CN116195077A - 隧道结的p-型层的激活 - Google Patents
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Abstract
制造具有使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的外延隧道结的微尺寸III‑氮化物发光二极管(μLED)的方法，所述外延隧道结包括p+GaN层、InxAlyGazN插入层和n+GaN层，其中μLED具有低的正向电压。所述InxAlyGazN插入层具有比所述GaN层更小的能量带隙，这减小了所述隧道结的耗尽宽度并增加了隧穿概率。所述μLED用从25至10000μm2变化的尺寸制造。发现，所述InxAlyGazN插入层可将在20A/cm2下的正向电压减少至少0.6V。具有n‑型和p‑型InxAlyGazN插入层的隧道结μLED在20A/cm2下具有非常稳定的低的正向电压。在小于1600μm2的尺寸下，所述低的正向电压为小于3.2V。
Description
相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C.Section 119(e)，本申请要求以下待审和共同受让的申请的权益：
美国临时申请序列No.63/064,113，由Panpan Li，Hongjian Li，Michael Iza，Shuji Nakamura和Steven P.DenBaars于2020年8月11日提交，标题为“ACTIVATION OF P-TYPE LAYERS OF TUNNEL JUNCTIONS”，律师案卷号G&C 30794.0782USP1(UC 2021-551-1)；
该申请通过引用并入本文中。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及制造具有通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的外延隧道结(junction)的微尺寸发光二极管(μLED)的方法。
2.相关技术的描述
(注：本申请引用了许多不同的出版物，如贯穿说明书通过中括号(bracket)中的一个或多个参考号例如[x]所示。根据这些参考号排序的这些不同出版物的列表可在下文标题为“参考文献”的部分中找到。这些出版物中的每一个均通过引用并入本文中。)
当前商用的III-氮化物发光二极管(LED)和激光二极管(LD)利用n-型区域、产生光的有源区域(active region，活性区域)和p-型区域以形成二极管。发射波长涵盖从紫外线波长到红、且甚至红外线红(infrared red)。然而，p-型氮化镓(p-GaN)难以电接触，并且具有低的空穴浓度和迁移率。这意味着p-GaN不能被用作电流扩展层，并且传统的p-接触将给装置增加显著的电压。尽管这些固有问题，但所有的商业发光装置都利用传统的p-接触以及除p-GaN以外的材料用于电流扩展，所述材料通常包括透明的导电氧化物，例如铟锡氧化物(ITO)。
p-GaN顶部上的低电阻隧道结(TJ)将允许在装置两侧上的n-型GaN(n-GaN)中的电流扩展，以及在所述装置的两侧上使用低电阻n-型接触。隧道结是包括非常高度掺杂的(n+/p+)界面的二极管，所述界面允许电子在价带和导带之间隧穿。这是由Esaki[1]在高度掺杂的、具有非常薄的耗尽区域(depletion region)的锗(Ge)同质结中首次证明的。
然而，GaN是宽带隙半导体，因此用于隧穿的势垒(barrier，屏障)是高的。已经尝试了多种减少隧穿势垒的方法，包括用氮化铝(AlN)夹层经由极化进行的带隙工程[2]、用氮化铟镓(InGaN)夹层减少带隙[3]、和经由界面GaN纳米颗粒引入缺陷态[4]。然而，所有这些方法都与电压或电阻增加方面的损耗或最终装置性能的光损耗相关。
在另一实例中，通过MOCVD生长的镁(Mg)掺杂的p-GaN在生长时通过氢补偿，并且它在生长后必须退火以除去所述氢。这种退火只有在p-GaN没有被n-GaN覆盖时才能起作用，因为氢不能容易地扩散通过n-GaN。[5]这限制了隧道结的有效性，并阻碍了它们的广泛使用。
在另一实例中，发光装置可通过如下制造：首先通过MOCVD生长n-型、有源和p-型区域，且然后通过其它沉积技术例如分子束外延(MBE)在所述装置上方沉积n-型隧道结。该方法允许所述p-型区域保持导电，从而形成隧道结。然而，该方法需要两种单独的沉积技术。这两种技术增加了制造的复杂性和成本。
另外，基于III-氮化物的μLED(其为具有小于10 000μm2的装置面积的LED)是下一代显示器应用(包括近眼显示器和平视显示器)的有前景的候选者。与标准LED相比，μLED的特征在于它们的尺寸小，通常小于10 000μm2。使用具有隧道结的III-氮化物μLED装置使得可实现级联具有不同发射颜色如蓝色、绿色和红色的μLED。该技术将使得可将蓝色、绿色和红色μLED集成在一个装置中。
