非极性和半极性绿光发光器件中的空穴阻挡层的制作方法
【专利摘要】在此提供了发光器件，该发光器件包括内插在该器件的n型和p型侧之间的有源区域以及内插在该器件的有源区域和n型侧之间的空穴阻挡层。该有源区域包括有源MQW结构并且被配置成用于光谱的绿光部分内的光子的电泵浦受激发射。该发光器件的n型侧包括n掺杂的半导体区域。该发光器件的p型侧包括p掺杂的半导体区域。该n掺杂的半导体区域包括n掺杂的非极性或n掺杂的半极性衬底。根据本公开的空穴阻挡层包括n掺杂的半导体材料并且内插在该发光器件的该非极性或半极性衬底和该有源区域之间。空穴阻挡层（HBL）组成的特征是带隙比有源区域的量子阱势垒层的带隙宽。
【专利说明】非极性和半极性绿光发光器件中的空穴阻挡层
相关申请的交叉引用
[0001]本申请根据35U.S.C.§ 120要求于2011年8月16日提交的美国申请序列号13/210，456的优先权，该美国申请的内容通过引用结合在此。
[0002]本公开涉及发光器件，并且更具体地涉及被设计成用于高插座效率(wall plugefficiency)并且可以作为原生绿光源操作的激光二极管和LED。
简述
发明人已经认识到在基于III族氮化物(II1-N)半导体化合物的原生绿光激光二极管和LED的设计及制造中使用非极性和半极性衬底的优势。在本公开的上下文中，需注意光谱的绿光部分内的发射波长包括蓝绿色并且位于大约480nm和大约570nm之间。根据本公开，提供了发光器件，该发光器件包括内插在该器件的n型和p型侧之间的有源区域以及内插在该器件的有源区域和n型侧之间的空穴阻挡层。该有源区域包括有源MQW结构并且被配置成用于光谱的绿光部分内的光子电泵浦受激发射。该发光器件的n型侧包括n掺杂的半导体区域。该发光器件的P型侧包括P掺杂的半导体区域。该n掺杂的半导体区域包括n掺杂的非极性或n掺杂的半极性衬底。当半极性或非极性衬底用于创建针对这种波长的这种发光器时，跨有源区域的空穴传输以及之后向n掺杂区域的空穴渗透可能十分显著。由于空穴是n掺杂区域内的强寄生复合的对象，因此希望阻挡空穴渗透。根据本公开的空穴阻挡层包括n掺杂的半导体材料并且内插在该发光器件的非极性或半极性衬底和有源区域之间。空穴阻挡层(HBL)的构`成的特征是其带隙比有源区域的量子阱势垒层的带隙宽。
[0003]发明人还已经认识到，如果可以放宽对激光二极管或LED器件的n掺杂层中的一个或多个层内的错配缺陷形成的限制，展现相对较高插座效率的原生绿光源会更容易制造。这种认识在非极性和半极性衬底上生长的激光二极管和LED器件的情况下尤其显著，因为在AlGaN、InGaN和相似的器件层的生长过程中，强的拉伸应变和压缩应变积累并且可能难以在应变弛豫时限制错配位错的形成。在一些实施例中，可以构想激光二极管和LED配置，其中激光二极管或LED器件的n掺杂层的特征是相对高的缺陷密度并且n掺杂的空穴阻挡层(HBL)用于抑制向高缺陷密度地带的空穴渗透以及相关联的非辐射性复合，同时中性化或抵消器件的其他n掺杂层的高缺陷密度。
若干附图的简述
[0004]在结合以下附图进行阅读时，可以最佳地理解本公开的具体实施例的以下详细描述，其中相似的结构可以用相似的附图标记来指示，并且在附图中:
[0005]图1是结合本公开的概念的简化激光二极管结构的示意图；并且
[0006]图2是结合本公开的概念的简化LED结构的示意图。
详细描述
[0007]可以在两种不同类型的基于半导体的发光器件(激光二极管100 (图1)和发光二极管200 (图2))的背景下展示本公开的概念。图1所示的激光二极管100包括内插在该器件的n型和p型侧之间的有源区域110以及内插在该器件的有源区域110和n型侧之间的空穴阻挡层(HBL)120。激光二极管100的n型和p型侧通常包括以下更详细描述的n掺杂的和P掺杂的半导体区域以及器件接触层Cl、C2。
