混合式异质结构发光装置制造方法及图纸

提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光装置以及制作和使用该装置的方法。该装置由多层半导体异质结构构成。该装置包括材料的一个或多个界面层，该材料允许电流隧穿通过在本征活性区与p‑型和/或n‑型掺杂的电荷注入层之间界面处的晶格失配的异质结。

Hybrid heterostructure light-emitting device

A light emitting device having a multiple quantum well (MQW) pin diode structure, and a method of making and using the device are provided. The device consists of a multilayer semiconductor heterostructure. The device comprises a material one or more interface layer, the material allows current tunneling through the active region and the P CHARGE syndrome type and / or N doped in the injection at the interface layer between the lattice mismatched heterostructures.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合式异质结构发光装置相关申请的交叉引用本申请要求2014年10月6日提交的美国专利申请No.14/506,975的优先权，通过引用将其全部内容并入此文。涉及政府权利本专利技术在由USAF/AFOSR授予的FA9550-09-1-0482的政府支助下做出。政府拥有本专利技术中的某些权利。背景常规地，使用外延生长的异质结构来产生某些发光装置，其包括pin二极管(pindiode)，该pin二极管在它们的活性区中具有多量子阱结构。对于由III-V族半导体材料(例如GaN)制造的装置而言，在空穴注入层的p-型半导体中最高的可实现的掺杂浓度的限制限制了空穴注入效率并且因此限制了该装置的内部量子效率。另外，在p-型掺杂的III-V半导体材料中空穴的低移动性导致需要高偏压来操作该装置。这些问题对于用于蓝光产生和UV光产生的基于氮化物半导体的装置是特别严重的，因为在p-型掺杂的基于GaN的半导体中活化的p-型掺杂剂的空穴移动性和浓度趋向为特别低。概述提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光装置和制作和使用该装置的方法。发光装置的一个实施方案包含：包含单晶p-型掺杂的半导体材料的空穴注入层；包含单晶n-型掺杂的半导体材料的电子注入层；设置在该空穴注入层和该电子注入层之间的包含本征半导体材料的发光活性区，该发光活性区包含含有交替的势垒层和量子阱层的多量子阱结构；和设置在该空穴注入层和该发光活性区之间并与二者接触或者设置在该电子注入层和该发光活性区之间并与二者接触的电流隧穿层。该电流隧穿层包含具有比与其接触的本征半导体材料和掺杂的半导体材料的带隙更宽的带隙的无机材料。该电流隧穿层与该掺杂的半导体材料之间的界面和该电流隧穿层与该本征半导体材料之间的界面不具有外延结构。制作发光装置的方法的一个实施方案包括提供多层半导体异质结构，其包含：包含单晶n-型掺杂的半导体材料的电子注入层；和在该电子注入层上的包含本征半导体材料的发光活性区，该发光活性区包含含有交替的势垒层和量子阱层的多量子阱结构。然后，将电流隧穿层沉积在该发光活性区上；将包含单晶p-型掺杂的半导体材料的空穴注入层转移至该电流隧穿层上；和将该空穴注入层接合至该电流隧穿层。该电流隧穿层包含具有比与其接触的本征半导体材料和p-型掺杂的半导体材料的带隙更宽的带隙的无机材料。该电流隧穿层与该p-型掺杂的半导体材料之间的界面和该电流隧穿层与该本征半导体材料之间的界面不具有外延结构。可使用薄膜脱离和转移方法或通过晶片接合然后薄膜分离(cleavage)来进行该空穴注入层至该电流隧穿层的转移和接合。在查阅下列附图、详细描述和所附的权利要求时本专利技术的其他主要特征和优势对本领域技术人员而言将变得明显。附图简要说明此后将参考附图来描述本专利技术的说明性实施方案，其中相似的数字表示相似的元件。图1是发光二极管的示意图。图2是边缘发射(edge-emitting)激光器的示意图。图3是包括下分布布拉格反射器和上分布布拉格反射器的垂直腔表面发射激光器的示意图。图4是包括下光子晶体反射器和上光子晶体反射器的垂直腔表面发射激光器的示意图。图5是显示用于制作图1中所示类型的发光二极管的转移和接合方法的加工步骤的示意图。图6是显示使用薄膜脱离和转移方法的用于将单晶掺杂的半导体层转移至异质结构的电流隧穿层上的方法的示意图。图7是显示使用晶片接合和分离方法的用于将单晶掺杂的半导体层转移至异质结构的电流隧穿层上的方法的示意图。图8是显示用于制作包括两个电流隧穿层的pin二极管异质结的转移和接合方法的加工步骤的示意图。详细描述提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光装置和制作和使用该装置的方法。使用薄膜转移和接合工艺或界面接合工艺与引入一个或多个界面电流隧穿层组合以产生高性能发光装置从而制造该装置，其中可独立于本征活性区的本征半导体材料来选择该pin异质结的p-型层和n-型层的掺杂的半导体材料。该装置由多层半导体异质结构构成，其中在本征活性区与p-型和/或n-型掺杂的电荷注入层之间的界面处提供使电流隧穿通过晶格失配的异质结的材料层。使用此设计，可将许多材料放在一起以形成混合式异质结构而不管它们的晶格失配和/或热失配。