專利名稱：半導(dǎo)體器件中的有效載流子注入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及諸如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 的半導(dǎo)體器件。更具體來說，本發(fā)明涉及電子或空穴從較寬能帶隙半導(dǎo)體材料 到較窄能帶隙半導(dǎo)體材料的有效注入。
背景技術(shù)：
垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)、表面發(fā)射激光器(SEL)、發(fā)光二 極管(LED)和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)對于包括集成電路的光學(xué)互連、 光計(jì)算系統(tǒng)、光學(xué)記錄和讀出系統(tǒng)和無線電通訊的多種應(yīng)用已經(jīng)變得越來越重要。VCSEL、 SEL和LED主要形成為半導(dǎo)體二極管。二極管由p型材料和n 型材料之間的結(jié)形成。在VCSEL中，p型半導(dǎo)體材料最經(jīng)常為摻雜有引入自 由空穴或者正電荷載流子的諸如碳的材料的鎵鋁砷(AlGaAs)，而n型半導(dǎo) 體材料典型為摻雜有引入自由電子或者負(fù)電荷載流子的諸如硅的AlGaAs。PN結(jié)形成有源區(qū)域。有源區(qū)域典型地包括多個(gè)量子阱。當(dāng)PN結(jié)通過電 流被正向偏置時(shí)，空穴和電子形式的自由載流子注入到量子阱中。在足夠高的 偏置電流下，注入的少數(shù)載流子在量子阱中形成產(chǎn)生光增益的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該 光增益在共振腔中使用以產(chǎn)生激光發(fā)射。共振腔通過在有源區(qū)域每側(cè)上適當(dāng)間 隔的反射鏡(mirror)形成。逃逸出量子阱進(jìn)入周圍半導(dǎo)體材料并在那里符合的自由載流子不對光增 益產(chǎn)生貢獻(xiàn)。這些事件是產(chǎn)生熱量并降低發(fā)光器件效率的寄生電流。"載流子 泄露"是與電流曲線相比光的圖像跳動的原因之一。電流僅能增加那么多，然 后光輸出達(dá)到最大值并逐漸減少。 一般地，較高的溫度導(dǎo)致較小的光輸出，部 分原因在于載流子、電子和空穴的熱能增加對載流子泄露影響較大。在有源區(qū) 域中的電局限在VCSEL器件中成為顯著的問題，其趨于需要高電流密度用于 操作并且在使用最高電流密度的最大頻率VCSEL中更糟糕。 為了改善目前的局限，大多數(shù)半導(dǎo)體激光器具有緊接有源區(qū)域的限制層。 限制層具有比量子阱的能帶隙寬許多的能帶隙和量子阱勢壘區(qū)。對于從有源區(qū) 域逃逸的載流子，該載流子需要較高的能量通過限制層。限制層中的較高能量 需要使載流子將更可能保持在有源區(qū)域中并有助于在所需波長處的受激發(fā)射。關(guān)于有源區(qū)域中局限電子的一個(gè)潛在問題為限制層對載流子注入到有源 區(qū)域中的影響。在一些情形下，將載流子限制在有源區(qū)域中的措施可能會降低 載流子注入到有源區(qū)域中的效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及改善在鄰近或接近窄能帶隙材料處具有寬能帶隙材料的半導(dǎo)體器件，諸如VCSEL、 SEL、 LED或HBT，的電子或空穴注入效率。(例如， 在AlGaAs或AlInGaAs系統(tǒng)中低鋁有源區(qū)域附近的高鋁限制區(qū)域)。通過提 供兩個(gè)區(qū)域之間成分變化的過渡區(qū)，寬能帶隙材料與窄能帶隙材料分離。通過 在過渡區(qū)的成分變化中產(chǎn)生變形點(diǎn)(例如，平臺(plateau))而改善載流子注 入^C率。在成分變化中的變形都被摻雜并且位于具有所需的低級別電子親和力 (或者對于空穴注入為高級別的空穴親和力，其中空穴親和力定義為電子親和 力和能帶隙能量的總和)的成分處。成分變形處或附近的摻雜和低電子親和力 的結(jié)合改善了電子注入。電子或空穴注入中的改善發(fā)生，原因在于從變形處到 窄能帶隙材料(例如，量子阱)變化的過渡區(qū)部分通過在具有低電子親和力(或 者高空穴親和力)的材料中的慘雜劑而有效調(diào)制。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件可以由適宜形成寬能帶隙和窄能帶隙結(jié)的材料的任 意半導(dǎo)體類型制造。適宜的材料的實(shí)施例包括III-V族半導(dǎo)體材料(例如，GaAs 和/或InP基材料)和諸如SiGe的IV族材料類型。在一實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件可包括具有一個(gè)或多個(gè)量子阱和一個(gè)或多個(gè) 量子阱勢壘區(qū)的有源區(qū)域。電限制層將有源區(qū)域夾在中間并通過將載流子限制 到有源區(qū)域而提供光增益效率。限制層具有高能帶隙區(qū)域，其在許多III-V族 成分轉(zhuǎn)換為高鋁含量的情形下(例如，對于III族材料為70Q/。-100。/。的Al)。 與在有源區(qū)域的量子阱勢壘區(qū)中的能帶隙相比，選擇鋁含量以為材料提供相對 寬的能帶隙。寬能帶隙材料為限制層提供了好的載流子限制并且增加了有源區(qū) 域的效率。在示例性實(shí)施方式中，高鋁區(qū)域還包含摻雜的增加。限制層可以由 p型或n型摻雜劑摻雜，取決于限制勢壘區(qū)在有源區(qū)域的n側(cè)或者p側(cè)。