专利名称：发光及激光半导体的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于响应于电信号而产生光发射及激光发射的方法及装置。本发明也涉及用于用改进的效率及速度从半导体装置产生光发射及激光发射的方法及装置，且关于增大来自半导体发光装置的光输出。
背景技术：
本发明背景的一部分在于作为发光晶体管及晶体管激光而操作的异质结双极性晶体管的发展。举例来说，可参考美国专利案第7，091，082、7，286，583、7，354，780、7，535，034 及 7，693，195 号；美国专利申请公开案第 US2005/0040432、US2005/0054172、US2008/0240173、US2009/0134939、US2010/0034228、US2010/0202483 及 US2010/0202484号；及参考PCT国际专利公开案第W0/2005/020287及W0/2006/093883号。也可参考以下出版物:((Appl.Phys.Lett.84，151 (2004))) M.Feng、N.Holonyak、Jr 及 W.Hafez 的“来自InGaP/GaAs异质结双极性晶体管的光发射”(Light Emission From InGaP/GaAsHeterojunction Bipolar Transistors))；《Appl.Phys.Lett.84，1952 (2004)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.及R.Chan的“量子讲基异质结双极性发光晶体管”(Quantum-Well-BaseHeterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor));《Appl.Phys.Lett.84，4792 (2004)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、B.Chu-Kung、G.Walter 及 R.Chan 的 “II 类型 GaAsSb/InP 异质结双极性发光晶体管”(Type-1I GaAsSb/InP HeterojunctionBipolar Light-Emitting Transistor) ； ((Appl.Phys.Lett.85，4768 (2004)》G.Walter、N.Holonyak、Jr、M.Feng及R.Chan的“异质结双极性发光晶体管的激光操作”(LaserOperation OfAHeterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor);《Appl.Phys.Lett.86，131114(2005) ))R.Chan、M.Feng、N.Holonyak、Jr.及 G.Walter 的“晶体管激光的微波操作及调制”(Microwave Operation And Modulation Of A Transistor Laser)；《Appl.Phys.Lett.87，131103 (2005)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、G.Walter 及 R.Chan 的“异质结双极性发光晶体管的室温连续波操作”(Room Temperature Continuous WaveOperation Of AHeterojunction Bipolar Transistor Laser) ； ((Appl.Phys.Lett.88,012108 (2006)》F.Dixon、R.Chan、G.Walter、N.Holonyak、Jr.、M.Feng、X.B.Zhang、J.H.Ryou 及 R.D.Dupuis 的“可见光谱发光晶体管” (Visible Spectrum Light-EmittingTransistors));在 2OO6 年 2 月《Spectrum，IEEE 第 43 卷第 2 期》N.Holonyak 及 M Feng的“晶体管激光”(The Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.88，063509 (2006)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、R.Chan、A.James及G.Walter的“在接近阈值的多个输入晶体管激光内的信号混合，，(Signal Mixing InA Multiple Input Transistor Laser Near Threshold)；及《Appl.Phys.Lett.88，14508 (2006))) R.Chan、N.Holonyak、Jr.、A.James 及 G.Walter的“在晶体管激光的基极量子阱转变上的增益及激励再结合的集电极电流图”(CollectorCurrent Map Of Gain And Stimulated Recombination On The Base Quantum WellTransitions Of A Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.88，232105(2006)》G.Walter、A.James、N.Holonyak、Jr.