[发明专利]碳化硅中形成的蓝光发射二极管

说明书

本发明涉及发光二极管的结构和制造，特别是碳化硅中形成的、发射蓝光的发光二极管。

通常叫做“LED”的发光二极管，是把电功率转变为发射光的半导体器件。

正如那些根据量子力学理论和定律，而通晓原子和分子结构及电子迁移的人所知道的那样，当电子在原子或分子中允许能级间做跃迁的时候，这些跃迁总是伴随着获得或失去某种特殊的能量。准确地说，把电子提升到较高能级，要吸收能量。电子从较高能级跃迁到较低能级，就放出能量，通常，电子做向下跃迁所释放出的能，是一种振动能形式，经常看到的有热能或光能等，这就是光子，如果是在可见光谱范围内，它可以被人眼看到。

在发光二极管中，产生或注入经过二极管结的电子流或空穴流，接着，所注入的空穴或电子载流子进行复合，这促进了电子跃迁，并同时伴随着振动能或光的产生，或两者同时产生。一般，直接禁带材料中的跃迁主要产生光，而间接禁带材料中的跃迁主要产生热和某些光。直接禁带材料被定义为，在相同动量时，导带的最小值相当于价带中的最大值。相应地，在间接禁带材料中，在相同动量时，两者的最小值和最大值不一致。

熟悉电子跃迁的人还知道，所产生的光的波长直接与电子跃迁的距离有关。电磁辐射的本性就是，在可见光范围内，量电子跃迁易于发射较长波长的光，趋向可见光谱的红色部分;而较大能量跃迁易于发射较短波长的光，趋向紫色部分。更进一步说，这样的跃迁总是表明材料的性质，跃迁出现在材料中，以使得分光镜满视野基于这样一个前提，即：原子、分子和物质可以通过它们与电磁光谱（包括可见光，紫外线和红外线）的特殊反应方式加以辨识。因此，任何给定的半导体材料可以产生的颜色都受到限制，尤其是迄今为止，成功地制造发射特殊蓝光的LED是困难的。因为蓝色是原始颜色之一，缺少始终合用有效的蓝光LED，为许多技术领域提出了课题。没有适用的蓝光，采用LED可以产生或想象的颜色，就限于红色和绿色以及由它们形成的那些颜色。

为了产生蓝光，半导体材料必须具有一个大于2.6电子伏特（ev）的禁带。熟悉半导体材料的人知道，禁带表示某种半导体材料的导带和价带之间能量差别。现在，市场上可得到的可见光发射二极管，都是用诸如磷化镓（GaP）或砷化镓（GaAs）这样的材料做的，它们不适于产生蓝光，因为其禁带约为2.26ev或更小。而蓝光发射固态二极管必须由比较大的禁带半导体做成，例如，氮化镓（GaN），硫化锌（ZnS），硒化锌（ZnSe）和α碳化硅（也称为“六边”或“6H”碳化硅）。因此，许多研究者已试图用α碳化硅来制造蓝光发射二极管。

作为有潜力的蓝光发射二极管的半导体材料，碳化硅具有许多优点。尤其是，碳化硅可易于被进行P型和N型两种掺杂。除具有宽禁带外，碳化硅还具有高热传导率，高的饱和电子漂移速度和高的击穿电场。不过，迄今为止，在制造电子器件，包括制造发光二极管方面，碳化硅还未达到完全商用地位，但是由于它的优良的半导体性能和制造蓝光LED的潜力，它将是有希望的。这通常是加工碳化硅所遇到的困难造成的加温度高，获得好的原材料困难，某些掺杂技术至今难于达到，也许最主要的是，碳化硅结晶超过150种聚型物，其中许多是靠非常小的热力学差别区分的。

因此，碳化硅作为制造诸如实用的，商业可靠的二极管等电子器件的优质材料，控制它的单晶体或单晶薄膜生长的目的，使得许多研究者感到困惑，尽管他们勤奋努力多年，且这些努力大多反映在专利和非专利文献中。

不过，最近取得了一些进展，已有能力生长优质碳化硅器件的大的单晶体，生长优质碳化硅器件薄膜，以及把掺杂物引入碳化硅中，这是制造LED和其它电子器件所需要的。这些进展是几个美国专利的主题，包括专利号4，-Davis等人的专利“β碳化硅薄膜生长和在其上的半导体器件制造”（序号07/113，921，申请日，1987年10月26日）;专利号4，-，Davis等人专利，“α碳化硅薄膜同外延生长和在其上的半导体器件制造”（序号.07/113，573，申请日1987年，10月26日）;专利号4866005，Davis等人的专利，“纯化碳化硅以制造大的、优质的碳化硅单晶体”;专利号4，865，685，Palmour的专利，“碳化硅的干蚀刻”;和尚未批准的Edmond等人的美国专利申请，“进入单晶碳化硅的杂质的注入和电激活”序号07/356，333，1989年5月24日申请。