專利名稱：帶具有變化的阱厚度的多量子阱結(jié)構(gòu)的基于iii族氮化物的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件及用于其的制造方法，并且更具體地，本發(fā)明涉及可以在諸如發(fā)光二極管(LED)之類的III族氮化物半導(dǎo)體器件中使用的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)被廣泛地使用在消費(fèi)者應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用中。LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)帶來了能夠覆蓋可見光譜以及超過可見光譜的光譜的非常有效率且機(jī)械方面穩(wěn)健的光源。與固態(tài)器件的長使用壽命相結(jié)合，這些屬性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種新的顯示應(yīng)用，并且已經(jīng)甚至導(dǎo)致了 LED在一般照明應(yīng)用中使用從而可能代替白熾燈和熒光燈。如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的，發(fā)光二極管通常包括有源區(qū)域，該有源區(qū)域由具有合適的帶隙的材料制造，使得電子-空穴的重新組合在電流流過器件時(shí)產(chǎn)生了光。特別地，III族氮化物材料系統(tǒng)中的材料如GaN、InGaN, AlGaN, InAlGaN等已經(jīng)被證明對(duì)于以相對(duì)高的效率產(chǎn)生藍(lán)光、綠光和紫外光是有用的。基于III族氮化物的LED可以在生長襯底(如碳化硅襯底)上制造，以提供水平器件(在LED的同一側(cè)上具有兩個(gè)電接觸)或豎直器件(在LED的相反側(cè)上具有電接觸)。另夕卜，生長襯底可以在制造后保持在LED上，或者被去除(例如，通過蝕刻、研磨、拋光等)。生長襯底可以被去除以便例如減小產(chǎn)生的LED的厚度和/或減小通過豎直LED的正向電壓。水平器件(具有生長襯底或者不具有生長襯底)例如可以是倒裝式鍵合(例如，使用焊料)于載體襯底或印刷電路板，或者通過引線鍵合。豎直器件(具有生長襯底或者不具有生長襯底)可以具有焊料鍵合于載體襯底或印刷電路板的第一端子和引線鍵合于載體襯底或印刷電路板的第二端子。針對(duì)改善基于III族氮化物的器件的光輸出的嘗試已包括提供器件的有源區(qū)域的不同構(gòu)型。這種嘗試?yán)缫寻▽?duì)單個(gè)和/或兩個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)有源區(qū)域的使用。類似地，也已經(jīng)制造了具有一種或多種III族氮化物量子阱的量子阱器件。盡管這種嘗試已經(jīng)改善了基于III族氮化物的器件的效率，但仍然可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善。特別地，III族氮化物器件已經(jīng)經(jīng)歷過的一個(gè)問題是電流下降的問題，這指的是光輸出隨著電流強(qiáng)度達(dá)到某一點(diǎn)而增大、然后開始穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，器件效率可能在較高的電流處降低。盡管不受任何特定理論的限制，但當(dāng)前認(rèn)為，電流下降可能是一個(gè)或若干因素的結(jié)果，這些因素包括空穴注射飽和和/或在較高的器件電流處無效率地(即，不產(chǎn)生光)電子-空穴重新組合。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一些實(shí)施例的基于III族氮化物的發(fā)光二極管包括基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層、基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層、以及在基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層上的基于III族氮化物的有源區(qū)域。有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱。所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層。第二阱層在基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與第一阱層之間，并且第二厚度大于第一厚度。根據(jù)一些實(shí)施例的發(fā)光二極管可以響應(yīng)于被激勵(lì)而發(fā)射特征在于小于大約30 nm的半峰全寬(FWHM)的光譜純度的光。在一些實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約20 nm的FWHM的光譜純度。在另外的實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約15 nm的FWHM的光譜純度，并且在又一些實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約10 nm的FWHM的光譜純度。在一些實(shí)施例中，第一阱層具有第一帶隙，第二阱層具有第二帶隙，并且第一帶隙可小于第二帶隙。第一阱層可以包括InxiGag1N，第二阱層可以包括Inx2Gag2N，其中X1>X2。 所述多個(gè)阱層可以具有隨著距基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的相應(yīng)厚度。另外，所述多個(gè)阱層具有隨著距基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的相應(yīng)帶隙。在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)阱層包括InxGai_xN，其中X與相應(yīng)的阱層的厚度成反比地變化。所述多個(gè)阱層具有與相應(yīng)的阱層的厚度成比例地變化的相應(yīng)帶隙。所述多個(gè)阱層包括InxGai_xN，其中0〈X〈1，并且所述多個(gè)阱層具有隨著距基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而增加的銦成分。所述多個(gè)阱層具有從阱層向阱層大致線性減小的厚度。所述多個(gè)阱層可以包括具有第一厚度的第一多個(gè)阱層和具有第二厚度的第二多個(gè)阱層。所述多個(gè)阱層可以包括具有第一厚度的第一多個(gè)阱層以及第二多個(gè)阱層，該第二多個(gè)阱層具有從第一厚度向第二厚度增大的厚度。第二多個(gè)阱層可以具有從第一厚度向第二厚度大致線性增大的厚度。第二多個(gè)阱層可以位于第一多個(gè)阱層與基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間。所述多個(gè)阱層可以包括第一多個(gè)阱層和具有第二厚度的第二多個(gè)阱層，所述第一多個(gè)阱層具有從第一厚度向第二厚度增大的厚度。第一多個(gè)阱層具有從第一厚度向第二厚度大致線性增大的厚度。第二多個(gè)阱層可以位于第一多個(gè)阱層與基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間。在一些實(shí)施例中，第二厚度可以比第一厚度大至少大約18%。在特定實(shí)施例中，第二厚度可以比第一厚度大大約25%。在其他實(shí)施例中，第二厚度可以比第一厚度大大約35%。在另外的實(shí)施例中，第二厚度可以比第一厚度大大約40%。在又一些實(shí)施例中，第二厚度可以比第一厚度大大約50%。阱層可以包括銦，并且第一阱層中的銦成分可以大于第二阱層中的銦成分。阱層中的銦的成分可以在大約0. 05到大約0. 5之間變化。發(fā)光二極管還可以包括位于阱層中的相應(yīng)層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層包括在第一阱層上且位于第一阱層與基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第一勢壘層，以及在第二阱層上且位于第二阱層與基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第二勢壘層，并且第一勢壘層可以比第二勢壘層厚。發(fā)光二極管還可以包括位于所述多個(gè)阱層中的相應(yīng)層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層具有隨著距基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而增大的厚度。在一些實(shí)施例中，勢壘層具有大約相同的厚度。另外，勢壘層的厚度可以以與阱層的厚度變化不相關(guān)的方式變化。