、M.Feng及R.Chan的“异质结双极性晶体管激光内的集电极击穿，，(Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser)；((Photonics Technology Letters，IEEE 第 18 卷第 11 其月(2006)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、R.Chan、A.James及G.Walter的“使用晶体管激光对方形波信号的高速(/spl ges/lGHz)电性及光学添加、混合与处理”(High-Speed(/spl ges/lGHz)Electrical And OpticalAdding， Mixing, And Processing Of Square-Wave Signals With ATransistor Laser)；《Appl.Phys.Lett.89，082108 (2006)》B.F.Chu-Kung 等人的“缓变基极 InGaN/GaN 异质结双极性发光晶体管”(Graded-Base InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Light-EmittingTransistors) ； ((Appl.Phys.Lett.89，113504 (2006)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、A.James、K.Cimino、G.Walter 及 R.Chan 的“量子讲 AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs 晶体管激光的载流子寿命及调制带宽”(Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum WellAlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs Transistor Laser) ； ((Appl.Phys.Lett.90，091109 (2007)》G.Walter.A.James.N.Holonyak.Jr.及M.Feng的“晶体管激光内的扰频信号、线宽增加的弗朗茨凯尔迪什缩减”(Chirp In ATransistor Laser，Franz-Keldysh Reductionof The Linewidth Enhancement);《Appl.Phys.Lett.90，152109 (2007)》A.James、G.Walter.M.Feng及N.Holonyak、Jr.的“量子阱晶体管激光内的光子辅助击穿、负电阻及切换，，(Photon-Assisted Breakdown, Negative Resistance，And Switching In AQuantum-Well Transistor Laser) ； ((Photonics Technology Letters，IEEE 第 19 卷第 9 期(2007))) A.James、N.Holonyak、M.Feng 及 G.Walter 的“晶体管激光的弗朗茨凯尔迪什光子辅助电压操作切换”(Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-OperatedSwitching of a Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.91，033505 (2007)》H.W.Then、M.Feng.N.Holonyak.Jr.及C.H.Wu的“改变基极量子阱设计及掺杂的量子阱npn异质结双极性发光晶体管的操作中的有效少数载流子寿命的实验测定”(ExperimentalDetermination Of The Effective Minority Carrier Lifetime In The OperationOf A Quantum-Well n-p-n Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor OfVarying Base Quantum-Well Design And Doping);《Appl.Phys.Lett.91，053501 (2007)》M_ Feng、N.Holonyak、Jr.、H.W.Then及G.Walter的“晶体管激光操作的电荷控制分析，，(Charge Control Analysis Of Transistor Laser Operation);《Appl.Phys.Lett.91，183505 (2007)》H.W.Then、M.Feng 及 N.Holonyak、Jr.的“通过晶体管激光的第一激发状态的操作及调制的光学带宽增加”(Optical Bandwidth Enhancement By OperationAnd Modulation Of The First Excited State OfA Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.91,232114(2007)》B.F.Chu-Kung、C.H.Wu.G.Walter.M.Feng、N.Holonyak、Jr.、T.Chung、J.-H.Ryou 及 R.D.Dupuis 的“高电流增益(3 >49)发光 InGaN/GaN 异质结双极性晶体管的调制”(Modulation Of High Current Gain ( & > 49) Light-Emitting InGaN/GaN Hetero junction Bipolar Transistors) ； ((Appl.Phys.Lett.91, 243508 (2007))) H.W.Then.G.Walter.M.Feng及N.Holonyak、Jr.