專利名稱：具有隧道結(jié)的高效發(fā)光二極管的制作方法
具有隧道結(jié)的高效發(fā)光二級管
[技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及由寬帶隙材料構(gòu)成的半導體器件，具體地說，涉及利用隧道結(jié)來增強 器件發(fā)光效率并且為生長后處理步驟加強器件表面穩(wěn)健性的寬帶隙發(fā)光半導體器件。
[背景技術(shù)I
用寬帶隙材料可制成諸如發(fā)光二極管(LED)的光子器件和具有單量子阱(SQW)或 多量子阱(MQW)的量子阱激光器。這些寬帶隙材料包括但不只限于如下的材料氮化鎵 (GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(A1N)以及它們的組合。在Wiley Interscience出版的SZE著 《半導體物理學》第二版U981年)第二章第681-742頁中描述了半導體光子器件。在 Prentice Hall公司出版的Streetman著《固態(tài)電子組件》第二版(1980年)中描述了寬帶 隙材料。
光子器件的簡單模型一般包括有源區(qū)，該有源區(qū)夾在載運負電荷載流子至該有源 區(qū)的層和載運正電荷載流子至該有源區(qū)的層之間。在該有源區(qū)內(nèi)，負電荷載流子和正電 荷載流子都可以輻射性地再重組以產(chǎn)生光。如果有源區(qū)具有一厚度和一個與兩電荷載流 子層不同的組分，則形成量子阱。量子阱每側(cè)上的層通常稱為披覆層。如果有源區(qū)只是 一種不具有厚度的理論架構(gòu)，則形成二極管結(jié)。所述結(jié)每側(cè)上的層通常稱為限制層。為
了方便起見，在任一器件中的這些層都稱為限制層。所述限制層可從有源區(qū)擴展至金屬 接觸層或襯底。
由寬帶隙半導體材料(例如，氮化鎵)制成的光子器件通常具有限制有源區(qū)的n-型限 制層和p-型限制層。p-型寬帶隙限制層的缺點在于，其與n-型寬帶隙層相比更加能夠抵 抗電流(即，導電性能低)。在具有良好導電性的p-型層的器件中，p-型電接觸可以覆蓋 p-型層表面的一部分。通過接觸使電流貫穿p-型層，以使均勻電流注入有源區(qū)。該接觸 還可覆蓋p-型層充分小的區(qū)域，而不會因接觸阻礙有源層發(fā)出的光。
然而，在寬帶隙p-型層中，電流流向的阻抗會妨礙整個側(cè)向電流從帶有一小接觸點 的金屬接觸擴展到全層。這樣會致使非均勻電流注入有源區(qū)并降低整個器件的效率。
一種解決電流擴展問題的方式是使用覆蓋p-型層大部分表面的金屬接觸。當這樣做確實對電流擴展有效時，所述接觸可以吸收許多從有源層穿過p-型層發(fā)出的光，而降低 了器件的總效率。
如Chen等人的美國專利6,420,736所述，解決此問題的另一方案是在p-型層上進行 多層金屬接觸。第一層覆蓋p-型層全層并只有幾個原子層的厚度。Chen等人敘述了該層 可使足量的光通過金屬層，以便器件的總效率是可接受的。較厚且產(chǎn)生更多穩(wěn)健接觸的 第二金屬層覆蓋有源器件的一部分接觸點。然而，該穩(wěn)健金屬層對于有源區(qū)產(chǎn)生的光是 不透光的。用在p-型的器件半透明接觸中的吸收p-型的歐姆接觸金屬可降低光子器件產(chǎn) 生的光亮度。
一些能夠使歐姆接觸形成寬帶隙p-型層的金屬不能有效地附著于p-型層的表面。這 種較差的附著力可以要求沉積用于p-型金屬接觸的雙層半透明窗口。在p-型層上直接沉 積該接觸的第一層與半導體的表面附著。再在第一層上沉積第二金屬層以增強側(cè)向電流 的擴散，使該電流能夠遍及有源區(qū)的接觸點。
p-型寬帶隙層的另一特征在于，其比n-型寬帶隙層更加脆弱，而致使寬帶隙光子器 件的加工復雜化。例如，在寬帶隙光子器件的上表面為p-型時，必須在器件加工的所有 步驟過程中十分關(guān)注如何將對暴露的p-型層表面的損壞減到最小。這對于許多加工在p-型層沉積之后進行的光子器件尤為困難。
在p-型器件中克服這些問題的一種方法是，在有源區(qū)和金屬電極層之間的p-型限制 層內(nèi)制造隧道結(jié)。該結(jié)可使p-型載流子轉(zhuǎn)變成沉積在一n-型層的p-型層之上的n-型載流 子。n-型層有利之處包括但不限于在加工過程中更多的穩(wěn)健性，具有比p-型層更低的阻 抗，而且比p-型層更有效地使側(cè)向電流擴展。該方法在Seong-RanJeon等人于2001年5月 21日在《應(yīng)用物理快報》第3265-3267頁第78巻第21期發(fā)表的"在利用隧道接觸結(jié)的GaN 襯底發(fā)光二極管中擴散的側(cè)向電流" 一文中做了描述。Jeon在p-型限制層中使用隧道二 極管結(jié)接觸以把電荷載流子轉(zhuǎn)變成n-型。
該方法的難點在于寬帶隙材料中的隧道二極管日趨失效并大大阻擋電流。在寬帶 隙材料中形成的隧道結(jié)具有一隧道寬度，該寬度有一隧穿電阻。隧道寬度的尺寸及其隧 穿電阻隨寬帶隙寬度增加而增大，并隨結(jié)處的摻雜增加而減小。寬帶隙材料的寬帶隙趨 于顯著降低隧道結(jié)的性能，而寬帶隙材料中摻雜劑的飽和度甚至是簡并摻雜，并不減低 受足以使器件產(chǎn)生效率的寬帶隙材料碰擊的隧穿電阻。
在具有低隧穿電阻的寬帶隙光子器件中，很難形成與p-型限制層接觸的隧道結(jié)，因
為大的帶隙和摻雜限制會防止隧道寬度變得過薄。在p-型限制層中薄的隧道結(jié)將會產(chǎn)生
較低的隧穿電阻、較高的電極電流以及更有效的光子器件。[發(fā)明內(nèi)容l
