光電裝置的制作方法
本申請要求2014年5月27日提交的且標(biāo)題為“光電裝置(An Optoelectronic Device)”的澳大利亞臨時專利申請?zhí)?014902007的優(yōu)先權(quán)，所述申請以引用的方式以其全文并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明整體涉及光電裝置。具體地講，本發(fā)明涉及以紫外波長發(fā)光的光電裝置。然而，本發(fā)明并不限于紫外波長。
背景技術(shù)：
雖然已經(jīng)可以生產(chǎn)光電裝置諸如發(fā)光二極管(LED)，所述光電裝置使用III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料諸如氮化鋁鎵(AlGaN)以深紫外(UV)波長(λ≤280nm)發(fā)光，但此類LED的光學(xué)發(fā)射強度迄今為止與可見波長LED相比相對較差。這部分地由于AlGaN半導(dǎo)體材料電子帶結(jié)構(gòu)中的固有限制?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，在傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)中，深紫外光沿著基本平行于層形成生長軸的方向從晶體AlGaN膜的發(fā)射并不是有利的。具體地講，深紫外LED傳統(tǒng)上是使用鋁含量高的AlGaN合金而形成，以獲得期望光學(xué)發(fā)射波長所需的帶隙。此類鋁含量高的成分尤其受到上述限制的影響。
普遍認(rèn)為的是，此類LED中的較差的深紫外發(fā)射強度是由于所沉積的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料的低劣晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量而引起的，低劣的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量導(dǎo)致LED具有較差的電行為。與其他技術(shù)成熟的III-V族化合物半導(dǎo)體諸如砷化鎵鋁(GaAlA)相比，III族金屬氮化物展現(xiàn)出高至少兩個至三個數(shù)量級的晶體缺陷。III族金屬氮化物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可通過天然襯底諸如氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)上的外延沉積來改善。然而，即使AlN襯底可用，使用鋁含量高的AlGaN材料形成的深紫外LED也仍無法沿著垂直方向有效地發(fā)光(即，垂直于層平面進(jìn)行平行光發(fā)射)。
對于基于III族金屬氮化物的LED的操作，在現(xiàn)有技術(shù)中存在另一個問題。III族金屬氮化物材料的最高晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量是使用纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)類型的膜形成的。這些膜以所謂的c平面取向沉積在天然或不相似的六邊形晶體對稱襯底上。此類c平面取向的III族金屬氮化物膜具有在兩個不相似AlGaN成分的界面邊界處形成極大內(nèi)部電荷片的獨特性質(zhì)。這些電荷被稱為熱電荷并且顯示在每個層成分不連續(xù)性。此外，每個不同的AlGaN成分具有稍微不同的晶格參數(shù)，并且因此每個不相似的AlGaN層很容易在界面邊界處形成晶體錯配位錯，如果沒有正確地管理，則錯配位錯傳播到所述層的內(nèi)部。如果不相似的AlGaN層形成為使晶體錯配位錯最小化，那么生成另一個有問題的內(nèi)部電荷，稱為壓電電荷。因此，這些內(nèi)部熱電電荷和壓電電荷在它們在LED內(nèi)生成內(nèi)部電場時對LED設(shè)計提出進(jìn)一步挑戰(zhàn)，這傾向于阻止光生成所需的電荷載流子的復(fù)合。
另一個問題是III族金屬氮化物材料的固有地高的折射率，這進(jìn)一步限制了在LED內(nèi)生成的可從表面逸出的光的量。已進(jìn)行了大量努力來實現(xiàn)表面紋理化以改進(jìn)光從表面的逃逸錐。這些解決方案通過改進(jìn)來自深UV LED的光發(fā)射已取得一些成效，但與UV氣體燈技術(shù)相比時，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實現(xiàn)商業(yè)上具有重要意義的光功率密度。即使存在表面紋理化并且使用了光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)諸如光子帶隙圖案化結(jié)構(gòu)，UV LED也一直無法沿著垂直方向有效地發(fā)光。
現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的另一個限制是，與III族金屬砷化物半導(dǎo)體相比，III族金屬氮化物半導(dǎo)體經(jīng)由膜沉積而生長非常具有挑戰(zhàn)性。即使已使用分子束外延(MBE)和金屬有機氣相沉積(MOCVD)展示了氮化銦鎵(InxGa1-xN)、氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)和氮化銦鎵鋁(InxGayAl1-x-yN)的令人信服范圍的任意合金成分，但大量不相似的成分沉積為LED的單個外延堆疊的一部分仍然存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。實際上，這限制了可使用III族金屬氮化物半導(dǎo)體和此類生長技術(shù)來實現(xiàn)的帶隙構(gòu)造結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和范圍。
