包含基于InGaN的P型注入层的光电半导体结构的制作方法

包含基于ingan的p型注入层的光电半导体结构
技术领域
1.本发明涉及光电半导体结构，例如发光二极管(led)、激光二极管或太阳能电池。本发明尤其涉及具有由ingan制成的p型注入层的光电半导体结构。


背景技术：

2.光电半导体结构通常由晶体半导体层的叠层形成，包括位于n型注入层与p型注入层之间的有源层。在led结构的情况下，有源层可以由交替的阻挡层和量子阱层组成。为了允许电流均匀且密集地流过该结构，注入层必须足够厚，例如，200nm以上。
3.在基于ingan的结构中，量子阱层的铟含量可以是10％的数量级以形成发出蓝色的二极管，当二极管发出绿色时，铟含量高于约20％，并且对于发出红色的二极管，铟含量高于约40％。阻挡层(barrier layer)具有比量子阱层低的铟含量。
4.铟含量越高，量子阱层的固有晶格参数(即，将被完全弛豫的层的固有晶格参数)就越重要。换句话说，铟含量越高，当量子阱层以特定晶格参数的生长支撑件上形成时，其压缩应变就越大。
5.形成光电结构的叠层中的过大的应变会导致有缺陷的结构。该应变可以明显地位于穿透位错(threading dislocation)或金字塔形缺陷(在本领域的英文文献中称为“v凹坑(v
‑
pits)”)的起源处，该穿透位错或金字塔形缺陷形成于构成该结构的gan或ingan膜的表面上。这些缺陷恶化了光电结构的功能性能。
6.为了降低对该问题的敏感性，已知文献ep 215852或ep 215856描述了旨在在生长支撑件的ingan的表面岛上共同形成半导体结构的制造工艺。例如，这些岛可以具有5％至7％或更高的铟浓度，并且至少部分地弛豫。
7.目的是在该生长支撑件上生长ingan的n型注入层，以保持形成生长岛表面的材料的晶格参数。这减小了形成在衬底上的半导体结构的有源区域中的应力，并促进铟结合到有源层中，更一般地，提高了光电器件的效率。
8.然而，在这种光电半导体结构中形成p型注入层是有问题的。
9.当该p型注入层由gan制成时，与其所置于的有源ingan层的晶格参数差异会对注入层施加高应力，并可能导致裂纹。
10.如果p型注入层由ingan构成，特别是铟浓度大于10％或15％，则其必须在相对较低的温度下形成，这导致材料质量差，施主的本底浓度高，使其难以达到所需的受主浓度。此外，低受主浓度增加了p型接触的电阻，使其难以实现欧姆接触。不能考虑增加掺杂剂(例如，镁)的浓度来补偿这两种现象，因为这会导致层的结晶质量的劣化。研究表明，与单个同质ingan层中的浓度相比，超晶格形式的p型注入层的形成可以将该层的平均空穴浓度提高数倍。然而，这种超晶格对于必须很厚的p型注入层而言特别复杂且非常耗时。
11.发明目的
12.本发明旨在解决这些问题的至少一部分。特别地，本发明的目的是形成包含ingan p型注入层的光电半导体结构，其具有令人满意的电特性和可保持的结晶特性。


