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TWI493752B - 在半導體層中具有組成及摻雜非均質性之發光裝置 - Google Patents

在半導體層中具有組成及摻雜非均質性之發光裝置

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Publication number
TWI493752B
TWI493752B TW101129256A TW101129256A TWI493752B TW I493752 B TWI493752 B TW I493752B TW 101129256 A TW101129256 A TW 101129256A TW 101129256 A TW101129256 A TW 101129256A TW I493752 B TWI493752 B TW I493752B
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layer
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area
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TW101129256A
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TW201312789A (zh
Inventor
Michael Shur
Maxim S Shatalov
Alexander Dobrinsky
Remigijus Gaska
Jinwei Yang
Original Assignee
Sensor Electronic Tech Inc
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Publication date
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Publication of TW201312789A publication Critical patent/TW201312789A/zh
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Description

在半導體層中具有組成及摻雜非均質性之發光裝置
本揭示內容概言之係關於發光裝置，且更具體而言係關於具有改良之效率之發光裝置。
[相關申請案之參照]
本申請案主張2011年8月11日申請之標題為「Light Emitting Diodes with Compositional and Doping Inhomogeneities in Semiconductor Layers」之共同待決美國臨時申請案第61/522,425號及2012年2月19日申請之標題為「Light Emitting Diodes with Compositional and Doping Inhomogeneities in Semiconductor Layers」之共同待決美國臨時申請案第61/600,701號之權利，二者特此以引用方式併入。
諸如發光二極體(LED)及雷射二極體(LD)等半導體發光裝置包括由III-V族半導體組成之固態發光裝置。III-V族半導體子組包括第III族氮化物合金，其可包括銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)及氮(N)之二元、三元及四元合金。說明性基於第III族氮化物之LED及LD可具有形式Iny Alx Ga1-x-y N，其中x及y指示所展示元素之莫耳分率，0x,y1，且0x+y1。其他說明性基於第III族氮化物之LED及LD係基於硼(B)氮化物(BN)且可具有形式Gaz Iny Alx B1-x-y-z N，其中0x,y,z1，且0x+y+z1。
LED通常由半導電層組成。在LED操作期間，於摻雜層上施加之偏壓使得電子及電洞注入作用層中，在該作用層 中電子-電洞重組使得產生光。光係以均勻角分佈產生且藉由在所有方向上跨越半導體層而逸出LED晶粒。每一半導電層皆具有不同元素之莫耳分率(例如，x、y及z)之具體組合，從而影響該層之電性質及光學性質。具體而言，層之折射率及吸收特性易受半導體合金之莫耳分率影響。在整個層中莫耳分率之變化產生該層之折射率及能帶隙能量之變化。
紫外LED通常係使用III-V族半導體層(例如Alx Ga1-x N層)來生長。已發現Alx Ga1-x N合金之材料性質在該合金中鋁之量增加時會改變。在適當生長條件下，亦發現鋁並未均勻地納入整個AlGaN層中(即，該材料具有散佈於各處之高濃度及低濃度鋁的區)。此等組成波動以及摻雜波動(亦稱為定域化非均質性)導致載子定域化且導致形成用於載子之傳導層。
以下開拓性工作已充分研究了藍色LED之組成波動之影響：S.Chichibu、T.Azuhata、T.Sota及S.Nakamura，Applied Physics Letters.1997年5月1日，70,2822；S.Chichibu、K.Wada及S.Nakamura，Applied Physics Letters，第71卷，第2346頁至第2348頁，1997年10月，該等文獻中之每一者皆係全文以引用方式併入本文中。InAlGaN合金中由於銦偏析而天然存在自定域化非均質性之形成而產生之定域化效應。