因此，需要一種用于以UV頻率具體地講深UV頻率使用的改進(jìn)型固態(tài)光電裝置。進(jìn)一步需要改進(jìn)用于構(gòu)造此類光電裝置的成膜方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的實施方案的優(yōu)選目的是提供一種光電裝置，所述光電裝置解決或至少改善了現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個前述問題和/或提供了有用的商業(yè)替代品。
本發(fā)明以一種形式，盡管不必是唯一的或?qū)嶋H上最廣泛的形式，在于一種光電裝置，所述光電裝置包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括：
p型有源區(qū)；以及
n型有源區(qū)；
其中：
所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)僅由一個或多個超晶格構(gòu)成；
每個超晶格由多個單位晶胞構(gòu)成；并且
每個單位晶胞包括至少兩個不同的基本單晶層。
優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為基本單晶結(jié)構(gòu)。
適當(dāng)?shù)兀霭雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)在所述n型有源區(qū)與所述p型有源區(qū)之間包括i型有源區(qū)。
優(yōu)選地，貫穿所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，彼此相鄰的單位晶胞具有基本上相同的平均合金含量。
優(yōu)選地，所述i型有源區(qū)具有大于或等于1nm且小于或等于100nm的厚度。
優(yōu)選地，所述i型有源區(qū)具有選自1nm至約10μm范圍內(nèi)的橫向?qū)挾取?/p>
優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過沿著預(yù)定生長方向的外延層生長來構(gòu)建。
適當(dāng)?shù)?，所述多個單位晶胞每個的平均合金含量在每個超晶格內(nèi)恒定。
適當(dāng)?shù)?，所述多個單位晶胞每個的所述平均合金含量在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的很大一部分中恒定。
適當(dāng)?shù)?，所述多個單位晶胞每個的所述平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者內(nèi)沿著所述生長方向是不恒定的。
適當(dāng)?shù)兀龆鄠€單位晶胞每個的所述平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者的一部分內(nèi)沿著所述生長方向周期性地變化。
適當(dāng)?shù)?，所述多個單位晶胞每個的所述平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者的不同區(qū)域內(nèi)沿著所述外延生長方向周期性地和非周期性地變化。
適當(dāng)?shù)兀龆鄠€單位晶胞每個的至少兩個層每個具有小于或等于6個材料單層的厚度，所述材料的各自層沿著所述生長方向構(gòu)成。
適當(dāng)?shù)?，所述一個或多個超晶格的至少一部分內(nèi)的所述多個單位晶胞每個的所述至少兩個層之一沿著所述生長方向包括1至10個原子單層并且各自單位晶胞每個的另外一個或多個層沿著所述生長方向包括總共1至10個原子單層。
適當(dāng)?shù)?，每個超晶格內(nèi)的每個單位晶胞的不同基本單晶層的全部或大部分沿著生長方向具有1個原子單層至10個原子單層的厚度。
適當(dāng)?shù)?，所述多個單位晶胞每個的所述生長方向上的平均厚度在所述一個或多個超晶格的至少一者內(nèi)恒定。
適當(dāng)?shù)?，所述n型有源區(qū)、所述p型有源區(qū)和所述i型有源區(qū)的兩者或更多者中的所述單位晶胞具有不同的平均厚度。
優(yōu)選地，每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層具有纖維鋅礦晶體對稱性并且在所述生長方向上具有晶體極性，所述晶體極性為金屬極極性或氮極極性。
適當(dāng)?shù)兀鼍w極性沿著所述生長方向在空間上變化，所述晶體極性在所述氮極極性與所述金屬極極性之間交替地翻轉(zhuǎn)。
適當(dāng)?shù)?，一個或多個超晶格中的每個單位晶胞的每個層具有一定厚度，所述厚度被選擇以通過控制所述超晶格的電子帶結(jié)構(gòu)中的電子和空穴的量子化能態(tài)和空間波函數(shù)來控制所述光電裝置的電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。
適當(dāng)?shù)?，所述光電裝置被配置為發(fā)光裝置并且通過由所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)供應(yīng)的電有源空穴和電子的復(fù)合而生成光能，在基本上介于所述p型有源區(qū)與所述n型有源區(qū)之間的區(qū)域中發(fā)生所述復(fù)合。
適當(dāng)?shù)兀伤龉怆娧b置發(fā)出的光為紫外光。
適當(dāng)?shù)?，由所述光電裝置發(fā)出的光為波長范圍為150nm至280nm的紫外光。
適當(dāng)?shù)?，由所述光電裝置發(fā)出的光為波長范圍為210nm至240nm的紫外光。
適當(dāng)?shù)?，所述光電裝置發(fā)出具有相對于所述生長方向的基本橫向磁光學(xué)偏振的光。