[0008]激光二极管100的有源区域110包括有源MQW结构并且被配置成用于光谱绿光部分内的光子电泵浦受激发射。激光二极管100的n型侧包括由n掺杂的非极性或n掺杂的半极性衬底130组成的n掺杂半导体区域、内插在非极性或半极性衬底130和n掺杂的空穴阻挡层120之间的n掺杂波导层140。非极性或半极性衬底130可以包括多种非极性或半极性配置130中的任何一种，并且可以表示为包括例如III族氮化物(II1-N)半导体化合物的单层衬底或者表示为包括基底层和具有所希望的非极性或半极性取向的覆盖层的多层衬底。在实践本公开的概念时，应当意识到术语“非极性”和“半极性”是指III/N半导体的纤锌矿晶体结构内的平面取向。更具体地，“非极性”取向平行于晶体结构的c轴。例如但非限制，所构想的“非极性”取向包括(1-100)或(11-20)。“半极性”取向是其中平面在极性和非极性平面之间倾斜的取向。例如但非限制，所构想的“半极性”取向包括(11-22)、(20-21)和(20-2-1)。被认 为是“极性的”取向的示例包括但不限于(0001)和(000-1)。
[0009]激光二极管100的n掺杂半导体区域进一步包括内插在n掺杂的波导层140和非极性或半极性衬底130之间的n掺杂覆层150。激光二极管100的p掺杂半导体区域包括内插在P掺杂的覆层150’和有源区域110之间的p掺杂波导层140’。激光二极管100的p掺杂半导体区域包括内插在P掺杂的波导层140’和有源区域110之间的电子阻挡层120’。例如但非限制，可以根据US2010/0150193A1的教导配置电子阻挡层。
[0010]有源区域110、波导层140、140’以及覆层150、150’被形成为非极性或半极性衬底130的非极性或半极性晶体生长面上的多层激光二极管。波导层140、140’引导来自有源区域110的光子受激发射并且覆层150、150’促进所发射的光子在波导层140、140’内传播。
[0011]HBL120包括n掺杂的半导体材料并且内插在非极性或半极性衬底130和有源区域110之间。例如但非限制，可以构想，HBL可以包括具有在大约10%和大约30%之间的AIN摩尔分数的AlGaN。通过对HBL120进行掺杂，跨HBL的电子传输将被增强，从而改善有源区域110内的电子注入，同时阻挡来自有源区域110空穴越过HBL120泄漏到n掺杂区域。n掺杂区域对于将电子注入到MQW有源区域而言是有必要的。然而，如果从p掺杂区域注入的空穴穿过有源区域并且渗透进入n掺杂区域，在n掺杂区域内发生强寄生复合，从而由于注入效率降低而降低LED或激光二极管的量子效率。发明人已经认识到，当使用非极性或半极性衬底取向时蓝绿光和绿光发光器内跨MQW的空穴传输会是突出的，并且如果穿过MQW有源区域的空穴部分较大，n掺杂区域内的空穴渗透会很显著，这通过期望的HBL形成空穴阻挡。发明人还已经认识到，在MQW和HBL之间的区域内的缺陷和杂质密度应当相对较低。例如但非限制，HBL120可以包括Ala2Gaa8N^P /或AlInGaN。如果有源区域110的有源MQW结构包括In，将倾向于在发光器件100中引入压缩应变并且可以将HBL120选择为包括足量的Al以便至少部分地补偿由MQW结构引入的应变。
[0012]如果空穴渗透到具有高缺陷密度的区域，也发生强寄生非辐射性复合。发明人已经认识到，非极性和半极性生长面上的激光二极管结构经常非常容易受到晶格错配缺陷形成的影响。发明人还已经认识到允许在器件的n侧上相对高错配缺陷形成水平的显著优势。更确切地，根据本公开的概念，在可以构想发光器件配置，其中器件的n掺杂层可以具有面内错配位错的相对较高的缺陷密度，并且n掺杂的空穴阻挡层(HBL)用于中性化或抵消器件的其他n掺杂层的高缺陷密度。所得到的器件设计的特征可以是相对高的操作效率并且相对易于制造，尤其是当与事倍功半地减少器件n侧的缺陷密度的其他高效的基于半导体的发光器件相比较时。因此，根据本公开的某些实施例的激光二极管被设计为使得n掺杂波导层140的面内错配位错的缺陷密度大于HBL120、有源MQW结构110以及HBL120和有源MQW结构110之间的任何区域的缺陷密度，这是一种在现有技术的持续驱动以便最小化缺陷密度的角度而言原本反直观的方法。
[0013]可以构想具体实施例，其中n掺杂波导层140的面内错配位错的缺陷密度是HBL120的面内错配位错的缺陷密度的大小的至少两倍。可以构想其他实施例，其中n掺杂波导层140的面内错配位错的缺陷密度比HBL120、有源MQW结构110以及HBL120和有源MQW结构110之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度大至少一个量级。一般而言，n掺杂半导体区域的缺陷密度对于穿透位错在大约lxl02cm_2和大约lxl06cm_2之间，并且对于面内错配位错低于大约ZxlO6Cm'更具体地，可以构想，n掺杂波导层140或者n掺杂波导层140和HBL120之间的任何过渡层的缺陷密度可以被选择为对于穿透位错在大约IxlO2CnT2和大约IxlO6CnT2之间并且对于面内错配位错在大约IxlO4Cnr1和大约ZxlO6CnT1之间。可以构想，HBL120、有源MQW结构110以及HBL120和有源MQW结构110之间的任何区域的缺陷密度可以被选择为对于穿透位错低于大约lX106cm_2并且对于面内错配位错低于大约 IxlO3Cm 1O
