[发明专利]半导体发光器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明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。本发明还涉及一种制造这种半导体发光器件的方法。

背景技术

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InGaN-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100nm。该发明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。