高性能异质结构发光装置及方法

专利名称：高性能异质结构发光装置及方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体异质结构发光装置，更具体而言，涉及包括氧化锌基及氮 化镓基材料的发光装置的功率效率及性能的改进，以及与这样的装置有关的方法。
背景技术：
众所周知发光二极管(LED)装置可用来将电能转换成光能。传统LED具有层式结 构，包括至少n型半导体层区、有源半导体层区、及P型半导体层区。此结构可藉由多种不 同半导体材料沉积方法制造。氮化镓基的宽带隙半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物 (InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、铟铝镓氮化物(InAlGaN)，及氧化锌基的宽带隙半导体材料 比如氧化锌(ZnO)和氧化铍锌(BeZnO)已被使用以获得在紫外线(UV)及可见光谱区中的 发光发射。激光二极管(LD)是一种发光装置，其中光谱输出特征比较特别，包含但不局限于 一个或多个窄光谱的发射线。在传统发光装置中，电荷穿过有源半导体层区在电接触区之间流动。n型导电和p 型导电的电载子均存在于有源层区中，且由结合过程产生光。发光结构中的电载子响应于 产生于两电极之间的电场且响应于施加于该两电极的电压差而移动。每一电极对于半导体 层区形成电接触。有源层区由一个或多个层组成，且含有n型和p型两种载子。若有源层区 中的P型载子的浓度被降低，则装置的发光效率会变差，从而降低装置的功率效率和性能。 加大有源层区中的P型载子数量可提高发光装置的功率效率和性能。当有源层区中的P型 载子数量足以产生P型和n型电载子转换成光的高速率时，发光装置以较高功率效率和性 能工作。发光装置以高功率效率和性能工作的能力的增强会提高其功能且增加其可运用的 潜在应用的数量。对于发光装置改善电接触可提高装置的效率和性能。存在各种欧姆接触层结构 及用以形成改良欧姆接触层的各种材料，以减小对于发光装置中的层上的电极的电接触电 阻。举例来说，欧姆接触层可包括从下列物中选出但不局限于此的一层或多层氧化铟锡，氧化镓锌，及氧化铟锌。还存在各种电极结构及用于形成改良电极的各种材料，以减小对于发光装置中的 层上的电极的电接触电阻。举例来说，电极可采用金属元素或金属元素的组合、导电层、或 它们的一些组合。可替选地，发光结构也可采用由一种或多种元素或化合物组成的导电层 以加大电极有效面积，藉此改善电接触。可替选地，发光结构可采用由一种或多种金属元素 或化合物组成的且提高对于欧姆接触层的电接触的埋入式嵌入薄层。一般而言，在无机半导体材料内形成p型载子(空穴)比形成n型载子(电子) 困难。由氮化镓基的宽带隙半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮 化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置因为有源层区中p型载子(空 穴)浓度低于n型载子(电子)浓度的事实而在功率效率和性能方面受限。期望对于这样的装置的整体工作效率提供改善。根据本发明获得期望改善的方法将在下文说明。多种用于LED的层式结构见于或揭示于以下美国专利，这些专利的完整内容以引 用的方式并入本文中，就如同在本文中描述一样US 2003/0209723A1, SakaiUS 2005/0077537A1，Seong 等人US 2005/0082557A1，Seong 等人US 2007/0111354A1，Seong 等人。作为更进一步的背景，应注意到宽带隙半导体材料适合用于工作于高温的装置。 氧化锌是一种宽带隙材料，且其还具有良好的抗辐射特性。氧化锌宽带隙半导体薄膜当今 有具备足供半导体装置的制造的特性的n型和P型两种载子类型可用。此外，宽带隙半导 体合金材料适合用于高温的装置工作。氧化铍锌是一种宽带隙材料，且其也具有良好的抗 辐射特性。氧化铍锌宽带隙半导体薄膜当今有具备足供半导体装置的制造的特性的n型和 P型两种载子类型可用。此外，授权给White等人的美国专利第6，291，085号揭示一种p型掺杂氧化锌薄 膜，其中该薄膜可并入包含但不局限于LED和LD的半导体装置内。授权给White等人的美国专利第6，342，313号揭示一种p型掺杂金属氧化物薄 膜，其具有至少约1015个受体/cm3的净受体浓度，其中(1)该薄膜是从由下列族组成的群中选出的元素的氧化化合物第2族(铍、镁、 钙、锶、钡和镭)，第12族(锌、镉和汞)，第2和12族，及第12和16族(氧、硫、硒、碲和 钋)元素；且(2)其中p型掺杂剂是从由下列族组成的群中选出的元素第1族(氢、锂、钠、钾、 铷、铯和钫)，第11族(铜、银和金)，第5族(钒、铌和钽)及第15族(氮、磷、砷、锑和铋)元素。授权给White等人的美国专利第6，410，162号揭示一种p型掺杂氧化锌薄膜，其 中P型掺杂剂从第1、11、5、15族元素选出，并且，其中该薄膜并入包括LED和LD的半导体 装置内。此专利还揭示一种P型掺杂氧化锌薄膜，其中P型掺杂剂从第1、11、5、15族元素 选出，并且，其中该薄膜并入半导体装置内当作衬底材料以与该装置内的材料晶格匹配。