依照本發(fā)明的一種高效寬帶隙半導體光子器件p-型限制層的一項實施例，所述P-型限制層包括具有第一組分的第一半導體層，該層與第二和第三半導體層金屬接觸并且 設(shè)置在兩者之間，其中第二和第三半導體層具有與所述第一層不同的組分。第二半導體 層是p-型層，而第三半導體層是n-型層。具有隧道寬度和隧穿電阻的隧道結(jié)由第二、第 一和第三層構(gòu)成，并適合于使第二層中的電荷載流子躍遷至具有相反極性的電荷載流 子。與不同材料相關(guān)的固有偶極子用來形成結(jié)，以致使寬度小于沒有第一層時結(jié)中的寬 度。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管(LED)的一項實施例包括第III族元素氮化物半導體材料 的第一n-型層和第in族元素氮化物半導體材料的p-型層。其還包括夾在n-型層和p-型層 之間的第III族元素氮化物半導體材料的有源區(qū)。該LED包括第III族元素氮化物半導體材 料的第二n-型層，以及在p-型層和第二n-型層之間的隧道結(jié)。施加在第一和第二n-型層 之間的偏壓使有源區(qū)發(fā)光。
根據(jù)本發(fā)明的另一種LED包括多個以垂直對齊方式設(shè)置在彼此頂部的發(fā)射結(jié)構(gòu)。 每一發(fā)射結(jié)構(gòu)包括第一n-型層、p-型層以及夾在ii-型層和p-型層之間的有源區(qū)。該LED 還包括多個第二n-型層，其中一個設(shè)置在每一靠近的發(fā)射結(jié)構(gòu)之間， 一個設(shè)置在頂部的 發(fā)射結(jié)構(gòu)上。該LED還包括多個隧道結(jié)，每一個隧道結(jié)位于多個第二n-型層中一層和多 個發(fā)射結(jié)構(gòu)中之一的p-型層之間。施加在最底部發(fā)光結(jié)構(gòu)中的第一n-型層和最頂部那個 第二n-型層之間的偏壓使多個發(fā)射結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)發(fā)光。
根據(jù)本發(fā)明的一種用于在寬帶隙半導體p-型限制層中制造具有隧道結(jié)的低電阻p-型限制層的方法一項實施方式包括在限制層的結(jié)中產(chǎn)生極化電荷。在結(jié)中形成的隧道 寬度比沒有極化電荷時的結(jié)的寬度小。
以下參照附圖作的詳細說明，本發(fā)明的這些及其它的特征及優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù) 人員來說是顯而易見的。
[


圖1為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管(LED)—個實施例的截面圖，該LED具有隧道結(jié)以 助電流從p-型接觸擴散；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一LED的截面圖，該LED是倒裝的； 圖3為根據(jù)本發(fā)明的又一LED的截面圖，該LED具有多個垂直安裝的發(fā)射結(jié)構(gòu)；圖4為根據(jù)本發(fā)明的再一LED的截面圖，該LED具有反轉(zhuǎn)的發(fā)射結(jié)構(gòu)； 圖5為根據(jù)本發(fā)明的隧道結(jié)實施例的截面圖； 圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一隧道結(jié)實施例的截面圖；以及
圖7所示為與p-型限制層接觸的低電阻隧道結(jié)一個實施例的制造方法的流程圖。 [具體實施方法
以下所敘述的器件具有正常長成在晶體極性方向的晶層結(jié)構(gòu)。在一實施例中，假 定器件層具有晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)層，該層包括氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(I&GayN)和氮化鋁 鎵(AlxGayN)，其中0.3^x^l.0和x + "1.0。除此之外，晶體的上表面具有帶有元素周期 表第III族元素極性的(OOOl)取向。
本發(fā)明所揭示的器件包括一般用外延生長法制備的半導體材料。外延生長的方法 可使二維表面均勻，其中由于生長過程的超時，在第三維中可能造成組分的變化和摻雜。 通常，通過分子束外延法(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法生長成這些結(jié)構(gòu)。 然而，也可使用其它同樣有利的外延生長方法來達到此目的。
以下的一些附圖所示為以不同外延技術(shù)生長的器件結(jié)構(gòu)的截面圖。每幅附圖均包 括一襯底作為參照?？梢赃@樣理解，外延生長法通常是指從襯底表面開始一層接另一層 的表面而連續(xù)生長。在一些器件中，金屬層作為最上層，但是金屬層通常不能通過外延 法進行沉積，反而是用不同的步驟，諸如噴鍍法，使金屬沉積。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管(LED)的一個實施例，其包括將金屬層與p-型 限制層連接的隧道結(jié)配置。在該實施例中，LED 10是以GaN材料系統(tǒng)制成，雖然也可由 其它許多獨立或組合的材料系統(tǒng)來制造。如上所述，LED10也可以使用傳統(tǒng)的制造過程 來律!j造。
LED 10包括可由許多不同材料諸如GaN、硅、硬質(zhì)合金或藍寶石構(gòu)成的襯底12。
SiC是適合的材料，因為它具有與第m族元素氮化物(如GaN)匹配的近似晶格，以及
導致較高質(zhì)量的第III族元素氮化物膜。碳化硅亦具有非常高的導熱率，以致在碳化硅上
的第III族元素氮化物器件的總輸出功率不受襯底的熱耗散的限制(此情況會發(fā)生在形成
于藍寶石上的一些器件中)。SiC襯底可采用北卡羅萊納州的Durham地區(qū)的CreeResearch
有限公司的制品，其制造方法陳述于科學文獻及美國再頒專利Re. 34,861、美國專利第
4,946,547號及美國專利第5,200，022號。在其它的實施例中，襯底可以是GaN材料，而光
子器件可以在襯底的極性面上沉積。
