CN114207845A - 功率光电二极管结构、制造方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
根据本公开，提供了与基于III族金属氮化物和镓基衬底的功率光电二极管结构和器件的制造和应用相关的技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于制作包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN结构和器件中的一个或多个的光电二极管器件的技术。此类结构或器件能够被用于包括光电子器件、光电二极管、光纤供电接收器等的各种应用。
Description
背景技术
技术领域
本公开通常涉及用于通过光纤传输功率(power，电力或能量)的技术，并且具体地，涉及用于在含有极性、半极性或非极性材料的块状镓和氮上制作的高电流密度功率光电二极管结构和器件的技术。本发明能够被应用于涉及特别经由光纤、其他光电器件和类似产品将光能转换为电能的应用。
相关技术描述
电功率或电力(Electrical power)通常通过电线(例如铜电线)传输。然而，此类电线可能重量重、笨重且昂贵，并且所传输的功率可能经受电磁干扰。这些限制中的一些能够通过在光纤上传输功率来克服，但遗憾的是，在当前能力情况下此类方法在商业上尚不可行。另外，当前方法通常涉及红外波长下的光，其相对于可见光来说具有某些缺点，诸如对周围环境中的温度变化的敏感性更大。
基于氮化镓(GaN)的光电子和电子器件具有巨大的商业重要性。这些器件中发展最好的包括发光二极管(LED)和激光二极管，并且基于GaN的功率二极管和晶体管正变得日益重要。人们对新兴应用也感兴趣。De Santi和合著者[Materials 11,153(2018)]描述了一种应用，借此使用激光二极管来将电功率转换为光功率，光功率耦合到光纤并传输到远程位置，然后使用光电二极管来将光功率转换回为电能。激光二极管和光电二极管都是基于蓝宝石上GaN器件并且系统性能相对差。光电二极管是一个特别的挑战，报告的效率为17％。许多团队也报告了基于GaN的太阳能电池，通常将蓝宝石上GaN结构用于低功率(大约一个太阳)应用。甚至在本领域中对于其他材料系统众所周知的聚光器太阳能电池结构也仅仅能够产生比作为当前发明的主要焦点的那些低得多的电流密度。
在激光二极管的情况下，众所周知，能够在GaN上GaN(GaN-on-GaN)器件中获得优异的性能和可靠性，所述GaN上GaN器件具有大大减小的缺陷密度并且已经历许多年的优化和改进。在光电二极管的情况下，已完成的工作相当少。例如，D’Evelyn等人[US 6,806,508]公开了一种GaN上GaN光电二极管，但是没有报告详细的性能特性并且该器件意在用于供光电检测器应用，而不是意在用于涉及光纤的功率二极管应用。
已公开了在近红外波长下使用基于GaAs的激光器和光电二极管的相关申请。然而，由于其较大的带隙，相对于对应基于GaAs的器件和系统，基于氮化物的光电二极管应该在升高的温度下并在高输入功率水平下实现相当更高的开路电压和优异的效率。
从上文看出，用于改进基于GaN的功率光电二极管的技术是高度期望的。
发明内容
本公开的实施方式可以提供一种光电二极管结构，该光电二极管结构包括具有第一表面和第二表面的衬底，其中衬底的第二表面与第一表面相反，衬底是单晶III族金属氮化物，并且衬底的第一表面具有在(0001)+c面、{10-10}m面或选自{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0-1±2}、{1 0-1±3}之一的半极性面的5度内的结晶定向(或取向)，或者与(000-1)相差介于2度与5度之间。该光电二极管结构还包括：设置在衬底的第一表面上方的n型层和p型层，其中n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少1×1017cm-3的掺杂剂浓度；设置在n型层与p型层之间的一个或多个吸收体层，其中该一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度；设置在p型层上方的p侧电接触层，其中该p侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率和低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在衬底的第二表面上方的n侧电接触层，其中该n侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；以及光接收表面，其中该光接收表面被对准(或调准)以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在该光接收表面上的光从n侧电接触层且从p侧电接触层反射至少一次。该光电二极管结构还可以特征在于在产生至少10Acm-2的电流密度的光照水平下的填充因子至少50％。
本公开的实施方式还可以提供一种光电二极管结构，该光电二极管结构包括：一个或多个吸收体层，其中该一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1；n型层和p型层，其中一个或多个吸收体层设置在n型层上方并且p型层设置在一个或多个吸收体层上方；具有第一表面和第二表面的载体衬底，其中该载体衬底的第一表面设置在p型层上方或在n型层下方；被放置为与p型层电接触的p侧电接触层，其中p侧电接触层具有低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在p型层和载体衬底的第二表面之一上的p侧反射器层，该p侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率；被放置为与n型层电接触的n侧电接触层，其中该n侧电接触层具有低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；设置在n侧层和载体衬底的第二表面之一上方的n侧反射器层，该n侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率；以及光接收表面，其中该光接收表面被对准以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在该光接收表面上的光从n侧反射器层且从p侧反射器层反射至少一次。n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少为1×1016cm-3的掺杂剂浓度。载体衬底在介于390纳米与460纳米之间的波长下是大体上透明的。
本公开的实施方式还可以提供一种光电二极管结构，该光电二极管结构包括具有第一表面、第二表面和第三表面的衬底、设置在衬底的第一表面上方的n型层和p型层、设置在n型层与p型层之间的一个或多个吸收体层、设置在p型层上方的p型电极层、设置在衬底的第二表面上方的n型电极层和光接收表面，其中第三表面包括光接收表面并且被配置为使穿过其接收的光在n型电极层与p型电极层之间反射至少一次。n型电极层包括形成在其中的开口阵列(an array of openings)，并且在介于390纳米与460纳米之间的波长下具有至少70％的平均反射率。p型电极层包括形成在其中的开口阵列，并且在介于390纳米与460纳米之间的波长下具有至少70％的平均反射率。一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN材料，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度。n型层和p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN材料，其中0≤x、y、x+y≤1；并且具有至少1×1016cm-3的掺杂剂浓度。衬底的第二表面与第一表面相反，衬底的第三表面以一定角度与第一表面和第二表面对准，衬底是单晶III族金属氮化物，并且衬底的第一表面具有在(0001)+c面、{10-10}m面或选自{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0-1±2}、{1 0-1±3}之一的半极性面的5度内的结晶定向，或者与(000-1)相差介于2度与5度之间。
本公开的实施方式可以包括一种光电二极管结构，该光电二极管结构包括位于n型与p型层之间的一个或多个吸收体层，吸收体及n型和p型层中的每一个包含AlxInyGa1-x- yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有低于约109cm-2的位错密度，n型和p型非吸收体层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1016cm-3，其中吸收体层被配置用于波长在约390纳米与460纳米之间的光的高效功率转换；并且该结构的特征在于在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下填充因子为至少50％。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施方式具有在上面简要地概述的本公开的更特定描述，一些实施方式被图示在附图中。然而，应当注意，附图仅图示示例性实施方式并且因此不应被认为限制其范围，而且可以允许其他同样有效的实施方式。
图1是图示已根据本公开的一个实施方式制备的基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图2是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图3是图示已根据本公开的一个实施方式制备的另一替代基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图4是图示根据本公开的一个实施方式的光电二极管的填充因子的定义的简化图。
图5是图示根据本公开的第一比较实施方式的光电二极管的照射电流-电压行为和填充因子的简化图。
图6是图示根据本公开的第二比较实施方式的光电二极管的照射电流-电压行为和填充因子的简化图。
图7是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构内的半导体层的示意图示的简化图。
图8A、图9A和图10A是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图8B、图9B和图10B是示出根据本公开的一个实施方式的光电二极管结构内的作为位置的函数的局部能带结构的简化图。
图11是示出根据本公开的一个实施方式的被照射光电二极管结构的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图12是示出根据本公开的一个实施方式的被照射光电二极管结构的作为施加电压的函数的光电流的简化图。
图13A和图13D是图示已根据本公开的一个实施方式制备的另一替代基于氮化物的功率光电二极管结构的简化图。
图13B和图13C是图示根据本公开的一个实施方式从基于氮化物的功率光电二极管结构去除衬底的方法的简化图。
图14A和图14B是图示已根据本公开的一个实施方式制备的替代光电二极管结构的简化图。
图15包括根据本公开的一个或多个实施方式的InGaN/GaN光电二极管结构的被照射I-V性能(illuminated I-V performance)特性的表。
为了方便理解，在可能的情况下，已使用了相同的附图标记来标明为各图所共有的相同的元素。设想了一个实施方式的元素和特征可以被有益地并入在其他实施方式中，而不用进一步叙述。
具体实施方式
根据本公开，提供了与基于III族金属氮化物和镓基衬底的功率光电二极管结构和器件的制造和应用相关的技术。更具体地，本公开的实施方式包括用于制作包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN结构和器件中的一个或多个的光电二极管器件的技术。此类结构或器件能够被用于包括光电子器件、光电二极管、光纤供电(power-over-fiber)接收器等的各种应用。
