CN116569346A - 用于在低电流密度下进行高速操作的gan led中的p型掺杂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于数据通信的LED，且更特定来说，涉及基于GaN的LED及使用高速的基于GaN的LED的数据通信系统。所述基于GaN的LED包括：介于所述p型GaN层与所述n型GaN层之间的多个交替量子阱层及势垒层，其中所述量子阱层未被掺杂且其中所述势垒层被掺杂，但仅在每一势垒层的中央部分中。
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，涉及基于GaN的LED及使用高速的基于GaN的LED的数据通信系统。
背景技术
人们对使用高速的基于GaN的LED进行数据通信很感兴趣。一个关注点是将数据传输与照明相结合(“LiFi”)，其中将以高速调制基于LED的房间灯以将数据传送到房间内的用户。并入在CMOS IC上的经调制LED还可用于传输数据以用于短距离连接，范围从跨大型集成电路的几毫米的芯片内互连件到数据中心中的10m或更高的机架到机架互连件。在全部情况中，使用可以每秒几千兆位进行调制、耗电少且在产生光子方面相当高效的光源可为优选的。常规地，激光器被用作数据传输的光源，这是因为它们可以是高效且快速的。然而，激光器通常具有限制每一源所需的最小功率的阈值电流。因此，为了使用激光器获得有竞争力的功率消耗(通常表示为每位皮焦耳)，许多低速数据线可在转换到光学器件之前通过SERDES多路复用以增加整体位速率；以低位速率运行激光器根本没有效率。然而，SERDES新增功耗及延时。
使用LED作为光源大大改变了情况。LED不具有基本阈值，因此与激光器相比，可获得更好的能量效率。此外，使用非常宽的数据总线(其中每条相对缓慢的数据线一个LED)消除了SERDES使用的功耗、延时及芯片面积。
LED的大小与光转换效率之间存在权衡。微米或几十微米数量级的非常小的装置趋于较快但效率较低。小型装置效率下降的原因通常被认为是装置的经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就越大，且暴露表面可具有在不发射光子的情况下引起重组的非辐射缺陷。因此，对于其中效率至关重要的照明装置，通常为几毫米宽以最小化边缘效应的影响。
另一方面，载子寿命随着载子密度增加而降低。因此，在给定电流下，较小装置固有地较快，这是因为它们在较高电流密度下操作。因此，用于数据传输的LED较小，这是因为速度也很重要。
LED中的总载子重组速率是陷阱诱导缺陷(肖克利-里德-霍尔(Shockley-Reed-Hall)或SRH重组)、辐射重组及俄歇(Auger)重组的组合。全部这些项都随着载子密度增加而增加。总重组R通过下式与本征区中的电子密度n相关：
R＝An+Bn2+Cn3 (1)
其中A是非辐射陷阱重组的系数，B是自发辐射发射，且C是俄歇重组。等式(1)假设本征区中的电子与空穴密度相等，这是合理的，因为相同数目的电子及空穴被注入到所述区中。
载子寿命t由下式给出：
1/t＝A+Bn+Cn2 (2)
随着载子密度变得更高，辐射及俄歇重组速率增加，从而缩短了载子寿命。
LED的辐射效率取决于辐射重组速率与总重组速率的比率，其可表示为：
辐射效率＝Bn/(A+Bn+Cn2) (3)
效率在很低的电流密度下较低(～Bn/A)，随着n增加而增加，达到最大值，且接着因为Cn2项占主导地位而下降。即使在非常低的电流密度下，SRH陷阱也会非常快速地充满载子。由于假设这些陷阱几乎始终被填充，因此陷阱重组时间常数并非载子密度的函数。然而，辐射重组速率取决于经注入载子找到彼此，且随着载子密度而单调增加。在高载子密度下，俄歇过程占主导地位，这需要三个载子同时相互作用。此过程无辐射，且通常导致第三载子在价带或导带中被注入到更高的能量。
发明内容
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势垒层，其介于所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中所述量子阱层未被掺杂且其中所述势垒层被掺杂，但仅在每一势垒层的中央部分中。在一些实施例中，所述势垒层中的所述掺杂是p掺杂。在一些实施例中，所述势垒层中的所述掺杂的掺杂浓度至少是1019/cm3。在一些实施例中，所述势垒层中的所述掺杂的掺杂浓度至少是1020/cm3。在一些实施例中，所述势垒层中的所述掺杂是使用Mg。在一些实施例中，所述p型GaN层掺杂有Mg。在一些实施例中，所述n型GaN层掺杂有Si。