適當(dāng)?shù)兀龉怆娧b置作為光學(xué)波導(dǎo)操作，其中光在空間上生成并且沿著基本平行于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的所述單位晶胞的所述一個或多個層的平面的方向受限。
適當(dāng)?shù)?，所述光電裝置發(fā)出具有相對于所述生長方向的基本橫向電場光學(xué)偏振的光。
適當(dāng)?shù)兀龉怆娧b置作為垂直發(fā)射腔裝置操作，其中光在空間上生成并且沿著基本垂直于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的所述單位晶胞的所述一個或多個層的平面的方向受限。
適當(dāng)?shù)?，所述垂直發(fā)射腔裝置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿著所述生長方向設(shè)置并且使用沿著所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個或多個部分在空間上設(shè)置的金屬反射器而形成。
適當(dāng)?shù)?，所述反射器由光學(xué)反射率高的金屬制成。
適當(dāng)?shù)?，所述腔由所述反射器之間的光程限定，所述光程小于或等于所述裝置所發(fā)出的所述光的波長。
適當(dāng)?shù)?，所述波長由包括所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的所述光學(xué)發(fā)射能確定并且光學(xué)腔模式由所述垂直腔確定。
適當(dāng)?shù)?，所述光學(xué)反射率高的金屬為鋁(Al)。
適當(dāng)?shù)?，所述半?dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一個區(qū)域?qū)λ龉饽芑旧鲜峭该鞯摹?/p>
適當(dāng)?shù)?，所述至少一個區(qū)域選自所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)的至少一者。
適當(dāng)?shù)?，提供反射器層以改善所述半?dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)生成的所述光能的向外耦合。
適當(dāng)?shù)?，所述反射器層定位在所述光電裝置的頂部以使從所述裝置的內(nèi)部發(fā)出的光基本上回射。
適當(dāng)?shù)?，所述光電裝置包括所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在上面生長的晶體襯底。
適當(dāng)?shù)?，由所述半?dǎo)體結(jié)構(gòu)生成的光能穿過所述襯底引出所述光電裝置。
適當(dāng)?shù)?，緩沖層首先生長在所述襯底上，然后生長所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中緩沖器充當(dāng)提供預(yù)定平面內(nèi)晶格常數(shù)的應(yīng)變控制機構(gòu)。
適當(dāng)?shù)?，所述緩沖層包括一個或多個超晶格。
適當(dāng)?shù)兀该鲄^(qū)鄰近所述緩沖層和所述襯底提供，并且所述緩沖層對于從所述裝置發(fā)出的光能是透明的。
適當(dāng)?shù)?，所述光能穿過所述透明區(qū)、所述緩沖層和所述襯底耦合到外部。
適當(dāng)?shù)兀鰌型有源區(qū)或所述n型有源區(qū)首先生長。
適當(dāng)?shù)?，每個超晶格中的每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：
二元成分單晶半導(dǎo)體材料(AxNy)，其中0<x≤1且0<y≤1；
三元成分單晶半導(dǎo)體材料(AuB1-uNy)，其中0≤u≤1且0<y≤1；
四元成分單晶半導(dǎo)體材料(ApBqC1-p-qNy)，其中0≤p≤1、0≤q≤1且0<y≤1；
其中A、B和C為選自II族和/或III族元素的不同金屬原子并且N為選自氮、氧、砷、磷、銻和氟中的至少一者的陽離子。
適當(dāng)?shù)?，每個超晶格中的每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：
III族金屬氮化物材料(MxNy)；
III族金屬砷化物材料(MxAsy)；
III族金屬磷化物材料(MxPy)；
III族金屬銻化物材料(MxSby)；
II族金屬氧化物材料(MxOy)；
II族金屬氟化物材料(MxFy)；
其中0<x≤3且0<y≤4，并且其中M為金屬。
適當(dāng)?shù)?，每個超晶格中的每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：
氮化鋁(AlN)；
氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)，其中0≤x<1；
氮化鋁銦(AlxIn1-xN)，其中0≤x<1；
氮化鋁鎵銦(AlxGayIn1-x-yN)，其中0≤x<1、0≤y≤1且0<(x+y)<1。
適當(dāng)?shù)?，所述一個或多個超晶格的每個單位晶胞的一個或多個層并未故意摻雜有雜質(zhì)種類。
適當(dāng)?shù)?，所述n型有源區(qū)和/或所述p型有源區(qū)的所述一個或多個超晶格的每個單位晶胞的一個或多個層故意地?fù)诫s有一個或多個雜質(zhì)種類或形成有一個或多個雜質(zhì)種類。
適當(dāng)?shù)?，所述n型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類選自以下各項：
硅(Si)；
鍺(Ge)；
硅鍺(SixGe1-x)，其中0<x<1；