如先前所指出的，激光器和光电二极管在GaAs材料系统中得到更好地发展。砷化物和氮化物系统之间的材料性质方面的关键差异之一是带隙在砷化物的情况下可以容易地变化而对晶格常数的影响最小，例如经由AlGaAs，但是在氮化物的情况下则不然。包含氮化物吸收体层的传统光电二极管封装架构可能需要大约数百纳米数的吸收体层厚度来吸收大多数入射光。假定1×105cm-1的吸收体层吸收系数，在单遍(single pass)中吸收的光对50nm、100nm、200nm、300nm和400nm的厚度来说分别是大约39％、63％、87％、95％和98％。在氮化物的情况下，具有充足铟(In)以高效地吸收蓝光或紫外光的这种厚度的InGaN可能太过应变(strained)而无法避免因位错产生引起的松弛或因破裂引起的松弛。发明人已发现规避此问题的方法，涉及穿过吸收体层的长光路以实现接近100％的光吸收，甚至采用相对薄的吸收体层也实现接近100％的光吸收。附加好处包括优异的散热、零网格阴影损耗或非常低的网格阴影损耗和有效少数载流子寿命长。这里，有效少数载流子寿命包括光子回收，光子回收被定义为由吸收体层发射的光子的再吸收。
另外，光电二极管结构，诸如外延生长层的堆叠，与用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的结构既具有相似之处，也具有不同之处。例如，LED和LD结构通常都在p型层内包括电子阻挡层，以使来自有源区域的电子损耗最小化并且促进有源区域内的辐射载流子复合(recombination)。然而，此类结构可以增加光电二极管结构的串联电阻并且可能适得其反。类似地，LD结构通常包括包覆层、光限制层和单独的限制异质结构(SCH)层中的一个或多个，它们可以降低光电二极管的性能，因为它们的设计是通过与本申请不同的考虑事项驱动的。
出于为光电二极管设计有效外延结构的目的，一般而言并且对于有源层包括InGaN或Ga(In)N或者由InGaN或Ga(In)N构成的特定情况，针对少数载流子的高水平的有源层光吸收和收集效率将增加检测灵敏度和工作电流Imp。低浓度的缺陷(包括点缺陷和扩展缺陷，诸如位错和堆叠故障)将减少肖克利-雷德-霍尔非辐射复合，从而导致更高的工作电压Vmp。低浓度的缺陷还可以在高光条件下(即，高光功率(瓦特)条件下)实现改进的光电二极管性能。可以将光电二极管的效率η写为η＝Vmp×Imp/Pin，其中Pin是输入辐射功率。
表达光电二极管效率η的另一方式是η＝Voc×Isc×FF/Pin，如图4示意性地图示的，其中Voc是开路电压，Isc是短路电流，并且FF是填充因子。表达半导体光电二极管的效率η的方法的再一方式是η＝(eVoc/Eg)×OA×IQE×FF×Eg/(hv)，其中e是电子的电荷，Eg是半导体的带隙，OA是光吸收(或在吸收体层中吸收的入射光子的分数)，IQE是内部量子效率(产生被收集的电子-空穴对的被吸收光子的分数)，h是普朗克常数，并且v是光子能量。在优选实施方式中，FF大于50％、大于60％、大于70％、大于80％或大于90％。
相对于为低得多的光子通量设计的现有技术的光电二极管(大多数使用蓝宝石上GaN结构制作的)，本发明的光电二极管(包括GaN上GaN结构)具有高转换效率的特点，这是由于对半导体层的组分和掺杂的精心优化并且由于具有高反射率以便与多反射激发架构一起使用且具有非常低的接触电阻以使高电流密度下的横向欧姆损耗最小化的大面积p侧和n侧电触点。在某些实施方式中，当前的光电二极管结构是为光照由单个激光器或多个激光器提供并且通过边缘或通过孔径进入结构的应用所设计的，如图2示意性地所示。在某些实施方式中，使用光纤、透镜或波导，使激光耦合到光电二极管结构的边缘中或者耦合到形成在光电二极管结构中的孔径中。在某些实施方式中，本发明的光电二极管结构进一步包含低得多的位错密度，其中对更高的电流来说少数载流子扩散长度较长加上对更高的开路电压和填充因子来说少数载流子寿命较长。另外，本发明的器件可以包括导电衬底，从而使得能够在垂直定向的功率器件中垂直输送以获得实现更简单的设计和减小的串联电阻，并且实现具有与吸收体层的折射率非常类似的折射率的透明衬底，从而使光损耗最小化。在某些实施方式中，衬底具有非极性或半极性结晶定向，从而使得能够调谐偏振场以获得最佳器件性能。
图1-3描绘基于III族金属氮化物的光电二极管结构的简化图。参考图1，提供了衬底101。在某些实施方式中，衬底101包括单晶III族金属氮化物、含镓氮化物或氮化镓。衬底101可以通过HVPE、氨热法或通过焊剂方法(flux method)生长。在某些实施方式中，衬底101是模板，其中单晶III族金属氮化物层1104已被沉积或生长在由诸如蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅构成或包含它们的模板衬底1101上。在替代实施方式中，模板衬底1101可以由以下项构成或包含以下项：砷化镓、锗、硅锗合金、MgAl2O4尖晶石、ZnO、ZrB2、BP、InP、AlON、ScAlMgO4、YFeZnO4、MgO、Fe2NiO4、LiGa5O8、Na2WO4O4、In2CdO4、铝酸锂(LiAlO2)、LiGaO2、Ca8La2(PO4)6O2、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等。衬底101的一个或两个大面积表面可以被抛光和/或化学机械地抛光。衬底101的大面积表面102可以具有在(0001)+c面、(000-1)-c面、{10-10}m面、{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1 ±2}、{1 0 -1±3}、{2 1 -3 ±1}或{3 0 -3 ±4}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向。应理解，面{3 0 -3 ±4}意指{3 0 -3 4}面和{3 0 -3 -4}面。表面102可以具有(h k i l)半极性定向，其中i＝-(h+k)并且l以及h和k中的至少一个是非零的。在某些实施方式中，模板衬底1101由蓝宝石构成或包含蓝宝石，并且具有结晶定向在(0001)、(10-10)、(10-12)、(22-43)或(11-23)的5度内、2度内、1度内或0.5度内的大面积表面。在某些实施方式中，模板衬底1101由蓝宝石构成或包含蓝宝石，并且具有从(0001)起朝向{11-20}a面、朝向{10-10}m面或朝向介于a面与m面之间的a面中间面(intermediate)错误定向介于约0.5度与约8度之间或介于约2度与约4度之间的角度的大面积表面。在某些实施方式中，模板衬底1101具有立方结构以及结晶定向在{111}、{100}、{110}或{114}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的大面积表面。也可以选取其他定向。
表面102可以具有介于约0.2毫米与约600毫米之间的最大尺寸和介于约0.2毫米与约600毫米之间的最小尺寸，并且衬底101的厚度可以介于约10微米与约10毫米之间，或介于约100毫米与约2微米之间。在某些实施方式中，衬底101是大体上圆形的，具有一个或多个定向平面。在替代实施方式中，衬底101是大体上矩形的。在某些实施方式中，大面积表面102具有约50mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm或300mm的最大尺寸。大面积表面102的结晶定向的变化可以小于约5度、小于约2度、小于约1度、小于约0.5度、小于约0.2度、小于约0.1度、或小于约0.05度。
衬底101可以具有小于约107cm-2、小于约106cm-2、小于约105cm-2、小于约104cm-2、小于约103cm-2、或小于约102cm-2的表面穿透位错密度。衬底101可以具有低于约104cm-1、低于约103cm-1、低于约102cm-1、低于约10cm-1或低于约1cm-1的堆叠故障浓度。衬底101可以具有小于约500弧秒(arcsec)、小于约300弧秒、小于约200弧秒、小于约100弧秒、小于约50弧秒、小于约50弧秒、小于约35弧秒、小于约25弧秒、或小于约15弧秒的对称x射线摇摆曲线半最大值全宽(FWHM)。衬底101可以具有在至少一个或至少两个独立或正交方向上大于0.1米、大于1米、大于10米、大于100米、或大于1000米的结晶曲率半径。在一个特定实施方式中，衬底101具有小于约105cm-2的表面穿透位错密度、低于约10cm-1的堆叠故障浓度和小于约50弧秒的对称x射线摇摆曲线半最大值全宽(FWHM)。相对于大多数现有技术的光电二极管，衬底中减小的位错密度预期导致光电二极管的半导体层中的位错密度减小并且在高电流密度下导致更高的效率和更高的开路电压Voc。
在一些实施方式中，衬底101可以包括被具有相对低浓度的穿透位错的区域分离的具有相对高浓度的穿透位错的区域。相对高浓度区域中的穿透位错的浓度可以大于约105cm-2、大于约106cm-2、大于约107cm-2、或大于约108cm-2。相对低浓度区域中的穿透位错的浓度可以小于约106cm-2、小于约105cm-2、或小于约104cm-2。衬底101还可以或单独地包括被具有相对低的导电性的区域分离的具有相对高的导电性的区域。衬底101可以具有介于约10微米与约100毫米之间或介于约0.1毫米与约10毫米之间的厚度。衬底101可以具有至少约5毫米、至少约10毫米、至少约25毫米、至少约50毫米、至少约75毫米、至少约100毫米、至少约150毫米、至少约200毫米、至少约300毫米、至少约400毫米、或至少约600毫米的尺寸，包括直径。在一个特定实施方式中，衬底101具有介于约250微米与约600微米之间的厚度、介于约15毫米与约160毫米之间的最大横向尺寸或直径，并且包括其中穿透位错的浓度小于约104cm-2的区域。
衬底101可以包括用于使表面层1104与衬底的其余部分(例如模板衬底1101)容易分离的释放层1103。在一些实施方式中，释放层1103在至少一个波长下具有大于1000cm-1的光吸收系数，其中模板衬底是大体上透明的，具有小于50cm-1的光吸收系数，从而使得能够(例如在制作至少一个器件结构之后)通过激光剥离技术去除衬底。在某些实施方式中，释放层1103包含大量掺杂(heavily doped)有Co的GaN或者由大量掺杂有Co的GaN构成，从而在整个可见光谱之上将其光吸收系数增加到大于5000cm-1。在一个特定实施方式中，在模板衬底1101上以氨热方式形成厚度介于0.5微米与50微米之间的掺杂Co的释放层1103，其中CoF2作为矿化剂的添加剂，并且模板1101由高质量GaN籽晶构成。在另一特定实施方式中，使用环戊二烯基二羰基钴((C5H5)Co(CO)2)、钴(II)乙酰丙酮化物(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2)、三羰基亚硝基钴(Co(CO)3NO)、八羰基二钴(Co2(CO)8)和十二羰基四钴(Co4(CO)12)中的至少一种作为掺杂剂前体，通过MOCVD在高质量GaN衬底1101上形成掺杂Co的释放层1103。在再一特定实施方式中，使用环戊二烯基二羰基钴((C5H5)Co(CO)2)、钴(II)乙酰丙酮化物(Co(CH3C(O)CHC(O)CH3)2)、三羰基亚硝基钴(Co(CO)3NO)、八羰基二钴(Co2(CO)8)和十二羰基四钴(Co4(CO)12)中的至少一种作为掺杂剂前体，通过氢化物气相外延(HVPE)在高质量GaN衬底1101上形成掺杂Co的释放层1103。进一步细节在美国专利8,148,801中被描述，该美国专利通过引用整体地并入本文。在一些实施方式中，释放层1103包含InGaN并且具有小于下述吸收体层的带隙的带隙，从而使得能够(例如在制作至少一个器件结构之后)通过光电化学蚀刻技术去除衬底。在一个特定实施方式中，释放层1103包括InGaN和GaN或AlGaN的应变层超晶格或者由InGaN和GaN或AlGaN的应变层超晶格构成，其中应变层超晶格中的铟(In)百分比(％)大于吸收体层中的铟(In)百分比(％)，并且通过MOCVD在高质量GaN衬底1101上生长。InGaN释放层的进一步细节在美国专利8,866,149中且在美国专利申请公开号US2019/00884951中被更详细地描述，两个专利都通过引用整体地并入本文。