授权给Ryu等人的PCT申请序号PCT/US06/02534揭示能带间隙高于氧化锌的能 带间隙的(铍、锌和氧)合金，以及能带间隙低于氧化锌的能带间隙的(锌、镉、硒、硫、氧) 合金。该申请还揭示P型掺杂的(铍、锌和氧)合金，即BeZnO合金；及(锌、镉、硒和氧) 合金，即ZnCdSeO合金，具有至少约1015个受体/cm3的净受体浓度，其中(l)p型掺杂剂是从由下列族组成的群中选出的元素第1族(氢、锂、钠、钾、铷、 铯和钫)，第11族(铜、银和金)，第5族(钒、铌和钽)及第15族(氮、磷、砷、锑、铋)元 素；(2)该p型掺杂剂包括砷；且(3)合金层并入包含但不局限于LED和LD的半导体装置内。以上引用文献中的每个的完整内容以引用的方式并入本文中，且如同全文并入构 成本专利申请的一部分。本领域技术人员会理解包括异质结构的发光装置可提高装置的功率效率和性能。 能以高效率和高性能工作的异质结构发光装置很适合用在许多商业和军事部门，包括但不 限于诸如一般照明、白光源、LED、LD、通讯网路、及传感器等领域。需要一种异质结构发光装置，其可由至少两种宽带隙半导体材料比如p型氧化锌 基材料、P型氧化铍锌合金材料、n型氮化镓基材料、n型铟镓氮化物、及n型铝镓氮化物制 造，且具有沉积在P型氮化镓基覆层上的P型氧化锌基空穴注入层区，用以在装置工作期间 将空穴载子注入氮化镓基有源层区内，藉此在装置工作期间提高该有源层区内的空穴载子 浓度，以在功能、装置效率及光功率输出方面获得更好性能。该P型氧化锌基空穴注入层的 组合物可经选择以提高该装置的效率及发光输出功率的性能。可在该发光装置中形成其它 层以提高性能。还需要一种异质结构发光装置，其可由至少两种宽带隙半导体材料比如p型氧化 锌基材料、P型氧化铍锌合金材料、n型氮化镓基材料、n型铟镓氮化物、及n型铝镓氮化物 制造，且具有沉积在P型氮化镓基覆层上的P型氧化锌基空穴注入层区用以在装置工作期 间将空穴载子注入氮化镓基有源层区内，藉此在装置工作期间提高该有源层区内的空穴载 子浓度，且此装置具有沉积在该P型氧化锌基空穴注入层区上的欧姆接触层区以在功能、 装置效率及光功率输出方面获得更好性能。该P型氧化锌基空穴注入层的组合物可经选择 以提高该装置的效率及发光输出功率的性能。该欧姆接触层区可包括从下列物(但不局限 于此)选出的一层或多层氧化铟锡，氧化镓锌，及氧化铟锌。可在该发光装置中形成其它 层以提高性能。

发明内容
本发明解决这些需求以及其它方面。在一实施例中，本发明提出一种层式异质结 构，其用于提高发光装置的功能和效率，且具有用于高效率和高功率工作的特殊能力。本发明的一实施例提出一种异质结构发光装置，其包括氮化镓基和氧化锌基半导 体层式结构，该结构包括至少衬底、氮化镓基n型覆层区、氮化镓基有源层区、氮化镓基p型 覆层、P型氧化锌基层区及欧姆接触层。电引线形成至n电极和p电极焊盘。所形成的装 置是发光装置。根据本发明的层式异质结构发光装置的一实施例使用包括多种半导体材料的半导体层式区域。作为发光装置的一示例，P型氧化锌基半导体层区提供充分紧邻该装置的 氮化镓基有源层区的P型载子(空穴)源，使得该氮化镓基有源层区中的P型(空穴)载 子的浓度在装置工作期间提高，藉此提高该装置的效率和功率性能。在本发明的一实施例中，被定位在形成于氮化镓基有源层区上的p型氮化镓基覆 层区上的P型氧化锌基半导体层式区域是可在装置工作期间注入该氮化镓基有源层区内 的空穴载子的来源，藉此提高该发光装置的效率和功率性能。因此，该P型氧化锌基半导体 层区具有空穴注入源层区的功能。在一实施例中，该P型氧化锌基半导体层区被形成为介 于约0. lnm至2000nm间的厚度。在本发明的一实施例中，氧化铟锡层用作欧姆接触层，藉此提高装置的效率和功 率性能。因此，P型氧化锌基半导体层区不是欧姆接触层区。欧姆接触层区被形成为介于 约0. lnm至2000nm间的厚度。在本发明的一实施例中，该装置还可包含被形成且定位在p型氧化锌基空穴注入 层区与欧姆接触层区之间的埋入插层，以改善欧姆接触，该插层的组合物由包含但不限于 下列元素当中选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、 Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该插层被形成为介于约0. lnm至lOOnm间的厚度。在本发明的一实施例中，该装置还可包含被形成且定位在欧姆接触层区上的埋入 插层，以改善欧姆接触，该插层的组合物由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种 TtM^LS^ :Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、C￡i、Ru、Re、Ti、T￡i、N￡i/S La。 i亥 插层被形成为介于约0. lnm至lOOnm间的厚度。p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提高该装置的效率及光功率输出 的性能。在不限制本发明的范围的情况下，本发明的其它实施例、示例、实施或方面可采用 或提供下述一项或多项(1)用作p型氧化锌基半导体层区的铍、锌和氧合金(BeZnO合金)。(2)用作p型氧化锌基半导体层区的铍、镁、锌、和氧合金(BeMgZnO合金)。(3)用作半导体层区的(II族元素、锌和氧)合金。(4)用作p型氧化锌基半导体层区的BeMgZnO合金，其中镁可用来提高相邻层之间 的晶格匹配。(5)用作p型氧化锌基半导体层区的锌、镉、硒、硫和氧合金(ZnCdSeSO合金)。(6)用作p型氧化锌基半导体层区的锌、镉、硒、硫、铍和氧合金(BeZnCdSeSO合 金)，其中铍可用来提高相邻层之间的晶格匹配。(7)欧姆接触层区可覆盖p型氧化锌基半导体层区的全部或一部分。(8)各层可外延生长以提高装置性能。本发明的上述及其它实施例、示例、实施和方面将在下文结合附图详细说明，所述 结构的制造方法也于其中说明。特别地，本领域技术人员从以下结合示出本发明的示例性 实施例的附图对本发明的详细描述中将更为明了本发明的其它细节、优点和特征以及根据 本发明的发光装置可进行的操作方式。