發(fā)光二極管還可以包括位于阱層中的相應(yīng)層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層包括在第一阱層上且位于第一阱層與基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第一勢壘層，以及在第二阱層上且位于第二阱層與基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第二勢壘層，并且第二勢壘層可以比第一勢壘層厚。發(fā)光二極管還可以包括位于所述多個(gè)阱層中的相應(yīng)層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層具有隨著距基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的厚度。有源區(qū)域可以包括多個(gè)阱組。每個(gè)阱組可以包括基于III族氮化物的阱支撐層，其中基于III族氮化物的阱層位于阱支撐層上；以及位于基于III族氮化物的阱層上的基于III族氮化物的阱覆蓋層。阱支撐層與阱覆蓋層的組合厚度可以從大約50·i到大約4OO I。阱層具有從大約10 I到大約so I的厚度。根據(jù)另外的實(shí)施例的基于III族氮化物的發(fā)光二極管包括基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層和基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層，基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層形成P-N結(jié)。在基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層上的基于III族氮化物的有源區(qū)域與P-N結(jié)相鄰。有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱。所述多個(gè)阱層可包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層。第二阱層位于P-N結(jié)與第一阱層之間，并且第二厚度大于第一厚度。形成基于III族氮化物的發(fā)光二極管的方法包括設(shè)置基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層；在基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層上設(shè)置基于III族氮化物的多阱有源區(qū)域，該有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱；以及在有源區(qū)域上設(shè)置基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層。所述多個(gè)阱層中的第一層具有第一厚度，而所述多個(gè)阱層中的第二層具有第二厚度。所述多個(gè)阱層中的第二層形成在基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述多個(gè)阱層中的第一層之間，并且第二厚度大于第一厚度。根據(jù)另外的實(shí)施例的基于III族氮化物的發(fā)光二極管包括基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層；與基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層形成P-N結(jié)的基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層；以及在基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層上的基于III族氮化物的有源區(qū)域。該有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的順次層疊的基于III族氮化物的多個(gè)阱。所述多個(gè)阱層可以包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層，其中第二厚度大于第一厚度。響應(yīng)于被激勵(lì)，發(fā)光二極管可以發(fā)射具有特征在于小于大約30 nm的半峰全寬(FWHM)的光譜純度的光。在一些實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約20nm的FWHM的光譜純度。在另外的實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約15 nm的FWHM的光譜純度，并且在又一些實(shí)施例中，由發(fā)光二極管發(fā)射的光可以具有特征在于小于大約10 nm的FWHM的光譜純度。根據(jù)一些實(shí)施例的基于III族氮化物的發(fā)光二極管包括第一發(fā)光阱層，其具有第一厚度并且構(gòu)造成當(dāng)通過使電流流過其中而被激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生具有第一主波長的光；以及第二發(fā)光阱層，其具有不同于第一厚度的第二厚度并且構(gòu)造成當(dāng)通過使電流流過其中而被激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生具有第二主波長的光。在一些實(shí)施例中，第一主波長可以不同于第二主波長只是大約10 nm。在其他實(shí)施例中，第一主波長可以不同于第二主波長只是大約5 nm。在另外的實(shí)施例中，第一主波長可以不同于第二主波長只是大約2. 5 nm。根據(jù)一些實(shí)施例的產(chǎn)生光的方法包括使電流流過包括第一阱層和第二阱層的發(fā)光器件的有源層，第一阱層構(gòu)造成在第一電流密度處具有增加的內(nèi)部量子效率而第二阱層構(gòu)造成在不同于第一電流密度的第二電流密度處具有增加的內(nèi)部效率。


當(dāng)結(jié)合附圖審閱時(shí)，本發(fā)明的其他特征將從下面對(duì)其具體實(shí)施例的詳細(xì)描述中更加容易理解，在附圖中
圖I是III族氮化物發(fā)光二極管結(jié)合實(shí)施例的示意圖。圖2是III族氮化物發(fā)光二極管結(jié)合另外實(shí)施例的示意圖。
圖3A和3B是根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)的一些部分的示意圖。圖4是根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5是根據(jù)另外的實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖。圖6A、6B、6C、6D、6E、6F、6G、6H、6I、6J和6K圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)
構(gòu)中的量子阱厚度的變化。圖7A圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)中的線性阱層厚度變化。圖7B、7C和7D圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)中的勢壘層厚度變化。圖8A、8B、9A和9B圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的多量子阱結(jié)構(gòu)中的量子阱厚度變化和相對(duì)應(yīng)的銦成分變化。圖10圖示了根據(jù)一些實(shí)施例的具有帶有恒定厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)和帶有可變厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件的亮度的可變性。圖11圖示了對(duì)于根據(jù)一些實(shí)施例的具有帶有恒定厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)和帶有可變厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，強(qiáng)度與電流的曲線擬合函數(shù)。圖12A、12B、12C和12D圖示了對(duì)于根據(jù)一些實(shí)施例的具有帶有恒定厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)和帶有可變厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，當(dāng)分別在2 mA、5 mA、20 mA和40 mA的正向電流水平被驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)光強(qiáng)度的可變性。圖13A、13B和13C圖示了對(duì)于根據(jù)一些實(shí)施例的具有帶有恒定厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)和帶有可變厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，當(dāng)分別在20 mA、50 mA和150 mA的正向電流水平被驅(qū)動(dòng)時(shí)輻射通量的可變性。