晶體氮化硅(SixNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶體氮化鍺(GexNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶體氮化硅鋁鎵(Siu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；或
晶體氮化鍺鋁鎵(Geu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
適當(dāng)?shù)?，所述p型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類選自以下各項：
鎂(Mg)；
鋅(Zn)；
鎂鋅(MgxZn1-x)，其中0≤x≤1
晶體氮化鎂(MgxNy)，其中0<x≤3且0<y≤2；或
氮化鎂鋁鎵(Mgu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
適當(dāng)?shù)?，所述n型有源區(qū)或所述p型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類選自以下各項：
氫(H)；
氧(O)；
碳(C)；或
氟(F)。
適當(dāng)?shù)兀鲆粋€或多個雜質(zhì)種類是在生長后經(jīng)由離子注入結(jié)合的。
適當(dāng)?shù)兀鲆粋€或多個超晶格的所述至少一者的至少一部分包括單軸應(yīng)變或雙軸應(yīng)變以增強故意摻雜區(qū)域的激活能從而改善電子或空穴載流子濃度。
適當(dāng)?shù)?，所述一個或多個超晶格的暴露的或物理蝕刻的層被鈍化層覆蓋。
適當(dāng)?shù)兀谝粰M向接觸從形成于所述n型有源區(qū)的表面上的第一接觸層部分地延伸到所述n型有源區(qū)中。
適當(dāng)?shù)兀诙M向接觸從形成于所述p型有源區(qū)的表面上的第二接觸層部分地延伸到所述p型有源區(qū)中。
適當(dāng)?shù)?，所述第二橫向接觸被所述第二橫向接觸與所述p型有源區(qū)之間的p型GaN層包圍。
適當(dāng)?shù)兀龅诙佑|層為金屬接觸層并且p型接觸層形成于所述p型有源區(qū)與所述金屬接觸層之間。
適當(dāng)?shù)兀總€單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層每個具有小于或等于維持彈性應(yīng)變所需的臨界層厚度的厚度。
優(yōu)選地，所述至少兩個不同基本單晶層中的一者或多者為不同的基本單晶半導(dǎo)體層。
適當(dāng)?shù)兀鲋辽賰蓚€不同基本單晶層中的一者或多者為金屬層。
通過以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得明顯。
附圖說明
將附圖與以下詳細(xì)描述合并并且形成說明書的一部分，并且用于進(jìn)一步說明包括要求保護(hù)的本發(fā)明的概念的各實施方案，并且解釋這些實施方案的各種原理和優(yōu)點，在附圖中，貫穿各個視圖，相同的參考數(shù)字表示相同或者功能相似的元素。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的示出了光電裝置所用堆疊的截面圖的圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的示出了光電裝置所用堆疊的截面圖的圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的示出了光電裝置的截面圖的圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案的示出了光電裝置的截面圖的圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的第五實施方案的示出了光電裝置的截面圖的圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的第六實施方案的示出了光電裝置的截面圖的圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的第七實施方案的示出了光電裝置的透視圖的圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的第八實施方案的示出了光電裝置內(nèi)的某些光學(xué)活動和電子活動的截面圖的圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間能量水平相對于沿著生長方向z的距離的曲線圖，其中所述p型有源區(qū)、所述i型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)中的單位晶胞包括1個GaN單層和2個AlN單層。
圖10為示出了針對參考圖9所描述的光電裝置的量子化最低能量電子空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離z的曲線圖。
圖11為示出了針對參考圖9所描述的光電裝置的量子化最低能量重空穴空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖12示出了圖10的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖11的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖13為示出了圖10的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖11的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于對應(yīng)電子和空穴的組合躍遷能的曲線圖。
圖14為示出了針對參考圖9所述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖。
