具有调制掺杂的光电子器件的制作方法
【专利说明】具有调制惨杂的光电子器件
[0001] 相关申请的引用
[0002] 本申请要求2013年9月3日提交的、标题为"Optoelectronic Device with Modulation Doping"的共同未决的美国临时申请号61/873346的权益，并且其内容通过引 用并入本文。
技术领域
[0003] 本公开一般设及电子器件和光电子器件，更具体地设及基于HI族氮化物的电子 器件和光电子器件。
【背景技术】
[0004] 具有高效率和高可靠性的基于HI族氮化物的电子器件和光电子器件的发展依赖 于许多因素，诸如半导体层的质量、有源层设计W及接触质量。特别地，设计高导电性的P型 氮化嫁(GaN)和/或氮化侣嫁(AlGaN)对许多电子器件和光电子器件(包括紫外线发光二极 管(UV LED))来说很重要。由于150-250毫电子伏特(meV)的大受主活化能量W及由于重度 渗杂Mg的AlGaN合金中的低空穴迁移率，已经很难实现高P型导电性的渗杂儀(Mg)的AlGaN。 由于受主活化能量的进一步增大W及还由于随着侣摩尔分数逐渐增大导致的不期望的施 主浓度的增大，使得问题因侣摩尔分数增大而尤其严重。对于具有高侣摩尔分数的AlGaN 层，尽管Mg渗杂是重度的，但是氧(0)施主浓度可W导致AlGaN层产生绝缘特性或者甚至n型 特性。
[000引另外，重度的Mg渗杂可能负面地影响光电子器件的可靠性。先前已经对除器件自 加热W外的退化的存在进行了观察，而该退化的存在归因于来自P型包覆的Al原子的迁移。
[0006] 提出的基于HI族氮化物的Lm)的一个退化机理是具有高动能的电子穿过pn结，从 而导致输出功率减小。该能量被转移到晶格中，并且更具体地转移到电子阻挡层，该电子阻 挡层被设计为将电子限制在有源层的量子阱内。由电子释放的能量帮助断裂儀-氨化)键 (进一步活化P型层中的载流子)和Ga-N键(创建氮空位Vn)两者。增强的％活化引起在达到 稳态之前输出功率的初始上升，而Vn形成明显需要更长时间才能达到平衡并且在较长时间 周期内导致发射的缓慢减少。替换地，释放的电子能量可W有助于Mg-也复合物的形成并且 导致P型渗杂的总体降低。经计算，在P型AlGaN中形成氮空位的能量显著地低于P型GaN中形 成氮空位的能量。然而，Mg-出复合物在AlGaN中比在GaN中更稳定。因此，在高Al含量器件 中，几乎所有的原子位移都导致Vn形成，引起在UV L邸中观察到的缓慢的进一步退化，该退 化显现为在结的P侧的耗尽边缘的增大，该退化已经在电容-电压数据中观察到，并且该退 化还示出该表现在更高电流密度和相关联的工作溫度下放大。
[0007] 由于电子-晶格相互作用造成的氮空位的形成W及其它缺陷导致空穴被有效地俘 获于半导体层中。减小半导体层退化的一个方法是通过使用微像素器件设计，或者通过使 用具有大平面区域器件的LED,该大平面区域器件允许电流密度和工作溫度更低，限制电子 接近pn结、电子阻挡层和P型层的速度。
【发明内容】
[0008] 发明人提出新的方案用于减小P型渗杂半导体层中的缺陷形成和空穴俘获。在本 文所描述的方案的实施例中，基于调制渗杂获得运种减小。W运种方式，可W提高相应半导 体器件的可靠性。在另一个实施例中，通过并行优化器件异质结构的若干参数来进一步提 高可靠性。运种参数可W包括例如半导体层中的一个或者多个的组成分布和渗杂分布。此 夕h优化半导体层中的一个或者多个内的应变和产生的极化场可W显著地影响器件的可靠 性。
[0009] 本发明的方面提供光电子器件的改进的异质结构。该异质结构包括有源区域、电 子阻挡层和P型接触层。P型接触层和电子阻挡层可W用P型渗杂剂渗杂。电子阻挡层的渗杂 剂浓度可W是P型接触层的渗杂剂浓度的最多百分之十。还对设计运种异质结构的方法进 行了描述。
[0010] 本发明的第一方面提供异质结构，该异质结构包括:有源区域;P型接触层，具有P 型接触层渗杂剂浓度；W及电子阻挡层，位于有源区域与P型接触层之间，其中电子阻挡层 中的P型渗杂剂浓度是P型接触层渗杂剂浓度的最多百分之十。
[0011] 本发明的第二方面提供光电子器件，该光电子器件包括:n型接触层，具有n型渗 杂;P型接触层，具有P型接触层渗杂剂浓度;有源区域，位于n型接触层与P型接触层之间；W 及电子阻挡层，位于有源区域与P型接触层之间，其中电子阻挡层中的P型渗杂剂浓度是P型 接触层渗杂剂浓度的最多百分之十。
[0012] 本发明的第=方面提供了制造器件的方法，该方法包括:使用计算机系统产生用 于器件的器件设计，其中器件设计包括异质结构，该异质结构包括:有源区域;P型接触层， 具有目标P型接触层渗杂剂浓度；W及电子阻挡层，位于有源区域与P型接触层之间，其中电 子阻挡层的目标P型渗杂剂浓度是目标P型接触层渗杂剂浓度的最多百分之十；W及提供用 于根据器件设计制造器件的器件设计。
[0013] 本发明的例示性方面被设计为解决本文所描述的一个或者多个问题和/或此处未 讨论的一个或者多个其它问题。
【附图说明】
[0014] 结合描绘本发明各种方面的附图，通过对本发明各种方面进行的下列详细说明将 更容易理解本公开的运些特性W及其它特性。
[001引图1示出了根据实施例的例示性光电子器件的示意结构。