圖14圖示了對(duì)于根據(jù)一些實(shí)施例的具有帶有恒定厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)和帶有可變厚度阱的多量子阱結(jié)構(gòu)的器件，在150 mA的正向電流處所測量的輻射通量與在20 mA的正向電流處所測量的輻射通量的比。。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將在下文中參照在其中示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖更全面地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以多種不同的形式實(shí)現(xiàn)，且不應(yīng)理解為局限于在此所闡述的實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式將使得本公開透徹而完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中為清楚起見，可能放大了層和區(qū)域的相對(duì)厚度。相同的附圖標(biāo)記從頭至尾表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)諸如層、區(qū)域或襯底之類的元件被稱為位于另一個(gè)元件“上”或者延伸到另一個(gè)元件“上”時(shí)，該元件能夠直接地位于所述另一個(gè)元件“上”或者直接延伸到所述另一個(gè)元件“上”或者也可以存在居中元件。相反，當(dāng)元件被稱為直接地位于另一個(gè)元件“上”或者直接地延伸到另一個(gè)元件“上”時(shí)，則不存在居中元件。另外，本文描述和示意的每個(gè)實(shí)施例也包括其互補(bǔ)導(dǎo)電類型的實(shí)施例。除非另外限定，否則本文使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)都具有與如本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所普遍理解的含義相同的含義。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，本文使用的術(shù)語應(yīng)當(dāng)解釋為具有與其在本說明書和相關(guān)領(lǐng)域的背景中的含義相一致的含義，并且不應(yīng)在理想化或過于形式的意義上進(jìn)行解釋，除非本文明確地如此限定。將參照圖I描述本發(fā)明的實(shí)施例，圖I圖示了發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)40。圖I的LED結(jié)構(gòu)40包括襯底10，襯底10可以是4H或6H n型碳化硅。襯墊10還可以包括藍(lán)寶石、塊狀氮化鎵、硅、或另一種合適的襯底。然而，將理解到，襯底10是可選的，并 且可以從最終的器件結(jié)構(gòu)中省去。被包括在圖I的LED結(jié)構(gòu)40中還是分層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括位于襯底10上的基于氮化鎵的半導(dǎo)體層。即，圖示的LED結(jié)構(gòu)40包括下面這些層氮化物緩沖層11，其可以包括AlGaN ;第一硅摻雜氮化物層12，其可以包括GaN ;第二硅摻雜氮化物層14，其可以包括GaN ;氮化物超晶格結(jié)構(gòu)16，其可以包括硅摻雜GaN和/或InGaN的交替層；氮化物有源區(qū)域18，其可以由如多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的多阱結(jié)構(gòu)提供；未摻雜的氮化物層22，其可以包括AlGaN ;氮化物層30，其可以包括摻雜有p型雜質(zhì)的AlGaN ；以及氮化物接觸層32，其同樣摻雜有p型雜質(zhì)。圖I中層的標(biāo)記僅被提供為示例，并且根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)可以具有由不同于圖I中所示的材料的材料所形成的層。如本文所使用的，發(fā)光器件的“有源區(qū)域”指的是多數(shù)和少數(shù)電載流子(例如，空穴和電子)重新組合以產(chǎn)生光的區(qū)域。通常，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的有源區(qū)域能包括雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)或阱結(jié)構(gòu)，如量子阱結(jié)構(gòu)?！暗飳印敝傅氖腔诘锏腎II-V半導(dǎo)體層，如GaN、InN、AIN、InGaN、AlGaN 和 / 或 Al InGaN。可以利用氨作為源氣體與諸如氫氣(H2)、氮?dú)?N2)、一種或多種惰性氣體和/或其混合物的載體氣體(一種或多種)一起來生長接觸層32。另外，接觸層32可以在包括氮?dú)?N2)、一種或多種惰性氣體、氧氣(O2)和/或其混合物的環(huán)境中，在至少大約750攝氏度的溫度經(jīng)受沉積后退火。所述結(jié)構(gòu)還包括位于襯底10上的n型歐姆接觸23和位于接觸層32上的p型歐姆接觸24。緩沖層11可以包括具有分級(jí)鋁成分的n型AlGaN。在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利5，393，993、5，523，589和7，034，328中提供了位于碳化硅和III族氮化物材料之間的緩沖層的示例，這些專利的公開內(nèi)容通過引用的方式并入，如同在此對(duì)其進(jìn)行了完整的闡述一樣。類似地，本發(fā)明的實(shí)施例還可以包括諸如在發(fā)明名稱為“Group IIINitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates With Conductive BufferInterlayer Structure”的美國專利No. 6, 201, 262中描述的那樣的結(jié)構(gòu),該美國專利的公開內(nèi)容通過參引的方式并入本文，如同在此對(duì)其進(jìn)行了完整的闡述一樣。根據(jù)一些實(shí)施例的基于III族氮化物的LED可以設(shè)置為水平器件(其中兩個(gè)電接觸位于LED的同一側(cè)上)或豎直器件(其中電接觸位于LED的相反側(cè))。另外，生長襯底可以在制造后保持在LED上，或者被(例如過蝕刻、研磨、拋光等)去除。生長襯底可以被去除以便例如減小產(chǎn)生的LED的厚度和/或減小通過豎直LED的正向電壓。水平器件(具有生長襯底或者不具有生長襯底)例如可以倒裝式鍵合(例如，使用焊料)到載體襯底或印刷電路板，或通過引線鍵合。豎直器件(具有生長襯底或者不具有生長襯底)可以具有通過焊料鍵合到載體襯底、管座(header)、子管腳(submount)或印刷電路板的第一端子和通過引線鍵合到載體襯底、管座、子管腳或印刷電路板的第二端子。第一 GaN層12可以在大約500 nm和6000 nm厚之間(含500 nm和6000 nm),并
且在一些實(shí)施例中可以厚大約4000 nm。可以娃在大約5 x IO17 cnT3至7 x IO18 cnT3的水
平對(duì)第一氮化物層12進(jìn)行摻雜。第二氮化物層14可以在大約10 至500 I厚之間(含 10 I和500又)，并且在一些實(shí)施例中，可以為大約80 I厚?？梢怨柙谛∮诖蠹s5 X IO19cnT3的水平對(duì)第二氮化物層14進(jìn)行摻雜。 超晶格結(jié)構(gòu)16可以包括InxGa1J和InYGai_YN的交替層，其中X在0和I之間(包括0和I)并且X不等于Y。在一些實(shí)施例中，X=0，使得超晶格結(jié)構(gòu)16包括GaN和InGaN的
交替層。在一些實(shí)施例中，InGaN的交替層中的每一個(gè)的厚度為大約5_40 i厚(含5又和40 I ),并且GaN的交替層中的每一個(gè)的厚度為大約5_100又厚(含5又和100又X在某
些實(shí)施例中，GaN層為大約50 I厚，并且InGaN層為大約15 I厚。超晶格結(jié)構(gòu)16可以包
