CN113272972A - 包括基于InGaN的P型注入层的光电半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电子半导体结构(SC)，其包括设置在n型注入层(6)和p型注入层(7)之间的基于InGaN的有源层(5)，所述p型注入层(7)包括厚度为50nm至350nm的第一InGaN层(7a)和设置在第一层(7a)上的具有GaN表面部分的第二层(7b)。
Description
技术领域
本发明涉及光电半导体结构，例如发光二极管(LED)、太阳能电池或激光二极管。本发明尤其涉及具有由InGaN制成的P型注入层的光电子半导体结构。
背景技术
光电半导体结构通常由晶体半导体层的叠层形成，包括位于n型注入层和p型注入层之间的有源层。在LED结构的情况下，有源层可以包括交替的阻挡层和量子阱层。为了允许电流均匀和密集地流过该结构，注入层必须足够厚，例如远超过200nm。
在基于InGaN的结构中，量子阱层的铟含量可以是10％的数量级以形成发射蓝色的二极管，当二极管发射绿色时大于大约20％，并且对于发射红色的二极管大于大约40％。阻挡层(barrier layer)具有比量子阱层低的铟含量。
铟含量越高，量子阱层的固有晶格参数就越重要(即，将被完全弛豫的层的固有晶格参数)。换句话说，铟含量越高，当量子阱层在具有特定晶格参数的生长介质上形成时，其压缩应变就越大。
在形成光电结构的叠层中的过大的应变会导致有缺陷的结构。该应变可以值得注意地是在构成该结构的GaN或InGaN膜的表面上形成的裂纹或四棱锥缺陷(在本领域的英文文献中称为“V凹坑”)的起源。这些缺陷恶化了光电结构的功能性能。
为了降低对该问题的敏感性，已知文献EP 215852或EP 215856描述了旨在在生长载体的InGaN的浅层岛上共同形成半导体结构的制造工艺。例如，这些岛可以具有5％至7％或更高的铟浓度，并且至少部分地弛豫。
目的是在该生长载体上的InGaN中生长n型注入层，使得其与形成生长岛表面的材料的晶格参数尽可能接近地匹配。这减小了形成在衬底上的半导体结构的有源层中的应力，并促进铟结合到有源层中，更一般地，提高了光电器件的效率。
然而，在这种光电子半导体结构中形成p型注入层是有问题的，特别是当用量子阱层中的高铟含量来针对长波长(绿色或红色)时。
当该p型注入层由GaN制成时，与其所位于的活性InGaN层的晶格参数差异对注入层施加了高应力，并可能导致裂纹。
当该p型注入层由InGaN制成时，其可能具有四棱锥形的穿透缺陷。随着铟浓度的增加，其中形成这种缺陷的InGaN膜的临界厚度迅速减小。对于浓度小于或等于10％的铟，约为150nm，而对于15％的铟，仅为50nm。
当在半导体结构的制造过程中用液体剂进行湿法处理时(例如当用KOH处理这种结构以对p型注入层的表面进行脱氧以准备形成金属电接触件时，注入层中的裂纹或四棱锥形缺陷在该结构内形成用于液体处理剂的扩散通道。这导致结构的劣化，特别是组成它的层的结晶质量的劣化。
发明目的
本发明旨在解决该问题的至少一部分。特别地，本发明的目的是形成包括InGaN p型注入层的光电半导体结构，即使当其经受使用可能造成损坏的液体剂的湿法处理时，其结晶特性可以被保持。
发明内容
为了达到这个目的，本发明的目的提出了一种光电子半导体结构，该光电子半导体结构包括设置在n型注入层与p型注入层之间的基于InGaN的有源层，该p型注入层包括厚度在50mm至350nm之间的第一InGaN层，以及设置在第一层上的具有GaN表面部分的第二层。
根据本发明的其他有利和非限制性特征，单独地或以任何技术上可行的组合来采取：
-GaN表面部分具有小于50nm的厚度；
-第二层由GaN制成；
-第二层由InGaN层组成，该InGaN层的铟成分朝向表面从初始值减少到零；
-p型注入层包括位于GaN的表面部分上并与其接触的InGaN互补层；
-n型注入包括超晶格。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过参考附图[图1]从以下的本发明的详细描述中变得明显，图1表示根据本发明的设置于生长介质上的光电半导体结构。
具体实施方式
图1示出了设置在生长载体1上的多个光电半导体结构SC，在这种情况下为LED。
结构SC包括n型注入层5、p型注入层7以及设置在这两个层之间的LED有源层6。
生长载体1是“岛”载体，其详细描述可以在本申请的引言部分中引用的文献中找到。因此，其包括例如蓝宝石的基础衬底2、由诸如二氧化硅或氮化硅的材料或多种电介质材料形成的中间层3、以及多个至少部分弛豫的生长岛4。
通常，生长岛4由具有通式AlInGaN的材料制成，并且具有与InGaN层的固有晶格参数相对应的晶格参数，铟含量在5％至40％之间。
在图1的示例中，生长岛4由铟含量为15％的InGaN组成，并且是90％弛豫的。
在生长岛4上，通过常规的外延技术形成有多个半导体结构SC。这些外延技术可以是气相金属有机沉积(英文缩写MOCVD)技术或分子束外延(MBE)技术。
结构SC在这里由InGaN的n型注入层5形成，n型注入层5例如掺杂有1018至1019cm-3量级浓度的硅。其的铟浓度大约等于构成岛4的材料的铟浓度，大约13.5％，从而与它们的晶格参数匹配或保持注入层5处于轻微的拉伸应变下。该层的厚度通常为100nm至400nm或更大。