的“量子阱晶体管激光的集电极特性及微分光学增益”(Collector Characteristics And The Differential Optical Gain OfA Quantum-Well Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.93，021111 (2008)》F.Dixon、M.Feng、N.Holonyak、Jr.、Yong Huang、X.B.Zhang、J.H.Ryou 及 R.D.Dupuis 的“具有 1544nm 的发射波长的晶体管激光”(Transistor Laser With Emission Wavelengthatl544nm) ； ((App1.Phys.Lett.93，163504(2008))) H.ff.Then、G.Walter、M.Feng 及N.Holonyak, Jr.的“具有辅助基极信号的异质结双极性晶体管激光的光学带宽增力口，，(Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar Transistor LaserOperation With An Auxiliary Base Signal);《Appl.Phys.Lett.94,013509 (2009)》
H.ff.Then、M.Feng及N.Holonyak、Jr的“通过晶体管激光中的电性及光学增益的权衡的带宽扩展”(Bandwidth Extension By Trade-Off Of Electrical And Optical Gain InA Transistor Laser:Three-Terminal Control);《Appl.Phys.Lett.94,041118(2009)》M.Feng、N.Holonyak、Jr.、H.ff.Then、C.H.Wu 及 G.Walter 的“隧道结晶体管激光” (TunnelJunction Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.94,101114(2009)》H.W.Then、C.H.Wu、G.Walter、M.Feng及N.Holonyak、Jr.的“使用隧道结晶体管激光的电性-光学信号混合与倍增，，(Electrical-Optical Signal Mixing And Multiplication(2 — 22GHz)WithA Tunnel Junction Transistor Laser);《Appl.Phys.Lett.94,171101(2009)》C.H.Wu、
G.Walter、H.ff.Then, M.Feng及N.Holonyak、Jr.的“用于多个千兆赫的光学带宽的发光晶体管的缩放，，(Scaling Of Light Emitting Transistor For Multigigahertz OpticalBandwidth)。2009 年《Indium Phosphide&Related Materials》Huang、Y.、Ryou> J._H.、Dupuis、R.D.、Dixon、F.、Holonyak、N.、Feng、M.的“具有C掺杂及Zn掺杂基极层的发光晶体管的装置性能” (Device Performance Of Light Emitting Transistors With C-DopedAnd Zn-Doped Base Layers);在 2009 年 5 月 10 到 14 日的 IPRT 09IEEE 国际会议，387到 390 页；((Appl.Phys.Lett.94，231125 (2009)》G.Walter、C.H.Wu、H.ff.Then、M.Feng 及N.Holonyak、Jr.的“倾斜电荷高速(7GHz)发光二极管”(Tilted_Charge High Speed(7GHz)Light Emitting Diode);《Appl.Phys.Lett.94, 241101 (2009)》G.Walter、C.H.Wu、
H.ff.Then、M.Feng 及 N.Holonyak、Jr.的“4.3GHz 光学带宽发光晶体管，G.Walter” (4.3GHzOptical Bandwidth Light Emitting Transistor, G.Walter);及〈〈Appl.Phys.Lett.95,033509 (2009))) M.Feng、H.ff.Then、N.Holonyak、Jr.、G.Walter 及 A.James 的“半导体激光的无共振步页率响应，，(Resonance-Free Frequency Response Of A Semiconductor Laser)。在倾斜电荷发光装置(包括在上文参考的专利、专利申请公开案及出版的论文中所描述的装置)中，当力争最大化光输出、操作的响应时间(速度)及方便制造时出现装置设计的权衡。本发明的目的包括解决现存倾斜电荷发光装置及方法的这些权衡及其它限制。
发明内容
倾斜电荷装置的高速光学能力取决于所述装置将电荷倾斜维持在所述装置的有源区域(通常为基极区域)中的能力。(电荷倾斜的特征在于所述装置的能量图中的斜面，其在基极-集电极或基极-漏极结处具有小初始值。如果在此结处存在电荷积聚，则将不存在有利的电荷倾斜特性。)通过确保由较快次级机构(例如晶体管的集电极或倾斜电荷发光二极管的漏极)收集或汲取不在所期望的光学重新组合区域(例如，量子阱、量子点等)中重新组合的少数电荷而实现电荷倾斜。由进入此次级机构所需的时间(也称为过渡时间Tt)限制所述装置的固有高速能力。
