隧道结的p-型层的激活

1.本发明涉及制造具有通过金属有机化学气相沉积(mocvd)生长的外延隧道结(junction)的微尺寸发光二极管(μled)的方法。2.相关技术的描述(注：本申请引用了许多不同的出版物，如贯穿说明书通过中括号(bracket)中的一个或多个参考号例如[x]所示。根据这些参考号排序的这些不同出版物的列表可在下文标题为“参考文献”的部分中找到。这些出版物中的每一个均通过引用并入本文中。)当前商用的iii-氮化物发光二极管(led)和激光二极管(ld)利用n-型区域、产生光的有源区域(active region，活性区域)和p-型区域以形成二极管。发射波长涵盖从紫外线波长到红、且甚至红外线红(infrared red)。然而，p-型氮化镓(p-gan)难以电接触，并且具有低的空穴浓度和迁移率。这意味着p-gan不能被用作电流扩展层，并且传统的p-接触将给装置增加显著的电压。尽管这些固有问题，但所有的商业发光装置都利用传统的p-接触以及除p-gan以外的材料用于电流扩展，所述材料通常包括透明的导电氧化物，例如铟锡氧化物(ito)。p-gan顶部上的低电阻隧道结(tj)将允许在装置两侧上的n-型gan(n-gan)中的电流扩展，以及在所述装置的两侧上使用低电阻n-型接触。隧道结是包括非常高度掺杂的(n+/p+)界面的二极管，所述界面允许电子在价带和导带之间隧穿。这是由esaki[1]在高度掺杂的、具有非常薄的耗尽区域(depletion region)的锗(ge)同质结中首次证明的。然而，gan是宽带隙半导体，因此用于隧穿的势垒(barrier，屏障)是高的。已经尝试了多种减少隧穿势垒的方法，包括用氮化铝(aln)夹层经由极化进行的带隙工程[2]、用氮化铟镓(ingan)夹层减少带隙[3]、和经由界面gan纳米颗粒引入缺陷态[4]。然而，所有这些方法都与电压或电阻增加方面的损耗或最终装置性能的光损耗相关。在另一实例中，通过mocvd生长的镁(mg)掺杂的p-gan在生长时通过氢补偿，并且它在生长后必须退火以除去所述氢。这种退火只有在p-gan没有被n-gan覆盖时才能起作用，因为氢不能容易地扩散通过n-gan。[5]这限制了隧道结的有效性，并阻碍了它们的广泛使用。在另一实例中，发光装置可通过如下制造：首先通过mocvd生长n-型、有源和p-型区域，且然后通过其它沉积技术例如分子束外延(mbe)在所述装置上方沉积n-型隧道结。该方法允许所述p-型区域保持导电，从而形成隧道结。然而，该方法需要两种单独的沉积技术。这两种技术增加了制造的复杂性和成本。另外，基于iii-氮化物的μled(其为具有小于10 000μm2的装置面积的led)是下一代显示器应用(包括近眼显示器和平视显示器)的有前景的候选者。与标准led相比，μled的特征在于它们的尺寸小，通常小于10 000μm2。使用具有隧道结的iii-氮化物μled装置使得可实现级联具有不同发射颜色如蓝色、绿色和红色的μled。该技术将使得可将蓝色、绿色和红色μled集成在一个装置中。然而，与如上所述的常规led相比，并入隧道结层的led表现出高的操作电压。此外，通过mocvd的隧道结μled的正向电压对装置尺寸非常敏感，这极大阻碍了商业化。因此，本领域中需要用于改善iii-氮化物装置的性能的结构。本发明满足了这一需要。

背景技术：

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的局限性，本发明公开制造具有外延隧道结的μled的方法，所述外延隧道结包括使用mocvd生长并具有低的正向电压的p+gan、inxalygazn插入层和n+gan层。所述inxalygazn插入层具有比gan更低的带隙以减小耗尽宽度和增加隧穿概率。

2、在mocvd反应器中生长p+gan层之后，将样品从反应器中取出。将所述样品用溶剂处理干净，并用化学处理以除去氧。然后，将所述样品加载到反应器中，用于inxalygazn插入层和n+gan层的后续生长，以形成隧道结。特征的图案(patterns，模式)导致在所述n+gan和n-gan层或侧壁中的接入点(access point)(包括孔(hole)或通孔(via))以暴露p+型层，提供所述p+型层的激活。