括從大約5到大約50個(gè)周期(其中，一個(gè)周期等于包括超晶格的InxGai_xN層和InYGai_YN層中的每一個(gè)的一次重復(fù))。在一個(gè)實(shí)施例中，超晶格結(jié)構(gòu)16包括25個(gè)周期。在另一個(gè)實(shí)施例中，超晶格結(jié)構(gòu)16包括10個(gè)周期。然而，周期的數(shù)量可以例如通過增加相應(yīng)的層的厚度來減少。因此，例如，使層的厚度加倍可以與周期的數(shù)量減半起使用?？商娲?，周期的數(shù)量和厚度可以彼此獨(dú)立。在一些實(shí)施例中，諸如以硅等n型雜質(zhì)在從大約I X IO17 cnT3到大約5 x IO19cm-3的水平對(duì)超晶格16進(jìn)行摻雜。這種摻雜水平可以是超晶格16的層的實(shí)際摻雜或平均摻雜。如果這種摻雜水平是平均摻雜水平，那么提供與超晶格結(jié)構(gòu)16相鄰的摻雜層可能是有益的，這些摻雜層提供期望的平均摻雜，其中，相鄰層的摻雜在相鄰層和超晶格結(jié)構(gòu)16上是平均的。通過在襯底10與有源區(qū)域18之間設(shè)置超晶格16，可以提供更好的表面以在該表面上生長基于InGaN的有源區(qū)域18。盡管不希望受任何操作理論的限制，但認(rèn)為超晶格結(jié)構(gòu)16中的應(yīng)變效應(yīng)提供了有利于高質(zhì)量的含InGaN有源區(qū)域的生長的生長表面。另夕卜，已知超晶格會(huì)影響器件的工作電壓。對(duì)超晶格厚度和成分參數(shù)的適當(dāng)選擇可降低工作電壓并增加光學(xué)效率。超晶格結(jié)構(gòu)16可以在氮?dú)饣蚱渌麣怏w的環(huán)境中生長，這種環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)在結(jié)構(gòu)中生長較高質(zhì)量的InGaN層。通過在氮?dú)猸h(huán)境中在硅摻雜GaN層上生長硅摻雜InGaN/GaN超晶格，可以實(shí)現(xiàn)具有改善了結(jié)晶度和/或?qū)щ娦郧覂?yōu)化了應(yīng)變的結(jié)構(gòu)。通常，可以使用氨作為源氣體與諸如氫氣(H2)、氮?dú)?N2)、一種或多種惰性氣體和/或其混合物的載體氣體(一種或多種)一起來生長結(jié)構(gòu)中基于GaN的層。
有源區(qū)域18包括多個(gè)發(fā)光阱，這些發(fā)光阱包括被高帶隙覆層或限制層夾在中間的低帶隙半導(dǎo)體材料的薄層，并且在一些實(shí)施例中，這些發(fā)光阱可以是量子阱。如本領(lǐng)域已知的，量子阱層是非常薄的半導(dǎo)體材料層，一般小于大約50 nm，其被具有比量子阱層高的帶隙的勢壘層或限制層包圍。勢壘層和量子阱層一起形成量子阱。特別地，量子阱層如此薄以致量子阱中的可容許能量水平呈離散值，使得與具有容許能量水平的平滑分布的塊狀材料相比，量子阱在最低容許(離散)能量水平表現(xiàn)出基本的態(tài)密度。由于在與塊重新組合/發(fā)射相比時(shí)提高了的效率和/或光譜純度，量子阱可以通過載流子重新組合產(chǎn)生光子。載流子重新組合發(fā)生在電子填充被空穴占據(jù)的晶體晶格中的空間并且移動(dòng)到較低能態(tài)時(shí)，其將能量以熱和/或光的形式釋放。在各種實(shí)施例中，阱可以薄到足以表征為量子阱或者可以沒有足夠薄而被表征為量子阱，并且本發(fā)明不局限于包括量子阱的有源區(qū)域。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，有源區(qū)域18包括多阱結(jié)構(gòu)，該多阱結(jié)構(gòu)包括被勢壘層(圖I中未不出)分開的多個(gè)InGaN講層。在如圖I所示的LED中，少數(shù)載流子(例如，空穴)從位于有源區(qū)域18處或有源區(qū)域18附近的P-N結(jié)50被注入到有源區(qū)域18中。在源區(qū)域18中，注入的少數(shù)載流子(例如，空穴)可以擴(kuò)散到其中一個(gè)量子阱內(nèi)，在該量子阱處，少數(shù)載流子能夠與多數(shù)載流子(例如，電子)重新組合，從而導(dǎo)致光的光子的產(chǎn)生。P-N結(jié)可以被設(shè)置得足夠靠近有源區(qū)域18，以使注入的少數(shù)載流子能夠以較高的概率擴(kuò)散到有源區(qū)域18中，并且在量子阱中與多數(shù)載流子重新組合。特別地，P-N結(jié)50可以設(shè)置在距離有源區(qū)域18大約0和50 nm之間。盡管有源區(qū)域18能夠具有與超晶格從表面上看類似的結(jié)構(gòu)，但有源區(qū)域18可被通過多種方式與超晶格結(jié)構(gòu)16區(qū)分開。特別地，基于阱的有源區(qū)域結(jié)構(gòu)中的阱層的帶隙一般是器件中的任何層中最低的，使得載流子重新組合最可能發(fā)生在阱層中?；谮宓慕Y(jié)構(gòu)中的阱層的帶隙被調(diào)整以產(chǎn)生光發(fā)射的期望波長。另外，與超晶格結(jié)構(gòu)16相比，有源區(qū)域18可被設(shè)置地更靠近器件的P-N結(jié)。此外，可以為了導(dǎo)電性而對(duì)超晶格結(jié)構(gòu)16進(jìn)行摻雜，而有源區(qū)域?qū)油ǔH被非有意地?fù)诫s。根據(jù)一些實(shí)施例，有源區(qū)域18中的阱可以具有一個(gè)或多個(gè)屬性，如阱厚度、阱帶隙、材料成分和/或勢壘層厚度，這些屬性隨著距P-N結(jié)的距離而變化，這將在下面更詳細(xì)地描述。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)屬性可以被調(diào)整，從而以各種電流密度增加載流子在一些量子阱中的重新組合，如下面更詳細(xì)說明的那樣。勢壘層22設(shè)置在有源區(qū)域18上，并且可以包括具有厚度在大約0 J1和300又之
間(包括0 Jl和300又)的未摻雜GaN、AlGaN和/或AlInGaN層。如本文所使用的，“未摻
雜”指的是不是特意地被摻有雜質(zhì)的層或區(qū)域。將理解到，基于III族氮化物的材料一般地是如自然生長的n型，并且因此勢壘層22可以是如生長的n型。勢壘層22可以為大約
40又或更厚。如果勢壘層22包括AlGaN，那么這種層中的鋁的百分比可以為大約0-70%，并
且在一些情況中為大約55%或更少。勢壘層22中鋁的水平也可以逐步或連續(xù)減小的方式分級(jí)。勢壘層22可以在比多量子阱有源區(qū)域18中的生長溫度高的溫度處生長，以改善層22的晶體質(zhì)量。在勢壘層22附近，可以包括未摻雜GaN、AlGaN和/或AlInGaN的附加層。
例如，LED 40可以包括位于有源區(qū)域18與勢壘層22之間的大約6_9 I厚的未摻雜AlGaN的附加層。在勢壘層22上設(shè)置有以諸如鎂的p型雜質(zhì)摻雜的例如AlGaN和/或AlInGaN的基于氮化物的層30。層30可以在大約0和300 I厚之間(包括0和300又)，并且在一些
情況下可以為大約150 I厚。例如p型GaN的接觸層32設(shè)置在層30上，并且可以為大約
500至2500 I厚，并且在一些實(shí)施例中為大約1800 I厚。P-N結(jié)50可以形成在層30與層22之間的結(jié)處。然而，在一些實(shí)施例中，有可能省去層30以使P-N結(jié)50可以形成在接觸層32與勢壘層22之間。在另外的實(shí)施例中，可以通過對(duì)勢壘層22的上部摻雜p型摻雜劑而使P-N結(jié)50形成在勢壘層22內(nèi)。P-N結(jié)用作將少數(shù)載流子注入到有源區(qū)域18中的機(jī)構(gòu)，在有源區(qū)域18中，少數(shù)載流子能夠與多數(shù)載流子重新組合以產(chǎn)生光子(光)。
歐姆接觸24和25分別設(shè)置在接觸層32和襯底10上。圖2進(jìn)一步詳細(xì)地示意了結(jié)合多量子阱有源區(qū)域的本發(fā)明實(shí)施例。圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例提供了包括在襯底10上生長的基于氮化鎵的半導(dǎo)體層的分層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。如上所述，襯底10是可選的，并且可以是SiC、藍(lán)寶石、硅、塊狀氮化鎵，等等。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例的LED可以包括緩沖層11、第一硅摻雜氮化物層12、第二硅摻雜氮化物層14、以及包括娃摻雜GaN和/或InGaN的交替層的超晶格結(jié)構(gòu)16。結(jié)構(gòu)100還包括多量子阱有源區(qū)域125。未摻雜的氮化物勢壘層22形成在有源區(qū)域125上，氮化物層30位于勢壘層22上，并且摻有p型雜質(zhì)的氮化物接觸層32位于層30上。在一些實(shí)施例中，層30的一些部分也可以摻有p型雜質(zhì)。LED還可以包括在襯底10上的n型歐姆接觸23和在接觸層32上的p型歐姆接觸24。在襯底10是藍(lán)寶石的本發(fā)明實(shí)施例中，n型歐姆接觸23可以設(shè)置在n型氮化物層12和/或n型氮化物層14上。有源區(qū)域125包括多阱結(jié)構(gòu)，該多阱結(jié)構(gòu)包括被居中勢壘層118以交替方式分開的多個(gè)InGaN阱層120。勢壘層118可以包括InxGa1J,其中0彡X < I。然而，勢壘層118的銦成分可以小于阱層120的銦成分，使得勢壘層118具有比阱層120高的帶隙。勢壘層118和阱層120可以是未摻雜的(S卩，不是被特意以諸如硅或鎂的雜質(zhì)原子進(jìn)行摻雜)。然而，理想的是以硅在小于5 X IO19CnT3的水平對(duì)勢壘層118進(jìn)行摻雜，特別是在需要紫外發(fā)射的情況下。在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，勢壘層118包括AlxInYGai_x_YN，其中0 < X < 1，0彡Y< I且X+Y彡I。通過在勢壘層118的晶體中包括銦，勢壘層118可以與阱層120晶格匹配，由此在阱層120中提供改善的晶體質(zhì)量，這增加了器件的發(fā)光效率。AlInGaN成分還可以幫助減小可能有助于增加阱中的電子-空穴重疊的極化場，這可能導(dǎo)致更高效的載流子重新組合并因此導(dǎo)致更大的光輸出。根據(jù)一些實(shí)施例，有源區(qū)域125中的阱可以具有一種或多種屬性，例如阱厚度、阱帶隙、材料成分和/或勢壘層厚度，這些屬性隨著距P-N結(jié)的距離而變化，如將在下面更詳細(xì)描述的。在另外的實(shí)施例中，圖2所示的LED結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在超晶格16與有源區(qū)域125之間的可選的間隔層17。間隔層17可以包括未摻雜的GaN。類似地，也可以在圖I所示的LED結(jié)構(gòu)中在超晶格16與有源區(qū)域18之間設(shè)置間隔層。仍然參照圖2，勢壘層22可以設(shè)置在有源區(qū)域125上，并且可以包括在大約0又和350 I厚之間(包括0 I和350又)的III組氮化物層，例如未摻雜的GaN或AlGaN。在
