专利名称：斜切底材上的半导体发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明有关一种半导体发光二极管。
以InGaAlP为基础的合金对于波长介于红光与绿光之间的发光二极管的制造工艺乃是一相当重要的半导体材料。In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金与GaAs底材是晶格匹配的(lattice match)，并有一1.9eV到2.3Ev的直接转换能隙，在此能隙内Al的分子组成大约在0＜x＜0.7的间。当Al的组成大约在x～0.7时In0.5(Ga1-xAlx)0.5P有一间接能阶。当Al的组成x～1时In0.5(Ga1-xAlx)0.5P有另一间接能阶，约为2.3eV。为了得到高效率的发光，必须有强大的载子发光再结合(recombination)及高效率的发光二极管。以InGaAlP为基础的发光二极管中在较短波长，也就是红光与黄-绿光的可见光光谱之间有一直接转换能隙以供高亮度的发光。
此外，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P有近乎完美的晶格对准(alignment)且在GaAs在V/III/V/III族介面半导体底材上，有放电平衡(charge balance)的特性，这种特性表示它是原子级阶层(atomic level)外延成长(epitaxial growth)，像是准确控制多重量子井(Multiple quantum well，MQW)的厚度及组成的一良好候用元素，因此是一良好的发光二极管(LED)的外延成长材料，也因而造成In0.5(Ga1-xAlx)0.5P在可见光发光二极管制造工艺上具备很大的吸引力。
图1显示一传统式发光二极管结构，图中结构至少包括长在n形GaAs底材101上面由InGaAlP合金系统组成的异质结构(double heterostructure，DH)，DH由一个n形In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较低层包覆层(cladding layer)102、未渗杂主动层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 103、一p形In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较高层包覆层104、一p形GaP电流扩散层105、上层金属106及底层金属107所组成。
图1显示，一发光二极管是一p-n接合面，施以一顺向偏压使空穴由p形包覆层104及电子由n型包覆层102注入到主动区域103。主动区域103由于电子与空穴在本区域的再结合而放射出可见光。电子与空穴如同少数载子，被注入且跨越主动区域(active region)103，并可通过发光性或非发光性而再结合(recombine)。以InGaAlP为基础的LED其发射波长可由调整主动区域(In0.5(Ga1-xAlx)0.5P)103中Al的组成而作改变，由一正确的能隙来对应一特定的发光波长。例如，在较短波长时，如黄光或黄-绿光，主动层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 103必需有较多的Al组成以供光线放射。主动层103的厚度也有其重要性，通常比入射载子扩散长度(carrier diffusion lenghth)短，以便载子再组合。较厚的主动层103的发光效率可以因为低密度的载子而减少。主动层103的厚度大约在0.3至0.5μm之间。主动区域103是供载子注入(injection)与再结合(recombination)以产生光线的区域。主动区域103的材料品质要求是很高的，其目的是为了得到高效率的发光。因此，主动区域103需要很低的背景本征(intrinsic)杂质，这将会减少非发光性再结合中心(nonradiative recombination center)的密度。主动区域103的高渗杂背景主要是由主动区域103中高密度的深度陷阱(deep traps)所引起，会导致在光线放射的过程中造成非发光性再结合。一个干净与低杂质的反应腔(chamber)，对于主动区域的长成是必须的。通常，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P主动层103是一非渗杂区，可以是p形或n形，渗杂密度大约在5*1015到1*1017/cm2之间。在另一方面，主动区域103的背景渗杂程度随着Al的组成增加而增加，这是由于主动区域103的Al浓度增加导致杂质浓度增加的因素。
对于较短波长的光线辐散而言，主动区域103中Al的组成增加，将伴随发射光线的内量子效率(internal quantum efficiency)的减少。如上所述，主动区域的103中较高的Al组成，将伴随深度位阶(deep level)的增加，而深度位阶会引发非发光性再结合，也就减少发光的效率。
n-型与p-型包覆层(102及104)为入射载子的来源(source)，并且比主动区域103有较高的能阶，以限制注入的载子及发出的光。这些包覆层需要良好的导电率与合适的渗杂浓度以提供足够的入射载子进入主动区域103并达到高效率的发光。包覆层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的厚度要够厚，以防止载子由主动区域103回流到包覆层，但又不致于厚到影响LED的发射效率。结果，大量的发射载子溢流到包覆层，漏电流因为溢流载子的非发光性再结合而产生。通常，发光效率在传统的LED双异质结构(doube heterostructure，DH)会随着波长的变小而衰减(degrade)。
在p形包覆层104的上，有一电流扩散层105以供光线有效的散布。电流扩散层105是一个(层)要能将主动层发出的光线使其穿透出去的半导体，相当于是一窗户层，所述半导体对于光线由主动区域103所发射光的波长为可穿透性的。此外，电流扩散窗户层105必须有效地将进入主动区103与包覆层(102及104)的电流均匀地散开，因此需要高的渗杂浓度与厚度。
为克服上述的困难，LED需要设计的使得光线由发光二极管发射时具有更高效率，本发明中，以InGaAlP为基础的LED数项请求项会提出来，以制作一有效率的发光二极管。
本发明的目的是提供一种可提高发光放射效率的以化合物半导体材料成长制成的发光二极管。
根据本发明一方面的一种发光二极管，其特点是，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层无原子次序；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一窗户层，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
根据本发明另一方面的一种发光二极管，其特点是，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一光线反射层，位于所述底材上，所述光线反射层的渗杂浓度大于2*1017/cm2；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述光线反射层上面，所述第一导电型InGaAlP层有一渗杂浓度介于0.4*1018/cm2至1*1018/cm2之间；一主动层，位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层至少包括一应变Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井，所述Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP井具有一<001>晶格常数，它大于所述斜切GaAs底材的晶格常数约0.2％至0.6％；一电子反射层有一In0.5Al0.5P壅塞层，它在所述主动层上面，所述壅塞层厚度约为20至40nm之间；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述电子反射层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一窗户层，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