因为该转移和接合工艺不依赖于外延生长或晶片接合，所以该电荷注入层中的材料不需要与该活性区的半导体材料是晶格匹配的。另外，与晶片接合技术不同，该转移和接合工艺和该界面晶片接合工艺需要用于接合的原子级光滑的表面并且可承受对于在异质结中掺杂的和未掺杂的半导体材料而言热膨胀系数的相对大的差异。最后，因为该p-型和/或n-型掺杂的注入层通过电流隧穿层与本征活性区物理地隔开，所以避免材料之间的化学反应并且可使材料的表面钝化。结果是，可用比由外延生长或晶片接合技术制作的那些半导体材料更宽范围的半导体材料来制造该发光装置。发光装置的pin二极管包含：空穴注入层，该空穴注入层包含单晶p-型掺杂的半导体材料，例如p-型掺杂的窄带隙IV族半导体或窄带隙III-V族半导体；电子注入层，该电子注入层包含单晶n-型掺杂的半导体材料；和设置在该空穴注入层和电子注入层之间的发光活性区。将电流隧穿层设置在电荷注入层的一个或两个和本征活性区之间。该本征活性区包括MQW结构，该MQW结构包含由不同半导体材料制成的交替的势垒层和量子阱层。在该MQW结构中，凭借夹在其他半导体“势垒”材料层之间的一种半导体“阱”材料的薄层中的量子限制来限制载流子。该活性区还可包含下间隔层和上间隔层，在其间设置该MQW结构。使用间隔层来增加本征活性区的厚度并且因为它们形成部分该本征活性区，所以它们包含未掺杂的单晶半导体材料。在该活性区中包括间隔层的装置的实施方案中，该电流隧穿层将设置在间隔层与其相邻的电荷注入层之间并与二者接触。在缺少间隔层的情况下，该电流隧穿层将与该MQW结构的最外部的势垒层邻近并接触。该势垒层、量子阱层和间隔层可包含III-V族或II-VI族半导体材料。该电流隧穿层由无机材料形成，该无机材料具有比与其接触的活性区的本征半导体材料的带隙和电荷注入层的掺杂的半导体材料的带隙更宽的带隙。在此结构中，该单晶p-型或n-型掺杂的半导体材料具有与该本征半导体材料不同的化学组成和不同的晶格常数。如这里使用的术语“电流隧穿层”是指特征为以下的层：其由适当的材料制成并且是足够薄的能够充当对于电子和/或空穴的隧穿层。即与典型的电介质不同，该电流隧穿层允许电子和空穴两者凭借量子隧穿从其中通过(从单晶半导体材料的第一层至第二层)。从而，因为金属将阻碍空穴的通道，所以金属不是用于电流隧穿层的合适材料。然而，宽范围的非金属无机材料可满足这些标准。该电流隧穿层的无机材料可为将以其块体形式充当电介质的材料，但是该材料足够薄使得其不再充当电绝缘体。该电流隧穿层提供在单晶半导体材料层之间的一种“胶”。它能够符合半导体材料层的表面形貌而不在界面处引入空隙。另外，该电流隧穿层可防止来自相邻的单晶半导体材料层的半导体材料的相互扩散。这避免单晶半导体层之间不想要的介于中间的交叉污染的半导体界面层的形成。由这种无机材料层提供的其他优势是它可使与其接触的半导体材料层的表面钝化，使得将悬空键和界面态最小化或消除。此性质是有用的，因为当直接接合两种非晶格匹配的单晶材料时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光装置，其包含：包含单晶p‑型掺杂的半导体材料的空穴注入层；包含单晶n‑型掺杂的半导体材料的电子注入层；设置在该空穴注入层和该电子注入层之间的包含本征半导体材料的发光活性区，该发光活性区包含含有交替的势垒层和量子阱层组成的多量子阱结构；和设置在该空穴注入层和该发光活性区之间并且与二者接触或者设置在该电子注入层和该发光活性区之间并且与二者接触的电流隧穿层，该电流隧穿层包含具有比与其接触的本征半导体材料和掺杂的半导体材料的带隙更宽的带隙的无机材料；其中该电流隧穿层与掺杂的半导体材料之间的界面和该电流隧穿层与该本征半导体材料之间的界面不具有外延结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.06 US 14/506,9751.一种发光装置，其包含：包含单晶p-型掺杂的半导体材料的空穴注入层；包含单晶n-型掺杂的半导体材料的电子注入层；设置在该空穴注入层和该电子注入层之间的包含本征半导体材料的发光活性区，该发光活性区包含含有交替的势垒层和量子阱层组成的多量子阱结构；和设置在该空穴注入层和该发光活性区之间并且与二者接触或者设置在该电子注入层和该发光活性区之间并且与二者接触的电流隧穿层，该电流隧穿层包含具有比与其接触的本征半导体材料和掺杂的半导体材料的带隙更宽的带隙的无机材料；其中该电流隧穿层与掺杂的半导体材料之间的界面和该电流隧穿层与该本征半导体材料之间的界面不具有外延结构。2.权利要求1的装置，其中该无机材料是氧化物，该氧化物不是与其接触的本征半导体材料的自然氧化物或掺杂的半导体材料的自然氧化物。3.权利要求2的装置，其中该无机材料是氧化铝。4.权利要求1的装置，其中该无机材料是氮化物。5.权利要求1的装置，其中该电流隧穿层设置在该空穴注入层和该发光活性区之间并与二者接触。6.权利要求5的装置，其中该p-型掺杂的半导体材料是p-型IV族半导体或III-V族半导体。7.权利要求6的装置，其中该p-型IV族半导体是p-型硅。8.权利要求7的装置，其中该电流隧穿层是氧化铝层。9.权利要求6的装置，其中该p-型IV族半导体是p-型锗。10.权利要求9的装置，其中该电流隧穿层是氧化铝层。11.权利要求6的装置，其中该本征半导体材料是III-V族半导体材料。12.权利要求1的装置，其中该势垒层是AlN层并且该量子阱层是AlGaN层。13.权利要求1的装置，其中该势垒层是InP层并且该量子阱层是InGaAs层。14.权利要求1的装置，其中该势垒层是GaN层并且该量子阱层是InGaN层。15.权...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·马，JH·徐，
申请(专利权)人：威斯康星州男校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US