具有調(diào)制摻雜的光電子器件的制作方法
【專利說明】具有調(diào)制慘雜的光電子器件
[0001] 相關(guān)申請的引用
[0002] 本申請要求2013年9月3日提交的、標(biāo)題為"Optoelectronic Device with Modulation Doping"的共同未決的美國臨時申請?zhí)?1/873346的權(quán)益，并且其內(nèi)容通過引 用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開一般設(shè)及電子器件和光電子器件，更具體地設(shè)及基于HI族氮化物的電子 器件和光電子器件。
【背景技術(shù)】
[0004] 具有高效率和高可靠性的基于HI族氮化物的電子器件和光電子器件的發(fā)展依賴 于許多因素，諸如半導(dǎo)體層的質(zhì)量、有源層設(shè)計W及接觸質(zhì)量。特別地，設(shè)計高導(dǎo)電性的P型 氮化嫁(GaN)和/或氮化侶嫁(AlGaN)對許多電子器件和光電子器件(包括紫外線發(fā)光二極 管(UV LED))來說很重要。由于150-250毫電子伏特(meV)的大受主活化能量W及由于重度 滲雜Mg的AlGaN合金中的低空穴遷移率，已經(jīng)很難實現(xiàn)高P型導(dǎo)電性的滲雜儀(Mg)的AlGaN。 由于受主活化能量的進(jìn)一步增大W及還由于隨著侶摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大導(dǎo)致的不期望的施 主濃度的增大，使得問題因侶摩爾分?jǐn)?shù)增大而尤其嚴(yán)重。對于具有高侶摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN 層，盡管Mg滲雜是重度的，但是氧(0)施主濃度可W導(dǎo)致AlGaN層產(chǎn)生絕緣特性或者甚至n型 特性。
[000引另外，重度的Mg滲雜可能負(fù)面地影響光電子器件的可靠性。先前已經(jīng)對除器件自 加熱W外的退化的存在進(jìn)行了觀察，而該退化的存在歸因于來自P型包覆的Al原子的遷移。
[0006] 提出的基于HI族氮化物的Lm)的一個退化機(jī)理是具有高動能的電子穿過pn結(jié)，從 而導(dǎo)致輸出功率減小。該能量被轉(zhuǎn)移到晶格中，并且更具體地轉(zhuǎn)移到電子阻擋層，該電子阻 擋層被設(shè)計為將電子限制在有源層的量子阱內(nèi)。由電子釋放的能量幫助斷裂儀-氨化)鍵 (進(jìn)一步活化P型層中的載流子)和Ga-N鍵(創(chuàng)建氮空位Vn)兩者。增強(qiáng)的％活化引起在達(dá)到 穩(wěn)態(tài)之前輸出功率的初始上升，而Vn形成明顯需要更長時間才能達(dá)到平衡并且在較長時間 周期內(nèi)導(dǎo)致發(fā)射的緩慢減少。替換地，釋放的電子能量可W有助于Mg-也復(fù)合物的形成并且 導(dǎo)致P型滲雜的總體降低。經(jīng)計算，在P型AlGaN中形成氮空位的能量顯著地低于P型GaN中形 成氮空位的能量。然而，Mg-出復(fù)合物在AlGaN中比在GaN中更穩(wěn)定。因此，在高Al含量器件 中，幾乎所有的原子位移都導(dǎo)致Vn形成，引起在UV L邸中觀察到的緩慢的進(jìn)一步退化，該退 化顯現(xiàn)為在結(jié)的P側(cè)的耗盡邊緣的增大，該退化已經(jīng)在電容-電壓數(shù)據(jù)中觀察到，并且該退 化還示出該表現(xiàn)在更高電流密度和相關(guān)聯(lián)的工作溫度下放大。
[0007] 由于電子-晶格相互作用造成的氮空位的形成W及其它缺陷導(dǎo)致空穴被有效地俘 獲于半導(dǎo)體層中。減小半導(dǎo)體層退化的一個方法是通過使用微像素器件設(shè)計，或者通過使 用具有大平面區(qū)域器件的LED,該大平面區(qū)域器件允許電流密度和工作溫度更低，限制電子 接近pn結(jié)、電子阻擋層和P型層的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明人提出新的方案用于減小P型滲雜半導(dǎo)體層中的缺陷形成和空穴俘獲。在本 文所描述的方案的實施例中，基于調(diào)制滲雜獲得運種減小。W運種方式，可W提高相應(yīng)半導(dǎo) 體器件的可靠性。在另一個實施例中，通過并行優(yōu)化器件異質(zhì)結(jié)構(gòu)的若干參數(shù)來進(jìn)一步提 高可靠性。運種參數(shù)可W包括例如半導(dǎo)體層中的一個或者多個的組成分布和滲雜分布。此 夕h優(yōu)化半導(dǎo)體層中的一個或者多個內(nèi)的應(yīng)變和產(chǎn)生的極化場可W顯著地影響器件的可靠 性。