根据本发明又一方面的一种发光二极管，其特点是，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面；一缓冲层，它位于所述第一导电型GaAs底材上面；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一光线萃取层(extraction layer)它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻挡并散布由第二导电型InGaAlP层所发散出来的光线；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
根据本发明再一方面的一种发光二极管，其特点是，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层的相反；一光线萃取层(extraction layer)，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻塞成长方向电流并散布光线；以及一金属接触顶座，它位于所述光线萃取层上面。
根据本发明另一方面的一种发光二极管，其特点是，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一光线反射层，它在所述底材上面；一第一导电型InGaAlP层，它位于所述光线反射层上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层至少包括一应变Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井，所述Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP井具有一<001>晶格常数，它大于所述斜切GaAs底材的晶格常数约0.2％至0.6％；一Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP电子反射层，在所述主动层上面，所述电子反射层有一In0.5Al0.5P壅塞层，所述壅塞层厚度约为20至40nm之间；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述电子反射层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层的相反；一光线萃取层(extraction layer)，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻塞成长方向的电流并散布光线；以及一金属接触顶座，它位于所述光线萃取层上面。
采用本发明的上述技术方案，由于发光二极管的与InGaAlP层组合的结构优于传统技术，因此可制成一高效率的发光二极管，可使光线由发光二极管发射时具有更高效率。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将对本发明的较佳实施例进行详细讨论。这些实施例是用以描述使用本发明的一特定范例，并非用以限定本图1传统的发光二极管截面示意图；图2本发明第一实施例的发光二极管截面示意图；图3本发明第二实施例的发光二极管截面示意图；图4本发明第三实施例的发光二极管截面示意图；以In GaAlP为基础的发光二极管，其发光颜色可由改变主动层中In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金Al的组成成分来达到一对应特定发射波长的正确能隙，而改变主动区域的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P同时导致能隙宽度(width of the band gap)变小，其结构将倾向于较有次序(order)。为了达到相同的发射光波长，主动区域的Al成分需有较高的含量，但是，这样却会造成主动区域的高杂质密度，并造成低的放射效率。排列有次序的结构，例如，半导体薄膜内原子因有次序或组成的改变可导致原子的静态位移(static displacement)产生在晶格四面体(tetragonal)形变中的局部变化，在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金系统中，Indium(In)具有比Ga或Al原子较大的四面体(tetrahedral)共价半径(covalent radius)9。因此，四面体(tetrahedral)共价半径的差异性会产生同类聚集(clustering of like species)。结果相对地产生晶体结构的局部形变收缩与延长(dilation)。由旋节分解(spinodaldecomposition)的热力观念来看，位于相位图(phase diagram)的可溶性(miscibility)能隙中的某一组成合金，在某一转折温度下会产生有次序到无次序的转折。实验与热力理论的差别在于动能与表面结构次序形成上的考虑。由我们的实验，In0.5(Ga1-XAlX)0.5P薄膜遵循spinodal decomposition热力学基本理论，在成长温度660-770度之间倾向有某种不同程度的次序结构。发光二极管在成长温度大约高于700度外延成长，是本发明的一个方面。另一方面，<001>GaAs的重新成长在<110>方向的副表面层具有可变性压缩与沿展的区域。因为铟(Indium)有比Ga或Al更大的四面体(tetrahedral)共价半径，在其成长面(growing surface)上的可变性延长与压缩性，是能量适长结核位置(energyfavorable nucleation site)，对于In、Al或Ga而言极适合它们的成长。这点暗示着，除了上述规则与非规则的转折温度以外，规则结构的形成与底材的表面结构有关。由我们的实验，规则的程度可以通过使用不同的错切角度的GaAs底材而获得改善。规则与非规则转折温度是因为底材GaAs切割角度的增加而下降。在错切GaAs底材的表面，周期性延展与收缩的表面重建区域，可以由底材GaAs错切角度的增加而获得改善并减少。由以上结果看出，随着GaAs底材的错切角度的增加，在InGaAlP内的原子次序规则程度会显著的减少。
在某一成长温度下，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金系统中规则结构被视为降低量子效率的一因素，因此必须增加Al在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P主动区域的成分，来获得特定能阶宽度的量子井，因此，可以通过In0.5(Ga1-xAlx)0.5P外延成长在一错切的底材上，而使得转折温度减至低于700℃。
此外，含Al的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P多重量子井中的量子效率可由增加底材的错切角度而获得改善。在GaAs底材的斜切愈朝向<111>A表面，会暴露愈多的阳离子终端阶梯边缘(cation terminated step edges)。吸附杂质的融入是通过一阶梯状陷阱(step traps)，并且和成长表面上的吸附杂质和终端阶梯间的键结形状有关。阳离子终止阶梯边缘有一单一键结并提供较弱的吸附位置。因此，阶梯陷阱效应(step trapping efficiency)会随着成长表面沿着<111>A的斜切角度增加而减少其附着效应。所以，主动区杂质的加入(例如硅或氧)，将随着角度的增加而减少。这些不纯物质可以作为光发射区域的深层及非发光再结合的中心，并影响LED的发射效率。本发明中，以GaAs为底材且斜切角度沿者<111>A等于或大于10度被视为所发射的光具有较佳的效率。