在图1所示示例的另选方案中，n型注入层5可以被制成为超晶格或包括超晶格。这可以涉及多个非常薄的AlInGaN基本层，其厚度小于几十纳米，例如30nm，并且具有不同的性质。因此，注入层5可以通过重复包括InGaN的第一基本层和GaN、AlN或AlGaN的第二基本层的周期性结构来形成。基本层的厚度都小于它们的临界弛豫厚度。
构成超晶格的各个层的铝、铟和镓的比例以及厚度应被选择成使得相应均匀组成成分的层具有基本上等于生长岛4的晶格参数的固有晶格参数。如在均匀注入层5的情况下，在半导体结构的生长期间在其中累积的拉伸或压缩应力因此受到限制。
回到对图1的描述，光电半导体结构SC还包括位于n型注入层5上的有源层6。该层由多个交替的InGaN阻挡层-量子阱层形成。阻挡层的铟浓度类似于n型注入层5的铟浓度，在这种情况下为约13.5％。InGaN量子阱层具有根据期望的发射波长选择的铟浓度。在所示示例中，该浓度为25％。
更一般地，有源层是基于石墨烯的。量子阱层可以由呈现第一铟浓度的InGaN制成，并且阻挡层可以由呈现低于第一浓度的第二铟浓度的InGaN制成。阻挡层也可以由GaN或AlGaN制成，但是本发明优选涉及其中量子阱层和阻挡层都由InGaN制成的有源层。而且，薄的中间层，例如由AlGaN制成，可以插入在阻挡层与量子阱层之间。
SC半导体结构具有位于有源层6上的p型注入层7。
该注入层7由第一层7a构成，该第一层7a由p掺杂的InGaN构成，例如引入了约1018cm-3的Mg浓度。该第一层7a通常具有在50nm至350nm之间的厚度。该层的晶格参数旨在与上面形成该层的叠层的晶格参数相匹配。以非常总体的方式，该第一层7a的铟浓度对应于n型注入层5的铟浓度，这里为13.5％的量级。如引言中所述，该p型注入层7可以具有至少部分贯通的四棱锥形缺陷。
为了限制这些缺陷的不利影响，计划在第一层7a上形成第二重叠层7b。
该第二层7b包括至少一个GaN浅表部分，以避免出现在InGaN中发展的四棱锥形表面缺陷，该四棱锥形表面缺陷可以会形成针对液体处理剂的贯通通道。
根据第一方案，第二层7b由p型GaN层形成。为了避免该层在其拉伸应力作用下的任何裂纹，该层呈现非常薄的厚度，例如小于50nm或30nm或甚至10nm。其可以用1019cm-3至1022cm-3之间的浓度掺杂Mg。
根据第二方案，第二层7b由p掺杂层形成，该p掺杂层的组成成分具有通式InGaN，并且该p掺杂层的铟成分总体上从第一层7a侧上的初始值降低到其相反侧上的零值。这样，第二层7b形成有GaN表面部分。并且获得与第一方案中所描述的相同的重叠效果。在该第二方案中，第二层7b还掺杂有例如Mg，以在1019cm-3至1022cm-3之间的浓度。该层的厚度小于100nm，以避免裂纹。
该第二层7b的GaN表面部分必须相对较薄，几十nm，例如50nm，以避免出现裂纹。
无论使用哪种方案来形成第二层7b，都可以形成InGaN的互补层7c，其铟成分可以自由选择，优选地类似于第一层7a的铟成分。该互补层具有高达100nm的厚度。互补层7c补偿了在第二层7b的GaN表面部分中产生的张力。其可能具有一些穿透缺陷，应当理解的是SC结构整体上被第二层7b保护来免受任何液体处理剂的影响。
符合本说明书的SC光电半导体结构包括具有保护层的InGaN p掺杂注入层。该保护层不具有任何结构缺陷，例如裂纹或四棱锥。因此，在形成该结构之后，可以施加完全常规的处理，例如基于液体剂，液体剂不需要为了考虑存在贯通缺陷而被替换。
当然，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行变化。
特别地，光电子半导体结构SC可以包括所述有源层6、n型注入层5和p型注入层7之外的附加层。例如，光电半导体结构可以包括设置在有源层与p型注入层之间的电子阻挡层，如在本领域中已知的。这种电子阻挡层可以由铟浓度低于第一InGaN层7a中的铟浓度的薄层(即通常为20nm)形成。
虽然已经指出生长衬底是岛衬底，但是其可以是允许生长基于InGaN的光电半导体结构的任何其它性质的衬底。
Claims (6)
1.一种光电半导体结构SC，所述光电半导体结构包括设置在n型注入层(6)与p型注入层(7)之间的基于InGaN的有源层(5)，所述p型注入层(7)包括厚度在50nm至350nm之间的第一InGaN层(7a)，以及设置在所述第一层(7a)上的具有GaN表面部分的第二层(7b)。
2.根据前一权利要求所述的半导体结构SC，其中，所述GaN表面部分具有小于50nm的厚度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构SC，其中，所述第二层(7b)由GaN制成。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体结构SC，其中，所述第二层(7b)由InGaN层构成，所述InGaN层的铟成分朝向所述表面从初始值减小到零。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构SC，其中，所述p型注入层(7)包括位于所述GaN表面部分上并与其接触的InGaN互补层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，其中，所述n型注入包括超晶格。
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