用于改善電子注入到有源區(qū)域中的過渡區(qū)位于高鋁含量區(qū)域和有源區(qū)域 的外量子阱勢壘區(qū)之間。在一實(shí)施方式中，過渡區(qū)由包括鋁的III-V族半導(dǎo)體 材料制造，盡管可以使用其它半導(dǎo)體材料。過渡區(qū)中的鋁含量從量子阱勢壘區(qū) 中的鋁含量變化到高鋁含量限制區(qū)域中的鋁含量。如果使用非鋁材料，所述變 化為加寬能帶隙的半導(dǎo)體成分的變化。例如，在GaAsP系統(tǒng)中，P含量可以 變化(隨著As的降低)；在SiGe系統(tǒng)中Si含量可以變化。為了改善從限制區(qū)域(即，高能帶隙半導(dǎo)體材料)到量子阱勢壘區(qū)(即， 窄能帶隙材料)的電子注入，過渡區(qū)包括在有源區(qū)域和限制區(qū)域之間過渡的摻 雜的中間結(jié)構(gòu)。中間結(jié)構(gòu)是摻雜的，例如，具有約lel8/cm3的施主摻雜。配 置摻雜的中間結(jié)構(gòu)以具有對于n型摻雜的低的電子親和力或者對于p型摻雜的 高的空穴親和力。在一實(shí)施方式中，可以描述中間結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體成分(例如，鋁含量)變化 中的變形。在成分的變化速度(從有源區(qū)域向限制區(qū)域)增加處發(fā)生變化中的 變形，其中，然后增加到較小程度，然后再次增加(該變化可類似地描述為從 限制區(qū)域向有源區(qū)域的成分減少)。在成分含量中平臺可通過在生長的特定深 度上降低變化速度至零然后再次增加變化速度而產(chǎn)生。對于特定的生長深度， 可通過降低變化速度至稍微高于零而產(chǎn)生非平臺結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施方式中，非平 坦的中間結(jié)構(gòu)可以為線性或者彎曲或者其結(jié)合。在一實(shí)施方式中，對于至少 5nm的深度，而更優(yōu)選為至少約20nm的深度，中間結(jié)構(gòu)在成分變化中變平。選擇形成變形的成分以提供低的電子親和力結(jié)構(gòu)。電子親和力是半導(dǎo)體材料的性能。在一些包括鋁的m-v族半導(dǎo)體材料中，電子親和力一般隨著鋁的增加而降低，直到達(dá)到最低量，然后電子親和力隨著鋁的增加而增加。在最小電子親和力處(或者最大空穴親和力)或者其附近形成摻雜的中間 結(jié)構(gòu)(即，平臺或者變形點(diǎn))改善了器件的載流子注入效率。給予最小值或者 幾乎為最小值的成分依賴于使用的特定半導(dǎo)體材料。在一實(shí)施方式中，中間結(jié) 構(gòu)包含AlGaAs并且中間結(jié)構(gòu)具有約0.4到約0.7的鋁含量?？蛇x地，中間結(jié) 構(gòu)包含AlInGaP并且該中間結(jié)構(gòu)具有約0.5和0.8之間的鋁含量。在另一實(shí)施 方式中，中間結(jié)構(gòu)包含GaAsP并且P含量在0.4和0.6之間(V族材料)。在 又一實(shí)施方式中，中間結(jié)構(gòu)包含SiGe并且Si含量在約0.2和0.5之間。
與低電子親和力(或高空穴親和力)結(jié)合的中間結(jié)構(gòu)中的摻雜允許中間結(jié) 構(gòu)為良好的載流子源以有效調(diào)制摻雜和較低的能帶隙區(qū)域(例如，有源區(qū)域和 到有源區(qū)域的變化)。在中間結(jié)構(gòu)中的低電子親和力電子源提供了通過過渡區(qū) 的低電阻電子傳導(dǎo)。方便載流子注入允許在限制區(qū)域中使用較寬能帶隙材料而 不會顯著降低載流子注入到有源區(qū)域中。所改善的限制和/或所改善的載流子 注入導(dǎo)致在量子阱中復(fù)合的載流子的較大比例，其提供所需的光發(fā)射或者光增、'-除了中間結(jié)構(gòu)，過渡區(qū)可以可選地包括基本未摻雜部分。該未摻雜部分位于摻雜的中間結(jié)構(gòu)和有源區(qū)域之間。在美國專利No.7,023，896中描述了關(guān)于有 源區(qū)域的未慘雜部分的其它細(xì)節(jié)，在此引入其作為參考。在另一可選實(shí)施方式中，高鋁限制區(qū)域可以做得較薄(例如，在5nm和 100nm厚之間)，從而形成限制勢壘區(qū)。在限制勢壘區(qū)中具有足夠高的鋁，在 鄰近層(即，分隔層)中的鋁含量可以降低(例如，至低于40%)，同時(shí)保持 或改善在有源區(qū)域中自由載流子的限制。限制勢壘區(qū)的變薄能使垂直電阻最小 并改善外延結(jié)構(gòu)的可制造性。高鋁含量材料典型地需要較高的晶體生長溫度。 較高的溫度可能使工作困難并會使其它半導(dǎo)體層惡化或者導(dǎo)致晶格中的缺陷。 通過使限制層變薄，可以避免或者最小化許多這些問題。本發(fā)明的這些和其它特征從下面的說明書和所附權(quán)利要求書完全清楚，或 由下文中的本發(fā)明的實(shí)施方式理解。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明上述和其它的優(yōu)點(diǎn)和特征，本發(fā)明的詳細(xì)說明書 將參照附圖中示出的具體實(shí)施方式