此外，以InGaAlP为基础的LED的薄膜光滑度与品质可由长在一斜切底材GaAs结构而获得改善。过去用来改善半导体的表面光滑度所应用的外延技术如液相外延法(Liquid Phase Epitaxy，LPE)或气相外延法(Chemical VaporDeposition，CVD)以改善薄膜的光滑度。本发明中，则是以InGaAlP为基础的发光二极管(LED)并应用有机金属气相外延法(Organometalic Vapor PhaseEpitaxy，OMVPE)长在斜切(off-cut)角度大于10°的角度长底材GaAs上，来改善薄膜光滑度。由我们的研究，LED结构的光滑度会随着底材错切角度的增加而增加，这种光滑度的改善对于3-5族非匹配(mismatch)异质结构如GaP、AlGaP与InGaAlP为基础的外延成长在GaAs底材上特别明显。这些外延层如GaP、AlGaP与InGaAlP合金与底材之间的晶格不匹配的程度大约为0-3.6％，并与合金的组成有关。在非匹配底材上沉积过程中，薄膜初期成长倾向于在底材上长出一些形状如小岛的结晶物，这些小岛的大小随着薄膜与底材的非匹配度增加而增大。这将导致薄膜上形成高密度的线状差排(thread dislocation)，且增加了沉积薄膜的表面粗糙度。这些高密度的晶体缺陷与粗糙薄膜表面，可以借着增加表面结晶点数目及减少结核岛面积及在非匹配异质结构的晶格常数做一梯度(gradient)变化而获得改善。薄膜结核点数目增加及岛面积的减小，在本发明中是另一方面的重点。可应用GaAs底材斜切一个大于10°角度，且以一个InGaAlP中间层插入到LED In0.5(Gal-xAlx)0.5P外延层与窗户层之间当作梯度层来达到此一效果。在错切(off-cut)底材上，底材阶梯边缘会随着底材错切角度增加而增加。这些阶梯边缘提供一个低的能量位置给沉积薄膜的结核点。因此，密度较高而面积较小的小岛结核在错切底材上会导致薄膜品质的增加与达到较平滑的程度，薄膜品质的改变会增加LED发光的输出效率。此外，薄膜表面的光滑度可以增加元件制造工艺的范围，例如发光二极管的金属接点制造与封装、薄膜的品质、发光体的效率、元件制造工艺范围(process window of device fabrication)的改善都是本发明可实现的，这是通过使LED中In0.5(Ga1-xAlx)0.5P基础结构成长在错切角度10°或以上的GaAs底材上获得。
综括上面的各项特性，本发明中第一个实施例，如图2所示，它为一发光二极管的剖面图，至少包括一光线反射层与一个四元合金In0.5(Ga1-xAlx)0.5P，长在n型倾斜底材GaAs 208上面，该结构至少包括一个n型GaAs缓冲层209，一个n型AlAs/AlxGa1-xAs-或In0.5(Ga1-xAlx)0.5P为基础的分散型布拉格反射层(distributed Bragg reflector，DBR)210，一n型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较低层包覆层(cladding layer)211，一应变(strain)未渗杂Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P多重量子井(multiple quantum well，MQW)212，一p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较高层包覆层213，一薄的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P中间壅塞层214，一p-型GaP或AlGaAs电流散布层215，一顶层金属接触216，与一底层金属接触217。
图2发光二极管的剖面图与图1传统式双异质结构很相似，除了在图1InGaAlP-主动区域103是由图2一形变Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P多量子井212所取代。一n-型光线反射层AlAs/AlxGa1-xAs-，AlAs/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-或In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-为基础的分散型布拉格反射层(distributed Braggreflector，DBR)210摆在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-LED结构的底部以提供光线反射。此外，一In0.5(Ga1-xAlx)0.5P电流壅塞层214，摆在p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层213与p-型GaP、AlGa或AlGaAs窗户层215中间。
图2中LED结构有一层大约0.2-0.4μm硅渗杂GaAs缓冲层209，长在硅渗杂倾斜底材208上。GaAs缓冲层209是用来改善GaAs底材成长表面上的光滑性与均匀性。成长GaAs缓冲层209对于LED多量子井212异质介面(hetero-interfaces)薄膜较佳的品质是必要的。接着GaAs缓冲层209，一分散型布拉格反射层(distributed Bragg reflector，DBR)210长在GaAs缓冲层209上面以提供光线反射。这层光线反射层的成长物质是选自于能阶的禁止能阶带高度(prohibited band height)与主动区域212非常近似的材质所组成。这层成长物质的选择需考虑晶格匹配(lattice matching)、能隙带与反射系数的差别及个别反射层的渗杂极限(doping limit of individual reflecting layer)。一般而言，一个十到二十的布拉格反射层(distributed Bragg reflector，DBR)210的周期能增加光线外部量子效率(external quantum efficiency of emitting light)的1.5倍于一般的LED但未使用布拉格反射层(distributed Bragg reflector，DBR)的状况。AlAs/AlxGa1-xAs布拉格反射层210的反射波的波长λ由个别反射层的厚度来决定，其函数关系如下为d＝λ/4n，n是布拉格反射层210各层的反射系数。布拉格反射层的目的是用来反射由主动区域212进来的入射光线，AlxGa1-xAs的能隙必须大于主动区域212的能隙以防止任何光线的吸收。
此外，在布拉格反射层210各层的层与层反射系数的差必须尽可能的加大以获得布拉格反射层210较佳的再反射效率。但是，布拉格反射层210也扮演着需要高密度(≥2*1017/cm2)的传导载子的电流注入传递层的功能。由于在AlAs-底材的布拉格反射层中n-型渗杂浓度的本质限制(intrinsic limitation)，布拉格反射层210的限制以达到一低的顺向作业偏压并同时得到布拉格反射层中反射率大于或等于90-95％的效率。一般而言，以InGaAlP-为基础的布拉格反射层(DBR)210的周期大约为十至二十之间。另一个布拉格反射层210的候用元素为In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-底材合金，它可以比AlAs/AlGaAs-底材的布拉格反射层210底材达到更高的导电度，但是，它却被成长在GaAs基板上晶格匹配的控制性给抵消了。
图2中，n-型较低层包覆层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 211是用来供给载子注入主动区域212与将载子局限在主动区域212。n-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-包覆层211中Al的分子组成大约在0.7＜x＜1的间，且与主动区域212的放射波长有关系。n-型包覆层211的厚度必须比载子的扩散长度厚，以避免载子由主动区域扩散到包覆层，一般的n型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层211大约在0.3-0.8μm。在本发明中n-型包覆层211渗杂深度的不同，有一梯度的变化或阶段式的变化，而载子密度约在5*1017/cm2到1*1018/cm2之间。
在本发明中p-型包覆层213的渗杂随着深度而呈现梯度或阶段变化，载子浓度大约为5*1017/cm2到1*1018/cm2之间。LED的光输出效率与n-型与p-型包覆层渗杂浓度与剖面有很大关系，正确的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层p-n型渗杂剖面所产生的在主动区域内的p-n接面位置对于当电流注入后在主动区域内有效率的电子与空穴发光性的再结合是必须的。任何个别注入载子的溢流会因为p-n接面的位置偏离与渗杂分子在主动区内的扩散而导致非发射再结合(nonradiativerecombination)中心的产生，而造成放射光的效率的减少。在本发明中p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-包覆层214的低/高渗杂程度的厚度比率约为0.1之0.3之间，以保证准确的载子再结合，且不会在包覆层产生太大的电压降或载子溢流现象。一个好的放射装置需要离多重量子井较远的n-型与p-型包覆层的渗杂密度约在0.75~1*1018/cm2及较接近多重量子井的n-型与p-型较低的包覆层渗杂密度大约在0.4到0.75*1018/cm2。
