在ＳｉＣ衬底上形成的ＧａＮ基ＬＥＤ制造技术

本申请公开了一种发光二极管。该二极管包括：具有第一导电类型的碳化硅衬底（２１）；位于ＳｉＣ衬底之上的、导电类型与衬底相同的第一氮化镓层（２５）；在ＧａＮ层（２７）上的、由选自ＧａＮ、ＩｎＧａＮ和ＡｌＩｎＧａＮ的多个交替层重复系列形成的超晶格；位于超晶格上、导电类型与第一ＧａＮ层相同的第二ＧａＮ层（３０）；第二ＧａＮ层上的多量子阱（３１）；多量子阱上的第三ＧａＮ层；位于第三ＧａＮ层（３２）上、导电类型与衬底和第一ＧａＮ层相反的接触结构；对ＳｉＣ衬底的欧姆接触；和对接触结构的欧姆接触。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请要求2001年6月15日申请的序列号为No.60/298,835、名称为“发射紫外光的二极管”的临时申请的优先权。本专利技术涉及发光二极管(LEDs)，尤其涉及由III族氮化物构成、发射电磁频谱中的紫外(UV)光部分的发光二极管。本申请涉及下列同时待审的申请，这里全部引入作为参考2001年5月30日申请的序列号为No.60/294,445、名称为“多发量子阱发光二极管结构”；2001年5月30日申请的序列号为No.60/294,308、名称为“具有多量子阱及超晶格结构的发光二极管结构”；和2000年11月3日申请的序列号为No.09/706,057、名称为“具有无镓层的III族氮化物发光器件”。
技术介绍
本专利技术涉及发光二极管。如本领域普通技术人员所理解的，在其最基本的形式中，发光二极管由一种或者多种半导体材料构成，包括至少一个p-n结(二极管)，并且当电流流过(注入)该器件时发射特定颜色的光(光子)。由于发光二极管由半导体材料制成，因此它们代表一组“固态”器件；即那些以固态组合物形成的电气或者电子器件，它们不需要像较早一代的电子装置例如真空管那样使电子流过气体或者真空。在不断增加的大量电子应用中，由于固态器件提供的相对的低成本、高可靠性、小尺寸、轻重量以及派生的优点，人们必然优选这种固体器件。尤其是，发光二极管几乎出现在各种类型的器件中。近年来，发射可见频谱中蓝色光部分的发光二极管的获得又扩展了发光二极管的应用。除了本身提供蓝光之外，具有适当波长(大约455-492纳米)的蓝色LEDs可以与其它基本颜色(红色和绿色，这两种颜色通常比蓝色更广泛存在)的LEDs结合，以便形成多种可见光颜色的组合，以用于多种目的。实际上，发光二极管中所有三基色的获得已经提供了白光固态产品(即所有基色的组合)制备的可能性，并且这种器件逐渐在消费市场以及其它商业领域逐渐能够得到。本领域技术人员应进一步理解，LED产生的颜色取决于大量的因素，但主要取决于所使用的半导体材料的带隙，所述半导体材料经常与各种掺杂方案结合，包括补偿掺杂方案。然而，所用的材料是基本的因素，因为材料的全带隙代表能够产生光子的能量跃迁的限制因素。因此，具有较小带隙的材料不能产生具有足够能量(和相应波长及频率)以便落入可见频谱的较高能量(蓝色和紫色)部分的光子。尤其是，为了产生蓝色光子，材料必须至少具有2.5eV的带隙(例如对于492nm的光子来说)，仅相当少的半导体材料满足这样的标准。它们是III族氮化物、碳化硅(SiC)和金刚石。尽管在蓝色LEDs中大量的注意力和成功都集中于碳化硅基器件，但III族氮化物由于它们的直接发射而不是间接发射的特性已经引起更新和更大的注意。简单地说，直接发射产生包含有所有带隙跃迁能量的光子，而间接发射只发射一些作为光子的跃迁能量和一些振动能量(声子)。因此，在LED中，直接跃迁比间接跃迁更有效。此外，在某种程度上，III族氮化物材料的带隙能够通过氮化物的原子成份进行调整。因此，通常以氮化镓、氮化铝、氮化铟的组合以及这些材料的各种三重和三元形式形成发射蓝光的二极管。尤其是，氮化铟镓是引人注意的候选材料，这是因为其带隙能够通过调整存在的铟含量而调整。尽管蓝色LED已经扩展了LED的应用领域，但由于其它、更普遍的原因，在某种程度上其使用局限在白光的产生。例如，为了由红-绿-蓝组合产生白光，灯或者像素必须包括红色LED、蓝色LED和绿色LED。此外，当将三个LEDs组装到器件中时，产生所需要的电路和物理设置以便容纳和操作三个LEDs比单色LEDs更复杂。因此，近来已经将注意力集中于将单色LEDs与荧光和磷光材料组合使用，以便由单个的LEDs产生需要的颜色。尽管许多材料以荧光或者磷光的方式响应于可见频谱中的光，由此会响应可见光的LEDs，但更趋于响应频谱的紫外部分中较高能量的光子。