CN116529894A - 用于低电流密度下的高速操作的GaN LED中的p型掺杂 - Google Patents
用于低电流密度下的高速操作的GaN LED中的p型掺杂 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116529894A CN116529894A CN202180080962.0A CN202180080962A CN116529894A CN 116529894 A CN116529894 A CN 116529894A CN 202180080962 A CN202180080962 A CN 202180080962A CN 116529894 A CN116529894 A CN 116529894A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- led
- doped
- layers
- barrier layers
- type gan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 142
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 30
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 12
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 claims 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 24
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 24
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 22
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 14
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005574 cross-species transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007665 sagging Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
- H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen characterised by the doping materials
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/50—Transmitters
- H04B10/501—Structural aspects
- H04B10/502—LED transmitters
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/60—Receivers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
一种基于GaN的LED可以低驱动电流密度在高数据速率下驱动，其中所述LED的有源区域含有一或多个量子阱(QW)，其中所述QW由较高能量阻挡层分离，其中所述阻挡层中的一些经掺杂且所述阻挡层中的一些未经掺杂。优选地，未经掺杂的所述阻挡层是最靠近所述LED的p区域或n区域的一侧的所述阻挡层。在Mg掺杂的情况下，优选地，未经掺杂的所述阻挡层是最靠近所述LED的所述p区域的所述阻挡层。
Description
技术领域
本发明大体上涉及用于数据通信的LED，且更特定来说，涉及高速基于GaN的LED及使用高速基于GaN的LED的数据通信系统。
背景技术
已存在对使用高速基于GaN的LED进行数据通信的极大关注。一个重点是将数据传输与照明组合(“LiFi”)，其中基于LED的房间灯将被高速调制以将数据传送给房间内的用户。并入CMOS IC上的调制LED还可用于传输短距离连接的数据，范围从遍及大型集成电路的几毫米的芯片内互连到数据中心中10m或更大的机架到机架互连。在所有情况中，使用能够以每秒几千兆位调制、耗电少且在产生光子方面相当有效的光源可为优选的。传统上，激光器被用作数据传输的光源，因为它们可为高效且快速的。然而，激光器通常具有限制每一光源所需的最小功率的阈值电流。因此，为了获得有竞争力的功率耗散(通常表示为微微焦耳/位)，许多低速数据线可通过串行器/解串器(SERDES)被多路复用以在转换为光学器件之前增加总体位率；以低位率运行激光器根本不是有效的。然而，SERDES增加功耗及延时。
使用LED作为光源改变平衡。LED没有基本阈值，因此与激光器相比，可获得较佳能效。此外，使用每一相对较慢数据线一个LED的非常宽的数据总线消除由SERDES使用的功耗、延时及占用空间。