LED 10還包括具有兩種功能的第一n-型層14。首先，層14靠近襯底12的部分作為緩沖/成核層，而且這些層的詳細資料一般是本領(lǐng)域公知的，在此只作簡短的討論。當在 層14中進行生長時，層14的緩沖/成核部分可減少在外延生長中的缺陷而遠離襯底12的界 面。層14的第二種用途在于用作LED有源區(qū)的限制層。層14可由許多不同的材料制成， 較佳的材料為n-型GaN。在根據(jù)本發(fā)明的LED其它的實施例中，層14可以是兩個獨立層， 其中一層是緩沖/成核層，而另一層是n-型限制層。緩沖/成核層通常夾在襯底12和n-型限 制層之間。
LED 10進一步包括裝配在層14上的有源區(qū)16，其中層14為有源區(qū)提供物理支撐。 在有源區(qū)16上形成p-型GaN限制層18，并與有源區(qū)16和n-型限制層14結(jié)合形成LED IO的 基本光層。在操作中，來自層14的n-型載流子與來自層18的p-型載流子結(jié)合，以在有源 區(qū)中產(chǎn)生光。在該實施例中，有源區(qū)14是一具有量子阱的區(qū)域。這些量子阱可以由氮化 銦鎵(IiixGayN)構(gòu)成。有源區(qū)14也可具有單量子阱或多量子阱。在一實施例中，層14可以 是具有物理厚度為零的理論結(jié)構(gòu)。在此條件下，p-型層18和n-型層14在層14處形成p-n結(jié)。
該LED 10還包括在p-型層18上的p-型AlGaN層20以及在p-型AlGaN層18上的n-型 GaN層22。依照本發(fā)明，p-型GaN層18與p-型AlGaN層20和n-型GaN層22的底部結(jié)合，形 成隧道結(jié)26。如圖1所示，隧道結(jié)26包括層22的底部、層18的頂部以及層20全層。在該 實施例中，層20是一個p-型AlGaN層，其具有與層18或?qū)?2均不相同的帶隙。夾在層18 和22之間的層20的帶隙中的該相異性可以產(chǎn)生一偶極矩。該偶極矩使隧道結(jié)的隧道寬度 縮短，其中在19處形成的隧道結(jié)，其寬度大于沒有層20時隧道結(jié)的寬度。
如圖1所示，通過金屬層24，第二n-型GaN層22允許與器件的上部產(chǎn)生接觸。該金 屬層24設(shè)置成將電流供給p-型層，并與設(shè)置成將電流供給n-型GaN層14的第二金屬層共 同作業(yè)。這樣可使偏壓施加給LED10以使其有源區(qū)16發(fā)光。如上所述，與n-型GaN層歐 姆接觸形成的金屬層需要比與p-型GaN層歐姆接觸形成的金屬層更小的接觸點。同樣地， n-型GaN層22具有較大的載流子遷移率，以增強流入LED 10有源區(qū)16的載波電流的均勻 性。在進入有源區(qū)16的電流中巳增強的均勻性可加強LED10的效率，以使有源區(qū)16中產(chǎn) 生的光的總量達到最大。
在該實施例中，p-型AlGaN層20的厚度約0.3至5納米(nm.)，雖然也可采用其它的厚 度。AlGaN層20通常含30。/。和100y。的鋁，雖然也可采用其它百分比的鋁。在層20中鋁的 含量越高，則結(jié)26中的偶極矩將越強。結(jié)26中的偶極矩越強，則橫跨結(jié)的隧道寬度越窄。
當層20中的鋁含量增加，就很難從層18至層20以及從層20至層22以高質(zhì)量的晶體
進行生長躍遷。這就有可能要試驗性地確定層20中鋁的最佳含量，以使作用在結(jié)26上的
偶極強度達到最大，而將對晶體生長質(zhì)量的負面影響減到最小。
11帶有比層20或?qū)?8更高載流子遷移率的層22，允許電荷載流子從待均勻分布且均 速流過有源區(qū)16接觸點的金屬層24進入層22。 n-型電荷載流子均勻地穿過層22和層20之 間的躍遷至有源區(qū)16的接觸點。不再需要側(cè)向電流的擴散，因此電荷載流子可以繼續(xù)通 過隧道結(jié)26，并進入使n-型電荷載流子轉(zhuǎn)變成p-型電荷載流子的p-型層18中。這樣可使 接近的均勻載流子從p-型層注入有源區(qū)16。層20降低了層22中電荷載流子穿過結(jié)26所需 的偏壓，以使LED10更具效率。
一種最佳的隧道結(jié)可實現(xiàn)側(cè)向電流的擴散，其不再使用半透明的金屬接觸層。不 使用半透明的金屬接觸層可以增加器件的效率和輸入功率，因為半透明狀擴散的金屬不 會吸收有源區(qū)14產(chǎn)生的光。通過簡化的接觸鍍金屬法步驟，即取消除光刻加工的步驟， 可使這種器件的制造更為簡單，因為只有一種類型的金屬層可以沉積。
此外，由于LED具有來自n-型GaN層22的上表面，與在上表面上具有p-型材料的結(jié) 構(gòu)相比，可減少對表面的損害危險。n-型GaN層22提供的表面是可以更穩(wěn)健地處理的表 面，以致于與具有p-型層作為上表面的LED相比，可減少對LED10表面損害的可能性。
圖2所示為本發(fā)明的LED40的另一實施例，其包括與LED IO相似的層，但LED 40 是倒置安裝的，使得LED光首先穿過襯底42發(fā)射出來。LED40也可利用低電阻p-型限制 層和隧道結(jié)的配置使高反射率的金屬接觸能夠沉積。與諸如GaN的p-型寬帶隙半導體材 料產(chǎn)生歐姆接觸的金屬接觸能力，易于形成有耗反射面。然而，與諸如GaN的n-型寬帶 隙半導體材料形成歐姆接觸的金屬能力，易于形成穩(wěn)定的、容易制造且高反射率的金屬 接觸。與n-型寬帶隙半導體材料產(chǎn)生高反射率接觸的金屬能力包括但不只限于鋁、銀和 金。
圖2中的結(jié)構(gòu)在襯底42上生長，其可由與圖1中相同的材料和襯底12制成。第一n-型層44與圖1中的層14相似，當生長在層44中進行時，可減少外延生長中的缺陷，遠離 襯底12的界面。層44還可用作LED有源區(qū)的n-型限制層。層44可由多種不同材料制成， 較佳的材料為n-型GaN,而且在根據(jù)本發(fā)明的LED的另一實施例中，層44可包括一單獨 的緩沖/成核層和一單獨的n-型限制層。