此等影響已報導於以下著作中：E.Monroy、N.Gogneau、F.Enjalbert、F.Fossard、D.Jalabert、E.Bellet-Amalric、Le Si Dang及B.Daudin， J.Appl.Phys.94,3121(2003)；Mee-Yi Ryu、C.Q.Chen、E.Kuokstis、J.W.Yang、G.Simin及M.Asif Khan，Appl.Phys.Lett.80,3730(2002)；H.Hirayama、A.Kinoshita、T.Yamabi、Y.Enomoto、A.Hirata、T.Araki、Y.Nanishi及Y.Aoyagi,Appl.Phys.Lett.80,207(2002)；C.H.Chen、Y.F.Chen、Z.H.Lan、L.C.Chen、K.H.Chen、H.X.Jiang及J.Y.Lin,Appl.Phys.Lett.84,1480(2004)，其每一者皆全文以引用方式併入本文中。此外，顯示添加少量銦可因改良晶體品質而使AlInGaN層中之能帶底部電位曲線變平滑。亦已研究在AlGaN半導體層中納入1%銦之影響。與其他研究類似，觀察到在具有獨特雙標度電位曲線之半導體層中產生組成非均質性，此指示，銦原子產生散佈於AlGaN背景半導體合金中之具有均勻一致性之簇。
在AlGaN半導體層之生長製程期間，形成具有高鋁含量之小島。參見A.Pinos、V.Liuolia、S.Marcinkeviius、J.Yang、R.Gaska及M.S.Shur，Journal of Applied Physics，第109卷，第11冊，第113516頁，2011)，其全文以引用方式併入本文中。具有高鋁含量之晶粒由含有擴展缺陷之域邊界分隔開，形成該等擴展缺陷以適應島中晶體定向之相對差異。此等缺陷具有高鎵含量。
已藉由使用掃描近場光學顯微鏡(SNOM)量測之光致發光(PL)來研究AlGaN半導體中組成波動之細節。使用此技術，觀察到具有約50 meV之能帶隙波動。鋁含量越高，波 動越大。對於具有低鋁含量(小於0.4莫耳分率)之樣品，在較大之域內出現小規模波動且據信此係由於非均質應力場及差排所致。鋁莫耳分率為0.42及更高時，在整個樣品上觀察到小規模電位變化且其歸因於在生長期間富含Al之晶粒之形成。已將25 meV至40 meV之大面積電位變化(在具有較低AlN莫耳分率之層中最清晰地觀察到)歸因於富含Ga之區域接近於晶粒邊界或原子層階。由於AlGaN層之非均質生長，故PL光譜之分析允許評價平均電位波動。一些發現表明存在兩個空間規模的電位波動-約1 μm之大規模及小於100 nm之小規模。電位波動在每一規模下均達到數十meV振幅。
圖1顯示先前技術之組成波動之示意圖。在初始生長階段期間，毗鄰小島(自其開始生長)聚結成較大晶粒。隨著島變大，具有比Al吸附原子更大之橫向遷移率之Ga吸附原子更快速地到達島邊界，因此聚結區域中之Ga濃度高於島中心。因生長垂直進行時，故維持在聚結期間形成之組成圖案。由於聚結所致，域邊界通常含有擴展缺陷，形成該等擴展缺陷以適應島中晶體定向之相對差異。即使在具有含有細長層階之平滑表面之層中，亦會因局部組成非均質性而出現螺旋/混合差排。
高鎂摻雜會導致產生來源於離散受體能級之微能帶(mini-band)。已在室溫光致發光光譜中觀察到紅移，此指示受體濃度水準為n=1019 -1020 (1/cm3 )之數量級時出現微能帶能級。在高受體濃度域中，電洞波函數可重疊，因此在 材料中形成電洞傳導路徑。此等路徑導致在半導體層中電導率增加。
根據上文，本發明者認識到，組成及/或摻雜非均質性允許(例如)在p型超晶格層中形成傳導通道。同時，高鋁含量區域允許低光吸收(例如，較高透射係數)。本發明者提出藉由利用複合非均質性調整半導體性質來達成較高之傳導與減少之光吸收之期望平衡，藉此獲得用於光發射/透射應用之更佳半導體材料。
本發明之態樣提供一種裝置，其包括一或多個具有經組態以促進輻射透射穿過該層之橫向區域及經組態以促進電流流經該層之橫向區域之層。該層可包含短週期超晶格，其包括與量子井交錯之障壁。在此情形下，該等障壁可包括經組態以減少在該層中所吸收之輻射之量的透明區域及經組態以保持該層兩端之電壓降在期望範圍內的較高導電區域二者。
本發明之第一態樣提供包含下列各項之裝置：包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中至少一個障壁之組成沿該至少一個障壁之橫向尺寸變化以使得該至少一個障壁之橫截面包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域為該至少一個障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該至少一個障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總 電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
本發明之第二態樣提供包含下列各項之裝置：包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中每一障壁之橫截面皆包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域為該障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
本發明之第三態樣提供製作裝置之方法，其包含：形成包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中每一障壁之橫截面皆包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域為該障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
本發明之說明性態樣經設計以解決一或多個本文所述之問題及/或一或多個未論述之其他問題。
根據下文對本發明各態樣之詳細說明並結合繪示本發明各態樣之附圖，將更易於理解本揭示內容之此等及其他特徵。
注意，圖式可不按比例繪製。此等圖式僅意欲繪示本發明之典型態樣，且因此不應視為限制本發明之範圍。在該等圖式中，各圖式之間之相同編號代表相同元件。
