具有琥珀色到红色光发射（＞600nm）的III族氮化物半导体光发射设备以及用于制作所述设备的方法技术

一种III族氮化物半导体光发射设备，其并入了n型III族氮化物覆层、含铟III族氮化物光发射区、以及p型III族氮化物覆层。光发射区被夹在n‑和p‑型III族氮化物覆层之间，并且包括多个多量子阱（MQW）集合。在n型覆层上形成的第一MQW集合包括相对较低的铟浓度。第二MQW集合包括相对中等的铟浓度。与p型覆层相邻的第三MQW集合并入了三个MQW集合中相对最高的铟浓度，并且能够发射琥珀色到红色光。前两个MQW集合被用作预应变层。在MQW集合之间，添加中间应变补偿层（ISCL）。前两个MQW集合和ISCL的组合防止相位分离并且增强第三MQW集合中的铟摄取。作为结果，第三MQW集合保持足够高的铟浓度以发射高输出功率的琥珀色到红色光，而没有任何相位分离相关联的问题。

III nitride semiconductor light emitting device with amber to red light emission (> 600nm) and method for manufacturing the device

A III group of nitride semiconductor optical emission equipment is incorporated into the N type III nitride layer, the indium containing III nitride light emission area, and the P type III nitride coating. The light emission region is sandwiched between N and P type III nitride coatings and consists of multiple multiple quantum wells (MQW) assemblies. The first MQW set formed on the N type coating includes relatively low indium concentration. The second MQW collection includes relatively medium indium concentration. The third MQW set adjacent to the P cladding is integrated into the three MQW set with the highest indium concentration and can emit amber to red light. The first two MQW sets are used as pre strain layers. An intermediate strain compensation layer (ISCL) is added between the MQW sets. The combination of the first two MQW sets and ISCL prevents phase separation and enhances indium uptake in the third MQW collection. As a result, the third MQW collection maintains a high enough indium concentration to emit a high output power of amber to red light, without any related problem of phase separation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有琥珀色到红色光发射（＞600nm）的III族氮化物半导体光发射设备以及用于制作所述设备的方法对相关申请的交叉引用本申请要求2015年10月8日提交的、申请号为62/239,122的美国临时专利申请以及2016年10月6日提交的、申请号为15/287,384的美国专利申请的权益。本专利技术的背景1.
本文中的专利技术一般地涉及一种在琥珀色到红色区中发射可见光的III族氮化物半导体光发射设备。公开了一种用于制造所述设备的方法。2.现有技术现有技术的基于III族氮化物的蓝光发射结构、诸如光二极管（LED）和激光二极管（LD）（为了简明的缘故，LED和LD在本文中可以各自被称为LED）以超过80%的峰值外部量子效率（EQE）而在商业上可得到。在绿光谱区中操作，现有技术LED的EQE下降到蓝色LED的EQE的一半以下。III族氮化物半导体光发射器的EQE非常突然地下降得甚至更多，因此朝向琥珀色和红色光谱区。存在对于III族氮化物光发射器中效率损失的两个常见原因：（1）在III族氮化物光发射结构的InGaN和GaN层之间的大的晶格失配，其中在针对较长波长所需要的高得多的铟浓度的情况下，可混溶性变得突出；以及（2）在c平面极性GaN上生长的InGaNQW不可避免地遭受由强压电场所导致的量子禁闭斯塔克效应（QCSE），其进而造成辐射重组率的降低，尤其是在其中需要较高铟浓度的长波长区中。