一些實(shí)施例中，勢壘層22可以為大約35 I厚。如果勢壘層22包括AlGaN，那么這種層中
的鋁百分比可以為大約10-70%，并且在一些實(shí)施例中可以為大約55%。勢壘層22中的鋁的水平也可以以逐步或連續(xù)減小的方式分級(jí)。因此，在一些實(shí)施例中，勢壘層22可以包括AlxGai_xN，其中X從與鄰接GaN層118的界面處的0被分級(jí)達(dá)到大約0. I至0. 7。勢壘層22可以在比有源區(qū)域125中的生長溫度高的溫度生長，以提高勢壘層22的晶體質(zhì)量。未摻雜的GaN或AlGaN的附加層可以被包括在勢壘層22附近。例如，圖2所示的LED可以包括位
于有源區(qū)域125與勢壘層22之間的大約6-9 I厚的未摻雜的AlGaN的附加層。
在勢壘層22上設(shè)置有被以諸如鎂的p型雜質(zhì)摻雜的基于氮化物的層30。層30可以包括AlGaN且層3O可以在大約0 J1和3OO ^厚之間(包括0又和3OO ^ ),并且在一些
情況下層30可以為大約150 I厚。例如p型GaN的接觸層32設(shè)置在層30上且可以為大
約500 I至2500 k厚，而在一些實(shí)施例中可以為大約1800 ^厚。歐姆接觸24和25分別設(shè)置在P-GaN接觸層32和襯底10上。參照圖3A和3B，進(jìn)一步詳細(xì)地示出了提供基于氮化鎵的器件的多量子阱結(jié)構(gòu)的本發(fā)明實(shí)施例。圖3A和3B所示的多量子阱結(jié)構(gòu)可以提供圖I和/或圖2所示的LED的有源區(qū)域。參照圖3A，多量子阱有源區(qū)域225可以包括含阱層220和阱層220上的勢壘層218的層的周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)221。特別地，勢壘層218可以設(shè)置在阱層220與器件的P-N結(jié)之間。另外，每個(gè)阱層220可以設(shè)置在一對(duì)勢壘層218之間。參照圖3B，每個(gè)勢壘層218可以包括具有高晶體質(zhì)量的阱支撐層218a以及位于勢壘層218下方的用作量子阱層220的保護(hù)覆蓋層的覆蓋層218b。也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu)221生長時(shí)，覆蓋層218b和阱支撐層218a可以共同形成相鄰的阱220之間的勢壘層218。在一些實(shí)施例中，高質(zhì)量的阱支撐層218a在比用來生長InGaN量子阱層220的溫度高的溫度處生長。在一些實(shí)施例中，阱支撐層218a以比覆蓋層218b的生長速率慢的生長速率生長。在其他實(shí)施例中，在較低溫度生長過程中可以使用較低的生長速率，而在較高溫度生長過程中可以利用較高的生長速率。例如，為了實(shí)現(xiàn)用于生長InGaN阱層220的高質(zhì)量表面，阱支撐層218a可以在大約700°C和900°C之間的生長溫度生長。然后，生長室的溫度可以降低大約0°C至大約200°C，以允許高質(zhì)量InGaN量子阱層220的生長。然后，當(dāng)溫度保持在較低的InGaN生長溫度時(shí)，生長覆蓋層218b。通過這種方式，可以制造包括高質(zhì)量InGaN層的多量子阱區(qū)域。根據(jù)一些實(shí)施例，有源區(qū)域225中的量子阱層220和/或勢壘層218可以具有根據(jù)在結(jié)構(gòu)中的位置而變化的厚度，如將在下面更詳細(xì)描述的。圖2、3A和3B的有源區(qū)域125和225可以在含氮的環(huán)境中生長，該含氮的環(huán)境可提供提高的InGaN晶體質(zhì)量。阱支撐層218a和/或覆蓋層218b可以在大約50又至250 ^厚之間(包括50 I和250 I )。阱支撐層218a和覆蓋層218b中相應(yīng)層的組合厚度可以從
大約50 至250 Jl厚(包括50 Jl和250 Jl )。在一些實(shí)施例中，阱支撐層218a和/或覆蓋
層218b可以大于大約90 厚，并且特別地，可以為大約120 Jk厚。另外，在一些實(shí)施例中，阱支撐層218a可以比覆蓋層218b厚。因此，覆蓋層218b可以形成為盡可能地薄，同時(shí)仍能減小來自阱層220的銦的解吸 附或者阱層220的劣化。阱層120和220可以在大約10 ^
至5O丄厚之間(包括10 和5O )0在一些實(shí)施例中，阱層1加和22O可以大于2O又厚
而在一些實(shí)施例中可以為大約25 I厚。阱層120和220的厚度和銦的百分比可以變化以
產(chǎn)生具有期望波長的光。一般地，阱層120和220中銦的百分比為大約25-30%，然而，銦的百分比可以根據(jù)期望的波長而從大約5%變化到大約50%。在一些實(shí)施例中，超晶格結(jié)構(gòu)16的帶隙超過量子阱層120的帶隙。這可以例如通過調(diào)節(jié)超晶格16中銦的平均百分比來實(shí)現(xiàn)。超晶格層的厚度(或周期)和層的平均銦百分比應(yīng)當(dāng)被選擇為使得超晶格結(jié)構(gòu)16的帶隙比阱120的帶隙大。通過保持超晶格16的帶隙高于阱120的帶隙，器件中不希望的吸收可被減小而發(fā)光發(fā)射可被提高。超晶格16的帶隙可以為從大約2. 95 eV到大約3. 35 eV。在一些實(shí)施例中，超晶格16的帶隙為大約3. 15eV0根據(jù)一些實(shí)施例，LED器件的有源區(qū)域的結(jié)構(gòu)可以被調(diào)整，以增強(qiáng)多阱中多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的重新組合，由此增加器件被激勵(lì)時(shí)的光輸出。特別地，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定，有源區(qū)域的結(jié)構(gòu)能夠被改變，以對(duì)于到有源區(qū)域中的不同水平的電流注入提高載流子重新組合。例如，有源區(qū)域的結(jié)構(gòu)能夠被調(diào)整，以增加載流子重新組合，并且因此增加由結(jié)構(gòu)發(fā)射的光的輻射通量。在特定實(shí)施例中，可對(duì)于高電流應(yīng)用增強(qiáng)載流子重新組合，然而，也可對(duì)于除高電流應(yīng)用以外的應(yīng)用增強(qiáng)載流子重新組合。器件上的電偏置增加，器件內(nèi)的內(nèi)部電場由于在有源區(qū)域量子阱中增加的可用狀態(tài)的屏蔽和填充而變化。由于內(nèi)部電場的變化，一些類型的阱可以在較高的電流密度提供比其他阱更高效的載流子重新組合。一些實(shí)施例通過提供具有諸如不同的阱厚度、勢壘層厚度、阱帶隙和/或阱材料成分的不同特性的多阱而利用了這種現(xiàn)象。在根據(jù)本發(fā)明的器件中，器件中的一些阱在較低的電流密度可以更高效，而器件中的其他阱在較高的電流密度可以更高效。為了保持由器件輸出的光的光譜純度，阱可以被調(diào)整，以無論其不同的物理特性如何而產(chǎn)生具有期望波長的光。因此，根據(jù)一些實(shí)施例的器件可以產(chǎn)生具有相對(duì)小的FHWM特性的光。FWHM——其代表“半峰全寬”——一般以納米來測量，并且是光源的光譜純度的量度，其中較小的FWHM值表示較高程度的光譜純度。根據(jù)一些實(shí)施例的LED可以具有30nm或更小的FWHM，并且在一些實(shí)施例中具有20 nm或更小的FWHM，盡管具有帶不同物理特性的量子阱。這可以與所謂的“寬譜” LED相對(duì)比，“寬譜” LED包括構(gòu)造成發(fā)射不同顏色的光的量子阱，由此從單個(gè)芯片產(chǎn)生寬譜的光。根據(jù)一些實(shí)施例，可以通過改變多阱有源區(qū)域的阱區(qū)域的厚度對(duì)于高電流操作增加基于III族氮化物的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的內(nèi)部量子效率。特別地，阱層120、220的厚度可以在較靠近形成于有源區(qū)域125、225處或有源區(qū)域125、225附近的P-N結(jié)的阱層中增加。也就是說，在某些實(shí)施例中，更靠近器件結(jié)構(gòu)的P型層而設(shè)置的阱層可以具有比設(shè)置地距離器件結(jié)構(gòu)的P型層較遠(yuǎn)的阱層大的厚度。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以這種方式形成阱層能夠增加LED在較高的工作電流處所發(fā)射的光的亮度和/或器件效率。用于基于111族氮化物的LED的外延層結(jié)構(gòu)一般通過首先生長n型(且未摻雜)層、然后在n型層上生長p型層來形成，以避免反應(yīng)器記憶效應(yīng)，這種效應(yīng)可導(dǎo)致p型摻雜劑甚至在用于這種摻雜劑的源氣體的流動(dòng)已經(jīng)被切斷后仍保持在系統(tǒng)中。因此，例如，諸如圖2所示的結(jié)構(gòu)100的LED結(jié)構(gòu)一般通過在生長襯底上按照順序外延生長緩沖層11、n-GaN層12、14、超晶格16、有源區(qū)域125、勢壘層22、p-AlGaN層30以及接觸層32而形成。因此，在一些實(shí)施例中，首先形成的有源區(qū)域125、225的層可以具有較小的厚度，而稍后形成的有源區(qū)域125、225的層可以具有較大的厚度?；贗II族氮化物的器件的有源區(qū)域中的阱層厚度可以極小，一般小于大約 50 I。然而，阱層厚度可通過對(duì)層的生長時(shí)間進(jìn)行控制而被精確地控制，例如控制在化學(xué)
