包含二维空穴气体的紫外发光器件制造技术

在各种实施例中，发光器件包括分级层，在分级层的一个或两个端点处具有组分偏移，以促进二维载流子气体的形成和极化掺杂，从而增强器件性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含二维空穴气体的紫外发光器件相关申请本申请要求2015年9月17日提交的美国临时专利申请No.62/219,881和2015年10月5日提交的美国临时专利申请No.62/237,027的权益和优先权，其全部公开内容在此通过引用并入本文。
在各种实施例中，本专利技术涉及改善至基于氮化物的电子和光电子器件的载流子注入效率(例如，空穴注入效率)。
技术介绍
基于氮化物半导体系统的短波长紫外发光二极管(UVLED)(即，发射波长小于350nm的光的LED)的输出功率、效率和寿命由于有源区域的高缺陷水平仍然受到限制。这些限制在设计用于发射小于280nm的波长的器件中特别成问题(并且值得注意)。特别是在蓝宝石等异质衬底上形成的器件的情况下，虽然尽大量努力来降低缺陷密度，但缺陷密度仍然很高。这些高缺陷密度限制了在这种衬底上生长的器件的效率和可靠性。低缺陷结晶氮化铝(AlN)衬底的最近引入具有显著改善基于氮化物的光电子半导体器件的潜力，特别是那些具有高铝浓度的器件，这是由于在这些器件的有源区域中具有较低缺陷的益处。例如，与在其他衬底上形成的类似器件相比，已经证明在AlN衬底上假晶生长的UVLED具有更高的效率、更高的功率和更长的寿命。通常，这些假晶UVLED被安装用于以“倒装芯片”构造封装，其中在器件的有源区域中产生的光通过AlN衬底发射，而LED管芯具有接合到用于与LED芯片进行电接触和热接触的图案化基台的它们的前表面(即器件在接合之前在外延生长以及初始器件制造期间的顶表面)。一种良好的基台材料是多晶(陶瓷)AlN，因为具有与AlN芯片适配的相对较好的热膨胀性并且因为该材料具有高导热性。由于这种器件的有源器件区域可实现高结晶完整性，所以已经展示了超过60％的内部效率。不幸的是，这些器件中的光子提取效率通常仍然非常差，使用表面图案化技术可实现范围在约4％至约15％的光子提取效率—远低于许多可见光(或“可见”)LED所显示的光子提取效率。因此，目前这一代的短波长UVLED具有低的电光转换效率(WPE)，最多只有百分之几，其中WPE被定义为由二极管实现的可用光功率(在这种情况下，发射的UV光)与供给至器件的电功率的比率。可以通过采用电效率(ηel)、光子提取效率(ηex)、和内部效率(IE)的乘积来计算LED的WPE；即，WPE＝ηel×ηex×IE。IE本身是当前注入效率(ηinj)和内部量子效率(IQE)的乘积；即，IE＝ηinj×IQE。因此，即使在通过例如使用上文提到的AlN衬底作为器件的平台使内部晶体缺陷减少而改善了IE之后，低的ηex也会有害地影响WPE。存在几种导致低光子提取效率的可能因素。例如，目前可用的AlN衬底通常在UV波长范围内(甚至在比AlN中的带边缘更长的波长(其大约为210nm)处)具有一些吸收。这种吸收倾向于导致在器件的有源区域中产生的一些UV光被吸收在衬底中，从而减少从衬底表面发射的光的量。然而，可以如美国专利No.8,080,833(“'833专利”，其全部公开内容通过引用并入本文)所述通过减薄AlN和/或如美国专利No.8,012,257(其全部公开内容通过引用并入本文)所述通过减少AlN衬底中的吸收来减轻该损失机制。另外，由于大约50％的所产生的光子指向p触点(其通常包括光子吸收p-GaN)，所以UVLED通常受到损害。即使光子指向AlN表面，由于AlN的折射率大，因此通常只有约9.4％从未处理的表面逸出，这导致小的逃逸锥。这些损失是倍增的，并且平均光子提取效率可能非常低。正如Grandusky等人最近发表的文章(JamesR.Grandusky等，2013Appl.Phys.Express,Vol.6,No.3,032101，以下称为“Grandusky2013”，其全部公开内容通过引用并入本文)所展示的那样，可以通过将无机(通常为刚性)透镜经由密封剂薄层(例如，有机的、抗UV的密封化合物)直接附接到LED管芯而在AlN衬底上生长的假晶UVLED中将光子提取效率增加到大约15％。