如上文所指示，本發明之態樣提供一種裝置，其包括一或多個具有經組態以促進輻射透射穿過該層之橫向區域及經組態以促進電流流經該層之橫向區域之層。該層可包含短週期超晶格，其包括與量子井交錯之障壁。在此情形下，該等障壁可包括經組態以減少在該層中所吸收之輻射之量的透明區域及經組態以保持該層兩端之電壓降在期望範圍內的較高導電區域二者。除非另有說明，否則本文所用術語「組」意指一或多個(即，至少一個)且片語「任一解決方案」意指任一現在已知或隨後研發之解決方案。
轉向該等圖式，圖2顯示一實施例之說明性發光裝置10之示意性結構。在更具體實施例中，發光裝置10經組態以作為發光二極體(LED)(例如習用或超發光LED)操作。另一選擇為，發光裝置10可經組態以作為雷射二極體(LD)操作。在任一情形下，在發光裝置10操作期間，施加與能帶隙相當之偏壓以自發光裝置10之作用區域18發射電磁輻射。由發光裝置10發射之電磁輻射可包含在任一波長範圍(包括可見光、紫外輻射、深紫外輻射、紅外光及/或諸如此類)內之峰值波長。在一實施例中，該裝置經組態以發射主波長在紫外波長範圍內之輻射。在更具體實施例中，主波長在介於約210奈米與約350奈米之間之波長範圍內。
發光裝置10包括異質結構，其包含基板12、毗鄰基板12 之緩衝層14、毗鄰緩衝層14之n型包覆層16(例如，電子供應層)及毗鄰n型包覆層16之具有n型側面19A之作用區域18。此外，發光裝置10之異質結構包括毗鄰作用區域18之p型側面19B之p型層20(例如，電子阻擋層)及毗鄰p型層20之p型包覆層22(例如，電洞供應層)。
在更具體說明性實施例中，發光裝置10係基於III-V族材料之裝置，其中不同層中之一些或全部係由選自III-V族材料系統之元素形成。在再一更具體說明性實施例中，發光裝置10之不同層由基於第III族氮化物之材料形成。第III族氮化物材料包含一或多種第III族元素(例如，硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In))及氮(N)，從而獲得BW AlX GaY InZ N，其中0W,X,Y,Z1，且W+X+Y+Z=1。說明性第III族氮化物材料包括具有任一莫耳分率第III族元素之二元、三元及四元合金，例如AlN、GaN、InN、BN、AlGaN、AlInN、AlBN、AlGaInN、AlGaBN、AlInBN及AlGaInBN。
基於第III族氮化物之發光裝置10之說明性實施例包括由In y Al x Ga 1-x-y N、Ga z In y Al x B 1-x-y-z N、Al x Ga 1-x N半導體合金或諸如此類組成之作用區域18(例如，一系列交錯量子井及障壁)。類似地，n型包覆層16及p型層20二者均可由In y Al x Ga 1-x-y N合金、Ga z In y Al x B 1-x-y-z N合金或諸如此類組成。由下式給出之莫耳分率x 、y 及z 可在各種層16、18及20之間有所變化。基板12可為藍寶石、碳化矽(SiC)、矽(Si)、GaN、AlGaN、AlON、LiGaO2 或另一適宜材料，且 緩衝層14可由AlN、AlGaN/AlN超晶格及/或諸如此類組成。
如關於發光裝置10所顯示，p型金屬24可附接至p型包覆層22且p型觸點26可附接至p型金屬24。類似地，n型金屬28可附接至n型包覆層16且n型觸點30可附接至n型金屬28。p型金屬24及n型金屬28可分別與相應層22、16形成歐姆接觸。在一實施例中，p型金屬24及n型金屬28各自包含若干個導電反射金屬層，而n型觸點30及p型觸點26各自包含高導電金屬。在一實施例中，p型包覆層22及/或p型觸點26可對由作用區域18產生之電磁輻射至少部分地透明(例如，半透明或透明)。舉例而言，p型包覆層22及/或p型觸點26可包含短週期超晶格晶格結構，例如至少部分地透明鎂(Mg)摻雜之AlGaN/AlGaN短週期超晶格結構(SPSL)。此外，p型觸點26及/或n型觸點30可至少部分地反射由作用區域18產生之電磁輻射。在另一實施例中，n型包覆層16及/或n型觸點30可由短週期超晶格(例如AlGaN SPSL)形成，其對由作用區域18產生之電磁輻射至少部分地透明。
如本文所用，當層允許相應輻射波長範圍內之電磁輻射之至少一部分自其穿過時，該層至少部分地透明。舉例而言，層可經組態以對對應於作用區域18發射之光(例如紫外光或深紫外光)之峰值發射波長的輻射波長範圍(例如，峰值發射波長+/- 5奈米)至少部分地透明。如本文所用，若層允許超過約0.5%之輻射自其穿過，則該層對輻射至少部分地透明。在一更具體實施例中，至少部分地透明之層 經組態以允許約超過5%之輻射自其穿過。類似地，當層反射至少一部分相關電磁輻射(例如，波長接近作用區域之峰值發射之光)時，該層至少部分地具有反射性。在一實施例中，至少部分地具有反射性之層經組態以反射至少約5%之輻射。
如關於發光裝置10進一步所顯示，裝置10可經由觸點26、30安裝至底座36。在此情形下，基板12係位於發光裝置10之頂部上。就此而言，P型觸點26及n型觸點30二者可分別經由觸點墊32、34附接至底座36。底座36可由氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)及/或諸如此類形成。
發光裝置10之不同層中之任一者皆可包含大致均勻組成或分級組成。舉例而言，層與另一層可在異質介面處包含分級組成。在一實施例中，p型層20包含具有分級組成之p型阻擋層。可納入分級組成以(例如)舉例而言減少應力、改良載子注入及/或諸如此類。類似地，層可包含超晶格包括複數個週期，該複數個週期可經組態以減少應力及/或諸如此類。在此情形下，每一週期之組成及/或寬度可定期地或不定期地在各週期之間有所變化。
應理解，本文所述發光裝置10之層組態僅為說明性。就此而言，發光裝置/異質結構可包括替代層組態、一或多個額外層及/或諸如此類。因此，當不同層顯示為彼此直接毗鄰(例如，彼此接觸)時，應理解，在發光裝置/異質結構中可存在一或多個中間層。舉例而言，說明性發光裝置/異質結構可在作用區域18與p型包覆層22及電子供應層16 中之一者或二者之間包括未摻雜層。