在某些实施方式中，衬底101由接合到或形成在模板衬底1101的表面上的III族金属氮化物层1104构成。III族金属氮化物层1104可以包含镓。III族金属氮化物层可以通过HVPE、通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等沉积。III族金属氮化物层1104的厚度可以介于约1微米与约100微米之间、介于约2微米与约25微米之间、或介于约3微米与约15微米之间。在某些实施方式中，III族金属氮化物层1104具有纤锌矿晶体结构以及在(0001)+c面、(000-1)-c面、{10-10}m面、{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1 ±2}、{1 0 -1 ±3}、{2 1 -3 ±1}、或{3 0 -3 ±4}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向。在某些实施方式中，成核层(未示出)存在于模板衬底1101与III族金属氮化物层1104之间的界面处。在某些实施方式中，成核层由氮化铝、氮化镓和氧化锌中的一种或多种构成或者包括氮化铝、氮化镓和氧化锌中的一种或多种。在某些实施方式中，成核层通过低温MOCVD、溅射和电子束蒸发中的至少一种被沉积在模板衬底1101上。在某些实施方式中，成核层的厚度介于约1纳米与约200纳米之间或介于约10纳米与约50纳米之间。在某些实施方式中，衬底还包括一个或多个应变管理层，例如，AlGaN层或应变层超晶格。
在某些实施方式中，表面102具有高于约1×1016cm-3、高于约1×1017cm-3或高于约1×1018cm-3的氧(O)和氢(H)中的至少一种的原子杂质浓度。在某些实施方式中，H的原子杂质浓度与O的原子杂质浓度的比率介于约1.1与约1000之间，或介于约5与约100之间。在某些实施方式中，表面102具有高于约1×1015cm-3、高于约1×1016cm-3、或高于约1×1017cm-3、高于约1×1018cm-3的锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)中的至少一种的杂质浓度。在某些实施方式中，表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3与2×1019cm-3、低于1×1017cm-3、低于1×1016cm-3和低于1×1016cm-3的O、H、碳(C)、Na和K的杂质浓度。在另一实施方式中，表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3和2×1019cm-3之间、低于1×1017cm-3和介于约3×1015cm-3与1×1018cm-3之间的Na和K中的至少一种以及O、H、C的杂质浓度。在再一实施方式中，表面102具有分别如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约1×1016cm-3与1×1019cm-3之间、介于约1×1016cm-3与约2×1019cm-3之间、低于1×1017cm-3和介于约1×1015cm-3与1×1019cm-3之间的F和Cl中的至少一种以及O、H、C的杂质浓度。在一些实施方式中，表面102具有如通过校准二次离子质谱法(SIMS)量化的介于约5×1017cm-3与1×1019cm-3之间的H的杂质浓度。在一个特定实施方式中，衬底101在约3175cm-1下具有红外吸收峰，其中每单位厚度的吸光度大于约0.01cm-1。
衬底101可以特征在于大体上不含任何立方实体或其他晶体结构的纤锌矿结构，其他结构相对于大体上纤锌矿结构在体积上小于约0.1％。
衬底101可以特征在于总厚度变化(TTV)小于约25微米、小于约10微米、小于约5微米、小于约2微米或小于约1微米，并且宏观弓形小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约25微米或小于约10微米。衬底101可以在直径或特征尺寸大于约100微米的表面102上具有小于约2cm-2、小于约1cm-2、小于约0.5cm-2、小于约0.25cm-2、或小于约0.1cm-2浓度的宏观缺陷。跨衬底101的大面积表面102的错切角的变化在两个正交结晶方向中的每一个方向上可以小于约5度、小于约2度、小于约1度、小于约0.5度、小于约0.2度、小于约0.1度、小于约0.05度、或小于约0.025度。如在至少10μm×10μm的面积之上测量的表面102的均方根表面粗糙度可以小于约0.5纳米、小于约0.2纳米、小于约0.15纳米、小于约0.1纳米、或小于约0.05纳米。衬底101可以特征在于载流子浓度介于约1×1017cm-3与约3×1019cm-3之间并且载流子迁移率大于约100cm2/V-s的n型导电性。在某些实施方式中，衬底101是高度透明的，其中光吸收系数在405纳米或450纳米的波长下小于约10cm-1、小于约5cm-1、小于约2ccm-1、小于约1cm-1、小于约0.5cm-1、小于约0.2cm-1、或小于约0.1cm-1。
在某些实施方式中，一个或多个n型第一非吸收体层105(包含AluInvGa1-u-vN层，其中0≤u、v、u+v≤1)被沉积在衬底上。在某些实施方式中，沉积一个或多个附加层以帮助管理整体结构中的应力。第一非吸收体层105中的载流子浓度可以位于介于约1016cm-3与1020cm-3之间的范围内。在某些实施方式中，硅、锗或氧是第一非吸收体层105中的掺杂剂。在某些实施方式中，选择锗作为n型掺杂剂。在某些实施方式中，第一非吸收体层105中的载流子浓度位于介于5×1017cm-3与1020cm-3之间或介于2×1018cm-3和6×1019cm-3之间的范围内。如果衬底105具有(0001)+c面定向，则高掺杂水平可以是特别期望的，因为可以更有效地屏蔽压电场以进行高效载流子收集。可以在第一非吸收体层内的界面处包含(incorporate)突变(abrupt)或渐变组成(grade composition)或掺杂分布(dopingprofiles)。可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来执行沉积。例如，可以将衬底放置在MOCVD反应器中的衬托器上。在关闭、抽空和回填反应器之后，可以在存在含氮气体的情况下将衬托器加热至介于约800摄氏度与约1350摄氏度之间的温度。在一个特定实施方式中，衬托器在流动氨下被加热至大约1185摄氏度。可以在载气中以介于大约1标准立方厘米/分钟(sccm)与50标准立方厘米/分钟(sccm)之间的总速率发起含镓金属有机前体(诸如三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)或三异丙基镓)的流动。载气可以包括氢气、氦气、氮气或氩气。在生长期间V族前体(氨)的流动速率与III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流动速率的比率介于约2000与约12000之间。可以按介于约0.1sccm与10sccm之间的总流动速率发起在载气中的乙硅烷的流动。在某些实施方式中，通过向输入气体添加SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、GeH4、GeCl4、O2和H2O中的一种或多种来实现掺杂。在某些实施方式中，一个或多个非吸收体层是变质缓冲层并且促进各层之间的晶格常数差异的调节。在某些实施方式中，第一非吸收体层中的掺杂水平可以是不均匀的，具有两个或更多个掺杂水平和/或渐变掺杂水平。在某些实施方式中，衬底温度在第一非吸收体层的沉积期间变化。在某些实施方式中，衬底温度对于第一非吸收体层的第一部分被保持在高值，例如，介于1100摄氏度与1350摄氏度之间，然后降低到较低值，例如对于第一吸收体层的第二部分，降低到与沉积吸收体层时的温度相同的温度，例如，介于约700摄氏度与约950摄氏度之间。在某些实施方式中，第一非吸收体层的第二部分的厚度介于约1纳米与约20纳米之间。
在将n型第一非吸收体层105沉积预定时间段以便达到预定厚度之后，沉积吸收体层107。在某些实施方式中，在介于约700摄氏度与约950摄氏度之间的衬底温度下通过MOCVD沉积吸收体层。可以通过在MOCVD中使用三甲基铟(TMIn)、三乙基铟(TEIn)和三异丙基铟中的至少一种作为前体来将铟添加到吸收体层。可以将吸收体层的沉积速率选取为位于约0.005纳米每秒与约1纳米每秒之间，或位于约0.01纳米每秒与约0.5纳米每秒之间，或位于约0.02纳米每秒与约0.2纳米每秒之间。在某些实施方式中，吸收体层是无意掺杂的。在某些实施方式中，吸收体层是使用氧、硅或锗作为掺杂剂的n型掺杂的，其中掺杂剂浓度介于约5×1015cm-3与约5×1019cm-3之间，或介于约5×1016cm-3与约5×1018cm-3之间。在某些实施方式中，吸收体层是使用Mg作为掺杂剂的p型掺杂的，其中掺杂剂浓度介于约5×1015cm-3与约5×1019cm-3之间，或介于约5×1016cm-3与约约5×1018cm-3之间。吸收体层可以包括单量子阱或多量子阱，具有2-50个量子阱。在一些实施方式中，吸收体层包括介于约10个与约30个之间的量子阱。量子阱可以包括InGaN阱和GaN势垒层。在其他实施方式中，阱层和势垒层分别包含AlwInxGa1-w-xN和AlyInzGa1-y-zN，其中0≤w、x、y、z、w+x、y+z≤1，其中w<u、y和/或x>v、z，使得阱层的带隙小于势垒层和非吸收体层的带隙。阱层和势垒层可以各自具有介于约0.5纳米与约20纳米之间的厚度。在某些实施方式中，势垒层的厚度介于约1纳米与约3纳米之间、介于约3纳米与约5纳米之间、介于约5纳米与约10纳米之间、或介于约10纳米与约15纳米之间。在某些实施方式中，阱层的厚度介于0.5纳米与约1.5纳米之间、介于约1.5纳米与约2.5纳米之间、介于约2.5纳米与约3.5纳米之间、介于约3.5纳米与约4.5纳米之间、或介于约4.5纳米与约10纳米之间。在另一实施方式中，吸收体层包括双异质结构或者由双异质结构构成，其中约20nm至约500nm厚的InGaN或AlwInxGa1-w-xN层被GaN或AlyInzGa1-y-zN层围绕，其中w<u、y和/或x>v、z。在某些实施方式中，双异质结构的厚度介于约10纳米与约25纳米之间、介于约25纳米与约40纳米之间、介于约40纳米与约60纳米之间、介于约60纳米与约100纳米之间、介于约100纳米与约200纳米之间、或比约200纳米厚。可以在吸收体层内的界面处包含突变或渐变组成或掺杂分布。有源层的组成和结构被选取为在预选波长下例如在405纳米下或在450纳米下提供光吸收。在某些实施方式中，波长被选择为位于约400纳米至约500纳米之间。吸收体层可以由光致发光光谱学表征。在某些实施方式中，吸收体层的组成被选取为使得光致发光光谱具有在比光电二极管结构的期望吸收波长长了介于5纳米与50纳米之间或长了介于10纳米与25纳米之间的波长上的峰。在某些实施方式中，吸收体层内的质量和层厚度由x射线衍射表征。
在一些实施方式中，接下来沉积一个或多个附加第二非吸收体层109。第二非吸收体层109可以包含AlsIntGa1-s-tN，其中0≤s、t、s+t≤1，具有比吸收体层高的带隙，并且可以是p型掺杂的。在一个特定实施方式中，第二非吸收体层109包括AlGaN。在另一实施方式中，非吸收体层109包括AlGaN/GaN多量子势垒(MQB)，包括AlGaN和GaN的交替层，每个层的厚度介于约0.2nm与约5nm之间。在某些实施方式中，一个或多个非吸收体层是变质(metamorphic)缓冲层并且促进各层之间的晶格常数差异的调节。可以在第二非吸收体层内的界面处包含突变或渐变组成或掺杂分布。在一些实施方式中，调谐非吸收体层的光学设计以达到通过吸收体层从衬底传输的光的大于约70％光反射。