图1是示出根据本发明的发光装置的一实施例的示意图，包括衬底、缓冲层、n型 氮化镓基半导体覆层区、氮化镓基有源层区、P型氮化镓基覆层区、P型氧化锌基空穴注入 层区、氧化铟锡欧姆接触层区、P电极、及n电极。图2是示出本发明的另一实施例的示意图，包括衬底、缓冲层、n型氮化镓基半导 体覆层区、氮化镓基有源层区、P型氮化镓基覆层区、P型氧化锌基空穴注入层区、氧化铟锡 欧姆接触层区、反射层区、保护帽罩层区、P电极、及n电极。
具体实施例方式MM本发明利用且施行本发明人的下列认识1)如果能增大在有源层区中的p型载子(空穴)的浓度，则能提升包括氮化镓基 无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物(AlGaN)、及铟铝镓氮 化物(InAlGaN)的发光装置的整体工作效率。2)此外，使用氧化锌基半导体材料比如氧化锌(ZnO)所能获得的p型载子(空 穴)浓度高于在氮化镓基半导体材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化物 (AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)中所能获得的浓度。3)包括氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮 化物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p型 载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一P型半导体层区的形成而被 加大时会提升，其中该P型半导体层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源层区提供P型 载子(空穴)。4)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化 物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p 型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一P型氧化锌基半导体层区 的形成而被加大时会提升，其中该P型氧化锌半导体层区可在装置工作期间向该氮化镓基 有源层区提供P型载子(空穴)。5)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化 物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p 型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一P型氧化锌基半导体层区 的形成而被加大时会提升，其中该P型氧化锌基层区可在装置工作期间向该氮化镓基有源 层区注射P型载子(空穴)。6)由氮化镓基无机宽带隙材料比如氮化镓(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铝镓氮化 物(AlGaN)、及铟铝镓氮化物(InAlGaN)组成的发光装置的整体工作效率在有源层区中的p 型载子(空穴)的浓度因紧邻该氮化镓基有源层区定位的至少一P型氧化锌基半导体层区 的形成且此P型氧化锌基层区的P型载子(空穴)浓度高于该氮化镓基有源层区的P型载 子(空穴)浓度而被加大时会提升，其中该P型氧化锌基层区可在装置工作期间向该氮化 镓基有源层区注射P型载子(空穴)。7)此外，发光装置的整体工作效率可藉由提高有源层区中的p型载子浓度且降低该装置的电接触电阻的方式提升。8)半导体发光装置具有层式结构。因此，该结构及该装置内的某些层和层区的电 学特性可提升该装置的整体工作特性、效率、性能及用途。同样地，用来形成该装置内的层 和层区的半导体材料的材料组合物可大幅影响该装置的整体工作特性、效率、性能及用途。9)发光装置的整体工作效率可因在该装置的有源层区中提供空穴浓度提高的异 质结构的使用而提升。含有由半导体材料组成的P型层区的异质结构装置可提升该装置的 整体工作特性、效率、性能及用途，其中该半导体材料是在装置工作期间向包括不同半导体 材料的有源层区供给空穴载子的空穴载子源。10) 一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区 是在装置工作期间向包括不同宽带隙半导体材料的有源层区供给空穴载子的空穴载子源， 该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。11) 一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区 在装置工作期间将空穴载子注射到包括不同宽带隙半导体材料的有源层区内，该装置可提 升其整体工作特性、效率、性能及用途。12) 一种异质结构装置，其含有由第一种材料的宽带隙半导体组成的p型层区，该 P型层区形成在包括第二种材料的宽带隙半导体的P型覆层区上，其中该第一种材料的P型 层区是在装置工作期间用于第二种材料的有源层区的空穴载子源，该装置可提升其整体工 作特性、效率、性能及用途。13) 一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型宽带隙半导体材料组成的p型 层区，该P型层区形成在包括第二种组合物型宽带隙半导体材料的P型覆层区上，其中第一 种组合物型的材料的P型层区在装置工作期间将空穴载子注射到第二种组合物型的材料 的有源层区内，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。