紧接着n型In0.5(Ga1-xAlx)0.5p包覆层211，一层形变的Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(strained)多量子井212摆入n型与p型包覆层中间当作主动层。在本发明中是以InGaAlP为超晶格(superlattice)的多重量子井用来增加主动层的效率与减少量子井中铝的含量。在LED中量子井结构会增加放射光的效率。量子井是由一窄能带隙的“井”与一较高能隙的壅塞(barrier with a higherband gap)形成。结果，电子与空穴的能量被量化(局限)且在电流入射方向不能自由移动。但仍能在入射电流的垂直平面上自由移动且能再结合。在多量子井Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 212中，在传导带中推促导电带能阶向上，而局限在价带的载子推促价带能阶向下。多量子井结构会移动(shift)放射光的有效波长到一个较短波长。因此，主动区域212中铝的含量可以大量减少，因此对于一特定放射光入源长，LED的多量子结构将增加非辐射重组的生命期，且减少光线放射的被吸收。此外，多量子井Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 212的总厚度约在50到150nm，在目前的应用上，比图2中异质结构主动区域(200-500nm)的厚度小。这将导致主动区域注入载子密度的增加并加快光再结合。多量子井结构降低了Al含量，辐射重组的载子生命期也缩短了。因此，LED多量子井主动区域212量子效率会大量增加。多量子井212中合金的铝组成分子大约在0至0.3之间，相对应的波长介于红光到绿-黄光之间，它随者量子井212的厚度与量子井的数目而调整。在多量子井中铝组成直接能隙的合金In0.5(Ga1-xAlx)0.5P，多量子井212的发射光波长与井的厚度有极大的关连性。当多量子井的厚度减少，其导电带量子化载子将有效副能带(sub-band)往上推，且共价带量子化载子将有效副能带往下推。多量子井212的量子化带结构在井厚大约1到10nm相当敏感。结果，由于能阶结构的量子化，电子与空穴再结合时波长会变短。In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金的一般总厚度大约在1到10nm之间，最佳发光效率周期为10到50。另一方面，发光的内部量子效率也和井对壅塞(井/阻)厚度比率有关。一般有效率的载子再结合时，井与壅塞的比值大约在0.75之1.25之间。
晶格形变(lattice strain)也是LED多量子井212设计的重要考虑因素。多量子井结构的双轴应变(biaxial strain)在量化能带结构内，可以将价带能阶分裂并退化(quantized band structure)。这将会影响薄膜能带结构与薄膜物质的光学特性与电力特性。压缩性与伸张性应力两者将会对LED的发光效率有正面贡献。作用到多量子井212的晶格不对称应力，相当于能阶结构与价带能阶分裂。对于压缩性的双轴应力，重空穴(heavy hole)能阶变成一个基态(ground states)，所述基态有一个较低的有效质量特性(lower effective mass character)在价带(valence band)的顶上。这个可压缩的应力会加强入射电流的垂直面的载子的运动及再结合，并造成量子井内的内部量子效应的增加(internal quantumefficiency)，另一方面轻空穴(light hole)对于伸张性形变双轴应力，是一基态(ground state)，且具有较高的有效质量。虽然受到伸张应力时，在量子井内有效质量较大，电子与空穴较少量的k空间分布(poor k-space)减小自发性发射系数，而这样可以增加内部量子效率。因此，在多量子井中压缩性与伸张性应力都会对量子井中光线发射效率有所贡献。据我们的研究在与LED中其他结构的不匹配度超过1％时，多量子井Iny(Ga1-xAlx)1-yP-212会松解。LED生命期测试显示，在大于1％不匹配度(mismatch)，装置容易退化，这是因为作用在异质结构上的内部不匹配度应力(internal misfit stress)在多量子井中是不适当错位的来源。并且在元件的制造，操作时造成点缺陷。为改善在量子井中光输出效率伸张或收缩应力被限制，使InGaAlP的多量子井与GaAs底材间的晶格不匹配在0.2％至0.6％之间。在本发明中，LED最佳输出效率可通过延着成长方向的大约0.3至0.6％的晶体不匹配度，而产生的压缩性应变而得到。
图3显示一LED多量子井结构，图中至少包括一DBR，一四元化合物In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金，长在n-型倾斜底材GaAs 318上，所述结构至少包括GaAs缓冲层319，AlAs/AlxGa1-xAs-、AlAs/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P或In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-底材分散型布拉格反射层(distributed Bragg reflector，DBR)320，一n型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较低层包覆层321，一形变Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P多量子井322，一Iny(Ga1-xAlx)1-yP-底材电子反射层323，一p型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较高层包覆层324，一较薄In0.5(Ga1-xAlx)0.5P电流壅塞层325，一p-型GaP或p型-AlGaAs电流散布层326，一顶金属接触327，一底金属接触328所组成。
图3中，一薄的型变壅塞层325或多层电子反射层323插入到p-形包覆层324上面以增加包覆层的阻障高度(barrier height)。电子反射层323也是以OMVPE法来成长，需要非常准确的介面对比、层的厚度与组成的准确控制。细的形变壅塞层325有一能阶等于或大于包覆层的能阶且摆置于接近主动层322的区域以防止载子溢流入包覆层以改善发光效率。p-型In0.5Al0.5P电子反射层323是形变的(strained)，其位置接近主动区域322，具有相当的厚度与应力以防止由主动区322产生电子穿隧(tunneling)效应。另一方面，电子反射层323的超晶体结构是用来反射电子，其厚度大约在N/4 deBrogile电子波长，其中N是一奇数。反射电子的最大反射率由P型超晶In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P的组成、厚度、周期来调整。在电子反射层323中P掺杂的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P与未掺杂的主动区322量子井有相同组成。
当In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶体的周期增加，主动区域322的光射出效率也增加。此乃因为于电子反射323的反射率增加的原因。但是，这种现象在个别的电子反射层的厚度在2-5nm的范围内，有梯度性(gradient)或阶段性(step)厚度增加时特别明显，复层的电子反射层323的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的厚度变化(gradient)，表示由主动区域不同入射高能量电子的反射能量，因此，载子局限在梯度或阶梯似区域并获得高的电子入射能量，电子反射层的多样性(varietyin electron reflector)可由层的厚度的梯度性变化而获得。
本发明中，电子反射323至少包括一形变壅塞In0.5Al0.5P接着有接近主动层322的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构层以反射由主动层来的溢流载子，形变壅塞层In0.5Al0.5P厚度大约为20-40nm，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构周期约10-40，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构厚度大约为2-5nm，在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P超晶结构层有一固定的、阶段的或梯度性的厚度剖面。