接下来，p型掺杂的AlqInrGa1-q-rN层111(其中0≤q、r、q+r≤1)被沉积在吸收体层上方，并且若存在的话，沉积在第二非吸收体层上方。p型层111可用Mg掺杂至介于约1016cm-3与1021cm-3之间的水平，并且可以具有介于约5纳米与约1微米之间、介于约20纳米与约400纳米之间、或介于约100纳米与约250纳米之间的厚度。在某些实施方式中，最靠近吸收体层的p型层中的Mg的浓度介于1018cm-3与1021cm-3之间、介于3×1018cm-3与3×1020cm-3之间、或介于1019cm-3与2×1020cm-3。如果衬底105具有(0001)+c面定向，则高掺杂水平可以是特别期望的，因为可以更有效地屏蔽压电场以获得高效载流子收集。p型层的最外面1-30纳米与该层的其余部分相比可以被掺杂得更重(heavily，多)，以便实现改进的电接触。在某些实施方式中，衬底温度在p型掺杂层的沉积期间变化。在某些实施方式中，衬底温度对于p型掺杂层的第一部分被保持在低值，例如，与沉积吸收体层时的温度相同的温度，例如，介于约700摄氏度与约950摄氏度之间。然后，衬底温度对于p型掺杂层的第二部分被升高到更高的水平，例如，介于约750摄氏度与约1000摄氏度之间。在某些实施方式中，p型掺杂层的第一部分的厚度介于约1纳米与约20纳米之间、或介于约20纳米与40纳米之间。
在一个特定实施方式中，隧道结和另一n型层被沉积在p型层111之上。在某些实施方式中，一个或多个附加非吸收体层和附加吸收体层被沉积在隧道结上面。
半导体层(包括n型第一非吸收体层105、吸收体层107、一个或多个任选的p型第二非吸收体层109、p型层111，并且还可以包括附加吸收体层层、一个或多个n型包覆层和一个或多个p型包覆层)具有相同的结晶定向(到在衬底101的表面102的结晶定向的约2度内、约1度内、或约0.5度内)，具有非常高的结晶质量，包含氮，并且可以具有低于109cm-2的表面位错密度。半导体层可以具有低于108cm-2、低于107cm-2、低于106cm-2、低于105cm-2、低于104cm-2、低于103cm-2、或低于102cm-2的表面位错密度。在一些实施方式中，半导体层是大体上透明的，其中光吸收系数在介于约700nm与约3077nm之间的波长下并且在介于约3333nm与约6667nm之间的波长下低于100cm-1、低于50cm-1、或低于5cm-1。
在一个特定实施方式中，半导体层具有在m面的五度内的定向并且顶面的1-100x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒、或低于50弧秒。在另一特定实施方式中，半导体层具有在a面的五度内的定向并且顶面的11-20x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒、或低于50弧秒。在又一特定实施方式中，半导体层具有在选自{1 -1 0 ±1}、{1 -1 0 ±2}、{1 -1 0 ±3}、{2 0 -2 ±1}、{3 0 -3 ±1}、或{1 1 -2.+-.2}的半极性定向的五度内的定向并且顶面的最低阶半极性对称x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒或低于50弧秒。在另一特定实施方式中，半导体层具有在(0001)c面的五度内的定向并且顶面的0002x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒、或低于50弧秒。在再一特定实施方式中，半导体层具有在(000-1)c面的十度内的定向并且顶面的0002x射线摇摆曲线的FWHM低于300弧秒、低于100弧秒、或低于50弧秒。
在某些实施方式中，出于工艺开发目的，制作缺失一个或多个上述层的结构可以是有用的。例如，如下所述，可能出于开发或优化反射p型电触点的目的而省略p型GaN层和吸收体层。出于开发或优化吸收体层的电、光和材料性质的目的，可省略p型接触层和p型层中的一个或多个。
半导体层的结晶定向以及掺杂和带隙分布可能对光电二极管的性能具有主要影响。众所周知，对于含有异质结构的+c面GaN基器件，自发压电极化由于Ga-N键的强极性和在纤锌矿晶体结构中缺少反向对称性，能够产生可能导致不利的器件性能的强电场。我们发现这些场可能负面地影响光电二极管结构的性能，特别是在高电流密度下，并且已在本文中确定并公开了克服这些影响的若干方法。
+c面衬底的使用(也就是说，其中结晶定向在(0001)的5度内、2度内、1度内或0.5度内)对于高功率光电二极管结构和光电二极管具有若干优点，包括1)具有大面积外延就绪(epi-ready)衬底的更成熟的商业供应链，2)完善稳定的外延生长条件，以及3)相对容易在许多数量级之上控制掺杂剂浓度。然而，如下面的比较例所图示的，相对标准的LED型结构的使用可能无法实现具有高填充因子的光电二极管。
在某些实施方式中，通过在吸收体层的n侧和p侧二者上使用高掺杂水平，来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响，所述有害影响随着吸收体层中的In百分比增加而变得逐渐更严重。已经调查了在高电流密度下带隙对准和自发压电场对光电二极管性能的影响。在光电二极管性能的分析中使用的半导体层被示意性地示出在图7中。吸收体层730被定位在n型掺杂层710与p型掺杂层750之间。任选地，n型包覆层720被插置在n型掺杂层710与吸收体层730之间。任选地，p型包覆层740被插置在吸收体层730与p型掺杂层750之间。为了简单，吸收体层730被建模为厚度为40纳米的双异质结构，但是当吸收体层由多量子阱(MQW)结构构成或者包括多量子阱(MQW)结构时预期类似的效果。
在吸收体层含有包含In0.18Ga0.82N的一个或多个层(适于吸收波长为约473纳米或更小的光)的情况下，当与吸收体层的第一侧接触的n型层的掺杂水平是2.0×1019cm-3并且与吸收体层的第二侧接触的p型层的掺杂水平是2.0×1019cm-3时短路电流和填充因子非常低，如图8A所示。这种非常差的性能被认为是由于与InGaN和GaN之间的极化不连续性和带偏移(band offsets)相关的电场的差屏蔽而导致的，如图8B所示。然而，当与吸收体层的第一侧接触的n型层的掺杂水平被升高到3.5×1019cm-3并且与吸收体层的第二侧接触的p型层的掺杂水平被升高到6.0×1020cm-3，被照射I-V性能好得多，如图9A所示。这种大大改进的性能是由于与GaN-InGaN界面极为接近并且在吸收体层中的电场的屏蔽好得多而导致的，如图9B所示。如图15中图示的表所示，能够通过提高与吸收体层接触的两个层中的掺杂水平来实现填充因子FF的改进。特别地，能够通过在n型掺杂层中以约3.5×1019cm-3或更高的浓度掺杂并且通过在p型层中以约2.0×1020cm-3或更高的浓度激活掺杂水平来达到高于90％的填充因子。
在一些实施方式中，光电二极管结构包括各自具有低于107cm-2的穿透位错密度的n型层、至少一个吸收体层和p型层。光电二极管结构还可以包括具有与(000-1)-c面相差介于2度与5度之间的结晶定向的一个或多个吸收体层、n型层和p型层。光电二极管结构还可以包括具有在{10-10}m面的5度内的结晶定向的一个或多个吸收体层、n型层和p型层，并且n型层和p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少4×1018cm-3。光电二极管结构还可以包括具有在选自{10-1-2}、{10-1-1}、{20-2-1}和{30-3-1}中的半极性面的5度内的结晶定向的一个或多个吸收体层、n型层和p型层，并且n型层和p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少2×1018cm-3。
图15包括具有图7示意性地指示结构的InGaN/GaN光电二极管结构的被照射I-V性能特性。为了简单，吸收体层被建模为40纳米厚的双异质结构。
在吸收体层含有包含In0.12Ga0.88N的一个或多个层(适于波长为约435纳米或更小的光的吸收)的情况下，当在与吸收体层的第一侧接触的n型层的掺杂水平是2.0×1019cm-3并且与吸收体层的第二侧接触的p型层的掺杂水平是8.0×1018cm-3时填充因子低于60％。然而，当与吸收体层的第二侧接触的p型层的掺杂水平被升高到2.0×1019cm-3时，填充因子被升高到几乎80％，而当与吸收体层的第二侧接触的p型层的掺杂水平被进一步升高到1.0×1020cm-3，填充因子被升高到约93％。图15的表中的结果表明，如果与吸收体层相邻的包覆层中的掺杂水平相对于p型掺杂层中的掺杂水平减小了，则填充因子显著地减小了。此结果是显著的，因为可能难以达到完全掺杂一直到未掺杂吸收体层的沉积，从而紧接在从在低于950摄氏度的温度下沉积的未掺杂吸收体层切换到具有期望掺杂水平的在相当更高的温度下沉积的p型掺杂层时并且在掺杂分布中产生急剧的转变。然而，如图15的表同样所示，还能够通过在吸收体层的n型侧和p型侧之一或两者上引入掺杂包覆层来实现填充因子FF的改进，特别是当包覆层具有介于吸收体层的铟浓度与n型掺杂层和/或p型掺杂层的铟浓度之间的铟浓度时亦是如此。包覆层中的中间铟浓度可以是均匀的、连续地渐变的或阶梯渐变的。包覆层可以包括应变层超晶格。在一些实施方式中，光电二极管结构包括n型包覆层和p型包覆层中的至少一个，其中n型包覆层位于n型层与一个或多个吸收体层之间，并且其中n型包覆层具有至少2×1019cm-3的掺杂剂浓度，而p型包覆层位于一个或多个吸收体层与p型层之间，并且其中p型包覆层具有至少5×1019cm-3的掺杂剂浓度。
在某些实施方式中，通过使用具有在(000-1)的10度内(例如在(000-1)的6度内、5度内、4度内、3度内、2度内或1度内)的结晶定向的-c面衬底来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响。在某些实施方式中，衬底和半导体层具有与(000-1)相差介于2度与5度之间的结晶定向。在某些实施方式中，衬底和半导体层从(000-1)朝向<10-10>m方向错误定向。在某些实施方式中，衬底和半导体层从(000-1)朝向<11-20>a方向错误定向。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层的p型掺杂层和n型掺杂层中的1.0×1016cm-3或1.0×1017cm-3或1.0×1018cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层中的12％铟浓度和18％铟浓度两者足以达到高填充因子。据信在衬底和半导体层各自具有-c结晶定向的情况下，如果n型掺杂层和p型掺杂层中的掺杂浓度对于铟浓度大于8％的吸收体来说介于1.0×1016cm-3与1.0×1020cm-3之间，则能够达到大于85％的填充因子。在一个实施例中，光电二极管结构的特征在于在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下填充因子至少50％。
在某些实施方式中，通过使用m面衬底(即以结晶定向在(10-10)的5度内、2度内、1度内或0.5度内的定向)来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层的p型掺杂层和n型掺杂层中的2.0×1019cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层中的12％铟浓度和18％铟浓度两者来说足以达到高于90％的填充因子。
在某些实施方式中，通过使用具有在{20-2-1}或{30-3-1}的5度内、2度内、1度内或0.5度内的结晶定向的半极性衬底来减轻+c面光电二极管中的自发压电场的有害影响。再次参考图15的表，已发现了紧邻吸收体层的p型掺杂层和n型掺杂层中的8.0×1018cm-3的掺杂剂浓度对于吸收体层中的12％铟浓度和18％铟浓度两者来说足以实现高于约90％的填充因子。
