提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该发光器件包括：作为空穴注入体的隧穿异质结；n型接触部；和设置在隧穿异质结和n型接触部之间的发光活性区。该隧穿异质结有助于在偏压下的带间隧穿空穴注入，由此p型III族氮化物半导体的价带中的电子直接隧穿到n型掺杂半导体的导带中，从而在p型III族氮化物中产生空穴。从而在p型III族氮化物中产生空穴。从而在p型III族氮化物中产生空穴。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氮化物基发光器件中的空穴注入的异质隧穿结
[0001]关于政府权利
[0002]本专利技术是利用DOD/DARPA授予的HR0011-15-2-0002下的政府支持做出的。政府拥有本专利技术中的某些权益。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2018年4月5日提交的美国专利申请号15/945,947的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术介绍
[0005]蓝色发光二极管(LED)是现代的节能环保照明的关键，并已允许开发一系列前沿应用，例如节能屏幕、蓝光刻录机用激光以及激光打印机。LED的每流明成本在过去十年中迅速下降。但是，在进一步提高它们的发光效率和功率输出的努力中，研究人员遇到了“效率骤降”的难以捉摸的问题，即，效率随着注入电流密度的增加而降低，这严重阻碍了每流明成本的降低。非辐射俄歇复合过程和电子溢流已被确确定是效率下降的主要来源。俄歇复合和电子泄漏均与量子阱(QW)内的载流子分布密切相关，因为俄歇复合速率取决于n2p(n>>p，这是蓝色LED中的情形，其中n和p分别是电子和空穴的浓度)，并且由于载流子不平衡和QW内复合不足因而发生电子。
[0006]将该问题回溯到材料生长方法和器件外延层设计时，发现两个因素是造成QW中载流子限制无效和空穴浓度不足的主要原因。一个因素是III-氮化物半导体因其纤锌矿晶体结构而沿c向的固有的强烈极化诱发内部电场。QW内的相关电子-空穴波函数空间失配可能导致辐射复合率降低。另一个因素是由于Mg掺杂挑战导致空穴向活性区中的注入不良，以及p-GaN和AlGaN电子阻挡层(EBL)中的空穴迁移率低。因此，为了缓解该骤降效果，研究人员采取了两条主要途径：在QW内的极化作用抑制；以及向活性区的空穴注入增强。关于极化场工程设计，采用的方法包括半极性或n极性GaN和量子势垒/阱结构组合操纵。然而，与常规的c平面LED结构相比，这些半极性或n极性平面晶片的生长以及随后的制造工艺带来了相当大的复杂性。关于空穴注入问题，提出的方法包括在QW中进行掺杂和厚度工程设计，空穴储库的插入，以及EBL的设计。尽管这些方法已通过百分比显示出缓解的骤降效果，但是p-GaN或p-AlGaN的掺杂限制仍然是实现高效率的根本障碍。已经存在关于使用n+/p+GaN同质结或p+GaN/InGaN/n+-GaN极化结作为空穴隧穿供应层的报道。这些结提供增加的载流子注入效率以及因此增强的光学性能。然而，由于铟含量的大变化，这种方法使晶体材料的生长过程复杂化，并且需要对重度掺杂的p+和n+GaN层进行严格的掺杂控制。
[0007]专利技术概述
[0008]提供具有多量子阱pin二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该发光器件包括：作为空穴注入体的隧穿异质结；n型接触部；和设置在隧穿异质结和n型接触部之间的发光活性区。
[0009]发光器件的一个实施方案包括异质结，该异质结包括：空穴注入层，其包含单晶或多晶n型掺杂的半导体材料，其中该单晶或多晶n型掺杂的半导体材料不是III族氮化物半
导体材料；和包含p型掺杂的III族氮化物的p型层。该器件还包括n型接触部和活性区，该活性区包含设置在异质结的p型层和n型接触部之间的本征半导体材料。该活性区包括多量子阱结构，该多量子阱结构包含交替的III-V族氮化物势垒层和III-V族氮化物量子阱层。
[0010]该发光器件的一些实施方案还包括设置在空穴注入层与p型层之间的量子隧道层，该量子隧道层包含无机材料，该无机材料的带隙比n型掺杂的半导体材料和p型掺杂的III族氮化物的带隙更宽。
[0011]在发光器件的一些实施方案中，p型III族氮化物是p型GaN，并且在发光器件的一些实施方案中，n型掺杂的半导体材料包含n型掺杂的IV族半导体，例如n型掺杂的硅。
[0012]通过阅读以下附图、详细描述和所附权利要求，本专利技术的其它主要特征和优点对于本领域技术人员将变得清楚。