。應(yīng)當(dāng)理解，這些附圖僅說明本發(fā)明的典型 實(shí)施方式并因此不作為對本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明將通過采用附圖具體和詳細(xì)的說明和解釋，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性垂直空腔表面發(fā)射激光器的視圖；圖2更詳細(xì)的示出了圖1的激光器的限制層和有源區(qū)域；圖3是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的鋁分布圖；以及圖4是示出對AlGaAs材料的電子親和力的圖；圖5是示出電子傳導(dǎo)有效質(zhì)量與AlGaAs中鋁成分的比較圖；以及 圖6是根據(jù)本發(fā)明另一示例性半導(dǎo)體器件的鋁分布圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及在鄰近有源區(qū)域處具有注入結(jié)構(gòu)的諸如VCSEL、 SEL、 LED 或HTJ的半導(dǎo)體器件，其改善了電子或空穴從有源區(qū)域的較寬能帶隙半導(dǎo)體 材料到較窄能帶隙半導(dǎo)體材料的注入。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語"基本未摻雜"包括但是不局限于具有少量的非 故意摻雜的材料(例如，通過擴(kuò)散或其它方法發(fā)生的非故意摻雜)。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語"空穴親和力"定義為電子親和力和能帶隙寬度 的總和。為了本發(fā)明的目的，在AlGaAs中或者AlGalnP系統(tǒng)中Al的含量是指在 AlGa部分中Al的百分?jǐn)?shù)。為了本發(fā)明的目的，在GaAsP系統(tǒng)中P的含量指在AsP部分中P的百分■、H數(shù)。本發(fā)明的各種方案將以VCSEL在上下文中示出。然而，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能認(rèn)識到，本發(fā)明的特征可以結(jié)合到具有有源區(qū)域的其它發(fā)光半導(dǎo)體器 件中，包括但不局限于SEL和LED。圖1示出了具有成對的頂部和底部布拉格反射鏡的周期層的垂直空腔表 面發(fā)射激光器(VCSEL) 100。襯底114在底接觸層112上形成并由第一類型 的雜質(zhì)(即，p型或n型摻雜劑)摻雜。底部反射鏡疊層116在襯底114上形 成，而底部限制層118在底部疊層116上形成。底部限制層118和頂部限制層 120將有源區(qū)域122夾在中間。上部反射鏡疊層124在頂部限制層120上形成。 金屬層126在部分疊層124上形成接觸。隔離區(qū)域128限定電流130通過有源區(qū)域122的面積。區(qū)域128可以通過 離子注入和/或氧化形成。疊層116和124可以為分布式布拉格反射器(DBR)疊層，并包括周期層 (例如，132和134)。典型地，周期層132和134分別為AlGaAs和AlAs， 但是可以由其它III-V族半導(dǎo)體材料制成。疊層116和124可以摻雜或者不摻 雜，并且根據(jù)特定的VCSEL、 SEL或LED設(shè)計(jì)，摻雜可以為n型或p型。本 發(fā)明討論的各種部分可能指器件的幾種構(gòu)造。
金屬接觸層112和126可以為允許VCSEL 100適當(dāng)電偏置的歐姆接觸。 當(dāng)VCSEL 100在接觸層126上正向偏置一不同于在接觸層112上的電壓時(shí)， 有源區(qū)域122發(fā)出通過疊層124的光136。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到， 接觸的其它構(gòu)造也可以用于產(chǎn)生穿過有源區(qū)域122的電壓并產(chǎn)生光136。圖2示出了有源區(qū)域122及限制層118和120。有源區(qū)域122由通過量子 阱勢壘區(qū)140分離的一個(gè)或多個(gè)量子阱138形成。在一實(shí)施方式中，限制層 118和120分別包括高鋁含量區(qū)域142和144。高鋁成分區(qū)域在有源區(qū)域122 中提供良好的載流子限制。限制層120包括位于有源區(qū)域122和高鋁含量區(qū)域144之間的過渡區(qū)146。 如下所述，高鋁含量區(qū)域144和過渡區(qū)146的結(jié)合提供了具有良好載流子限制 和良好電子注入的注入結(jié)構(gòu)。根據(jù)器件的設(shè)計(jì)以及高鋁含量區(qū)域142和144的厚度，限制區(qū)域118和 120可分別可選地包括分隔層148和150。分隔層148和150的厚度取決于要 制造的器件類型。在諸如VCSEL或者VECSEL的垂直空腔共振器件中，分隔 層提供在反射鏡之間的共振間隔，并提供有源區(qū)域的量子阱集中于光學(xué)場的峰 值上。在LED中，分隔層148和150可以簡單地將注入結(jié)構(gòu)連接到器件剩余部分和/或提供器件的其它功能。限制層118和120以及有源區(qū)域122由一種或多種類型的半導(dǎo)體材料形 成。適宜的半導(dǎo)體材料的實(shí)施例包括GaAs、 AlAs、 InP、 AlGaAs、 InGaAs、 InAlAs、 InGaP、 AlGaAsP、 AlGalnP、 InGaAsP、 InAlGaAs、 SiGe等等。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中的各種層和區(qū)域至少部分是通過改變半導(dǎo)體材料的成分制造。例如，在一實(shí)施方式中，m-v族半導(dǎo)體材料的鋁含量可以變化。在一實(shí)施方式中，半導(dǎo)體材料為AlxGa^As，其中x在O.O和l.O之間(即， 鋁為0.0%到100%) 。 AlxGaLxAs有助于制造850歸VCSEL，其需要高的電流 密度和高的光學(xué)輸出。在一可選的實(shí)施方式中，半導(dǎo)體材料為(AlxGai.x) InP， 其中x在O.O和l.O之間(即，對于AlGa部分鋁為0.(P/o到100%)。