在某些实施方式中，为了减小N极性或半极性InGaN层中的碳含量，使用三乙基镓(TEG)和三乙基铟(TEIn)而不是更常规的三甲基镓(TMG)和三甲基铟(TMIn)作为金属有机前体。例如，半导体层中的碳浓度可以小于1×1018cm-3或小于1×1017cm-3。在某些实施方式中，优化氢气(H2)和氮气(N2)载气的比率、衬底温度和压力以使N极性半导体层中异常析出的形成最小化。
在某些实施方式中，半导体层被退火以对p型掺杂剂电激活。在某些实施方式中，在用于沉积半导体层的MOCVD反应器中原位执行退火，例如，在流动N2下至介于约500摄氏度与约900摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，在炉子中或在快速热退火(RTA)烘箱中(例如，在流动N2下)执行退火至介于约400摄氏度与约900摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，退火工艺期间的气氛还可以包含诸如O2的氧化气体。在某些实施方式中，退火气氛内的氧化气体(oxidizing gas)的分数介于约5％与约95％之间。在某些实施方式中，退火工艺的持续时间介于约一秒与约五小时之间，或介于约10秒与约一小时之间。在某些实施方式中，在退火之后，清洁半导体层的表面以使它们准备好附加沉积。在某些实施方式中，清洁包括以下项或者由以下项中的一种或多种构成：通过诸如盐酸、硝酸或王水的矿物酸处理、食人鱼蚀刻(piranha etch)、缓冲氧化物蚀刻、通过干蚀刻、或通过用诸如氩等离子体的等离子体处理。
在某些实施方式中，透明导电层被沉积在p型半导体层上。在某些实施方式中，透明导电层包含透明导电氧化物(TCO)，诸如铟锡氧化物或铝锌氧化物。在某些实施方式中，透明导电层是通过热蒸发、电子束蒸发和溅射中的一种或多种来沉积的。在某些实施方式中，经沉积的TCO层在含有氧的受控气氛中在介于约300摄氏度与700摄氏度之间的温度下退火，以便共同优化TCO层的光/透明度和电性质。在某些实施方式中，透明导电层的厚度介于约10纳米与约1000纳米之间。
本公开中描述的光电二极管结构意图在具有多反射几何形状的封装光电二极管中使用。因此，重要的是使结构的正面和背面的反射率最大化。另外，为了使光电二极管的效率最大化，重要的是使触点的电阻最小化。再次参考图1，然后可以在p型半导体层111上沉积反射p侧电触点113。在一个优选实施方式中，在操作期间光入射的特定角度或角度范围下反射p侧电触点的平均反射率大于70％、大于80％、大于85％或大于90％。一般而言，如本文所使用的术语“平均反射率”旨在广义地描述通过在介于390纳米与460纳米之间的特定波长下并且在相对于层的表面的表示器件操作期间的入射角范围的一个或多个角度下计算表面上的至少两个反射率测量数据点的平均值来计算的反射率值。在光电二极管结构的操作期间，在一些实施方式中，如从反射层的面所测量的，光(或光辐射)被耦合到光电二极管结构的垂直边缘或近似垂直边缘中并且在内部地入射到反射层(例如，图2中的反射镜层113或n侧电触点114)上的光的入射角介于约0.1度与约30度之间、介于约0.2与约20度之间、或介于约0.3度与约10度之间。在一个实施例中，图2中图示的光接收表面252被定向为光电二极管结构的垂直边缘或在光电二极管结构内的垂直面。在光电二极管结构的一些实施方式中，如从反射层的面所测量的，光被耦合到光电二极管结构的非垂直边缘中并且在内部地入射到反射层上的入射角介于约0.1度与约60度之间、介于约0.2度与约40度之间、或介于约0.3度与约20度之间。在光电二极管结构的其他实施方式中，光穿过孔径被耦合到光电二极管结构的大面积表面中，并且如从反射层的面所测量的，在内部反射层上的入射角介于约30度与90度之间、介于约45度与90度之间、或介于约60度与90度之间。在光电二极管结构的另外其他实施方式中，光穿过孔径被耦合到光电二极管结构的大面积表面中并且以斜角经受内部反射，并且如从反射层的面所测量的，在内部地入射到反射层上的入射角介于约0.1度与约45度之间、介于约0.3度与约30度之间、或介于约0.5度与约20度之间。反射p侧电触点的接触电阻小于3×10-3Ωcm2、小于1×10-3Ωcm2、小于5×10-4Ωcm2、小于2×10-4Ωcm2、小于10-4Ωcm2、小于5×10-5Ωcm2、小于2×10-5Ωcm2、或小于10-5Ωcm2。在一个优选实施方式中，接触电阻小于5×10-5Ωcm2。反射p侧电触点可以包括银、金、铝、镍、铂、铑、钯、钛、铬、锗、钌、镁、钪等中的至少一种。在一些实施方式中，反射p侧电触点可以包括至少两个层或者由至少两个层构成，其中第一层提供良好的电接触并且包含铂、镍、铝或钛而且具有介于0.1纳米与5纳米之间的厚度，而第二层提供优异的光学反射率并且包含银、金或镍而且具有介于0.4纳米与1微米之间的厚度。在某些实施方式中，反射p型触点可以包括至少三个层、至少四个层或至少五个层或者由至少三个层、至少四个层或至少五个层构成。在某些实施方式中，反射p侧触点包括三个层，其中第一层包含银，具有介于约1纳米与约200纳米之间的厚度，第二层包含适度亲氧性金属，具有介于约0.5纳米与约2纳米之间的厚度，并且第三层包含银，具有介于约50纳米与约200纳米之间的厚度。在某些实施方式中，适度亲氧金属包括镍或者由镍构成。在某些实施方式中，适度亲氧金属包括铜、钴、铁和锰中的一种或多种或者由铜、钴、铁和锰中的一种或多种构成。在某些实施方式中，反射p侧电触点在沉积之后被退火以提高其反射率和/或减小其接触电阻。在某些实施方式中，在RTA炉子中执行退火至介于约300摄氏度与约1000摄氏度之间的温度。在某些实施方式中，反射p侧触点在介于约0.1托与约200托之间的分压下在含有氧的受控气氛下被退火至介于约500摄氏度与约900摄氏度之间的温度，以便引起适度亲氧金属与银之间的相互扩散并且将受控浓度的氧原子引入到反射p侧触点层中。在优选实施方式中，在使反射p侧触点冷却至低于约250摄氏度的温度之前将氧的分压减小至约10-4托以下，以便避免过量氧化银的形成。在某些实施方式中，反射p侧触点包含最大局部浓度介于约1×1020cm-3与约7×1020cm-3之间的氧。进一步细节美国专利9,917,227中被描述，该美国专利通过引用整体地并入本文。反射p侧电触点可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射或另一合适的技术来沉积。在一个优选实施方式中，反射电触点用作功率光电二极管的p侧电极。在某些实施方式中，反射p侧触点是平面的并且与半导体层平行，这对于使其反射率最大化可以是有用的。在替代实施方式中，反射p侧触点被图案化或纹理化，这对于光(例如在孔径内)的接纳或提取可以是有用的。
在某些实施方式中，可以通过制备至少两种样品类型来执行特定反射表面的反射率测量，其中一种样品类型具有保持完整的反射表面而另一种样品类型的反射表面去除。两个样品均可以被制作为使得测量探测光穿过第一表面以低反射率耦合输入，经历从与要测量的反射表面相对应的第二表面的反射和折射，并且穿过第三表面以低内部反射率耦合输出。在一些实施方式中，通过涂覆被调谐到探测光的波长的介电的(dielectric)抗反射涂层来使第一表面和第三表面处的反射最小化。能够通过制作样品使得光以接近法向穿过第一表面和第三表面传输来进一步减小第一表面和第三表面处的反射。根据本领域中公知的方法，针对两种样品类型测量从与反射表面和第三表面相对应的表面中传输出的光功率，并且使用其来计算反射表面的反射率。
在某些实施方式中，具有大于约70％的平均反射率的反射n侧电触点114被沉积在衬底101的背面上。在一个优选实施方式中，在操作期间光入射的特定角度或角度范围处，反射n侧电触点的平均反射率大于80％、大于85％或大于90％。反射n侧电触点的接触电阻小于1×10-3Ωcm2、小于5×10-4Ωcm2、小于2×10-4Ωcm2、小于10-4Ωcm2、小于5×10-5Ωcm2、小于2×10-5Ωcm2、或小于10-5Ωcm2。在优选实施方式中，接触电阻小于5×10-5Ωcm2。反射n侧电触点可以包含银、金、铝、镍、铂、铑、钯、钛、铬等中的至少一种。在一些实施方式中，反射n侧电触点可以包括至少两个层或者由至少两个层构成，其中第一层提供良好的电接触并且包含铝或钛并且具有介于0.1纳米与5纳米之间的厚度，而第二层提供优异的光学反射率并且包含铝、镍、铂、金或银并且具有介于10纳米与10微米之间的厚度。在某些实施方式中，反射n侧触点可以包括至少三个层、至少四个层或至少五个层或者由至少三个层、至少四个层或至少五个层构成，以便共同优化反射率(被最大化)、接触电阻(被最小化)、和稳健性(robustness)(被最大化)。反射n侧电触点可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射或其他合适的技术来沉积。在某些实施方式中，反射n侧电触点用作功率光电二极管的n侧电极。在某些实施方式中，反射n侧触点是平面的并且与半导体层平行，这对于使其反射率最大化可以是有用的。在替代实施方式中，反射n侧触点被图案化或纹理化，这对于光(例如在孔径内)的接纳或提取可以是有用的。
在某些实施方式、特别是其中反射n侧触点包括铝的实施方式中，为了减小反射n侧触点的接触电阻，衬底101的背面使用含氯气体或等离子体通过反应离子蚀刻(RIE)来处理。在一个特定实施方式中，含氯气体或等离子体包括SiCl4。在某些实施方式中，为了减小反射n侧触点的接触电阻，执行进一步清洁步骤。在某些实施方式中，进一步清洁步骤包括以下项中的一种或多种或者由以下项中的一种或多种构成：通过诸如盐酸、硝酸或王水的矿物酸处理、缓冲氧化物蚀刻、通过干蚀刻、或通过用诸如氩等离子体的等离子体处理。
在一些实施方式中，如图2所示，反射p侧电触点包括双组件镜/p电极，该双组件镜/p电极包括不连续p电极215和反射镜层113。不连续p电极215被优化为电触点并且能够例如由镍/金或铂/金叠层制成，其中镍或铂厚约20nm至200nm并且金厚约100nm至1微米。在一个合适的实施方式中，不连续p电极215是在一侧具有介于约1微米与0.1cm之间的网格开口的网格化电极。反射镜层113可以包含银、金、铝、铂、铑、钯、铬等中的至少一种，并且可以被沉积在p型层111上方和在网格化p电极215上方。优选地，在不连续p电极的任何退火处理之后沉积镜层以减小相互扩散。任选地，诸如镍、铑、铂、钯、铱、钌、铼、钨、钼、铌、钽或MCxNyOz(其中M包括诸如铝、硼、硅、钛、钒、铬、钇、锆、镧或稀土金属的金属元素，并且x、y、z各自介于0与3之间)的扩散势垒层设置在不连续p电极215与镜层113之间。假定工作电流密度为10A/cm2，p型层的薄层电阻为4×105Ω/sq，并且该电流仅从p型层传导到网格化不连续p电极触点215而不直接传导到反射镜层113，则对于2、5和10微米网格指间距，所计算出的由于p型层内的横向传导而导致的功率损耗百分比分别是大约0.6％、3.6％和14.5％。替代性地，可以将不连续p电极215布置为点、矩形、圆形等的阵列，不是网格配置。p电极阵列元件215之间的分隔优选地介于约1微米与0.1cm之间。反射镜层和不连续电极的组合或反射金属p电极的使用使得能够制作大面积功率光电二极管，而无需在大距离之上穿过p掺杂层进行横向载流子输送，从而使器件中的横向欧姆损耗和串联电阻最小化。能够通过设计电极图案并且定向光传播路径使得入射在不连续p电极图案上的光被大大避免，来使通过不连续p电极的寄生光吸收(parasitic optical absorption)最小化。
光电二极管结构可以包括设置在p型层上方的p侧电接触层，其中在操作期间光入射的特定角度或角度范围下，p侧电接触层对于介于390纳米与460纳米之间的波长来说具有至少80％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻。