[0014]可以定义在大约3nm和大约IOOnm之间的厚度的n掺杂HBL120的特征可以是掺杂剂密度小于大约lxl02°cm_3并且更确切地在大约3X1017cm_3和大约lX1019cm_3之间。包括上述成分的n掺杂半导体区域的特征可以是平均掺杂剂密度小于大约lX1019cm_3或者更确切地在大约3xl017cnT3和大约3xl018cnT3之间。
[0015]可以构想本公开的实施例，其中HBL120包括过渡空穴阻挡区域122以及本地空穴阻挡区域124。如图1所示，HBL120的过渡空穴阻挡层与激光二极管100的n掺杂半导体区域相邻并且包括被选择为匹配n掺杂半导体区域的相应组成成分的组成成分。例如，如果n掺杂波导层140表示为InGaN并且本地空穴阻挡区域124表示为AlGaN，过渡空穴阻挡区域122可以表示为AlInGaN以便帮助确保HBL120在n掺杂波导层140上适当生长并且改善激光二极管100的操作完整性。
[0016]可以构想，激光二极管100的有源区域110以及n型和p型侧可以使用从GaN、InGaN、AlInGaN、或其组合构造而成的材料体系来制造。类似地，HBL120可以包括GaN、InGaN, AlInGaN、或其组合。还可以构想，有源区域110的有源MQW结构可以包括与多个量子阱势垒层交替接续的多个纳米级量子阱，在图1和图2中示意性地示出了两者。
[0017]最终，如图2所示，可以构想，根据本公开的发光器件可以被配置为发光二极管(LED) 200的形式，该发光二极管包括有源区域210、空穴阻挡层(HBL) 220、电子阻挡层220’、以及p掺杂的半导体区域245。在一个实施例中，非极性或半极性衬底230的面内错配位错的缺陷密度将被选择为大于HBL220的面内错配位错的缺陷密度。
[0018]可以构想结合本公开的概念的多种可替代的激光二极管和LED配置。例如，本公开构想了使用多种可替代配置用于在此描述的有源区域、覆层区域以及接触层。还可以构想，图1所述的激光二极管结构的覆层可以包括GaN、AlGaN、Al InGaN、或其某种组合，并且这两个覆层的材料组成可能不同并且在覆层上发生变化。类似地，多量子阱(MQW)有源区域可以采取本领域技术人员熟悉的多种形式。
[0019]此外，注意根据本公开的激光二极管和LED配置将通常包括未在图1和图2中示出的多个附加层，包括例如缓冲层、一个或多个附加光学限制层等等。对于激光二极管结构而言，对应的有源、波导、及上下覆层区域可以形成为底层衬底的非极性或半极性晶体生长面上的多层激光二极管。上下波导层引导来自有源区域的光子受激发射，并且覆层区域促进所发射的光子在波导层中传播。可以构想，波导层可以被配置为包括纳米级量子阱和阻挡层的无源MQW波导层。还可以构想，根据本公开的激光二极管结构可以包括由处于非对称配置的有源区域和波导层构成的波导芯，从而将光模移向器件的n侧。非对称配置的益处在于将有更少的模渗透到P型材料中，这进而将降低光损耗。这些波导和覆层还可以包括由InGaN、GaN、AlGaN、Al InN、Al InGaN或其组合形成的超结构。
[0020]在某些实施例中的电子和空穴阻挡层包括具有比有源区域内的量子阱之间的势垒带隙更宽的带隙的GaN、AlGaN或AlInGaN。如果电子和空穴阻挡层包括Al，它们还将为应变补偿做贡献。
[0021 ] 在本公开的上下文中，对“非极性”或“半极性”衬底的引述是指衬底的晶面取向，并且区分于极性衬底，例如在C-面衬底上生长的LED和激光二极管。非极性衬底可以具有m-面或a-面取向。半极性衬底的特征是在非极性和半极性平面之间倾斜的表平面。
[0022]注意在此的本公开的成分“被配置成用于”以具体方式体现具体的特性、或功能的陈述是结构性陈述，与所预期用途的陈述相反。更确切地，在此对其中对成分“进行配置”的方式的引述是指该成分的存在物理条件并且因此被认为是该成分的结构特征的明确陈述。