图3中，接着多量子井322与电子反射323，是一p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-较高层包覆层324。p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层324的作用是将载子注入到主动区域322，并将载子局限留在主动区域322。In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层324的Al组成大约在0.7＜x＜1的间，与主动区域322发射光的波长有关，在红(625nm)至黄-绿(570nm)之间。p-型包覆层324的厚度必须大于注入载子的扩散长度，以防止主动区域322的载子进入包覆层。此外，p型包覆层324必须比n型包覆层321厚，此乃因为在LED成长过程中p型渗杂元素如Zn或Mg的扩散性的关系。一典型的p-型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P低包覆层324厚度大约在0.7至1.5μm之间。有着梯度变化或二阶段式渗杂的p-型包覆层，在本发明中其渗杂浓度在4*1017/cm2至1*1018/cm2之间。LED的光线外部效率与渗杂程度与n-型及p-型包覆层的渗杂程度有关。In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-324中“正确的”n-型及p型包覆层渗杂剖面与主动区域322的p-n“正确的”接合位置对于有效的发光性再结合是必要的。任何入射载子的溢流将因为p-n接合的不对准与渗杂因子的扩散进入主动区域(inter diffusion)非辐射中心(nonradiative recombination center)造成的再结合而减低光线的效率。在本发明中，有着梯度性渗杂包覆层的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 324，其高/低渗杂程度的厚度比率约在0.1到0.3的间，以保障包覆层准确的载子再结合不会产生大的电压下降或载子溢流。
一个好的发光二极管装置需要远离多量子井322的n-型与p型包覆层有高的渗杂浓度(0.75至1*1018/cm2)与接近多量子井有一较低的n-型与p型包覆层低的渗杂浓度322(0.4至0.75*1018/cm2之间。
接着p-型包覆层，是一层渗杂密度大于p-型包覆层324薄的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P中间层325，用来确保注入载子能平顺穿过及散开，并为确保此中间层的高传导性以利电流在垂直于其注入方向的平面上的有效率散开，细中间层325Al的组成(x约在0.1至0.5之间)比p型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层324还要小，并要和P型包覆层晶格匹配。厚度大约在50-100nm，而渗杂密度比p-型电导层高的中间电流散布层325是用来产生注入电流垂直平面的低电阻通道。此外，中间层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-325有一比主动区域322大的能隙，以防止由主动区域322发射的光线被吸附。因为此一中间层325厚度很薄且有一比p-型包覆层324高却又比窗户层326低的渗杂密度，可作为电流在成长方向的壅塞层及电流入射成长方向垂直平面的低阻抗通道。因为电流散布区域范围很大，元件内注入电流密度会因为散布面板的加大而密度会减少。这将导致LED光线发射效率的提升，这种在P型包覆层324与主动区域322内的电流散布效应将由In0.5(Ga1-xAlx)0.5P壅塞层的厚度、组成与掺杂程度而定，典型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的中间层的掺杂浓度大约是P型包覆层324的2-4倍也就是1-3*1018。而Al的组成，在这层大约在0.2-0.4之间。
一种可使In0.5(Ga1-xAlx)0.5P发光二极管产生最大功能发挥的途径是在P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层325顶上加一层窗户层326。使用GaP、AlGaP或AlGaAs当作窗户层，并作为LED电流的散布功能的观念已在过去的文献研究过，且在已被发表在专利文献中。GaP或GaAsP对于由LED主动区域322放射出来的光有一个相对的可透光能隙。本发明中利用OMVPE法来成长在一斜切方向<111>角度的GaAs底材上LED结构包括P型GaP、AlGaP或AlGaAs窗户层326。这个观念来源于1976一篇文献中，外延沉积AlGaAs、GaP或其他的族半导体表面以LPE或CVD外延成长方式以改善沉积薄膜的平滑性。而在本发明中，III-V族化合物如GaP、AlxGa1-xP(x＜1)及AlyGa1-yAs(0.5＜y)用MOVPE法成长在LED放射波长在650-565nm范围内当做为窗户层来分散注入电流，因为他们对于放射波长650-565nm而言是透明的；此外，这三种GaP，AlxGa1-xP(x＜0.1)与AlyGa1-yAs(0.5＜y)的高掺杂浓度(容量)也是选择考虑的因素之一，它们都可以用重渗杂密度(＞2*1018/cm2)来达到较广的电流散布。当窗户层的入射载子(渗杂程度)增加，LED的效率也增加。这是因为随着渗杂浓度的增加，窗户层326中注入载子沿着平行于各层表面方向的渗杂程度也会增加。典型的窗户层326渗杂浓度大约在3-8*1018/cm2之间。但是，窗户层326渗杂程度高于1*1019/cm2会有晶格缺陷产生，且会减低LED的生命期。此外，发光效率也与窗户层326的厚度有关系。当窗户层326厚度增加时因为较宽度的电流散开面积以及由LED侧面散出的光都会增加，LED的输出也会增加。重渗杂程度(＞1*1018/cm2)GaP，AlxGa1-xP(x＜0.1)与AlyGa1-yAs(0.7＜y)且厚度在10-15μm之间的窗户层被沿用在本发明中，630nm波长，亮度达到60mcd的LED；590nm波长，亮度达到100mcd的LED；572nm波长，亮度达到40mcd的LED。
图4是一以Iny(Ga1-xAlx)1-yP为基础且以梯度或阶梯式变化的(001)晶格常数的超晶格的LED元件结构发光二极管，图中至少包括一四元化合物In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金的分散型布拉格反射层(DBR)431，长在n-型倾斜底材GaAs429上。所述元件至少包括一n型GaAs缓冲层430，一分散型布拉格反射层(DBR)431，一n型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P低层包覆层43，一形变Iny(Ga1-xAlx)1-yP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P多量子井433，一Iny(Ga1-xAlx)1-yP底材电子反射434，一p型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P较高层包覆层435，一薄的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P电流壅塞层436，一具有梯度组成变化的p型Iny(Ga1-xAlx)1-yP合金超晶格结构437，一p型GaP或p型AlGaP电流散布层438，一顶层金属接触439，一底属金属接触440所组成。