晶体管(包括发射极、基极及集电极的结构)可为用于材料研究的优良装置。发射极增益P (集电极电路Ic对基极电流Ib的比率的度量)= Ic/Ib)也可给定为基极重新组合时间对基极过渡时间的比率TB/Tt。因此，对于有可比较结特性、相似物理尺寸及基极电阻率的晶体管，较低P装置通常指示较小(因此，较快)基极重新组合寿命。通过使用晶体管技术来研究基极材料的重新组合寿命，申请人发现可通过生长变动(例如掺杂浓度、气体流动及生长温度)而控制高掺杂半导体材料中的缺陷水平。通过增大一层中的缺陷水平，所述层的重新组合速度增大，导致具有更低3的装置。申请人还已发现合金(例如砷化铝镓)比二元系统(例如砷化镓)更易于发生重新组合寿命的此减少。(如下文将处理，半导体材料中的少数载流子的扩散长度与材料中的缺陷浓度反向相关。)申请人还发现可获得具有与0.01(即99%的少数载流子在基极区域的单一通道内重新组合)一样低的P的晶体管，指示经由缺陷工程设计，可以实现非常快的非辐射的重新组合材料。重要的是，可在不使层的多数载流子电特性(电阻率)降级的情况下完成缺陷的工程设计。此快速重新组合特性指示经过工程设计的高缺陷层(或经过工程设计的短扩散长度层)可用作用于收集/汲取过量少数载流子的有效次级机构。同样，在设计倾斜电荷发光装置时组合一个或一个以上经过工程设计的高缺陷浓度层(短扩散长度层)与一个或一个以上经过工程设计的低缺陷浓度层(长扩散长度层)可提供实质优点。如上文所提到，半导体材料中的少数载流子的扩散长度与材料中的缺陷浓度反向相关。尽管可在描述本发明中所采用的某些层时使用缺陷浓度或其反向扩散长度，但是扩散长度将为在本发明的后续描述及权利要求中主要使用的度量。然而，将始终了解在反向意义上所采用的缺陷浓度为隐含替代。本发明的形式适用于结合发光半导体结构使用，所述发光半导体结构包括:第一导电率类型的半导体有源区域，其含有量子大小区域且具有与第二导电率类型的半导体输入区域相邻的第一表面，所述发光半导体结构为在相对于所述有源区域及输入区域施加电位时即刻操作以从所述有源区域产生光发射。提供一种用于增强所述发光半导体结构的操作的方法，所述方法包括以下步骤:提供半导体输出区域，所述半导体输出区域包含与第二表面相邻的所述第一导电率类型的半导体辅助层，所述第二表面与所述有源区域的所述第一表面相对；及将所述辅助层提供为包括半导体材料，所述半导体材料具有所述第一导电率类型材料的少数载流子的扩散长度，所述扩散长度实质上比所述有源区域的半导体材料的少数载流子的扩散长度短。在本发明的此形式的实施例中，提供所述输出区域的步骤进一步包括提供与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体漏极区域。在本发明的此形式的另一实施例中，提供所述输出区域的步骤进一步包括提供与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体集电极区域。同样，在本发明的此形式的实施例中，提供包括与所述有源区域的所述第二表面相邻的半导体辅助层的所述输出区域的步骤包括提供半导体材料的所述辅助层，所述半导体材料实质上具有与所述有源区域的所述第二表面的半导体材料相同的元素成分。在本发明的一个实施例中，所述两种半导体材料均实质上为砷化镓，但具有相应不同缺陷浓度(且据此，少数载流子的不同扩散长度)。在本发明的另一形式中，陈述一种用于从半导体结构产生光发射的方法，所述方法包括以下步骤:提供半导体结构，所述半导体结构包括第一导电率类型的且具有相对长少数载流子扩散长度特性的半导体基极区域，所述半导体基极区域在与所述第一导电率类型的导电率类型相反的第二导电率类型的半导体发射极区域与所述第二导电率类型的半导体漏极区域之间；在所述基极区域与所述漏极区域之间提供所述第一导电率类型的且具有相对短少数载流子扩散长度特性的半导体辅助区域；在所述基极区域内提供展现量子大小效应的区域；提供与所述发射极区域耦合的发射极电极；提供与所述基极区域及所述漏极区域耦合的基极/漏极电极；及相对于所述发射极电极及基极/漏极电极而施加信号以从所述半导体结构获得光发射。在本发明的此形式的实施例中，提供基极/漏极电极的步骤包括提供与所述基极区域、所述辅助区域及所述漏极区域耦合的基极/漏极电极。在此实施例中，第一导电率类型为P类型且第二导电率类型为n类型，提供所述半导体基极区域的所述步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型基极区域，且提供所述辅助层的所述步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型材料。在本发明的又一形式中，陈述一种用于从半导体结构产生光发射的方法，所述方法包括以下步骤:提供晶体管，所述晶体管包括第一导电率类型的且具有相对长少数载流子扩散长度特性的半导体基极区域，所述半导体基极区域在与所述第一导电率类型的导电率类型相反的第二导电率类型的半导体发射极区域与所述第二导电率类型的半导体集电极区域之间；在所述基极区域与所述集电极区域之间提供所述第一导电率类型的且具有相对短少数载流子扩散长度特性的半导体辅助区域；在所述基极区域内提供展现量子大小效应的区域；提供与所述发射极区域耦合的发射极电极、与所述基极区域耦合的基极电极及与所述集电极区域耦合的集电极电极；及相对于所述发射极电极、基极电极及集电极电极而施加信号以从所述半导体结构获得光发射。