尽管难以在III族氮化物光发射设备、诸如例如LED中实现基于InGaN的长波长（以大于600nm的波长的琥珀色到红色），这样的设备是非常合期望的，以便实现单个芯片、固态照明和单片多色光调制设备，参考[1]。此外，由于与其它长波长光发射结构、诸如基于AlInGaP材料系统的光发射器的带隙偏移相比更高的带隙偏移，基于InGaN的光发射结构、诸如LED和LD的设备性能不太取决于温度。另外，基于GaN的红色波长发射型LED材料结构有益地与基于GaN的蓝色和绿色LED温度膨胀相匹配，这使得它与使用晶片接合来创建多色固态光发射器的基于GaN的堆叠式LED光发射结构相兼容，参考[2-4]。因而，基于InGaN的长波长光发射结构、诸如LED和LD在许多应用中可以是优越的。在现有技术的领域内，沿着晶态c轴生长的基于InGaN的红色波长光发射器、诸如LED或LD全部展现“相位分离”（对于本领域技术人员也已知为铟离析），这是由于拙劣的材料品质所致，参见例如R.Zhang等人在公开号为20110237011A1、题为“MethodforformingaGaN-basedquantumwellLEDwithredlight”的美国专利申请中的以及Jong-llHwang等人在题为“DevelopmentofInGaN-basedredLEDgrownon(0001)polarsurface”的App.Phys.Express7,071003(2015)中的内容。该相位分离将自身表现为光谱上较短波长区中的一个或多个额外的发射峰值，这不可避免地降低颜色纯度，如在图2(b)和(c)中所示。因此，用于增加铟并入而同时不损害材料品质和设备性能的途径对于实现长波长发射、琥珀色到红色、基于III族氮化物的光发射结构（诸如LED和LD）是关键的。本文中公开的方法和设备为用于在固态照明、显示系统、以及需要大于600nm波长固态光发射器的许多其它应用中使用的高性能、长波长的III族氮化物半导体光发射设备铺平道路。附图说明在下文中，将参考附图描述各种实施例，其中贯穿若干视图，相同的参考标符指明相同或类似的部分。图1是根据本公开内容的III族氮化物半导体LED设备10的说明性、但非限制性实施例的一部分的横截面视图。图2a是一图表，其图示了图1的以30mA的电流注入发射琥珀色和红色光的III族氮化物半导体LED设备10的EL光谱。插图示出了图1的在短波长光谱区内、以30和100mA注入电流的琥珀色和红色这二者LED10的EL光谱。图2b示出了在现有技术：公开号为20110237011A1的美国专利申请中的光致发光（PL）光谱。图2c示出了在现有技术：App.Phys.Express7,071003(2015)中的取决于电流的EL光谱。图3是一图表，其图示了针对图1的发射红光的III族氮化物半导体LED设备10的作为电流的函数的输出功率和相对EQE（在晶片上配置中执行的测量）。图4是一图表，其图示了针对图1的发射红光的III族氮化物半导体LED设备10的作为电流的函数的峰值波长移位和半极大处全宽度（FWHM）。图5是一图表，其图示了针对图1的发射琥珀色光的III族氮化物半导体LED设备10的作为电流的函数的输出功率和相对EQE。图6是一图表，其图示了针对图1的发射琥珀色光的III族氮化物半导体LED设备10的作为电流的函数的峰值波长移位和FWHM。具体实施方式本专利技术涉及长波长光发射的、基于III族氮化物的半导体光发射结构（诸如LED、LD），其借助于在外延生长过程期间操纵所述结构的光发射活性区内的晶态应变而被构造。在本文中并且无限制地，本专利技术的III族氮化物半导体光发射器结构在LED设备结构的上下文内被说明，然而，本领域技术人员将认识到如何将本专利技术的方法应用到其它III族氮化物半导体光发射器——无限制地包括LD——的设计。本专利技术公开了一种构造不遭受过度相位分离并且因而能够以高光谱纯度来发射琥珀色到红色光的、基于III族氮化物的光发射结构（诸如LED或LD）的创新方法。本专利技术的附加优点和其它特征在随后的描述中被阐明，并且部分地对于查阅以下的本领域普通技术人员将变得显而易见，或可以从本专利技术的实践中被学习到。如在对本申请要求优先权的任何申请的后续权利要求中特别指出的那样，可以实现和获得多个优点。根据本专利技术的一个实施例，在III族氮化物半导体发光二极管（LED）结构中，第一覆层由n型III族氮化物半导体层组成。光发射活性区在包含III族氮化物层的、包括铟的n型覆层上被形成。p型AlGaN在充当电子阻挡层（EBL）的光发射活性区上被形成。然后，第二p型III族氮化物覆层在AlGaN层上被形成。根据本专利技术的另外的实施例，III族氮化物光发射器的光发射区包括多个多量子阱（MQW）集合，所述多个多量子阱集合由一个或多个中间应变补偿层（在下文中被称为ISCL）分离用以最小化晶态应变。所述多个MQW集合和/或ISCL可以竖直地堆叠在衬底的表面上，从而在衬底上形成MQW集合的多层堆叠。所述多层堆叠可以包括：具有较低铟浓度的包括GaN/InGaN的第一MQW集合，具有中等铟浓度并且高于第一MQW集合的铟浓度的包括GaN/InGaN的第二MQW集合，以及具有能够发射期望的琥珀色到红色波长光的最高铟浓度的包括GaN/InGaN的第三MQW集合。前两个MQW集合用于在III族氮化物光发射结构的上述III族氮化物半导体层上产生预应变效应。然而，在本文中，具有可变铟浓度的多于两个MQW集合可以用于生成与在本公开内容中作为非限制性示例被展现的两个MQW集合所做的等同的预应变效应。另外，AlGaN层被插入作为中间应变补偿层（ISCL）以最小化光发射区中的总应变。通过两个（在本示例性实施例中）或更多预应变MQW本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种III族氮化物半导体LED，包括：被堆叠在衬底上的多个多量子阱集合；第一多量子阱集合与衬底相邻并且具有低铟浓度；在第一多量子阱集合上方的每个多量子阱集合具有逐渐增加的铟浓度；顶部多量子阱集合具有被选择成发射琥珀色到红色光的最高铟浓度；并且相邻的多量子阱集合被AlxGa1‑xN (0

