專利名稱：發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體器中的一種制造技術(shù)，尤其是指包含有量子井或具應(yīng)變層的量子井的發(fā)光二極管。
近年來，發(fā)光二極管的應(yīng)用日漸廣泛，各式發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的改良也相繼被研究開發(fā)，較為先進的高效率發(fā)光二極管，通常都以雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。一個傳統(tǒng)式的雙異質(zhì)包含有上下兩限制層以及界于其間的活性層。由于上層限制層的電阻甚高，使得電流的流散極為有限，因而限制了此類發(fā)光二極管的發(fā)光效率。為了增高發(fā)光二極管的亮度和效率，有許多不同的改良結(jié)構(gòu)及技術(shù)被研究推出，改良的方式大致上都集中在以導電性的窗戶層成長在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)上，來增強電流的流散。美國專利5,008,718提出以高能隙的透明材料作為窗戶層以提高發(fā)光效率。另一個美國專利5,359,209則推出以一層低能隙高導電的材料再加一層高能隙的材料，同時使用了兩層窗戶層更進一步地改良了雙異質(zhì)與窗戶層之間界面結(jié)構(gòu)的接合，也降低了整個窗戶層的電阻，從而更提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率。雖然發(fā)光二極管的效率已經(jīng)在各種改良技術(shù)下提高了許多，但其缺陷密度還不低以及應(yīng)用還不普及。
本發(fā)明的目的在于提出一種以量子井或具應(yīng)變量子井結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)雙異結(jié)構(gòu)中的活性層，或在發(fā)光二極管的基板和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間加入了一層分散式布拉格反射層所組成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，它具有發(fā)光強度大，亮度與電流的線性度變好等特性，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案在于其主要結(jié)構(gòu)是一個具有第一導電型的砷化鎵基板，該基板的背面有第一電極；一個成長于基板上的第一導電型磷化鋁鎵銦限制層；一個成長于限制層上的多重量子井結(jié)構(gòu)，該量子井結(jié)構(gòu)包含有由磷化鋁鎵銦組成的多重量子井層和障壁層；一個具有第二導電型的磷化鋁鎵銦限制層成長于該量子井結(jié)構(gòu)上；一個具有兩層材料所組成的第二導電型窗戶層結(jié)構(gòu)形成在第二導電型的限制層上，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第一層較薄，其材料為低能隙高導電性的半導體材料，它可以是砷化鎵或磷化銦鎵材料，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第二層較厚，其組成為高能隙透光的磷化鎵并摻入少量的銦；以及一個在窗戶層結(jié)構(gòu)上的第二電極。
上述的量子井結(jié)構(gòu)，其兩旁各有一層固定組成的間隔層，這種間隔層可以是固定組成，或線性漸變組成，也可以是拋物線方式的漸變組成?？梢栽诹孔泳畬釉O(shè)計一定的應(yīng)變量，或量子井層與障壁層兩者同時具有應(yīng)變，也可以只在障壁層加入應(yīng)變。
本發(fā)明另一方案，也可以在發(fā)光二極管的基板和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間加入一層分散式布拉格反射層。
本發(fā)明的優(yōu)點在于發(fā)光二極管的量子效率高，尤其是低電流部分、發(fā)光強度大，發(fā)光二極管的發(fā)光強度與電流的關(guān)系也有很好的線性度，另一優(yōu)點是二極管的半波寬變得窄，此外，本發(fā)明的發(fā)光二極管的亮度衰減度較低，以及由于在窗戶層結(jié)構(gòu)中的磷化鎵材料加入了銦，所以減少了其中的差排缺陷密度，因此本發(fā)明具有實用性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2為本發(fā)明與傳統(tǒng)式發(fā)光二極管的發(fā)光強度與電流的關(guān)系圖。
圖3為以620nm波長為中心的傳統(tǒng)式二極管的亮度對波長的關(guān)系圖。
圖4為以620nm波長為中心的本發(fā)明二極管的亮度對波長的關(guān)系圖。
圖5為本發(fā)明與傳統(tǒng)式發(fā)光二極管的相對亮度與使用時間的比較圖。
圖6為本發(fā)明的多重量子井結(jié)構(gòu)的設(shè)計之一，多重量子井結(jié)構(gòu)的兩旁各有一層固定組成的間隔層。
圖7為本發(fā)明的多重量子井結(jié)構(gòu)的另一設(shè)計，其中間隔層是線性漸變組成。
圖8為本發(fā)明多重量子井結(jié)構(gòu)的又一種設(shè)計，其中間隔層為拋物線方式漸變組成。
圖9為本發(fā)明的發(fā)光二極管的另一種結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中包含分散式布拉格反射層。