还陈述半导体发光装置的实施例，其包括:第一导电率类型的半导体有源区域，其含有量子大小区域且具有与第二导电率类型的半导体输入区域相邻的第一表面；半导体输出区域，其包括与第二表面相邻的所述第一导电率类型的半导体辅助层，第二表面与所述有源区域的所述第一表面相对，所述辅助层包括具有所述第一导电率类型材料的少数载流子的扩散长度的半导体材料，所述扩散长度实质上比所述有源区域的半导体材料的少数载流子的扩散长度短；借此，相对于所述有源区域及输入区域施加电位会从所述半导体结构的有源区域产生光发射。在一个实施例中，输出区域进一步包括与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体漏极区域，且在另一实施例中，输出区域进一步包括与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体集电极区域。通过配合附图阅读下文的详细描述，本发明的其它特征及优点将更容易显而易见。
图1为在描述本发明的实施例的操作时有用的并非按比例的倾斜电荷发光装置的层及区域的简化横截面图，本发明的实施例采用经过工程设计的长扩散长度(ELDL)层及经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层以获得改进式操作。图2为在了解本发明的实施例的操作时有用的图1中的装置类型的能带图。
图3为展示根据本发明的实施例的倾斜电荷发光装置的实施例的层结构(并非按比例)的横截面图。图4为展示根据本发明的实施例的倾斜电荷发光装置的另一实施例的层结构(并非按比例)的横截面图。图5为展示根据本发明的实施例的倾斜电荷发光装置的又一实施例的层结构(并非按比例)的横截面图。图6为展示根据本发明的实施例的倾斜电荷发光装置的另一实施例的层结构(并非按比例)的横截面图。图7为展示根据本发明的实施例的倾斜电荷发光装置的又一实施例的层结构(并非按比例)的横截面图。图8为展示依据处理温度的少数载流子的扩散长度的特性的实例的图表。图9为展示依据少数载流子扩散长度的发射极电流增益的实例的图表。
具体实施例方式半导体装置的材料中的少数载流子的扩散长度(L)给定为:L = Dxt其中D为扩散系数，其取决于半导体中的载流子移动性，且在以下公式中表达U:
rv kT`
D = P----
q其中q为电荷，T为温度，及k为波尔兹曼(Boltzmann)常数。载流子移动性U与平均分散时间成比例，所述平均分散时间取决于(许多因素中的)掺杂浓度、缺陷浓度及半导体材料组合物(例如，砷化镓对砷化铝镓(二元对合金)或砷化镓对InP (不同材料系统))。少数载流子寿命T也取决于(除其它因素外)自由载流子浓度(关于掺杂浓度)、缺陷能阶及缺陷浓度。在短少数载流子扩散长度的区域中，少数载流子具有每单位距离与多数载流子重新组合的较高可能性。倾斜电荷装置具有有源区域，有源区域具有一个极性的内建自由多数载流子，且在到此有源区域的一个输入上，仅另一极性的少数载流子的一种物质被注入且允许跨越有源区域扩散。此有源区域具有增强多数载流子的导电及少数载流子的重新组合的特征。在所述区域的输出侧上，接着由分开及较快机构收集、汲取、耗尽或重新组合少数载流子。电接点耦合到此有完整特征的区域。本发明的实施例在倾斜电荷装置(例如，发光晶体管、倾斜电荷发光二极管或晶体管激光)中采用短少数扩散长度层。在此实施例中，有源区域包括:掺杂层，其经过工程设计以具有相对长少数载流子扩散长度(ELDL);及用于光学重新组合的量子大小区域。在优选实施例中，在有源区域后、在倾斜电荷装置的输出区域中提供经过工程设计的相对短少数载流子扩散长度(ESDL)层。ESDL及ELDL层被(直接或间接)掺杂为相似导电率类型(例如，P类型材料)。本发明的实施例的技术允许在小有源区域优选用于较高速操作的状况下在不增大有源区域厚度的情况下增大多数载流子的导电率。这还实现了使用非常小的有源区域(例如，小于约25纳米)，同时仍具有必要厚度以可靠地耦合电接点且因此传输多数载流子到有源区域。图1的简化解说明倾斜电荷发光半导体装置中的经过工程设计的长扩散长度(ELDL)层及经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层的有利使用。在图1的图中，所述装置的输入区域为发射极110。所述装置的有源区域包含在经过工程设计的长扩散长度(ELDL)层121、123内的未掺杂或低掺杂势垒之间的一个或一个以上量子阱122。所述装置的输出区域包含经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层131及集电极132，所述集电极132可为(例如)发光晶体管的集电极或倾斜电荷发光二极管的漏极。此倾斜电荷装置的有源区域具有充足内建载流子(例如，高掺杂P类型区域中的空穴)及少数载流子注入到有源区域中的输入区域。在输出区域中，经由比有源区域更快的机构而耗尽及/或重新组合及/或收集少数载流子。如下文将描述，对于两端子操作，电极可应用于输入及输出区域，且对于三端子操作，电极还可应用于有源区域。为了改进倾斜电荷装置的速度，必须最优化过渡时间tt。由于过渡时间与其过渡的区域的宽度的平方W2transit (除其它因素外，例如扩散常数)成比例，所以一般来说使总基极区域(wb_ = Wtonsit)较薄。因此，例如在具有n类型发射极的光学倾斜电荷装置中，此引起P类型基极区域中的空穴的导电的相对大侧向电阻(高电阻率)。此些大电阻倾向于将装置的操作限于沿着发射极台面的边缘的小区。在如图1中所表示的本发明的实施例中，可维持所述过渡时间，同时通过引进低电阻率P类型材料的经过工程设计的短扩散长度(ESDL)的辅助层131 (其作用为收集/汲取及排除过多多数载流子的次级机构)而降低总P类型区域(包含基极)的电阻率。