如上面指出的，本公开中描述的光电二极管结构意图在具有多反射几何形状的封装光电二极管中使用。在一些实施方式中，在操作期间封装光电二极管被配置为从光照源251接收一个或多个波长的光。光照源251可以包括激光器或其他有用的辐射源。为了优化光电二极管的功率效率，重要的是使结构的正面和背面以及单片化(singulation)之后各个光电二极管晶片(die)的侧面的反射率最大化。另外，重要的是使触点的电阻最小化并且将光电二极管的光接收表面252的布置配置为反射触点结构(例如，反射p侧触点和反射n侧触点)。再次参考图2，期望波长(例如405纳米或450纳米)的光可以穿过包括光接收表面252的孔径(未示出)进入光电二极管结构，在衬底101和半导体层内传播253，并且从反射p侧触点113和反射n侧触点114且从边缘反射器(未示出)反射。光接收表面252通常包括光电二极管器件(或光电二极管晶片)的一部分，其被定位和对准以将从光照源251发射的辐射提供给设置在p型反射触点113与n型反射触点114之间的光电二极管的区域，如图2所示。在一些实施方式中，光接收表面252可以包括光电二极管器件的边缘上的区域，如图2示意性地所示。在其他实施方式中，光接收表面表面252可以包括在表面255或256之一上的开放区域，其不包括用于分别形成p型反射触点113或n型反射触点114的材料的部分。在此配置中，开放区域被设计为允许从光照源251发射的辐射进入设置在p型反射触点113与n型反射触点114之间的光电二极管的区域。在一些实施方式中，光接收表面252相对于光电二极管器件对准以使从光照源251递送的光在p型反射触点113与n型反射触点114之间被反射至少一次。从光照源251递送的光能够例如具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长。
在某些实施方式中，如图2另外所示，反射n侧电触点包括双组件反射镜/n电极，该双组件反射镜/n电极包括不连续n电极217和反射镜层114。不连续n电极217被优化为电触点并且能够例如由钛/铝或钛/铝/金叠层制成，其中钛厚约5nm至200nm并且铝或金厚约100nm至1微米。在一个合适的实施方式中，不连续n电极217是在一侧具有介于约1微米与1厘米之间的网格开口的网格化电极。假定n型GaN衬底的薄层电阻为0.27Ω/sq并且工作电流密度为10A/cm2，所计算出的由于衬底层内的横向传导而导致的功率损耗百分数对于0.2、0.5和1cm网格指间距来说分别是大约0.4％、2.5％和9.8％。在某些实施方式中，作为背面n侧触点的补充或替代，添加在由此结构制备的单片化晶片的侧面上的n侧触点。在某些实施方式中，视需要，在形成分别到n型掺杂层或p型掺杂层的沟槽之后，将n触点和p触点添加到晶片的同一侧。可以通过如本领域中公知的光刻和干蚀刻或湿蚀刻形成沟槽。反射n侧镜面层114可以包含银、金、铝、铂、铑、钯、铬等中的至少一种，并且可以被沉积在衬底101的背面上方和在网格化n电极217上方。优选地，在不连续n电极的任何退火处理之后沉积镜层以减小相互扩散。任选地，诸如镍、铑、铂、钯、铱、钌、铼、钨、钼、铌、钽或MCxNyOz(其中M包括诸如铝、硼、硅、钛、钒、铬、钇、锆、镧或稀土金属的金属元素，并且x、y、z各自介于0与3之间)的扩散势垒层设置在不连续n电极217与镜层114之间。可以将不连续n电极217布置为点、矩形、圆形等的阵列，而不是网格配置。n电极阵列元件217之间的间隔优选地介于约1微米与0.1cm之间。反射镜层和不连续电极的组合或反射金属n电极的使用使得能够制作大面积功率光电二极管，而无需在大距离之上传输穿过衬底101进行横向载流子输送，这在衬底101的载流子浓度低以便优化透明度的情况下或者在它相当薄(例如小于约100微米、小于约50微米或小于约25微米)的情况下是重要的。能够通过设计电极图案和光传播路径使得入射在不连续n电极图案上的光被大大避免，来使通过不连续n电极的寄生光吸收最小化。
光电二极管结构可以包括n侧电接触层，所述n侧电接触层在操作期间光入射的特定角度或角度范围下对于介于390纳米与460纳米之间的波长来说至少80％的平均反射率并且具有低于5×10-4Ωcm2的接触电阻。
在一些实施方式中，如图3所图示的，反射p侧电触点和反射n侧电触点中的至少一个还包括半透明电流散布层321。半透明电流散布层321可以包含氧化镍(NiO)、氧化镍/金(NiO/Au)、NiO/Ag、铟锡氧化物(ITO)、p型氧化锌(ZnO)、氧化钌(RuO2)等中的至少一种。半透明电流散布层321促进与p型GaN层111或与衬底101的电接触，例如欧姆或准欧姆行为。为了使半透明电流散布层321中的光吸收最小化，此层具有优选地介于约1nm与约100nm之间的厚度，透光性超过70％。假定对于覆盖p型层的半透明电流散布层321的薄层电阻为25Ω/sq并且工作电流密度为10A/cm2，则所计算出的由于电流散布层内的横向传导而导致的功率损耗对于0.02、0.05和0.1cm网格间距来说分别是大约0.4％、2.3％和9.1％。
在一些实施方式中，透明电介质319设置在半透明电流散布层321的一部分上并且在p侧电触点315和/或n侧电接触317之间。透明电介质可以包括TiO2、Ta2O5、ZrO2、SiO2、SiOx、SiNx、Si3N4、SiOxNy、Al2O3或MgF2中的至少一种。透明电介质319可以是四分之一波厚，也就是说，具有大约等于空气中的入射光子波长的四分之一除以电介质(dielectric)的折射率的厚度。例如，在光电二极管结构具有405纳米的设计波长并且透明电介质由折射率为大约2.28的Ta2O5构成的情况下，透明电介质319的厚度可以被选取为约405/2.28/4＝44纳米。透明电介质319包括其中设置有p侧电触点材料315或n侧电触点材料317的开放区域。p侧电触点材料315和n侧电触点材料317可以包括镍(Ni)、氧化镍(NiO)、钛-钨/金(Ti-W/Au)中的至少一种。在一个优选实施方式中，p侧电触点材料315和/或n侧电触点材料317不在透明电介质上方延伸。反射p侧电触点113设置在透明电介质和电触点材料上方并且在各个网格开口中使电触点材料315电互连。反射n侧电触点114设置在透明电介质和电触点材料上方并且在各个网格开口中使电触点材料317电互连。反射镜层113和114还与透明电介质319协作，以限定用于在器件内反射光的反射器。反射金属触点的进一步变体美国专利No.7,119,372中被描述，该美国专利通过引用整体地并入本文。
在另一组实施方式中，如图13A和图13B示意性地所示，半导体层被转移到一个或多个载体衬底1313并且模板衬底1101被去除。通过与图3示意性地图示的结构相比，p侧电触点可以类似地包括半透明电流散布层321和不连续p电极315，并且还可以包括设置在半透明电流散布层321的部分上的透明电介质319。载体衬底1313然后接合到p型层111、半透明电流散布层321(若存在的话)、不连续p侧电极315(若存在的话)和透明电介质319(若存在的话)中的一个或多个。载体衬底1313的接合可以借助于粘合剂、借助于沉积在载体衬底1313的第一表面中的至少一个上的一个或多个粘合层(未示出)与要与之接合的层之间的热压缩接合、或借助于本领域中已知的替代接合方法来实现。在某些实施方式中，载体衬底1313和粘合层在对光电二极管来说感兴趣的波长(例如在390纳米与460纳米之间)下是透明的。在某些实施方式中，载体衬底1313包括玻璃、透明陶瓷、二氧化硅玻璃、硼硅玻璃、铝硅酸盐玻璃、石英、蓝宝石、MgAl2O4尖晶石、氧化锌或氧氮化铝中的一种或多种或者由它们中的一种或多种构成。粘合层可以包括以下项中的一种或多种或者由以下项中的一种或多种构成：SiOx、GeOx、SiNx、AlNx、GaOx、Al2O3、Sc2O3、Y2O3、B2O3、R2O3(其中R是稀土元素)、MgO、CaO、SrO、HfO2、ZrO2、Ta2O5，或B、Al、Si、P、Zn、Ga、Si、Ge、Au、Ag、Ni、Ti、Cr、Zn、Cd、In、Sn、Sb、Tl或Pb、或它们的氧化物、氮化物或氮氧化物。粘合层可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等来沉积，或者通过沉积的金属膜的热氧化来沉积。粘合层的厚度可以介于约1纳米与约10微米之间，或者介于约10纳米与约1微米之间。粘合层可以被退火，例如至介于约300摄氏度与约1000摄氏度之间的温度。在一些实施方式中，至少一个粘合层被化学机械抛光。在一个优选实施方式中，至少一个粘合层的均方根表面粗糙度在20×20μm2面积上低于约0.5纳米、或低于约0.3纳米。在某些实施方式中，在空气中每立方厘米小于10,000、小于1,000、小于100或小于10个粒子的洁净室中执行热压缩接合。可以通过用离子氮、CO2射流、CO2雪、高电阻水、有机溶剂(诸如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮)等喷射、刷洗或冲洗来在晶圆接合之前从至少一个表面中去除粒子。在一些实施方式中，相反表面在被浸入在液体中的同时接触。任选地，至少一个表面被暴露于等离子体以增强晶圆接合。在热压缩接合工艺期间相反表面之间的压力可以介于约0.1兆帕与约100兆帕之间，并且温度可以被保持在约30摄氏度与约950摄氏度之间、在约30摄氏度与约400摄氏度之间、或在约30摄氏度与约200摄氏度之间持续介于约5分钟与约10小时之间的时段。
p侧反射器层1315被沉积在与光电二极管结构相对的载体衬底1313的表面上。p侧反射器层1315可以包括银、电介质镜和分布式布拉格反射器(DBR)中的一个或多个或者由银、电介质镜和分布式布拉格反射器(DBR)中的一个或多个构成。在操作期间光入射的特定角度或角度范围下，在光电二极管的设计波长下(例如在360纳米与460纳米之间)，p侧反射器层1315可以具有高于约80％、高于约85％、高于约90％或高于约95％的反射率。
光电二极管结构可以通过激光剥离方法与模板衬底1101分离，如图13B示意性地所示。激光束1321可以在衬底101的背面上方光栅化。在某些实施方式中，在氮化物层1104被沉积在模板衬底1101(诸如蓝宝石)上的情况下，可以使紫外激光束聚焦在氮化物层1104与模板衬底1101之间的界面上，从而引起氮化物层1104的背面的局部分解和N2的微米或纳米气泡的形成并且导致模板衬底1101与光电二极管结构的其余部分分离。在某些实施方式中，在氮化物层1104被沉积在光吸收系数在模板衬底1101的其余部分是大体上透明的至少一个波长处大于1000cm-1的释放层1103上，在光吸收系数小于50cm-1情况下，可以使具有释放层1103强烈吸收的波长的激光束1321聚焦在释放层1103上，从而引起N2的微米或纳米气泡的局部分解和形成并且导致模板衬底1101与光电二极管结构的其余部分分离。可以通过调整光电二极管结构的温度、激光功率、激光光斑大小、激光脉冲持续时间和/或激光脉冲数来实现界面的弱化的最佳程度，而不对高质量外延层或半导体结构引起不希望的损坏。用于实现分离的激光能流(fluence)可以介于300毫焦/平方厘米与900毫焦/平方厘米之间或者介于约400mJ/cm2与约750mJ/cm2之间。可以通过在光束路径中包括光束均化器来改进激光束1321的均匀性，并且光束大小可以是约4mm乘4mm。在一些实施方式中，激光束1321跨释放层被扫描或光栅化，而不是被保持不动。可以在高于由分解产生的金属的熔点(例如，在镓金属的情况下高于约30摄氏度)的温度下执行分离。
或者，在释放层1103包含InGaN并且具有小于吸收体层的带隙的带隙的情况下，光电二极管结构可以通过光电化学蚀刻与模板衬底1101分离，如图13C示意性地所示。沟槽1321可以形成在相邻的载体衬底1313之间，穿过每一个半导体层向下至释放层1103，从而形成台面。沟槽1321可以在常规光刻之后通过干蚀刻或湿蚀刻形成，如本领域中公知的。然后将光电二极管结构浸入在光电化学蚀刻溶液中并且用具有被释放层1103强烈吸收但不被其他半导体层强烈吸收的波长的光照射。在某些实施方式中，蚀刻溶液包括氢氧化钾(KOH)、过硫酸钾(K2S2O8)、氢氧化钠(NaOH)、过氧化氢(H2O2)、乙二醇和四甲基氢氧化铵(TMAH)中的一种或多种。KOH可以具有介于0.01与10摩尔之间或介于约0.1摩尔与约2摩尔之间的浓度。在某些实施方式中，光源包括与滤光器耦合以排除被半导体层强烈吸收的波长的宽带源，诸如汞弧灯、汞氙灯、钨灯或LED。光源的通流(fluence)可以介于约1W/cm2与约50W/cm2之间。在某些实施方式中，光电二极管结构电连接到阳极，其中单独的阴极浸入在蚀刻溶液中，并且电流通过以引起从沟槽1321的基部开始并且横向地延伸的释放层1103的溶解。在其他实施方式中，光电化学蚀刻工艺是无电的，其中释放层的氧化和溶解由存在于诸如K2S2O8的蚀刻溶液中存在的氧化剂驱动。在蚀刻持续预定时间之后，释放层1103大体上溶解，从而使得能够容易地从模板衬底1101去除光电二极管结构。
