[發明專利]半導體發光器件及其制造方法

無效

• 申請號: 201110273975.8
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102403427A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 蒂姆·邁克爾·斯密頓;馬修·澤維爾·先尼;陳偉新;瓦萊里·貝里曼-博斯奎特
• 申請（專利權）人: 夏普株式會社
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02;H01L33/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及缺陷密度減小的半導體發光器件領域，更具體地，涉及一種半導體發光器件，例如發光二極管，其中從p-n結和有源區去除缺陷，于是導致高的光輸出效率。本發明還涉及一種制造這種半導體發光器件的方法。

背景技術

發光二極管(LED)及其它半導體發光器件，例如激光二極管，是眾多應用的關鍵部件，這些應用包括液晶顯示器用的背光單元、汽車用的前照燈或普通照明。例如，基于氮化物半導體的藍光和綠光LED(即，LED發射波長在藍光或綠光的光譜區內)廣泛應用于這些應用中。然而，這種LED的性能可能會由于存在穿透位錯(threading?dislocation)而嚴重下降，因為穿透位錯可以成為非輻射中心。這些穿透位錯是LED晶體中一直穿過器件結構的線性缺陷。沉積在非同質(non?native)襯底(例如藍寶石、硅、碳化硅...)上的基于氮化物的LED通常表現出每單位面積的高密度穿透位錯，典型地大約10⁸-10⁹cm^-2。因此，期望降低LED結構中穿透位錯的密度，或將它們的影響最小化以提高光輸出效率。

用于降低LED中缺陷密度的已有方法是使用具有低位錯密度的襯底例如自支撐(free-standing)GaN(參見X.A.Cao?et?al.，Appl.Phys.Lett.84，4313，2004)，或使用外延層過生長(ELOG)方法生長的襯底(參見US專利公布2002/0022290)。ELOG襯底或自支撐GaN襯底中的缺陷密度可以減小到10⁵-10⁶cm^-2。然而，這種襯底當前是非常昂貴的，且無法在大晶片尺寸上應用。這些方法因此不適于大規模使用。

美國專利7,399,684中描述了用于制備低缺陷密度襯底的第二種方法，其中使用優先蝕刻(preferential?etching)方法去除了缺陷。該方法包括：在襯底上生長外延層，然后對襯底的整個表面進行在非原位(ex-situ)蝕刻，以使得優先蝕刻該層的缺陷，最后在經過蝕刻的外延層和襯底上生長后續的外延材料層，以在襯底上形成LED結構。然而，該方法需要使用者停止LED的外延生長，從生長室取出LED晶片并執行蝕刻步驟。經過蝕刻的晶片之后送回生長室，并重新開始生長過程。這是耗費時間的，且不希望停止LED的生長，因為其可能在后續層的生長過程中引入新的缺陷。

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錯的影響的第三種方法，該方法使用LED的上表面(例如，p-GaN表面)的化學蝕刻來對表面區附近的深施主-受體對的效應進行中和。作者報道，在正向偏壓和反向偏壓下缺陷導致的漏電流減小，且由于注入效率的增強而提高了光輸出功率。然而，缺陷僅僅在LED的表面處被去除，且之后仍舊存在于LED的內部，尤其是量子阱有源區中。因此，輻射復合效率仍舊受到缺陷存在的顯著影響。

Z.Fang?et?al.在Journal?of?Applied?Physics?106，023517(2009)中描述另一種方法，該方法包括在外延生長過程中使用原位選擇性蝕刻步驟以在InGaN量子阱中位錯周圍蝕刻出坑。該方法的優點是增加了發光效率，如由作者所報道的那樣。然而，該原位蝕刻技術并未減小有源區上方外延層中的位錯密度，并在LED的外延生長中增加了復雜的步驟。

最后，最后一種方法包括防止載流子到達包含穿透位錯缺陷的區域，而不是減小LED結構的缺陷密度。例如，M.Y.Hsieh?et?al.在IEEE?journal?of?quantum?electronics?vol.44，no.5，May?2008中所描述的一種方法是在LED中制造InGaN-GaN多量子阱納米棒結構。該方法包括：在LED頂部上沉積納米顆粒掩膜，然后使用干法蝕刻工藝蝕刻樣品穿過有源區來形成納米棒。納米棒的尺寸約為600nm高、直徑100nm。該發明的優點在于由納米棒提供對量子阱有源區中載流子的額外約束，于是，載流子不太可能移動至包含缺陷的有源區區域中且之后進行非輻射性復合。然而，制作納米棒需要去除很大部分的LED區域，導致有源區的面積減小，并因此導致總的光輸出強度減小。穿透位錯仍然可以存在于納米棒的一部分中，因為納米棒的位置與LED頂部處的位錯位置并非是對齊的。