然而，与如上所述的常规LED相比，并入隧道结层的LED表现出高的操作电压。此外，通过MOCVD的隧道结μLED的正向电压对装置尺寸非常敏感，这极大阻碍了商业化。
因此，本领域中需要用于改善III-氮化物装置的性能的结构。本发明满足了这一需要。
发明内容
为克服上述现有技术的局限性，本发明公开制造具有外延隧道结的μLED的方法，所述外延隧道结包括使用MOCVD生长并具有低的正向电压的p+GaN、InxAlyGazN插入层和n+GaN层。所述InxAlyGazN插入层具有比GaN更低的带隙以减小耗尽宽度和增加隧穿概率。
在MOCVD反应器中生长p+GaN层之后，将样品从反应器中取出。将所述样品用溶剂处理干净，并用化学处理以除去氧。然后，将所述样品加载到反应器中，用于InxAlyGazN插入层和n+GaN层的后续生长，以形成隧道结。特征的图案(Patterns，模式)导致在所述n+GaN和n-GaN层或侧壁中的接入点(access point)(包括孔(hole)或通孔(via))以暴露p+型层，提供所述p+型层的激活。
使用这种方法，制造具有从100至10 000μm2变化的尺寸的隧道结μLED。发现，带有具有InxAlyGazN插入层的隧道结的μLED在20A/cm2下具有约3.08至3.3V的非常稳定且均匀的正向电压。隧道结μLED的这种低的正向电压对于各种应用是非常重要的。
此外，隧道结μLED提供多种优点，例如简单的制造工艺、更好的电流扩展和更高的输出功率。还有，隧道结μLED使得可实现级联μLED，集成有不同的发射颜色如蓝色、绿色和红色。
附图说明
图1是具有隧道结结构的装置的横截面示意图(侧视图)，所述隧道结结构具有InxAlyGazN插入层。
图2是具有隧道结结构的装置结构的平面示意图(侧视图)，所述隧道结结构具有InxAlyGazN插入层并且具有包括穴(aperture)或通孔的接入点以接入(access，通道)p-型层。
图3是具有隧道结结构的装置结构的平面示意图(侧视图)，所述隧道结结构具有InxAlyGazN插入层并且具有暴露的侧壁以接入p-型层。
图4是具有隧道结结构的多结LED的横截面示意图(侧视图)，所述隧道结结构具有包括穴或通孔的接入点以接入p-型层。
图5是具有隧道结结构的多结LED的横截面示意图(侧视图)，所述隧道结结构具有暴露的侧壁以接入p-型层。
图6是具有金属接触层和接触垫的完全制造的装置结构的横截面示意图(侧视图)，其中隧道结结构具有InxAlyGazN插入层。
图7是具有金属接触层和接触垫的完全制造的多结LED结构的横截面示意图(侧视图)，通过具有InxAlyGazN插入层的隧道结结构连接。
图8是具有金属接触层和接触垫的完全制造的多结三级联LED结构的横截面示意图(侧视图)，通过具有InxAlyGazN插入层的隧道结结构连接，其可实现独立的结控制。
图9是具有金属接触层和接触垫的完全制造的多结LED结构的横截面示意图(侧视图)，通过具有InxAlyGazN插入层的隧道结结构连接，并且倒装芯片(flip chip)粘合(bonded，结合)到CMOS基材以实现微显示器。
图10是具有金属接触层和接触垫的完全制造的LED结构的横截面示意图(侧视图)。
图11是在隧道结的顶部上具有高反射性金属接触层并具有粗糙化的表面的完全制造的结LED结构的横截面示意图(侧视图)。
图12是具有n-型和p-型InGaN插入层的隧道结μLED和不具有InGaN插入层的参考隧道结μLED在20A/cm2下的正向电压的曲线图。
图13是具有n-型和p-型InGaN插入层的隧道结μLED和不具有利用选择性区域生长(SAG)的InGaN插入层的参考隧道结μLED在20A/cm2下的正向电压的曲线图。
图14是具有n-型和p-型InGaN插入层的隧道结μLED和不具有InGaN插入层的参考隧道结μLED的电压-电流密度的曲线图。
图15是用于在III-氮化物装置上形成具有InxAlyGazN插入层的隧道结的工艺流程图。
具体实施方式
在对优选实施方式的以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式显示了可在其中实施本发明的具体实施方式。理解，可利用其它实施方式，并且可在不背离本发明的范围的情况下执行结构改变。
概述
本发明描述了并入使用MOCVD制造的隧道结的III-氮化物发光装置结构。在并入到发光装置中的隧道结中使用InxAlyGazN插入层提供了改善所述III-氮化物发光装置的性能的手段。
已经广泛研究了通过MOCVD外延生长的GaN隧道结，但仍然面临高操作电压的挑战。这些结构在各种装置尺寸下显示装置性能(例如恒定电流下的功率输出和操作电压)的急剧下降。