此有效地在不增大过渡宽度的情况下增大基极宽度(即，Wbase > Wtransit)。P类型材料优选具有至少lE19cm_3的掺杂浓度(例如，碳掺杂)。因此，可包含其它收集或汲取机构。将了解相同原理也可应用于具有P类型发射极及n类型基极的光学倾斜电荷装置，其中ESDL辅助层的掺杂浓度为至少lE18cm_3。图2图解说明表征图1结构的实施例的能带图的类型。在图2的实例中，与发射极相邻的区域121可采用比区域123相对更高的带隙材料以形成不对称基极(见共同待决的美国专利申请公开案第US2010/0202484号)。如前文所指示，层121的材料为少数载流子的经过工程设计的长扩散长度(ELDL)。区域122含有具有未掺杂或低掺杂势垒的一个或一个以上量子阱，且有源区域的层123部分也为ELDL。辅助层131为具有与区域123相似带隙或比区域123更低的带隙的经过工程设计的短扩散长度(ESDL)材料。如前文所描述，由于相对短扩散长度(较高缺陷浓度)材料用作收集/汲取多数载流子的次级机构，所以区域131不会实质性增大过渡宽度Wtransit,同时用于对多数载流子提供额外低电阻率路径(即，增大的WbaJ。例如，通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法来生长半导体外延层需要精确控制若干变量，包括气体流动速率、生长速率、生长温度及真空。后生长工艺也可影响半导体的所得总材料特性。在本发明的一个实例中，可通过改变半导体的生长温度同时使其它变量保持尽可能恒定而调谐或最优化材料质量。此调谐产生具有如在图8中所展示的扩散长度特性的典型外延层。(存在用以测量少数载流子扩散长度的若干已知方法。上文提及的一种方法为嵌入研究层作为异质结双极性晶体管结构的基极区域。)图8为依据温度变动的p类型砷化镓材料中的少数载流子(电子)的扩散长度的图表。所得材料具有近似相同薄片电阻。(在此实例中，存在 4E19cnT3的掺杂物浓度，及 1650hm/sq.的薄片电阻。)图8展示对于特定条件组存在最优生长温度以最大化少数载流子的材料的扩散长度。通过从此最优温度解调谐，可仅在材料的薄片电阻有少量变化的情况下缩短扩散长度。在此实例中，在特定生长速率及真空设定的选择的气体流动速率的情况下使用MOCVD工艺，且生长温度经调谐以获得具有所期望扩散长度特性的外延层。因此，例如，为了获得相对长少数载流子扩散长度P类型砷化镓半导体(应了解也可酌情采用后生长掺杂及退火工艺)，可使用约580°C的生长温度以获得实质上最大可获得扩散长度，如在图8的图中所见。此可为形成(例如)图1实例的ELDL层121、123的方式。当期望生长此实例中的经过工程设计的短扩散长度(ESDL)材料的外延层时，可使用大概555°C或605°C的温度以获得约为最大可获得扩散长度的一半的少数载流子的扩散长度；即，ESDL材料(例如，对于图1的层131)，其具有约为层121、123的ELDL材料的一半的扩散长度。优选地，ESDL材料将具有小于材料的层厚度的约0.7倍的扩散长度，然而，ELDL材料将具有大于材料的层厚度的扩散长度。图9展示具有100纳米的基极厚度及约1650hm sq.的薄片电阻的磷化铟镓/砷化镓HBT的发射极电流增益如何根据扩散长度而变更。此表明较长扩散长度材料成比例地展现较高3，且据此展现少数载流子的较少重新组合。图3图解说明对于底部光发射采用p类型经过工程设计的短扩散长度(ESDL)辅助层的倾斜电荷发光二极管的实施例。在此实例中，在未掺杂砷化镓衬底310上首先生长砷化镓缓冲层315。此缓冲层可为未掺杂或p类型经过工程设计的长扩散长度层。接着，在缓冲层上生长将用作漏极的P类型砷化镓经过工程设计的短扩散长度层(ESDL) 320。接着，生长P类型砷化镓基极2区域330作为经过工程设计的长扩散长度层330。用未掺杂或低掺杂势垒层来生长单一或多个量子阱区域340。在此实例中，量子阱为具有砷化镓势垒的磷化铟镓。接着完成基极区域作为具有砷化镓P类型ELDL层的基极I区域。基极I区域可具有或可不具有比基极2区域更大的带隙(对称对不对称设计；再次见共同待决的美国专利申请公开案第US2010/0202484号)。接着，生长相对大带隙磷化铟镓或磷化铟铝镓n类型发射极370，后续接着n类型发射极包覆层380 (其包括接点层及任选的可氧化砷化铝镓层)以形成电局限孔隙。接着在P类型基极区域的暴露表面上使钛钼金或金锗金属化以形成P类型基极材料的接点352。此后续接着是发射极台面上的金锗接点金属化382，其还用作镜面以向下反射光。最终，准直器或聚焦透镜305接着模制或贴附到变薄的向下砷化镓衬底。在正向偏压条件下操作装置，其中基极偏压电压VB及发射极偏压电压VE经加偏压，使得VBE > EQW，其中EQW为量子阱的能隙。一部分DBR或全部DBR腔也可并入到此结构中。通过提供适当共振光学腔也可将本发明的此实施例及其它实施例作为激光操作。参考图4，展示对于顶部光发射采用p类型经过工程设计的短扩散长度(ESDL)的倾斜电荷发光二极管的实施例。在此实施例中，层310、315、320、340、315、320、340、350及370及接点352可类似于其在图3中的相同参考数字的对应物。对于顶部光发射，本实施例采用由n类型发射极包覆区域480中的环形氧化区域483所界定的氧化物孔隙。使用底部分布式布拉格(Brag)反射器(DBR) 412向上反射光。对于共振腔设计，任选的上DBR(对自发操作来说低反射率及对激光操作来说高反射率)可嵌入发射极包覆层480中。发射极接点金属化482采用环形环的形式。