LED 40還包括與圖1中有源區(qū)16和P-型限制層18相似的有源區(qū)46以及p-型GaN限制 層48,其中有源區(qū)夾在p-型GaN限制層48和n-型限制層44之間。施加于p-型層44和n-型層 48之間的偏壓致使有源區(qū)46發(fā)光。然而，由于LED40是倒裝定向的，這有利于LED穿過 襯底42發(fā)光。為了提高LED40的效率，這就希望有一反射的表面將從有源區(qū)46發(fā)出的光 反射朝向并穿過p-型層48。然而，如上所述，很難在p-型GaN材料以及其它第III族元素 氮化物的材料的表面上沉積有效的反射面。為使有效的反射面能夠在LED 40上沉積，其還包括p-型AlGaN層50和第二n-型GaN 層52，其中p-型AlGaN層夾在n-型GaN層52和p-型GaN層48之間。該組合層形成隧道結(jié)56， 如同上述LED10中的p-型AlGaN層12產(chǎn)生可減小二極管隧道結(jié)56的隧道寬度的偶極子。 通過在LED 40的上表面具有n-型GaN層52，可使反射式接觸金屬54沉積在代替p-型材料 的n-型材料上。
反射式金屬54可用作反射面以及用作把偏壓施加于p-型層48的電接觸，其帶有來自 接觸的電流擴展并進入圖I的LED IO中所述的有源區(qū)。反射層54覆蓋有源區(qū)的全部接觸 點，不但不會減小LED40的亮度或效率，反射式接觸金屬層54反而可增強亮度和效率。 n-型GaN對由寬帶隙材料產(chǎn)生的多數(shù)類型的光是透明的。這樣，在有源區(qū)46中產(chǎn)生的光 穿過n-型GaN限制層44，再繼續(xù)穿過襯底42。在p-型GaN限制層48的方向離開有源區(qū)14 的光穿過p-型GaN限制層48、 p-型AlGaN層50以及第二n-型GaN層52。然后，光在反射式 金屬54反射，返回并朝向襯底42，穿過襯底射而離開LED 40，有助于LED 40的發(fā)光。 沒有該反射式接觸金屬54，射向p-型GaN限制層48的所有或大部分的光將不利于LED 40 的發(fā)光。
p-型AlGaN層50可減小隧道寬度，并由此減小隧道結(jié)56的隧穿電阻，與沒有層50 的情況下的隧道寬度和電阻相比而言。在本發(fā)明的另一實施例中，可減小p-型GaN限制 層48的厚度，使得當光從有源區(qū)穿過p-型GaN限制層時，被該層吸收的LED光的總量減 到最小。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的LED70的另一實施例，其展示了高光通量，并且包括多個 垂直集成的有源區(qū)。每一有源區(qū)可以如傳統(tǒng)的單一光子器件一樣在相同的電流密度上工 作。兩終端器件可設(shè)有與相應(yīng)標準器件相等的接觸點，同樣可以在與單一器件的工作電 壓相同的電壓上工作，且隨器件中結(jié)的數(shù)目而增加。隨著有源區(qū)的數(shù)目增加，光的輸出 也相應(yīng)增加。
如在此的詳盡描述，LED70包括三個垂直集成的有源區(qū)。LED70的器件結(jié)構(gòu)相應(yīng) 地考慮分成三個器件，即該器件可在單一生長中形成，并只要求兩層接觸，盡管依照本 發(fā)明的其它器件可以具有兩層以上的接觸。LED70的層在襯底72上生長，襯底可由如圖 1和圖2分別所示的襯底21 、 42相同的材料制成。
第一發(fā)光結(jié)構(gòu)在襯底72上生長，并包括n-型GaN限制層74a，該層也可作為緩沖層
和成核層，以加強晶體生長的質(zhì)量。該第一發(fā)光結(jié)構(gòu)還包括有源區(qū)76a和p-型GaN限制層
78a，其中有源區(qū)76a夾在p-型和n-型GaN限制層74a和78a之間。p-型GaN限制層78a與有
源區(qū)76a和n-型GaN限制層74a結(jié)合以形成發(fā)光器，其中有源區(qū)76a響應(yīng)于施加在p-型和n-13型限制層78a和74a的偏壓而發(fā)光。LED 70還包括相似的第二發(fā)光器，其具有垂直定向在 第一發(fā)光結(jié)構(gòu)之上的n-型GaN限制層74b、有源區(qū)76b和p-型限制層78b。 LED 70還包括第 三發(fā)光結(jié)構(gòu)，其具有垂直定向在第二發(fā)光結(jié)構(gòu)之上的n-型GaN限制層74c、有源區(qū)76c和 p-型限制層78c。
第一p-型AlGaN層80a設(shè)置在第一發(fā)光結(jié)構(gòu)的p-型層78a和第二結(jié)構(gòu)的n-型層74b之 間。相似地，第二p-型AlGaN層80b設(shè)置在第二結(jié)構(gòu)的p-型層78b和第三結(jié)構(gòu)的n-型層74c 之間。LED 70還包括p-型層78c上的第三p-型AlGaN層80c以及第三p-型AlGaN層80c上的 頂部n-型GaN層82。
第一、第二和第三p-型AlGaN層80a、 80b和80c的每一層與周圍的層形成的隧道結(jié)。 例如，第一p-型AlGaN層80a、 n-型GaN限制層74b的底部和p-型限制層78a的頂部形成第 一隧道結(jié)84a。第二p-型AlGaN層80b、 n-型限制層74c的底部和p-型限制層78b的頂部形成 第二隧道結(jié)84b。第三p-型AlGaN層80c、 n-型層82的底部和p-型限制層78c的頂部形成第 三隧道結(jié)84c。
在各自存在于第一、第二和第三p-型AlGaN層80a、 80b和80c的每一隧道結(jié)84a、 84b 和84c上產(chǎn)生的偶極子可減小在沒有層的情況下的隧道寬度和隧穿電阻。這樣，可增強 每一隧道結(jié)84a、 84b和84c的效率。p-型AlGaN層可以有許多不同的厚度，并可以有不同 百分比的鋁，合適的p-型AlGaN層厚度在0.3至0.5納米之間，鋁含量占30%至100%。
隧道結(jié)84a、 84b和84c使電流從p-型金屬接觸擴散至所有三個有源區(qū)76a、 76b和76c， 使得各有源區(qū)響應(yīng)于施加在p-型金屬接觸86和n-型接觸(圖中未示)之間的偏壓而發(fā)光。 隧道結(jié)84c使電流從接觸86穿過p-型層78c擴散，與上述圖1中的隧道結(jié)26相似。這樣可以 使電流從p-型金屬接觸進入有源區(qū)76c的注入近似均勻。