本发明描述了使用MOCVD制造具有外延隧道结的III-氮化物μLED的方法，以及所得到的具有低的正向电压的装置。将InxAlyGazN插入层与隧道结结合的III-氮化物发光装置结构提供了通过在恒定电流下极大增强所述装置的输出功率和操作电压来增强III-氮化物发光装置性能的手段。
本发明的优选实施方式是III-氮化物半导体装置，其包括层压到基材上的至少n-型层、有源(发光)区域和p-型层。所述方法包括在所述p-型层上或上方生长InxAlyGazN插入层和高掺杂的n-型隧道结层以形成隧道结的步骤。
在一个实施方式中，所述n-型隧道结层包括具有约300nm的厚度的GaN。优选地，所述InxAlyGazN插入层将包括一个或多个膜，并且具有大于1x 1019cm-3的Si掺杂浓度或Mg掺杂浓度。随后的n-型层可包括具有较低掺杂浓度的III-氮化物膜，使得Si掺杂浓度优选为约1.5x 1020cm-3。
在一个实施方式中，制造装置使得所述n-型隧道结层不完全覆盖所述p-型层。这种部分覆盖可通过各种方法实现，包括所述n-型隧道结层的生长后蚀刻，或在沉积所述n-型隧道结层之前掩蔽所述p-型层，并在掩蔽的p-型层上执行选择性区域生长(SAG)或外延横向过度生长(ELOG)。[5]结果是，所述n-型隧道结层含有至位于其下方的所述p-型层的包括孔或通孔的接入点。
可通过选择性地蚀刻所述n-型隧道结层的一部分以部分地暴露所述p-型层来制造至所述p-型层的接入点。蚀刻可通过反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)蚀刻、或具有适当化学性质的湿法蚀刻、或其组合来执行。
也可使用掩模(mask)和选择性区域生长来制造所述p-型层的接入点，其中可将电介质如SiO2、SiN或其它含Si材料图案化到所述p-型层上。所述图案可包括用于创建所述接入点的圆形、方形、条纹、六边形或其它几何形状或形状的组合。随后通过选择性区域生长将所述n-型隧道结层层压到所述电介质和暴露的p-型层的顶部上。之后从所述p-型层除去所述电介质，从而通过接入点留下部分暴露的p-型层。
此外，优选的是，在制造所述接入点之后剩余的所述n-型隧道结层对所述p-型层的覆盖百分比大于50％、且更优选大于80％。
通过形成部分地覆盖所述p-型层的高掺杂的n-型隧道结层，可降低这些III-氮化物装置的操作电压并提高它们的效率，以及使得可(实现)新型的装置结构，包括新型的发光二极管、激光二极管、垂直腔表面发射激光器、太阳能电池和光电探测器。
本发明的另一目标是通过大幅改善μLED的接触层的电性质来增强光输出功率(LOP)特性。这种改善可导致μLED的用途扩大。
技术描述
第一实施方式
图1是根据本发明的第一实施方式的装置结构的横截面示意图(侧视图)。该LED100包括基材101，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层102、包括InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构的发光层103、用Mg掺杂的p-型GaN膜104、InxAlyGazN插入层105和n-型隧道结层106。
如上所述，根据第一实施方式的所述LED 100具有基于III-氮化物的发光层103，所述发光层103包括夹在n-型层102和p-型层104之间的至少一个量子阱结构。用Si掺杂的所述n-型GaN层102具有大于2μm、且更优选4μm的厚度。所述发光层103可包括多层的InGaN和GaN，其中总厚度小于1μm、且更优选200nm。小于2.5nm厚的薄InGaN量子阱可减轻压电场并提高对于红色InGaN LED的发光效率。所述p-型层104可包括含有AlGaN和GaN的多个层，并且可用Mg掺杂，其中这些层104包括小于1μm、且更优选200nm的总厚度。所述InxAlyGazN插入层105包括用Si或Mg掺杂的GaN，具有大于0.1nm、且更优选2.5nm的厚度。所述n-型隧道结层106包括用Si掺杂的GaN，具有大于50nm、且更优选300nm的厚度。
第二实施方式
图2是根据本发明的第一实施方式的装置结构的平面示意图(侧视图)。该LED 200包括基材201，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层202、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层203、用Mg掺杂的p-型GaN层204、InxAlyGazN插入层205和n-型隧道结层206。LED 200还包括接入点207的图案，所述接入点207包括孔。所述接入点207还可包括任意几何形状，例如圆形、方形、条纹、六边形等，并且所述接入点207的图案还可包括形状的组合。