圖15為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間能量水平相對于沿著生長方向z的距離的曲線圖，其中p型有源區(qū)和n型有源區(qū)中的單位晶胞包括1個GaN單層和2個AlN單層，并且i型有源區(qū)中的單位晶胞包括2個GaN單層和4個AlN單層。
圖16為示出了針對參考圖15所描述的光電裝置的量子化最低能量電子空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離z的曲線圖。
圖17為示出了針對參考圖15所描述的光電裝置的量子化最低能量重空穴空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖18為示出了圖16的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖17的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖19為示出了圖16的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖17的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于對應(yīng)電子和空穴的組合躍遷能的曲線圖。
圖20為示出針對參考圖15所描述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖。
圖21為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間能量水平相對于沿著生長方向z的距離的曲線圖，其中p型有源區(qū)和n型有源區(qū)中的單位晶胞包括2個GaN單層和2個AlN單層，并且i型有源區(qū)中的單位晶胞包括3個GaN單層和3個AlN單層。
圖22為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的量子化最低能量電子空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離z的曲線圖。
圖23為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的量子化最低能量重空穴空間波函數(shù)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖24為示出了圖22的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖23的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于沿著生長方向的距離的曲線圖。
圖25為示出了圖22的每個量子化電子空間波函數(shù)和圖23的量子化重空穴空間波函數(shù)的空間重疊積分相對于對應(yīng)電子和空穴的組合躍遷能的曲線圖。
圖26為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖。
圖27A為III族金屬氮化物半導(dǎo)體所用的纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的視圖。
圖27B為圖27A所示纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的c平面的視圖。
圖27C為沿著c軸取向且暴露出Al原子表面的AlN纖維鋅礦晶體的透視圖。
圖28為示出了示例超晶格的層狀厚度的優(yōu)選范圍的圖表。
圖29為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的超晶格的單位晶胞的晶格結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖30為示出了通過使用GaN和AlN材料而形成的單位晶胞的另外可能實現(xiàn)的圖表。
圖31為對于每個單位晶胞中的M個GaN單層和N個AlN單層的給定選擇來說，超晶格的均衡平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL的曲線圖。
圖32為示出了包括兩個單位晶胞的結(jié)構(gòu)中存在的原子力中的一些的示意圖。
圖33為對于每個單位晶胞中的M個GaN單層和N個AlN單層的給定選擇來說，超晶格的均衡平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL的曲線圖，其中M＝N。
圖34為對于每個單位晶胞中的M個GaN單層和N個AlN單層的給定選擇來說，超晶格的均衡平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL的曲線圖，其中N＝2M。
圖35為具有100個每個包括5個GaN單層和5個AlN單層的單位晶胞的超晶格的能帶結(jié)構(gòu)的所計算部分的曲線圖。
圖36示出了用于模擬具有恒定單位晶胞長度和成分的超晶格的半無限數(shù)量的周期的超晶格。
圖37為具有包括1個GaN單層和2個AlN單層的重復(fù)單位晶胞的超晶格的橫向電場(TE)光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。
圖38為具有包括2個GaN單層和4個AlN單層的重復(fù)單位晶胞的超晶格的TE光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。
圖39為具有包括3個GaN單層和6個AlN單層的重復(fù)單位晶胞的超晶格的TE光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。