此外，發光裝置/異質結構可包括分佈式布瑞格反射器(Distributive Bragg Reflector,DBR)結構，其可經組態以反射特定波長之光(例如彼等由作用區域18發射者)，藉此增強裝置/異質結構之輸出功率。舉例而言，DBR結構可位於p型包覆層22與作用區域18之間。類似地，裝置/異質結構可包括位於p型包覆層22與作用區域18之間之p型層。DBR結構及/或p型層可包含基於由裝置/異質結構產生的光之期望波長之任一組成。在一實施例中，DBR結構包含Mg、Mn、Be或Mg+Si摻雜之p型組成。p型層可包含p型AlGaN、AlInGaN及/或諸如此類。應理解，裝置/異質結構可包括DBR結構及p型層(其可位於DBR結構與P型包覆層22之間)二者或可僅包括DBR結構或p型層中之一者。在一實施例中，可在裝置/異質結構中納入p型層代替電子阻擋層。在另一實施例中，可在p型包覆層22與電子阻擋層之間納入p型層。
不論如何，如本文所述，裝置10之一或多個半導體層可沿裝置晶粒之橫向尺寸包含奈米級及/或微米級定域化組成及/或摻雜非均質性。舉例而言，半導體層可經鎂p摻雜或經矽n摻雜以產生非均質性，此等非均質性在該層之橫向方向上提供能帶隙能量變化，從而對該層之橫截面產生複雜能量圖景。具體而言，非均質性將產生較低能帶隙區域，其變成電荷定域化地點並在半導體層中形成載子導電通道之一組較高導電區域。此等較高導電區域具有較大致 均質材料層之垂直透明度改良之垂直電導率。另外，非均質性亦會產生高能帶隙區域，該等高能帶隙區域在該層內形成一組至少部分地透明區域，其每一者皆具有較該材料之大致均質層之垂直透明度改良之垂直透明度。
將非均質性納入裝置10之一或多個半導體層中可改良裝置10之效率。可將非均質性納入半導體裝置10之任一層中。就此而言，可將非均質性納入裝置10之超晶格區域、成核區域、緩衝層、包覆層、作用區域及/或諸如此類中。在一實施例中，將非均質性納入一或多個注入層中，例如n型包覆層16、p型層20、p型包覆層22、n型觸點30、p型觸點26及/或諸如此類。
在本文進一步所述說明性實施例中，將非均質性納入使用p型超晶格形成之層(例如p型包覆層22)中。舉例而言，p型包覆層22可包含由與一組量子井交錯之一組障壁組成的週期性結構。在更具體實施例中，該等組障壁及量子井各自由第III族氮化物材料形成，其中每一障壁皆包含比毗鄰量子井更高之鋁含量(莫耳分率)。在再一更具體實施例中，週期性結構中之每一障壁及量子井皆可具有小於約3奈米之厚度。p型包覆層22可經鎂p摻雜加以調節以納入非均質性。在一實施例中，摻雜以使得障壁區域中之鎂濃度高於5．1018 [1/cm3 ]且量子井區域中之鎂濃度低於5．1015 [1/cm3 ]。
圖3A及3B顯示一實施例之使用p型超晶格形成之p型包覆層22之說明性示意性代表圖。顯示p型包覆層22毗鄰p型 金屬24。在圖3A及3B中，具有高鋁組成之區由暗區域指示，而具有低鋁組成之區由較亮/明亮區域指示。就此而言，圖3A圖解說明在層22內在垂直於層22毗鄰p型金屬24之表面方向上沿該層之高度之鋁組成之變化(例如，由方向z指示)。具體而言，p型包覆層22可由p型Alx Ga1-x N/Aly Ga1-y N超晶格形成，其中莫耳分率x及y分別對應於障壁及量子井之莫耳分率，且其中莫耳分率x大於莫耳分率y。每一障壁及量子井之厚度可為約數奈米。舉例而言，量子井可具有介於約1奈米與約6奈米之間之範圍內之厚度，且障壁可具有介於約5奈米與約20奈米之間之範圍內之厚度。
圖3B圖解說明p型包覆層22在層22之橫向方向上之鋁組成之變化(例如，由方向x及y指示)。圖3B可對應於沿層22之障壁獲得之層22之橫截面。本文所用術語橫向意指與層22毗鄰裝置10(圖2)之另一層之表面(例如層22毗鄰p型金屬24之表面)大致平行的層22之平面。如所圖解說明，層22之橫截面包括一組透明區域(其對應於彼等具有相對較高鋁含量之區域)及一組較高導電區域(其對應於彼等具有相對較低鋁含量之區域)。
該組透明區域可經組態以允許大量輻射通過層22，而該組較高導電區域可經組態以保持層22兩端之電壓降在期望範圍內(例如，小於5伏特)。在一實施例中，該組透明區域佔層22之橫向面積的至少10%，而該組較高導電區域佔層22之橫向面積的至少約2%(在更具體實施例中5%)。此外，在一實施例中，較高導電區域之能帶隙比透明區域之 能帶隙小至少5%。在更具體實施例中，透明區域包含高於約60%(在再一更具體實施例中80%)用於目標波長之輻射之透射係數，而較高導電區域對垂直電流具有小於約10-2 歐姆．cm2 之每單位面積電阻。本文所用術語透射係數意指離開區域之輻射量與進入區域之輻射量之比率。
可使用任一解決方案形成透明區域及導電區域。舉例而言，可使用遷移增強金屬有機化學氣相沈積(MEMOCVD)來生長層22。在生長期間，層22可允許一定莫耳分率的一或多種元素(例如鋁、鎵、銦、硼及/或諸如此類)在橫向方向上具有非均質性。在一實施例中，該等組成非均質性可變化至少1%。
此外，層22可在SPSL中具有厚度分佈不均勻之一或多個障壁。該不均勻分佈可經組態以形成透明區域及較高導電區域。在一實施例中，該不均勻分佈係藉由在小面或三維生長模式下生長膜來達成。在藉由作用氮(受N限制)之到達率測定膜之生長速率的條件下生長的同時達成此生長模式。此外，藉由在第III族原子(Al、Ga)之到達率與作用氮之到達率的比率大致一致之近似化學計量條件下生長來達成此生長模式。此外，由於此生長模式，奈米級組成非均質性在膜內自組裝。
在一實施例中，可實施說明性製程以提供製造Alx Ga1-x N合金膜(其可在發光裝置中用作p型層)之生長模式。此生長模式可由基板溫度、第V族/第III族元素之比率、摻雜濃度及/或諸如此類界定。舉例而言，基板溫度可介於約750攝 氏度與約1300攝氏度之間。另外，可藉由控制存於材料中之螺旋差排之密度來獲得鋁之非均質分佈。可藉由(例如)改變SPSL層中第V族/第III族元素之比率來控制螺旋差排之密度。第V族/第III族元素之比率可介於約20與約10000之間之比率範圍內。