此外，某些可见光的LED-荧光物质组合出现了一些具体的缺点。例如，来自蓝色LED的相对高能量的光子将在很多材料中产生磷光，包括白光的磷光。然而，由于蓝色LED激发磷光，因此该光内总是趋于含有蓝色成份，这在特定的应用中是不希望的。因此，作为荧光或者磷光发光的激发源，使用紫外(UV)LEDs更引起人们的注意。理论上，发射适当波长和频率的单个UV LED能够从附加的荧光物质发射适当的白光。从不同角度上说，通过引入荧光物质，单个的UV LED能够产生与使用单独的红色、绿色和蓝色LEDs相同的白光。目前的例子包括，对于液晶显示器件例如蜂窝电话显示器的可能的背光。此外，由单个LEDs产生白光在包括室内和室外照明的许多应用中都提供了好处。此外，制造和改进能够以有效和令人满意的方式发射频谱的UV部分的光的发光二极管仍然是所需的目标。专利技术目的和专利技术综述因此，本专利技术的目的是提供一种发光二极管，该发光二极管能够产生电磁频谱中的紫外部分的频率，并且能够结合到相关器件和装置中，包括使用与LED相结合的磷光物质以产生白光的器件。本专利技术通过一种发光二极管实现上述目的，该发光二极管发射电磁频谱中的UV部分的光。在另一个方案中，本专利技术是LED与适当的磷光物质的组合，以便得到发射白光的器件。在再一个方案中，本专利技术是制造UV发光二极管的方法。基于下面结合附图的详细描述，本专利技术的上述和其它的目的和优点以及实现本专利技术的方式将是显而易见的，其中附图的简要说明附图说明图1是基本形式的发光二极管的示意图，作为现有技术的举例； 图2是本专利技术的发光二极管的截面示意图；图3是图2所示器件的超晶格部分的扩展截面图；图4是图2所示器件的多量子阱部分的放大截面示意图；图5是说明多量子阱功能的简化带隙示图；图6是根据本专利技术的二极管的发射波长与固定厚度的氮化铟镓量子阱中铟的百分比之间关系的示意图；图7发射波长与氮化铟镓量子阱中对于固定的铟百分比来说量子阱的厚度之间关系的示意图；和图8是根据本专利技术的发光二极管的说明性部分的更全面的带隙示图。优选实施例的详细描述图1是现有技术中简单的常规LED的截面示意图。LED10由衬底11和形成p-n结的各个n和p型外延层12和13构成。在衬底11导电的情况下，欧姆接触14和15完成了该器件。与本专利技术共同转让的美国专利Nos.4,918,497和5,027,168中提出了例举的形成在具有普通相似结构的碳化硅中的蓝色LED。在使用碳化硅的器件中，衬底11通常是n型的，与第一外延层12一样。顶部外延层13是p型。如在上面的专利和很多其它专利中提到的，碳化硅作为衬底的优点之一是其被导电性掺杂的能力，以便允许图1所示的器件垂直定位。如本领域所使用的，术语“垂直”表明将欧姆接触14和15设置在器件的相对端部，使得电流能够以端部-至-端部的方式流过器件，而不是像在使用非导电衬底例如蓝宝石的LEDs中那样横向流过器件。在其最简单的工作方式中，当电流流过LED10时，来自层12和13的空穴和电子复合，以光子的形式释放能量。当器件的带隙或者其它方面(例如补偿掺杂)限定了适当的能量间隙时，光子将在电磁频谱的可见光部分，因此形成可见光。当然，以相同的方式，较小的能量跃迁能够产生较低能量的光子，落入频谱的红外部分，较大能量的跃迁能够如本专利技术那样产生较高能量的光子，落入频谱的蓝色、紫色和紫外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管，包括：具有第一导电类型的碳化硅衬底；所述ＳｉＣ衬底之上、导电类型与所述衬底相同的第一氮化镓层；所述ＧａＮ层上、由选自ＧａＮ、Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ其中０＜ｘ＜１和Ａｌ↓［ｘ］Ｉｎ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｘ－ｙ］Ｎ其中０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｘ＋ｙ＜１的交替层的多个重复系列构成的超晶格；所述超晶格上、导电类型与所述第一ＧａＮ层相同的第二ＧａＮ层；所述第二ＧａＮ层上的多量子阱；所述多量子阱上的第三ＧａＮ层；所述第三ＧａＮ层上、导电类型与所述衬底和所述第一ＧａＮ层相反的接触结构；对所述ＳｉＣ衬底的欧姆接触；和对所述接触结构的欧姆接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2001-6-15 60/298,8351.