其中B为带隙弯曲参数，该带隙弯曲参数描述带隙与组份线条的任何非零曲率。当弯曲参数为零时，带隙和组份之间的关系称为维加德（Vegard）定律关系。铝、铟、镓和氮的三元合金（即，不包含硼的合金）在低铟组份（例如，小于30% InN）具有典型地遵从维加德定律的体晶格常数。
图5为若干种III族氮化物合金的晶格常数与带隙能量的函数的曲线图。由线条24和26代表GaN以及铝、镓、铟和氮的三元合金。阴影区域20代表铝、镓、铟和氮的四元合金。尽管有可能生长如图5所说明的与GaN晶格匹配的AlGaInN合金，它们都具有大于GaN的带隙，使得它们对于紫外应用潜在地是有用的，但是对于在可见波长发射光的LED用处不大。对于比GaN窄的带隙，InGaN三元合金代表在给定晶格常数在铝、镓、铟和氮材料体系中可获得的最窄带隙。
假设纤锌矿氮化硼（BN）的带隙能量为5.5eV，虚线22a-22d说明不同带隙弯曲参数B的具有10% BN的硼、镓、铟和氮的四元合金。线条22a代表B=9eV，线条22b代表B=3eV，线条22c代表B=1eV，且线条22d代表B=0。不同于铝、镓、铟和氮合金（它们典型地表现出带隙和组份之间的维加德定律关系），硼、镓、铟和氮合金中的带隙弯曲参数B似乎非零，很可能高达9eV。然而如图5中线条22a-22d所说明，在比较小的硼组份，添加硼到InGaN层使带隙减小，并且可允许生长与GaN晶格匹配并且具有比GaN小的带隙的四元BInGaN层。
如图5所说明，添加BN到InGaN合金使晶格常数减小。在一些实施例中，硼被添加到器件的有源区域，从而减小有源区域的发光层内对于给定带隙能量的有源区域内的晶格常数。在一些实施例中，含硼层可以与GaN晶格匹配。这种组份在图5中通过虚线线条27来说明。当在GaN上生长时，在线条27右侧的硼、铟、镓和氮的四元合金处于受压中。当在GaN上生长时，在线条27左侧的硼、铟、镓和氮的四元合金承受拉力。在一些实施例中，器件中任意层内硼的量被限制，使得当在GaN上生长时，该层处于受压中。由线条26和27之间的三角形代表这种实施例中硼、铟、镓和氮的可能的四元合金。
例如，发射蓝光或者波长介于430和480nm之间的光的常规III族氮化物器件可具有InN组份例如介于10%和14%之间的InGaN发光层。一个实例中，In0.12Ga0.88N发光层具有3.23Å的体a晶格常数。这种器件中的发光层典型地在晶格常数约为3.189Å的GaN层上方生长，并且因此具有3.189Å的面内a晶格常数。这种器件的发光层中的应变量为发光层内的面内和体晶格常数之间的差除以体晶格常数，或者|(3.189Å-3.23Å)|/3.23Å×100%，约为1.23%。在本发明的一些实施例中，发射蓝色的器件中的至少一个发光层是BInGaN。该发光层中BN的数量选择为使得该发光层的带隙能量或发射颜色与上述常规发射蓝色的器件中的带隙能量或发射颜色相同，但是在发光层中具有更小的体晶格常数并且因此具有更小的应变。例如，发光层中BN的数量可以选择为使得应变在一些实施例中小于1%，在一些实施例中小于0.5%。添加到上述发射蓝色的InGaN发光层、形成组份为Bx(InyGa1-y)1-xN的发光层的BN组份x例如在一些实施例中可以是0<x≤0.1，在一些实施例中可以是0.06≤x≤0.08。
发射青色光或者波长介于480和520nm之间的光的常规III族氮化物器件可具有InN组份例如介于14%和18%之间的InGaN发光层。在GaN上生长的In0.16Ga0.84N发光层中应变的量约为1.7%。在本发明的一些实施例中，发射青色的器件中的至少一个发光层为BInGaN。该发光层中BN的数量可以选择为使得发光层的带隙或发射颜色相同，并且应变在一些实施例中小于1.5%，在一些实施例中小于1%。添加到上述发射青色的InGaN发光层而形成组份为Bx(InyGa1-y)1-xN的发光层的BN组份x例如在一些实施例中可以是0<x≤0.12，在一些实施例中可以是0.08≤x≤0.11。