14) 一种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区 是在装置工作期间用于包括不同宽带隙半导体材料的有源层区的空穴载子源，且此装置含 有形成在该P型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能 及用途。15)—种异质结构装置，其含有由宽带隙半导体材料组成的p型层区，该p型层区在装 置工作期间将空穴载子注射到包括不同宽带隙半导体材料的有源层区内，且此装置含有形成 在该P型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升其整体工作特性、效率、性能及用途。16) 一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型材料的宽带隙半导体组成的p 型层区，该P型层区形成在包括第二种组合物型材料的宽带隙半导体的P型覆层区上，其中 第一种组合物型材料的P型层区是在装置工作期间向第二种组合物型材料供给空穴载子 的空穴载子源，且此装置含有形成在该P型空穴源层区上的欧姆接触层，该装置可提升其 整体工作特性、效率、性能及用途17) 一种异质结构装置，其含有由第一种组合物型材料的宽带隙半导体组成的p 型层区，该P型层区形成在包括第二种组合物型材料的宽带隙半导体的P型覆层区上，其中 第一种组合物型材料的P型层区在装置工作期间将空穴载子注射到第二种组合物型材料 的有源层区内，且此装置含有形成在该P型空穴注入层区上的欧姆接触层，该装置可提升 其整体工作特性、效率、性能及用途。
本发明的示例件实施例/实施现参照图1，其示出根据本发明的发光装置的一实施例的示意图。具体而言，图1 是示出根据本发明的发光装置的层式结构的剖面图。如图1所示，在本发明的一实施例中，缓冲层102长在衬底101上。氮化镓基半导 体材料的n型覆层区103长在该缓冲层上。氮化镓基有源层区104长在该n型氮化镓基覆 层区上。氮化镓基半导体材料的P型覆层区105长在该氮化镓基有源层区上。氧化锌基半 导体材料的P型空穴注入层区106长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧 姆接触层区107沉积在该p型氧化锌基空穴注入层区上。在该欧姆接触层上形成有p电 极焊盘108。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层氮化镓基层区上形成适合形成n电极焊盘 的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘109。该装置还可包含(未示出)被形成并定位 在该P型氧化锌层空穴注入区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含 但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、 Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该p型氧化锌基半导体层被形成为介于约0. lnm 至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。若形成埋 入插层，则其厚度介于约0. lnm至lOOnm之间。该p型氧化锌基空穴注入层区的材料组合物可经选择以提升该装置的效率和光 功率输出的性能。图2是根据本发明的发光装置的另一实施例的示意图。具体而言，图2是示出根 据本发明的发光装置的层式结构的剖面图。如图2所示，在本发明的一实施例中，缓冲层202长在单晶衬底201上。氮化镓基 半导体材料的n型覆层区203长在该缓冲层上。氮化镓基有源层区204长在该n型覆层区 上。氮化镓基半导体材料的P型覆层区205长在该氮化镓基有源层区上。氧化锌基半导体 材料的P型空穴注入层区206长在该p型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接 触层区207沉积在该p型氧化锌基空穴注入层区上。利用包含但不限于下列元素当中选出 的一种或多种元素在该欧姆接触层区上形成反射层区210 :Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr及 Pt，当该装置用在覆晶发光装置设计中时此反射层有助于光的提取。利用来自包含但不限 于下列物的一种或多种元素或化合物在该反射层区上形成保护帽罩层区211 :Ni、Pt、Pd、 Zn、TiN，此保护帽罩层区有助于提高对于该p电极的电接触且抑制该反射层区的氧化作用 以提升装置寿命。在该保护帽罩层区上形成有P电极焊盘208。该层式结构经蚀刻以在该 n型覆层区上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘209。该装 置还可包含(未示出，但与本专利申请完整内容有关的领域的技术人员可轻易理解)被形 成并定位在该P型氧化锌层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含 但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、 Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。该p型氧化锌基半导体层区被形成为介于约0. lnm 至2000nm间的厚度。该欧姆接触层区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该反射 层区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该保护帽罩层区被形成为介于约0. lnm 至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0. lnm至lOOnm之间。该p型氧化锌基空穴注入层区的材料组合物可经选择以提升该装置的效率和光 功率输出的性能。