图4中有一层光线萃取层(light extraction layer)，所述光线萃取层实际上包括三层，由下而上分别是电流壅塞层436、晶格梯度层437与窗户层438，光线萃取层的主要功用是阻挡由下面的p型InGaAlP层所放射出来的光线，并使这些光线进行更有效率的放射。图4中整个架构如下所示，有一p型Iny(Ga1-xAlx)1-yP(001)晶格常数梯度或阶梯式变化的的超晶格为基础437摆在中间电流壅塞层436与p型窗户层438中间。p型Iny(Ga1-xAlx)1-yP具有一梯度组成变化的超晶格437是用来将In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金436与p型GaP窗户层438之间作为梯度层之用。GaP窗户层438与In0.5(Ga1-xAlx)0.5P合金壅塞层436的晶格常数相差大约在3.6％之间，而GaP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的异质结构的临界厚度大约在5-10nm之间。这样GaP外延层会在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P中间电流壅塞层436上形成状如小岛的晶体。当这些外延晶体小岛结合后，由于这些外延小岛的合并一高密度的条纹错位的晶体会产生在GaP窗户层438上面，并造成表面粗糙。这些缺陷会恶化薄膜的品质与LED元件的功能。在窗户层内高密度的晶体缺陷会造成光线吸收中心，并减少光线的外部效率及减低其生命期。此外，这些晶格缺陷会增加制造工艺及包装如打线、接触点的困难。因此，在制造晶格不匹配的异质结构GaP/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P时，必须要花点心思在这上面。一具有In与Al梯度变化的组成的p型Iny(Ga1-xAlx)1-yP超晶体437是用来调节Ga和InGaAlP之间的晶格常数的差异，同时也是本发明的一部份，In与Al组成(x与y)在Iny(Ga1-xAlx)1-yP底材超晶结构437中是以梯度变化，厚度则是0到100至300nm之间，其成长速率大约在0.05到0.2μm/小时之间，且有一高的V/III族比率大于100左右。Iny(Ga1-xAlx)1-yP底材梯度层437保持2到4倍大于p型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P包覆层435的渗杂浓度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或替换，均应包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种发光二极管，其特征在于，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层无原子次序；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一窗户层，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括一GaAs缓冲层，它介于所述底材与所述第一导电型InGaAlP层之间。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的厚度在0.2至0.5μm之间。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括一光反射层，它位于所述底材上，所述光反射层的渗杂浓度大于2*1017/cm2。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述光反射层有一反射波长α，它接近所述主动区域的波长β(α＝β-5nm或α＝β+5nm)且载子电性与所述底材相同。
6.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述光反射层是选自于由AlAs/Alx1Ga1-x1As-底材(x1≥0.5)，In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-底材(x2≥0.1)与AlAs/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-的族群底材的超晶格结构所组成。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述铝的组成x1与x2在发射光波长大于630nm，x1小于0.6且x2大于0.1；在发射光波长大于590nm，x1小于0.7且x2大于0.2；在发射光波长大于570nm，x1小于0.8且x2大于0.3。
8.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述光反射层是选自于由AlAs/AlxGa1-xAs-底材In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-底材，与AlAs/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-的族群超晶结构所组成，所述超晶结构每一层与层间的反射系数差值不小于0.15。
9.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层与所述底材的晶格不匹配度小于0.3％。
10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电型InGaAlP层渗杂浓度在0.4*1018/cm2到1*1018/cm2之间。
11.如权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，所述渗杂剖面至少包括一低/高渗杂浓度比率0.1至0.5之间。
12.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述主动层至少包括一应变的Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井结构，所述多重量子井结构具有一Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP<001>晶格常数，它比所述斜切底材GaAs<001>的晶格常数大0.2％到0.6％之间。
13.如权利要求12所述的发光二极管，其特征在于，所述应变多重量子井层与层之间厚度比在0.75-1.25之间。
14.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括一电子反射层中，的一In0.5Al0.5P壅塞层，它在所述主动层上，所述壅塞层厚度在20-40nm之间。
15.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层至少包括In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构，它插在所述主动区域与所述第二InGaAlP层之间。
16.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层选自于由固定、阶段及梯度变化的成长层所组合而成，各层厚度约2-5nm。
17.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第一InGaAlP层有一梯度性变化，所述梯度性变化剖面在0.4*1018/cm2至1*1018/cm2之间。
18.如权利要求17所述的发光二极管，其特征在于，所述梯度性变化剖面还包括一低/高渗杂浓度比率介于0.1至0.5之间。
19.如权利要求18所述的发光二极管，其特征在于，所述主动区至少包括一应变(strain)Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井，所述Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP井具有一<001>晶格常数，它大于所述斜切GaAs底材的晶格常数约0.2％至0.6％。
20.如权利要求19所述的发光二极管，其特征在于，所述应变(strained)多重量子井层与层之间的厚度比约为0.75至1.25之间。
21.如权利要求19所述的发光二极管，其特征在于，还包括一电子反射层，所述电子反射层有一In0.5Al0.5P壅塞层，它在所述主动层上面，所述壅塞层厚度约为20至40nm之间。
22.如权利要求21所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层至少包括In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构，它插在所述主动层与第二InGaAlP层之间。
23.如权利要求21所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层选自于由固定、阶段及梯度变化的成长层所组合而成，各层厚度约为2-5nm之间。