第三实施方式
图3是根据本发明的第一实施方式的装置结构的平面示意图(侧视图)。该LED 300包括基材301，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层302、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层303、用Mg掺杂的p-型GaN层304、InxAlyGazN插入层305和n-型隧道结层306。所述LED 300还包括台面(mesa)的蚀刻的侧壁307，其提供用于激活所述p-型层304的通道。所述侧壁307也可包括各种构造和形状。
第四实施方式
图4是根据本发明的第二实施方式的装置结构的横截面示意图(侧视图)。该LED400具有与第一实施方式相同的结构，包括：基材401、用Si掺杂的n-型GaN层402、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层403、用Mg掺杂的p-型GaN层404、InxAlyGazN插入层405和n-型隧道结层406。
该LED 400还包括第二发光层407、第二p-型层408、第二InxAlyGazN插入层409和第二n-型隧道结层410。这些层407、408、409、410包括可视需要重复0至x次的重复单元。
所述n-型隧道结层406、410分别部分地覆盖所述p-型层404、408并与所述p-型层404、408形成隧道结，使得所述p-型层404、408的部分分别通过接入点411、412保持暴露。这些接入点411、412分别提供用于激活所述p-型层404、408的通道。
所述第二发光层407可包括InGaN/GaN MQW结构，使得从所述第二发光层407发射的光的波长λ1不同于从所述第一发光层403发射的光的波长λ2。在一个实施方式中，所述第一发光层403可以波长λ1(以约450nm为中心)发射光，而所述第二发光层407可以波长λ2(以约550nm为中心)发射光，使得λ1≠λ2。然而，在其它实施方式中，λ1＝λ2。
第五实施方式
图5是根据本发明的第三实施方式的装置结构的横截面示意图(侧视图)。LED 500500具有与第三实施方式类似的结构，包括：基材501、用Si掺杂的n-型GaN层502、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层503、用Mg掺杂的p-型GaN层504、InxAlyGazN插入层505和n-型隧道结层506。
该LED 500还包括第二发光层507、第二p-型层508、第二InxAlyGazN插入层509和n-型隧道结层510。这些层507、508、509、510形成沉积在第一实施方式中描述的外延结构上的进一步的外延结构的重复单元，其中，可在第一实施方式中描述的外延结构上形成所述进一步的外延结构的0至X个重复单元，其中X为整数。
所述LED 500还包括台面的蚀刻的侧壁511，其提供用于激活所述p-型层504、508的通道。所述侧壁511还可包括各种构造和形状。
第六实施方式
图6是根据一个实施方式的完全制造的装置结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为LED 600，包括基材601，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层602、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层603、用Mg掺杂的p-型GaN膜604、InxAlyGazN插入层605和部分地覆盖并形成隧道结的n-型隧道结层606。为所述n-型层602和所述n-型隧道结层606提供接触垫607。
第七实施方式
图7是根据一个实施方式的完全制造的多发射层装置结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为LED 700，包括基材701，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层702、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层703、用Mg掺杂的p-型GaN层704、InxAlyGazN插入层705、n-型隧道结层706、第二发光层707、第二p-型层708、第二InxAlyGazN插入层709和第二n-型隧道结层710。分别为所述n-型层702、n-型隧道结层706和n-型隧道结层710提供接触垫711、712、713。通过控制通过所述接触垫711、712和713的电注入来实现多色发射。
第八实施方式
