一种半导体发光器件包括设置在衬底上的半导体层结构。层结构包括置于第一层和第二层之间的有源区。一个或更多个空腔存在于层结构中，每个空腔与穿透位错相对应，并从层结构的上表面至少延伸穿过第二层和有源区。去除穿透位错所在处的材料提供了对穿透位错用作非辐射中心的趋势的有效抑制，由此改善了器件的光输出效率。该器件可以通过在一个或更多个穿透位错的部位处选择性蚀刻层结构以在所述部位或每个部位处形成引导空腔的第一步骤来制造。应用第二蚀刻步骤，以增加每个引导空腔的深度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及缺陷密度减小的半导体发光器件领域，更具体地，涉及一种半导体发光器件，例如发光二极管，其中从p-n结和有源区去除缺陷，于是导致高的光输出效率。本专利技术还涉及一种制造这种半导体发光器件的方法。
技术介绍
发光二极管(LED)及其它半导体发光器件，例如激光二极管，是众多应用的关键部件，这些应用包括液晶显示器用的背光单元、汽车用的前照灯或普通照明。例如，基于氮化物半导体的蓝光和绿光LED(即，LED发射波长在蓝光或绿光的光谱区内)广泛应用于这些应用中。然而，这种LED的性能可能会由于存在穿透位错(threading dislocation)而严重下降，因为穿透位错可以成为非辐射中心。这些穿透位错是LED晶体中一直穿过器件结构的线性缺陷。沉积在非同质(non native)衬底(例如蓝宝石、硅、碳化硅...)上的基于氮化物的LED通常表现出每单位面积的高密度穿透位错，典型地大约108-109cm_2。因此， 期望降低LED结构中穿透位错的密度，或将它们的影响最小化以提高光输出效率。用于降低LED中缺陷密度的已有方法是使用具有低位错密度的衬底例如自支撑 (free-standing) GaN (参见X.A. Cao et al.，Appl. Phys. Lett. 84，4313，2004)，或使用外延层过生长(ELOG)方法生长的衬底(参见US专利公布2002/0022290)。ELOG衬底或自支撑 GaN衬底中的缺陷密度可以减小到105-106cm_2。然而，这种衬底当前是非常昂贵的，且无法在大晶片尺寸上应用。这些方法因此不适于大规模使用。美国专利7，399，684中描述了用于制备低缺陷密度衬底的第二种方法，其中使用优先蚀刻(preferential etching)方法去除了缺陷。该方法包括在衬底上生长外延层， 然后对衬底的整个表面进行在非原位(ex-situ)蚀刻，以使得优先蚀刻该层的缺陷，最后在经过蚀刻的外延层和衬底上生长后续的外延材料层，以在衬底上形成LED结构。然而，该方法需要使用者停止LED的外延生长，从生长室取出LED晶片并执行蚀刻步骤。经过蚀刻的晶片之后送回生长室，并重新开始生长过程。这是耗费时间的，且不希望停止LED的生长， 因为其可能在后续层的生长过程中引入新的缺陷。T. Y. Park et al.在 Electrochemical and Solid-state Letters，12 (1) D3-D6(2009)中描述了用于抑制穿透位错的影响的第三种方法，该方法使用LED的上表面 (例如，P-GaN表面)的化学蚀刻来对表面区附近的深施主-受体对的效应进行中和。作者报道，在正向偏压和反向偏压下缺陷导致的漏电流减小，且由于注入效率的增强而提高了光输出功率。然而，缺陷仅仅在LED的表面处被去除，且之后仍旧存在于LED的内部，尤其是量子阱有源区中。因此，辐射复合效率仍旧受到缺陷存在的显著影响。Z. Fang et al.在 Journal of Applied Physics 106,023517(2009)中描述另一种方法，该方法包括在外延生长过程中使用原位选择性蚀刻步骤以在InGaN量子阱中位错周围蚀刻出坑。该方法的优点是增加了发光效率，如由作者所报道的那样。然而，该原位蚀刻技术并未减小有源区上方外延层中的位错密度，并在LED的外延生长中增加了复杂的步4骤。最后，最后一种方法包括防止载流子到达包含穿透位错缺陷的区域，而不是减小 LED 结构的缺陷密度。