[发明专利]用于氮化物基发光器件中的空穴注入的异质隧穿结

说明书

提供具有多量子阱(MQW)pin二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该发光器件包括：作为空穴注入体的隧穿异质结；n型接触部；和设置在隧穿异质结和n型接触部之间的发光活性区。该隧穿异质结有助于在偏压下的带间隧穿空穴注入，由此p型III族氮化物半导体的价带中的电子直接隧穿到n型掺杂半导体的导带中，从而在p型III族氮化物中产生空穴。

关于政府权利

本发明是利用DOD/DARPA授予的HR0011-15-2-0002下的政府支持做出的。政府拥有本发明中的某些权益。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月5日提交的美国专利申请号15/945,947的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术

蓝色发光二极管(LED)是现代的节能环保照明的关键，并已允许开发一系列前沿应用，例如节能屏幕、蓝光刻录机用激光以及激光打印机。LED的每流明成本在过去十年中迅速下降。但是，在进一步提高它们的发光效率和功率输出的努力中，研究人员遇到了“效率骤降”的难以捉摸的问题，即，效率随着注入电流密度的增加而降低，这严重阻碍了每流明成本的降低。非辐射俄歇复合过程和电子溢流已被确确定是效率下降的主要来源。俄歇复合和电子泄漏均与量子阱(QW)内的载流子分布密切相关，因为俄歇复合速率取决于n²p(np，这是蓝色LED中的情形，其中n和p分别是电子和空穴的浓度)，并且由于载流子不平衡和QW内复合不足因而发生电子。

将该问题回溯到材料生长方法和器件外延层设计时，发现两个因素是造成QW中载流子限制无效和空穴浓度不足的主要原因。一个因素是III-氮化物半导体因其纤锌矿晶体结构而沿c向的固有的强烈极化诱发内部电场。QW内的相关电子-空穴波函数空间失配可能导致辐射复合率降低。另一个因素是由于Mg掺杂挑战导致空穴向活性区中的注入不良，以及p-GaN和AlGaN电子阻挡层(EBL)中的空穴迁移率低。因此，为了缓解该骤降效果，研究人员采取了两条主要途径：在QW内的极化作用抑制；以及向活性区的空穴注入增强。关于极化场工程设计，采用的方法包括半极性或n极性GaN和量子势垒/阱结构组合操纵。然而，与常规的c平面LED结构相比，这些半极性或n极性平面晶片的生长以及随后的制造工艺带来了相当大的复杂性。关于空穴注入问题，提出的方法包括在QW中进行掺杂和厚度工程设计，空穴储库的插入，以及EBL的设计。尽管这些方法已通过百分比显示出缓解的骤降效果，但是p-GaN或p-AlGaN的掺杂限制仍然是实现高效率的根本障碍。已经存在关于使用n+/p+GaN同质结或p+GaN/InGaN/n+-GaN极化结作为空穴隧穿供应层的报道。这些结提供增加的载流子注入效率以及因此增强的光学性能。然而，由于铟含量的大变化，这种方法使晶体材料的生长过程复杂化，并且需要对重度掺杂的p+和n+GaN层进行严格的掺杂控制。

发明概述

提供具有多量子阱pin二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该发光器件包括：作为空穴注入体的隧穿异质结；n型接触部；和设置在隧穿异质结和n型接触部之间的发光活性区。

发光器件的一个实施方案包括异质结，该异质结包括：空穴注入层，其包含单晶或多晶n型掺杂的半导体材料，其中该单晶或多晶n型掺杂的半导体材料不是III族氮化物半导体材料；和包含p型掺杂的III族氮化物的p型层。该器件还包括n型接触部和活性区，该活性区包含设置在异质结的p型层和n型接触部之间的本征半导体材料。该活性区包括多量子阱结构，该多量子阱结构包含交替的III-V族氮化物势垒层和III-V族氮化物量子阱层。

该发光器件的一些实施方案还包括设置在空穴注入层与p型层之间的量子隧道层，该量子隧道层包含无机材料，该无机材料的带隙比n型掺杂的半导体材料和p型掺杂的III族氮化物的带隙更宽。

在发光器件的一些实施方案中，p型III族氮化物是p型GaN，并且在发光器件的一些实施方案中，n型掺杂的半导体材料包含n型掺杂的IV族半导体，例如n型掺杂的硅。