图8是根据一个实施方式的完全制造的多发射层装置结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为LED 800，包括基材801，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层802、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层803、用Mg掺杂的p-型GaN层804、InxAlyGazN插入层805、n-型隧道结层806、第二发光层807、第二p-型层808、第二InxAlyGazN插入层809、第二n-型隧道结层810、第三发光层811和第三p-型层812。分别为所述n-型层802、n-型隧道结层806、n-型隧道结层810和p-型层812提供接触垫813、814、815和816。通过独立地控制通过所述接触垫813、814、815和816的电注入来实现多色发射例如蓝色、绿色和红色。
第九实施方式
图9是根据一个实施方式的完全制造的粘合到CMOS基材的多发射层装置结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为显示器900，包括基材901，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层902、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层903、用Mg掺杂的p-型GaN层904、InxAlyGazN插入层905、n-型隧道结层906、第二发光层907、第二p-型层908、第二InxAlyGazN插入层909和第二n-型隧道结层910。分别为所述n-型层902、n-型隧道结层906和n-型隧道结层910提供接触垫911、912、913。通过控制通过所述接触垫911、912和913的电注入来实现多色发射。级联的LED通过粘合元件914粘合到CMOS基材915。因此，形成了使用级联的微LED的显示器。可减小所述微LED的空间并增加所述微LED显示器的像素/英寸(PPI)。
第十实施方式
图10是根据一个实施方式的发光二极管结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为LED 1000，包括基材1001，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层1002、GaN量子屏障1003、InGaN量子阱1004、InAlGaN盖层(cap layer)1005、用Mg掺杂的p-型AlGaN层1006和用Mg掺杂的p-型GaN膜1007。为减轻InGaN量子阱1004中的强压电场，所述InGaN阱1004的厚度可减小到小于2.5nm。因此，可提高LED的效率。
第十一实施方式
图11是根据一个实施方式的完全制造的发光层装置结构的横截面示意图(侧视图)。该装置结构为LED 1100，包括基材(未示出)，在其上按以下顺序依次沉积：用Si掺杂的n-型GaN层1101、包括InGaN/GaN MQW结构的发光层1102、用Mg掺杂的p-型GaN层1103、InxAlyGazN插入层1104、n-型隧道结层1105和高反射性金属接触1106，例如Al或Al/Ag/Au堆叠。在该实施方式中，通过激光剥离(lift-off)或其它方式除去基材，并通过蚀刻或其它方式使所述n-型GaN层1101的暴露表面1107粗糙化，以提高光提取效率。
实验结果
图12是正向电压(V)对μLED面积(μm2)的图，其描述了参考隧道结(TJ)μLED以及具有n-型和p-型InxAlyGazN插入层的TJμLED在20A/cm2的工作电流密度下的正向电压。对于参考TJμLED，随着μLED面积从10000减至100μm2，正向电压显示从4.5V至3.7V的显著下降。对于具有n-型和p-型InxAlyGazN插入层的TJμLED，正向电压显著减少至少0.6V。具体地，对于具有n-型和p-型InxAlyGazN插入层的TJμLED，当μLED面积小于或等于1600μm2时，正向电压减少至3.1至3.3V。
图13是正向电压(V)对μLED面积(μm2)的图，其显示参考TJμLED、SAG TJμLED以及具有n-型和p-型InxAlyGazN插入层的SAG TJμLED在20A/cm2的工作电流密度下的正向电压。具有n-型和p-型InxAlyGazN插入层的SAG TJμLED包括：(1)具有n+GaN隧道结层和暴露的p-型层的SAG TJμLED，(2)具有n-InGaN/n+GaN隧道结层和暴露的p-型层的SAG TJμLED，和(3)具有p-InGaN/n+GaN隧道结层和暴露的p-型层的SAG TJμLED。所有SAG TJμLED均表现出基本上与尺寸无关的电压。对于具有n-InGaN/n+GaN隧道结层和暴露的p-型层的SAG TJμLED，实现3.08V的最低电压。具有n-InGaN/n+GaN隧道结层的SAG TJμLED的电压从3.08V至3.2V变化。