2012年7月19日提交的序列号为13/553,093的美国专利申请(“'093申请”，其全部公开内容通过引用并入本文)中也详细描述的这种封装方法增加了通过半导体管芯的顶表面的全内反射的临界角，这显著提高了UVLED的光子提取效率。另外，如上所述，如'833专利中所述，通过使AlN衬底减薄和通过使AlN衬底表面粗糙化，可以增加光子提取效率。另外，在2014年3月13日提交的序列号为14/208,089的美国专利申请和2014年3月13日提交的序列号为14/208,379的美国专利申请中已经详细描述了用于改善接触冶金和平面性的技术，两个专利申请的全部内容通过引用并入本文。这种技术改善了在AlN衬底上制造的UVLED的器件性能。然而，这些申请中详述的器件的载流子注入效率、载流子扩展以及由此其它特性(例如WPE)可能不太理想。因此，需要用于UV发光器件的优化的外延器件结构，其进一步优化器件效率。
技术实现思路
在本专利技术的各种实施例中，氮化物发光器件结构的特征在于用于与金属触点形成电接触的掺杂(例如，p掺杂)盖层以及用于经由压电极化产生载流子(例如，空穴)的设置在盖层下面的分级层。令人惊奇的是，发光器件的性能通过包括在分级层的一端或两端(即顶部和/或底部)相对于设置在分级层下面的层(例如电子阻挡层)和/或相对于分级层上面的盖层的组分不连续性(或“偏移”)来改善。常规地，这种组分偏移以及分级层与与其相关的分级层之上和/或之下的层之间的增加的晶格失配，可预期增加发光器件中的缺陷密度并且因此有害地影响这种器件的效率和性能。根据本专利技术的实施例，每个组分偏移可导致在其附近形成二维空穴气体，这改善了垂直(即基本上垂直于器件的表面)载流子注入效率和/或在器件内扩散的水平(即，在与层的平面和它们之间的界面平行的平面中)电流，由此增强器件性能。以这种方式，与缺少这种分级层和组分偏移的器件相比，发光器件的发光效率得到改善。术语二维空穴气体(2DHG)在本文中用于指作为距器件表面的距离(z)的函数的半导体器件结构中的界面附近的空穴浓度的局部增强。(同样，术语二维电子气体(2DEG)是电子的等同结构；术语二维载流子气体可以用于指2DHG或2DEG。)根据本专利技术的实施例，2DHG的形成至少部分归因于器件结构中的突然组分变化，诸如Al1-xGaxN合金的生长期间Al浓度的突然变化。2DHG中空穴浓度的提高分布在特定距离Δz(例如，约0.5nm至约15nm，或约0.5nm至约10nm，或约1nm至约10nm的距离)上。如果Δz足够小，那么可以在z方向上看到允许的空穴波函数中的量化。然而，根据本专利技术的实施例，波函数的这种量化对于效率的提高可能不是必需的。2DHG中空穴浓度的提高与Δz以及组分偏移有关。在各种实施例中，可以通过使Δz小于10nm并且在一些实施例中小于3nm来增进该提高。通过调节偏移并调整分级层(例如分级的形状和/或分级率)以控制Δz，Δz可以小于1nm。在各种实施例中，分级层的等级(即，组分梯度)可以是例如线性的、次线性的或超线性的。相关地，本专利技术的实施例还可以利用极化掺杂来实现比仅通过使用常规杂质掺杂可以实现的载流子(例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紫外(UV)发光器件，包括：具有AluGa1‑uN顶表面的衬底，其中0.4≤u≤1.0；设置在所述衬底上方的有源发光器件结构，所述器件结构包括多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期，每个周期包括应变AlxGa1‑xN势垒和应变AlyGa1‑yN量子阱，x和y相差有助于限制所述多量子阱层中的电荷载流子的量；设置在所述多量子阱层上方的电子阻挡层，所述电子阻挡层包含AlvGa1‑vN，其中v>y且v>x；设置在所述电子阻挡层上方的分级AlzGa1‑zN层，所述分级层的组分以Al浓度z分级，以使得所述Al浓度z在远离所述发光器件结构的方向上减小；设置在所述分级层上方的p掺杂AlwGa1‑wN盖层，其中0≤w≤0.2；以及设置在所述AlwGa1‑wN盖层上方并包含至少一种金属的金属触点，其中(i)在所述分级层和所述电子阻挡层之间的界面处，所述分级层的Al浓度z比所述电子阻挡层的Al浓度v少不小于0.1且不大于0.55的量，以及(ii)在所述分级层和所述盖层之间的界面处，所述盖层的Al浓度w比所述分级层的Al浓度z少不小于0.1且不大于0.75的量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.17 US 62/219881;2015.10.05 US 62/2370271.