举例来说，生长各层、施用电引线及形成电触点的技术可包含本领域已知的技术， 或是在本专利申请中列出姓名的发明人中一人或多人的专利申请(包括上面列出的专利 申请)中描述的技术；且这样的其它申请以引用的方式并入本文中。额外的发光装置示例本发明有许多其它可行实施例、示例和变型，且均在如下文提出的权利要求所限 定的本发明精神和范围以内。更进一步举例来说，在本发明的另一发光实施例中，使用类似 图1所示的层式结构，氧化铍锌半导体合金区的P型空穴注入层区长在该P型氮化镓基覆 层区上。由氧化铟锡层组成的欧姆接触层区沉积在该P型氧化铍锌空穴注入层区上。在该 欧姆接触层区上形成有P电极焊盘。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层区上形成适合形成 n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘。该装置还可包含(未示出)被形成 并定位在该P型氧化铍锌层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含 但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、 Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。该p型氧化铍锌半导 体层被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0. lnm至 2000nm间的厚度。该反射层区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该保护帽罩层 区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0. lnm至 lOOnm之间。更进一步举例来说，在本发明的一发光实施例中，使用类似图2所示的层式结构， 氧化铍锌半导体合金的P型空穴注入层区长在该P型氮化镓基覆层区上。由氧化铟锡层组 成的欧姆接触层区沉积在P型锌氧化物型空穴注入层区上。利用包含但不限于下列元素当 中选出的一种或多种元素在该欧姆接触层区上形成反射层区Ag、Al、Zn、Mg、Ru、Ti、Rh、Cr 及Pt，当该装置用在覆晶发光装置设计中时此反射层有助于光的提取。利用来自包含但不 限于下列物的一种或多种元素或化合物在该反射层区上形成保护帽罩层区Ni、Pt、Pd、Zn、 TiN，此保护帽罩层有助于提高对于p电极的电接触且抑制该反射层区的氧化作用以提升 装置寿命。在该保护帽罩层区上形成有P电极焊盘。该层式结构经蚀刻以在该n型覆层区 上形成适合形成n电极焊盘的区域，且在此区域上形成有n电极焊盘。该P型氧化铍锌半 导体层被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该氧化铟锡层被形成为介于约0. lnm 至2000nm间的厚度。该反射层区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。该保护帽罩 层区被形成为介于约0. lnm至2000nm间的厚度。若形成埋入插层，则其厚度介于约0. lnm 至lOOnm之间。该装置还可包含(未示出)被形成并定位在该p型氧化锌基层区与该欧姆 接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多 禾中会且@ :Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh> Li、Be、Ca> Ru> Re、Ti>Ta> Na R La。 所形成装置是发光二极管。该装置还可包含(未示出)形成在该欧姆接触层区上的插层， 其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、 Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na 及 La。所形成装置是发光二极管。举本发明的其它示例来说，利用层式结构制造本发明的发光实施例，其运用紧邻 氮化镓基装置的氮化镓基有源层区形成的P型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该P型氧 化锌基层区注射到该氮化镓基有源层区内。所形成装置是发光二极管。该P型氧化锌基空 穴注入层区的组合物可经选择以提升该装置的效率和光功率输出的性能。