图14是参考TJμLED和具有n-InGaN/n+GaN隧道结层的TJμLED的电流密度(A/cm2)对电压(V)的图。它清楚地显示具有n-InGaN/n+GaN隧道结层的TJμLED在20A/cm2的工作电流密度下的正向电压显著减少至0.6V。
因此，已经发现，对于具有n-InGaN/n+GaN隧道结层的SAG TJμLED，正向电压非常稳定且均匀，约3.0至3.2V，这对于具有不同尺寸的μLED的应用是极其重要的。本发明解决了不同尺寸隧道结μLED中的高正向电压问题。此外，本发明使得可实现具有使用MOCVD制造的外延隧道结的低正向电压的μLED，这具有很大的经济益处。
工艺步骤
图15是根据一个实施方式在III-氮化物半导体装置中形成InxAlyGazN插入层和具有p-型层的n-型隧道结的方法1200的工艺流程图。该方法可被用于制造图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10中所示的III-氮化物发光二极管(LED)结构，其中所得III-氮化物LED结构包括至少一个隧道结(TJ)，所述隧道结包括p-型III-氮化物层；n-型III-氮化物隧道结层；和在所述p-型III-氮化物层和所述n-型III-氮化物隧道结层之间的InxAlyGazN插入层，其中0<x≤1，0≤y<1，0≤z≤1，且x+y+z＝1。
方框1501代表在基材上或上方形成n-型层的步骤。在一个实施方式中，所述n-型层为n-型III-氮化物层，例如，所述n-型III氮化层包括GaN。在一个实施方式中，所述n-型III-氮化物层为含有一些铟的n-型GaN层。
方框1502代表在所述n-型层上或上方形成发光层的步骤。
方框1503代表在所述发光层上或上方形成p-型层的步骤。在一个实施方式中，所述p-型层为p-型III-氮化物层，例如，所述p-型III-氮化物层包括GaN。在一个实施方式中，所述p-型III-氮化物层为含有一些铟的p-型GaN层。
方框1504代表在结构上执行表面处理的步骤，其中所述表面处理可包括将后续层浸入反应性化学物质例如HCl、HF或另一反应性化学物质中，并且所述表面处理还可包括使所述后续层经受等离子体源例如O2等离子体或其它等离子体源。
方框1505代表在所述p-型层上或上方形成InxAlyGazN插入层的步骤。在一个实施方式中，所述InxAlyGazN插入层是n-型掺杂的，具有>1x 1019cm-3的供体浓度，其中所述供体为硅(Si)或锗(Ge)。在另一实施方式中，所述InxAlyGazN插入层是p-型掺杂的，具有>1x1019cm-3的供体浓度，其中所述供体为镁(Mg)或锌(Zn)。
方框1506代表在所述InxAlyGazN插入层上或上方形成n-型隧道结层的步骤。在一个实施方式中，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长所述InxAlyGazN插入层和所述n-型III-氮化物隧道结层。在一个实施方式中，所述n-型隧道结层为n-型III-氮化物隧道结层，例如，所述n-型III-氮化物隧道结层包括GaN，其中所述InxAlyGazN插入层具有比所述n-型隧道结层的GaN更低的能量带隙。在一个实施方式中，所述n-型III-氮化物隧道结为含有一些铟的n-型GaN层。
方框1507代表激活所述p-型III-氮化物层的任选的步骤。在一个实施方式中，通过使氢通过所述n-型III-氮化物隧道结层中的接入点或通过台面的侧壁除去来激活所述p-型III-氮化物层，其中通过热退火来激活所述p-型III-氮化物层。在一个实施方式中，使用选择性区域生长(SAG)或外延横向过度生长(ELOG)来制备所述n-型III-氮化物隧道结层中的接入点。在另一实施方式中，使用电感耦合等离子体(ICP)或反应性离子蚀刻(RIE)来暴露所述台面的侧壁以接入所述p-型III-氮化物层。
方框1508代表所得装置结构。在一个实施方式中，所得装置结构为III-氮化物LED结构，例如III-氮化物LED结构。
在一个实施方式中，所述III-氮化物LED结构包括至少一个隧道结(TJ)，所述隧道结包括p-型III-氮化物层、n-型III-氮化物隧道结层和在所述p-型III-氮化物层和所述n-型III-氮化物隧道结层之间的InxAlyGazN插入层；并且所述n-型III-氮化物隧道结层在其中具有一个或多个至所述p-型III-氮化物层的表面的接入点。