一些实施例提供一种使用LED作为光源的光学互连处理系统，其包括：数据源，其包括具有逻辑电路的半导体芯片；LED驱动电路，其耦合到所述数据源，所述LED驱动电路经配置以基于从所述数据源接收的数据产生电流；LED，其耦合到所述LED驱动电路以便接收电流以驱动所述LED产生对所述数据进行编码的光，所述LED包括p型GaN层、n型GaN层及介于所述p型GaN层与所述n型GaN层之间的多个交替量子阱层及势垒层，其中所述量子阱层未被掺杂且其中所述势垒层被掺杂，但仅在每一势垒层的中央部分中；及检测器，其用于接收由所述LED产生的光，所述检测器经配置以提供代表所述经接收光中的数据的电信号。一些实施例进一步包括光学地介于所述LED与所述检测器之间的相干光纤束。在一些实施例中，所述逻辑电路包含处理器。在一些实施例中，所述驱动电路经配置以使用100A/cm2或更小的电流密度驱动所述LED产生光。在一些实施例中，所述驱动电路经配置以使用400A/cm2或更小的电流密度驱动所述LED产生光。
在回顾本公开时更完全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的实例外延结构。
图1b展示图1a的LED的导带能量图。
图2用图表表示图1a的结构及在有源区中不进行掺杂的标准LED的经测量3dB光学带宽对电流密度。
图3进一步用图表表示图1a的结构及在有源区中不进行掺杂的标准LED的经测量3dB光学带宽对电流密度。
图4是根据本发明的方面的使用基于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LED的一些实施例中，LED的有源区含有一或多个量子阱(QW)，其中QW由更高能量的势垒分离。在一些实施例中，势垒被掺杂。在一些实施例中，势垒经p型掺杂。在一些实施例中，势垒经轻度p型掺杂。在一些实施例中，势垒经p型掺杂有镁(Mg)。在一些实施例中，仅每一经掺杂势垒的中央部分被掺杂，而每一势垒的剩余部分(及QW)未被掺杂。
图1a展示基于GaN/InGaN的LED的外延结构。在一些实施例中，所述结构使用MOCVD在图案化蓝宝石衬底111上生长且具有全部n型及硅掺杂的相对厚的GaN缓冲区113a、113b。在一些实施例中，所述结构还含有超晶格115以帮助减少缺陷。有源区包括由GaN势垒分离的一或多个InGaN QW(一起为119)。在一些实施例中，n型掺杂GaN间隔件117在超晶格与有源区之间。在一些实施例中，AlGaN电子势垒121r、薄p型区123及高度掺杂帽盖GaN层125在有源区上方以进行良好电接触。在一些实施例中，且参考图1b，存在五个或更多个QW。在一些实施例中，存在一到四个QW。在一些实施例中，仅每一势垒的中央部分被掺杂，而每一势垒的剩余部分(及QW)未被掺杂。在一些实施例中，势垒是10到20nm宽。在一些实施例中，Mg掺杂>1019/cm3。
在一些实施例中，GaN缓冲区包含在图案化蓝宝石衬底的顶部上的n-GaN层113a与在n-GaN层的顶部上的n+GaN层113b。在一些实施例中，n-GaN及n+GaN层为2um到4um厚。在一些实施例中，n-GaN及n+GaN层各自为3um厚。n-GaN层及n+GaN层两者可经硅掺杂。n+GaN层可具有用于经改进电接触的较高掺杂，例如具有超晶格层。超晶格可由交替的量子阱与势垒形成。例如，在一些实施例中，超晶格可包括由约5nm宽的势垒分离的约1nm宽的20到40个QW，其中硅掺杂在3×1017到3×1018/cm3的范围中。在一些实施例中，超晶格可包括由约5nm宽的势垒分离的约1nm宽的30个QW，其中硅掺杂在3×1018/cm3的范围中。在一些实施例中，超晶格与有源区之间的GaN间隔件可为约50nm厚，其中硅掺杂在1018/cm3的范围中。在一些实施例中，有源区包含由某一百分比的铟(例如，10％到15％的铟)构成的QW。在一些实施例中，QW的宽度在2nm到4nm的范围中。在一些实施例中，QW的宽度是3nm。在一些实施例中，势垒在10nm到20nm厚的范围中。在一些实施例中，势垒是14.8nm厚。在一些实施例中，势垒的掺杂在1019/cm3的范围中。在一些实施例中，势垒的界面未被掺杂或是本征的。在一些实施例中，AlGaN电子势垒具有20nm到40nm的厚度。在一些实施例中，AlGaN电子势垒以例如3×1019到3×1020/cm3的掺杂用Mg进行掺杂。在一些实施例中，薄p型区是50nm到150nm厚，其具有例如3×1019到3×1020/cm3的Mg掺杂。高度掺杂帽盖GaN层可使用p++掺杂而具有3nm到8nm的厚度，p++掺杂可为非常高的Mg掺杂。
图1b展示图1a的LED的导带能量图。当空穴-电子对在QW中重组时，辐射效率及速度最大化。图1b的实例假设LED包含由势垒分离的5个QW。图式另外展示在LED的n区中的n掺杂151、在LED的p区中的p掺杂153及五个势垒的p掺杂155a到155e。