一种紫外(UV)发光器件，包括：具有AluGa1-uN顶表面的衬底，其中0.4≤u≤1.0；设置在所述衬底上方的有源发光器件结构，所述器件结构包括多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期，每个周期包括应变AlxGa1-xN势垒和应变AlyGa1-yN量子阱，x和y相差有助于限制所述多量子阱层中的电荷载流子的量；设置在所述多量子阱层上方的电子阻挡层，所述电子阻挡层包含AlvGa1-vN，其中v>y且v>x；设置在所述电子阻挡层上方的分级AlzGa1-zN层，所述分级层的组分以Al浓度z分级，以使得所述Al浓度z在远离所述发光器件结构的方向上减小；设置在所述分级层上方的p掺杂AlwGa1-wN盖层，其中0≤w≤0.2；以及设置在所述AlwGa1-wN盖层上方并包含至少一种金属的金属触点，其中(i)在所述分级层和所述电子阻挡层之间的界面处，所述分级层的Al浓度z比所述电子阻挡层的Al浓度v少不小于0.1且不大于0.55的量，以及(ii)在所述分级层和所述盖层之间的界面处，所述盖层的Al浓度w比所述分级层的Al浓度z少不小于0.1且不大于0.75的量。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述分级层是未掺杂的。3.根据权利要求1所述的器件，其中所述盖层的Al浓度w近似为0。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述衬底包括掺杂或未掺杂的AlN。5.根据权利要求1所述的器件，其中所述发光器件包括发光二极管。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述盖层的厚度不小于1nm并且不大于20nm。7.根据权利要求1所述的器件，还包括设置在所述衬底和所述多量子阱层之间的n掺杂AlnGa1-nN底部接触层，其中y<n<x。8.根据权利要求1所述的器件，还包括设置在所述盖层的至少一部分上方的反射层，所述反射对由所述发光器件结构发射的光的反射率大于对由所述金属触点的所述发光器件结构发射的光的反射率。9.根据权利要求8所述的器件，其中所述反射层包含Al。10.根据权利要求8所述的器件，还包括设置在所述反射层的至少一部分与所述盖层之间的透射层，所述透射层对由所述发光结构发射的光的透射率大于对由所述金属触点的发光结构发射的光的透射率。11.根据权利要求10所述的器件，其中所述透射层包括氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化镓中的至少一种。12.一种紫外(UV)发光器件，包括：具有AluGa1-uN顶表面的衬底，其中0.4≤u≤1.0；设置在所述衬底上方的有源发光器件结构，所述器件结构包括多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期，每个周期包括应变AlxGa1-xN势垒和应变AlyGa1-yN量子阱，x和y相差有助于限制所述多量子阱层中的电荷载流子的量；设置在所述多量子阱层上方的电子阻挡层，所述电子阻挡层包含AlvGa1-vN，其中v>y且v>x；设置在所述电子阻挡层上方的分级AlzGa1-zN层，所述分级层的组分以Al浓度z分级，以使得所述Al浓度z在远离所述发光器件结构的方向上减小；设置在所述分级层上方的p掺杂AlwGa1-wN盖层，其中0≤w≤0.2；以及设置在所述AlwGa1-wN盖层上方并包含至少一种金属的金属触点，其中在所述分级层和所述电子阻挡层之间的界面处，所述分级层的Al浓度z比所述电子阻挡层的Al浓度v少不小于0.1且不大于0.55的量。13.根据权利要求12所述的器件，其中所述分级层是未掺杂的。14.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷格·莫，J·R·格兰达斯基，S·R·吉布，L·J·斯高沃特，佐藤恒輔，森下朋浩，
申请(专利权)人：晶体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US