举其它示例来说，在本发明的其它发光实施例中使用层式结构，其运用紧邻氮化 镓基装置的氮化镓基有源层区形成的P型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该P型氧化锌 基层区注射到该氮化镓基有源层区内，其中层式区域的一或多者由单一层组成。所形成装 置是发光二极管。举其它示例来说，在本发明的其它发光实施例中使用层式结构，其运用紧邻氮化 镓基装置的氮化镓基有源层区形成的P型氧化锌基半导体层区，藉此空穴从该P型氧化锌 基层区注射到该氮化镓基有源层区内，其中该装置还可包含被形成并定位在该P型氧化锌 基层区与该欧姆接触层区之间的埋入插层，其中该埋入插层由包含但不限于下列元素当中 选出的一种或多种元素组成Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、kg、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、 Ti、Ta、Na及La。所形成装置是发光二极管。本发明的另外示例、实施例及实施l)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层 或多层材料组成BeZnO、MgZnO、BeMgO及BeMgZnO合金材料。2)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层 或多层材料组成ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO 及 ZnSeO 合金材料。3)p型氧化锌基半导体空穴注入层区可由包含但不限于下列材料当中选出的一层 或多层材料组成BeZn0、MgZnO、BeMgO、及 BeMgZnO、ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、 ZnSO及ZnSeO合金材料，且结合用以提高对于一个或多个其它层的晶格匹配的一种或多种 元素比如Mg或Be。4)该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层的掺杂剂是从第1、11、5 及15族元素中选出的至少一种元素。5)该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂选自由砷、 磷、锑及氮组成的群；或者在本发明的一特定方面，该P型氧化锌基半导体层区的掺杂剂可 为只有砷。6)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层的掺杂剂是从 第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素；或是从由砷、磷、锑及氮组成的群中选出的 一种或多种元素；或者在一示例中只有砷。7)该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金半导体空穴注入层区的掺杂剂是从第 1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素。8)该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金半导体空穴注入层区的掺杂剂是从由 砷、磷、锑及氮组成的群中选出；或者在本发明的一特定方面，P型氧化锌半导体层区的掺 杂剂可为只有砷。9)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化铍锌合金空穴注入层区的掺杂剂是从 第1、11、5及15族元素中选出的至少一种元素；或是从由砷、磷、锑及氮组成的群中选出的 至少一种元素；或特别地只有砷。10)可替选地，该结构可经制备致使P型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂 可在生长过程中掺入。11)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区的掺杂剂 可藉由选自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方法掺入。12)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区可藉由选自包括但不限于混合 射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方 法形成。13)可替选地，p型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提升该装置的效 率和光功率输出的性能。14)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区为一层或多层且从包含但不 限于下列材料当中选出氧化铟锡、氧化镓锌及氧化铟锌。欧姆接触层区被形成为介于约 0. lnm至2000nm间的厚度。15)可替选地，该结构可经制备致使p型氧化锌基半导体空穴注入层区可藉由选 自包括但不限于混合射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/ 或离子植入的工艺方法形成。16)可替选地，该结构可经制备致使欧姆接触层区可藉由选自包括但不限于混合 射束沉积、热熔解、元素熔解、等离子体熔解、扩散、热扩散、溅镀和/或离子植入的工艺方 法形成。17)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不 限于下列材料当中选出的氧化物材料由第II族元素构成的氧化物、ZnO、BeZnO、MgZnO、 BeMgZnO、ZnCdSeO、ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO 及 ZnSeO。p 型氧化锌基层区被形成为 介于约0. lnm至2000nm的厚度。18)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不限 于下列材料当中选出的氧化物材料由第II族元素构成的氧化物、ZnO、MgZnO、ZnCdSeO、 ZnCdSO、ZnCdSSeO、ZnSSeO、ZnSO及ZnSeO，且经添加Be以提高层间晶格匹配。