圖40為具有包括4個GaN單層和8個AlN單層的重復(fù)單位晶胞的超晶格的TE光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。
圖41為具有包括5個GaN單層和10個AlN單層的重復(fù)單位晶胞的超晶格的TE光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。
圖42為對于重空穴躍遷來說將圖37至圖41每個所示的光學(xué)發(fā)射光譜進(jìn)行比較的曲線圖。
圖43為對于在每個單位晶胞中具有M個GaN單層和N個AlN單層的超晶格的選擇來說，容許超晶格導(dǎo)帶狀態(tài)與重空穴狀態(tài)之間的最低能量躍遷的所計算的光學(xué)發(fā)射波長的曲線圖，其中N＝2M。
圖44為對于在每個單位晶胞中具有M個GaN單層和N個AlN單層的超晶格的選擇來說，容許超晶格導(dǎo)帶狀態(tài)與重空穴狀態(tài)之間的最低能量躍遷的所計算的光學(xué)發(fā)射波長的曲線圖，其中M＝N。
圖45為在i型有源區(qū)中具有25個包括2個GaN單層和4個AlN單層的單位晶胞的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶能和重空穴價帶能的曲線圖。
圖46為在i型有源區(qū)中具有100個包括2個GaN單層和4個AlN單層的單位晶胞的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶能和重空穴價帶能的曲線圖。
圖47為在單個曲線圖上示出圖45和圖46的曲線圖以進(jìn)行比較的曲線圖。
圖48為在內(nèi)置耗盡電場的影響下在圖45中提及的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的i型有源區(qū)內(nèi)的量子化最低能量電子波函數(shù)的曲線圖。
圖49為在內(nèi)置耗盡電場的影響下在圖46中提及的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的i型有源區(qū)內(nèi)的量子化最低能量重空穴波函數(shù)的曲線圖。
圖50A為來自圖45中提及的裝置的i型有源區(qū)的發(fā)射光譜的曲線圖。
圖50B為來自圖46中提及的裝置的i型有源區(qū)的發(fā)射光譜的曲線圖。
圖51為示出了內(nèi)置耗盡場對導(dǎo)帶邊緣、不定域電子波函數(shù)和能量微帶的影響的示意圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解的是，附圖中的元件被簡便和清楚地示出，并且不必按比例繪制。例如，附圖中的某些元件的尺寸相對于其他元件可能會夸大，以幫助增進(jìn)對本發(fā)明實施方案的理解。
光電裝置部件已在附圖中在適當(dāng)處由傳統(tǒng)符號表示，僅顯示與理解本發(fā)明的實施方案有關(guān)的那些特定細(xì)節(jié)，以避免因?qū)τ谑芤嬗诒疚拿枋龅囊嫣幍谋绢I(lǐng)域技術(shù)人員明顯的細(xì)節(jié)而模糊本公開。
具體實施方式
根據(jù)一個方面，本發(fā)明在于一種光電裝置，所述光電裝置包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施方案中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過沿著預(yù)定生長方向的生長例如外延層生長而構(gòu)建。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)僅由一個或多個超晶格構(gòu)成。例如，在其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括超過一個超晶格的情況下，超晶格以連續(xù)堆疊的形式形成在彼此頂部。在優(yōu)選實施方案中，所述一個或多個超晶格為短周期超晶格。所述一個或多個超晶格每個由多個單位晶胞構(gòu)成，并且所述多個單位晶胞每個包括至少兩個不同的基本單晶層。在優(yōu)選實施方案中，所述至少兩個不同的基本單晶層中的一者或多者為不同的單晶半導(dǎo)體層，并且更具體地講，所述至少兩個不同的基本單晶層全部為不同的單晶半導(dǎo)體層。然而，在一些實施方案中，所述至少兩個不同的基本單晶層中的一者或多者為金屬層。例如，所述金屬層可由鋁(Al)形成。
所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括p型有源區(qū)和n型有源區(qū)。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述p型有源區(qū)提供p型傳導(dǎo)性并且n型有源區(qū)提供n型傳導(dǎo)性。在優(yōu)選實施方案中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在所述n型有源區(qū)與所述p型有源區(qū)之間包括i型有源區(qū)以形成p-i-n裝置。
在一些實施方案中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的每個區(qū)域為單獨的超晶格。然而，在一些替代實施方案中，所述n型有源區(qū)、所述p型有源區(qū)和/或所述i型有源區(qū)為單個超晶格的區(qū)域。在其他替代實施方案中，所述有源區(qū)、所述p型有源區(qū)和/或所述i型有源區(qū)每個包括一個或多個超晶格。