另外，層22之生長可達成沿障壁高度及/或障壁厚度之不均勻組成分佈。甚至另外，當層22經摻雜時，層22之生長可達成沿障壁高度及/或障壁厚度之不均勻摻雜分佈。舉例而言，可利用層22之調節摻雜在該層內產生超過約1×1018 1/cm3 之受體濃度變化。
在一實施例中，可在非均質層(例如，在圖2中所顯示之p型層20)上直接形成本文所述之SPSL層，其可促進SPSL半導體層(例如，在圖2中所顯示之層22)形成透明區域及導電區域。非均質層可以與SPSL半導體層類似之方式生長且亦包括如本文所述之透明區域及導電區域。然而，非均質層之生長溫度可比用於生長SPSL半導體層之生長溫度低至少約200攝氏度。此外，非均質層之厚度可小於約20奈米。在一實施例中，非均質層之生長可包括：使得島(例如，Al)能三維(例如，側面及向上)聚結，該等島係在比用於生長SPSL半導體層之溫度低約200攝氏度的溫度下生長；隨後使用與島形成期間明顯不同的生長條件在島周圍二維生長非均質層。舉例而言，二維生長可在與用於生長SPSL半導體層相當之溫度及/或第V族/第III族元素之比率下進行。可在二維生長後重複一或多次島生長以形成非均 質層。儘管本文闡述使用MEMOCVD，但應理解，一或多層之生長可使用另一生長解決方案，例如金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE，如美國專利第7,812,366號中所使用)及/或諸如此類。
圖4顯示一實施例之p型超晶格(例如圖3A及3B中所顯示之層22)之說明性能帶變化。內置極化場產生偏斜能帶能級。偏斜能帶能級導致載子之定域化。對於當摻雜在超晶格量子井中相對較小但在障壁中相對較高之情形，在障壁中可能發生受體離子化且會在量子井中產生較大濃度的電洞，從而導致形成由圖4之灰色「雲狀」區域圖解說明之二維載氣。在一實施例中，量子井具有小於5．1017 [1/cm3 ]之濃度(例如，小於5．1015 [1/cm3 ]之濃度)，而障壁具有大於5．1017 [1/cm3 ]之濃度(例如，高於5．1018 [1/cm3 ]之濃度)。
由於載子在橫向方向上之高遷移率、障壁穿隧及/或在垂直於半導體層22之方向上滲透穿過導電通道，穿過層22(圖3A及3B)之載子路徑由擴散性橫向組份組成。圖5顯示一實施例之由非均質性導致之複雜能量圖景中之說明性載子路徑之示意性代表圖。如所圖解說明，載子路徑運行穿過能量圖景之低能量穀(例如，較高電導率區域)(由暗區域指示)，並傳播穿過含有高濃度摻雜劑之區域。在此等穀及區域中，電子及電洞經歷較小能量障壁，其可使用低能量穀滲透穿過該等能量障壁。在一實施例中，較高導電區域之間之特性距離小於在該層內之橫向電流散佈長度。 舉例而言，橫向電流散佈長度可為0.1 μm或更大。
圖6顯示對應於Al50 Ga50 N層之說明性圖像。具體而言，圖6包括：a)峰值強度之近場光致發光圖像；b)峰值能量之近場光致發光圖像；d)半高寬(full width at half maximum,FWHM)之近場光致發光圖像；c)近場及遠場光譜之圖像；e)強度相關性之圖像；及f)FWHM相關性之圖像。如所圖解說明，在整個作用層結構中發射不均勻且包括高強度紅移區域，該等高強度紅移區域與含有低於周圍區之鋁含量的島相關。
為清晰起見，本發明包括本文所述裝置之理論基礎。然而，應理解，本發明不限於本發明者對本文所述益處或該等益處之基礎之當前理解。
發光裝置(例如裝置10(圖2))之總插座效率(wall plug efficiency)涉及與半導體層之電導率及透明特性相關聯之折衷。具體而言，p型包覆層可具有低電導率及與深紫外LED中之所有其他層相比最高之吸收係數。將裝置10之總電阻視為p型包覆層產生之電阻(R P )與裝置10中所有其他組份產生之電阻(R r )(例如作用區域18之電阻、n型包覆層16之電阻、觸點電阻及/或諸如此類)的總和。裝置10兩端之總電壓(V T )由下式給出：V T =V on +I (R r +R p )其中V on 為導通電壓且I 為電流。在裝置10上消耗之總功率(P dis )為：P dis =IV T =I 2 (R p +R r )+IV on 。
本文所述裝置10(例如發光二極體)可在設定電流I 下操作。此外，假設R r 固定且已知。p型接觸層之電阻率R P' 可寫為： 此處，R 1 係具有相對較低電阻及相對較低透明度之p型超晶格(PSL)22(圖3A及3B)之一部分，而R 2 係具有相對較高電阻及相對較高透明度之PSL晶格之一部分。對於當R 1 <<R 2 之情形，其足以近似為R P ~R 1 。此簡單模式假設p型超晶格22中之大多數傳導經由通道發生，該等通道連接具有較低濃度鋁之域與較高濃度摻雜劑之域。具有低電阻之PSL 22之區域可由其特性電阻率ρ 1 以及對應於此等區域之總橫截面積(進一步表示為A 1 )描述；因此：R 1 =ρ 1 L PSL /A 1 此處，L PSL 表示該層之相應長度。使用f =A 1 /A ，其中A 係裝置之總面積，則：R 1 =[(ρ 1 L PSL )/A ](1/f )=R 0 /f 作為簡單近似，可將電阻R 0 取為由大量GaN半導體材料組成之p型接觸層之電阻。
圖7顯示一實施例之PSL層22之吸收係數對來自說明性發光二極體結構之總萃取光之影響。該影響顯示於深紫外LED之背景下，且藉助光線追蹤模擬獲得。如所圖解說明，LED之總輻射功率粗略線性依賴於log10 (α /α 0 )，其中α0 係正規化參數。圖8顯示一實施例之光線追蹤數據之數值擬合。則輻射功率寫為：P out =A -B log10 (α /α 0 )其中A 及B 係擬合常數。