对于LED存在尺寸与效率之间的权衡。微米或几十微米数量级的非常小的装置往往更快，但效率较低。小型装置效率下降的原因通常被认为是装置的蚀刻边缘上的表面缺陷。LED的直径越小，边缘表面与发射面积的比率越大，且暴露表面可具有非辐射缺陷，其引起复合而不发射光子。因此，其中效率至关重要的照明装置通常跨越几毫米以最小化边缘效应；如果装置变得太大，那么散热及成本/良率成为问题。
另一方面，载流子寿命随着载流子密度增加而缩短。因此，在给定的电流下，较小装置本质上更快，因为它们在较高电流密度下操作。因此，用于数据传输的LED更小，因为速度也很重要。
在高电流密度下操作的较小装置比在低电流密度下操作的较大装置的效率低的第二个原因是因为“下垂(droop)”。这种效率下降的主要原因被认为是增加的俄歇(Auger)非辐射复合及有源区域上的电子外溢。然而，在数据通信中，一些下垂或效率损失为LED中的速度而牺牲。
LED在高电流密度下更快的原因可能是因为载流子寿命缩短。总的载流子复合速率是陷阱诱导缺陷(肖克莱-里德-霍尔(Shockley-Reed-Hall))、辐射复合及俄歇复合的组合。所有这些项随着载流子密度增加而增加。总复合R通过以下与本征区域中的电子密度n相关：
R＝An+Bn2+Cn3 (1)
其中A是非辐射陷阱复合的系数，B是自发辐射发射，且C是俄歇复合。方程式(1)假设本征区域中的电子及空穴密度相等，这是合理的，因为相等数目被注入到所述区域。
载流子寿命t由以下给出：
1/t＝A+Bn+Cn2 (2)
随着载流子密度变高，辐射及俄歇复合速率增加，从而缩短载流子寿命。
LED的效率取决于辐射复合速率与俄歇及陷阱复合速率的比率，其可表示为：
效率＝Bn/(A+Bn+Cn2)(3)
因此，在非常低的电流密度(～Bn/A)下，效率很低，随着n增加而增加，达到最大值，且接着随着Cn2项主导而下降。不同于需要电子及空穴在单个步骤中找到彼此的辐射复合，陷阱辅助复合需要两个步骤。这些陷阱很快被一个或另一个载流子填充且接着在另一种类型的载流子到达时充当复合中心。由于假设这些陷阱几乎总是被填充，因此陷阱复合时间常数非依据载流子密度而变化。然而，辐射复合速率确实取决于注入载流子找到彼此，且在低电流密度下，此速率很低，仅仅是因为没有太多的自由注入载流子可用。随着载流子密度增加，俄歇过程主导，其需要不是两个载流子，而是三个同时相互作用。此过程是非辐射的且通常导致第三载流子在价带或导带中被注入至更高能量。
发明内容
一些实施例提供一种基于GaN的LED，其中所述LED的有源区域含有一或多个量子阱(QW)，其中所述QW由较高能量阻挡层分离，其中所述阻挡层中的一些经掺杂且所述阻挡层中的一些未经掺杂，在一些实施例中，较靠近所述LED的所述有源区域的n侧的阻挡层经掺杂，且较靠近所述LED的所述有源区域的p侧的阻挡层未经掺杂。在一些实施例中，所述掺杂是p掺杂。在一些实施例中，所述p掺杂是用镁(Mg)。在一些实施例中，仅每一经掺杂阻挡层的中心部分经掺杂，而每一阻挡层的剩余部分未经掺杂。在一些实施例中，所述QW未经掺杂。
一些实施例提供一种LED，其包括：p型GaN层；n型GaN层；及多个交替量子阱层及阻挡层，其在所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。在一些实施例中，所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。
一些实施例提供一种LED，其包括：p型GaN层；n型GaN层；及多个交替量子阱层及阻挡层，其在所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。在一些实施例中，所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
一些实施例提供一种操作基于GaN的LED的方法，其包括：以1Gb/s或更大的数据速率将电流施加到所述LED，所述LED具有不超过100微米的横截面宽度，所述电流具有小于向所述LED提供500安培/厘米2的电流密度的电流的幅值，所述LED具有针对所述施加电流至少3dB的光学带宽。在一些实施例中，所述电流具有小于向所述LED提供100安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。在一些实施例中，所述数据速率是1.2Gb/s或更大。在一些实施例中，所述电流具有小于向所述LED提供80安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。在一些实施例中，所述电流具有小于向所述LED提供60安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。在一些实施例中，所述数据速率是1.5Gb/s或更大。在一些实施例中，所述电流具有小于向所述LED提供60安培/厘米2的电流密度的电流的幅值及大于提供10安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。