如果有源区经p掺杂，从而导致平衡空穴密度p0以及经注入空穴及电子浓度p及n，那么等式(2)现在变为：
1/t＝A+B(p0+p)+Ce-e-hn(p0+p)+Ch-h-e(p0+p)2 (4)
其中Ce-e-h是两个电子与一个空穴相互作用从而导致电子中的一者被高激发到导带中的俄歇系数且Ch-h-e是两个子空穴与一个电子相互作用从而将空穴中的一者送入价带深处的俄歇系数。将等式(4)与等式(2)进行比较，当n及p远小于p0(即，在低驱动电流密度下)时，有源区掺杂的效应是相对于未掺杂有源区，辐射第二项大幅增加且总寿命t减小。
掺杂有源区的第二优点(尤其如果掺杂是p型的)是据信这样做有助于解决载子输运问题。如先前提及，电子的迁移率比空穴高得多。在高电流密度下，这可引起在有源区中获得足够的空穴的问题，且这又引起电子从QW溢出并降低辐射效率。掺杂p型有源区掺杂提供了空穴的现成供应并有助于耗尽电子，从而减缓溢出。
然而，掺杂p型有源区存在一个缺点：正常的p型掺杂剂(如Mg)也用作非辐射重组中心，从而增加上文等式(4)中的A，且降低量子效率。因此，p掺杂量子阱有源区在需要非常高辐射效率的应用(例如照明)中是不合意的。然而，在其中调制速度非常重要且可容忍一定的辐射效率降低的通信应用中，p掺杂有源区可提供有吸引力的益处。
如上文提及，在一些实施例中，在有源区内，仅QW之间的势垒经p掺杂，例如掺杂有Mg。这将Mg受体与QW中的载子在空间上分开，从而减少载子与掺杂剂之间的相互作用。此外，这增加了“经激活”(例如，用作受体且增加空穴密度)的Mg掺杂位点的百分比。相对于阱的势垒中的受体的此经增加激活是归因于与阱中的受体的离子化相关联的增加的能量损失，这是因为空穴可落入阱中。在块状GaN中，Mg激活较低，其中仅约1％的掺杂剂位点产生空穴。然而，当Mg放置于邻近QW的势垒中时，这种激活要高得多。为了进一步将Mg受体与QW中的载子分离，在一些实施例中，仅每一势垒的中央部分被掺杂而势垒的剩余部分(及QW)未被掺杂。在一些实施例中，势垒是5到10nm宽。在一些实施例中，势垒是10到15nm宽。
图2用图表表示图1a的结构(211)及在有源区(213)中不进行掺杂的标准LED的经测量3dB光学带宽对100A/cm2与10000A/cm2之间的电流密度。在1000A/cm2以下，图1a的结构的3dB光学带宽大于标准结构的3dB光学带宽，其中3dB光学带宽的差异增加直到100A/cm2。在100A/cm2(图2的图表中的电流密度的下限)下，图1a的结构的3dB光学带宽比标准结构的3dB光学带宽大约40％。在较高电流密度下，例如高于约400A/cm2，标准结构的3dB光学带宽开始翻转并减小，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是归因于空穴到有源区中的不良注入及电子从有源区的溢出。
图3用图表表示图1a的结构(311)及在有源区(313)中不进行掺杂的标准LED的经测量3dB光学带宽对30A/cm2与10000A/cm2之间的电流密度。图3的图表类似于图2的图表，其中图3的图表进一步包含具有在30A/cm2到10000A/cm2的范围中的电流密度的数据。如图3中展示，随着电流密度减小到100A/cm2以下，图1a的结构及标准结构两者的3dB光学带宽以约相同速率增加。然而，由于图1a的结构的3dB光学带宽在100A/cm2下比标准结构的3dB光学带宽大约40％，所以图1a的结构在通常较低的电流密度下展现显著更大的3dB光学带宽。
在一些实施例中，LED是光学通信或处理系统的部分。在一些实施例中，光学通信系统提供数据在半导体芯片或半导体芯片的部分之间的通信。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区及n区，以及在p区与n区之间的有源区，有源区包含由势垒层分离的多个量子阱层，一些势垒层被掺杂而一些势垒层未被掺杂。在一些实施例中，势垒层的掺杂是p掺杂。在一些实施例中，p掺杂是使用Mg。在一些实施例中，LED如本文中别处所讨论，包含如明确构成本公开的部分的图中所展示或描述。
