专利名称：高注入效率极性和非极性iii族氮化物光发射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及极性和非极性III族氮化物(ΙΙΙ-nitride)光发射器(S卩，发光二极管和激光二极管)的注入效率。
背景技术：
对III族氮化物光发射器中发展的非极性技术的期待是非常高的(参见Wetzel等 人的“RPI starts to extinguish the green gap，，, Compound Semiconductors, 2009年第15期第21-23页)。非极性结构中缺少内部极化场和缺乏相关的量子限制的斯塔克(Stark)效应暗示了非极性器件的更好的传输和光学特性(参见Waltereit等人的“ Nitridesemiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emittingdiodes”，Nature, 2000年第406期第865-868页)。期待非极性的模板对于在绿黄光谱区域中操作的光发射器是尤其良好的，其中活性量子阱(QW)中更高的铟结合是必要的，并且因此更高的应变诱发的极化将抑制极性器件的特性。然而，绿色激光二极管首先被几乎同时地实现在极性(参见Miyoshi 等人的“510-515 nm InGaN-Based Green Laser Diodes onc-Plane GaN Substrate”, Applied Physics Express, 2009 年第 2 期第 062201 页；Queren等人的 “500 nm electrically driven InGaN based laser diodes，，，Applied PhysicsLetters, 2009 年第 94 期第 081119-3 页；以及 Avramescu 等人的 “InGaN laser diodeswith 50 mff output power emitting at 515 nm”，Applied Physics Letters, 2009 年第95 期第 071103-3 页)和非极性(参见 Okamoto 等人的“Nonpolar m-plane InGaN multiplequantum well laser diodes with a lasing wavelength of 499. 8 nm，，,Applied PhysicsLetters, 2009年第94期第071105-3页)晶体取向模板两者上，而没有后者的任何基本优势，这表明了 III族氮化物极性和非极性发光结构的共有缺陷的存在。
在附图的图中以示例的方式而不是以限制的方式来说明本发明，其中相同的参考数字涉及相似的元素。图I说明了器件的通用结构。插图详述了 3-QW活性区域的布局。图2说明了在相同注入能级(injection level)下波导层中没有铟的典型的极性和非极性MQW发光器件的3-QW活性区域中的传导和价带轮廓。虚线指示了电子和空穴的准费米能级(quasi-Fermi levels)的位置。图3说明波导层中没有铟的建模的3-QW极性(Cl)和非极性(Ml)发光器件结构中的量子阱残留电荷。图4说明了作为波导层中没有铟的典型的极性(Cl)和非极性(Ml)发光器件结构中的注入电流密度的函数的活性量子阱的电子和空穴总数。图5说明了在其波导层和势垒层中具有铟结合的本发明的III族氮化物发光器件的活性区域的标称能带轮廓。虚线指示了在波导层和势垒层中没有铟结合的器件(结构Ml)中的带轮廓(结构M3)。图6说明了结合到非极性III族氮化物发光器件的波导层和势垒层中的5%(结构M2)和10% (结构M3)的铟对建模的器件的活性量子阱的电子和空穴总数的不均匀性的结
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具体实施方式
在本发明的随后的详细描述中对“一个实施例”或“实施例”的参考意思是结合该实施例所描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在该详细描述中的各种地方中的短语“在一个实施例中"的出现不必需全部指的是相同的实施例。现有的III族氮化物发光结构中的高能级的光学和电学损耗使活性区域的多QW(MQW)设计成为必需。