在一些实施例中，所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。在一些实施例中，所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。在一些实施例中，所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中最靠近所述p型GaN层的阻挡层未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。在一些实施例中，所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
一些实施例提供可用于提供芯片到芯片通信的方法，其包括：接收串行数据信号流；向基于GaN的LED提供驱动电流，所述驱动电流基于所述串行数据信号流的数据以1Gb/s或更大的数据速率将所述串行数据信号流的数据编码到由所述LED发射的光上，所述驱动电流具有小于以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的500倍的以安培为单位的最大幅值。在一些实施例中，所述驱动电流具有小于以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的100倍的以安培为单位的最大幅值。在一些实施例中，所述LED具有32微米或更小的横截面宽度。在一些实施例中，所述驱动电流具有在以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的100倍与以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的10倍之间的以安培为单位的最大幅值。在一些实施例中，所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。在一些实施例中，所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。在一些实施例中，所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。在一些实施例中，所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。在一些实施例中，所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
在阅读本公开后更全面理解本发明的这些及其它方面及实施例。
附图说明
图1a展示根据本发明的方面的基于GaN/InGaN的LED的实例性外延结构。
图1b展示图1a的LED的导带能图。
图2图形显示图1a的结构及其中在有源区域中无掺杂的标准LED的经测量的3dB光学带宽与电流密度。
图3图形显示图1a的结构、类似于图1a的结构但在所有阻挡层中具有Mg掺杂的结构及其中在有源区域中无掺杂的标准LED的经测量的3dB光学带宽与电流密度。
图4展示GaAs/AlGaAs材料系统中的类似结构的模拟频带图。
图5图形显示图1a的结构的经不同地设定大小的LED的经测量速度-效率乘积与电流密度。
图6是根据本发明的方面的利用基于GaN的LED作为光源的光学通信或处理系统的框图。
具体实施方式
在基于GaN的LED的一些实施例中，LED的有源区域含有一或多个量子阱(QW)，其中QW由较高能量阻挡层分离。基于GaN的LED包含基于GaN/InGaN的LED。在一些实施例中，阻挡层中的一些经掺杂，且阻挡层中的一些未经掺杂。在一些实施例中，较靠近LED的有源区域的n侧的阻挡层经掺杂，且较靠近LED的有源区域的p侧的阻挡层未经掺杂。在一些实施例中，掺杂是p掺杂。在一些实施例中，p掺杂是用镁(Mg)。
为进一步分离Mg受主与QW中的载流子，在一些实施例中，仅每一经掺杂阻挡层的中心部分经掺杂，而每一阻挡层的剩余部分(及QW)未经掺杂。
已发现，仅远离p区域的边缘及LED的有源区域的掺杂阻挡层(例如，仅有源区域的n侧上的掺杂阻挡层)显著改进LED特别是在低电流密度下的操作的速度。例如，这样做可进一步将受主与载流子分离，使得阻挡层中的带负电荷受主将吸引空穴，从而改进传输。同时，有源区域的p侧上的量子阱(其中发生大多数复合)可与可能通过增加的非辐射复合降低量子效率的受主显著分离。
图1a展示基于GaN/InGaN的LED的实例性外延结构。在一些实施例中，结构使用图案化蓝宝石衬底111上的MOCVD生长且具有相对较厚的GaN缓冲层113a、b，其全部经n型及硅掺杂。在一些实施例中，例如，如图1a中所展示，结构亦含有用于帮助减少缺陷的超晶格115，其中图1a中所展示的超晶格位于GaN缓冲层的顶部上。有源区域包括由GaN阻挡层(一起为119)分离的一或多个InGaN QW。在一些实施例中，经n掺杂的GaN间隔件117位于超晶格与有源区域之间。在一些实施例中，有源区域上方是AlGaN电子阻挡层121、薄的p型区域123及用于进行良好电接触的经高度掺杂的GaN帽层125。在一些实施例中，且如在图1b中参考，存在五个QW，其中仅n侧上的三个阻挡层经掺杂，用(例如)Mg。在其中一些实施例中，可存在少数QW，且在一些实施例中，可存在大量QW。在一些实施例中，仅每一阻挡层的中心部分经掺杂，而每一阻挡层的剩余部分(及QW)未经掺杂。在一些实施例中，阻挡层为10到20nm宽，在一些实施例中，Mg掺杂在>1019/cm3范围内。