p型氧化锌 基层区被形成为介于约0. lnm至2000nm的厚度。19)可替选地，该结构可经制备其中p型氧化锌基空穴注入层区是从包含但不限 于下列材料当中选出的氧化物材料由第II族元素构成的氧化物、ZnO及BeZnO，且经添加 Mg以提高层间晶格匹配。p型氧化锌基层区被形成为介于约0. lnm至2000nm的厚度。通过以下附加示例更进一步示出和理解本发明及其技术优点。本发明的进一步示例和说明以下说明提供本发明的各实施例和示例及其特性的进一步说明。如前所述，本发 明涉及一种层式异质结构发光装置，用以提高发光装置的性能，特别是其高效率和高功率 性能。尽管接下来将参照LED发光装置说明特定实施例，但应理解到本发明可就其它类 型的发光装置实施，比如激光二极管(LD)及在本文其它部分列出的其它装置和配置。在本发明的一实施例中，将具备层式结构的晶圆放入混合射束沉积反应器内并加 热至大约650°C，该层式结构包括蓝宝石衬底、缓冲层、n型氮化镓基覆层区、氮化镓基有源 层区及P型氮化镓基覆层区。使压力降到大约1 X 10_5托且用RF氧等离子体清洁该p型 氮化镓基覆层30分钟。然后使温度降到550°C，然后在该p型氮化镓基覆层区上沉积以砷 (As)p型掺杂的氧化锌半导体材料层达约0.3微米的厚度。然后使温度降到室温。藉由溅 镀方法在该P型氧化锌半导体层上沉积包括氧化铟锡的层达约lOOOnm的厚度。
适用于沉积氧化锌层、特别是以砷掺杂的p型氧化锌层以及其它材料(举例 来说可包含氧化铍锌)的一种或多种示例性工艺的更详细说明举例来说参见美国专利 第 6，475，825 号(White 等人)和 6，610，141 号(White 等人)，及 PCT 专利申请 PCT/ US03/27143 (Ryu 等人)、PCT/US05/043821 (Ryu 等人)和 PCT/US06/011619 (Ryu 等人)，以 上各专利以引用的方式并入本文中且构成本申请的一部分，如同其完整内容在这里提出一 样。带有所沉积的各层的该晶圆被图案化和蚀刻，且在n型氮化镓基层区上及氧化铟 锡层上形成电极焊盘。利用Cr和Au金属形成对于n型氮化镓基层区的欧姆触点。利用Cr 和Au金属形成对于氧化铟锡欧姆接触层的欧姆触点。向电极施加电压差并测量该装置的电流-电压(I-V)特性。测量在正向偏置条件 下来自该装置的光发射以获得该发光装置的功率和效率。本领域技术人员会轻易理解到在其它变型当中，可造出具备与上述实施例所用的 层式结构不同的层式结构的装置。该P型氧化锌基空穴注入层区的组合物可经选择以提高 该装置的效率及发光功率输出的性能。碰根据本发明具有所公开的层式结构的发光结构可用来提高性能，特别是其效率和 输出功率。根据本发明具有P型氧化锌基空穴注入层区和欧姆接触层区的发光装置会在光 子学领域中的高效率和高功率装置应用中有许多用途。这样的用途可包含但不限于诸如高 效率白光源、LED、LD等应用，以及用在一般型和专业型照明、显示器、和光谱研究中的传感
o本领域技术人员会理解到也可根据本说明书揭示的内容加上额外的期望特征 (比如用在覆晶发光设计中的反射层区和帽罩层区)来制造本发明的发光装置。以上示例为说明性的阐述而非限制性的。相似地，文中所用术语和措辞是说明性 的而非限制性的，且这样的术语和措辞的使用并不希望排除所示和所描述的特征或其部分 的等效内容。可进行多种增添、减少及修改且在本发明的精神和范围以内。此外，本说明书 所述的本发明任一实施例或本发明范围内的其它实施例的任一个或多个特征可与本发明 任何其它实施例的任一个或多个其它特征结合，而不脱离本发明的范围。
权利要求
一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括衬底，n型氮化镓基半导体覆层区，氮化镓基有源层区，p型氮化镓基覆层区，p型氧化锌基空穴注入层区，以及欧姆接触层区。
2.一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括 衬底，η型氮化镓基半导体覆层区， 氮化镓基有源层区， P型氮化镓基覆层区， P型氧化锌基空穴注入层区， 欧姆接触层区，以及 保护帽罩层区。
3.一种具有层式结构的异质结构发光装置，包括 衬底，η型氮化镓基半导体覆层区， 氮化镓基有源层区， P型氮化镓基覆层区， P型氧化锌基空穴注入层区， 欧姆接触层区， 反射层区，以及 保护帽罩层区。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，还包括位于所述ρ型氧化锌基空穴注入层区 与所述欧姆接触层区之间的埋入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、 Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na 及 La 的列表的至少一种元素。
5.如权利要求2所述的装置，还包括位于所述欧姆接触层区与所述保护帽罩层区之间 的埋入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、 Li、Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La的列表的至少一种元素。
6.如权利要求3所述的装置，还包括位于所述欧姆接触层区与所述反射层区之间的埋 入插层，并且，其中该埋入插层包括选自包含Ni、Au、Pt、Pd、Mg、Cu、Zn、Ag、Sc、Co、Rh、Li、 Be、Ca、Ru、Re、Ti、Ta、Na及La的列表的至少一种元素。
