[发明专利]半导体器件中的有效载流子注入

说明书

技术领域

本发明主要涉及诸如半导体激光器、发光二极管和异质结双极型晶体管的半导体器件。更具体来说，本发明涉及电子或空穴从较宽能带隙半导体材料到较窄能带隙半导体材料的有效注入。

背景技术

垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)、表面发射激光器(SEL)、发光二极管(LED)和异质结双极型晶体管(HBT)对于包括集成电路的光学互连、光计算系统、光学记录和读出系统和无线电通讯的多种应用已经变得越来越重要。

VCSEL、SEL和LED主要形成为半导体二极管。二极管由p型材料和n型材料之间的结形成。在VCSEL中，p型半导体材料最经常为掺杂有引入自由空穴或者正电荷载流子的诸如碳的材料的镓铝砷(AlGaAs)，而n型半导体材料典型为掺杂有引入自由电子或者负电荷载流子的诸如硅的AlGaAs。

PN结形成有源区域。有源区域典型地包括多个量子阱。当PN结通过电流被正向偏置时，空穴和电子形式的自由载流子注入到量子阱中。在足够高的偏置电流下，注入的少数载流子在量子阱中形成产生光增益的粒子数反转，该光增益在共振腔中使用以产生激光发射。共振腔通过在有源区域每侧上适当间隔的反射镜(mirror)形成。

逃逸出量子阱进入周围半导体材料并在那里符合的自由载流子不对光增益产生贡献。这些事件是产生热量并降低发光器件效率的寄生电流。“载流子泄露”是与电流曲线相比光的图像跳动的原因之一。电流仅能增加那么多，然后光输出达到最大值并逐渐减少。一般地，较高的温度导致较小的光输出，部分原因在于载流子、电子和空穴的热能增加对载流子泄露影响较大。在有源区域中的电局限在VCSEL器件中成为显著的问题，其趋于需要高电流密度用于操作并且在使用最高电流密度的最大频率VCSEL中更糟糕。

为了改善目前的局限，大多数半导体激光器具有紧接有源区域的限制层。限制层具有比量子阱的能带隙宽许多的能带隙和量子阱势垒区。对于从有源区域逃逸的载流子，该载流子需要较高的能量通过限制层。限制层中的较高能量需要使载流子将更可能保持在有源区域中并有助于在所需波长处的受激发射。

关于有源区域中局限电子的一个潜在问题为限制层对载流子注入到有源区域中的影响。在一些情形下，将载流子限制在有源区域中的措施可能会降低载流子注入到有源区域中的效率。

发明内容

本发明涉及改善在邻近或接近窄能带隙材料处具有宽能带隙材料的半导体器件，诸如VCSEL、SEL、LED或HBT，的电子或空穴注入效率。(例如，在AlGaAs或AlInGaAs系统中低铝有源区域附近的高铝限制区域)。通过提供两个区域之间成分变化的过渡区，宽能带隙材料与窄能带隙材料分离。通过在过渡区的成分变化中产生变形点(例如，平台(plateau))而改善载流子注入效率。在成分变化中的变形都被掺杂并且位于具有所需的低级别电子亲和力(或者对于空穴注入为高级别的空穴亲和力，其中空穴亲和力定义为电子亲和力和能带隙能量的总和)的成分处。成分变形处或附近的掺杂和低电子亲和力的结合改善了电子注入。电子或空穴注入中的改善发生，原因在于从变形处到窄能带隙材料(例如，量子阱)变化的过渡区部分通过在具有低电子亲和力(或者高空穴亲和力)的材料中的掺杂剂而有效调制。

本发明的半导体器件可以由适宜形成宽能带隙和窄能带隙结的材料的任意半导体类型制造。适宜的材料的实施例包括III-V族半导体材料(例如，GaAs和/或InP基材料)和诸如SiGe的IV族材料类型。

在一实施方式中，半导体器件可包括具有一个或多个量子阱和一个或多个量子阱势垒区的有源区域。电限制层将有源区域夹在中间并通过将载流子限制到有源区域而提供光增益效率。限制层具有高能带隙区域，其在许多III-V族成分转换为高铝含量的情形下(例如，对于III族材料为70％-100％的Al)。与在有源区域的量子阱势垒区中的能带隙相比，选择铝含量以为材料提供相对宽的能带隙。宽能带隙材料为限制层提供了好的载流子限制并且增加了有源区域的效率。在示例性实施方式中，高铝区域还包含掺杂的增加。限制层可以由p型或n型掺杂剂掺杂，取决于限制势垒区在有源区域的n侧或者p侧。

用于改善电子注入到有源区域中的过渡区位于高铝含量区域和有源区域的外量子阱势垒区之间。在一实施方式中，过渡区由包括铝的III-V族半导体材料制造，尽管可以使用其它半导体材料。过渡区中的铝含量从量子阱势垒区中的铝含量变化到高铝含量限制区域中的铝含量。如果使用非铝材料，所述变化为加宽能带隙的半导体成分的变化。例如，在GaAsP系统中，P含量可以变化(随着As的降低)；在SiGe系统中Si含量可以变化。