一种发光二极管，包括具有第一导电类型的碳化硅衬底；所述SiC衬底之上、导电类型与所述衬底相同的第一氮化镓层；所述GaN层上、由选自GaN、InxGa1-xN其中0＜x＜1和AlxInyGa1-x-yN其中0＜x＜1；0＜y＜1；0＜x+y＜1的交替层的多个重复系列构成的超晶格；所述超晶格上、导电类型与所述第一GaN层相同的第二GaN层；所述第二GaN层上的多量子阱；所述多量子阱上的第三GaN层；所述第三GaN层上、导电类型与所述衬底和所述第一GaN层相反的接触结构；对所述SiC衬底的欧姆接触；和对所述接触结构的欧姆接触。2.根据权利要求1的LED，其中所述SiC衬底是SiC的6H多型。3.根据权利要求1的LED，其中所述SiC衬底是SiC的4H多型，用于避免紫外波长中不希望的吸收。4.根据权利要求1的LED，其中所述SiC衬底和所述第一GaN层具有n型导电性。5.根据权利要求1的LED，其进一步包括所述SiC衬底上的缓冲层，用于提供所述LED的所述衬底和其余部分之间的晶体和电子过渡。6.根据权利要求5的LED，其中所述缓冲层包括AlxGa1-xN，其中1≥x≥0。7.根据权利要求5的LED，其中所述缓冲层包括所述SiC衬底表面上的多个GaN点。8.根据权利要求5的LED，其中用AlxGa1-xN帽覆盖所述SiC衬底表面上的所述GaN点，其中1＞x＞0。9.根据权利要求5的LED，其进一步包括所述超晶格和所述缓冲层之间的Si3N4的不连续层，用于减小趋于在所述衬底中产生的缺陷的蔓延。10.根据权利要求1的LED，其中所述超晶格包括多个GaN和InxGa1-xN交替层周期，其中0＜x＜1。11.根据权利要求1的LED，其中所述超晶格包括2个和50个周期之间的所述交替层。12.根据权利要求10的LED，其中所述InxGa1-xN层大约15埃厚，且所述GaN层大约30埃厚，并且其中两个所述层都是用硅掺杂的n型。13.根据权利要求1的LED，其中所述超晶格包括多个周期的InxGa1-xN和InyGa1-yN的交替层，其中0＜x＜1和0＜y＜1，并且x不等于y。14.根据权利要求1的LED，其中所述超晶格由多个周期的AlxGa1-xN和AlyGa1-yN的交替层构成，其中0＜x＜1和0＜y＜1，并且x不等于y。15.根据权利要求1的LED，其中所述第二GaN层包括掺杂部分和未掺杂部分，用于防止多量子阱不希望地被掺杂。16.根据权利要求15的LED，其中所述第二GaN层的所述掺杂部分与所述超晶格紧邻，且所述第二GaN层的所述未掺杂部分与所述多量子阱紧邻。17.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括多个由InxGa1-xN层和GaN层构成的基本结构的重复，其中0＜x＜1。18.根据权利要求17的LED，其中至少一个所述InxGa1-xN层是未掺杂的。19.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括InxGa1-xN和InyGa1-yN的交替层，其中1≥x≥0和1≥y≥0，并且 x不等于y。20.根据权利要求19的LED，其中所述InxGa1-xN和所述InyGa1-yN层中的至少一层是未掺杂的。21.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括InxGa1-xN其中0＜x＜1且AlxInyGa1-x-yN其中0＜x＜1且0＜y＜1且0＜x+y＜1的交替层。22.根据权利要求21的LED，其中至少一个所述InxGa1-xN层是未掺杂的。23.根据权利要求17的LED，其中在所述交替的InxGa1-xN中x大约等于0.15。24.根据权利要求17的LED，其中所述MQW中所述GaN层中至少一层包括掺杂GaN的第一部分和未掺杂GaN的第二部分，所述未掺杂部分与所述未掺杂InxGa1-xN层的至少之一紧邻。25.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括至少三个量子阱。26.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括至少五个量子阱。27.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱包括至少七个量子阱。