在一些实施例中，GaN缓冲层包含图案化蓝宝石衬底的顶部上的3um n-GaN层113a，其中3um n+GaN层113b位于n-GaN层的顶部上。在各种实施例中，n-GaN层及n+GaN层可为2um到4um厚。n-GaN层及n+GaN层两者可经硅掺杂。n+GaN层可具有用于改进电接触(例如，与超晶格层)的较高掺杂。超晶格可由交替的量子阱及阻挡层形成。例如，超晶格可由30个1nm量子阱及5nm阻挡层形成，具有1018/cm3的硅掺杂。在一些实施例中，超晶格可包括由约5nm宽的阻挡层分离的约1nm宽的20到40个QW，具有在3×1017到3×1018/cm3范围内的硅掺杂。GaN间隔件可为具有1018/cm3或在一些实施例中为1019/cm3的硅掺杂的50nm层。在一些实施例中，有源区域包含包括一定百分比的铟(例如10％到15％铟)的QW。在一些实施例中，有源区域包含12％的InN量子阱，例如3.3nm。在一些实施例中，阻挡层在10nm到20nm厚的范围内。在一些实施例中，阻挡层为14.8nm厚。在一些实施例中，阻挡层的掺杂名义上是1.2×1019/cm3。在一些实施例中，阻挡层的界面(例如，到15埃的深度)未经掺杂或是本征的。在一些实施例中，AlGaN电子阻挡层是30nm层。在一些实施例中，AlGaN电子阻挡层经掺杂有Mg，具有例如1020/cm3的掺杂。在一些实施例中，薄p型区域为100nm，具有1020/cm3的掺杂，例如Mg。高度掺杂的GaN帽层可为具有p++掺杂(可为非常高的Mg掺杂)的5nm层。
图1b展示图1a的LED的导带能图。量子效率及速度被认为在空穴-电子对在QW中复合时最大化。图1b的实例假设LED包含由阻挡层分离的5个QW。图另外展示LED的n区域中的n掺杂151、LED的p区域中的p掺杂153及五个阻挡层中的三个的p掺杂155a到c。三个经掺杂阻挡层最靠近n区域，其中两个阻挡层155d、e最靠近未经掺杂的p区域。
图2图形显示图1a的结构(211)及其中在有源区域中无掺杂的标准LED(213)的经测量3dB光学带宽与在约10A/cm2与10000A/cm2之间的电流密度。如图2展示，图1a的结构的3dB光学带宽在低电流密度(例如低于约400A/cm2)下是标准LED的约两倍，且在低于约100A/cm2的电流密度下甚至更大。在较高电流密度下(例如超过约250A/cm2)，标准结构的3dB光学带宽开始翻转且减小，而图1a的结构的3dB带宽继续增加。标准LED的3dB光学带宽的翻转可能归因于空穴到有源区域中的不良注入及电子从有源区域外溢。
图3图形显示图1a的结构(311)、类似于图1a的结构但在所有阻挡层中具有Mg掺杂的结构(313)及其中在有源区域中无掺杂的标准LED(315)的经测量的3dB光学带宽与电流密度。所有阻挡层中的掺杂被视为展示3dB光学带宽中在相较于标准LED较低的电流密度下的一定增加，但仅针对在更靠近有源区域的n侧的阻挡层中的掺杂，增加显著较小。在较高电流密度下，所有阻挡层中的掺杂还避免标准LED所见的3dB光学带宽中的翻转。然而，再次，仅在更靠近有源区域的n侧的阻挡层中的掺杂提供改进的性能，尽管改进小于在低电流密度下的改进。
如上所提及，远离p区域的掺杂阻挡层进一步分离受主与载流子，例如使得阻挡层中的带负电荷的受主将吸引空穴，从而改进传输，而有源区域的p侧上的量子阱(其中发生大多数复合)可与可通过增加的非辐射复合降低量子效率的受主显著分离。从分析上看，此效应的可能原因可能如下。
如果有源区域经p掺杂，导致平衡空穴密度p0及注入空穴及电子浓度p及n，则方程式(2)现在变为：
1/τ ＝ A +B(p0+p) + Ce-e-h n (p0+p) + Ch-h-e (p0+p)2 (4)
其中Ce-e-h是两个电子及一个空穴相互作用，导致电子中的一个被激励高至导带中的俄歇系数且Ch-h-e是两个空穴及一个电子相互作用以使空穴中的一个深入价带中的俄歇系数。比较方程式(4)到方程式(2)，可见当n及p远小于p0时(即在低驱动电流密度下)，辐射第二项显著增加，且总寿命τ减少。
掺杂有源区域(特别是在掺杂是p型的情况下)的第二优点是据信这样做有助于解决传输问题。如前所提及，电子具有比空穴高得多的迁移率。在高电流密度下，此可导致在有源区域获得足够空穴的问题，且进而引起电子外溢。电子的较高迁移率意味着许多电子直接射出有源区域且在p型GaN中复合，而未从p侧注入足够的空穴。掺杂p型区域提供现成的空穴供应且帮助耗尽电子，从而减缓外溢。
然而，将有源区域掺杂为p型有一个缺点，因为像Mg的正常p型掺杂物也充当非辐射复合中心，从而增加上文方程式(4)中的A，且降低量子效率。因此，p掺杂量子阱有源区域在照明应用中没有意义。然而，在调制速度非常重要的通信应用中，p掺杂有源区域可提供有吸引力的好处。