发射绿色光或者波长介于520和560nm之间的光的常规III族氮化物器件可具有InN组份例如介于18%和22%之间的InGaN发光层。在GaN上生长的In0.2Ga0.8N发光层中应变的量约为2.1%。在本发明的一些实施例中，发射绿色的器件中的至少一个发光层为BInGaN。该发光层中BN的数量可以选择为使得发光层的带隙或发射颜色相同，并且应变在一些实施例中小于2%，在一些实施例中小于1%。添加到上述发射绿色的InGaN发光层而形成组份为Bx(InyGa1-y)1-xN的发光层的BN组份x例如在一些实施例中可以是0<x≤0.14，在一些实施例中可以是0.11≤x≤0.13。
在其中BN被包含在多量子阱器件的至少一个势垒层中的实施例中，BN的数量选择为使得势垒层中的带隙足够大以将载流子限制在发光层内，并且与势垒层中没有硼的器件相比，势垒层或发光层中的应变减小。图8为与GaN晶格匹配的BInGaN层的BN组份与InN组份的函数的曲线图。x轴代表(BN)y(InxGa1-xN)1-y合金所基于的InxGa1-xN组份。y轴代表(BN)y(InxGa1-xN)1-y合金中的BN组份。
根据本发明实施例的器件中任何含硼层中的BN的组份保持足够小，使得所述含硼层为纤锌矿层。在足够高的BN组份，III族氮化物层会变为闪锌矿。
在低压MOVPE反应室内以100%氮气作为载气，例如可以在c轴取向的蓝宝石衬底上生长的III族氮化物层上方生长BInGaN。三乙基硼、三甲基铟、三甲基镓和氨气可以用作前驱体。可以使用其它硼前驱体，诸如三甲基硼、硼烷、乙硼烷和硼金属。含硼氮化物的优化生长工艺在通过引用结合于此的A. Ougazzaden等人的J. Cryst. Growth 298, 428 (2007)中描述。
将BN包含到III族氮化物器件的一个或多个层中会是有利的。纤锌矿III族氮化物层表现出大的极化，所述极化包含自发分量和压电分量，所述自发分量为温度和组份的函数，所述压电分量为层中的应变的函数。在不同组份的多个层之间界面处的极化不连续导致极化引起的薄层电荷和电场。添加BN例如可以通过减小界面处的应变，从而相对于GaN/InGaN界面减小了在GaN/BInGaN界面处的极化不连续。在根据一些实施例的n-GaN/BInGaN发光层/p-GaN双异质结中，选择恰当BN组份可允许应变、带隙能量和极化至少部分地解耦，使得任何两项可以以第三项为代价而任意设置。在常规GaN/InGaN/GaN异质结中，应变、带隙能量和极化中的仅仅一种可以独立地改变。通过添加BN减小器件中的应变可允许生长更高InN组份的更厚有源区域。
上文说明和描述的半导体结构可以被包含在任意合适配置的发光器件中，诸如接触在器件的各相对侧面上形成的器件或者两个接触在器件的同一侧面上形成的器件。当两个接触布置在同一侧面上时，该器件或者可以形成有透明接触并且安装为使得光或者通过其上形成所述接触的同一侧面提取，或者可以形成有反射接触并且安装成倒装芯片，其中光从与其上形成所述接触的侧面相对的侧面提取。在光通过其上形成所述接触的表面提取的器件中，由于电流在p型III族氮化物材料中的扩散不像在n型III族氮化物材料中扩散那么容易，该接触可包含在薄的透明的电流扩散层上方形成的小的厚的吸收金属键合焊盘。该电流扩散层例如可以是薄层的Ni和/或Au、铟锡氧化物、Cu掺杂的InO、ZnO、Ga掺杂的ZnO或者任何其它合适的掺杂的透明氧化物。
图6说明一种合适配置的生长衬底已经移除的倒装芯片器件的一个实例的一部分。p型区域18和发光区域16的一部分被移除以形成露出n型区域14的一部分的台面。尽管在图6中示出露出n型区域14的一个通孔，但应当理解的是在单个器件内可以形成多个通孔。例如通过蒸镀或电镀在n型区域14和p型区域18的露出部分上形成n和p-接触44和42。接触42和44可以通过空气或电介质层彼此电隔离。