[0009] 本發(fā)明的方面提供光電子器件的改進(jìn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)域、電 子阻擋層和P型接觸層。P型接觸層和電子阻擋層可W用P型滲雜劑滲雜。電子阻擋層的滲雜 劑濃度可W是P型接觸層的滲雜劑濃度的最多百分之十。還對設(shè)計運種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn) 行了描述。
[0010] 本發(fā)明的第一方面提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括:有源區(qū)域;P型接觸層，具有P 型接觸層滲雜劑濃度；W及電子阻擋層，位于有源區(qū)域與P型接觸層之間，其中電子阻擋層 中的P型滲雜劑濃度是P型接觸層滲雜劑濃度的最多百分之十。
[0011] 本發(fā)明的第二方面提供光電子器件，該光電子器件包括:n型接觸層，具有n型滲 雜;P型接觸層，具有P型接觸層滲雜劑濃度;有源區(qū)域，位于n型接觸層與P型接觸層之間；W 及電子阻擋層，位于有源區(qū)域與P型接觸層之間，其中電子阻擋層中的P型滲雜劑濃度是P型 接觸層滲雜劑濃度的最多百分之十。
[0012] 本發(fā)明的第=方面提供了制造器件的方法，該方法包括:使用計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生用 于器件的器件設(shè)計，其中器件設(shè)計包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括:有源區(qū)域;P型接觸層， 具有目標(biāo)P型接觸層滲雜劑濃度；W及電子阻擋層，位于有源區(qū)域與P型接觸層之間，其中電 子阻擋層的目標(biāo)P型滲雜劑濃度是目標(biāo)P型接觸層滲雜劑濃度的最多百分之十；W及提供用 于根據(jù)器件設(shè)計制造器件的器件設(shè)計。
[0013] 本發(fā)明的例示性方面被設(shè)計為解決本文所描述的一個或者多個問題和/或此處未 討論的一個或者多個其它問題。
【附圖說明】
[0014] 結(jié)合描繪本發(fā)明各種方面的附圖，通過對本發(fā)明各種方面進(jìn)行的下列詳細(xì)說明將 更容易理解本公開的運些特性W及其它特性。
[001引圖1示出了根據(jù)實施例的例示性光電子器件的示意結(jié)構(gòu)。
[0016] 圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光電子器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分的典型組成分布。
[0017] 圖3A和3B示出了根據(jù)實施例的光電子器件的HI族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分的例 示性組成分布。
[0018] 圖4示出了根據(jù)實施例具有不同滲雜劑濃度的有源區(qū)域的P型側(cè)的例示性組成分 布。
[0019] 圖5A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的有源區(qū)域的P型側(cè)的組成分布W及圖5B-5F示出了根 據(jù)實施例具有不同合金組成的有源區(qū)域的P型側(cè)的例示性組成分布。
[0020] 圖6A-6F示出了根據(jù)實施例具有不同電子阻擋層和/或P型中間層組成的有源區(qū)域 的P型側(cè)的例示性組成分布。
[0021 ]圖7A和7B示出了根據(jù)實施例的P型接觸層的例示性組成分布。
[0022] 圖8A-8C示出了根據(jù)實施例包括電子阻擋層的例示性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的零偏置能帶圖、 五伏特偏置能帶圖W及載流子濃度圖。
[0023] 圖9A-9C示出了根據(jù)實施例包括分級電子阻擋層的例示性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的零偏置能 帶、五伏特偏置能帶圖W及載流子濃度圖。
[0024] 圖IOA和IOB示出了根據(jù)實施例包括具有兩個不同分級區(qū)域的分級電子阻擋層的 例示性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的五伏特偏置能帶圖和載流子濃度圖。
[0025] 圖11A-11D示出了根據(jù)實施例與例示性超晶格配置相對應(yīng)的能帶隙圖。
[0026] 圖12示出了根據(jù)實施例用于制造電路的例示性流程圖。
[0027] 注意，附圖可W不按比例。附圖旨在僅描繪本發(fā)明的典型方面，并且因此不應(yīng)該被 看作對本發(fā)明范圍的限制。在附圖中，相同附圖標(biāo)記表示附圖之間的相同要素。
【具體實施方式】