如上所提及，在一些实施例中，在有源区域内，仅QW之间的阻挡层经p掺杂，例如用Mg。此在空间上将QW中的镁受主与载流子分离，这减少载流子与掺杂物之间的相互作用。此外，此增加Mg掺杂位点被“活化”(例如，充当受主且贡献于空穴密度)的百分比。相对于阱，阻挡层中的受主的活化增加是因为由于空穴可落入阱中，与阱中的受主的电离相关联的能量损失增加。它还增加Mg的活化，因为Mg处于较高能量状态且更有可能接受电子且产生空穴。在块体GaN中，Mg的活化低，其中仅约1％的原子产生空穴。然而，当Mg被放置于阻挡层中而非阱中时，此活化要高得多。
远离p区域掺杂阻挡层进一步分离受主与载流子，例如使得阻挡层中的带负电受主将吸引空穴，从而改进传输。未掺杂更靠近p区域的阻挡层分离有源区域的p侧上的量子阱(其中发生大多数复合)与可通过增加的非辐射复合降低量子效率的受主。
在理论上针对图4的能带图计算p掺杂n侧阻挡层的影响，其中模拟在GaAs/AlGaAs材料系统中的类似结构。仅n侧上的三个阻挡层经p掺杂。图的左侧展示经计算的空穴浓度。可见，经掺杂阻挡层被完全耗尽且导致空间上与掺杂物分离的QW的p侧中的高空穴浓度。
为了实际使用，优选地，装置具有高量子效率。图5图形显示图1a的结构的经不同地设定大小(例如，具有不同宽度)的LED的经测量速度-效率乘积与电流密度。较大装置在10到50A/cm2下具有高峰值，这对于较小装置而言是缺失的。此可能是因为在较小装置中表面复合要高得多，且此表面复合在低电流密度下占主导地位(例如，方程式1到4中的A项)。
装置的此低电流、高速操作对于实际应用来说可为重要的。在低电流密度下，可靠性、加热及寿命全部得到改进。较大装置通常在耦合到光纤或其它波导结构时允许放松的对准公差。在一些实施例中，LED直径或边缘宽度在10um到20um的范围内。实际应用可为例如在50A/cm2下使用12um直径装置，其在2Gb/s及430nm波长下操作。此装置将使用50uA驱动电流且可针对假设的20％外部量子效率产生约30uW的输出光功率。如果通过损耗为10dB的光学系统耦合到高效光检测器，且高效光检测器将产生1uA的信号电流，其对于10-15的误码率(BER)是足够的。在2V的调制摆幅下运行的传输器效率将为约50fJ/位。
在一些实施例中，基于GaN的LED是光学通信或处理系统的部分。在一些实施例中，光学通信系统提供半导体芯片或半导体芯片的部分之间的数据通信。在一些实施例中，光学处理系统提供由LED产生的光的飞行时间信息。在一些实施例中，LED包含p区域及n区域，以及在p区域与n区域之间的有源区域，有源区域包含由阻挡层分离的多个量子阱层，所述阻挡层中的一些经掺杂且阻挡层中的一些未经掺杂。在一些实施例中，阻挡层的掺杂是p掺杂。在一些实施例中，p掺杂是用Mg。在一些实施例中，最靠近p区域的阻挡层中的前两个未经p掺杂，且阻挡层中的其它中的至少一些经p掺杂。在一些实施例中，大多数经p掺杂的阻挡层比大多数未经p掺杂的阻挡层更远离p区域。在一些实施例中，基于GaN的LED如本文中别处所讨论，包含如图中所展示或描述，所述图明确地作为本公开的部分。
图6是根据本发明的方面的利用基于GaN的LED作为光源的光学通信或处理系统的框图。在一些实施例中，LED如本文中不同地讨论。在图6中，数据源611提供数据。数据源可为例如具有逻辑电路系统的半导体芯片。逻辑电路系统可对数据或用数据执行各种操作，且逻辑电路系统可包含或包括处理器。数据源向LED驱动电路系统613提供数据。LED驱动电路系统激活LED以产生编码数据的光。在一些实施例中，LED驱动电路系统以希望用于以500安培/cm2或更小的电流密度驱动LED的电流激活LED 615。在一些实施例中，LED驱动电路系统以希望用于以100安培/cm2或更小的电流密度驱动LED的电流激活LED。在一些实施例中，LED驱动电路系统以希望用于以80安培/cm2或更小的电流密度驱动LED的电流激活LED。在一些实施例中，LED驱动电路系统以希望用于以60安培/cm2或更小的电流密度驱动LED的电流激活LED。在这些实施例的各种此类实施例中，LED驱动电路系统以希望用于以10安培/cm2或更大的电流密度驱动LED的电流激活LED。在各种这些实施例中，LED驱动电路系统以1Gb/s或更大的数据速率激活LED。在各种这些实施例中，LED驱动电路系统以1.5Gb/s或更大的数据速率激活LED。在各种这些实施例中，LED驱动电路系统以2.0Gb/s或更大的数据速率激活LED。在各种这些实施例中，LED驱动电路系统以3.0Gb/s或更大的数据速率激活LED。
在一些实施例中，LED针对由LED驱动电路系统在调制频率下施加的电流及调制频率具有3dB光学带宽。在一些实施例中，LED具有50um的横截面最大宽度，在一些实施例中或更小。在一些实施例中，LED具有32um的横截面最大宽度，在一些实施例中或更小。在一些实施例中，LED具有16um的横截面最大宽度，在一些实施例中或更小。在一些实施例中，LED具有8um的横截面最大宽度，在一些实施例中或更小。在一些实施例中，LED具有4um的横截面最大宽度，在一些实施例中或更小。