在優(yōu)選實施方案中，所述光電裝置為發(fā)光二極管或激光器和/或發(fā)射紫外光，所述紫外光優(yōu)選地在150nm至280nm的波長范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地在210nm至240nm的波長范圍內(nèi)。然而，在替代實施方案中，所述光電裝置發(fā)射紫外光，所述紫外光優(yōu)選地在240nm至300nm的波長范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地在260nm至290nm的波長范圍內(nèi)。當(dāng)所述光電裝置被配置為發(fā)光裝置時，通過由所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)供應(yīng)的電有源空穴和電子的復(fù)合來生成光能。在基本上介于所述p型有源區(qū)與所述n型有源區(qū)之間的區(qū)域中，例如，在所述i型有源區(qū)中或當(dāng)i型有源區(qū)被省去時，在所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)的界面周圍發(fā)生空穴和電子的復(fù)合。
所述一個或多個超晶格中的每個單位晶胞中的每個層具有一定厚度，所述厚度可被選擇以通過控制所述超晶格的電子帶結(jié)構(gòu)中的電子和空穴的量子化能態(tài)和空間波函數(shù)來控制所述光電裝置的電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這個選擇，可以實現(xiàn)所需電子能和光能。在優(yōu)選實施方案中，沿著所述多個單位晶胞的每個的所述生長方向的平均厚度在所述一個或多個超晶格中的至少一者內(nèi)恒定。在一些實施方案中，所述n型有源區(qū)、所述p型有源區(qū)和所述i型有源區(qū)的兩者或更多者中的所述單位晶胞具有不同的平均厚度。
在優(yōu)選實施方案中，所述一個或多個超晶格的至少一部分內(nèi)的所述多個單位晶胞每個的所述至少兩個層之一沿著所述生長方向包括1至10個原子單層并且各自單位晶胞的每個的另外一個或多個層沿著所述生長方向包括總共1至10個原子單層。在一些實施方案中，每個超晶格內(nèi)的每個單位晶胞的不同基本單晶層的全部或大部分沿著生長方向具有1個原子單層至10個原子單層的厚度。在一些實施方案中，所述多個單位晶胞每個的至少兩個層每個具有小于或等于6個材料單層的厚度，所述材料的各自層沿著所述生長方向構(gòu)成。在一些實施方案中，每個單位晶胞的厚度是基于單位晶胞的成分而選擇的。
所述多個單位晶胞每個的平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者內(nèi)沿著所述生長方向可以是恒定或不恒定的。維持恒定的平均合金含量實現(xiàn)了不相似的超晶格的單位晶胞的有效平面內(nèi)晶格常數(shù)的晶格匹配。在優(yōu)選實施方案中，貫穿半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，彼此鄰近的單位晶胞具有基本上相同的平均合金含量。在一些實施方案中，所述多個單位晶胞每個的平均合金含量在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的很大一部分中恒定。
在一些實施方案中，所述多個單位晶胞每個的平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者的一部分內(nèi)沿著所述生長方向周期性地和/或非周期地變化。在一些實施方案中，所述多個單位晶胞每個的平均合金含量在所述一個或多個超晶格的至少一者的不同區(qū)域內(nèi)沿著外延生長方向周期性地和非周期地變化。
在優(yōu)選實施方案中，每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層具有纖維鋅礦晶體對稱性并且在所述生長方向上具有晶體極性，所述晶體極性為金屬極極性或氮極極性。在一些實施方案中，所述晶體極性沿著所述生長方向在空間上變化，所述晶體極性在所述氮極極性與所述金屬極極性之間交替地翻轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，每個超晶格中的每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：二元成分單晶半導(dǎo)體材料(AxNy)，其中0<x≤1且0<y≤1；三元成分單晶半導(dǎo)體材料(AuB1-uNy)，其中0≤u≤1且0<y≤1；四元成分單晶半導(dǎo)體材料(ApBqC1-p-qNy)，其中0≤p≤1、0≤q≤1且0<y≤1。這里，A、B和C為選自II族和/或III族元素的不同金屬原子并且N為選自氮、氧、砷、磷、銻和氟中的至少一者的陽離子。
更優(yōu)選地，每個超晶格中的每個單位晶胞的至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：III族金屬氮化物材料(MxNy)；II族金屬砷化物材料(MxAsy)；III族金屬磷化物材料(MxPy)；III族金屬銻化物材料(MxSby)；II族金屬氧化物材料(MxOy)；II族金屬氟化物材料(MxFy)。這里，0<x≤3且0<y≤4，并且其中M為金屬。在一些實施方案中，金屬M選自一個或多個II族、III族或IV族元素。例如，每個超晶格中的每個單位晶胞的至少兩個不同的基本單晶層每個包括以下成分中的至少一者：氮化鋁(AlN)；氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)，其中0≤x<1；氮化鋁銦(AlxIn1-xN)，其中0≤x<1；氮化鋁鎵銦(AlxGayIn1-x-yN)，其中0≤x<1、0≤y≤1且0<(x+y)<1。在一些實施方案中，所述至少兩個不同基本單晶層之一包括較窄帶隙材料并且所述至少兩個不同基本單晶層中的另一者包括較寬帶隙材料。
在一些實施方案中，每個單位晶胞的所述至少兩個不同的基本單晶層中的一者或多者由金屬形成。例如，每個單位晶胞可包括鋁(Al)層和氮化鋁(AlN)層。