氣相沉積(CVD )反應(yīng)室中供應(yīng)諸如三甲基鎵(TMG )、三甲基銦(TM I )、三甲基鋁(TMA )和氨(NH3)的反應(yīng)氣體的時(shí)間量。來自阱的發(fā)射波長可隨著變化的阱厚度以及隨著阱的能量深度或帶隙兩者而變化。如上所述，對(duì)于器件中的所有的阱，理想的是基本發(fā)射相同波長的光，使得器件的FWHM不增加到不合要求的量。為了保持來自本文描述的各種結(jié)構(gòu)中所有阱的相同或基本相似的發(fā)射波長，講的材料成分可以變化。改變講中的材料成分將改變量子阱的帶隙。例如，每個(gè)阱中的銦成分可以被調(diào)整從而保持期望的發(fā)射波長，不管例如阱厚度的差異。在一些實(shí)施例中，銦濃度能夠隨著阱厚度增大而減小。減小銦濃度增加了阱層材料的帶隙，從而部分地或完全地抵消由于增加阱層的厚度而導(dǎo)致的發(fā)射波長的變化。在圖4A、4B、4C、4D、5A和5B中示出了根據(jù)一些實(shí)施例的多阱有源區(qū)域，這些多阱有源區(qū)域具有變化厚度的阱。例如，在圖4A中示出了根據(jù)一些實(shí)施例的多阱有源區(qū)域325。如在其中所示的，有源區(qū)域325具有包括四個(gè)阱組321A至321D的分層式結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)阱組包括設(shè)置在相應(yīng)的勢壘層之間的阱層320A至320D。盡管結(jié)構(gòu)325僅具有四個(gè)量子阱層，但將意識(shí)到，根據(jù)一些實(shí)施例的結(jié)構(gòu)可具有任何復(fù)數(shù)個(gè)數(shù)量的阱層，并且在特定的實(shí)施例中可在其中具有十(10)個(gè)或更多個(gè)阱層。器件的P-N結(jié)可以在有源區(qū)域325上方(即，相對(duì)于有源區(qū)域325在器件P側(cè)上)。然而，在一些實(shí)施例中，P-N結(jié)可以設(shè)置在有源區(qū)域325內(nèi)或者設(shè)置在有源區(qū)域325下方相對(duì)于有源區(qū)域325在器件的N側(cè)上。在一些實(shí)施例中，器件的P-N結(jié)能夠設(shè)置在器件的P
側(cè)上且在距離有源區(qū)域325大約0又與5OO I之間。如圖4A所示，被勢壘層318分開的阱層320A至320D具有從器件的N側(cè)向器件的P側(cè)變化的厚度。即，阱層320A至320D具有隨著距器件的P側(cè)的距離而減小的厚度。在圖4A所示的實(shí)施例中，阱層320A至320D具有隨著距器件的P側(cè)的距離而線性減小的厚度。在一些實(shí)施例中，厚度隨著距P-N結(jié)的距離而減小。從層的生長順序的角度來看，有源區(qū)域325的阱層320A至320D具有從第一阱層320A的第一厚度(Tl)向最后的阱層320D的第二厚度(T2)增大的厚度，其中第二厚度T2大于第一厚度Tl。因此，在一個(gè)方面，有源區(qū)域325的阱層320A至320D可以具有隨著距下方的n-GaN層(例如圖2所示的n-GaN層16)的距離增大而從第一阱層320A的第一厚度(Tl)向最后的阱層320D的第二厚度(T2)增大的厚度。提供具有隨著距器件的P側(cè)的距離而減小的厚度的阱層320A至320D可以導(dǎo)致取決于通過器件的電流的有源區(qū)域325中載流子的增強(qiáng)的重新組合。例如，厚度可以隨著距器件的P側(cè)的距離從阱向阱以逐步的線性方式減小(即，厚度可以從阱向阱以固定的間隔減小)。在本上下文中，“線性”意指阱厚度從阱向阱增大或減小固定的量。然而，阱層320A至320D可以設(shè)有以非線性的方式隨著距器件的P側(cè)的距離而減小的厚度，同時(shí)仍然獲得增強(qiáng)產(chǎn)生增加的亮度的載流子的重新組合。事實(shí)上，在具有以非線性的方式隨著距器件的P側(cè)的距離而減小的厚度的結(jié)構(gòu)中設(shè)置量子阱，可以增加載流子的重新組合，甚至超過具有線性變化的阱厚度的結(jié)構(gòu)中載流子的重新組合。阱厚度的非線性變化能夠包括很多方式的變化，例如非單調(diào)方式、階躍函數(shù)方式、指數(shù)方式、分段的線性方式、交替變化的厚度方式、或者任何其他方式?；诠ぷ麟娏髟黾有?。
例如，參照圖4B，根據(jù)一些實(shí)施例的有源區(qū)域425具有包括四個(gè)阱組421A至421D的分層式結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)阱組包括設(shè)置在相應(yīng)的勢壘層418之間的阱層420A至420D。器件的P-N結(jié)可以在有源區(qū)域425上方(即，相對(duì)于有源區(qū)域425在器件的p側(cè)上)。然而，在一些實(shí)施例中，P-N結(jié)可以設(shè)置在有源區(qū)域425內(nèi)或者在有源區(qū)域425下方且相對(duì)于有源區(qū)域425在器件的N側(cè)上。阱層420A至420D具有隨著距器件的P側(cè)的距離而非線性地減小的厚度。特別地，距離器件的P側(cè)最遠(yuǎn)的兩個(gè)阱層420A、420B具有第一厚度Tl，而距離器件的P側(cè)最近的兩個(gè)阱層420C、420D具有大于第一厚度Tl的第二厚度T2。在一些實(shí)施例中，第一厚度Tl可以為大約20又，而第二厚度T2可以為大約30又。通常，第一厚度Tl可以為從大約15 I到大約25 I ,而第二厚度T2可以為從大約20 ^到大約35 &或更厚，盡管其他的厚度范圍也是可能的。在一些實(shí)施例中，第一厚度Tl可以
為從大約20 I到大約25 I。第二厚度T2可以比第一厚度Tl大大約18%至40%或更多。
在另外的實(shí)施例中，第二厚度T2可以比第一厚度Tl大大約18%至32%。在一些特定實(shí)施例中，第二厚度T2可以比第一厚度Tl大大約25%。如圖4C和4D所示，在一些實(shí)施例中，量子阱厚度可以隨著接近器件的N側(cè)而增力口。例如，圖4C示出了包括被勢壘層518分開的量子阱層520A至520D的有源區(qū)域525。阱層520A至520D具有隨著距器件的P側(cè)的距離而線性增加的厚度(即，越靠近器件的N側(cè)阱越厚)。圖4D示出了包括被勢壘層618分開的量子阱層620A至620D的有源區(qū)域625。阱層620A至620D具有隨著距器件的P側(cè)的距離而非線性增加的厚度(即，越靠近器件的N側(cè)的阱越厚)。特別地，在有源區(qū)域625中，更靠近器件的N側(cè)的量子阱層620A和620B具有第第一厚度，而更靠近器件的P側(cè)的量子阱層620C和620D具有小于第一厚度的第二厚度。在一些實(shí)施例中，勢壘層的厚度可以在有源區(qū)域的長度范圍內(nèi)變化。例如，參照圖5A，有源區(qū)域725包括被勢壘層718A至718E分開的阱層720A至720D。阱層720A至720D具有隨著距器件的N側(cè)的距離而線性增加的厚度(S卩，越靠近器件的P側(cè)阱越厚)。勢壘層718A至718E具有同樣隨著距器件的N側(cè)的距離而增加的厚度。也就是說，勢壘層718A至718E的厚度隨著阱層720A至720D的厚度增加而增加。在另外的實(shí)施例中，勢壘層的厚度可以隨著阱層的厚度增加而減小。例如，參照圖5B，有源區(qū)域825包括被勢壘層818A至818E分開的阱層820A至820D。阱層820A至820D具有隨著距器件的N側(cè)的距離而線性增加的厚度(S卩，越靠近器件的P側(cè)阱越厚)。相反，勢壘層818A至818E具有隨著距器件的N側(cè)的距離而減小的厚度。也就是說，勢壘層818A至818E的厚度隨著阱層820A至820D的厚度增加而減小。在圖6A至6H中示出了根據(jù)一些實(shí)施例的阱層厚度分布圖，圖6A至6H是作為在有源區(qū)域中具有十(10)個(gè)量子阱的根據(jù)一些實(shí)施例的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的阱數(shù)量的函數(shù)的阱厚度的圖形。在圖6A至6H中，對(duì)于在結(jié)構(gòu)中較早生長的阱，阱數(shù)量較低。