由LED产生的光被提供到光学传播介质617。在一些实施例中，光首先被提供到光学耦合器(图6中未展示)，其将光传递到光学传播介质617中。在一些实施例中，光学传播介质是波导。在一些实施例中，光学传播介质是相干光纤束。在一些实施例中，光学传播介质是自由空间。在一些实施例中，光学传播介质可用于将光从充当数据源的半导体芯片的一个区域传送到半导体的另一区域。在其它实施例中，光学传播介质可用于将光从半导体芯片传送到另一半导体芯片，例如，举例来说在多芯片模块中的包含逻辑电路系统、存储器芯片或其它模块的另一芯片。
光学传播介质将光传送到检测器619，例如光二极管用于光电转换。在一些实施例中，来自光学传播介质的光可首先被提供到另一光学耦合器，其将光传递到检测器。检测器将代表所接收的光中的数据的电信号提供到接收器电路系统621。接收器电路系统可包含例如用于放大来自检测器的信号的放大电路系统(例如跨阻放大器)及在将信号的数据提供给数据接收器623时的采样或选通电路系统。在一些实施例中，接收器电路系统不包含解串电路系统。在一些实施例中，数据接收器可为与提供数据源相同的半导体芯片。在一些实施例中，数据接收器可为飞行时间装置的接收器。在一些实施例中，数据接收器可为例如在多芯片模块中的包含逻辑电路系统、存储器芯片或其它模块的另一芯片。
尽管已相对于各种实施例讨论本发明，但应认识到，本发明包括由本公开支持的新颖及非显而易见的权利要求。
Claims (32)
1.一种操作基于GaN的LED的方法，其包括：
以1Gb/s或更大的数据速率将电流施加到所述LED，所述LED具有不超过100微米的横截面宽度，所述电流具有小于向所述LED提供500安培/厘米2的电流密度的电流的幅值，所述LED具有针对所述施加电流至少3dB的光学带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流具有小于向所述LED提供100安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述数据速率是1.2Gb/s或更大。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流具有小于向所述LED提供80安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流具有小于向所述LED提供60安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述数据速率是1.5Gb/s或更大。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流具有小于向所述LED提供60安培/厘米2的电流密度的电流的幅值及大于提供10安培/厘米2的电流密度的电流的幅值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中最靠近所述p型GaN层的阻挡层未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
15.一种可用于提供芯片到芯片通信的方法，其包括：
接收串行数据信号流；
向基于GaN的LED提供驱动电流，所述驱动电流基于所述串行数据信号流的数据以1Gb/s或更大的数据速率将所述串行数据信号流的数据编码到由所述LED发射的光上，所述驱动电流具有小于以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的500倍的以安培为单位的最大幅值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述驱动电流具有小于以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的100倍的以安培为单位的最大幅值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述LED具有32微米或更小的横截面宽度。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述驱动电流具有在以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的100倍与以厘米为单位的所述LED的横截面宽度的面积的10倍之间的以安培为单位的最大幅值。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述LED包含p型GaN层及n型GaN层，以及在所述经p掺杂的GaN层与所述经n掺杂的GaN层之间的多个交替量子阱层及阻挡层，其中最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
26.一种LED，其包括：
p型GaN层；
n型GaN层；及