在极性结构中，强内置自发和压电极化场为具有支配光学发射的P侧Qff白勺不同Qff的不均勻总数创造条件(参见David等人的“Carrier distributionin (0001) InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes”，AppliedPhysics Letters, 2008 年第 92 期第 053502-3 页；Liu 等人的 “Barrier effect on holetransport and carrier distribution in InGaN/GaN multiple quantum well visiblelight-emitting diodes”, Applied Physics Letters, 2008 年第 93 期第 021102 页；以及 Xie 等人的 “On the efficiency droop in InGaN multiple quantum well bluelight emitting diodes and its reduction with p-doped quantum well barriers，，，Applied Physics Letters, 2008年第93期第121107-3页)。在激光器结构中，受到抽运(under-pumped)的QW可将它们的内带吸收添加到总损失,从而增加该激光器的阈值。极化QW中的产生激光状态之间的减少的空间重叠引起了更小的光学增益，并要求极性激光器的活性区域中的更多的QW。考虑宽禁带(wide-gap) III族氮化物中的固有高透明浓度，Qff的增加的数量将更进一步增加极性结构中的产生激光阈值。这使非极性或半极性技术对于极性模板是吸引人的替代方式。实际上，在缺乏内部极化场时，在达到平带(flat-band)状况之后，非极性活性区域中的QW应当被更均匀地增加，从而确保了用于非极性发光器件的更低的阈值。然而，在本发明中，我们强调的是甚至在缺乏内部极化场时，具有高QW铟含量(深QW)的非极性MQW结构在注入电流的宽范围下仍受到相同强烈地不均匀的QW总数的影响。在此所示的结果展示了该不均匀性是极性和非极性模板两者的共同特征。其由深QW中的载流子限制(carrier confinement)所诱发,并由残留QW电荷所自相一致地支持。该载流子总数不均匀性随QW深度而增加，并且因此在更长波长的发射器中变得更明显。本发明展示了结合到波导层和势垒层中的铟通过有效地使活性QW更浅来改善极性和非极性III族氮化物发射器中的QW注入均匀性。根据所期望的发射波长，具有增强的铟结合的波导层和势垒层的最佳成分还可包括用于应变管理的铝。在没有铟的III族氮化物结构中，应当维持结合到波导层和势垒层中的铝的最佳水平以确保浅活性QW和均匀QW注入。给出当前III族氮化物发光器件的上述缺陷，克服这样的弱点一定会具有显著的商业价值。因此本发明的目的是提供一种III族氮化物发光器件结构，其包括多量子阱，并且将最佳铟和/或铝浓度结合到器件活性区域的其波导层和/或势垒层。结合到该III族氮化物发光器件的波导层和势垒层中的最佳的铟和/或铝改善了活性QW的注入均匀性，这导致了该结构的总的更高注入效率、用于激光二极管的更低的阈值电流和用于发光二极管的更高的外部效率。本发明的附加目的和优点将根据参照附图而进行的其优选实施例的随后的详细描述而变得明白。在此描述了在其波导层和活动区域势垒层中结合了铟和/或铝的III族氮化物多量子阱(MQW)发光器件。在随后的描述中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供本发明的彻底理解。然而，将明白的是，对于本领域技术人员，可以用不同的特定细节来实践本发明。在其它情形中，以方框图的形式来示出结构和器件，以便避免使本发明模糊。图I说明了本发明的III族氮化物发光半导体器件的多层截面的示例性实施例。如图I中所说明的，本发明的III族氮化物发光器件100的优选实施例是一种具有MQW活性区域的半导体二极管结构，该MQW活性区域通过使用通常被称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)的公知的外延沉积过程来在氮化镓(GaN)上增长。也可以使用诸如液相外延 (LPE)、分子束外延(MBE)、金属有机汽相外延(M0VPE)、氢化物汽相处延(HVPE)、氢化物金属有机汽相处延(H-MOVPE)的其它沉积过程或其它已知的晶体增长过程，以及可采用其它衬底材料。由该发光器件的示例性实施例100所发射的光的期望的波长和其它有关的特性将通过选择该多层结构的若干设计参数的适当的值来实现，该若干设计参数包括但不限于活性区域层中所使用的III族氮化物合金成分InxGahlAlyGahN和AlyInxGa^N,量子阱层的数量，量子阱层的宽度，以及分离MQW活性区域中的量子阱层的势垒层的宽度。该多层半导体结构的示例性实施例的设计参数被如此选择，使得由该发光器件100所发射的光将具有450 nm的主波长。然而，本领域技术人员将知道如何为图I的多层结构选择上述参数，以实现不同波长，该不同波长比通过选择图I的多层半导体的示例性实施例的设计参数能实现的波长更短或更长。