離開隧道結(jié)84a的n-型電流進入n-型GaN限制層74b。隧道結(jié)19a使p-型限制層78a形 成一與n-型GaN限制層74b逆接觸的較低電阻。反向的電荷載流子經(jīng)層74b傳入有源區(qū) 76b，并在p-型GaN限制層78b中以正電荷載流子退出。這一循環(huán)在器件上重復進行一直 到達n-型GaN層82。層82允許表面進行穩(wěn)健處理，并可在該表面上形成與n-型金屬層10 的簡單接觸。相似的過程可使p-型電流從p-型接觸86流出穿過LED 70的層。通過具有 流過LED層的n-型和p-型電流，所有的有源區(qū)可以因施加在p-型和n-型接觸的偏壓而同時 發(fā)光。
圖3中的結(jié)構(gòu)允許單一生長中的多個光子器件兩端形成串聯(lián)。在隧道結(jié)84a、 84b和
84c上產(chǎn)生的偶極子可減小隧道寬度以及隧穿電阻，而增加LED 70的效率。在根據(jù)本發(fā)
明的一實施例中，每一有源區(qū)76a、 76b、 76c可包括不同的材料組分。有源區(qū)產(chǎn)生的光
14波長是一該有源區(qū)帶隙的函數(shù)，而且有源區(qū)的帶隙由其組分來確定。具有不同的組分可 使三個有源區(qū)76a、 76b、 76c各自產(chǎn)生不同的光波長或光顏色。然后，這些光的波長可 以彼此結(jié)合成第四種和不同的光波長。在根據(jù)本發(fā)明的一實施例中，來自有源區(qū)76a、 76b、 76c的光可射出不同波長的光，結(jié)合這些光以產(chǎn)生白光。
此外，圖3中的結(jié)構(gòu)使光子器件有可能在器件效率最高時的電流密度上工作。GaN 寬帶隙光子器件在電流密度接近2-5毫安(mA)時具有一效率峰值。該實施例最好在低輸 入功率處增加光輸出。例如，由于低電流密度下的量子效率比在3伏和20毫安下工作的 單一LED高，三個有源區(qū)串聯(lián)的光子器件可在12伏和5毫安的情況下工作，并可達到接 近30%的較高光輸出。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的LED IOO的另一實施例，其包括在諸如GaN/AlGaN的寬帶 隙半導體材料中倒置的光子器件結(jié)構(gòu)。LED100包括與圖1中襯底12相同材料制成的襯底 102。 LED IOO包括倒置的發(fā)光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有置于上面的第一n-型GaN限制層104、 置于下面的p-型GaN限制層106，以及夾在兩者之間的InGaN有源區(qū)108。 p-型GaN限制層 106的下面為p-型AlGaN層110,再下面為第二n-型GaN層112。由p-型層110底部、p-型 AlGaN層110以及第二n-型層112的上部形成隧道結(jié)114。
LED IOO的優(yōu)點在于其有能力消除或減小自發(fā)極化和壓電極化的影響，自發(fā)極化和 壓電極化會導致電導率和價電子帶中電子和空穴的空間分離。因此，該實施例可增加輻 射復合率的效率。在電流流過的倒置的LED工作中的外場可對抗外極化場。作為最佳的 結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)場可大量地減小，并因此使光子器件更具效率。在本發(fā)明LED IOO的另一 實施例中，LED 100的倒置結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)還可以以相似于圖3所述結(jié)構(gòu)的方式垂直定位地 設(shè)有多個發(fā)光結(jié)構(gòu)來制作高通量LED。
上述的器件描述了使用隧道結(jié)的優(yōu)點，其中隧道結(jié)包括在n-型和p-型層之間的異種 材料以產(chǎn)生可縮短隧道寬度的偶極矩。然而，也可使用其它類型的隧道結(jié)。圖5為根據(jù) 本發(fā)明隧道結(jié)130的另一實施例的截面圖，其可在上述的器件中使用，而且一般與p-型 限制層結(jié)合設(shè)置。在結(jié)構(gòu)的生長過程中，靠近隧道結(jié)的物理位置會引入雜質(zhì)，以產(chǎn)生中 間帶隙或中央禁帶的狀態(tài)。
在隧道結(jié)130中，首先生長退化摻雜的p-型氮化鎵層132，并且當退化摻雜的n-型氮
化鎵層134在層132上面做金屬接觸生長時，則隧道結(jié)可正常地生長直至完成。然而，在
隧道結(jié)130中，因為生長朝向?qū)?32生長的末端進行，在躍遷至層134的生長之前，可把
雜質(zhì)加入到層132，以便在待形成的結(jié)的帶隙中引起深態(tài)?？蓪㈦s質(zhì)引入到第一雜質(zhì)部
分136處的生長層132，可以不斷增加或者按照一層或多層原子層增加。第一部分36中的雜質(zhì)為受體雜質(zhì)，所以它們不會對層132的全部電荷產(chǎn)生干擾。
然后，異種層138在第一雜質(zhì)部分136上生長，而在根據(jù)本發(fā)明的一實施例中，異 種層136可以包括0.3至5.0納米的p-型AlxGayN，其中0.3^^1.0以及乂=尸1.0，雖然也可使 用其它的厚度和組分。在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，異種層138可以是具有物理厚度 為零的隧道結(jié)。
接下來，剛好在從層138躍遷至層134之后，層134在異種層138上生長，第二雜質(zhì) 部分140可以躍遷進入到層134生長。雜質(zhì)部分140可以是帶有外加雜質(zhì)的退化摻雜n-型 氮化鎵，以便把深態(tài)加到帶隙內(nèi)。從第二雜質(zhì)部分140引入帶隙內(nèi)的雜質(zhì)和深態(tài)應(yīng)該是 施主，以致不會干擾層134的電荷。在根據(jù)本發(fā)明的一實施例中，態(tài)密度可大約為l(^/cm3 或更高，雖然也可使用其它態(tài)密度。