24.如权利要求21所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管是利用有机金属气相外延法在一反应腔中以温度小于750摄氏温度下成长。
25.一种发光二极管，其特征在于，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一光线反射层，位于所述底材上，所述光线反射层的渗杂浓度大于2*1017/cm2；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述光线反射层上面，所述第一导电型InGaAlP层有一渗杂浓度介于0.4*1018/cm2至1*1018/cm2之间；一主动层，位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层至少包括一应变Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井，所述Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP井具有一<001>晶格常数，它大于所述斜切GaAs底材的晶格常数约0.2％至0.6％；一电子反射层有一In0.5Al0.5P壅塞层，它在所述主动层上面，所述壅塞层厚度约为20至40nm之间；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述电子反射层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一窗户层，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
26.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，还包括一GaAs缓冲层，它在所述底材与所述第一InGaAlP层上面。
27.如权利要求26所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的厚度在0.2至0.5μm之间。
28.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层有一反射波长α，它接近于所述主动层波长β使得(α＝β-5nm或α＝β+5nm)，其载子的导电性与所述主动层具同一电性。
29.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述光反射层是选自于由AlAs/Alx1Ga1-x1As-底材(x1≥0.5)，In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-底材(x2≥0.1)，及AlAs/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-的族群底材的超晶结构所构成。
30.如权利要求29所述的发光二极管，其特征在于，所述铝分子成分组成x1与x2，当波长大于630nm，x1小于0.6且x2大于0.1；当波长大于590nm，x1小于0.7且x2大于0.2；当波长大于570nm，x1小于0.8且x2大于0.3。
31.如权利要求29所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层选自于由AlAs/AlxGa1-xAs-基(based)底材，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-底材，及AlAs/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-的族群底材的超晶结构所构成，各层的反射系数差不小于0.15。
32.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层与所述底材的晶格不匹配度小于0.3％。
33.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述渗杂剖面还包括一低/高渗杂浓度的厚度比率介于0.1至0.5之间。
34.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述应变多量子井(strained multi-quantum well)厚度比约在0.75至1.25之间。
35.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层至少包括In0.5(Ga1-xAlx)0.5P/In0.5Al0.5P超晶结构，它插在所述主动层与所述第二InGaAlP层中间。
36.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述电子反射层至少包括由固定、阶梯及梯度变化厚度所组成，每一层厚度大约为2至5nm。
37.如权利要求25所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管是在一反应腔(chamber)中以低于750度摄氏温度下，应用有机金属气相外延法在所述底材上成长。
38.一种发光二极管，其特征在于，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面；一缓冲层，它位于所述第一导电型GaAs底材上面；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层相反；一光线萃取层(extraction layer)它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻挡并散布由第二导电型InGaAlP层所发散出来的光线；以及一金属接触顶座，它位于所述窗户层上面。
39.如权利要求38所述的发光二极管，其特征在于，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°。
40.如权利要求38所述的发光二极管，其特征在于，所述光线萃取层(extraction layer)至少包括一电流壅塞层，它在所述第二InGaAlP层上面，所述电流壅塞层至少包括一与第二导电型InGaAlP同性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层，所述电流壅塞层的厚度为10-100nm；一梯度层，它位于所述电流壅塞层上面，以缓和所述电流壅塞层与接着上面一层的晶格常数的差异性；以及一窗户层，它位于所述梯度层上面以散布电流。
41.一种发光二极管，其特征在于，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一所述第一导电型InGaAlP层，它位于所述底材上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述主动层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层的相反；一光线萃取层(extraction layer)，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻塞成长方向电流并散布光线；以及一金属接触顶座，它位于所述光线萃取层上面。
42.如权利要求41所述的发光二极管，其特征在于，所述光线萃取层至少包括一电流壅塞层，它在所述第二导电型InGaAlP层上面，所述电流壅塞层至少包括一与第二导电型InGaAlP层同性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层，所述电流壅塞层的厚度为10-100nm；一梯度层，它位于所述电流壅塞层上面，用以缓和所述电流壅塞层与接着上面一层的晶格常数的差异性；以及一窗户层，它位于所述梯度层上面以散布电流。
43.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述电流壅塞层至少包括一第二导电性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-层，所述第二导电性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-层的渗杂密度大约高于所述第一InGaAlP层的渗杂密度2-4倍。