[0023]注意类似“优选地”、“共同地”以及“典型地”的术语当在此使用时不用于限制所要求保护的发明的范围或者暗示某些特征对于所要求保护发明的结构或功能而言是关键的、必需的或者甚至重要的。相反，这些术语仅旨在用于标识本公开的实施例的具体方面或者强调可以或可以不用于本公开的具体实施例中的可替代的或附加的特征。
[0024]为了描述并定义本发明的目的，注意术语“大约”在此用于代表可能归因于任何数量比较、值、测量值、或其他表示的内在不确定度。术语“大约”还在此用于代表在不会导致讨论的发明主题的基本功能的改变的情况下数量表示可能与引述参考值不同的的程度。
[0025]已经详细地描述了本公开的主题并且通过参照其具体实施例，将明显的是多种修改及改变是可能的而不背离在所附权利要求书中定义的本发明的范围。更确切地，尽管本公开的某些方面在此被标识为优选的或特别有优势的，但是可以构想，本公开无需限制于这些方面。
[0026]注意所附权利要求的一项或多项权利要求使用术语“其中”作为过渡性短语。为了定义本发明的目的，注意这个术语在权利要求书中作为用于引入结构的一系列特征的陈述的开放性过渡性短语并且应当与更经常使用的开放性前序短语“包括”的类似方式来解释。
【权利要求】
1.一种发光器件，包括内插在所述器件的η型和P型侧之间的有源区域以及内插在所述器件的所述有源区域和所述η型侧之间的空穴阻挡层，其中: 所述器件的所述η型和P型侧包括III族氮化物(II1-N)半导体化合物； 所述有源区域包括有源MQW结构并且被配置成用于光谱的绿光部分内的光子的电泵浦受激发射； 所述发光器件的所述η型侧包括η掺杂的半导体区域； 所述发光器件的所述P型侧包括P掺杂的半导体区域； 所述η掺杂的半导体区域包括η掺杂的非极性或η掺杂的半极性衬底； 所述空穴阻挡层(HBL)包括η掺杂的半导体材料并且内插在所述非极性或半极性衬底和所述有源区域之间； 所述有源区域的有源MQW结构包括与多个量子阱势垒层交替接续的多个纳米级量子阱；以及 HBL组成的特征是带隙比所述量子阱势垒层的带隙宽。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中: 所述η掺杂的HBL的特征是掺杂剂密度在3X1017cnT3和IxIO19CnT3之间；并且 所述η掺杂的半导体区域的特征是平均掺杂剂密度在3xl017cm_3和3xl018cm_3之间。
3.如权利要求1所述的发光器件，其中: 所述η掺杂的HBL的特征是掺杂剂密度小于lX102°cm_3 ；以及 所述η掺杂的半导体区域的特征是平均掺杂剂密度小于lX1019cnT3。
4.如权利要求1至3之一所述的发光器件，其中: 所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的缺陷密度对于穿透位错低于IxlO6CnT2并且对于面内错配位错低于IxIO3CnT1 ;以及 所述η掺杂的半导体区域的面内错配位错的缺陷密度大于所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度。
5.如权利要求4所述的发光器件，其中，所述η掺杂的半导体区域的面内错配位错的缺陷密度是所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度的大小的至少两倍。
6.如权利要求4所述的发光器件，其中，所述η掺杂的半导体区域的面内错配位错的缺陷密度比所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度大至少量级。
7.如权利要求1至6之一所述的发光器件，其中，所述η掺杂的半导体区域的缺陷密度对于穿透位错在IxlO2cnT2和IxlO6cnT2之间并且对于面内错配位错低于ZxlO6Cm'
8.如权利要求1至7之一所述的发光器件，其中: 所述发光器件是激光二极管； 所述激光二极管的η掺杂的半导体区域是内插在所述非极性或半极性衬底和所述η掺杂的空穴阻挡层之间的η掺杂的波导层； 所述激光二极管的η掺杂的半导体区域进一步包括内插在所述η掺杂的波导层和所述非极性或半极性衬底之间的η掺杂的覆层；以及 所述有源区域、波导层、以及覆层被形成为所述非极性或半极性衬底的非极性或半极性晶体生长面上的多层激光二极管，从而使得所述波导层引导来自所述有源区域的光子受激发射，并且所述覆层促进所发射的光子在所述波导层中传播。