图4是根据本发明的方面的使用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如本文中所进行的各种讨论。在图4中，数据源411提供数据。例如，数据源可为具有逻辑电路的半导体芯片。逻辑电路可对数据或使用数据执行各种操作，且逻辑电路可包含或包括处理器。数据源向LED驱动电路413提供数据。LED驱动电路激活LED以产生对数据进行编码的光。在一些实施例中，LED驱动电路使用大于400A/cm2的驱动电流密度激活LED 415。在一些实施例中，LED驱动电路使用400A/cm2或更小的驱动电流密度激活LED415。在一些实施例中，LED驱动电路使用100A/cm2或更小的驱动电流密度激活LED。在一些实施例中，LED驱动电路使用预期使用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驱动电路使用预期使用60安培/cm2或更小的电流密度驱动LED的驱动电流激活LED。在这些实施例中的各种此类实施例中，LED驱动电路使用30A/cm2或更大的驱动电流密度激活LED。在这些实施例中的各种实施例中，LED驱动电路以1Gb/s或更大的数据速率激活LED。在这些实施例中的各种实施例中，LED驱动电路以1.5Gb/s或更大的数据速率激活LED。在这些实施例中的各种实施例中，LED驱动电路以2.0Gb/s或更大的数据速率激活LED。在这些实施例中的各种实施例中，LED驱动电路以3.0Gb/s或更大的数据速率激活LED。
在一些实施例中，LED具有用于由LED驱动电路在调制频率下施加的电流及调制频率的3dB光学带宽。
由LED提供的光被提供到光学传播介质417。在一些实施例中，光首先被提供到光学耦合器(图4中未展示)，所述光学耦合器将光传递到光学传播介质417。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用作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，例如包含逻辑电路、存储器芯片或其它模块的另一芯片，例如在多芯片模块中。
光学传播介质将光传送到检测器419，例如用于光电转换的光电二极管。在一些实施例中，来自光学传播介质的光可首先被提供到进一步光学耦合器，所述进一步光学耦合器将光传递到检测器。检测器将代表经接收光中的数据的电信号提供到接收器电路421。例如，接收器电路可包含用于在将信号的数据提供到数据宿423时放大来自检测器及采样或选通电路的信号的放大电路，例如跨阻抗放大器。在一些实施例中，接收器电路不包含解串行化电路。在一些实施例中，数据宿可为与提供数据源相同的半导体芯片。在一些实施例中，数据宿可为用于飞行时间装置的接收器。在一些实施例中，数据宿可为包含逻辑电路、存储器芯片或其它模块的另一芯片，例如在多芯片模块中。
尽管已关于各种实施例讨论本发明，但应认识到，本发明包括本公开支持的新颖且非显而易见的权利要求。
Claims (13)
1.一种LED，其包括：
p型GaN层；
n型GaN层；及
多个交替量子阱层及势垒层，其介于所述p型GaN层与所述n型GaN层之间，其中所述量子阱层未被掺杂且其中所述势垒层被掺杂，但仅在每一势垒层的中央部分中。
2.根据权利要求1所述的LED，其中所述势垒层中的所述掺杂是p掺杂。
3.根据权利要求2所述的LED，其中所述势垒层中的所述掺杂的掺杂浓度至少是1019/cm3。
4.根据权利要求2所述的LED，其中所述势垒层中的所述掺杂的掺杂浓度至少是1020/cm3。
5.根据权利要求2所述的LED，其中所述势垒层中的所述掺杂是使用Mg。
6.根据权利要求2所述的LED，其中所述p型GaN层掺杂有Mg。
7.根据权利要求6所述的LED，其中所述n型GaN层掺杂有硅。
8.一种使用LED作为光源的光学处理系统，其包括：
数据源，其包括具有逻辑电路的半导体芯片；
LED驱动电路，其耦合到所述数据源，所述LED驱动电路经配置以基于从所述数据源接收的数据产生电流；
LED，其耦合到所述LED驱动电路以便接收电流以驱动所述LED产生对所述数据进行编码的光，所述LED包括p型GaN层、n型GaN层及介于所述p型GaN层与所述n型GaN层之间的多个交替量子阱层及势垒层，其中所述量子阱层未被掺杂且其中所述势垒层被掺杂，但仅在每一势垒层的中央部分中；及
检测器，其用于接收由所述LED产生的光，所述检测器经配置以提供代表所述经接收光中的数据的电信号。
9.根据权利要求8所述的光学处理系统，其进一步包括光学地介于所述LED与所述检测器之间的相干光纤束。
10.根据权利要求8所述的光学处理系统，其中所述逻辑电路包含处理器。
11.根据权利要求8所述的光学处理系统，其中所述驱动电路经配置以使用100A/cm2或更小的电流密度驱动所述LED产生光。
12.根据权利要求8所述的光学处理系统，其中所述驱动电路经配置以使用400A/cm2或更小的电流密度驱动所述LED产生光。
13.根据权利要求8所述的光学处理系统，其中所述驱动电路经配置以使用大于400A/cm2的电流密度驱动所述LED产生光。
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