技术实现要素：

13.为了达到这个目标，本发明的范围提出了一种光电半导体结构，该光电半导体结构包括设置在n型注入层与p型注入层之间的基于ingan的有源层，该p型注入层包括：厚度范围为50nm至300nm的第一ingan层；以及设置在所述第一层上的由多个algainn元素层组成的第二层，每个元素层的厚度小于其临界弛豫厚度，两个连续的元素层具有不同的铝和/或铟和/或镓成分。
14.根据本发明的其他有利和非限制性特性，单独地或以任何技术上可行的组合来采取：
15.‑
元素层的厚度都在1nm至30nm之间；
16.‑
多个元素层通过重复由至少两个元素层组成的周期性结构而形成；
17.‑
周期性结构由ingan的第一元素层和gan、aln或algan的第二元素层组成；
18.‑
周期性结构由ingan的第一元素层组成，第一元素层的铟成分从一个周期性结构到另一周期性结构不同；
19.‑
第二层的厚度范围为150至350纳米；
20.‑
p型注入层的厚度小于400nm。
附图说明
21.本发明的其他特性和优点将通过参照附图[图1]从以下的本发明的详细描述中变得明显，图1表示根据本发明的置于生长支撑件上的光电半导体结构。
具体实施方式
[0022]
图1示出了布置在生长支撑件1上的多个光电半导体结构sc，在这种情况下是led。
[0023]
结构sc包括n型注入层5、p型注入层7，以及布置在这两个层之间的led有源层6。
[0024]
生长支撑件1是“岛”支撑件，其详细描述可以在本技术的引言部分中引用的文献中找到。因此，其包括基础衬底2(例如，蓝宝石)、由诸如二氧化硅或氮化硅的材料或多种介电材料形成的中间层3、以及多个至少部分弛豫的生长岛4。
[0025]
通常，生长岛4由具有通式alingan的材料制成，并且具有与ingan层的固有晶格参数相对应的晶格参数，铟含量在5％至40％之间。
[0026]
在图1的示例中，生长岛4由铟含量为15％的ingan构成，并且是90％弛豫的。
[0027]
在生长岛4上，通过常规的外延技术形成有多个sc半导体结构。这些外延技术可以是金属有机化学气相沉积(英文缩写mocvd)技术或分子束外延(mbe)技术。
[0028]
结构sc在这里由ingan的n型注入层5形成，n型注入层5例如掺杂有10
18
至10
19
cm
‑3量级浓度的硅。其铟浓度约等于构成岛4的材料的铟浓度，约为13.5％，以便与它们的晶格参数匹配或保持注入层5处于轻微的拉伸应变下。该层的厚度范围通常为200nm至400nm。
[0029]
在图1所示示例的另选方案中，n型注入层5可以被制成为超晶格。这可以涉及多个非常薄的alingan元素层，其厚度小于几十纳米，例如30nm，并且具有不同的性质。因此，注入层5可以通过重复包括ingan的第一元素层和gan、aln或algan的第二元素层的周期性结构来形成。元素层的厚度都小于它们的临界弛豫厚度。
[0030]
构成超晶格的各个层的铝、铟和镓的比例以及厚度应被选择成使得对应的同质成
分的层具有基本上等于生长岛4的晶格参数的固有晶格参数。换言之，通过xrd测量的注入层5的晶格参数对应于生长岛的晶格参数。如在同质注入层5的情况下，在半导体结构的生长期间在其中累积的应力因此受到限制。
[0031]
回到对图1的描述，光电半导体结构sc还包括位于n型注入层5上的有源层6。该层由多个交替的ingan阻挡层
‑
量子阱层形成。阻挡层的铟浓度类似于n型注入层5的铟浓度，在这种情况下约为13.5％。ingan量子阱层具有根据期望的发射波长选择的铟浓度。在所示示例中，该浓度为25％。
[0032]
更一般地，有源层是基于ingan的。量子阱层可以由呈现第一铟浓度的ingan制成，并且阻挡层可以由呈现低于第一浓度的第二铟浓度的ingan制成。阻挡层也可以由gan或algan制成，但是本发明优选地针对这样的有源层：其中量子阱层和阻挡层都由ingan制成。而且，例如由algan制成的薄的中间层可以被插入在阻挡层与量子阱层之间。
[0033]
半导体结构sc具有位于有源层6上的p型注入层7。
[0034]
该注入层7包括第一层7a，该第一层7a由p掺杂的ingan构成，例如引入了约10
20
cm