如图I中所说明的，该多层半导体结构100包括以6xl018 cnT3水平所掺杂的100nm厚度的Si掺杂的GaN的η接触层162，其在具有期望的晶体取向(即，极性、半极性或非极性)的厚GaN衬底模板160上增长。尽管典型的III族氮化物器件结构中的衬底160和η接触层162通常是GaN，但铟镓氮化物(InxGa1^xN)或铝铟镓氮化物(AlyInxGa1^N)材料合金可用于图I的多层半导体结构的示例性实施例的衬底160和η接触层162。在η接触层162之上被沉积的是η型AlyGa1J /GaN超晶格(SL)的包层164，该η型AlyGa1J /GaN超晶格(SL)的包层164将通常是500 nm厚并且具有2xl018 cnT3的Si掺杂。InxGa1^xN和AlyInxGa1^yN材料合金也可用于包层164。在包层164之上被沉积的是100 nm厚的η型GaN波导层166，该100 nm厚的η型GaN波导层166将通常是以IO18 cm—3的水平掺杂的Si。InxGa1^xN和AlyInxGa1TyN材料合金也可用于波导层166。在该波导层166之上被沉积的是发光器件结构100的活性区域131，该活性区域131由被InxGahN势垒层168分离的多个Ina2Gaa8N QW层170组成。InxGa1J或AlyInxGa^N材料合金也可用于QW层170和/或势垒层168，以便实现这些层中所期望的带隙值。QW层170和势垒层168可以是掺杂的或者无掺杂的，以实现发光器件100的最佳性能。QW层170和势垒层168的厚度被分别选择成3 nm and 8 nm，然而，可以根据所使用的晶体取向并且为了将发光器件100的发射特性调到所期望的发射波长来增加或减少这些层的厚度。在图I的多层半导体结构的示例性实施例中，QW层170和势垒层168的所选择厚度和用于QW层170内的铟结合的x=0. 2的非零值被如此选择，使得由该发光器件100所发射的光将具有450 nm的主波长。尽管图I示出了该发光器件100的活性区域131由三个QW组成，但是所使用的QW的数量可以被增加或減少，以便精细调整发光器件100的操作特性。此外，发光器件100的活性区域131还可以由多个量子线或量子点代替量子阱而组成。在活性区域131之上被沉积的是10 nm厚的GaN分隔层172，该GaN分隔层172可以是掺杂的或者无掺杂的。在分隔层172之上被沉积的是15 nm厚的AlyGai_yN电子阻挡层174，该AlyGa1J电子阻挡层174通常由镁(Mg)以近似IOxIO18 cm_3的掺杂水平所P掺杂。InxGa1J或AlyInxGamN材料合金也可用于分隔层172和电子阻挡层174。该电子阻挡层174被结合，以便减少电子漏泄电流，该电子漏泄电流将增加发光器件100的阈值电流和操作温度。
电子阻挡层174之上被沉积的是100 nm厚的p型GaN波导层176，该p型GaN波导层176将通常是以IO19CnT3的水平掺杂的镁(Mg)。波导层176之上被沉积的是400 nm厚的P型AlyGa1J/ GaN超晶格(SL)包层178，该包层178将通常是以IO19 cm_3的水平掺杂的镁(Mg)。在包层178之上被沉积的是50 nm厚的p型GaN接触层179，该接触层179将通常是以IO19 cm_3的水平掺杂的镁。InxGahN和AlyInxGai_x_yN材料合金也可用于波导层176、包层178、和接触层179。该多层164-166-131-172-174-176作为发光器件100的光学共振器或光学限制区域而为本领域技术人员所知，由MQW活性区域131所生成的光将被限制在该发光器件100内。这样的光学限制结构通常被用来提供在激光二极管器件的实现方式中所需要的反馈或在谐振腔发光二极管器件中光的再循环。借助于模拟来说明本发明的III族氮化物发光器件结构100的预期的好处。对于载流子传输模拟，传统的漂移扩散近似为III族氮化物器件建模所广泛地接受(參见J.Piprek,Optoelectronic devices advanced simulation and analysis。纽约Springer,2005;以及 J. Piprek,“Nitride Semiconductor Devices !Principles and Simulation，，，柏林Wiley-VCH Verlag GmbH，2007，第496页)。在我们的模拟中，对活性QW中的载流子限制的详细建模予以特殊的注意。通过使用具有应变诱发的形变势和价带混合项的多带哈密顿函数(Hamiltonian)来自相一致地计算III族氮化物QW次能带结构和讲内电荷分布(參见 M. V. Kisin 在 C0MS0L Conference 2007 中的“Modeling of the Quantum Welland Cascade Semiconductor Lasers using 8-Band Schrodinger and Poisson EquationSystem”，牛顿，MA，美国，2007，第489-493页)。