准直或聚焦透镜接着模制或贴附到顶部表面上。操作可同样处于正向加偏压模式中。图5展示一种采取并入有经过工程设计的短扩散长度(ESDL)辅助/漏极区域及高阻抗集电极两者的三端子发光晶体管形式的倾斜电荷装置的实施例。在此实施例中，装置包括未掺杂砷化镓衬底510、具有接点522的n类型子集电极520、高阻抗(未掺杂)集电极525及p类型ESDL辅助/漏极层540。层330、340、350、570及380以及接点352及382可类似于其在图3中的相同参考数字的对应物。可在共同基极、共同集电极或共同发射极模式中操作装置。图6展示具有经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层的倾斜电荷发光二极管的实施例。在此实施例中，基极2层330、具有缓冲区域的量子阱340、基极I层350、发射极层370、发射极包覆382及发射极接点以及未掺杂砷化镓衬底310及底部准直或聚焦透镜305可类似于其在图3实施例中的相同参考数字的对应物。在本实施例中，在衬底上生长n类型子漏极层620且接着生长未掺杂漏极层622。沉积于漏极层622上的为辅助漏极层625，其生长为经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层。用如所展示般形成的台面实施如前文所描述的其它层的沉积。接着，形成金属化以用于发射极接点382及基极/漏极接点392，其具有接触基极层350及子漏极层620的相应架子的环形上部分及下部分及接触介入层的周边边缘的侧。图7展示具有嵌入式经过工程设计的短扩散长度(ESDL)层的另一倾斜电荷发光二极管的实施例。一般配置及层结构类似于图6实施例的一般配置及层结构(如由指示对应元件的相同参考数字所指示)，但图7实施例具有隧道结722来取代图6的漏极层622。隧道结722包括与重度掺杂(n++)区域724相邻的重度掺杂(p++)区域723。(对于采用隧道结的倾斜电荷发光装置的描述，可参考美国专利申请公开案第US2010/0202483号)。在操作中，ESDL辅助漏极层625用于通过减少基极-漏极电子电流流动(如在图中通过缩小的箭头宽度所表示)而减小跨越隧道结的雪崩电流。
权利要求
1.一种用于结合发光半导体结构使用以用于增强所述发光半导体结构的操作的方法，所述发光半导体结构包括第一导电率类型的半导体有源区域，所述半导体有源区域含有量子大小区域且具有与第二导电率类型的半导体输入区域相邻的第一表面，所述发光半导体结构在相对于所述有源区域及输入区域施加电位时即刻操作以从所述有源区域产生光发射，所述方法包括:提供半导体输出区域，所述半导体输出区域包括与第二表面相邻的所述第一导电率类型的半导体辅助层，所述第二表面与所述有源区域的所述第一表面相对；及将所述辅助层提供为包括半导体材料，所述半导体材料具有所述第一导电率类型材料的少数载流子的扩散长度，所述扩散长度实质上比所述有源区域的所述半导体材料的少数载流子的所述扩散长度短。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供所述输出区域的步骤进一步包含:提供与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体漏极区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供所述输出区域的步骤进一步包含:提供与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体集电极区域。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括相对于其它区域而将电位施加于所述集电极区域。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供包含与所述有源区域的所述第二表面相邻的半导体辅助层的所述输出区域的步骤包括:提供所述半导体材料辅助层，所述半导体材料具有实质上与所述有源区域的所述第二表面的所述半导体材料相同的元素成分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述提供所述半导体材料辅助层的步骤包括:将所述两种半导体材料提供为实质上砷化镓，所述半导体材料具有与所述有源区域的所述第二表面实质上相同的元素成分。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述有源区域设置于光学共振腔中，且其中所述光发射为激光发射。
8.一种用于从半导体结构产生光发射的方法，所述方法包括以下步骤: 提供半导体结构，所述半导体结构包含第一导电率类型的且具有相对长少数载流子扩散长度特性的半导体基极区域，所述半导体基极区域在与所述第一导电率类型的导电率类型相反的第二导电率类型的半导体发射极区域与所述第二导电率类型的半导体漏极区域之间； 在所述基极区域与所述漏极区域之间提供所述第一导电率类型的且具有相对短少数载流子扩散长度特性的半导体辅助区域； 在所述基极区域内提供展现量子大小效应的区域； 提供与所述发射极区域耦合的发射极电极； 提供与所述基极区域及所述漏极区域耦合的基极/漏极电极；及 相对于所述发射极电极及基极/漏极电极而施加信号以从所述半导体结构获得光发射。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述提供基极/漏极电极的步骤包括:提供与所述基极区域、所述辅助区域及所述漏极区域耦合的所述基极/漏极电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述辅助区域与所述漏极区域之间提供未掺杂半导体区域。