[0013]附图简述
[0014]在下文中将参考附图描述本专利技术的说明性实施方案，其中相同的标号表示相同的元件。
[0015]图1A是具有n+Si/GaN空穴注入隧穿结的LED的示意图。图1B是常规LED结构的示意图。图1C示出了图1A中的LED的能带结构。图1D示出了图1B中的LED的能带结构。以箭头表示跨量子阱的电子和空穴电流。在Si和GaN之间形成的隧穿异质结被遮蔽。
[0016]图2示出了具有Si NM空穴注入体的LED的制造工艺流程。图幅(a)是通过ALD沉积有0.5nm Al2O3的InGaN/GaN晶片的示意图。图幅(b)是在Si NM转移、随后退火之后的结构的截面图。图幅(c)是转移后晶片表面的显微镜图像。图幅(d)是截面图。图幅(e)是在阴极台面刻蚀和欧姆金属接触形成之后的器件的显微镜图像。图幅(f)是截面图。图幅(g)是阳极金属沉积和分离后的显微镜图像。图幅(h)是具有SiO2平坦化和金属互连的最终结构。
[0017]图3A示出了具有0.1至50A/cm2的电流密度的参比LED的测量电致发光(EL)光谱。图3B示出了具有n+Si/GaN结且电流密度为0.1至50A/cm2的LED的测量EL。
[0018]图4A示出了参比LED和具有Si/GaN异质结的LED的电压对电流密度的关系。图4B示出了光输出功率。图4C描绘了外部量子效率(EQE)。根据0.1至50A/cm2的电流密度进行测量。
[0019]图5A示出了对于参比LED和具有n
+-Si NM/p-GaN结的LED的跨LED结构的空穴浓度的电模拟。图5B示出了QW内的空穴浓度的放大图。图5C的坐标图示出了参比LED和具有n
+-Si NM/p-GaN结的LED的电子电流泄漏。
[0020]图6A的示意图显示了包括n
+-Si/p-GaN结的LED的截面图。图6B示出在正向偏压(100mA/cm2)下的LED结构的相关能带排列。
[0021]图7A示出跨n-Si/p-GaN/MQWs/n-AlGaN结构在热平衡下的能带排列，其中示出了费米能级。图7B是在100mA/cm2的电流注入下UV LED结构内的载流子分布的图。
[0022]图8示出在n-Si/p-GaN异质结中沿着跨结距离的隧穿率。
[0023]图9A描绘了LED器件的模拟电流-电压特性。图9B示出了该器件的测量电流-电压曲线。图9C示出了对于具有n+Si/p-GaN结的LED器件测量的EL光谱。
[0024]专利技术详述
[0025]提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该发光器件包括：作为空穴注入体的隧穿异质结；n型接触部；和设置在隧穿异质结和n
型接触部之间的发光活性区。
[0026]该发光器件的隧穿异质结由以下构成：包含重度n型掺杂的非III族氮化物半导体的空穴注入层和包含重度p型掺杂的III族氮化物半导体(例如p型掺杂的GaN本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种发光器件，包含：异质结，其包含：空穴注入层，所述空穴注入层包含单晶或多晶n型掺杂的半导体材料，其中所述单晶或多晶n型掺杂的半导体材料不是III族氮化物半导体材料；和包含p型掺杂的III族氮化物的p型层；n型接触部；和活性区，其包含设置在p型层和n型接触部之间的本征半导体材料，所述活性区包含多量子阱结构，所述多量子阱结构包含交替的III-V族氮化物势垒层和III-V族氮化物量子阱层。2.根据权利要求1所述的器件，还包含设置在所述空穴注入层与所述p型层之间的量子隧道层，所述量子隧道层包含无机材料，该无机材料的带隙比所述n型掺杂的半导体材料和p型掺杂的III族氮化物的带隙更宽，其中量子隧道层与空穴注入层之间的界面以及量子隧道层与p型层之间的界面不具有外延结构。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述无机材料是氧化物，该氧化物不是所述n型掺杂的半导体材料的自然氧化物或所述p型III族氮化物的自然氧化物。4.根据权利要求3所述的器件，其中所述无机材料是氧化铝或氧化铪。5.根据权利要求1所述的器件，其中所述p型III族氮化物是p型GaN。6.根据权利要求5所述的器件，其中所述n型掺杂的半导体材料包括n型掺杂的IV族半导体。7.根据权利要求6...
【专利技术属性】
技术研发人员：Z，
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：
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