層之透射率與吸收係數及p型包覆層如下相關：T =T 0 exp(-αL PSL )若p型包覆層面積之一部分大致不透明但更導電(此面積為A1 )，則總透射由下式給出(在每單位面積均勻光通量之假設下)： 此處α '係因面積A1 不透明產生的吸收係數之變化值。因此其遵循：exp(-αL PSL )(1-f )=exp(-α 'L PSL )orα '=α -log(1-f )/L PSL 將該表達用於Pout ，其中：α '=α '(f ；α )：P out =A -B log10 (α '/α 0 )且可如下計算插座效率：WPE (f )=P out (f )/P dis (f )。
插座效率可針對f 之具體值具有最大值且可取決於裝置之電阻率、PSL之厚度及吸收係數α。圖9顯示一實施例之典型LED材料之WPE隨電導面積分率f 而變之曲線圖。如所圖解說明，在電導面積分率f 之值介於約0.3與0.6之間時獲得峰值插座效率。在一實施例中，PSL之橫截面中之該組透明區域之總面積為該橫截面之總面積的至少10%(f =0.1)。在更具體實施例中，該組透明區域之總面積介於該橫截面之總面積的約30%與60%之間。
重要的是，觀察到非均質體之間之平均距離應約為電流散佈長度以便裝置具有均勻電流/光發射穿過半導電層。 在PSL之一個週期中之電流散佈長度係由下式給出： 其中l 係週期層之厚度，ρ 係電流散佈層之電阻率，且J 0 係電流密度。使用此式，估計電流散佈長度介於約0.1 μm與約1 μm之間。
如本文所論述，該組較高導電區域可經組態以保持該層兩端之電壓降在期望範圍內。在一實施例中，可基於該層之屬性及用於該裝置之操作環境之屬性計算該層之單位面積目標電阻。舉例而言，說明性裝置組態可包括厚200奈米且具有200微米×200微米橫截面積、該層兩端之1伏特目標電壓降及0.02安培操作電流的層。在此情形下，該層之目標總電阻可計算為1伏特/0.02 Amp=50歐姆，且該層之目標電阻率可計算為：50歐姆×4×10-8 /(2×10-7 )=10歐姆．m使用1000歐姆＊ cm目標電阻率，200奈米厚層之單位面積目標電阻可計算為：1000歐姆．cm×2×10-5 cm=2×10-2 歐姆．cm2 。
可藉由對SPSL之光學吸收係數及折射係數求平均值或使用Maxwell公式在數值上計算吸收係數及反射係數來計算短週期超晶格(SPSL)之透明度。吸收係數α取決於半導體材料之吸收邊緣，其隨第III族氮化物半導體材料之Ga z In y Al x B 1-x-y-z N半導體合金之莫耳分率x、y及z變化。圖10顯示在一實施例之Alx Ga1-x N合金中之不同鋁莫耳分率 下，吸收係數對波長之典型依賴性。為將p型層之目標吸收係數維持在約104 cm-1 ，可針對每一發射波長小心地選擇SPSL障壁中之鋁含量。圖11顯示一實施例可如何針對每一發射波長選擇鋁含量。注意x =x (λ )之依賴性為線性，其中x =-0.0048λ +1.83。
就此而言，x 可為鋁之莫耳分率提供臨限值，可選擇其約等於或超過該臨限值。
應理解，可將本發明之態樣納入各種類型結構/裝置、用於設計各種類型結構/裝置之解決方案及/或用於製作各種類型結構/裝置之解決方案中。
舉例而言，本發明之實施例可作為用於設計及/或製作如2011年1月8日申請之標題為「Superlattice Structure」之美國專利申請案第12/987,102號中所述結構及/或所得裝置/結構的解決方案之一部分實施，且其主張2010年1月8日申請之標題為「Superlattice Structures and Devices」之美國臨時申請案第61/293,614號之權利，其二者特此以引用方式併入。類似地，本發明之實施例可作為用於設計及/或製作如2011年6月17日申請之標題為「Superlattice Structure」之美國專利申請案第13/162,895號中所述結構及/或所得裝置/結構的解決方案之一部分實施，其特此以引用方式併入。在任一情形下，該結構/裝置皆可包含包括複數個週期之超晶格層，每一週期皆由複數個子層形成。每一子層包含不同於毗鄰子層之組成且包含與毗鄰子 層之極化作用相反之極化作用。此外，如本文所述，一或多個子層可包含經組態以促進輻射(例如，紫外輻射)透射穿過該層之橫向區域及經組態以促進電流流經該子層之橫向區域。
此外，本發明之實施例可作為用於設計及/或製作如2010年12月4日申請之標題為「Semiconductor Material Doping」之美國專利申請案第12/960,476號中所述結構及/或所得裝置/結構的解決方案之一部分實施，且其主張2009年12月4日申請之標題為「Method of Doping and Semiconductor Devices」之美國臨時申請案第61/266,523號之權利，其二者特此以引用方式併入。類似地，本發明之實施例可作為用於設計及/或製作如2011年6月17日申請之標題為「Semiconductor Material Doping」之美國專利申請案第13/162,908號中所述結構及/或所得裝置/結構的解決方案之一部分實施，其特此以引用方式併入。在任一情形下，該結構/裝置皆可包含如本文所述之超晶格結構，其中選擇量子井與毗鄰障壁之間之目標能帶不連續性以與用於量子井及/或障壁之摻雜劑之活化能一致。舉例而言，可選擇目標效價能帶不連續性以使得毗鄰障壁中之摻雜劑之摻雜能量水準與量子井之效價能量能帶邊緣及/或量子井之效價能量能帶中游離載子之基態能量一致。另外，可選擇量子井及/或毗鄰障壁之目標摻雜水準以促進電洞在障壁上之真實空間轉移。可形成量子井及毗鄰障壁以使得實際能帶不連續性及/或實際摻雜水準對應於相關 目標。
