[发明专利]配置为发射多个波长的光的半导体发光器件

说明书

本发明涉及半导体发光器件的生长技术与器件结构。

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)和边缘发射激光器的半导体发光器件是当前可用 的最有效的光源之一。当前在制造能够在可见光谱范围内工作的高亮度 发光器件时令人感兴趣的材料系统包括III V族半导体，特别是镓、铝、 铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称为III族氮化物材料。典型 地，由金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或 其他外延生长技术，通过在合适的衬底上外延生长不同成分和掺杂浓度 的半导体层的叠层来制造III族氮化物发光器件。该叠层通常包括形成 在衬底上的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、形成在n型层上的发光 或有源区以及形成在有源区上的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。 形成在导电衬底上的III族氮化物器件可以具有形成在器件的相对侧面 上的p和n触点。通常，在绝缘衬底上制造III族氮化物器件，其中两 种触点处于器件的相同侧面上。

根据本发明的实施例，III族氮化物结构包括与掩模层中的开口对应 的多个半导体材料的柱形物。每个柱形物包括发光层。每个发光层位于 n型区和p型区之间。位于第一柱形物中的第一发光层被配置为与位于 第二柱形物中的第二发光层相比发射不同波长的光。在一些实施例中， 通过控制柱形物的直径来控制每个发光层所发射的波长，从而可以形成 没有荧光(phosphor)转换的发射白光的器件。

图1示出了具有生长在纹理化层上的应变减轻的发光层的发光器件 的一部分。

图2示出了具有生长在应变减轻层(其生长在纹理化层上)上的发 光层的发光器件的一部分。

图3示出了具有生长在掩模上的发光层的发光器件的一部分。

图4示出了具有生长在一组半导体材料的柱形物内的发光层的发光 器件的一部分。

图5示出了具有生长在接合层(其生长在一组半导体材料的柱形物 上)上的发光层的发光器件的一部分。

图6和图7示出了具有生长在多组半导体材料的柱形物上的发光层 并且具有与n型和p型材料区电绝缘的电阻材料的发光器件的部分。

图8示出了已经除去生长衬底的倒装芯片发光器件的一部分。

图9是封装的发光器件的分解图。

图10和图11示出了具有生长在多面体(其生长在掩模中的开口上) 上的保角(conformal)发光层的发光器件的部分。

半导体发光器件的性能可以通过测量内量子效率来测定，其测量提 供给器件的每个电子在该器件中产生的光子数。随着施加到常规III族 氮化物发光器件上的电流密度的增加，器件的内量子效率开始时增加， 然后减小。随着电流密度增加过零(past zero)，内量子效率增加，在 给定电流密度(例如，对于一些器件，在大约10A/cm²处)处达到峰值。 随着电流密度增加超过该峰值，内量子效率开始时下降很快，然后在更 高的电流密度处(例如，对于一些器件，超过200A/cm²时)下降减慢。

减小或逆转高电流密度处的量子效率的下降的一种技术是形成较 厚的发光层。例如，被配置为发出450nm的光的发光层优选地比厚。较厚的发光层中的电荷载流子密度可以小于量子阱中的电荷载流子 密度，这可以减少非辐射复合所丢失的载流子数，从而增加外量子效率。 但是，由于III族氮化物器件层中的应变，厚的III族氮化物发光层的生 长是困难的。

由于天然的III族氮化物生长衬底一般来说很昂贵、不是广泛可用 的并且对于生长商业器件是不实用的，因此III族氮化物器件常常生长 在蓝宝石或SiC衬底上。这样的非天然衬底的晶格常数与生长在衬底上 的III族氮化物器件层的体晶格常数不同，从而导致生长在衬底上的III 族氮化物层中的应变。在这里使用的“平面”晶格常数是指器件内的层的 实际晶格常数，并且“体”晶格常数是指给定成分的松弛、独立的材料的 晶格常数。层中的应变的量是形成特定层的材料的平面晶格常数和器件 中该层的体晶格常数之差除以该层的体晶格常数。