在形成接触金属42和44之后，器件的晶片可以切割成单独的器件，随后每个器件可以相对于生长方向被翻转并且安装在底座40上，这种情况下底座40可具有比器件大的横向伸展。备选地，器件的晶片可以连接到底座晶片，随后切割成单独器件。底座40例如可以是诸如Si的半导体、金属、或者诸如AlN的陶瓷，并且可具有电连接到p接触42的至少一个金属焊盘（未示出）和电连接到n接触44的至少一个金属焊盘（未示出）。诸如焊料或金柱凸点的互连（未示出）将半导体器件连接到底座40。金属间电介质可以在底座40上或内形成从而将p型和n型电流路径电隔离。
在安装之后，通过诸如蚀刻或激光熔化的适合于衬底材料的工艺移除生长衬底。例如，牺牲半导体层（未示出）可以被选择性蚀刻以剥离衬底。刚性底填料可以在安装之前或之后被提供在器件和底座40之间，以支撑半导体层并且防止在衬底移除期间破裂。在移除衬底之后可以通过减薄来移除一部分半导体结构。例如，第一单晶层12可保留在成品器件中，如图6所示，或者它们可以通过减薄被移除。例如通过诸如光电化学蚀刻的蚀刻工艺或者通过诸如研磨的机械工艺，可以粗糙化半导体结构的露出的表面。从中提取光的表面经粗糙化可以提高从器件的光提取。备选地，光子晶体结构可以在通过移除生长衬底而露出的半导体结构的顶表面中形成。诸如磷光体层或者本领域中已知的二次光学元件（诸如二向色元件或偏振器）的结构30可以应用到发射表面。
图7为如在美国专利6,274,924中更详细描述的经封装发光器件的分解视图。热沉嵌条100安置在插入成型的引线框内。所述插入成型引线框例如是在提供电学路径的金属框架106周围成型的填充塑料材料105。嵌条100可包含可选的反射杯102。发光器件管芯104（其可以是在上面实施例中描述的器件中的任意一个）直接地或经由导热次底座103间接地安装到嵌条100。可以添加覆盖件108，该覆盖件可以是光学透镜。
已经详细描述了本发明，鉴于本公开内容，本领域技术人员将理解，可以对本发明进行改进而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，并不旨在将本发明的范围限制于所说明和描述的特定实施例。

Claims (12)

1.一种结构，该结构包括：
III族氮化物半导体结构，其包括布置在n型区域和p型区域之间的发光区域，其中：
该发光区域中的至少一个层为Bx(InyGa1-y)1-xN；
所述Bx(InyGa1-y)1-xN层具有带隙能量和体晶格常数，所述体晶格常数对应于与Bx(InyGa1-y)1-xN发光层具有相同组份的弛豫层的晶格常数；
与所述Bx(InyGa1-y)1-xN层具有相同带隙能量的InGaN层具有对应于与该InGaN层具有相同组份的弛豫层的晶格常数的体晶格常数；并且
所述Bx(InyGa1-y)1-xN层的体晶格常数小于所述InGaN层的体晶格常数。
2.权利要求1的结构，其中0<x≤0.14。
3.权利要求1的结构，其中0<x≤0.1。
4.权利要求1的结构，其中所述至少一个Bx(InyGa1-y)1-xN为发光层。
5.权利要求4的结构，其中0.06≤x≤0.08并且0.1≤y≤0.14。
6.权利要求4的结构，其中0.08≤x≤0.11并且0.14≤y≤0.18。
7.权利要求4的结构，其中0.11≤x≤0.13并且0.18≤y≤0.22。
8.权利要求1的结构，其中：
所述发光区域包括由势垒层分隔的至少两个量子阱发光层；并且
所述至少一个Bx(InyGa1-y)1-xN为势垒层。
9.权利要求1的结构，其中与所述发光区域直接接触的所述n型区域和p型区域其中之一的至少一部分具有渐变组份。
10.权利要求1的结构，还包括电连接到所述n型和p型区域的第一和第二电接触。
11.权利要求1的结构，其中所述Bx(InyGa1-y)1-xN层与GaN晶格匹配。
12.权利要求1的结构，其中所述Bx(InyGa1-y)1-xN层处于受压中。
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