因此，具有較高 阱數(shù)量的阱可能更靠近器件的P偵U。在具有圖6A至6D中所示的阱結(jié)構(gòu)中的一種的發(fā)光器件中，載流子的重新組合可以增強(qiáng)，且因此內(nèi)部量子效率可以增強(qiáng)，在這些結(jié)構(gòu)中，阱厚度朝著器件的P側(cè)而增加。特別地，具有根據(jù)一些實(shí)施例的阱結(jié)構(gòu)的LED的相對(duì)亮度，就平均而言可以比具有用于以至少大約20 mA的電流驅(qū)動(dòng)的器件的常規(guī)阱結(jié)構(gòu)的類似ELD高。圖6A示出了阱厚度從Tl的第一厚度向T2的第二厚度線性增加的LED結(jié)構(gòu)。圖6A所示的結(jié)構(gòu)因此類似于圖4A所示的結(jié)構(gòu)。圖6B示出了第一組阱具有第一厚度Tl而第二組阱具有大于第一厚度Tl的第二厚度T2的結(jié)構(gòu)。由于第二組阱是在第一組阱之后生長的，所以第二組阱可以比第一組阱更靠近器件的P-N結(jié)。圖6B所示的結(jié)構(gòu)因此類似于圖5A所示的結(jié)構(gòu)。圖6C示出了第一組阱具有第一厚度Tl并且第二組阱具有從第一厚度Tl向第二厚度T2線性地增加的厚度的結(jié)構(gòu)。第二組阱可以比第一組阱更靠近器件的P-N結(jié)。圖6D示出了第一組量子阱具有從第一厚度Tl向第二厚度T2線性增加的厚度并且第二組阱具有第二厚度T2的結(jié)構(gòu)。第二組阱可以比第一組阱更靠近器件的P-N結(jié)。圖6E-6H示出了量子阱的厚度隨著阱生長而從第一厚度Tl向第二厚度T2減小的實(shí)施例。圖6E示出了阱的線性減小的厚度，而圖6F示出了具有以逐步方式減小的厚度的阱。圖6G和6H示出了具有以非線性方式減小的厚度的阱。圖6I-6K示出了量子阱的厚度以各種方式交替變化的實(shí)施例。例如，在圖61和6J 的實(shí)施例中，阱厚度在第一厚度Tl與第二厚度T2之間交替，而在圖6K中，阱厚度在第一厚度Tl、第二厚度T2和第三厚度T3之間交替。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，很多其他變化都是可能的。圖7A至7D示出了根據(jù)一些實(shí)施例的勢壘層的變化厚度。圖7A示出了從第一厚度Tl向第二厚度T2以線性方式增加的阱厚度，從第一厚度Tl向第二厚度T2的方向可以在朝向或離開器件的P側(cè)或N側(cè)的方向。同時(shí)，圍繞阱的勢壘層可以具有從第一厚度T3向第二厚度T4增加(圖7B)增加、從第二厚度T4向第一厚度T3減小(圖7C)減小或者隨著阱
層的厚度增加而保持相同(圖7D)的厚度。在一些實(shí)施例中，勢壘層可以具有大約50 與250 I厚之間的厚度。在特定實(shí)施例中，第一厚度T3可以為大約50 Jl ,而第二厚度T4可以為大約150 I。特別地，隨著阱層厚度增加而減小勢壘層厚度可以是有益的。另外，減小更靠近P-N結(jié)的量子阱的阱層厚度可以是有益的。減小勢壘層厚度可以以較高的電流密度提高載流子注入，并且因此可以增加產(chǎn)生的光的量。另外，在阱結(jié)構(gòu)的底部生長較厚的勢壘層以增強(qiáng)阱層的材料質(zhì)量可以是有益的。如上所述，較厚的阱層在高電流密度可以增強(qiáng)載流子重新組合。盡管不受任何特定操作理論的限制，但當(dāng)前認(rèn)為，通過增加量子阱層的厚度可以減少不理想的俄歇重新組合，而俄歇重新組合在高電流密度變得更有問題。俄歇重新組合指的是產(chǎn)生熱而不是光的一種類型的載流子重新組合。這種重新組合減少了器件的內(nèi)部量子效率，即，被激勵(lì)的電載流子轉(zhuǎn)化為有用的光子的效率。俄歇重新組合不容易產(chǎn)生，而是更多地在高電流水平發(fā)生，因?yàn)槠錇檩d流子濃度的三次冪的函數(shù)。增加阱厚度被認(rèn)為減小了阱中的載流子密度，這減小了俄歇重新組合發(fā)生的概率。俄歇重新組合被認(rèn)為是造成在LED被以高電流水平驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)生的量子效率中特性“降低”的原因。另外，較寬的阱可以產(chǎn)生從P-N結(jié)注入的少數(shù)載流子的較少的過注射，這可以進(jìn)一步提高載流子重新組合的效率。在外延生長階段和最后的制造器件階段制造和測試具有不同的阱結(jié)構(gòu)的多個(gè)LED器件。表I示出了阱的相對(duì)生長時(shí)間，其與阱的相對(duì)厚度相關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種基于III族氮化物的發(fā)光二極管，包括 基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層； 基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層；以及 位于基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層和基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的基于III族氮化物的有源區(qū)域，所述有源區(qū)域包括多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱層； 其中，所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層，所述第二阱層位于所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述第一阱層之間，并且所述第二厚度大于所述第一厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，響應(yīng)于被激勵(lì)，所述發(fā)光二極管發(fā)射具有小于大約30 nm的半峰全寬(FWHM)的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其中，由所述發(fā)光二極管發(fā)射的光具有小于大約 20 nm 的 FWHM。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述第一阱層具有第一帶隙，所述第二阱層具有第二帶隙，并且所述第一帶隙小于所述第二帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述第一阱層包括InxlGai_xlN，所述第二阱層包括Inx2Ga1^2N,并且X1>X2。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層具有隨著距所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的相應(yīng)厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層具有隨著距所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的相應(yīng)帶隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層包括InxGai_xN，其中X與相應(yīng)阱層的厚度成反比地變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層具有與相應(yīng)阱層的厚度成比例變化的相應(yīng)帶隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層包括InxGai_xN，其中0〈X〈1，并且所述多個(gè)阱層具有銦成分，所述銦成分隨著距所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層具有從阱層到阱層大約線性減小的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一多個(gè)阱層和具有第二厚度的第二多個(gè)阱層。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一多個(gè)阱層和第二多個(gè)阱層，所述第二多個(gè)阱層具有從所述第一厚度向所述第二厚度增大的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光二極管，其中，所述第二多個(gè)阱層具有從所述第一厚度到所述第二厚度大約線性增大的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管，其中，所述第二多個(gè)阱層位于所述第一多個(gè)阱層與所述P-N結(jié)之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)阱層包括第一多個(gè)阱層和具有第二厚度的第二多個(gè)阱層，所述第一多個(gè)阱層具有從第一厚度向所述第二厚度增大的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管，其中，所述第一多個(gè)阱層具有從所述第一厚度到所述第二厚度大約線性增大的厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管，其中，所述第二多個(gè)阱層位于所述第一多個(gè)阱層與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少大約18%。