典型地， 選擇In與AlGa的比率以提供晶格匹配和/或提供所需的能帶隙。在一實(shí)施方 式中，在AlGalnP系統(tǒng)中In分?jǐn)?shù)為約0.51的III族材料。電子注入結(jié)構(gòu)可以通過示出用于半導(dǎo)體期間的各層和區(qū)域的鋁成分而示 出。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式在示例性器件中的鋁含量。其示出了用 于有源區(qū)域122、高鋁限制區(qū)域142和144以及過渡區(qū)146的鋁含量。從分隔層150開始，分隔層分隔層150中的鋁含量以斜坡(ramp) 153增 加到高鋁區(qū)域144內(nèi)的最大鋁含量154。在過渡區(qū)146中，鋁含量在最大鋁含 量154和量子阱勢壘區(qū)140的鋁含量之間變化。過渡區(qū)146包括斜坡156、中 間結(jié)構(gòu)158、階梯160和斜坡162。有源區(qū)域122包括形成量子阱138的幾個(gè) 階梯。斜坡164提供在有源區(qū)域122和高鋁含量區(qū)域142之間的過渡。斜坡 168提供分隔層148的鋁含量和高鋁區(qū)域142中的最大鋁含量166之間的過渡。 載流子和有效電子注入的限制通過高鋁區(qū)域142和144以及過渡區(qū)146的特定 特征提供，如下所述。A.過渡區(qū)配置過渡區(qū)146以提供高鋁限制區(qū)域144中的電子到有源區(qū)域122的有效 電子注入。過渡區(qū)146包括具有低電子親和力的中間結(jié)構(gòu)。低電子親和力和高 摻雜給予高導(dǎo)帶并允許在該區(qū)域中的n型摻雜劑以提供到鄰近區(qū)域的調(diào)制摻 雜。過渡區(qū)146包括中間結(jié)構(gòu)。在圖3中，中間結(jié)構(gòu)是鋁變化中的平臺(plateau) 158。然而，中間結(jié)構(gòu)不局限于平臺。中間結(jié)構(gòu)可以為在窄能帶隙材料和寬能 帶隙材料之間成分變化中的任意變形。在鋁變化速度(從有源區(qū)域朝向限制區(qū) 域)增加處提供該變化中的變形，然后增加到較小的程度，并且然后再次增加 (該變化可類似地描述為從限制區(qū)域朝向有源區(qū)域的鋁的減少)。通過在生長 的牛寺定深度上平坦化鋁的變化至零或者接近零并且然后再次增加變化速度而 提供在鋁含量中的平臺。本發(fā)明還包括非平面的中間結(jié)構(gòu)，對于特定的生長深 度其通過平坦化變化至稍微高于零而形成。在一實(shí)施方式中，鋁的非平坦中間 結(jié)構(gòu)可以是線性或曲線形及其結(jié)合。在一實(shí)施方式中，該中間結(jié)構(gòu)在至少5nm 深度的成分變化中是平坦的，更優(yōu)選為至少約20nm。選擇形成變形的成分(即，鋁含量)以提供低電子親和力結(jié)構(gòu)。電子親和力是半導(dǎo)體材料的屬性。在具有鋁的一些m-v族半導(dǎo)體材料中，電子親和力一般隨著增加鋁而減少直到達(dá)到最小值，并且然后電子親和力隨著增加的鋁而 增加。圖4示出了隨著鋁量變化的AlGaAs系統(tǒng)的電子親和力?？梢栽趫D4的圖
表中看出，在AlGaAs系統(tǒng)中，電子親和力基本隨著增加鋁而降低直到在約45% 鋁時(shí)達(dá)到最小電子親和力。增加鋁超過約45%導(dǎo)致較高的電子親和力。選擇中間結(jié)構(gòu)的鋁含量，使得中間結(jié)構(gòu)中的電子親和力低于有源區(qū)域和高 鋁區(qū)域中的電子親和力。具有低親和力的中間結(jié)構(gòu)改善了器件的電子注入。中 間結(jié)構(gòu)的特定鋁含量將依賴于用于制造器件的特定半導(dǎo)體材料、該半導(dǎo)體材料 的最小電子親和力、有源區(qū)域的量子阱勢壘區(qū)域中的鋁含量和高鋁含量區(qū)域中 的鋁含量。在一實(shí)施方式中，鋁含量在約35%到約80% (AlGa中的Al)的范 圍內(nèi)。在可選實(shí)施方式中，從電子親和力最小值中選擇中間結(jié)構(gòu)的鋁成分以在 鋁的期望百分比內(nèi)。在一實(shí)施方式中，鋁成分在最小值的約20%內(nèi)，更優(yōu)選在 最小值的約15%內(nèi)，并且最優(yōu)選為在最小值的約10%內(nèi)。更特別地，對于AlxGa^As，鋁成分可以在約0.35<乂<0.7的范圍內(nèi)，更 優(yōu)選為在約0.4〈X〈0.65范圍內(nèi)。對于(AlxGa!-x) InP系統(tǒng)，電子親和力最 小值在0.7的Al含量處。在該系統(tǒng)中中間結(jié)構(gòu)的鋁含量的優(yōu)選范圍可以在0.5 〈X〈0.75的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為約x二0.7。在一些材料中，由于不期望的副作用，給出最小電子親和力的鋁成分可能 不是最優(yōu)選的成分。例如，在AlGaAs系統(tǒng)中，最小電子親和力發(fā)生在已知具 有降低電子傳導(dǎo)的DC中心的鋁成分處。圖5是示出對于AlGaAs電子導(dǎo)帶有 效質(zhì)量與鋁成分相比較的圖表。DX中心現(xiàn)象發(fā)生在緊接x:0.45電子有效質(zhì)量 突增處的成分中，但是在稍微高于或者低于該鋁成分處顯著降低。因此，在一 些實(shí)施方式中，期望選擇最小化電子傳導(dǎo)同時(shí)最小化電子親和力的鋁成分。在 AlGaAs系統(tǒng)中，可以使用約50%和60%之間的鋁含量。可選地，關(guān)于DX中心的問題可以利用現(xiàn)有技術(shù)中的已知技術(shù)通過降低由 DX中心引起的不良傳導(dǎo)來解決，諸如增加光以將載流子激發(fā)出DX中心。在 又一實(shí)施方式中，可以使用在接近電子親和力最小值處不具有DX中心的III-V 族半導(dǎo)體材料。例如，己知AlGalnP在接近電子親和力最小值的鋁成分處不具 有DX中心。過渡區(qū)146包括在中間結(jié)構(gòu)158每側(cè)上的斜坡和/或階梯以獲得有源區(qū)域 122和高鋁區(qū)域144之間的連續(xù)變化。圖3示出了斜坡156、斜坡162和階梯 160以實(shí)現(xiàn)該連續(xù)變化。在一實(shí)施方式中，階梯160可以有利于避免接近DX 中A、的成分。然而，并不需要階梯，并且在一實(shí)施方式中，斜坡162可以在中間結(jié)構(gòu)158和量子阱勢壘區(qū)域140之間延伸。斜坡162可以用于多個(gè)目的。在一方面，斜坡162提供鄰近殘留場的量子 阱的低載流子和電荷區(qū)域以下落。能帶隙的變化速度在斜坡162處較大以提供 大部分空穴局限。在一實(shí)施方式中，部分斜坡162可以基本未摻雜。未摻雜部 分典型地從量子阱延伸到少于45%鋁的成分。未摻雜部分的斜坡162可以提供 殘留電壓的區(qū)域以下落。中間結(jié)構(gòu)158的另一特征是使用摻雜。在一實(shí)施方式中，摻雜為至少約 5el8/cm3，更優(yōu)選為2el8/cm3。在耦接到低電子親和力的中間結(jié)構(gòu)中的摻雜允 許中間結(jié)構(gòu)為良好的電子源以有效調(diào)整摻雜較低的Al區(qū)域(例如，斜坡162 和有源區(qū)域122)。中間結(jié)構(gòu)中的低電子親和力電子源提供通過過渡區(qū)的低電 阻電子傳導(dǎo)。通過獲得低電阻電子傳導(dǎo)，減小了否則會由電阻降誘發(fā)的電場， 從而增加了空穴限制。B.寬能帶隙區(qū)域本發(fā)明的電子器件包括一個(gè)或多個(gè)寬能帶隙材料的區(qū)域(例如，諸如區(qū)域 142和144的高鋁含量區(qū)域)，也稱為"限制區(qū)域"。高鋁限制區(qū)域142和144 有利地提供有源區(qū)域中自由載流子的限制。器件100典型地包括在有源區(qū)域上 方和下方的高鋁限制區(qū)域以限制空穴和電子(即，區(qū)域142和144)。然而， 本發(fā)明包括僅具有一個(gè)高鋁含量區(qū)域的器件。當(dāng)提供兩個(gè)高鋁區(qū)域時(shí)，在不同 區(qū)域中鋁含量可以相同或者不同。高鋁限制區(qū)域142和144可以延伸任意厚度。在一實(shí)施方式中，限制限制區(qū)域的厚度以最小化器件的垂直電阻并方便制造。高鋁限制區(qū)域可以小于 10Onm，更優(yōu)選為小于50nm。在優(yōu)選實(shí)施方式中，限制區(qū)域的厚度小于約50nm， 并且更優(yōu)選為約20nm?？蛇x地，限制層的厚度在從約2nm到約50nm的范圍 內(nèi)，更優(yōu)選為在從約5nm到約30nm的范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選為在8nm和30nm 之間。在優(yōu)選實(shí)施方式中，在高鋁限制區(qū)域142和144中的鋁含量為在從約60% 到纟勺100%的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為在約70%和100%之間。對于氧化的局限激光 器，其可以有利地在限制區(qū)域142和144中具有小于100%的鋁含量以避免不 期望的氧化。在該實(shí)施方式中，在限制區(qū)域中的鋁含量優(yōu)選為在從60%到90%
的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為約85%。在一實(shí)施方式中，可以根據(jù)限制區(qū)域和鄰近的分隔層之間的鋁含量的差別描述限制區(qū)域142和144。在優(yōu)選實(shí)施方式中，在限制層中鋁含量的百分比高 至少約15%，更優(yōu)選為高至少約20%，并且最優(yōu)選為高至少約25% (例如， 分隔層具有40%的Al以及局限勢壘區(qū)具有65%的Al)。在本發(fā)明的一實(shí)施方式中，高鋁限制區(qū)域142和144包括除了鋁刺(spike) 之外的摻雜刺。摻雜剌在有源區(qū)域的n側(cè)上優(yōu)選為在從約5xlO卩到約lxl019 的范圍內(nèi)，以及在有源區(qū)域的p側(cè)上在限制區(qū)域中優(yōu)選為在從約5xl0卩到約 6><1018的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地在每個(gè)限制區(qū)域中的摻雜為在從約"1018到約 3><1018的范圍內(nèi)。類似于鋁剌，在限制區(qū)域中的摻雜刺可以相對于分隔層中的 摻雜劑級別進(jìn)行選擇。在一示例性實(shí)施方式中，在分隔層中的摻雜劑級別為在 從約lxlO"到約lxlO"的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，在限制勢壘區(qū)中的摻 雜劑為大于分隔層的約1.5和8之間，更優(yōu)選為比在分隔層中的高約1.5和4 倍之間。高鋁限制區(qū)域可以特別有利于在少量載流子限制可能丟失的高溫和/或高 偏置電流下的器件操作。限制的損失是不期望的，原因在于其降低發(fā)光半導(dǎo)體 器《牛的效率。關(guān)于限制勢壘區(qū)中的n摻雜，AlGaAs或類似材料的全能帶隙變 量增量(delta)可以延伸到提供良好空穴限制的價(jià)帶。2nm到20nm的限制區(qū) 域厚度，更優(yōu)選為8nm到10nm的厚度應(yīng)該足以限制空穴。因此，注入到量子 阱區(qū)域的少量載流子可通過該限制區(qū)域的存在而包含在該區(qū)域中(即，空穴勢 壘區(qū)限定空穴而電子勢壘區(qū)限定電子)?？赡艽罅拷档突蛏踔料杂奢d流子 限制的損失。C.分隔層在VCSEL中，".6503.35八3可以在分隔層中正常使用以提供在價(jià)帶中自由載流子的大勢壘，其可以確保在大偏置級別和高溫時(shí)的良好限制，但是其具 有不期望的間接能帶隙。這對在n間隔墊中給定的摻雜級別給予了相對低的電子遷移率和高的垂直串聯(lián)電阻?？蛇x地，器件100的分隔層148和/或分隔層150可以具有低于45% (例 如，0.39或者0.19)的鋁成分，其可以幾種方式有益于器件。首先，在布拉格
反射鏡和分隔墊之間的分級區(qū)域可以由對于與反射鏡層具有相同電子親和力 的合金的成分階梯取代。其將勢壘降低至利用鋁成分中的線性級別的先前設(shè)計(jì) 中所發(fā)現(xiàn)的電子流，并導(dǎo)致串聯(lián)電阻的降低。然后，該分隔層可以為直接的能帶隙半導(dǎo)體。從間接x導(dǎo)帶到直接r導(dǎo)帶的大多數(shù)載流子的散射現(xiàn)在發(fā)生在 布拉格反射鏡處，而不是在量子阱附近。第二，分隔墊為直接能帶隙材料的事實(shí)給予其相當(dāng)高的電子遷移率。因此, 可以獲得已知的串聯(lián)電阻，并且具有相當(dāng)?shù)偷氖┲鲹诫s濃度。這降低了其中電 場駐波具有最大幅值的量子阱附近處自由載流子的吸收。降低的自由載流子吸收可以改善VCSEL的效率。 D.實(shí)施例成分圖6示出了的實(shí)施例成分AlxGai_xAs，其中鋁成分變化以在有源區(qū)域上方 和下方形成有源區(qū)域和限制層。器件在n和p限制層中包括高鋁含量區(qū)域254 和266并且在n側(cè)上的鋁變化中包含變形258。從分隔墊250開始，分隔墊250 具有在10%和20%之間(g卩，x在0.1和0.2之間)的鋁成分并以2el6-5el7/cm3 進(jìn)《亍n型摻雜。較低的分隔墊之后為鋁成分至25%的線性斜坡251，其中摻雜 從分隔墊以約10nm厚的線形斜坡變化至約2el8/cm3 n型。之后為鋁成分至約 85%的階梯252。 85%的層254由約2el8/cm3的n型進(jìn)行摻雜并具有在12nm 和25nm之間的厚度。之后為在成分中鋁成分至約65%的線形斜坡256，其約 5nm并且具有2el8/cm3的n型摻雜。之后為具有10nm厚度并且鋁成分為65 %的區(qū)域258，其以2el8/cii^進(jìn)行n型產(chǎn)則。之后為具有從65%到20%的15nm 厚度的基本未摻雜的線性斜坡262。之后為具有量子阱238和勢壘區(qū)240的量 子阱有源區(qū)域。P側(cè)從約7.5nm厚的3el8/cm3 p摻雜斜坡264開始，其中鋁成 分為85%。 85%層266從2el8/cm3 p摻雜開始并且具有約20nm的厚度。之后 為在2el8/cm3變化處開始到具有與p分隔墊248匹配的最終成分的約 5el7/cmS慘雜的20nm斜坡268。 p分隔墊具有10%和20%之間的成分以及 5el8/cm3的p型摻雜。本發(fā)明還包括使用不包含鋁的成分發(fā)動的能帶隙的半導(dǎo)體材料。適宜的不 含鋁的材料包括在成分處電子親和力最小而不是能帶隙最大的半導(dǎo)體材料。在 這些材料中，具有中間結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)(例如，在成分的變化中的變形)可以用
于改善載流子注入。適宜的不含鋁系統(tǒng)的實(shí)施例包括GaAsP和SiGe。當(dāng)不使用鋁時(shí)，其它元素在成分中(例如，P或者Si)的含量變化以獲得 寬能帶隙材料和窄能帶隙材料。另外，在過渡區(qū)中的變化是該元素(例如，P 或者Si)而不是鋁的含量變化。不含鋁的成分可以在元素變化的特定部分處具 有最小的電子親和力或者最大的空穴親和力。在一實(shí)施方式中，中間結(jié)構(gòu)放置 在這些材料的最小電子親和力或者最大空穴親和力處或者其附近。優(yōu)選地，在 中間結(jié)構(gòu)中變化元素(例如，P 、 Si或者Al)的含量在給予最小電子親和力 或最大空穴親和力的含量的約20%以內(nèi)，更優(yōu)選為在至少約15%以內(nèi)，甚至 更優(yōu)選為在至少約10%以內(nèi)，并且最優(yōu)選為在至少約5%以內(nèi)。為了本發(fā)明的 目的，前述的百分比指改變成分的部分以獲得半導(dǎo)體材料中的寬帶和窄能帶 隙。在GaAs^Px系統(tǒng)中，通過調(diào)整P的含量(即，部分x)，成分可以在窄 能帶隙材料和寬能帶隙材料之間變化。在窄能帶隙材料(例如，有源區(qū)域)中， P的含量可以在約0.0和0.5之間；在寬能帶隙材料(例如，限制區(qū)域)中，P 的含量可以在約0.7和1.0之間；并且中間結(jié)構(gòu)可以具有約0.5和0.7之間的P對于SixGei—x，成分可以在窄能帶隙材料和寬能帶隙材料之間通過調(diào)整Si 的成分(即，部分x)而變化。在窄能帶隙材料(例如，有源區(qū)域)中，Si的 含量可以在約0.0和0.2之間變化；在寬能帶隙材料(例如，限制區(qū)域)中， Si的含量可以在約0.5和1.0之間變化；并且中間結(jié)構(gòu)可以具有約0.2和0.5 之間的P含量。盡管部分前述實(shí)施例描述了 VCSEL，本發(fā)明可以在除了 VCSEL之外的器 件中實(shí)施。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明可以在需要載流子從寬能帶 隙材料注入到窄能帶隙材料的其它發(fā)光二極管中執(zhí)行。該注入結(jié)構(gòu)還可有利地 與不具有量子阱的器件一起使用。例如，本發(fā)明的注入結(jié)構(gòu)可以與異質(zhì)結(jié)雙極 晶體管一起執(zhí)行，其包括寬能帶隙材料和窄能帶隙材料的結(jié)。本發(fā)明還包括在半導(dǎo)體器件P側(cè)上的注入結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體器件p側(cè)上的注 入結(jié)構(gòu)類似于以上描述的注入結(jié)構(gòu)，除了在限制層(在過渡區(qū)中包含摻雜)中 的摻雜劑為P型摻雜劑。另外，除了在電子親和力最小處或者其附近處放置鋁 變形，該鋁變形發(fā)生在空穴親和力最大處。如以上所限定地，空穴親和力是電 子親和力和能帶隙的和?？昭ㄗ⑷虢Y(jié)構(gòu)可以單獨(dú)使用或者與電子注入結(jié)構(gòu)一起 使用。在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以在其它具體形式 中實(shí)現(xiàn)。所說明的實(shí)施方式被認(rèn)為僅僅是示例性的而不作為限制。因此，本發(fā) 明的范圍由所附權(quán)利要求書而不是上述說明書限定。所有落入所附權(quán)利要求及 其等效物的含意和范圍之內(nèi)的修改將包含在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種具有從寬能帶隙半導(dǎo)體材料到窄能帶隙半導(dǎo)體材料的有效載流子注入的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括具有所需能帶隙的第一半導(dǎo)體材料；鄰近所述第一半導(dǎo)體材料的注入結(jié)構(gòu)，所述注入結(jié)構(gòu)包括由具有比所述第一半導(dǎo)體材料寬的能帶隙的第二半導(dǎo)體材料形成的限制區(qū)域；位于所述第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料之間并提供在所述第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料之間成分變化的過渡區(qū)，所述過渡區(qū)包括摻雜的中間結(jié)構(gòu)，該摻雜的中間結(jié)構(gòu)具有在所述成分變化中的變形，其中(i)所述中間結(jié)構(gòu)是n摻雜并且在變形處電子親和力低于所述限制區(qū)域的電子親和力或者(ii)所述中間結(jié)構(gòu)是p摻雜并且在所述變形處空穴親和力高于所述限制區(qū)域的空穴親和力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述過渡區(qū)進(jìn)一步 包含鄰近所述有源區(qū)域的基本未摻雜的部分。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)包含 平臺。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述注入結(jié)構(gòu)包含 選自由AlGaAs、 AlGalnP、 GaAsP或SiGe組成的組中的材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述成分變化包含 Al、 P或Si含量的變化并且Al、 P或Si含量的變化在所述變化內(nèi)提供最小的電子親和力或者最大的空穴親和力。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述變形在Al、 P 或Si含量在所述最小電子親和力或最大空穴親和力的20%內(nèi)發(fā)生。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述變形在鋁含量 在所述最小電子親和力或最大空穴親和力的15%內(nèi)發(fā)生。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述變形在鋁含量 是所述最小電子親和力或最大空穴親和力的10%內(nèi)發(fā)生。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述限制區(qū)域的所述厚度在從約5nm到約lOOnm的范圍內(nèi)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)具有 在從約5nm到100nm范圍的厚度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)內(nèi)的 摻雜高于約5xl0力cm3。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述限制區(qū)域內(nèi)的 所述摻雜劑級別在約5xl0"/cr^到約lxlo19/cm3的范圍內(nèi)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，進(jìn)一步包括鄰近所 述限制區(qū)域的分隔層并具有低于所述限制區(qū)域鋁含量的鋁含量。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包 含有源區(qū)域并且所述第一半導(dǎo)體材料沉積在所述有源區(qū)域中。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包 含異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)為n 摻雜并且在所述變形處的所述電子親和力低于所述限制區(qū)域的電子親和力。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)為p 摻雜并且在所述變形處的所述空穴親和力低于所述限制區(qū)域的空穴親和力。
18、 一種具有從寬能帶隙半導(dǎo)體材料到窄能帶隙半導(dǎo)體材料的有效電子注 入的發(fā)光半導(dǎo)體器件，包括有源區(qū)域，其包括一個(gè)或多個(gè)量子阱和一個(gè)或多個(gè)量子阱勢壘區(qū)； 鄰近所述有源區(qū)域的注入結(jié)構(gòu)，所述注入結(jié)構(gòu)由包含AlGaAs的半導(dǎo)體材 料形成，所述注入結(jié)構(gòu)包含-具有化學(xué)式AlxGai.xAs的n摻雜限制區(qū)域，其中x在約0.7到約1.0 范圍內(nèi)；以及位于所述限制區(qū)域和所述有源區(qū)域之間的n摻雜中間結(jié)構(gòu)，所述中間 結(jié)構(gòu)具有化學(xué)式AlxGai-xAs，其中x在約0.35到約0.7范圍內(nèi)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)包括 在鋁含量從所述有源區(qū)域到所述限制區(qū)域變化的變形。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，在所述中間結(jié)構(gòu)中 的摻雜高于5xlO力cm3。
21、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，進(jìn)一步包含位于所 述中間結(jié)構(gòu)和所述有源區(qū)域之間的基本未摻雜的部分。
22、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，所述限制區(qū)域的所 述厚度在約5nm到約100nm的范圍內(nèi)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，在所述限制區(qū)域中 的所述摻雜劑級別在約5><1017/0113到約lxlO力cmS的范圍內(nèi)。
24、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)光器件，其特征在于，進(jìn)一步包括鄰近所 述限制區(qū)域的分隔層，所述分隔層具有化學(xué)式AlxGai.xAs，其中x在約0.4到 約0.6的范圍內(nèi)。
25、 一種具有從寬能帶隙半導(dǎo)體材料到窄能帶隙半導(dǎo)體材料的有效電子注 入的發(fā)光半導(dǎo)體器件，包括有源區(qū)域，其包括一個(gè)或多個(gè)量子阱和一個(gè)或多個(gè)量子阱勢壘區(qū)； 鄰近所述有源區(qū)域的注入結(jié)構(gòu)，所述注入結(jié)構(gòu)由包含AlInGaP的半導(dǎo)體材 料形成，所述注入結(jié)構(gòu)包含具有化學(xué)式AlxGai.xAs的n摻雜限制區(qū)域，其中x在約0.8到約1.0 范圍內(nèi)；以及位于所述限制區(qū)域和所述有源區(qū)域之間的n摻雜中間結(jié)構(gòu)，所述中間 結(jié)構(gòu)具有化學(xué)式(AlxGa,-x) InP，其中x在約0.4到約0.8范圍內(nèi)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述中間結(jié)構(gòu)包 括鋁含量從所述有源區(qū)域到所述限制區(qū)域變化的變形。
27、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述中間結(jié)構(gòu) 中的摻雜高于5xlO力cm3。
28、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，進(jìn)一步包括位于 所述中間結(jié)構(gòu)和所述有源區(qū)域之間的基本未摻雜的部分。
29、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述(AlxGa,.x) InP基本與GaAs晶格匹配。
30、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述限制區(qū)域的 所述厚度在約5nm到約100nm的范圍內(nèi)。
31、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述限制區(qū)域 中的所述摻雜劑級別在約5xlO力ci^到約1><1019/(^3的范圍內(nèi)。
32、根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，進(jìn)一步包括鄰近 所述限制區(qū)域的分隔層，所述分隔層具有小于所述限制區(qū)域鋁含量的鋁含量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諸如VCSEL、SEL、LED和HBT的半導(dǎo)體器件，制造該器件以具有接近窄能帶隙材料的寬能帶隙材料。通過位于寬能帶隙材料和窄能帶隙材料之間的中間結(jié)構(gòu)而改善電子注入。中間結(jié)構(gòu)為變形區(qū)，諸如在寬能帶隙材料和窄能帶隙材料之間的成分變化中的平臺。該中間結(jié)構(gòu)被重?fù)诫s并具有所需低電子親和力的成分。注入結(jié)構(gòu)可在具有高空穴親和力的p摻雜中間結(jié)構(gòu)的器件的p側(cè)上使用。
文檔編號H01S5/30GK101162752SQ20071012601
公開日2008年4月16日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者拉爾夫·H·約翰遜 申請人:菲尼薩公司