此外，本發明之實施例可作為用於設計及/或製作如2011年6月16日申請之標題為「Deep Ultraviolet Light Emitting Diode」之美國專利申請案第13/161,961號中所述結構及/或所得裝置/結構的解決方案之一部分實施，且其主張2010年6月18申請之標題為「Deep Ultraviolet Light Emitting Diode」之美國臨時申請案第61/356,484號之權利，其二者特此以引用方式併入。在此情形下，該結構/裝置(例如發光二極體)可包括n型接觸層及毗鄰該n型接觸層之包括一組量子井之光產生結構。接觸層及光產生結構可經組態以使n型接觸層之能量與量子井之電子基態能量之間的差大於光產生結構材料中極性光學聲子之能量。另外，光產生結構可經組態以使其寬度與注入光產生結構之電子發射極性光學聲子之平均自由路徑相當。二極體可包括阻擋層，其經組態以使阻擋層之能量與量子井之電子基態能量之間的差大於光產生結構材料中極性光學聲子之能量。二極體可包括複合觸點，該複合觸點包括對光產生結構產生的光至少部分地透明之黏合層及經組態以反射光產生結構產生的光之至少一部分之反射金屬層。n型接觸層、光產生結構、阻擋層及/或複合觸點可包括如本文所顯示並闡述之超晶格經組態。
儘管本文顯示並闡述設計及/或製造發光裝置之方法以改良自該裝置之光萃取，但應理解，本發明各態樣進一步提供各種替代實施例。舉例而言，可實施本發明之態樣以 促進光在該裝置內之透射(例如，作為雷射光產生結構之光激升之一部分)、使用雷射脈衝之載氣之激發及/或諸如此類。類似地，本發明之實施例可結合感測裝置(例如光感測器或光檢測器)實施。在每一情形下，可將異形表面納入該裝置之外表面及/或該裝置之兩個毗鄰層之介面中以促進光在期望方向上透射穿過該介面。
在一實施例中，本發明提供設計及/或製造電路之方法，該電路包括如本文所述設計並製造之一或多個裝置。就此而言，圖12顯示根據一實施例製造電路126之說明性流程圖。首先，使用者可利用裝置設計系統110來產生用於如本文所述半導體裝置之裝置設計112。裝置設計112可包含程式碼，其可由裝置製造系統114用以根據裝置設計112界定之特徵來產生一組物理裝置116。類似地，可將裝置設計112提供給電路設計系統120(例如，作為可用組件用於電路中)，使用者可利用其產生電路設計122(例如，藉由將一或多個輸入及輸出與包括於電路中之各個裝置連接)。電路設計122可包含程式碼，其包括如本文所述設計之裝置。在任一事件中，皆可將電路設計122及/或一或多個物理裝置116提供給電路製造系統124，其可根據電路設計122產生物理電路126。物理電路126可包括如本文所述設計之一或多個裝置116。
在另一實施例中，本發明提供如本文所述用於設計半導體裝置116之裝置設計系統110及/或用於製造該半導體裝置之裝置製造系統114。在此情形中，系統110、114可包 含通用計算裝置，其經編程以實施設計及/或製造本文所述半導體裝置116之方法。類似地，本發明之一實施例提供用於設計電路126之電路設計系統120及/或用於製造該電路之電路製造系統124，該電路包括如本文所述設計及/或製造之至少一個裝置116。在此情形中，系統120、124可包含通用計算裝置，其經編程以實施如本文所述設計及/或製造包括至少一個半導體裝置116之電路126之方法。
在再一實施例中，本發明提供安裝於至少一個電腦可讀媒體中之電腦程式，當執行時該電腦程式可使電腦系統實施設計及/或製作如本文所述半導體裝置之方法。舉例而言，該電腦程式可使裝置設計系統110產生如本文所述之裝置設計112。就此而言，電腦可讀媒體包括程式碼，當藉由電腦系統執行時，該程式碼實施本文所述製程中之一些或全部。應理解，術語「電腦可讀媒體」包含現已知或隨後研發之任一類型有形表達媒體中之一或多者，自該有形表達媒體可使儲存拷貝得以感知、重現或者與計算裝置通信。
在另一實施例中，本發明提供用於提供程式碼之拷貝之方法，當藉由電腦系統執行時，該程式碼實施本文所述製程中之一些或全部。在此情形下，電腦系統可處理程式碼之拷貝以產生並傳輸(在另一不同位置接收)一組數據信號，該組數據信號之特性中之一或多者以可在該組數據信號中編碼該程式碼之拷貝之方式經設定及/或改變。類似地，本發明之實施例提供獲得實施本文所述製程中之一些 或全部之程式碼之拷貝之方法，其包括接收本文所述數據信號組及將該組數據信號轉譯為安裝於至少一個電腦可讀媒體中之電腦程式之拷貝之電腦系統。在任一情形下，使用任一類型通信鏈路皆可傳輸/接收數據信號組。
在再一實施例中，本發明提供產生用於設計如本文所述半導體裝置之裝置設計系統110及/或用於製作該裝置之裝置製作系統114的方法。在此情形下，可獲得(例如，創建、維持、使得可購得等)電腦系統且可獲得(例如，創建、購買、使用、修改等)用於實施本文所述製程之一或多個組件並可將其部署至該電腦系統中。就此而言，該部署可包含下列中之一或多個者：(1)將程式碼安裝於計算裝置上；(2)將一或多個計算及/或I/O裝置添加至該電腦系統中；(3)納入及/或修改該電腦系統以使其能夠實施本文所述製程；及/或諸如此類。
出於說明及闡述之目的，已給出本發明各態樣之上述說明。本文並非意欲詳盡闡述或將本發明限制於所揭示之精確形式，且顯然，可做出諸多修改及變化。熟習此項技術者可能瞭解之該等修改及變化皆包括在隨附申請專利範圍所界定之本發明範圍內。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧基板
14‧‧‧緩衝層
16‧‧‧n型包覆層
18‧‧‧作用區域
19A‧‧‧n型側面
19B‧‧‧p型側面
20‧‧‧p型層
22‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧p型金屬
26‧‧‧p型觸點
28‧‧‧n型金屬
30‧‧‧n型觸點
32‧‧‧觸點墊
34‧‧‧觸點墊
36‧‧‧底座
圖1顯示根據先前技術之組成波動之示意圖。
圖2顯示根據一實施例之說明性發光裝置之示意性結構。
圖3A及3B顯示根據一實施例之使用p型超晶格形成之p 型層之說明性示意性代表圖。
圖4顯示根據一實施例之p型超晶格之說明性能帶變化。
圖5顯示根據一實施例之由非均質性產生之複雜能量圖景中之說明性載子路徑的示意性代表圖。
圖6顯示對應於Al50 Ga50 N層之說明性圖像。