20.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大大約25%。
21.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述阱層包括銦，并且其中所述第一阱層中的銦成分大于所述第二阱層中的銦成分。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)光二極管，其中，所述阱層中的銦成分在大約O.05到大約O. 5之間變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，還包括位于所述阱層中相應(yīng)阱層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層包括在第一阱層上且位于所述第一阱層與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第一勢壘層，以及在第二阱層上且位于所述第二阱層與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第二勢壘層，其中所述第一勢壘層比所述第二勢壘層厚。
24.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，還包括位于所述多個(gè)阱層中相應(yīng)阱層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層具有隨著距所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而增大的厚度。
25.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，還包括位于所述阱層的相應(yīng)阱層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層包括在第一阱層上且位于第一阱層與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第一勢壘層，以及在第二阱層上且位于所述第二阱層與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層之間的第二勢壘層，其中所述第二勢壘層比所述第一勢壘層厚。
26.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，還包括位于所述多個(gè)阱層中相應(yīng)阱層上的多個(gè)勢壘層，所述多個(gè)勢壘層具有隨著距所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層的距離而減小的厚度。
27.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述有源區(qū)域包括多個(gè)阱組，所述阱組中的每個(gè)包括 基于III族氮化物的阱支撐層，其中所述基于III族氮化物的阱層位于所述阱支撐層上；以及 位于所述基于III族氮化物的阱層上的基于III族氮化物的阱覆蓋層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的發(fā)光二極管，其中，所述阱支撐層與所述阱覆蓋層的組合厚度從大約50I到大約400 I。
29.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管，其中，所述阱層具有從大約10X到大約50 i的厚度。
30.一種基于III族氮化物的發(fā)光二極管，包括 基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層； 基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層，所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層形成P-N結(jié)；以及 與所述P-N結(jié)相鄰的基于III族氮化物的有源區(qū)域，所述有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱； 其中，所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層，所述第二阱層位于所述P-N結(jié)與所述第一阱層之間，并且所述第二厚度大于所述第一厚度。
31.一種形成基于III族氮化物的發(fā)光二極管的方法，包括 設(shè)置基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層； 在所述基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層上設(shè)置基于III族氮化物的有源區(qū)域，所述有源區(qū)域包括包含相應(yīng)的阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱；以及在所述有源區(qū)域上設(shè)置基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層； 其中，所述多個(gè)阱層中的第一層具有第一厚度，所述多個(gè)阱層中的第二層具有第二厚度，所述多個(gè)阱層中的第二層形成在所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述多個(gè)阱層中的第一層之間，并且所述第二厚度大于所述第一厚度。
32.一種基于III族氮化物的發(fā)光二極管，包括 基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層； 與所述基于P型III族氮化物的半導(dǎo)體層形成P-N結(jié)的基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層；以及 位于所述基于η型III族氮化物的半導(dǎo)體層上的基于III族氮化物的有源區(qū)域，所述有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱； 其中，多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層，所述第二厚度大于所述第一厚度；并且 其中，所述發(fā)光二極管響應(yīng)于被激勵(lì)而發(fā)射具有小于大約30 nm的半峰全寬(FWHM)的光。
33.一種基于III族氮化物的發(fā)光二極管，包括 第一發(fā)光阱層，所述第一發(fā)光阱層具有第一厚度并且構(gòu)造成當(dāng)通過使電流流過其中而被激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生具有第一主波長的光；以及 第二發(fā)光阱層，所述第二發(fā)光阱層具有不同于第一厚度的第二厚度并且構(gòu)造成當(dāng)通過使電流流過其中而被激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生具有第二主波長的光； 其中，所述第一主波長不同于所述第二主波長只是大約10 nm。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的基于III族氮化物的發(fā)光二極管，其中，所述第一主波長不同于所述第二主波長只是大約5 nm。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的基于III族氮化物的發(fā)光二極管，其中，所述第一主波長不同于所述第二主波長只是大約2. 5 nm。
36.一種產(chǎn)生光的方法,包括 使電流流過包括第一阱層和第二阱層的發(fā)光器件的有源層，其中所述第一阱層構(gòu)造成在第一電流密度處具有增加的內(nèi)部量子效率，而所述第二阱構(gòu)造成在不同于所述第一電流密度的第二電流密度處 具有增加的內(nèi)部效率。
全文摘要
一種基于III族氮化物的發(fā)光二極管，包括基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層、與基于p型III族氮化物的半導(dǎo)體層形成P-N結(jié)的基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層、以及位于基于n型III族氮化物的半導(dǎo)體層上的基于III族氮化物的有源區(qū)域。有源區(qū)域包括包含相應(yīng)阱層的多個(gè)順次層疊的基于III族氮化物的阱。所述多個(gè)阱層包括具有第一厚度的第一阱層和具有第二厚度的第二阱層。第二阱層位于P-N結(jié)與第一阱層之間，并且第二厚度大于第一厚度。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102822995SQ201180017819
公開日2012年12月12日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者M.J.伯格曼, D.C.德里斯科爾, A.查文, P.肯圖-阿列漢德羅, J.伊貝森 申請人:克里公司