所采用的该器件模拟允许了在包括极性和非极性模板的任意结晶取向中增涨的III族氮化物QW的建模(參见Kisin等人在C0MS0LConference 2008 中的“Modeling of III-Nitride Quantum Wells with ArbitraryCrystallographic Orientation for Nitride-Based Photonics，，，波士顿，MA,美国，2008)。所模拟的QW特性考虑了 QW次能带和内部极化场的QW内屏蔽之间的热载流子重新分配(參见Kisin等人的“Optical characteristics of ΙΙΙ-nitride quantum wells withdifferent crystallographic orientations，，，Journal of Applied Physics, 2009 年果105 期第 013112-5 页；以及Kisin等人的“Optimum quantum well width for ΙΙΙ-nitridenonpolar and semipolar laser diodes，，，Applied Physics Letters, 2009 年弟-94 期兔021108-3页)。基于COMSOL的程序设计接着允许了将QW限制能级的注入相关性、次能带的状态密度(DOS)參数、所屏蔽的极化场和QW放射再组合率自相一致地结合到传输建模中(參见 Kisin 等人在 COMSOL Conference 2009 中的“Software Package for ModelingIII-Nitride Quantum—Well Laser Diodes and Light Emitting Devices，，，波士顿，MA,美国，2009)。特别地，该建模的基准器件结构、极性C-I和非极性M-I包括三个Ina2Gaa8ON Qff,对于非极性和极性晶体取向为3 nm和2. 5 nm宽；分别是在宽度上均为8 nm的两个η掺杂GaN势垒，以及10 nm宽的无掺杂GaN分隔层，其将以上所描述的MQW层与15 nm宽的Alai5Gaa85N P掺杂的电子阻挡层(EBL)相分离。MQW活性区域被夹在100 nm的N掺杂和P掺杂GaN波导层之间。已经从相同的源提取了用于建模的所有微观參数(參见Vurgaftman等人在Nitride semiconductor devices Principles and simulation 中的“Electron bandstructure parameters”，J. Piprek, Ed. :Wiley,纽约，2007,第 13-48 页)，除了从以下米用的InGaN基本带隙弯曲系数的更高值,2. 8eV (參见Moret等人的“ Optical, structuralinvestigations ana bana - gap bowing parameter oi GaInN alloys，，，Journal oiCrystal Growth, 2009年第311期第2795-2797页)。对于所有界面，价带到传导带偏移率 为3:7。对于所有建模的器件结构，活性区域的赝晶(pseudomorphic)增长被假定随QW层弾性应变，以适合GaN波导材料的晶格。这些可接受的特定材料參数值对于建模结果都不是决定性的；在我们的建模中所展示的QW总数的不均匀性专有地源于活性区域中的深QW的存在，其是所有长波长III族氮化物光发射器的特有特征。出于比较目的来对具有基本上与图I中所说明的结构相同的多层结构的四个发光器件结构进行建摸，以便展示本发明的好处。第一发光器件结构(所指定的C-1)被假定为在C平面(极性)晶体取向上增长，而第二和第三以及第四器件结构(所指定的Μ-1、Μ-2和M-3)被假定为已经在m平面(非极性)晶体取向上增长。将发光器件结构布局C-I和M-I与在波导层和势垒层中结合铟的本发明的发光器件结构M-2和M-3进行比较(參见表I)。c平面(极性)和m平面(非极性)增长的MQW的次能带结构和放射特性的详细比较可在以下中找至1 J (參见 Kisin 等人的“ Optical characteristics of ΙΙΙ-nitride quantum wells withdifferent crystal lographic orientations，，，Journal of Applied Physics, 2009 年果105期第013112-5页；以及Kisin等人的“Optimum quantum well width for ΙΙΙ-nitridenonpolar and semipolar laser diodes，，，Applied Physics Letters, 2009 年弟 94 期兔021108-3页)。