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.08 US 62/239122;2016.10.06 US 15/2873841.一种III族氮化物半导体LED，包括：被堆叠在衬底上的多个多量子阱集合；第一多量子阱集合与衬底相邻并且具有低铟浓度；在第一多量子阱集合上方的每个多量子阱集合具有逐渐增加的铟浓度；顶部多量子阱集合具有被选择成发射琥珀色到红色光的最高铟浓度；并且相邻的多量子阱集合被AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层分离，每个AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层在相应AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层上方和下方具有屏障层以降低顶部多量子阱集合中的总应变。2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体LED，此外包括：在第一多量子阱集合下方的屏障层；在顶部多量子阱集合上方的电子阻挡层；在电子阻挡层上方的覆层；以及在覆层上方的接触层。3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体LED，其中第一和第二多量子阱集合生成预应变效应。4.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体LED，其中堆叠在衬底上的多个多量子阱集合包括堆叠在衬底上的三个或更多个多量子阱集合。5.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中具有低铟浓度的第一多量子阱集合具有不大于17%的铟浓度。6.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中在第一多量子阱集合和顶部多量子阱集合之间的多量子阱集合具有大于20%的铟浓度。7.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中顶部多量子阱集合具有大于30%的铟浓度。8.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层中的Al浓度是变化的，其中最靠近衬底的AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层具有比其它AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层更高的Al浓度。9.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层中至少一个中的Al浓度在该层内以连续变化的分立梯级而变化。10.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体LED，其中在相应AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层上方和下方的屏障层中的每一个由GaN组成，并且多量子阱集合中的每一个由InGaN组成。11.一种形成III族氮化物半导体LED的方法，包括：通过以下来在衬底上形成具有多个多量子阱集合的活性区：在衬底上形成具有铟浓度的第一多量子阱集合；在第一多量子阱集合上形成至少一个附加的多量子阱集合，在每个附加的多量子阱集合的形成之前在先前的多量子阱集合上形成AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层；并且顶部多量子阱集合具有比第一多量子阱集合更高的铟浓度。12.根据权利要求11所述的方法，其中顶部多量子阱集合的铟浓度被选择用于发射琥珀色到红色光。13.根据权利要求11所述的方法，其中多量子阱集合的数目至少是3。14.根据权利要求13所述的方法，此外包括：在每个AlxGa1-xN(0<x≤1)中间应变补偿层上方和下方形成屏障层，并且其中屏障层中的每一个由GaN组成，并且多量子阱集合中的每一个由InGaN组成；最靠近衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：YCM叶，HS艾戈劳里，X李，JC陈，庄奇理，
申请(专利权)人：奥斯坦多科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US