一旦這些雜質(zhì)或缺陷在第一和第二雜質(zhì)部分136、 140中完成生長，可把中間帶隙 態(tài)引入隧道結(jié)130的結(jié)區(qū)中。通過使載流子部分地穿過帶隙去到隧道，這些中間帶隙態(tài) 可減小結(jié)130的隧道寬度，然后繼續(xù)完成隧穿。通過在可以相互移近隧道結(jié)帶隙的結(jié)130 處形成空間電荷，帶隙態(tài)還可有助于減低隧道寬度。
圖6所示為隧道結(jié)160的另一實施例，其與圖5中的隧道結(jié)130相似，并可以在如圖l 至4所述的光子器件中使用。隧道結(jié)160包括加到其結(jié)區(qū)的不同態(tài)。退化摻雜的p-型氮化 鎵層162首先生長，并且當接近其生長末期時，引入雜質(zhì)以形成第一雜質(zhì)部分164，這些 雜質(zhì)具有一種特殊類型的深中間隙態(tài)。雜質(zhì)部分164生長之后，可生長成帶有略微變淺 的中間隙態(tài)的第二雜質(zhì)部分166。第二雜質(zhì)部分166生長之后，異種層168可以在其之上 生長。
在一實施例中，異種層166包括0.3至5.0納米的p-型AlxGayN，其中0.35x^l.0以及 x=y=1.0,雖然也可使用其它的厚度和密度。異種層166—旦生長，在n-型層167生長時， 載流子從p-型躍遷至n-型。第三雜質(zhì)部分170在躍遷至n-型層ll時生長，并具有沉積在其 內(nèi)部的深中間隙態(tài)施主。然后，生長具有淺中間隙態(tài)的第四雜質(zhì)部分172,并且在上述 的躍遷之后，生長退化摻雜的n-型氮化鎵層167。
可引入一系列的不同雜質(zhì)和隙態(tài)，以提供跨越隧道寬度的準連續(xù)階梯。最理想的
準連續(xù)階梯可以與金屬躍遷比擬。跨越該寬度的載流子電導率幾乎與金屬相似。引入高
場區(qū)或隧道寬度隧道結(jié)160的深態(tài)應(yīng)具有1019/咖3至102()/咖3的濃度范圍，以達到最大的
效益，且防止在高電流時出現(xiàn)飽和。當通過電流隧穿跨越寬度而留下不能隧穿的過剩電
流從而產(chǎn)生所有可用的隙態(tài)時，則會導致飽和。
圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的方法190實施例的流程圖，該方法用于形成具有隧道結(jié)的半導體器件。圖中方塊192所示為，在寬帶隙半導體器件中制造具有隧道結(jié)的低電阻的 p-型限制層。圖中方塊194所示為，在限制層結(jié)中產(chǎn)生極化電荷。圖中方塊196所示為， 形成隧道寬度，其小于沒有所述電荷時形成的寬度。
在生長過程中，異種材料可設(shè)置在結(jié)處。這些結(jié)構(gòu)的生長通常以分子束外延法 (MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法完成，然而，其它外延生長法也可用來制造 這些結(jié)構(gòu)。GaN較佳的生長條件通常與InGaN或AlGaN的生長條件不同。必須小心處理 在生長條件中從一種材料至另一種材料的躍遷，因為當條件為沒有材料可以生長高質(zhì)量 的晶體時，則會有一中間期。
在異種材料的組分中，銦或鋁的比例可以占30%至100%。結(jié)中的異種材料中鋁占 的比例越大，則隧道結(jié)處的極化效應(yīng)越大。然而，異種材料中鋁占的比例越高，則生長 該材料的高質(zhì)量晶體就越難。
在一實施例中，當新的生長條件穩(wěn)定時，則可以中斷生長。在這些異質(zhì)結(jié)處的突 變界面可向狹窄的結(jié)提供陡的梯度。然而，材料界面取決于生長中斷期間表面上的污染 沉積。
在一實施例中，在改變生長條件的過程中組分躍遷為斜坡式。這樣可使偶極效應(yīng) 延伸跨越更大的距離，減小其對帶彎曲的影響。由斜坡躍遷引起的弱帶彎曲導致隧道結(jié) 縮短很少。
雖然本發(fā)明參照一些較佳的結(jié)構(gòu)做了詳盡的描述，但是其它的變型也是可行的。 因此，本發(fā)明的精神和保護范圍將不受在此優(yōu)選內(nèi)容的限制。
權(quán)利要求
1. 一種高效寬帶隙半導體器件p-型限制層，所述的p-型約束層包括具有第一組分的第一半導體層，其與第二和第三半導體層金屬接觸并且設(shè)置在兩者之間，其中第二和第三半導體層具有與所述第一層不同的組分，所述第二半導體層是p-型，而所述第三半導體層是n-型；具有隧道寬度和隧穿電阻的隧道結(jié)，其由所述第二、第一和第三層構(gòu)成，并適合于使所述第二層中的電荷載流子躍遷至具有相反極性的電荷載流子，其中與所述不同材料相關(guān)的固有偶極子用來形成所述結(jié)，以致使所述寬度小于沒有所述第一層時所述結(jié)中的寬度。
2. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述半導體包括元素周期表第III族元素 氮化物材料系統(tǒng)。
3. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述第一層的厚度約為0.3至5納米。
4. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述第一層包括 夾在所述高摻雜n-型GaN層和所述高摻雜p-型GaN層之間的InxGayN層，其中x+y=l。
5. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述第一層包括夾在所述高摻雜p-型GaN層和所述高摻雜n-型GaN層之間的A^GayN，其中x+pl 。
6. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述結(jié)包括位于靠近所述結(jié)的所述第 二和第三層中的雜質(zhì)，在所述寬度內(nèi)形成帶隙態(tài)。