‑3的mg浓度。该第一层7a通常具有介于50nm至350nm之间的厚度。该层的晶格参数旨在与上面形成该层的叠层的晶格参数相匹配，或者将该层置于轻微的拉伸应力下。以非常一般的方式，该第一层7a的铟浓度对应于n型注入层5的铟浓度，这里约为13.5％。
[0035]
为了增加受主浓度并改善p型注入层7的导电性和欧姆接触的质量，计划在该第一层7a上形成第二层7b。
[0036]
该第二层7b由这样的元素层形成：该元素层由通式为inalgan的材料制成。根据它们的性质，这些元素层的厚度被选择为小于很可能形成缺陷(裂纹、金字塔形缺陷)的临界厚度。通常，元素层的厚度在1到30纳米之间。当然，两个连续的元素层具有不同的铝和/或铟和/或镓成分，这使得定义和区分它们成为可能。第二层可以处于压应力或拉应力下。
[0037]
至少对于大部分元素层，以赋予第二层p型电特性的方式对它们进行掺杂。可以是以介于10^19/cm^3至10^22/cm^3之间的浓度掺杂mg。
[0038]
由于若干原因，上述p型注入层7的大体形状是有利的。
[0039]
首先，第二层7b没有或几乎没有(与第一层相比)结构缺陷(例如，裂纹或金字塔形缺陷)。交叠的元素层的多样性也限制了残留缺陷在该层可能经历的湿法加工期间可能引起的影响。这保护了半导体结构免受液体试剂的影响，这些试剂有时需要用于生产功能器件。特别地，例如可以用koh的液体溶液处理图1中的半导体结构，以在沉积金属螺柱以在p型层上形成电接触之前使表面脱氧。
[0040]
此外，在本技术的引言中简要介绍的研究表明，在由刚刚描述的多个掺杂元素层形成的层中生成空穴型载流子比在同质层中有效得多。
[0041]
因此，第二层7b赋予这部分p型注入层特别令人感兴趣的电特性。然而，并非整个p型注入层都必须由这种元素层构成，因此预计该注入层的一部分(第一层7a)将由单层ingan构成。
[0042]
这通过避免不必要的元素层重复来促进半导体结构的制造。
[0043]
因此，第一层7a的厚度可以在50至300纳米之间，而第二层7b的厚度(即，元素层的组合厚度)在100至350纳米之间。因此，应提供足够数量的元素层(这些元素层的单独的厚度被限制成不超过它们各自的临界厚度)，以形成选定厚度的第二层。一般而言，p型注入层
的总厚度优选地小于400nm，范围为200nm至400nm。
[0044]
为了便于第二层7b的设计和制造，可以通过重复由至少两元素层组成的周期性结构来形成多个元素层。该周期性结构在第一层7a上连续且重复地形成，其次数足以形成具有选定厚度的第二层。
[0045]
这允许由下列层构成的周期性结构：ingan的第一元素层，以及gan、aln(厚度小于2nm以避免开裂)或者铝成分小于20％的algan(出于同样的原因，即避免开裂和避免降低层的导电性)的第二元素层。
[0046]
在第二层7b中，周期性结构的第一ingan元素层中的铟浓度从一个周期性结构到另一周期性结构不一定恒定。可以考虑从最靠近第一层7的第一元素层的初始浓度值增加或减少该浓度。以此方式，形成了对应于具有铟浓度梯度的同质ingan层的第二层7b。
[0047]
周期性结构还可以包括多于两个元素层。例如，可以提供由ingan、gan和algan的元素层的叠层构成的周期性结构。
[0048]
无论p型注入层的第二层7b的确切性质如何，它都具有比同质ingan层中存在的空穴浓度更高的空穴浓度并且具有降低的贯通型缺陷密度，从而形成高质量的注入层和高品质的欧姆接触。
[0049]
当然，本发明不限于所描述的实施方式并且在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下可以做出变化。
[0050]
特别地，光电半导体结构sc可以包括除了所描述的有源层6、n型注入层5和p型注入层7之外的附加层。例如，光电半导体结构可以包括设置在有源层与p型注入层之间的电子阻碍层，这在本领域中是众所周知的。这种电子阻碍层可以由具有比第一ingan层7a中的铟浓度低的铟浓度的薄层(即，通常为20nm)形成。
[0051]
尽管本文已经以岛介质的形式介绍了生长介质，但它可以是允许基于ingan的光电半导体结构生长的任何其他性质的介质。