圖7顯示根據一實施例之p型超晶格層之吸收係數對來自說明性發光二極體結構之總萃取光之影響。
圖8顯示根據一實施例之對圖7中所顯示之光線追蹤數據之數值擬合。
圖9顯示根據一實施例之典型發光二極體材料之插座效率隨電導面積分率而變之曲線圖。
圖10顯示根據一實施例在Alx Ga1-x N合金中之不同鋁莫耳分率下，吸收係數對波長之典型依賴性。
圖11顯示根據一實施例可如何針對每一發射波長選擇鋁含量。
圖12顯示根據一實施例製造電路之說明性流程圖。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧基板
14‧‧‧緩衝層
16‧‧‧n型包覆層
18‧‧‧作用區域
19A‧‧‧n型側面
19B‧‧‧p型側面
20‧‧‧p型層
22‧‧‧p型包覆層
24‧‧‧p型金屬
26‧‧‧p型觸點
28‧‧‧n型金屬
30‧‧‧n型觸點
32‧‧‧觸點墊
34‧‧‧觸點墊
36‧‧‧底座

Claims (24)

  1. 一種發光裝置，其包含：包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中至少一個障壁之組成沿該至少一個障壁之橫向尺寸變化以使得該至少一個障壁之橫截面包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域佔該至少一個障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該至少一個障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
  2. 如請求項1之裝置，其中該裝置經組態以發射主波長等於l 之輻射，其中l 係在約210奈米及約350奈米範圍內。
  3. 如請求項1之裝置，其中該至少一個障壁係由Alx Ga1-x N合金形成，其中x係鋁之莫耳分率，且其中對於每一透明區域，x大於約-0.0048l +1.83。
  4. 如請求項3之裝置，其中該組較高導電區域中之每一者皆包含提供比該組透明區域之能帶隙小至少5%的能帶隙之莫耳分率之鋁。
  5. 如請求項1之裝置，其中該組較高導電區域佔該至少一個障壁之該橫截面之該面積的至少2%。
  6. 如請求項1之裝置，其中該組較高導電區域之該每單位面積對該垂直電流之平均電阻小於或等於約10-2 歐姆．cm2 。
  7. 如請求項1之裝置，其中該透射係數大於或等於約80%。
  8. 如請求項1之裝置，其中該裝置經組態以作為下列中之一者操作：發光二極體或雷射。
  9. 如請求項1之裝置，其中該至少一個障壁係由Gaz Iny Alx B1-x-y-z N合金形成，其中x、y及z分別係鋁、銦及鎵之莫耳分率，且其中該至少一個障壁在下列中之至少一者中包括非均質性：x、y或z。
  10. 如請求項1之裝置，其中該複數個障壁與複數個量子井交錯，且其中該複數個障壁中之每一者及該複數個量子井中之每一者皆具有小於或等於約5奈米之厚度。
  11. 如請求項1之裝置，其中該組透明區域及該組較高導電區域係使用奈米級非均質性形成。
  12. 如請求項1之裝置，其中在該組較高導電區域中之兩個較高導電區域之間之特性距離小於橫向電流散佈長度。
  13. 一種發光裝置，其包含：包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中每一障壁之橫截面皆包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域佔該障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
  14. 如請求項13之裝置，其中每一障壁皆係由Alx Ga1-x N合金 形成，其中x係鋁之莫耳分率，且其中對於每一透明區域，x大於約-0.0048l +1.83。
  15. 如請求項13之裝置，其中該組透明區域及該組較高導電區域係利用每一障壁之不均勻障壁厚度來形成。
  16. 如請求項13之裝置，其中該組透明區域及該組較高導電區域係利用每一障壁沿該障壁厚度之不均勻組成分佈來形成。
  17. 如請求項13之裝置，其中該組透明區域及該組較高導電區域係利用每一障壁沿該障壁厚度之不均勻摻雜分佈來形成。
  18. 一種製作發光裝置之方法，其包含：形成包含複數個障壁之短週期超晶格(SPSL)半導體層，其中每一障壁之橫截面皆包括：一組透明區域，每一透明區域皆對目標輻射波長l 具有大於或等於約60%之透射係數，其中該組透明區域佔該障壁之該橫截面之面積的至少10%；及一組較高導電區域，其佔該障壁之該橫截面之該面積中足夠大的面積且具有使得該SPSL兩端之總電壓降小於約5伏特的每單位面積對垂直電流之平均電阻。
  19. 如請求項18之方法，其中該形成包括形成每一Alx Ga1-x N合金障壁，其中x係鋁之莫耳分率且其中對於每一透明區域，x大於約-0.0048l +1.83。
  20. 如請求項18之方法，其中該形成包括利用每一障壁之不均勻障壁厚度來形成該組透明區域及該組較高導電區 域。
  21. 如請求項18之方法，其中該形成包括利用每一障壁沿該障壁厚度之不均勻組成分佈來形成該組透明區域及該組較高導電區域。
  22. 如請求項18之方法，其中該形成包括利用每一障壁沿該障壁厚度之不均勻摻雜分佈來形成該組透明區域及該組較高導電區域。
  23. 如請求項18之方法，其進一步包含形成非均質層，其中該SPSL半導體層係直接形成於該非均質層上，且其中該形成該非均質層之至少一部分係在比用於形成該SPSL半導體層之溫度低至少約200攝氏度的非均質生長溫度下實施。
  24. 如請求項23之方法，其中形成該非均質層包括：使得三維島能在該非均質生長溫度下聚結；及使得能在與用於形成該SPSL半導體層之溫度相當之生長溫度下圍繞該等島二維生長。
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