在一个实施方式中，所述III-氮化物LED结构为微尺寸III-氮化物LED，所述微尺寸III-氮化物LED在其中包括一个或多个至(to，到达)p-型III-氮化物层或所述p-型III-氮化物层的暴露的侧壁的接入点。
在一个实施方式中，所述III-氮化物LED结构是具有包括p+GaN和n+GaN层的外延隧道结的微尺寸III-氮化物LED，所述微尺寸III-氮化物LED在20A/cm2的电流密度下具有小于3.45V的低的正向电压，例如，在20Acm-2下的与尺寸无关的正向电压，其稳定且均匀，约3.08V至3.3V。所述微尺寸III-氮化物LED具有例如小于10 000μm2的面积，尺寸范围为25至10 000μm2。
替代方案和修改
下面描述对本发明的可能的替代方案和修改。
所述n-型隧道结层可包括具有不同或分级组成的多个膜或层、包含不相似(Al,Ga,In,B)N组成的层的异质结构、或一个或多个不相似的(Al,Ga,In,B)N组成的层。它还可包括一个或多个具有不同厚度、III-氮化物组成和掺杂的膜。这些膜可含有镓、铟、铝、硼、或其组合。
所述n-型隧道结层可包括用元素例如铁、镁、硅、氧、碳和/或锌无意掺杂或有意掺杂的膜或层。可使用包括MOCVD、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)的沉积方法来生长所述n-型隧道结层。
所述结构可进一步包括在任意晶体学III-氮化物方向上生长的n-型隧道结层，例如在常规的极性c-平面取向的III-氮化物半导体晶体上，或在非极性平面例如a-平面或m-平面上，或在任意半极性平面上。
在一个或多个实施方式中，在所述n-型隧道结层上生长的后续层可包括第二n-型层，并且使用单金属接触沉积来制造与装置的两个n-型层的接触。
在一个或多个实施方式中，所述后续层包括顶部的n-型层，并且所述装置不包括p-接触。
在一个或多个实施方式中，所述方法包括重复步骤以形成多个p-n结和隧道结，其中所述隧道结包括n-型隧道结层，并且接触所述装置中的每一个掩埋的n-型层，从而单独控制流过每一个有源区域的电流。
在一个或多个实施方式中，例如通过暴露于酸但不限于王水、氢氟酸和氢氯酸来抑制所述后续层中的镁(Mg)浓度。
在一个或多个实施方式中，通过流动调制外延(例如，低温流动调制外延)来抑制所述p-型层中的Mg浓度。
在一个或多个实施方式中，通过氢在升高的温度下通过暴露的p-型层的横向扩散来激活Mg。
在一个或多个实施方式中，所述装置为LED，并且匹配p-n结的两侧上的薄层电阻以减少电流拥挤。
在一个或多个实施方式中，所述装置包括具有不同发射颜色的三个级联的LED。
在一个或多个实施方式中，所述装置包括至少级联的LED，所述级联的LED具有不同的发射颜色，粘合到CMOS基材，以形成微显示器并增加PPI。
在一个或多个实施方式中，所述装置是长波长InGaN LED，并且减少了量子阱以改善电-空穴波函数的重叠并提高效率。
在一个或多个实施方式中，所述装置是LED，并且将一个或多个n-GaN层粗糙化以增加所述LED的提取效率。
命名法
本文中使用的术语“氮化物”或“III-氮化物”或“III-族氮化物”是指具有式GanAlxInyBzN的(Ga,Al,In,B)N半导体的任意合金组合物，其中：0≤n≤1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且n+x+y+z＝1。
本文中使用的这些术语旨在广义地解释为包括单个种类Ga、Al、In和B的相应氮化物，以及此类III族金属种类的二元、三元和四元组成。因此，这些术语包括但不限于如下化合物：AlN、GaN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN和AlGaInN。当存在两种或更多种的(Ga,Al,In,B)N组分种类时，可在本发明的宽范围内使用所有可能的组成，包括化学计量比例以及非化学计量比例(相对于组成中存在的每一种(Ga,Al,In,B)N组分种类存在的相对摩尔分数)。进一步地，在本发明的范围内的组合物和材料可进一步包括大量的掺杂剂和/或其它杂质材料和/或其它内含(inclusional，夹杂)材料。
本发明还涵盖III-氮化物的特定晶体取向、方向、末端和极性的选择。当使用米勒指数(Miller indice)识别晶体取向、方向、末端和极性时，使用大括号{}表示一组对称等效平面，所述对称等效平面通过使用小括号()来表示。使用中括号[]表示方向，而使用尖括号(bracket)<>表示一组对称等效方向。
许多III-氮化物装置是沿着极性取向生长的，即晶体的c-面{0001}，尽管这由于存在强压电和自发极化而导致不期望的量子限制斯塔克效应(quantum-confined Starkeffect)(QCSE)。降低III-氮化物装置中极化效应的一种方法是使装置沿着晶体的非极性或半极性取向生长。