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一导电率类型为p类型且所述第二导电率类型为n类型。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述提供所述半导体基极区域的步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型基极区域，且所述提供所述辅助层的步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型材料。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一导电率类型为n类型且所述第二导电率类型为P类型。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述提供所述半导体基极区域的步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的n类型基极区域，且所述提供所述辅助层的步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的n类型材料。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述提供所述半导体基极区域的步骤中包括在与所述发射极区域相邻的所述量子大小区域的一侧上提供第一基极区域部分且在与所述辅助区域相邻的所述量子大小区域的一侧上提供第二基极区域部分，且其中将所述第一基极区域部分提供为半导体材料，所述半导体材料具有比所述第二基极区域部分更高的带隙。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述提供展现量子大小效应的所述区域的步骤包括提供至少一个量子阱。
17.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括结合所述漏极区域提供隧道结。
18.一种用于从半导体结构产生光发射的方法，所述方法包括以下步骤: 提供晶体管，所述晶体管包含第一导电率类型的且具有相对长少数载流子扩散长度特性的半导体基极区域，所述半导体基极区域在与所述第一导电率类型的导电率类型相反的第二导电率类型的半导体发射极区域与所述第二导电率类型的半导体集电极区域之间； 在所述基极区域与所述集电极区域之间提供所述第一导电率类型的且具有相对短少数载流子扩散长度特性的半导体辅助区域； 在所述基极区域内提供展现量子大小效应的区域； 提供与所述发射极区域耦合的发射极电极、与所述基极区域耦合的基极电极及与所述集电极区域耦合的集电极电极；及 相对于所述发射极电极、基极电极及集电极电极而施加信号以从所述半导体结构获得光发射。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一导电率类型为n类型且所述第二导电率类型为n类型。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述提供所述半导体基极区域的步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型基极区域，且提供所述辅助层的所述步骤包括提供具有至少约IO1Vcm3的平均掺杂浓度的p类型材料。
21.一种半导体发光装置，其包括: 第一导电率类型的半导体有源区域，其含有量子大小区域且具有与第二导电率类型的半导体输入区域相邻的第一表面； 半导体输出区域，其包含与第二表面相邻的所述第一导电率类型的半导体辅助层，所述第二表面与所述有源区域的所述第一表面相对，所述辅助层包括具有所述第一导电率类型材料的少数载流子的扩散长度的半导体材料，所述扩散长度实质上比所述有源区域的所述半导体材料的少数载流子的所述扩散长度短； 借此，相对于所述有源区域及输入区域施加电位会从所述半导体结构的所述有源区域产生光发射。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述输出区域进一步包括与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体漏极区域。
23.根据权利要求21所述的装置，其中所述输出区域进一步包括与所述半导体辅助层相邻的所述第二导电率类型的半导体集电极区域。
全文摘要
本发明适于结合发光半导体结构使用，所述发光半导体结构包含第一导电率类型的半导体有源区域，所述半导体有源区域含有量子大小区域且具有与第二导电率类型的半导体输入区域相邻的第一表面，所述发光半导体结构在相对于有源区域及输入区域施加电位后即刻操作以从所述有源区域产生光发射。提供一种用于增强所述发光半导体结构的操作的方法，所述方法包括以下步骤提供半导体输出区域，所述半导体输出区域包含与第二表面相邻的第一导电率类型的半导体辅助层，所述第二表面与有源区域的第一表面相对；及将所述辅助层提供为半导体材料，所述半导体材料具有所述第一导电率类型材料的少数载流子的扩散长度，所述扩散长度实质上比所述有源区域的半导体材料的少数载流子的扩散长度短。
文档编号H01L29/737GK103119722SQ201180045546
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月20日 优先权日2010年9月21日
发明者加布里埃尔·沃尔特 申请人:量子电镀光学系统有限公司