7. 如權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于，所述器件還包括 多種性質(zhì)不同的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)位于靠近所述隧道結(jié)的所述第二和第三層中，在所述寬度內(nèi)形成提供準連續(xù)隧穿途徑的多種帶隙態(tài)。
8. 如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述雜質(zhì)是放置在包括下列組中一種情況的結(jié)區(qū) 內(nèi)的結(jié)果，所述組包括半導體材料中的本征缺陷；位錯；擴展的晶體缺陷；金屬性或 半金屬性的島狀物或量子阱；具有稀土雜質(zhì)的摻雜；具有金屬離子的摻雜；注入和雜質(zhì) 擴散。
9. 如權(quán)利要求7所述的器件，其特征在于，所述的器件進一步包括 所述結(jié)的n-型側(cè)；以及所述結(jié)的p-型側(cè)，其中所述態(tài)在所述結(jié)的各側(cè)上形成種類相似的載流子。
10. 如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所述結(jié)包括 n-型結(jié)層，其具有密度約6x 1019/0113或更高的電荷載流子。
11. 如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所述結(jié)包括p-型結(jié)層，其具有密度約3 x 1019/0113或更高的電荷載流子。
12. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述結(jié)提供一種側(cè)向電流擴散的有 效方法。
13. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述結(jié)允許以高反射率的n-型歐姆 金屬接觸替換光吸收p-型歐姆接觸金屬。
14. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，多個所述結(jié)允許多個垂直集成的雙 極有源區(qū)串聯(lián)。
15. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述結(jié)允許發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的極性反轉(zhuǎn)。
16. —種在寬帶隙半導體器件中制造具有隧道結(jié)的低電阻p-型限制層的方法，包括在所述的限制層結(jié)中產(chǎn)生極化電荷；以及形成一隧道寬度，使得所述寬度小于沒有所述電荷時所形成的寬度。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括在所述結(jié)處或靠近所述結(jié)引入雜質(zhì)，其中所述結(jié)在所述寬度內(nèi)產(chǎn)生帶隙態(tài)；以及 形成具有隧穿電阻的隧道寬度，所述電阻小于沒有所述雜質(zhì)時所形成的電阻。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括 在所述結(jié)處或靠近所述結(jié)引入多種雜質(zhì)，其中所述結(jié)在所述寬度內(nèi)產(chǎn)生多種性質(zhì)不同的帶隙態(tài)；以及形成一隧道寬度，所述寬度與在所述寬度內(nèi)具有準連續(xù)隧穿途徑的類金屬躍遷相似。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述結(jié)提供一種側(cè)向電流擴散的 有效方法。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述結(jié)允許以高反射率的n-型歐姆 接觸金屬替換光吸收p-型歐姆接觸金屬。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，多個所述結(jié)允許多個垂直集成的 雙極有源區(qū)串聯(lián)。
22. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述結(jié)允許發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的極性反轉(zhuǎn)。
23. —種高效寬帶隙材料的器件，所述的器件包括 第一n-型接觸層，其具有第一組分、第一側(cè)和第二側(cè)；第一p-型接觸層，其具有第二組分、第一側(cè)、第二側(cè)，所述第一n-型接觸層的所述 第二側(cè)與所述第一p-型接觸層的所述第一側(cè)金屬接觸；第二p-型接觸層，其具有所述第一組分、第一側(cè)、第二側(cè)，所述第一p-型接觸層的 所述第二側(cè)與所述第二p-型接觸層的所述第一側(cè)金屬接觸，以在所述第一n-型接觸層和所述第一及第二p-型接觸層間形成隧道結(jié)；有源區(qū)，其具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)與所述第二p-型接觸層的所述第二側(cè)金屬接觸；以及第二n-型接觸層，其具有所述第一側(cè)和第二側(cè)，所述第二n-型接觸層的所述第一側(cè) 與所述有源區(qū)的第二側(cè)金屬接觸，所述隧道結(jié)具有隧道寬度和隧穿電阻，其中與所述不 同材料有關(guān)的固有偶極子跨越所述結(jié)而使用，以致使所述寬度小于沒有所述第一p-型層 時所述結(jié)中的寬度。
24. 如權(quán)利要求23所述的器件，其特征在于，所述器件還包括多種雜質(zhì)，所述雜質(zhì)位于靠近所述結(jié)的所述第一n-型和p-型接觸層中，以在所述寬 度內(nèi)形成帶隙態(tài)。