3、使用这种方法，制造具有从100至10 000μm2变化的尺寸的隧道结μled。发现，带有具有inxalygazn插入层的隧道结的μled在20a/cm2下具有约3.08至3.3v的非常稳定且均匀的正向电压。隧道结μled的这种低的正向电压对于各种应用是非常重要的。

4、此外，隧道结μled提供多种优点，例如简单的制造工艺、更好的电流扩展和更高的输出功率。还有，隧道结μled使得可实现级联μled，集成有不同的发射颜色如蓝色、绿色和红色。

技术特征：

1.方法，该方法包括：

2.权利要求1所述的方法，其中所述p-型iii-氮化物层和所述n-型iii-氮化物隧道结层包括gan，并且所述inxalygazn插入层具有比所述gan更低的能量带隙。

3.权利要求1所述的方法，其中通过金属有机化学气相沉积(mocvd)生长所述inxalygazn插入层和所述n-型iii-氮化物隧道结层。

4.权利要求1所述的方法，其中所述inxalygazn插入层为n-型掺杂的，具有>1x 1019cm-3的供体浓度。

5.权利要求4所述的方法，其中所述供体为硅(si)或锗(ge)。

6.权利要求1所述的方法，其中所述inxalygazn插入层为p-型掺杂的，具有>1x 1019cm-3的供体浓度。

7.权利要求6所述的方法，其中所述供体为镁(mg)或锌(zn)。

8.权利要求1所述的方法，其中通过使氢通过所述n-型iii-氮化物隧道结层中的接入点或通过台面的侧壁除去来激活所述p-型iii-氮化物层。

9.权利要求8所述的方法，其中通过热退火来激活所述p-型iii-氮化物层。

10.权利要求8所述的方法，其中使用选择性区域生长(sag)或外延横向过度生长(elog)来制备所述n-型iii-氮化物隧道结层中的接入点。

11.权利要求8所述的方法，其中使用电感耦合等离子体(icp)或反应性离子蚀刻(rie)来暴露所述台面的侧壁以接入所述p-型iii-氮化物层。

12.权利要求1所述的方法，其中所述iii-氮化物led结构包括具有小于10 000μm2的面积的微led。

13.权利要求12所述的方法，其中所述iii-氮化物led结构在20a/cm2的电流密度下具有小于3.45v的正向电压。

14.权利要求1所述的方法，其中所述n-型iii-氮化物隧道结层为含有一些铟的n-型gan层。

15.权利要求1所述的方法，其中所述p-型iii-氮化物层为含有一些铟的p-型gan层。

16.装置，该装置包括：

17.装置，该装置包括：

18.装置，该装置包括：

19.权利要求18所述的装置，其中所述微尺寸iii-氮化物led具有范围为25至10 000μm2的尺寸。

20.权利要求18所述的装置，其中所述微尺寸iii-氮化物led在20acm-2下具有与尺寸无关的正向电压，所述正向电压稳定且均匀，约3.08v至3.3v。

技术总结
制造具有使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的外延隧道结的微尺寸III‑氮化物发光二极管(μLED)的方法，所述外延隧道结包括p+GaN层、In<subgt;x</subgt;Al<subgt;y</subgt;Ga<subgt;z</subgt;N插入层和n+GaN层，其中μLED具有低的正向电压。所述In<subgt;x</subgt;Al<subgt;y</subgt;Ga<subgt;z</subgt;N插入层具有比所述GaN层更小的能量带隙，这减小了所述隧道结的耗尽宽度并增加了隧穿概率。所述μLED用从25至10000μm<supgt;2</supgt;变化的尺寸制造。发现，所述In<subgt;x</subgt;Al<subgt;y</subgt;Ga<subgt;z</subgt;N插入层可将在20A/cm<supgt;2</supgt;下的正向电压减少至少0.6V。具有n‑型和p‑型In<subgt;x</subgt;Al<subgt;y</subgt;Ga<subgt;z</subgt;N插入层的隧道结μLED在20A/cm<supgt;2</supgt;下具有非常稳定的低的正向电压。在小于1600μm<supgt;2</supgt;的尺寸下，所述低的正向电压为小于3.2V。

技术研发人员：P·李,H·李,M·伊扎,S·纳卡穆拉,S·P·丹巴斯
受保护的技术使用者：加利福尼亚大学董事会
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12