[发明专利]具有用于发射或检测光的结构的半导体器件

说明书

本发明涉及一种半导体器件，例如，用于发射或吸收优选地在深紫外线(DUV)范围内的光的半导体器件。所述器件例如谐振腔发光二极管(RCLED)或激光二极管由以下部件形成：衬底层(302)，其优选地包括分布式布拉格反射器(DBR)；石墨层(304)；以及在使用或不使用掩模层(306)的情况下在石墨层上生长的至少一个半导体结构(310)，优选线或角锥。所述半导体结构由至少一个III‑V族半导体n型掺杂区(316)和六方氮化硼(hBN)区(312)构成，所述六方氮化硼区优选地为p型掺杂hBN。

本公开涉及半导体器件，该半导体器件包括用于发射或检测光的半导体结构，特别是纳米结构，诸如纳米线(NW)和纳米角锥(NP)。特别地，本公开涉及包括III-V族半导体结构的半导体器件，该III-V族半导体结构包括在石墨层上生长的六方氮化硼(hBN)层。

多年来半导体器件已经被用于各种应用中。例如，发光半导体器件诸如发光二极管(LED)和半导体激光器已经用于产生用于照明应用和电信的光。半导体器件也已经被用作光探测器，以用于各种应用诸如成像技术和光隔离器(optoisolator)。半导体二极管也已用于电子应用中，例如，以控制电流的方向。一些半导体器件具有由p型掺杂区和n型掺杂区形成的结(例如，所谓的p-n结)。通过控制跨结的电流流动，可以提供这种器件的有效操作(例如，产生光或提供具有低电阻的电流方向)。例如，理想地，在发光器件中，电子流应当被控制为使得n型区的导带中的电子不泄漏到p型区的导带中。

在深紫外(DUV)范围内操作的光发射器(诸如LED和激光器)或检测器(诸如光电二极管)对于诸如灭菌、光谱分析和光催化的应用是感兴趣的。当前的半导体LED和激光发射器倾向于使用III-V族半导体材料，诸如AlGaN(或其他III族氮化物材料)，以产生在200nm-300nm波长范围内的DUV光。例如，典型的DUV LED/激光器包括布置在p型掺杂的AlGaN区和n型掺杂的AlGaN区之间的一个或多个AlGaN量子阱(QW)。QW可以形成用于产生光的器件本征区的一部分(例如，光产生区或所谓的有源区)。通过跨p-n结(由p型区和n型区形成)施加正向偏压以便分别从n型区和p型区将电子和空穴注入QW中来产生光。QW内的电子和空穴理想地复合以产生光。一般来讲，电子和空穴载流子在光发射器中非辐射地复合是不优选的，因为这不提供光。

为了防止电子泄漏到p型区中，并且由此不在QW中辐射地复合以产生光，基于氮化物的发射器可以在p型区中并入电子阻挡层(EBL)。EBL在p型区的导带中形成势垒。该势垒用于抑制来自n型区和/或来自QW的电子行进通过p型区。通常，合适类型的EBL包括AlN或AlGaN。

通常，大多数半导体器件(例如，LED、激光器、光电探测器和整流二极管)的形态通过预生长层结构的自顶向下蚀刻(或其他自顶向下工艺，诸如剥离)来限定。作为示例，常规的DUV AlGaN基LED/激光发射器可以通过蚀刻预生长层结构例如包括以下的层结构来形成：一个或多个AlGaN量子阱(QW)，所述一个或多个AlGaN量子阱布置在p型掺杂的AlGaN区与n型掺杂的AlGaN区之间。该自顶向下处理限定器件的结构，例如，其可以限定脊形LED/整流二极管结构或垂直腔体形激光器结构。预生长结构的层通常使用薄膜生长技术在合适的衬底(例如，蓝宝石)上生长。通常，每个薄膜层的生长形成连续层，该连续层生长以覆盖下层材料的整个表面(例如，在蓝宝石衬底上生长的AlGaN薄膜层形成覆盖蓝宝石的顶表面的连续层)。具有经由预生长薄膜层结构的自顶向下处理限定的形态的器件在本领域中可以被称为薄膜器件。

半导体器件诸如上述半导体器件(在DUV光谱中操作)也存在光提取的问题。例如，传统的衬底材料诸如蓝宝石在200nm-300nm具有高达约85％的透射率。此外，典型的顶部接触由金属制成，其在相关波长处具有相当低的透射率。

对于薄膜AlGaN器件(例如，AlGaN LED/激光器)使用AlN或AlGaN EBL可以提供具有较少缺陷的EBL层。然而，这样的器件可能仍然遭受低的外部量子效率(EQE)特性。其主要原因之一是AlN EBL在p型区的价带中形成势垒。势垒诸如AlN EBL增加了器件的正向偏压电阻，从而降低了器件的载流子注入效率(CIE)。