在去除模板衬底1101之后，在操作期间光入射的特定角度或角度范围下具有大于约70％、大于约80％、或大于约90％的反射率的反射n侧电触点1319可以沉积在氮化物层1104的新暴露的背侧表面1317上，如图13D示意性地所示并且在上面描述的。在一些实施方式中，在反射n侧触点1319的沉积之前，通过湿工艺或干工艺中的一种或多种清洁表面1317。在操作期间，来自光照源251的光穿过孔径或光接收表面1352，作为光束1353进入载体衬底1313，并且在p侧反射器层1315与反射n侧触点1319之间多次反射。
模板衬底去除和载体衬底接合工艺的变化是可能的。例如，不透明的第一载体衬底1411可以接合到反射p侧触点层113，如图14A示意性地所示。然后，在去除模板衬底1101之后，可以在氮化物层1104的新暴露的背侧表面1417上沉积半透明电流散布层321，如图14B示意性地所示并且在上面描述的。半透明电流散布层321促进与n型GaN层1104的电接触，例如欧姆或准欧姆行为。在一些实施方式中，透明电介质319设置在半透明电流散布层321的一部分上并且在不连续n侧电触点317之间。然后，可以将在感兴趣的波长下透明的第二载体衬底1413的第一表面接合到层321、317和/或319。然后可以在第二载体衬底1413的第二表面上沉积n侧反射器层1414。现在，来自光照源251的光穿过孔径或光接收表面1452，作为光束1453进入载体衬底1313，并且在反射p侧触点层113与n侧反射器层1414之间多次反射。
在某些实施方式中，可以在单片化之前表征光电二极管结构。例如，可以通过光吸收光谱法来调查光学性质，诸如透射或反射。一个或多个层的形态可以通过微分干涉对比显微术(DICM或Nomarski)和/或通过原子力显微术来表征。一个或多个外延层的发光特性可以通过光致发光光谱学、光致发光显微术和微荧光中的一种或多种来表征。一个或多个层中的杂质浓度可以通过校准的二次离子质谱法(SIMS)来表征。一个或多个外延生长层的结晶度可以通过x射线衍射来表征。一个或多个层的电性质可以通过霍尔测量、范德堡测量或非接触电阻率测量来表征。可以通过透射线测量(TLM)来调查p侧触点和n侧触点中的一个或多个的接触电阻和串联电阻以及一个或多个层的接触电阻和串联电阻。光电二极管电性质和功率转换效率可以通过在黑暗中或在通过各种强度的常规或激光光源的照射下的电流-电压(I-V)测量来表征。光电二极管结构内的少数载流子收集可以通过量子效率测量来量化。光电二极管结构可以通过电致发光测量进一步表征。
在晶圆级制作之后，个别光电二极管晶片可以例如通过激光划线和切开(cleaving)、通过激光切割、通过晶片锯切等分离并封装。可以选取相对于晶轴的划线和切开方向以控制边缘的形态。例如，c面晶圆可以被沿着m面切开以获得平滑的切开表面，或着被沿着a面切开以获得由m面小面组成的粗糙切开面。
实施例
通过参考以下比较例和示例性工艺实施例进一步图示由本公开提供的实施方式。对本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在不脱离本公开的范围的情况下实践对材料和方法的许多修改。
比较例1
作为比较点，+c面GaN上GaN晶片是从在大约405纳米处发射并用作光电二极管的商用LED收获的。LED结构被认为包括在p型GaN层下面的AlGaN电子阻挡层以及包括InGaN阱层和GaN势垒层的多量子阱MQW结构。LED结构被认为既不包括高掺杂层，也不包括直接邻接MQW层的掺杂的带隙减小的层。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被作为“LIV”曲线示出在图5中。根据实测结果，Voc被评价为2.74V，Eg＝3.06eV，Isc＝2.6A/cm2，eVoc/Eg＝0.89，并且FF＝46％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。相经通过对比，在图5中示出具有相对高的填充因子的曲线以供比较。
比较例2
外延结构包括含有浓度为2×1018cm-3的Si掺杂剂的500纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有浓度为4×1018cm-3的Si掺杂剂的100纳米n型掺的杂GaN层，后面是无故意(unintentionally)掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为1×1019cm-3的Mg的90纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是无故意掺杂的并且由7纳米GaN层、后面是4纳米In0.14Ga0.86N阱层与7纳米GaN势垒层的10个交替层构成。该结构由大约447纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图6中。根据实测结果，Voc被评价为2.32V，Eg＝2.77eV，Isc＝6.5×10-3A，eVoc/Eg＝0.84，并且FF＝33％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。
比较例3
外延结构包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有浓度为2×1019cm-3的Si掺杂剂的30纳米n型掺杂的GaN层，后面是非故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1019cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是非故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.13Ga0.87N层构成。该结构由大约435纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图11中。根据实测结果，Voc被评价为2.43V，Eg＝2.85eV，Isc＝0.013A，eVoc/Eg＝0.85，并且FF 38％。Voc和Isc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的器件设计。
比较例4
外延结构包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有浓度为5.0×1017cm-3的Si掺杂剂的100纳米n型掺杂的GaN层，后面是非故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是非故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。该结构由大约473纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 45％。Voc的值被视为相对好的，然而填充因子的低值表明需要改进的设备设计。
实施例1
外延结构包括含有浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有浓度为3.0×1019cm-3的Si掺杂剂的30纳米n型掺杂的GaN层，后面是非故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为3×1019cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层，后面是含有浓度为1×1020cm-3的Mg的10纳米p+型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是非故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.13Ga0.87N层构成。该结构由大约435纳米处的电致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.43V，Eg＝2.85eV，eVoc/Eg＝0.85，并且FF 85％。
实施例2
外延结构包括含有平均浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有平均浓度为4.0×1019cm-3的Si的30mn型掺杂的GaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是无故意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。该结构由大约473纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 91％。
实施例3
外延结构包括含有平均浓度为2.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是含有平均浓度为5.0×1017cm-3的Si的100nm n型掺杂的GaN层，后面是初始组成为GaN并且最终组成为大约In0.18Ga0.72N而且Si掺杂剂浓度为大约5.0×1017cm-3的大约6nm厚的组成渐变的InGaN层，后面是无故意掺杂的吸收体层，后面是含有浓度为2.0×1020cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层；该外延结构被沉积在从(0001)朝向[10-10]错切了大约0.4度的块状GaN衬底上。吸收体层是无意掺杂的并且由40纳米双异质结构In0.18Ga0.82N层构成。该结构由大约473纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.62eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 85％。
实施例4
外延结构包括含有平均浓度为3.5×1018cm-3的Si掺杂剂的300纳米n型掺杂的GaN层，后面是InGaN-GaN应变层超晶格(SLS)，后面是初始组成为大约In0.04Ga0.96N并且最终组成为大约In0.2Ga0.8N而且Si掺杂剂浓度为大约4×1017cm-3的大约6nm厚的组成渐变的InGaN层，后面是由3nm In0.2Ga0.8N阱和含有浓度为大约3×1017cm-3的Si掺杂剂的9nm GaN势垒层组成的9周期多量子阱结构，后面是含有浓度为大约2×1020cm-3的Mg的100纳米p型掺杂层；该外延结构在衬底表面法线在氮化物外延层的[0001]的5度内的蓝宝石衬底上生长。吸收体层由9周期多量子阱结构构成。该结构由大约457纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录制作的器件的反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。结果被示出在图12中。根据实测结果，Voc被评价为2.34V，Eg＝2.71eV，Isc＝0.0114A，eVoc/Eg＝0.86，并且FF 78％。Voc、Isc和FF的值被视为相对好的。由于由电探测n型金属触点的方法产生的串联电阻，实测FF是人为地(artificially)低的。
实施例5
外延结构包括含有平均浓度为1.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是由2nm In0.18Ga0.82N阱和4nm GaN势垒层组成的无故意掺杂的20周期多量子阱结构，后面是含有浓度为大约2×1018cm-3的Mg的50纳米p型掺杂层；该外延结构被沉积在从(000-1)朝向[10-10]错切了大约4度的块状GaN衬底上。吸收体层由9周期多量子阱结构构成。该结构由大约470纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.63eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF 88％。
