[发明专利]生长在刃型位错模板上的Ⅲ族氮化物器件

说明书

背景

发明领域

本发明涉及用于半导体发光器件的生长技术和器件结构。

相关技术描述

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是目前可获得的最高效光源之一。在能够跨越紫外、可见以及可能的红外光谱工作的高亮度发光器件的制造中，当前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，其也称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光器件是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或者其它合适衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制作。该叠层经常包括形成在衬底之上的例如掺Si的一个或多个n型层、形成在该一个或多个n型层之上的有源区内的一个或多个发光层、以及形成在该有源区之上的例如掺Mg的一个或多个p型层。电学接触形成于n型和p型区上。这些III族氮化物材料对于诸如场效应晶体管(FET)和探测器的其它光电子器件以及电子器件而言也是引人关注的。

发明内容

依据本发明的实施例，半导体发光器件包括纤维锌矿III族氮化物半导体结构，此纤维锌矿III族氮化物半导体结构包括布置在n型区和p型区之间的发光层。模板层和位错弯曲层在该发光层之前生长。该模板层生长为使得该模板层内的位错的至少70％是刃型位错。该模板层内的刃型位错的至少一些延续到该位错弯曲层内。该位错弯曲层生长为具有与该模板层不同量值的应变。在该模板层和该位错弯曲层之间的界面处的应变改变导致该模板层内的刃型位错的至少一些在该位错弯曲层内弯曲到不同的取向。生长在弯曲的刃型位错之上的半导体材料可呈现减小的应变。

附图说明

图1为根据本发明实施例的包括刃型位错模板的半导体结构的截面图。

图2示出诸如蓝宝石的纤维锌矿结构数个主晶面。

图3示出生长衬底已经从其中除去的倒装芯片发光器件的一部分。

图4示出纤维锌矿晶体中的螺型、刃型和混合位错。

图5为已封装的发光器件的分解图。

具体实施方式

半导体发光器件的性能可以通过测量外量子效率来测定，该外量子效率测量对于供应到器件的每个电子，从器件提取的光子的数目。随着施加到常规III族氮化物发光器件的电流密度增大，器件的外量子效率最初增大，随后减小。当电流密度增大超过0时，外量子效率增大，在给定电流密度(例如，对于某些器件，在约10A/cm²)达到峰值。当电流密度增大超过峰值时，外量子效率最初快速下降，随后在更高的电流密度处(例如，对于某些器件，超过200A/cm²)，该减小减慢。当发光区域中的InN组分增大时以及当发射光的波长增大时，器件的量子效率也减小。

由于天然III族氮化物生长衬底一般是昂贵的，不是广泛可获得的，且对于商用器件的生长而言是不实际的，所以III族氮化物器件经常生长在蓝宝石(Al₂O₃)或SiC衬底上。这些非天然衬底具有与生长在该衬底上的III族氮化物器件层不同的晶格常数、不同的热膨胀系数、以及与器件层不同的化学和结构属性，从而在III族氮化物器件层内引起应变。器件层内特别是发光层内的应变可能是电流密度增大时量子效率减小的一个原因。

本文所使用的“面内”晶格常数是指器件内的层的实际晶格常数，以及“弛豫”或“体”晶格常数是指给定组分的弛豫的自支撑材料的晶格常数。层内应变量在等式(1)中定义。

应变＝ε＝(a_面内-a_弛豫)/a_弛豫          (1)