7.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层 区是选自包括含第II族元素的氧化物，ZnO, BeZnO, MgZnO, BeMgZnO, ZnCdSeO, ZnCdSO, ZnCdSSeO, ZnSSeO, ZnSO及ZnSeO的列表的氧化物材料。
8.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区是 选自包括含第 II 族元素的氧化物，ZnO, MgZnO, ZnCdSeO, ZnCdSO, ZnCdSSeO, ZnSSeO, ZnSO 及ZnSeO的列表的氧化物材料，且添加有Be以提高层间晶格匹配。
9.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区是 选自包括含第II族元素的氧化物，ZnO及BeZnO的列表的氧化物材料，且添加有Mg以提高 层间晶格匹配。
10.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述P型氧化锌基空穴注入层区是P型 氧化锌材料。
11.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述P型氧化锌基空穴注入层区是P型 氧化铍锌合金材料。
12.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化铟锡。
13.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化镓锌。
14.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述欧姆接触层区包括氧化铟锌。
15.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区为至少单层。
16.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区的 掺杂剂包括选自第I(IA)族元素，第Il(IB)族元素，第5(VB)族元素及第15(VA)族元素的 至少一种元素。
17.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区的 掺杂剂包括选自氮、砷、磷、锑及铋的至少一种元素。
18.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基空穴注入层区的 掺杂剂包括砷。
19.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述装置包含形成在所述衬底上 且位于所述衬底与所述η型氮化镓基半导体覆层区之间的缓冲层。
20.如权利要求1-3中任一项所述的发光装置，其中所述ρ型氧化锌基半导体层区形成 为具有介于约0. Inm至约2000nm之间的厚度且所述欧姆接触层区形成为具有介于约0. Inm 至约2000nm之间的厚度。
21.一种制造如权利要求1所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法 包括形成η型氮化镓基半导体覆层区，在所述η型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区， 在所述氮化镓基有源层区上形成P型氮化镓基覆层区， 在所述P型氮化镓基覆层区上形成P型氧化锌基空穴注入层区，以及 在所述P型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层区。
22.一种制造如权利要求2所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法 包括形成η型氮化镓基半导体覆层区，在所述η型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区， 在所述氮化镓基有源层区上形成P型氮化镓基覆层区， 在所述P型氮化镓基覆层区上形成P型氧化锌基空穴注入层区， 在所述P型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层区，以及 在所述欧姆接触层区上形成保护帽罩层。
23.一种制造如权利要求3所述的具有层式结构的异质结构发光装置的方法，该方法 包括形成η型氮化镓基半导体覆层区，在所述η型氮化镓基半导体覆层区上形成氮化镓基有源层区， 在所述氮化镓基有源层区上形成P型氮化镓基覆层区， 在所述P型氮化镓基覆层区上形成P型氧化锌基空穴注入层区， 在所述P型氧化锌基空穴注入层区上形成欧姆接触层， 在所述欧姆接触层区上形成反射层，以及 在所述反射层区上形成保护帽罩层。
24.一种制造如权利要求4-20中任一项所述的具有层式结构的异质结构发光装置的 方法。
全文摘要
一种层式异质结构发光装置，至少包括衬底、n型氮化镓基半导体覆层区、p型氮化镓基半导体覆层区、p型氧化锌基空穴注入层区及欧姆接触层区。可替选地，该装置还可包括帽罩层区，或者还可包括反射层区和保护帽罩层区。该装置还可包括一个或多个邻近于欧姆接触层区的埋入插层。欧姆接触层区可由诸如氧化铟锡、氧化镓锡或氧化铟锡材料组成。n电极焊盘形成为与n型氮化镓基覆层区电接触。p型焊盘形成为与p型区电接触。
文档编号H01L29/06GK101960603SQ200980108142
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月6日 优先权日2008年1月8日
发明者亨利·怀特, 李泰硕, 柳元仁 申请人:莫克斯特尼克公司