例如，M. Y. Hsieh et al.在 IEEE journal of quantum electronics vol. 44，no. 5，May 2008中所描述的一种方法是在LED中制造hGaN-GaN多量子阱纳米棒结构。该方法包括在LED顶部上沉积纳米颗粒掩膜，然后使用干法蚀刻工艺蚀刻样品穿过有源区来形成纳米棒。纳米棒的尺寸约为600nm高、直径lOOnm。该专利技术的优点在于由纳米棒提供对量子阱有源区中载流子的额外约束，于是，载流子不太可能移动至包含缺陷的有源区区域中且之后进行非辐射性复合。然而，制作纳米棒需要去除很大部分的LED区域，导致有源区的面积减小，并因此导致总的光输出强度减小。穿透位错仍然可以存在于纳米棒的一部分中，因为纳米棒的位置与LED顶部处的位错位置并非是对齐的。US 2009/0029493涉及在发光器件中存在位错缺陷，并涉及与位错相关联的“坑”。 其提出通过提供合适的“坑开放层”来开放(open)坑。所述器件的有源区于是生长在“坑开放层”上，使得有源区的层可以延伸到开放坑中。US 2006/019209提出在衬底上生长层结构，之后在该结构中衬底具有高平均位错密度的区域中形成“槽”，使得器件仅仅存在于衬底中具有低平均位错密度的区域处。US 6，3 ，667提出在层结构的生长过程中去除缺陷部位处的材料。所述结构在有源层生长之后从生长反应器中取出，使得有源层能够被蚀刻以形成凹陷或坑。在蚀刻过程之后，衬底送回至生长反应器以进行后续层的生长。该方法具有以上结合美国专利 7，399，684列出的缺点。EP 1，267，422提出一种方法，其总体上类似于在US 6，3 ，667中提出的方法，这也需要打断生长过程以允许在位错部位处蚀刻部分生长的结构。与US 6，3 ，667相比，EP 1，267, 422还提出在有源层上生长低温AlGaN阻挡层71，然后再取出部分生长的结构以进行蚀刻，以防止当器件结构在蚀刻之后送回至反应器时hGaN层劣化。该方法也具有以上结合美国专利7，399，684列出的缺点。
技术实现思路
本专利技术的第一方面提供了一种半导体发光器件，包括衬底；置于衬底上的半导体层结构，包括置于衬底上的第一层、第二层以及置于第一层和第二层之间用于光发射的有源区；和层结构中的一个或更多个空腔，所述空腔或每个空腔与总体延伸穿过层结构的至少第一类型的相应穿透位错相对应，且所述空腔或每个空腔从层结构的上表面延伸穿过至少第二层和有源区。由于空腔延伸穿过有源区，并因此延伸穿过层结构中在有源区上方的层(其中位于有源区“上方”的层位于有源区与衬底相反的一侧)，本专利技术与比现有技术相比对穿透位错用作非辐射中心的趋势提供了有效得多的抑制(在现有技术中仅仅在器件表面处或仅仅在有源区处去除缺陷)，由此得到表现出改进光发射效率的发光器件。在层结构中不存在穿透位错的部位处，可以不形成空腔。在层结构中存在第二类型的穿透位错的部位处，可以不有意地形成空腔。在层结构中可能存在多于一种类型的位错(例如，氮化物材料中存在三种不同类型的穿透位错， 即螺旋式、混合式和边缘式穿透位错)，且在本专利技术应用于这种层结构的情况下，本专利技术可以去除层结构中存在的所有类型位错，或者替代地，本专利技术可以去除仅仅一种或更多种选定类型的位错而使至少一种其他类型的位错不受影响或基本上不受影响。例如，在本专利技术应用于氮化物层结构的情况下，可以设置成去除仅仅一种类型的穿透位错、仅仅两种类型的穿透位错或所有三种类型的穿透位错。如果仅仅需要从层结构去除某种类型的穿透位错，这可能是有利的。例如，在本专利技术应用于氮化物层结构的情况下，可能期望仅仅去除纯螺旋式穿透位错，因为它们被认为是LED本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒂姆·迈克尔·斯密顿，马修·泽维尔·先尼，陈伟新，瓦莱里·贝里曼博斯奎特，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：
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