44.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述第二导电型电流壅塞层的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P铝分子成分组成x是介于0.1到0.5之间。
45.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述光线萃取层(包括三层)的能阶高于所述主动区域的能阶。
46.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述梯度层有一渗杂浓度介于所述窗户层与第二导电性壅塞层之间。
47.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述窗户层的渗杂浓度有一阶段式或梯度式变化介于2*1018/cm2至8*1018/cm2之间。
48.如权利要求47所述的发光二极管，其特征在于，所述窗户层在接近窗户层/包覆层介面的所述渗杂浓度比远离窗户层/包覆层介面的所述渗杂浓度低。
49.如权利要求42所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管是利用有机金属气相外延法在一反应腔中以温度小于摄氏温度750度条件下成长。
50.一种发光二极管，其特征在于，它至少包括一金属接触底座；一第一导电型GaAs底材，它在所述金属接触底座上面，所述底材沿<111>A角度斜切，所述斜切角度大于10°；一光线反射层，它在所述底材上面；一第一导电型InGaAlP层，它位于所述光线反射层上面；一主动层，它位于所述第一导电型InGaAlP层上面，所述主动层至少包括一应变Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P多重量子井，所述Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP井具有一<001>晶格常数，它大于所述斜切GaAs底材的晶格常数约0.2％至0.6％；一Iny(Ga1-x1Alx1)1-yP电子反射层，在所述主动层上面，所述电子反射层有一In0.5Al0.5P壅塞层，所述壅塞层厚度约为20至40nm之间；一第二导电型InGaAlP层，它位于所述电子反射层上面，其电性与所述第一导电型InGaAlP层的相反；一光线萃取层(extraction layer)，它位于所述第二导电型InGaAlP层上面，所述光线萃取层用来阻塞成长方向的电流并散布光线；以及一金属接触顶座，它位于所述光线萃取层上面。
51.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管是利用有机金属气相外延法在一反应腔中以温度小于750摄氏温度下成长。
52.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光线萃取层(extraction layer)至少包括一电流壅塞层，它在所述第二InGaAlP层上面，所述电流壅塞层包括一与第二导电型InGaAlP层同性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层，所述电流壅塞层的厚度为10-100nm；一梯度层，它位于所述电流壅塞层上面；以及一窗户层，它位于所述梯度层上面。
53.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，还包括一光线反射层，它位于所述底材上，所述光线反射层的渗杂浓度大于2*1017/cm2。
54.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层有一反射波长α，它接近所述主动区域的波长β(α＝β-5nm或α＝β+5nm)且其电性与所述底材的相同。
55.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光反射层选自于由AlAs/Alx1Ga1-x1As-底材(x1≥0.5)，In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-底材(x2≥0.1)与AlAs/In0.5(Ga1-x2Alx2)0.5P-的族群底材的超晶格结构所组成。
56.如权利要求55所述的发光二极管，其特征在于，所述铝分子成分组成x1与x2，当波长大于630nm，x1小于0.6且x2大于0.1；当波长大于590nm，x1小于0.7且x2大于0.2；当波长大于570nm，x1小于0.8且x2大于0.3。
57.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层选自于由AlAs/AlxGa1-xAs-based底材，In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-底材，及AlAs/In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-的族群底材的超晶结构所构成，各层的反射系数差不小于0.15。
58.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光线反射层与所述底材的晶格不匹配度小于0.3％。
59.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述第一InGaAlP层有一梯度性变化的渗杂过程，所述梯度性变化剖面在0.4*1018/cm2至1*1018/cm2之间。
60.如权利要求50所述的发光二极管，其特征在于，所述光线萃取层(extraction layer)至少包括一电流壅塞层，它在所述第二InGaAlP层上面，所述电流壅塞层包括一与第二导电型InGaAlP层同性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层，所述电流壅塞层的厚度为10-100nm；一梯度层，它位于所述电流壅塞层上面，用以缓和所述电流壅塞层与接着上面一层的晶格常数的差异性；以及一窗户层，它位于所述梯度层上面以散布电流。
61.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述电流壅塞层至少包括一第二导电性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-层，所述第二导电性的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P-层的渗杂密度大约高于第一InGaAlP层2-4倍。
62.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述第二导电型电流壅塞层的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P铝分子成分组成x是介于0.1到0.5之间。
63.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述电流壅塞层的能阶高于所述主动区域的能阶。
64.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述梯度层有一渗杂浓度介于所述窗户层与第二导电性壅塞层之间。
65.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述窗户层有一阶段式或梯度式变化介于2*1018/cm2至8*1018/cm2之间。
66.如权利要求60所述的发光二极管，其特征在于，所述窗户层在接近窗户层/包覆层介面的所述渗杂浓度比远离窗户层/包覆层介面的所述渗杂浓度低。
全文摘要
一种以化合物半导体材料制成的发光二极管,它包括发射光的具有多重量子井结构的主动区域,主动区域被上下两层的InGaAlP与上层的包覆层夹持包覆。InGaAlP的外延层是用有机金属气相外延法(OMVPE)在GaAs底材上以倾斜角度<111>;A形成,一斜切底材与较低层包覆层的电性相同。较高层包覆层的上面有第二种导电性的光线穿透层即电流扩散层,供电流扩散与发射光线的扩展。光线穿透层包括一个壅塞层、一个晶格梯度层及对于入射光线其能阶是透明的窗户层。
文档编号H01L33/00GK1377095SQ0111206
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月23日 优先权日2001年3月23日
发明者郭立信, 许靖豪, 吴伯仁, 许文士 申请人:洲磊科技股份有限公司