在微观建模期间所获得的限制能级、次能带状态密度(DOS)、辐射再组合率、以及MQW注入能级上的屏蔽的极化场的相关性，用于通过C0MS0L内程序数据内插过程进行传输建摸，以确保MQW总数动态的实际模拟。ー些QW參数被呈现在用于极性(C-I)和非极性(M-l、M-2和M-3)器件结构的表I中。建模中所使用的有效的大量參数包括放射常数B=O. 2x10, cmVs、载流子非放射SRH再组合寿命te=10 ns和th=20 ns，以及奥杰(Auger)再组合系数C=10_3° cm6/s。这些值与典型的实验估计非常接近(參见Zhang等人的“Direct measurement of Auger recombination in InO. IGaO. 9N / GaN quantum wellsand its impact on the efficiency of InO. IGaO. 9N / GaN multiple quantum welllight emitting diodes”, Applied Physics Letters, 2009 年第 95 期第 201108-3 页)。再次，应当强调的是，以上參数对于实现本发明的好处都不是决定性的，实现本发明的好处主要由深度III族氮化物MQW中的强载流子限制所确定。
权利要求
1.一种固态发光器件，其通过在极性、半极性或非极性晶体取向上使用III族氮化物合金材料而制造，并且由被分组为P掺杂波导层、活性多量子阱区域、电子阻挡层和N掺杂波导区域的多层所组成，该多活性量子阱区域进一步由多层所组成以形成多量子阱层和势垒层，通过在所述层中结合铟和/或铝来实现与该N掺杂波导区域和势垒层相关联的带隙。
2.权利要求I的固态发光器件，其中选择N掺杂波导区域和势垒层中的铟和/或铝的量来减少多量子阱与N掺杂波导区域和势垒层的带隙之间的带隙差异。
3.权利要求2的固态发光器件，其中该势垒层的带隙与邻近多活性量子阱区域的N掺杂波导层的带隙近似相同。
4.权利要求I的固态发光器件，其中通过使用三元半导体合金材料InxGahN和AlyG&1_yN或四元半导体合金材料ALyInxGa1^N来制造该活性多量子阱区域和N掺杂波导层，下标“X”和“y”表示多量子阱、势垒和N掺杂波导层中所使用的合金成分。
5.权利要求4的固态发光器件，其中多量子阱内的用于合金的“X”和“y”的值已经被选择成允许权利要求I的固态发光器件发射所期望的波长范围内的光。
6.权利要求4的固态发光器件，其中势垒层和波导层内的用于合金的“X”和“y”的值已经被选择成提供多量子阱中的均匀载流子分布。
7.权利要求4的固态发光器件，其中已经为了达到多量子阱之间的均匀载流子总数而选择势垒层内的用于合金的“X”和“y”的值，以提供比“X”和“y”的值均为零时更高的注入效率。
8.权利要求4的固态发光器件，其中已经为了达到多量子阱之间的均匀载流子总数而选择N掺杂波导区域内的用于合金的“X”和“y”的值，以提供比“X”和“y”的成分均为零时更高的注入效率。
9.权利要求4的固态发光器件，其中N掺杂波导层内的用于合金的“X”和/或“y”已经被选择成在渐增的非零值范围上逐渐变化，以便与多量子阱晶格匹配。
10.权利要求4的固态发光器件，其中N掺杂波导层内的用于合金的“X”和/或“y”已经被选择成在渐增的非零值范围上以分立阶段变化，以便与多量子阱晶格匹配。
11.权利要求4的固态发光器件，其中N掺杂波导层内的用于合金的“X”和/或“y”的值已经被选择成在渐增的非零值的范围上逐渐改变N掺杂波导内的带隙，以便获得与势垒层的带隙近似相等的邻近多活性量子阱区域的带隙。
12.权利要求4的固态发光器件，其中N掺杂波导层内的用于合金的“X”和/或“y”的值已经被选择成在渐增的非零值的范围上以分立阶段改变N掺杂波导内的带隙，以便获得与势垒层的带隙近似相等的邻近多活性量子阱区域的带隙。
13.权利要求I的固态发光器件，其中该多量子阱是窄的，以提供该多量子阱内的均匀载流子总数。
14.权利要求I的固态发光器件，其被实现为高注入效率激光二极管或发光二极管器件。
全文摘要
发射器的多QW(MQW)活性区域中的不同量子阱(QW)的不均匀的总数强烈地恶化了极性和非极性III族氮化物发光结构中的注入效率。不均匀的QW总数随更深的活性QW而在长波长发射器中变得更强。在极性和非极性结构中，根据要被发射的光的期望波长，结合到活性区域的光波导层和/或势垒层中的铟和/或铝改善了QW总数的均匀性并增加了该结构的注入效率。
文档编号H01S5/343GK102823089SQ201180008463
公开日2012年12月12日 申请日期2011年2月2日 优先权日2010年2月4日
发明者M.V.基辛, H.S.埃尔-高劳里 申请人:奥斯坦多科技公司