多个交替量子阱层及阻挡层，其在所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中所述阻挡层中的一些经p掺杂且所述阻挡层中的一些未经p掺杂，其中所述经p掺杂的阻挡层比所述未经p掺杂的阻挡层更远离所述p型GaN层。
27.根据权利要求26所述的LED，其中所述经p掺杂的阻挡层经掺杂有Mg。
28.根据权利要求26所述的LED，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂。
29.根据权利要求26所述的LED，其中所述LED具有5个量子阱层及5个阻挡层，且最靠近所述n型GaN层的所述阻挡层中的前三个未经p掺杂。
30.一种LED，其包括：
p型GaN层；
n型GaN层；及
多个交替量子阱层及阻挡层，其在所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中最靠近所述p型GaN层的所述阻挡层中的前两个未经p掺杂且所述阻挡层中的其它经p掺杂。
31.根据权利要求30所述的LED，其中所述LED具有在16与400微米2之间，含16及400微米2的横截面面积。
32.根据权利要求30所述的LED，其中所述LED具有在64与1024微米2之间，含64及1024微米2的横截面面积。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063121096P | 2020-12-03 | 2020-12-03 | |
| US63/121,096 | 2020-12-03 | ||
| PCT/US2021/061907 WO2022120243A1 (en) | 2020-12-03 | 2021-12-03 | P-type doping in gan leds for high speed operation at low current densities |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116529894A true CN116529894A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=81850529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180080962.0A Pending CN116529894A (zh) | 2020-12-03 | 2021-12-03 | 用于低电流密度下的高速操作的GaN LED中的p型掺杂 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220181518A1 (zh) |
| EP (1) | EP4256622A1 (zh) |
| CN (1) | CN116529894A (zh) |
| WO (1) | WO2022120243A1 (zh) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101479623B1 (ko) * | 2008-07-22 | 2015-01-08 | 삼성전자주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 |
| US8704252B2 (en) * | 2008-10-23 | 2014-04-22 | Epistar Corporation | Light emitting device |
| US8451877B1 (en) * | 2010-03-23 | 2013-05-28 | Sandia Corporation | High efficiency III-nitride light-emitting diodes |
| US8975616B2 (en) * | 2012-07-03 | 2015-03-10 | Liang Wang | Quantum efficiency of multiple quantum wells |
| US20190068280A1 (en) * | 2016-02-04 | 2019-02-28 | Philips Lighting Holding B.V. | A coded light transmitter, receiver, transmitting method and receiving method |
| WO2017139317A1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-08-17 | Lumeova, Inc | Ultra-wideband, wireless optical high speed communication devices and systems |
| US10840408B1 (en) * | 2019-05-28 | 2020-11-17 | Vuereal Inc. | Enhanced efficiency of LED structure with n-doped quantum barriers |