[0028] 如上所指示的，本發(fā)明的方面提供光電子器件的改進(jìn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括 有源區(qū)域、電子阻擋層和P型接觸層。P型接觸層和電子阻擋層可W用P型滲雜劑滲雜。電子 阻擋層的滲雜劑濃度可W是P型接觸層的滲雜劑濃度的最多百分之十。還對設(shè)計運種異質(zhì) 結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了描述。
[0029] 如此處使用的，除非另作說明，術(shù)語"組"意味著一個或者多個(即，至少一個）W及 短語"任何解決方法"意味著任何目前已知的或者稍后開發(fā)的解決方法。如此處使用的，當(dāng) 相應(yīng)材料的摩爾分?jǐn)?shù)相差最多百分之十(在更具體的實施例中為百分之五)時，兩個材料具 有相當(dāng)?shù)慕M成。例如，考慮兩個III族氮化物材料，AlxInyBzGai-x-y-z^PAklny'Bz'Gai-x'-y'-z' N，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)x、y和Z各自與相應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)x'、y'和Z'相差不到百分之十時，兩種材料具 有相當(dāng)?shù)慕M成，其中百分比是通過取摩爾分?jǐn)?shù)之間的差并且將該值除W較高的摩爾分?jǐn)?shù)來 計算的。類似地，當(dāng)相應(yīng)厚度相差最多百分之十(在更具體的實施例中為百分之五)時，兩個 層具有相當(dāng)?shù)暮穸?。如本文還使用的，兩個滲雜劑濃度在彼此處于相同的數(shù)量級時是相當(dāng) 的。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)較大數(shù)字與較小數(shù)字的比例小于十時，兩個數(shù)字彼此處于相同數(shù)量級。
[0030] 本發(fā)明的方面提供可W并入光電子器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，諸如常規(guī)發(fā)光二極管化ED) 或者超福射發(fā)光二極管、發(fā)光激光器、激光二極管、光傳感器、光電檢測器、光電二極管、雪 崩二極管等等。轉(zhuǎn)至附圖，圖1示出了根據(jù)實施例的例示性光電子器件10的示意結(jié)構(gòu)。在更 特定的實施例中，光電子器件10配置為作為發(fā)射器件(諸如發(fā)光二極管(LED))工作。在該情 況下，在光電子器件10工作期間，施加與能帶隙相當(dāng)?shù)钠脤?dǎo)致從光電子器件10的有源區(qū) 域18發(fā)射電磁福射。由光電子器件10發(fā)射的電磁福射可W具有在任何波長范圍內(nèi)（包括可 見光、紫外線福射、深紫外線福射、紅外光等等）的峰值波長。在實施例中，器件10配置為發(fā) 射具有在紫外線波長范圍內(nèi)的主波長的福射。在更具體實施例中，主波長在大約210納米與 大約350納米之間的波長范圍內(nèi)。
[0031] 光電子器件10包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括襯底12、與襯底12相鄰的緩沖層14、 與緩沖層14相鄰的n型層16(例如，包覆層、電子供給層、接觸層等等)和具有與n型層16相鄰 的n型側(cè)19A的有源區(qū)域18。此外，光電子器件10的異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括與有源區(qū)域18相鄰的P型側(cè) 19B的第一P型層20(例如，電子阻擋層）和與第一P型層20相鄰的第二P型層22(例如，包覆 層、空穴供給層、接觸層等等）。
[0032] 在更特定的例示性實施例中，光電子器件10是基于III-V族材料的器件，其中各種 層中的一些或者全部由選自III-V族材料系統(tǒng)的元素形成。而在更特定的例示性實施例中， 光電子器件10的各種層由基于HI族氮化物的材料形成。III族氮化物材料包括一個或者多 個III族元素（例如，棚(B)、侶(Al)、嫁(Ga)和銅（In))和氮(N)，使得BwAlxGayInzN,其中0< W，X、Y、Z < 1，并且W+X+Y+Z = 1。例示性III族氮化物材料包括具有任何摩爾分?jǐn)?shù)的III族元 素的二元、S 元和四元合金，諸如 AlN、GaN、InN、BN、AlGaN、AlInN、AlBN、AlGaInN、AlGaBN、 AlInBN和AlGaInBN。
[0033] 基于III族氮化物的光電子器件10的例示性實施例包括由InyAlxGal-x-yN、 GazInyAlxBi-x-y-zN、AlxGai-xN半導(dǎo)體合金等等組成的有源區(qū)域18(例如，一系列交替的量子阱 和勢壘）。類似地，n型包覆層16和第一P型層20兩者可W由InyAlxG