現(xiàn)在結(jié)合上述各附圖來進一步說明本發(fā)明的一個較佳具體實施例，如圖1所示，本發(fā)明的發(fā)光二極管是在一帶第一導電型的砷化鎵基板(1)上，成長一帶第一導電型的磷化鋁鎵銦限制層(n型)(201)，然后接著成長一多重量子井結(jié)構(gòu)(3)，此一多重量子井結(jié)構(gòu)是由量子井層(301)(Welllayer)以及障壁層(302)(Barrier layer)所組成。本發(fā)明的量子井層和障壁層都是由磷化鋁鎵銦(AlXGa1-X)InP材料所構(gòu)成，其中鋁含量在量子井層中是X＝0到X＝0.5之間，而在障壁層中的鋁含量則是在X＝0.3到X＝1之間，視發(fā)光二極管的波長而定。至于此量子井層及障壁層結(jié)構(gòu)的厚度則在10A到500A之間。量子井結(jié)構(gòu)之上則繼續(xù)成長一層帶有第二導電型的磷化鋁鎵銦限制層(P型)(202)，最后再成長發(fā)光二極管的窗戶層(4)，兩電極(7)分別設(shè)于基板的背面及窗戶層的上面。如圖1所示，本發(fā)明的窗戶層結(jié)構(gòu)由兩層帶第二導電型的材料組成，第一層(401)是較薄的低能隙而高導電性的材料，第二層(402)為較厚的高能隙而透光的材料。較薄的第一層低能隙高導電性的材料可以是砷化鎵或磷化銦鎵等材料；較厚的第二層高能隙而透光的材料則采用摻入少量銦的磷化鎵。因為銦在磷化鎵里具有雜質(zhì)硬化(impurity hardening)的效果，使得磷化鎵材料內(nèi)的差排缺陷密度降低。
由于采用了多重量子井結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)光二極管的量子效率顯著提高，尤其是低電流部分的量子效率大約增加了三倍左右，在20mA的操作條件下，發(fā)光二極管的發(fā)光效率也較傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強了1.5到2倍之間。由于量子效率特性的改良，發(fā)光二極管的發(fā)光強度與電流的關(guān)系也有更良好的線性度，如圖2所示的發(fā)光強度與電流的關(guān)系曲線圖，很明顯的在低電流時，本發(fā)明的發(fā)光強度大為提高。本發(fā)明的另一優(yōu)點是發(fā)光二極管的半波寬較傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管的半波寬來得窄，以波長為620nm的磷化鋁鎵銦發(fā)光二極管為例，圖3與圖4分別顯示了以620nm為波長的傳統(tǒng)式雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管以及本發(fā)明的多重量子井結(jié)構(gòu)二極管的亮度對波長的關(guān)系曲線圖。傳統(tǒng)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半波寬約為17nm，而本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的半波寬則約為14nm。在595nm波長的磷化鋁鎵銦二極管中，采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半波寬約為15nm，而本發(fā)明結(jié)構(gòu)的半波寬則約為13nm。由于量子井結(jié)構(gòu)或具應(yīng)變層的量子井結(jié)構(gòu)的輻射發(fā)光效率高，且鋁含量在活性層內(nèi)較低，使得本發(fā)明的發(fā)光二極管的亮度衰減度也較低，圖5所示的曲線中，比較了本發(fā)明與傳統(tǒng)式雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管在長時間之后的相對亮度的變化情況，可以明顯看出本發(fā)明的這一優(yōu)點。
上述本發(fā)明的多重量子井結(jié)構(gòu)，在設(shè)計上可以有多種的變化，而都能達到同樣的效果。圖6至圖8揭示了幾種不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)。圖6中的設(shè)計是在多重量子井結(jié)構(gòu)二邊采用固定組成的間隔層(501)；圖7的設(shè)計也可采用線性漸變組成間隔層(502)。圖8的設(shè)計還可以是用拋物線方式漸變組成的間隔層(503)。此外，活性層也可采用具應(yīng)變的多重量子井結(jié)構(gòu)，可以在量子井層設(shè)計一定的應(yīng)變量，此應(yīng)變量可以是縮應(yīng)變(Compressive strain)也可以是張應(yīng)變(tensile Strain)，也可以同時在量子井層及障壁層都加入應(yīng)變，例如在量子井層加入壓縮應(yīng)變而障壁層加入張應(yīng)變，而使得整個多重量子井結(jié)構(gòu)的應(yīng)變相互補償。當然也可以只在障壁層加入應(yīng)變或是間隔層加入應(yīng)變來達到上述的效果。
本發(fā)明還提出一種上述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的改良，如圖9所示，這一改良結(jié)構(gòu)是在一帶第一導電型的砷化鎵基板(1)上，先成長一帶第一導電型的分散式布拉格反射層(6)(Distributed Bragg Reflector)，接著再成長一帶第一導電型的磷化鋁鎵銦限制層(n型)(201)，然后成長一多重量子井結(jié)構(gòu)(3)，接著再成長一帶第二導電型P型(202)且由二層材料組成的如前述的窗戶層(4)結(jié)構(gòu)。這一改良結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，由于加入了分散式布拉格反射層，使得發(fā)光強度又較前述第一種結(jié)構(gòu)提高了1.5到2倍，因此這種再改良結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的亮度較傳統(tǒng)式的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管可說是增加了2.25到4倍的亮度。
