[发明专利]生长在松弛层上的III族氮化物发光装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长在至少部分松弛的半导体层上的半导体发光装置。

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)、以及边发射激光器的半导体发光装置是当前可用的最有效的光源之一。在制造能够跨越可见光谱而操作的高亮度发光装置中，当前受关注的材料系统包括III-V族半导体、尤其是镓、铝、铟及氮的二元、三元及四元合金，也称为III族氮化物材料。通常，通过利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延法(MBE)或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它适当衬底上外延地生长不同组分及掺杂物浓度的半导体层堆叠而制造III族氮化物发光装置。该堆叠通常包括形成于该衬底上的例如用Si掺杂的一个或多个n型层，在形成于该n型层或多个n型层上的有源区中的一个或多个发光层，及形成于该有源区上的例如用Mg掺杂的一个或多个p型层。电接触形成在这些n型及p型区上。

如此处所使用的，“面内”晶格常数指的是装置内的层的实际晶格常数，并且“体”晶格常数指的是给定组分的松弛、独立材料的晶格常数。层中的应变量被限定为|a_in-plane – a_bulk|/a_bulk。

当III族氮化物装置常规地生长在蓝宝石上时，生长在该衬底上的第一结构一般是具有约3.189?或更小的面内a-晶格常数的GaN模板层。该GaN模板用作发光区的晶格常数模板，因为其为生长在模板层上的包括InGaN发光层的所有应变装置层设定晶格常数。由于InGaN的体晶格常数大于该常规GaN模板的面内晶格常数，所以该发光层当生长在常规GaN模板上时受到压缩应变。例如，经配置以发射约450nm的光的发光层可具有组分In_0.16Ga_0.84N，与GaN的晶格常数3.189?相比，In_0.16Ga_0.84N是具有3.242?的体晶格常数的组分。如在经设计以发射较长波长的光的装置中，随着在该发光层中的InN组分增加，在该发光层中的压缩应变也增加。

图1图示出在US 7,547,908中更详细地描述的LED的外延结构。常规低温成核层22直接生长在蓝宝石衬底20的表面上。成核层22通常是低质量、非单晶层，诸如在400℃和750℃之间的温度下生长至例如高达500?的厚度的非晶、多晶或立方相GaN层。第二低温层26是生长在成核层22上。低温层26可为低品质、非单晶层，诸如在400℃和750℃之间的温度下生长至高达500?的厚度的非晶、多晶或立方相III族氮化物层。低温层26可为InGaN，使得低温层26使包括InGaN发光层的装置层10的晶格常数增加至超过利用诸如常规GaN模板的常规成核结构可获得的晶格常数的范围。在一些例子中，低温层26是AlGaN或AlInGaN，使得低温层26减小由成核层22建立的晶格常数，以减小在UV装置的AlGaN发光区域中的拉伸应变。这样的装置的发光有源层可为例如AlGaN或AlInGaN。

发明内容

本发明的一个目的是提供有效地发射光的半导体发光装置。

在本发明的一些实施例中，一种装置包括：第一半导体层；第二半导体层；第三半导体层；以及半导体结构，其包括布置在n型区和p型区之间的III族氮化物发光层。该第二半导体层布置在该第一半导体层与该第三半导体层之间。该第三半导体层布置在该第二半导体层与该发光层之间。该第一半导体层的面内晶格常数与该第三半导体层的体晶格常数之间的差不大于1%。该第一半导体层的面内晶格常数与该第二半导体层的体晶格常数之间的差是至少1%。该第三半导体层是至少部分松弛的。

在一些实施例中，一种方法，包括：生长第一半导体层；生长第二半导体层；生长第三半导体层；以及生长包括布置在n型区和p型区之间的III族氮化物发光层的半导体结构。该第二半导体层布置在该第一半导体层与该第三半导体层之间。该第三半导体层布置在该第二半导体层与该发光层之间。该第一半导体层的面内晶格常数与该第三半导体层的体晶格常数之间的差不大于1%。该第一半导体层的面内晶格常数与该第二半导体层的体晶格常数之间的差是至少1%。该第三半导体层是至少部分松弛的。