实施例6
外延结构包括含有平均浓度为5.0×1018cm-3的Si掺杂剂的1000纳米n型掺杂的GaN层，后面是由2nm In0.18Ga0.82N阱和4nm GaN势垒层组成的无故意掺杂的20周期多量子阱结构，后面是含有浓度为大约1×1019cm-3的Mg的100纳米p型掺杂层；该外延结构被沉积在结晶定向在(30-3-1)的0.1度内的块状GaN衬底上。该结构由大约470纳米处的光致发光峰表征。在黑暗和光条件下记录反向电流-电压特性，其中光照由商用405nm激光二极管提供。根据实测结果，Voc被评价为2.20V，Eg＝2.63eV，eVoc/Eg＝0.84，并且FF88％。
虽然前文涉及本公开的实施方式，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和另外的实施方式，并且本公开的范围由所附权利要求确定。
Claims (28)
1.一种光电二极管结构，包括：
衬底，所述衬底具有第一表面和第二表面，其中
所述第二表面与所述第一表面相反，
所述衬底是单晶III族金属氮化物，并且
所述衬底的所述第一表面具有在(0001)+c面、{10-10}m面或选自{11-2±2}、{60-6±1}、{50-5±1}、{40-4±1}、{30-3±1}、{50-5±2}、{70-7±3}、{20-2±1}、{30-3±2}、{40-4±3}、{50-5±4}、{10-1±1}、{1 0 -1±2}、{1 0 -1±3}的半极性面的5度内的结晶定向，或者与(000-1)相差介于2度与5度之间；
n型层和p型层，所述n型层和所述p型层设置在所述衬底的所述第一表面上方，其中所述n型层和所述p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少1×1016cm-3的掺杂剂浓度；
设置在所述n型层与所述p型层之间的一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1并且具有低于约109cm-2的位错密度；
设置在所述p型层上方的p侧电接触层，其中所述p侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率和低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；
设置在所述衬底的所述第二表面上方的n侧电接触层，其中所述n侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；以及
光接收表面，其中，所述光接收表面被对准以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在所述光接收表面上的光从所述n侧电接触层且从所述p侧电接触层反射至少一次。
2.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述光电二极管结构的特征在于填充因子至少50％。
3.根据权利要求2所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下达到的。
4.根据权利要求2所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是至少80％。
5.根据权利要求4所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是至少90％。
6.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在(0001)+c面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1019cm-3。
7.根据权利要求1所述的光电二极管结构，还包括n型包覆层和p型包覆层中的至少一种，其中
所述n型包覆层位于所述n型层与所述一个或多个吸收体层之间，并且其中所述n型包覆层具有至少5×1018cm-3的掺杂剂浓度，以及
所述p型包覆层位于所述吸收体层与所述p型层之间，并且其中所述p型包覆层具有至少1×1019cm-3的掺杂剂浓度。
8.根据权利要求1所述的光电二极管结构，还包括：
n型包覆层和p型包覆层中的至少一个，
所述n型包覆层位于所述n型层与所述一个或多个吸收体层之间，并且
所述p型包覆层位于所述吸收体层与所述p型层之间，
其中所述n型包覆层和所述p型包覆层中的至少一个的特征在于铟浓度介于所述吸收体层的铟浓度与所述n型层或所述p型层的铟浓度之间。
9.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于与(000-1)-c面相差介于2度与5度之间的结晶定向。
10.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在{10-10}m面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少2×1018cm-3。
11.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在选自{10-1-2}、{10-1-1}、{20-2-1}和{30-3-1}的半极性面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1018cm-3。
12.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述p侧电接触层设置在所述p型层上方，其中所述p侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少80％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻。
13.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述n侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少80％的平均反射率和低于5×10-4Ωcm2的接触电阻。
14.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述n型层、所述一个或多个吸收体层和所述p型层中的每一个具有低于107cm-2的穿透位错密度。
15.根据权利要求1所述的光电二极管结构，其中所述n型层、所述一个或多个吸收体层和所述p型层中的每一个具有低于106cm-2的穿透位错密度。
16.一种光电二极管结构，包括：
一个或多个吸收体层，其中所述一个或多个吸收体层包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1；
n型层和p型层，其中
所述一个或多个吸收体层设置在所述n型层上方，
所述p型层设置在所述一个或多个吸收体层上方，并且
所述n型层和所述p型层各自包含AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x、y、x+y≤1，并且具有至少1×1016cm-3的掺杂剂浓度；
载体衬底，所述载体衬底具有第一表面和第二表面，其中
所述载体衬底的所述第一表面设置在所述p型层上方或在所述n型层下方，并且
所述载体衬底在介于390纳米与460纳米之间的波长下是大体上透明的；
与所述p型层电接触的p侧电接触层，其中所述p侧电接触层具有低于3×10-3Ωcm2的接触电阻；
p侧反射器层，所述p侧反射器层设置在所述p型层和所述载体衬底的所述第二表面之一上，所述p侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率；
与所述n型层电接触的n侧电接触层，其中所述n侧电接触层具有低于1×10-3Ωcm2的接触电阻；
n侧反射器层，所述n侧反射器层设置在所述n侧层和所述载体衬底的所述第二表面之一上方，所述n侧反射器层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少70％的平均反射率；以及
光接收表面，其中所述光接收表面被对准以使具有介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长并且以一定角度入射在所述光接收表面上的光从所述n侧反射器层且从所述p侧反射器层反射至少一次。
17.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述光电二极管结构的特征在于填充因子至少50％。
18.根据权利要求17所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是在产生至少10A cm-2的电流密度的光照水平下达到的。
19.根据权利要求17所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是至少80％。
20.根据权利要求19所述的光电二极管结构，其中所述填充因子是至少90％。
21.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在(0001)+c面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1019cm-3。
22.根据权利要求16所述的光电二极管结构，还包括n型包覆层和p型包覆层中的至少一种，其中
所述n型包覆层位于所述n型层与所述一个或多个吸收体层之间，并且其中所述n型包覆层具有至少5×1018cm-3的掺杂剂浓度，以及
所述p型包覆层位于所述吸收体层与所述p型层之间，并且其中所述p型包覆层具有至少1×1019cm-3的掺杂剂浓度。
23.根据权利要求16所述的光电二极管结构，还包括：
n型包覆层和p型包覆层中的至少一个，
所述n型包覆层位于所述n型层与所述一个或多个吸收体层之间，并且
所述p型包覆层位于所述吸收体层与所述p型层之间，
其中，所述n型包覆层和所述p型包覆层中的至少一个的特征在于铟浓度表征介于所述吸收体层的铟浓度与所述n型层或所述p型层的铟浓度之间。
24.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于与(000-1)-c面相差介于2度与5度之间的结晶定向。
25.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在{10-10}m面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少2×1018cm-3。
26.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述一个或多个吸收体层、所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于在选自{10-1-2}、{10-1-1}、{20-2-1}和{30-3-1}的半极性面的5度内的结晶定向并且所述n型层和所述p型层中的每一个的特征在于掺杂剂浓度至少1×1018cm-3。
27.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述p侧电接触层设置在所述p型层上方，其中所述p侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少80％的平均反射率和低于1×10-3Ωcm2的接触电阻。
28.根据权利要求16所述的光电二极管结构，其中所述n侧电接触层具有对于介于390纳米与460纳米之间的至少一个波长来说至少80％的平均反射率和低于5×10-4Ωcm2的接触电阻。
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