25. 如權(quán)利要求23所述的器件，其特征在于，所述器件還包括 多種性質(zhì)不同的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)位于靠近所述隧道結(jié)的所述第一n-型和p-型接觸層中，以在所述寬度內(nèi)形成提供準連續(xù)隧穿途徑的多種性質(zhì)不同的帶隙態(tài)。
26. —種發(fā)光二極管(LED)，所述的LED包括 第III族元素氮化物半導體材料的第一n-型層； 第III族元素氮化物半導體材料的p-型層；夾在所述n-型層和p-型層之間的第III族元素氮化物半導體材料的有源區(qū)； 第III族元素氮化物半導體材料的第二n-型層；在所述p-型層和第二n-型層之間的隧道結(jié)，施加在所述第一和第二n-型層之間的偏 壓使有源區(qū)發(fā)光。
27. 如權(quán)利要求26所述的LED,其特征在于，所述LED還包括襯底，所述第一n-型層、p-型層、有源區(qū)、隧道結(jié)和第二n-型層相繼生長在所述襯底上。
28. 如權(quán)利要求26所述的LED，其特征在于，所述隧道結(jié)包括半導體材料結(jié)層， 其夾在所述第二n-型層和p-型層之間，且與所述第二n-型層和p-型層相異。
29. 如權(quán)利要求28所述的LED，其特征在于，所述結(jié)層包括AlGaN，而所述第二 n-型層和p-型層包括GaN。
30. 如權(quán)利要求28所述的LED，其特征在于，所述結(jié)層在所述隧道結(jié)處產(chǎn)生偶極 矩，所述偶極矩使所述隧道結(jié)的隧道寬度縮短。
31. 如權(quán)利要求28所述的LED，其特征在于，所述隧道結(jié)還包括位于由所述結(jié) 層至所述第二n-型層躍遷的第一雜質(zhì)，以及位于由所述結(jié)層至所述p-型層躍遷的第二雜 質(zhì)。
32. 如權(quán)利要求28所述的LED，其特征在于，所述雜質(zhì)在結(jié)帶隙中引起深態(tài)。
33. 如權(quán)利要求28所述的LED，其特征在于，所述隧道結(jié)還包括位于由 所述結(jié)層至所述第二 n-型層躍遷的多種第一雜質(zhì)，以及位于由所述結(jié)層至所述p-型層 躍遷的多種第二雜質(zhì)。
34. 如權(quán)利要求33所述的LED，其特征在于，所述第一雜質(zhì)中的至少一種具有 深施主態(tài)，而另一種具有淺施主態(tài)，以及所述第二雜質(zhì)中的至少一種具有深施主態(tài)，而 另一種具有淺施主態(tài)。
35. 如權(quán)利要求33所述的LED，其特征在于，每一種所述第一雜質(zhì)具有不同 的施主態(tài)，并且其中每一種所述第二雜質(zhì)具有不同的施主態(tài)。
36. 如權(quán)利要求26所述的LED，其特征在于，所述LED還包括與所述第二n-型層 電接觸的p-型金屬接觸、以及與所述第一n-型層電接觸的n-型接觸，施加在所述第一和 第二n-型層之間的偏壓穿過所述接觸。
37. 如權(quán)利要求36所述的LED，其特征在于，所述p-型接觸位于所述第二n-型層 的上表面，并且不覆蓋所有的所述上表面，來自所述p-型接觸的電流擴散遍及所述第二 n-型層。
38. 如權(quán)利要求36所述的LED，其特征在于，所述LED還包括靠近所述第一n-型 層的襯底，所述LED倒置安裝，在所述第二n-型層表面上的所述p-型接觸，并提供反射 表面以將有源區(qū)的光反射向所述襯底。
39. 如權(quán)利要求36所述的LED，其特征在于，所述LED還包括襯底且具有倒裝的 結(jié)構(gòu)，所述第二n-型層靠近所述襯底，所述隧道結(jié)、p-型層、有源區(qū)和第一n-型層相繼 形成在所述第二n-型層上。
40. 如權(quán)利要求39所述的LED，其特征在于，所述倒裝結(jié)構(gòu)減小自發(fā)極化和壓 電極化的影響。
41. 一種發(fā)光二極管(LED)，所述的LED包括多個以垂直對齊的方式設(shè)置在彼此頂部的發(fā)射結(jié)構(gòu)，每一個所述發(fā)射結(jié)構(gòu)包括 第一n-型層； p-型層；以及夾在n-型層和p-型層之間的有源區(qū)； 多個第二 n-型層，其中一個設(shè)置在鄰近的發(fā)射結(jié)構(gòu)之間， 一個設(shè)置在頂部的發(fā)射 結(jié)構(gòu)上；多個隧道結(jié)，每一個隧道結(jié)在所述多個第二 n-型層中的一個和位于所述多個n-型 層之一下面的所述多個發(fā)射結(jié)構(gòu)中之一的p-型層之間，施加在最低部發(fā)光結(jié)構(gòu)的第一 n-型層和最頂部一個所述第二n-型層之間的偏壓使所述多個發(fā)射結(jié)構(gòu)中的所述有源區(qū)發(fā) 光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由寬帶隙半導體材料制成的LED，其具有在寬帶隙半導體器件中帶有隧道結(jié)的低電阻p-型限制層。設(shè)置在隧道結(jié)的一種異種材料在隧道結(jié)處產(chǎn)生固有偶極子。該固有偶極子用于形成具有一隧道寬度的結(jié)，所述隧道寬度小于沒有異種材料時的寬度。通過在限制層的結(jié)中產(chǎn)生極化電荷，可以在寬帶隙半導體器件中構(gòu)成具有隧道結(jié)的低電阻p-型限制層，并且在結(jié)中形成小于沒有極化電荷時的隧道寬度。在結(jié)內(nèi)加入雜質(zhì)，可增強在限制層中穿過隧道結(jié)的隧道效應(yīng)。這些雜質(zhì)可在結(jié)中形成帶隙態(tài)。
文檔編號H01S5/042GK101427431SQ200780014101
公開日2009年5月6日 申請日期2007年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者B·P·凱勒, J·P·艾貝森, K·U·米希拉 申請人:美商克立股份有限公司