9.如权利要求8所述的发光器件，其中，所述η掺杂的波导层的面内错配位错的缺陷密度是所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度的大小的至少两倍。
10.如权利要求8所述的发光器件，其中，所述η掺杂的半导体区域的面内错配位错的缺陷密度比所述HBL、所述有源MQW结构以及所述HBL和所述有源MQW结构之间的任何区域的面内错配位错的缺陷密度大至少一个量级。
11.如权利要求8至10之一所述的发光器件，其中: 所述激光二极管的P掺杂的半导体区域包括内插在P掺杂的覆层和所述有源区域之间的P掺杂的波导层；以及 所述激光二极管进一步包括内插在所述P掺杂的波导层和所述有源区域之间的电子阻挡层。
12.如权利要求1至7之一所述的发光器件，其中: 所述发光器件是激光二极管； 所述发光器件的η掺杂的半导体区域包括内插在η掺杂的衬底和所述η掺杂的空穴阻挡层之间的η掺杂的波导层 ；以及 所述η掺杂的波导层或者所述η掺杂的波导层和所述HBL之间的任何过渡层的缺陷密度对于穿透位错在IxlO2cnT2和IxlO6cnT2之间并且对于面内错配位错在IxIO4CnT1和2x106cm 1 之间。
13.如权利要求1至7之一所述的发光器件，其中，所述发光器件是发光二极管(LED)。
14.如权利要求1至13之一所述的发光器件，其中，所述衬底是非极性衬底。
15.如权利要求1至13之一所述的发光器件，其中，所述衬底是半极性衬底。
16.如权利要求1至13之一所述的发光器件，其中，所述衬底是由(11-22)、(20-21)、或(20-2-1)半极性平面取向表征的半极性衬底。
17.如权利要求1至16之一所述的发光器件，其中，所述HBL包括AlM摩尔分数在10%和30%之间的AlGaN。
18.如权利要求1至17之一所述的发光器件，其中: 所述有源MQW结构包括In并且被布置成在所述发光器件中引入压缩应变；并且 所述HBL包括足量的Al以便至少部分地补偿由所述MQW结构引入的应变。
19.如权利要求1至18之一所述的发光器件，其中: 所述HBL包括过渡空穴阻挡区域和本地空穴阻挡区域； 所述HBL的过渡空穴阻挡区域比所述本地空穴阻挡区域更靠近所述η掺杂的半导体区域； 所述过渡空穴阻挡区域包括被选择以便与所述η掺杂的半导体区域的组成成分匹配的组成成分；以及 所述组成成分以比存在于所述本地空穴阻挡区域中更显著的程度存在于所述过渡空穴阻挡区域中。
20.如权利要求19所述的发光器件，其中:所述η掺杂的波导区域包括InGaN ； 所述本地空穴阻挡区域包括AlGaN ；以及 所述过渡空穴阻挡区域包括AlInGaN以便帮助确保所述HBL的适当生长并且改善所述发光器件的操作完整性。
21.一种发光器件，包括内插在所述器件的η型和P型侧之间的有源区域以及内插在所述器件的所述有源区域和所述η型侧之间的空穴阻挡层，其中: 所述有源区域包括有源MQW结构并且被配置成用于光谱的绿光部分内的光子的电泵浦受激发射； 所述发光器件的所述η型侧包括η掺杂的半导体区域； 所述发光器件的所述P型侧包括P掺杂的半导体区域； 所述η掺杂的半导体区域包括η掺杂的非极性或η掺杂的半极性衬底； 所述空穴阻挡层(HBL)包括η掺杂的半导体材料并且内插在所述非极性或半极性衬底和所述有源区域之间； 所述HBL的缺陷密度对于穿透位错低于lX106cm_2并且对于面内错配位错低于IxlO3Cm 1 ； 所述η掺杂的半导体区域的缺陷密度对于穿透位错在lX102cm_2和lX106cm_2之间并且对于面内错配位错低于ZxIO6CnT1 ； 所述η掺杂的HBL的特征是掺杂剂密度在3X1017cnT3和IxIO19CnT3之间； 所述η掺杂的半导体区域的特征是平均掺杂剂密度在3xl017cm_3和3xl018cm_3之间。
【文档编号】H01S5/30GK103765707SQ201280039759
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年8月16日
【发明者】R·巴特, D·S·兹佐夫, C-E·扎 申请人:康宁股份有限公司