术语“非极性”包括统称为a-平面的{11-20}平面和统称为m-平面的{10-10}平面。这样的平面每个平面含有相等数量的III族和氮原子，并且是电中性的。后续的非极化层彼此等效，因此体块晶体(bulk crystal)将不会沿着生长方向极化。
术语“半极性”可用于指不能分类为c-平面、a-平面或m-平面的任意平面。在晶体学术语中，半极性平面将为具有至少两个非零h、i或k米勒指数和一个非零l米勒指数的任意平面。随后的半极性层彼此等效，因此晶体将具有沿生长方向减小的极化。
参考文献
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结论
这结束了对本发明的优选实施方式的描述。为说明和描述的目的，已经呈现了本发明的一个或多个实施方式的前述描述。它并不意图为详尽的或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。意图是本发明的范围不被该具体实施方式限制，而是被所附权利要求限制。
Claims (20)
1.方法，该方法包括：
制造III-氮化物发光二极管(LED)结构，其中：
所述III-氮化物LED结构包括至少一个隧道结(TJ)，所述隧道结包括p-型III-氮化物层；n-型III-氮化物隧道结层；和在所述p-型III-氮化物层和所述n-型III-氮化物隧道结层之间的InxAlyGazN插入层，其中0<x≤1，0≤y<1，0≤z≤1，且x+y+z＝1。
2.权利要求1所述的方法，其中所述p-型III-氮化物层和所述n-型III-氮化物隧道结层包括GaN，并且所述InxAlyGazN插入层具有比所述GaN更低的能量带隙。
3.权利要求1所述的方法，其中通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长所述InxAlyGazN插入层和所述n-型III-氮化物隧道结层。
4.权利要求1所述的方法，其中所述InxAlyGazN插入层为n-型掺杂的，具有>1x 1019cm-3的供体浓度。
5.权利要求4所述的方法，其中所述供体为硅(Si)或锗(Ge)。
6.权利要求1所述的方法，其中所述InxAlyGazN插入层为p-型掺杂的，具有>1x 1019cm-3的供体浓度。
7.权利要求6所述的方法，其中所述供体为镁(Mg)或锌(Zn)。
8.权利要求1所述的方法，其中通过使氢通过所述n-型III-氮化物隧道结层中的接入点或通过台面的侧壁除去来激活所述p-型III-氮化物层。
9.权利要求8所述的方法，其中通过热退火来激活所述p-型III-氮化物层。
10.权利要求8所述的方法，其中使用选择性区域生长(SAG)或外延横向过度生长(ELOG)来制备所述n-型III-氮化物隧道结层中的接入点。
11.权利要求8所述的方法，其中使用电感耦合等离子体(ICP)或反应性离子蚀刻(RIE)来暴露所述台面的侧壁以接入所述p-型III-氮化物层。
12.权利要求1所述的方法，其中所述III-氮化物LED结构包括具有小于10 000μm2的面积的微LED。
13.权利要求12所述的方法，其中所述III-氮化物LED结构在20A/cm2的电流密度下具有小于3.45V的正向电压。
14.权利要求1所述的方法，其中所述n-型III-氮化物隧道结层为含有一些铟的n-型GaN层。
15.权利要求1所述的方法，其中所述p-型III-氮化物层为含有一些铟的p-型GaN层。
16.装置，该装置包括：
III-氮化物发光二极管(LED)结构，其中：
所述III-氮化物LED结构包括至少一个隧道结(TJ)，所述隧道结包括p-型III-氮化物层；n-型III-氮化物隧道结层；和在所述p-型III-氮化物层和所述n-型III-氮化物隧道结层之间的InxAlyGazN插入层；和
所述n-型III-氮化物隧道结层在其中具有一个或多个至所述p-型III-氮化物层的表面的接入点。
17.装置，该装置包括：
微尺寸III-氮化物发光二极管(LED)，所述微尺寸III-氮化物发光二极管在其中包括一个或多个至p-型III-氮化物层的表面或所述p-型III-氮化物层的暴露的侧壁的接入点。
18.装置，该装置包括：
具有外延隧道结的微尺寸III-氮化物发光二极管(LED)，所述外延隧道结包括p+GaN和n+GaN层，所述微尺寸III-氮化物发光二极管在20A/cm2的电流密度下具有小于3.45V的低的正向电压。
19.权利要求18所述的装置，其中所述微尺寸III-氮化物LED具有范围为25至10 000μm2的尺寸。
20.权利要求18所述的装置，其中所述微尺寸III-氮化物LED在20Acm-2下具有与尺寸无关的正向电压，所述正向电压稳定且均匀，约3.08V至3.3V。
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