綜上所述，本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)由于采用了多重量子井或是應(yīng)變層的多重量子井結(jié)構(gòu)，使得發(fā)光二極管的發(fā)光強度顯著提高，發(fā)光強度與電流之間的線性度變好，也使得發(fā)光二極管的半波寬變窄。在窗戶層結(jié)構(gòu)中的磷化鎵材料加入了銦，減少了其中的差排缺陷密度，而且量子井的結(jié)構(gòu)又使亮度衰減率降低，從而使得本結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的壽命也增長。本發(fā)明的二極管結(jié)構(gòu)只需采用有機金屬源氣相外延(DMVPE)一次磊晶成長即可完成。其它傳統(tǒng)式的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)均需要采用兩次有機金屬源氣相外延磊晶成長，或需采用有機金屬源氣相外延與氣相外延(VPE)或液相外延(LPE)技術(shù)相結(jié)合，或以晶片熔合(Wafer fusing orWafer bonding)技術(shù)相結(jié)合，因此在生產(chǎn)技術(shù)上本發(fā)明也相對較為簡單，生產(chǎn)的成本也較低。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其特征在于它包含有一個具有第一導電型的砷化鎵基板，該基板的背面有第一電極；一個成長于基板上的第一導電型磷化鋁鎵銦限制層；一個成長于該限制層上的多重量子井結(jié)構(gòu)，該量子井結(jié)構(gòu)包含有由磷化鋁鎵銦(AlGa)InP組成的多重量子井層和障壁層；一個具有第二導電型的磷化鋁鎵銦限制層形成于該量子井結(jié)構(gòu)上；一個具有兩層材料組成的第二導電型窗戶層結(jié)構(gòu)形成在第二導電型的限制層上，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第一層較薄，其材料為低能隙高導電性的半導體材料，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第二層較厚，其組成為高能隙透光的磷化鎵并摻入少量的銦；以及一個在該窗戶層結(jié)構(gòu)上的第二電極。
2.按照權(quán)利要求1所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的量子井結(jié)構(gòu)，其兩旁各有一層固定組成的間隔層。
3.按照權(quán)利要求2所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的間隔層，也可以是線性漸變組成，還可以是拋物線方式漸變組成。
4.按照權(quán)利要求1所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的量子井結(jié)構(gòu)，可以是具應(yīng)變的多重量子井結(jié)構(gòu)，該量子井結(jié)構(gòu)中的量子井層或障壁層具有應(yīng)變，或量子井層與障壁層兩者同時具有應(yīng)變。
5.按照權(quán)利要求1所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的窗戶層結(jié)構(gòu)，其第一層半導體材料，可以是砷化鎵或磷化銦鎵材料。
6.一種發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其特征在于它包含有一個具有第一導電型的砷化鎵基板，該基板的背面具有第一電極；一個具有第一導電型的分散式布拉格反射層形成于該基板上；一層成長在該反射板的第一導電型磷化鋁鎵銦限制層；一個多重量子井結(jié)構(gòu)成長于該限制層上，該量子結(jié)構(gòu)包含有磷化鋁鎵銦(AlGa)InP組成的多重量子井層和障壁層；一個具有第二導電型的磷化鋁鎵銦限制層形成于該量子井結(jié)構(gòu)上；一個具有兩層材料的第二導電型窗戶層結(jié)構(gòu)在該第二導電型的限制層上，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第一層較薄，其材料為低能隙高導電性的半導體材料，該窗戶層結(jié)構(gòu)的第二層較厚，其組成為高能隙透光的磷化鎵并摻入少量的銦；以及一個在該窗戶層結(jié)構(gòu)上的第二電極。
7.按照權(quán)利要求6所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的量子井結(jié)構(gòu)兩旁各有一層間隔層。
8.按照權(quán)利要求7所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的間隔層，其組成可以是固定組成，線性漸變組成，也可以是拋物線方式漸變組成。
9.按照權(quán)利要求6所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的量子井結(jié)構(gòu)為具有應(yīng)變的多重量子井結(jié)構(gòu)，該量子井結(jié)構(gòu)的量子井層或障壁層，或量子井層與障壁層兩者同時具有應(yīng)變。
10.按照權(quán)利要求6所說的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的窗戶層，其結(jié)構(gòu)的第一層半導體材料可以是砷化鎵或磷化銦鎵材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體器件中的一種制造技術(shù)，其二極管的結(jié)構(gòu)包含一第一導電型的砷化鎵基板，基板上成長一第一導電型的磷化鋁鎵銦限制層，再成長一多重量子井結(jié)構(gòu)，接著成長一第二導電型的磷化鋁鎵銦限制層，最后成長一由兩層帶第二導電型的材料組成的窗戶層，該二極管結(jié)構(gòu)的一種變化是在成長第一導電型限制層前先成長一第一導電型的分散布拉格反射層，再成長限制層。本發(fā)明發(fā)光強度大和發(fā)光衰減率低，因此具有實用性。
文檔編號H01L33/00GK1137689SQ9510592
公開日1996年12月11日 申請日期1995年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月2日
發(fā)明者黃國欣, 陳澤澎 申請人:黃國欣, 陳澤澎