| US20210126164A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-04-29 | Facebook Technologies, Llc | Red micro-led with dopants in active region |
-
2021
- 2021-12-03 WO PCT/US2021/061907 patent/WO2022120243A1/en active Application Filing
- 2021-12-03 EP EP21901583.1A patent/EP4256622A1/en active Pending
- 2021-12-03 CN CN202180080962.0A patent/CN116529894A/zh active Pending
- 2021-12-03 US US17/542,271 patent/US20220181518A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4256622A1 (en) | 2023-10-11 |
| US20220181518A1 (en) | 2022-06-09 |
| WO2022120243A1 (en) | 2022-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220173575A1 (en) | Tensile strained semiconductor photon emission and detection devices and integrated photonics system | |
| TWI403053B (zh) | Optoelectronic components | |
| Walter et al. | 4.3 GHz optical bandwidth light emitting transistor | |
| US7151282B2 (en) | Light emitting diode | |
| US11418257B2 (en) | High speed and multi-contact LEDs for data communication | |
| US20240085622A1 (en) | Packaging for microleds for chip to chip communication | |
| US20240030377A1 (en) | P-type doping in gan leds for high speed operation at low current densities | |
| Wu et al. | Scaling of light emitting transistor for multigigahertz optical bandwidth | |
| CN116529894A (zh) | 用于低电流密度下的高速操作的GaN LED中的p型掺杂 | |
| Liu et al. | Ultralow-threshold sapphire substrate-bonded top-emitting 850-nm VCSEL array | |
| US20220045234A1 (en) | Enhanced microleds for inter-chip communications | |
| US20230118326A1 (en) | Visible wavelength led-based fiber link | |
| TWI728694B (zh) | 混層複合式充電層累增崩潰光二極體 | |
| CN117254350A (zh) | 半导体器件及其形成方法 | |
| Liu et al. | Sapphire substrate-bonded ultra-low threshold 850 nm VCSEL array | |
| Dapkus et al. | Optical Communication for Integrated Circuits | |
| Zimmermann et al. | III-V Semiconductor Materials on Silicon | |
| Lunardi et al. | Optoelectronic devices | |
| JP2004111548A (ja) | 半導体受光素子 | |
| Dupuis et al. | Layer by Atomic Layer | |
| Abraham et al. | VCSEL AND HIGH-PERFORMANCE PHOTONICS ENABLED BY WAFER BONDING |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |