用於降低半導體器件中工作電壓的結構的製作方法
2023-06-17 20:50:56
專利名稱：用於降低半導體器件中工作電壓的結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於降低半導體器件中工作電壓的結構。
背景技術：
基於半導體的光電子器件常用於光通訊系統和其他系統中。
已經採用了各種材料來製造光電子的光發射器件。在一種示例中，將III族和V族元素以各種組分相結合來形成層。使用III族和V族元素的材料系統之一是氮化鎵(GaN)材料系統。通常形成III-V族元素的層來製造半導體光電子器件。這些器件通常包括稱為p-n結的區域。一個或多個p-n結可以形成部分半導體光電子器件。
對於用GaN材料系統形成的光電子器件，p型材料的接觸電阻與n型材料的接觸電阻相比通常較高。此外，p型材料中空穴的遷移率通常比n型材料中電子的遷移率低。這在GaN器件的p側上引起了較高的串聯電阻。較高的串聯電阻提高了器件的工作電壓並導致了產生熱量，而熱量通常會降低器件的性能。
減小光電子器件p側的串聯電阻的一種方法是在器件中引入隧道結。當施加反向偏壓時，隧道結促進電子從p型材料到n型材料的流動，能夠造成接觸n型材料，從而減小接觸電阻。在這樣的器件中可以減少p型材料的量，從而減小串聯電阻，並降低器件的工作電壓。為了從隧道結獲得最大的益處，通常要儘量減小隧道結兩端的電壓降。
發明內容
本發明公開了用於降低半導體器件中工作電壓的結構。用摻雜物對一個或多個隧道結材料層進行共摻雜降低了半導體器件的工作電壓，其中所述摻雜物具有比另一種摻雜物的電離能更高的電離能。在兩個隧道結層的界面處引入缺陷也通過產生促進隧道效應的中間帶隙能態而降低了半導體器件的工作電壓。在兩個隧道結層的界面處引入附加材料層也通過產生促進隧道效應的中間帶隙能態而降低了半導體器件的工作電壓。
參考附圖可以更好地理解根據本發明的實施例。附圖中的元件不一定是按比例繪製的，為了對本發明的原理進行清楚的說明而進行了強調。此外，在所有這些圖中，附圖中相同的標號表示相應的部件。
圖1示出了有關受主能級的示意圖。
圖2是半導體發光二極體的示意圖，它採用了根據本發明實施例的隧道結。
圖3的能帶圖示出輕微反向電偏壓情況下圖2的隧道結。
圖4是半導體器件的示意圖，該器件採用了根據本發明另一種實施例的低電阻觸點。
圖5是圖4的半導體器件的p型觸點和p型材料層的能帶圖。
圖6的能帶圖示出根據本發明的可替換實施例，它降低了圖2的隧道結兩端的電壓降。
圖7是半導體發光二極體的示意圖，它採用了根據本發明可替換實施例的隧道結。
圖8是示出圖7中隧道結兩端的電壓降的能帶圖。
圖9圖示了根據本發明一種實施例的方法，用於製造降低半導體器件中工作電壓的隧道結結構。
圖10圖示了根據本發明一種實施例的方法，用於形成降低半導體器件中工作電壓的低電阻觸點。
圖11圖示了根據本發明一種實施例的可替換方法，用於降低半導體器件中的工作電壓。
圖12圖示了根據本發明一種實施例的可替換方法，用於降低半導體器件中的工作電壓。
具體實施例方式
根據本發明的實施例是基於這樣的認識，即深受主能級和深施主能級摻雜在對體半導體材料影響最小的同時，大大提高了在隧道結或歐姆接觸的耗盡區進行電離時半導體材料的導電性。在III-V族氮化物材料中，常用鎂作p型摻雜物，常用矽作n型摻雜物。但是，具有更高電離能或活化能的另外的摻雜物(即「更深」的雜質)會在耗盡區被電離，可觀地減小耗盡區的寬度，並因此降低半導體器件的工作電壓。
在根據本發明的一種實施例中，通過用摻雜的半導體材料形成p型隧道結層和n型隧道結層的隧道結結構，以減小p型隧道結層材料的價帶能量與n型隧道結層材料的導帶能量之間耗盡區的寬度，從而降低了隧道結的電壓降。減小耗盡區寬度降低了p型隧道結層材料的價帶能量與n型隧道結層材料的導帶能量之間的能壘，增大了給定反向偏壓情況下發生隧道效應的可能性，並因此降低了經過隧道結的電流一定的情況下隧道結兩端的電壓降。通過用導帶具有深受主能級和高電離能的摻雜物對p型隧道結層的材料進行共摻雜，降低了p型隧道結層材料的價帶能量與n型隧道結層材料的導帶能量之間的差。對一個或多個層的共摻雜可以同時進行，其中摻雜物在整個材料層中均勻分布，共摻雜也可以順序進行，其中首先用主摻雜物對部分材料層進行摻雜，再用次摻雜物或共摻雜物對後續部分的材料層進行摻雜。
在p型觸點的情況下，共摻雜與金屬觸點材料接觸的p型層材料降低了p型材料與金屬觸點之間的電阻，從而降低了器件的工作電壓。
在根據本發明的一種實施例中，通過將共摻雜物引入p型材料和/或n型材料，降低了半導體器件的工作電壓。共摻雜物具有更高的活化能以及比主摻雜物的活化能更深的能級。對於p型材料，根據本發明的實施例向通常的鎂(Mg)摻雜物中添加例如鋅(Zn)、鈣(Ca)、鈹(Be)或鎘(Cd)的摻雜物。對於n型材料，根據本發明的實施例向傳統的矽(Si)摻雜物中添加例如硒(Se)、碲(Te)、氧(O)、硫(S)或錫(Sn)的摻雜物。例如鋅、鈣、鈹和鎘的摻雜物具有比鎂更高的活化能和深得多的受主能級，並且通常不會明顯影響體材料中的摻雜能級。與之類似，例如硒、碲、氧、硫和錫的摻雜物具有比矽更深的施主能級並且不影響體材料的n型摻雜。
但是，這些次摻雜物在半導體表面或界面處出現的耗盡區中受到電離，從而降低了觸點和隧道結的電阻。減小耗盡區寬度有效地降低了觸點和隧道結的電阻。減小耗盡區寬度降低了這樣器件的工作電壓，該器件中材料層是用具有深受主能級和深施主能級的摻雜物進行共摻雜的。
根據本發明的實施例，還通過在隧道結的p型材料層和n型材料層附近引入缺陷而降低了半導體器件的工作電壓。缺陷產生了中間帶隙能態，該能態促進了隧道效應，從而降低了半導體器件的工作電壓。
根據本發明的實施例，還通過在隧道結的n型材料層與p型材料層之間引入附加層而降低了半導體器件的工作電壓。附加層的材料具有比n型隧道結層和p型隧道結層的帶隙低得多的帶隙，促進了隧道效應，從而降低了半導體器件的工作電壓。
此處所用的術語「共摻雜」指的是包括至少兩種摻雜物的半導體材料層。兩種摻雜物可以在形成材料層時同時施加，也可以是順序加入至少兩種摻雜物，其中將第一摻雜物加入部分半導體材料層，將第二摻雜物加入後續部分的半導體材料層。
根據本發明的一種實施例降低了隧道結兩端的電壓降，所述隧道結形成為具有至少一個用深受主能級摻雜物進行了共摻雜的層。在這種實施例中提供了這樣的隧道結結構，在該結構中，通過用具有深受主能級的共摻雜物對隧道結層中的至少一個進行摻雜，使得與其他方式可獲得的結果相比，低電壓情況下發生隧道效應的可能性大大增加了。具體而言，通過將例如鋅、鈣、鈹或鎘的摻雜物加入通常的p型摻雜物(此例中通常是鎂)，降低了p型隧道結層材料的價帶與n型隧道結層材料的導帶之間的能量差。在根據本發明的另一種實施例中，前述共摻雜是在與歐姆接觸相接觸的p型材料層上進行的。用除了通常的鎂摻雜物之外的例如鋅、鈣、鈹或鎘的共摻雜物對與歐姆接觸相接觸的p型材料層進行摻雜降低了接觸電阻，並因此降低了器件的工作電壓。
根據本發明的另一種實施例，通過在隧道結處的材料中形成晶體缺陷而降低了隧道結兩端的電壓降。在根據本發明的另一種實施例中，在n型隧道結層和p型隧道結層的界面處形成外延的金屬或半金屬層來促進經過隧道結的隧道效應，其中所述外延的金屬或半金屬層具有比n型隧道結層和p型隧道結層的帶隙低得多的帶隙。缺陷或金屬中間層產生了中間帶隙態，該帶隙態通過俘獲和發射過程促進了從p型隧道結層材料的價帶到n型隧道結層的導帶的隧道效應。
圖1是有關受主能級的示意圖。作為參考，102處表示價帶，104處表示導帶。鎂的受主能級示於106處，鋅的受主能級示於108處。為了說明方便，只相對於鎂的受主能級以及價帶示出了鋅的受主能級。但是，例如鈣、鈹和鎘的其他摻雜物具有比鎂更深的摻雜受主能級。而且，儘管圖1圖示了p型摻雜物，但是也可以參考導帶104示出例如硒、碲、氧、硫和錫的n型摻雜物的施主能級。
相對於氮化鎵的價帶，鎂摻雜物的電離能(也稱為活化能或能級(Ea))約為180毫電子伏特(meV)，如圖1中d1所示；鋅的能級(Ea)約為300meV，如圖1中d2所示。向鎂中添加鋅受主(或者鈣、鈹或鎘)雖然對體材料(bulk material)中的摻雜濃度影響極小，卻大大提高了p-n結的局部導電性。通過加入鋅提高了p型材料中的受主濃度，但是添加鋅沒有增加體材料的空穴濃度。在與金屬觸點或p-n結有關的耗盡區中，即使是深受主也被電離，它們的存在減小了這種結處的耗盡區寬度。這是違反直覺的，因為深受主能級摻雜並未給體材料的電平衡帶來好處。但是，深受主的共摻雜儘管具有深的特性，但可以大大降低耗盡區的寬度。換句話說，耗盡區的寬度減小使具有一個或多個共摻雜層的半導體器件可以工作於某個電壓電平，該電壓電平低於沒有共摻雜層的器件的電壓電平。
圖2是半導體發光二極體200的示意圖，它採用了根據本發明實施例的隧道結。在一種實施例中，形成半導體器件200採用了金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，也稱為有機金屬氣相外延(OMVPE)。用MOCVD對化學前體進行處理以釋放出其組成元素。將所述元素汽化並用運載氣體傳輸以在襯底上形成原子層。形成許多具有各種成分的層以產生半導體器件。或者，也可以用分子束外延(MBE)或其他製造工藝來製造半導體器件200的層。
在藍寶石襯底201上方形成緩衝層202。在根據本發明的一種實施例中，緩衝層202可以用氮化鎵在約為500-800℃的較低生長溫度下形成。在緩衝層202上方形成氮化鎵的n型層204。在根據本發明的一種實施例中，氮化鎵層204約為3微米(μm)厚。在層204上方形成有源區210，有源區210包括InGaN的量子阱層和氮化鎵阻擋層的交替層。有源區可以包含一個或多個量子阱，在此例中包括4個量子阱。
在有源區210上方形成AlGaN的p型層206。層206約為30納米(nm)厚。在層206上方形成氮化鎵層208。層208厚約100-1000nm。
在層208上方形成隧道結結構220，它包括p型隧道結層212和n型隧道結層214。p型隧道結層212和n型隧道結層214形成隧道結216。在根據本發明的一種實施例中，p型隧道結層212用氮化鎵或GaInN形成，厚約10nm。用鎂和另一種摻雜物的組合對p型隧道結層212進行摻雜，所述另一種摻雜物具有比鎂更高的電離能和比鎂更深的受主能級。在此例中，用鎂和鋅對p型隧道結層212進行共摻雜。但是，也可以用包括例如鈣和鈹的其他元素或元素組合對p型隧道結層212進行共摻雜。通過用鎂和鋅對p型隧道結層212進行共摻雜，p型隧道結層212中局部將有較大的受主濃度。因此，如下面將要說明的，與用鎂單獨摻雜相比，耗盡區寬度減小了。當對器件200施加反向偏壓時，由鋅提供的深摻雜受主能級將因此促進從p型隧道結層212的價帶到n型隧道結層214的導帶的隧道效應。
通常隨著材料層的形成將摻雜物加入材料層中。在根據本發明的一種實施例中，在形成p型隧道結層212時將鎂和鋅加入其中。例如，可以在p型隧道結層212的整個生長過程中加入鎂，而在p型隧道結層212的生長將近結束時加入鋅，使得p型隧道結層212直接接觸n型隧道結層214的表面上存在高度共摻雜的區域。
n型隧道結層214用氮化鎵或GaInN形成，厚度約為10nm。n型隧道結層214可以用傳統方法摻雜，也可以用矽和另一種摻雜物的組合來摻雜，所述另一種摻雜物具有比矽的施主能級更深的施主能級。如果要對n型隧道結層214進行共摻雜，則可以用矽和氧對n型隧道結層214進行共摻雜。但是，也可以用包括例如硒、碲、硫和錫的其他元素或元素組合對n型隧道結層214進行共摻雜。或者，例如碳或鍺的其他雜質也可以用作共摻雜物。在n型隧道結層214上方用氮化鎵形成約0.5μm厚的n型頂層222。在頂層222上方用氮化鎵形成約50nm厚的n型接觸層224。在接觸層224上形成n型觸點226，並通過向下刻蝕到層204形成n型觸點228。
儘管圖2隻示出了GaN基的發光二極體結構中應用的隧道結，但也可以在基於III族元素氮化物的雷射二極體中結合類似的隧道結結構。在這樣的應用中所作的替換是將同樣的隧道結層嵌入雷射器的AlGaN上覆層中。
圖3的能帶圖300示出輕微反向電偏壓情況下圖2的隧道結。導帶能量用標號302表示，價帶能量用標號304表示。對於這個隧道結示例，將鋅作為p型共摻雜物加入鎂所產生的效果如導帶中的虛線306和價帶中的虛線308所示。參考價帶中的虛線308，將鋅作為共摻雜物添加到p型隧道結層212(圖2)改變了p型隧道結層212的價帶能量，使得與單獨用鎂來對p型隧道結層212進行摻雜時的耗盡區312寬度W相比，耗盡區314的寬度W減小了。
只使用鎂進行摻雜時，p型隧道結層212的價帶304與n型隧道結層214的導帶302之間的隧道間距如間隔d3所示，並用箭頭316表示。用鎂和鋅對p型隧道結層212進行共摻雜時，p型隧道結層212的價帶304與n型隧道結層214的導帶302之間的隧道間距減小到間隔d4，用箭頭318表示。電子必須從p型隧道結層212的價帶304隧穿到n型隧道結層214的導帶302，減少電子在隧穿過程中所經的距離降低了隧道結220兩端的電壓降，並降低了半導體器件的總體工作電壓。
因此，對p型隧道結層212和n型隧道結層214進行共摻雜降低了耗盡區的寬度，並增大的隧道效應的可能性。由此降低了器件的總體工作電壓。
圖4是半導體器件400的示意圖，該器件400採用了根據本發明另一種實施例的低電阻觸點。半導體器件400意在對各種半導體器件進行示意性表示，因此示出的是高度簡化的形式。半導體器件400包括襯底401上方形成的n型材料層402。在n型材料層402上方形成p型材料層404，兩層之間形成p-n結410。半導體器件可以是例如以氮化鎵材料系統形成的光發射器件。
在n型材料層402上方形成n型觸點406，在p型材料層404上方形成p型觸點408。如上所述，由於以氮化鎵材料系統形成的p型材料的接觸電阻較高，還由於空穴的遷移率較低，所以通常希望減少半導體器件中p型材料的量。但是，在許多情況下，仍然必須有p型觸點。根據本發明的一種實施例，用鎂和鋅對p型材料層404進行共摻雜。在一種實施例中，形成半導體器件400採用了金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，也稱為有機金屬氣相外延(OMVPE)。用MOCVD對化學前體進行處理以釋放出其組成元素。將所述元素汽化並用運載氣體傳輸以在襯底上形成原子層。形成許多具有各種成分的層以產生半導體器件。或者，也可以用分子束外延(MBE)或其他製造工藝來製造半導體器件400的層。
通常在材料層的形成時將摻雜物加入材料層中。在根據本發明的一種實施例中，在形成p型隧道結層404時將鎂和鋅加入其中。例如，可以在p型隧道結層404的整個生長過程中加入鎂，而在p型材料層的生長將近結束時加入鋅，使得直接位於p型觸點408下方的p型材料層404表面上存在高度共摻雜的區域。
p型材料層404的高度共摻雜區域與p型觸點408接觸大大降低了p型材料層404與p型觸點408的金屬之間的接觸電阻。由此，p型材料層404和p型觸點408的結處的耗盡區寬度小於採用傳統摻雜時的情況。減小耗盡區寬度增大了p型材料層404和p型觸點408之間發生隧道效應的可能性，從而降低了器件的總體工作電壓。
圖5是圖4的半導體器件的p型觸點和p型材料層的能帶圖500。導帶能量用標號502表示，價帶能量用標號504表示。P型觸點圖示為金屬408。對於這個p型觸點示例，將鋅作為p型共摻雜物加入鎂所產生的效果如導帶中的虛線506和價帶中的虛線508所示。參考價帶中的虛線508，將鋅作為共摻雜物添加到p型材料層404改變了p型材料層404的價帶能量，使得與單獨用鎂來對p型材料層404進行摻雜時的耗盡區寬度W相比，耗盡區的寬度W減小了。
只使用鎂進行摻雜時，p型材料層404的價帶504與導帶502(即p型觸點408)之間的隧道間距如箭頭516所示。用鎂和鋅對p型材料層404進行共摻雜時，p型材料層404的價帶504與p型觸點408之間的隧道間距減小到箭頭518所示的間隔。電子必須從p型材料層404的價帶504隧穿到p型觸點408，減少電子在隧穿過程中所經的距離降低了接觸電阻，並由此降低了半導體器件的工作電壓。因此，對p型材料層404進行共摻雜降低了耗盡區的寬度並增大了發生隧道效應的可能性。這樣降低了器件的總體工作電壓。
圖6的能帶圖600示出根據本發明的可替換實施例，它降低了圖2的隧道結兩端的電壓降。導帶能量用標號602表示，價帶能量用標號604表示。對於這種隧道結示例，在p型隧道結層212或n型隧道結層214的結處或其附近引入缺陷。圖6中缺陷圖示於610處。缺陷610可以是例如p型隧道結層212或n型隧道結層214中一者或二者的材料晶格缺陷。缺陷610的效果是產生中間帶隙能態，有助於p型隧道結層212的價帶604與n型隧道結層214的導帶602之間發生隧道效應。缺陷610通過產生可以由俘獲或再發射過程而發生隧道效應的能態而促進了隧道效應。用缺陷610產生中間帶隙能態的效果用線620和線622表示，其中，p型材料的價帶604中的電子隧穿到缺陷位置610。然後，電子從缺陷位置610隧穿到n型材料的導帶602。
此外，用缺陷610產生中間帶隙能態可以與上述共摻雜相結合，以進一步促進隧道效應，並進一步降低半導體器件的工作電壓。
圖7是半導體發光二極體700的示意圖，它採用了根據本發明可替換實施例的隧道結。半導體器件700可以以與半導體器件200類似的方式形成。
在藍寶石襯底701上方形成緩衝層702。在根據本發明的一種實施例中，緩衝層702可以用氮化鎵在約為500-800℃的較低生長溫度下形成。在緩衝層702上方形成氮化鎵的n型層704。在根據本發明的一種實施例中，氮化鎵層704約為3微米(μm)厚。在層704上方形成有源區710，有源區710包括InGaN的量子阱層和氮化鎵阻擋層的交替層。有源區可以包含一個或多個量子阱，在此例中包括4個量子阱。
在有源區710上方形成AlGaN的p型層706。層706約為30納米(nm)厚。在層706上方形成氮化鎵層708。層708厚約100-1000nm。
在層708上方形成隧道結結構720，它包括p型隧道結層712、附加層730和n型隧道結層714。p型隧道結層712和n型隧道結層714形成隧道結716。在根據本發明的這種實施例中，附加層730也稱為中間層，是金屬材料或半金屬材料，並形成到約1nm的厚度。附加層730具有比p型隧道結層712和n型隧道結層714的帶隙低得多的帶隙，並優選為與氮化鎵相容。適用於附加層730的材料示例包括但不限於氮化銦(InN)、砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)。另外，包括稀土V族材料例如砷化鉺(ErAs)或另外的稀土砷化物、磷化物、銻化物或氮化物的半金屬材料也是適用的。
在此實施例中，p型隧道結層712用氮化鎵或GaInN形成，厚約10nm。可以只用鎂對p型隧道結層712摻雜，也可以用鎂和另一種摻雜物的組合對其摻雜，所述另一種摻雜物具有比鎂更深的電離能和受主能級。在此例中，用鎂對p型隧道結層712進行共摻雜。但是，也可以用包括例如鋅、鈣、鈹和鎘的其他元素或元素組合對p型隧道結層712進行共摻雜。附加層730產生了中間帶隙的能態，並促進了對器件700施加反向偏壓時從p型材料的價帶到n型材料的導帶的隧道效應。如果用氮化銦形成，則附加層730可以具有約0.9eV的帶隙；如果用砷化鉺形成，可以具有約0.1-0.2eV的帶隙。如果用氮化鎵形成，則p型隧道結層712和n型隧道結層714可以具有3.4eV量級的帶隙。取決於組成材料，附加材料層730可以具有約0.9eV到3.4eV之間的帶隙。與隧道結層712和714相比，附加層730的帶隙較小，產生了中間帶隙能態，並促進了對器件700施加反向偏壓時從p型材料的價帶到n型材料的導帶的隧道效應。
n型隧道結層714用氮化鎵或GaInN形成，厚度約10nm。n型隧道結層714可以用傳統方法摻雜，也可以用矽和另一種摻雜物的組合來摻雜，所述另一種摻雜物具有比矽更深的施主能級。如果要對n型隧道結層714進行共摻雜，則可以用矽和氧對n型隧道結層714進行共摻雜。但是，如上所述，也可以用包括例如硒、碲、硫和錫的其他元素或元素組合對n型隧道結層714進行共摻雜。在n型隧道結層714上方用氮化鎵形成約0.5μm厚的n型頂層722。在頂層722上方用氮化鎵形成約50nm厚的n型接觸層724。在接觸層724上形成p型觸點726，並通過向下刻蝕到層704形成n型觸點728。
儘管圖7隻示出了GaN基的發光二極體結構中應用的隧道結，但也可以在基於III族元素氮化物的雷射二極體中結合類似的隧道結結構。在這樣的應用中所作的替換是將同樣的隧道結層嵌入雷射器的AlGaN上覆層中。
圖8是示出圖7中隧道結兩端的電壓降的能帶圖。導帶能量用標號802表示，價帶能量用標號804表示。對於這種隧道結示例，附加材料層730(或者稱為中間層)具有的帶隙小於p型隧道結層712和n型隧道結層714的帶隙，它產生了中間帶隙能態，促進了p型隧道結層712的價帶804與n型隧道結層714的導帶802之間發生隧道效應。附加層730通過產生可以由兩步隧穿過程發生隧道效應的能態而促進了隧道效應。用附加層730產生中間帶隙能態的效果用線820和線822表示，其中，p型材料的價帶804中的電子隧穿到附加層730。然後，電子從附加層730隧穿到n型材料的導帶802。
此外，用附加層730產生中間帶隙能態可以與上述共摻雜相結合，以進一步促進隧道效應並降低半導體器件的工作電壓。
圖9圖示了根據本發明一種實施例的方法900，用於製造降低半導體器件中工作電壓的隧道結結構。在框902處提供襯底。在框904處，在襯底上形成第一半導體材料的p型隧道結層。這可以通過將第一半導體材料層沉積到襯底上方或之上而形成。用主摻雜物和次摻雜物對第一半導體材料層摻雜。主摻雜物可以是例如鎂，次摻雜物(或者稱為共摻雜物)可以是例如具有比鎂更高的摻雜物電離能和更深的受主能級的材料。在此示例中，共摻雜物可以從鋅(Zn)、鈣(Ca)、鎘(Cd)和鈹(Be)中選擇。在層生長的同時供給摻雜物。在採用MOCVD製造時，使用氣體化合物或分子化合物，例如二乙基鋅或二甲基鋅、二甲基鎘和二乙基鈹。在採用分子束外延(MBE)製造時，從用作摻雜物的元素源使固體元素材料蒸發。
主摻雜物和次摻雜物可以在半導體材料層生長時同時加到其中，使摻雜物在整個層中均勻分布。或者，可以順序加入主摻雜物和次摻雜物，使得由主摻雜物對第一部分半導體材料層摻雜，由次摻雜物對第二部分半導體材料層摻雜。或者，可以在整個層厚的不同部分中將主摻雜物和次摻雜物加入半導體材料層。
在框906處，用第二半導體材料形成與p型隧道結層毗鄰(juxtaposed)的n型隧道結層。n型隧道結層和p型隧道結層共同形成隧道結。第一半導體材料和第二半導體材料中一個包括主摻雜物和次摻雜物，或者二者都包括。n型隧道結層的第二半導體材料可以用主摻雜物(例如矽(Si))和次摻雜物(或者稱為共摻物)來摻雜，所述次摻雜物具有比主摻雜物更高的電離能和更深的施主能級。在此示例中，共摻物可以從硒(Se)、碲(Te)、硫(S)、錫(Sn)和氧(O)中選擇。在層生長的同時供給摻雜物。在採用MOCVD製造時，用氣體化合物或分子化合物，例如硒化氫(H2Se)、二乙基碲化物或二甲基碲化物、硫化氫(H2S)、四乙基錫、氧氣(O2)或水作為前體。在採用分子束外延(MBE)製造時，固體或氣體元素材料用作主摻雜物和次摻雜物。
p型隧道結層或n型隧道結層的生長可以以晶格匹配或假晶(pseudomorphically)的方式，或者應用到毗鄰層中的其他方式。可以生長附加材料的層，也可以用其他方式從遠離襯底處施加到隧道結層。
圖10圖示了根據本發明一種實施例的方法1000，用於形成降低半導體器件中工作電壓的低電阻觸點。在框1002處，形成光電子器件。在框1004處，在光電子器件中定位p-n結。在框1006處，通過用主摻雜物和次摻雜物(或者稱為共摻物)對p型材料摻雜而形成低電阻p型觸點。共摻雜物具有比主摻雜物更高的摻雜電離能，因而具有更深的受主能級。框1006包括框1008和1010。在框1008處，用例如鎂的主摻雜物對p型材料摻雜。在框1010處，用從鋅、鈣、鈹和鎘中選擇的次摻雜物對p型材料摻雜。次摻雜物具有比主摻雜物更高的摻雜物電離能和更深的受主能級。在框1012處，向光電子器件施加電壓，使光電子器件工作。
圖11圖示了根據本發明一種實施例的可替換方法1100，用於降低半導體器件中的工作電壓。在框1102處，形成光電子器件。在框1104處，在光電子器件中定位p-n結。在框1106處，在p-n結附近形成缺陷。缺陷可以通過例如在p-n結附近形成光電子器件的層時改變生長參數來形成，或者通過用產生中間帶隙能態的雜質對p-n結的層進行摻雜來形成。缺陷在p-n結附近產生中間帶隙能態。中間帶隙能態通過例如俘獲和再發射，為載流子提供了從價帶的p型材料到導帶的n型材料的隧穿路徑。隧穿路徑增大了發生隧道效應的可能性，因此降低了光電子器件的工作電壓。在框1108處，向光電子器件施加電壓，使光電子器件工作。
圖12圖示了根據本發明一種實施例的可替換方法，用於降低半導體器件中的工作電壓。在框1202處，形成光電子器件。在框1204處，在襯底上形成第一半導體材料的p型隧道結層。這可以通過將第一半導體材料的層沉積到襯底上方或之上來實現。在框1206處，在第一隧道結層上形成附加層。附加層具有比第一隧道結層和隨後形成的第二隧道結層的帶隙小得多的帶隙。在框1208處，在附加層上形成第二隧道結層。附加層在p-n結附近產生中間帶隙能態。中間帶隙能態通過例如俘獲和再發射，為載流子提供了從價帶的p型材料到導帶的n型材料的隧穿路徑。隧穿路徑增大了發生隧道效應的可能性，因此降低了光電子器件的工作電壓。在框1210處，向光電子器件施加電壓，使光電子器件工作。
本公開採用根據本發明的示例性實施例對本發明進行了詳細說明。但是，應當理解，由權利要求限定的本發明並不僅限於所描述的實施例。
權利要求
1.一種光發射器件，包括有源區，所述有源區設置為響應於注入電荷而產生光；以及n型材料層和p型材料層，其中，用至少兩種摻雜物對所述n型材料層和所述p型材料層中的至少一個進行摻雜，所述摻雜物中至少一種具有比其它種摻雜物的電離能更高的電離能。
2.根據權利要求1所述的光發射器件，其中，所述n型摻雜物選自矽、硒、碲、氧、硫和錫。
3.根據權利要求1所述的光發射器件，其中，所述p型摻雜物選自鎂、鋅、鈣、鈹和鎘。
4.根據權利要求1所述的光發射器件，還包括隧道結結構，所述隧道結結構定位成將電荷注入所述有源區中，所述隧道結包括第一半導體材料的n型隧道結層、第二半導體材料的p型隧道結層和所述n型隧道結層與所述p型隧道結層之間的隧道結，用至少兩種摻雜物對所述隧道結層中至少一個進行摻雜，所述摻雜物中至少一種具有比其它種摻雜物的電離能更高的電離能。
5.根據權利要求4所述的光發射器件，其中，所述至少兩種摻雜物使所述n型隧道結層和所述p型隧道結層的界面處形成的耗盡區的寬度減小。
6.根據權利要求1所述的光發射器件，其中，所述p型材料層與歐姆接觸相接觸。
7.根據權利要求6所述的光發射器件，其中，所述至少兩種摻雜物使所述n型隧道結層和所述歐姆接觸的界面處形成的耗盡區的寬度減小。
8.根據權利要求1所述的光發射器件，其中，在所述n型材料層和所述p型材料層中至少一個層的整個層中，所述至少兩種摻雜物均勻分布。
9.根據權利要求1所述的光發射器件，其中，所述至少兩種摻雜物順序分配到所述n型材料層和所述p型材料層的至少一個中。
10.一種製造光發射器件的方法，所述方法包括提供襯底；在所述襯底上形成有源區；在所述襯底上形成p型材料層；在所述襯底上形成n型材料層；以及用至少兩種摻雜物對所述n型材料層和所述p型材料層中至少一個進行摻雜，所述摻雜物中至少一種具有比其它種摻雜物的電離能更高的電離能。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括形成與所述p型材料層接觸的歐姆接觸。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述至少兩種摻雜物使所述p型隧道結層和所述歐姆接觸的界面處形成的耗盡區的寬度減小。
13.根據權利要求10所述的方法，還包括在所述n型材料層和所述p型材料層中至少一個層的整個層中使所述至少兩種摻雜物均勻分布。
14.根據權利要求10所述的方法，還包括將所述至少兩種摻雜物順序分配到所述n型材料層和所述p型材料層的至少一個中。
15.一種光發射器件，包括設置為產生光的有源區；n型隧道結層；p型隧道結層；和所述n型隧道結層和所述p型隧道結層之間的隧道結，其中，所述n型隧道結層和所述p型隧道結層的至少一個中的缺陷在所述p型隧道結層的價帶與所述n型隧道結層的導帶之間產生中間帶隙能態。
16.根據權利要求15所述的光發射器件，其中，所述缺陷促進從所述p型隧道結層的價帶到所述n型隧道結層的導帶的隧道效應。
17.一種光發射器件，包括設置為產生光的有源區；n型隧道結層；p型隧道結層；所述n型隧道結層和所述p型隧道結層之間的隧道結；和所述n型隧道結層與所述p型隧道結層之間的附加層，其中，所述附加層具有比所述n型隧道結層和所述p型隧道結層的帶隙小得多的帶隙。
18.根據權利要求17所述的光發射器件，其中，所述附加層促進從所述p型隧道結層的價帶到所述n型隧道結層的導帶之間的隧道效應。
19.根據權利要求18所述的光發射器件，其中，所述附加層選自金屬材料和半金屬材料。
20.根據權利要求19所述的光發射器件，其中，所述n型隧道結層用選自矽、硒、碲、氧、硫和錫的摻雜物進行摻雜。
21.根據權利要求19所述的光發射器件，其中，所述p型隧道結層用選自鎂、鋅、鈣、鈹和鎘的摻雜物進行摻雜。
22.根據權利要求19所述的光發射器件，還包括隧道結結構，所述隧道結結構定位成將電荷注入所述有源區中，並且其中，用至少兩種摻雜物對所述n型隧道結層和所述p型隧道結層中至少一個進行摻雜，所述摻雜物中至少一種具有比其它種摻雜物的電離能更高的電離能。
23.根據權利要求22所述的光發射器件，其中，所述至少兩種摻雜物使耗盡區的寬度減小，所述耗盡區形成於所述n型隧道結層與所述附加層的界面處以及所述p型隧道結層與所述附加層的界面處。
全文摘要
本發明公開了一種光發射器件，它包括設置為響應於注入電荷而產生光的有源區以及n型材料層和p型材料層，其中，用至少兩種摻雜物對n型材料層和p型材料層中的至少一個進行摻雜，所述摻雜物中至少一種具有比另一種摻雜物的電離能更高的電離能。
文檔編號H01L33/00GK1917241SQ20061010958
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月14日 優先權日2005年8月15日
發明者維金奈·M·羅賓斯, 史蒂文·D·萊斯特爾, 傑弗裡·N·米勒, 戴維·P·保爾 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司