[0016] 图2示出了根据现有技术的光电子器件的异质结构的一部分的典型组成分布。
[0017] 图3A和3B示出了根据实施例的光电子器件的HI族氮化物异质结构的一部分的例 示性组成分布。
[0018] 图4示出了根据实施例具有不同渗杂剂浓度的有源区域的P型侧的例示性组成分 布。
[0019] 图5A示出了根据现有技术的有源区域的P型侧的组成分布W及图5B-5F示出了根 据实施例具有不同合金组成的有源区域的P型侧的例示性组成分布。
[0020] 图6A-6F示出了根据实施例具有不同电子阻挡层和/或P型中间层组成的有源区域 的P型侧的例示性组成分布。
[0021 ]图7A和7B示出了根据实施例的P型接触层的例示性组成分布。
[0022] 图8A-8C示出了根据实施例包括电子阻挡层的例示性异质结构的零偏置能带图、 五伏特偏置能带图W及载流子浓度图。
[0023] 图9A-9C示出了根据实施例包括分级电子阻挡层的例示性异质结构的零偏置能 带、五伏特偏置能带图W及载流子浓度图。
[0024] 图IOA和IOB示出了根据实施例包括具有两个不同分级区域的分级电子阻挡层的 例示性异质结构的五伏特偏置能带图和载流子浓度图。
[0025] 图11A-11D示出了根据实施例与例示性超晶格配置相对应的能带隙图。
[0026] 图12示出了根据实施例用于制造电路的例示性流程图。
[0027] 注意，附图可W不按比例。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应该被 看作对本发明范围的限制。在附图中，相同附图标记表示附图之间的相同要素。
【具体实施方式】
[0028] 如上所指示的，本发明的方面提供光电子器件的改进异质结构。该异质结构包括 有源区域、电子阻挡层和P型接触层。P型接触层和电子阻挡层可W用P型渗杂剂渗杂。电子 阻挡层的渗杂剂浓度可W是P型接触层的渗杂剂浓度的最多百分之十。还对设计运种异质 结构的方法进行了描述。
[0029] 如此处使用的，除非另作说明，术语"组"意味着一个或者多个(即，至少一个）W及 短语"任何解决方法"意味着任何目前已知的或者稍后开发的解决方法。如此处使用的，当 相应材料的摩尔分数相差最多百分之十(在更具体的实施例中为百分之五)时，两个材料具 有相当的组成。例如，考虑两个III族氮化物材料，AlxInyBzGai-x-y-z^PAklny'Bz'Gai-x'-y'-z' N，当摩尔分数x、y和Z各自与相应的摩尔分数x'、y'和Z'相差不到百分之十时，两种材料具 有相当的组成，其中百分比是通过取摩尔分数之间的差并且将该值除W较高的摩尔分数来 计算的。类似地，当相应厚度相差最多百分之十(在更具体的实施例中为百分之五)时，两个 层具有相当的厚度。如本文还使用的，两个渗杂剂浓度在彼此处于相同的数量级时是相当 的。应当理解，当较大数字与较小数字的比例小于十时，两个数字彼此处于相同数量级。
[0030] 本发明的方面提供可W并入光电子器件的异质结构，诸如常规发光二极管化ED) 或者超福射发光二极管、发光激光器、激光二极管、光传感器、光电检测器、光电二极管、雪 崩二极管等等。转至附图，图1示出了根据实施例的例示性光电子器件10的示意结构。在更 特定的实施例中，光电子器件10配置为作为发射器件(诸如发光二极管(LED))工作。在该情 况下，在光电子器件10工作期间，施加与能带隙相当的偏置导致从光电子器件10的有源区 域18发射电磁福射。由光电子器件10发射的电磁福射可W具有在任何波长范围内（包括可 见光、紫外线福射、深紫外线福射、红外光等等）的峰值波长。在实施例中，器件10配置为发 射具有在紫外线波长范围内的主波长的福射。在更具体实施例中，主波长在大约210纳米与 大约350纳米之间的波长范围内。
[0031] 光电子器件10包括异质结构，该异质结构包括衬底12、与衬底12相邻的缓冲层14、 与缓冲层14相邻的n型层16(例如，包覆层、电子供给层、接触层等等)和具有与n型层16相邻 的n型侧19A的有源区域18。此外，光电子器件10的异质结构包括与有源区域18相邻的P型侧 19B的第一P型层20(例如，电子阻挡层）和与第一P型层20相邻的第二P型层22(例如，包覆 层、空穴供给层、接触层等等）。
[0032] 在更特定的例示性实施例中，光电子器件10是基于III-V族材料的器件，其中各种 层中的一些或者全部由选自III-V族材料系统的元素形成。而在更特定的例示性实施例中， 光电子器件10的各种层由基于HI族氮化物的材料形成。III族氮化物材料包括一个或者多 个III族元素（例如，棚(B)、侣(Al)、嫁(Ga)和铜（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尔分数的III族元 素的二元、S 元和四元合金，诸如 AlN、GaN、InN、BN、AlGaN、AlInN、AlBN、AlGaInN、AlGaBN、 AlInBN和AlGaInBN。
[0033] 基于III族氮化物的光电子器件10的例示性实施例包括由InyAlxGal-x-yN、 GazInyAlxBi-x-y-zN、AlxGai-xN半导体合金等等组成的有源区域18(例如，一系列交替的量子阱 和势垒）。类似地，n型包覆层16和第一P型层20两者可W由InyAlxG