28.根据权利要求25的LED，其中每个所述阱的厚度不超过大约50埃。29.根据权利要求25的LED，其中每个所述阱的厚度大约为25埃。30.根据权利要求17的LED，其中在所述多量子阱中的所述InxGa1-xN层中，0＜x＜0.3。31.根据权利要求17的LED，其中在所述多量子阱中的所述InxGa1-xN层中，0＜x＜0.15。32.根据权利要求17的LED，其中x的值使得所述多量子阱产生电磁频谱中紫外区的光子。33.根据权利要求19的LED，其中x和y的值使得所述多量子阱产生电磁频谱中紫外区的光子。34.根据权利要求20的LED，其中x的值使得所述多量子阱产生电磁频谱中紫外区的光子。35.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱发射在大约370nm和420nm之间的峰值波长。36.根据权利要求1的LED，其中所述接触结构包括p型GaN接触层。37.根据权利要求36的LED，其中所述接触结构进一步包括至少一层与所述p型GaN接触层相邻并且相对于所述p型接触层与所述欧姆接触相对的AlxGa1-xN层。38.根据权利要求36的LED，其中所述接触结构包括所述第三GaN层上的未掺杂AlxGa1-xN层，0＜x＜1；和所述未掺杂的AlxGa1-xN层上的p型AlxGa1-xN层，0×1。39.根据权利要求1的LED，其中所述第三GaN层是用镁掺杂的，以便产生p型导电性。40.根据权利要求1的LED，其中所述第三GaN层是用硅掺杂的，以便产生n型导电性。41.根据权利要求4的LED，其中所述接触结构包括p型AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1。42.根据权利要求4的LED，其中所述接触结构包括p型InxGa1-xN层，其中0＜x＜1。43.根据权利要求4的LED，其中所述接触结构包括p型III族氮化物超晶格。44.根据权利要求1的LED，其中所述多量子阱发射电磁频谱的紫外部分的光，并且进一步包括响应于紫外辐射的磷光物质，该磷光物质响应于所述多量子阱发射的紫外光子而产生可见光子。45.一种像素，包括发射红光的二极管；发射绿光的二极管；和根据权利要求1的发光二极管。46.一种显示器，包括多个根据权利要求45的像素。47.一种LED灯，包括根据权利要求45的像素。48.一种LED，包括由SiC的4H多型构成的、具有n型导电性的SiC衬底；所述SiC衬底上的AlxGa1-xN缓冲层，其中0＜x＜1；所述SiC衬底上面的、导电类型与所述衬底相同的第一GaN层；所述第一GaN层上、由GaN和InxGa1-xN交替层的多个重复周期构成的超晶格，其中0＜x＜1；所述超晶格上、导电类型与所述第一GaN层相同的第二GaN层；所述第二GaN层上的多量子阱；所述多量子阱上的第三GaN层；所述第三GaN层上、导电类型与所述SiC衬底和所述第一GaN层相反的接触结构；对所述SiC衬底的欧姆接触；和对所述接触结构的欧姆接触。49.根据权利要求48的LED，其中所述缓冲层包括所述SiC衬底表面上的多个GaN点。50.根据权利要求49的LED，其中用AlxGa1-xN帽覆盖所述GaN点，其中0＜x＜1。51.根据权利要求48的LED，其进一步包括在所述超晶格和所述缓冲层之间的Si3N4的不连续层，用于减小趋于在所述衬底中产生的缺陷的蔓延。52.根据权利要求48的LED，其中所述超晶格包括在两个和五十个周期之间的GaN和InxGa1-xN的所述交替层。53.根据权利要求48的LED，其中所述InxGa1-xN层大约15埃厚，且所述GaN层大约30埃厚，且两层都是n型。54.根据权利要求48的LED，其中所述第二GaN层包括掺杂部分和未掺杂部分，所述未掺杂部分用于防止多量子阱被不希望地掺杂。55.根据权利要求54的LED，其中所述第二GaN层的所述掺杂部分与所述超晶格紧邻。56.根据权利要求54的LED，其中所述第二GaN层的所述未掺杂部分与所述多量子阱紧邻。57.根据权利要求48的LED，其中所述多量子阱包括多个由InxGa1-xN层和GaN层构成的基本结构的重复，其中0＜x＜1。58.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：DT埃默森，AC阿贝尔，MJ伯格曼，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]