在一些實施方案中，所述一個或多個超晶格的每個單位晶胞的一個或多個層例如在所述n型有源區(qū)、所述p型有源區(qū)和/或所述i型有源區(qū)中并不故意摻雜有雜質(zhì)種類。另選地或另外，所述n型有源區(qū)和/或所述p型有源區(qū)的所述一個或多個超晶格的每個單位晶胞的一個或多個層故意地?fù)诫s有一個或多個雜質(zhì)種類或形成有一個或多個雜質(zhì)種類。例如，所述n型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類選自：硅(Si)；鍺(Ge)；硅鍺(SixGe1-x)，其中0<x<1；晶體氮化硅(SixNy)，其中0<x<3且0<y<4；晶體氮化鍺(GexNy)，其中0<x<3且0<y<4；晶體氮化硅鋁鎵(Siu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0；或晶體氮化鍺鋁鎵(Geu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0。例如，所述p型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類選自：鎂(Mg)；鋅(Zn)；鎂鋅(MgxZn1-x)，其中0≤x≤1；晶體氮化鎂(MgxNy)，其中0<x≤3且0<y≤2；或氮化鎂鋁鎵(Mgu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0。所述n型有源區(qū)或所述p型有源區(qū)中的所述一個或多個雜質(zhì)種類還可選自：氫(H)；氧(O)；碳(C)；或氟(F)。
所述一個或多個超晶格中的所述至少一者的至少一部分可包括單軸應(yīng)變、雙軸應(yīng)變或三軸應(yīng)變以改進(jìn)激活雜質(zhì)摻雜的水平。也就是說，通過至少一個晶體方向上的晶體變形的活動，所誘發(fā)的應(yīng)變可使得所述一個或多個超晶格的層中的材料的能帶結(jié)構(gòu)有利地變形。所得的導(dǎo)帶邊緣或價帶邊緣的能量移位隨后可用于使得相對于超晶格的給定雜質(zhì)摻雜劑的激活能減小。例如，具有纖維鋅礦晶格結(jié)構(gòu)的III族氮化物材料諸如p型Mg摻雜GaN可受到基本上平行于c平面且垂直于生長方向的彈性拉伸應(yīng)變。所得的價帶邊緣的能量移位導(dǎo)致所述價帶邊緣與Mg雜質(zhì)水平之間的能量間隔減小。這個能量間隔被稱為空穴的激活能并且是依賴于溫度的。因此，經(jīng)由應(yīng)變的施加而使得由于雜質(zhì)摻雜劑引起的特定載流子的激活能減小會顯著改善摻雜材料的激活載流子密度。可在超晶格的形成期間在外延材料形成步驟期間選擇這個內(nèi)置應(yīng)變。例如，GaN外延層如果直接沉積在單晶AlN層上，則可形成為包括拉伸平面內(nèi)應(yīng)變。例如，如果在p型有源區(qū)中，AlN和Mg摻雜GaN層每個的厚度限于1至7個單層，那么它們均彈性地變形，而不會形成有害的晶體缺陷，諸如界面位錯。這里，AlN層將受到平面內(nèi)壓縮應(yīng)力，而Mg摻雜GaN層將受到平面內(nèi)拉伸應(yīng)力。因此，應(yīng)變可增強包含雜質(zhì)種類的故意摻雜區(qū)中的一者或多者的激活能。這提高了故意摻雜區(qū)中的一者或多者的電子或空穴載流子濃度。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案的示出了光電裝置所用堆疊100的截面圖的圖。在一個實施方案中，光電裝置為發(fā)光二極管(LED)。然而，應(yīng)當(dāng)了解的是，本發(fā)明也可適于制造超發(fā)光LED和激光裝置，其中合適的反射層或反射鏡定位在光電裝置中。
堆疊100包括晶體襯底110。在襯底110上，緩沖區(qū)112首先生長，接著是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114。緩沖區(qū)112和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114在箭頭101所示的生長方向上形成或生長。緩沖區(qū)112包括緩沖層120和一個或多個超晶格130。在優(yōu)選實施方案中，緩沖區(qū)充當(dāng)提供預(yù)定平面內(nèi)晶格常數(shù)的應(yīng)變控制機構(gòu)。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114按照生長順序包括n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160。p型接觸層170任選地形成于p型有源區(qū)160上。第一接觸層180形成于p型接觸層170上，或如果p型接觸層不存在，則形成于p性有源區(qū)160上。在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一個區(qū)域是對由光電裝置發(fā)射的光能基本上透明的。例如，p型有源區(qū)和/或n型有源區(qū)是對所發(fā)射的光能透明的。
在優(yōu)選實施方案中，襯底110具有300μm與1,000μm之間的厚度。襯底110的厚度可基于襯底110的直徑來選擇。例如，直徑為兩英寸(25.4mm)且由c平面藍(lán)寶石制成的襯底可具有約400μm的厚度并且直徑為六英寸的襯底可具有約1mm的厚度。襯底110可為由n型有源區(qū)固有的天然材料制成的天然襯底或由n型有源區(qū)不固有的非天然材料制成的非天然襯底。例如，如果n型有源區(qū)包括一個或多個III族金屬氮化物材料，那么襯底110可由類似的III金屬氮化物材料諸如AlN或GaN制成，或由非天然材料諸如Al2O3或Si(111)制成。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，襯底110可由與襯底110上方形成的層兼容的多種其他材料制成。例如，所述襯底可由晶體金屬氧化物材料諸如氧化鎂(MgO)或氧化鋅(ZnO)、碳化硅(SiC)、氟化鈣(CaF2)、非晶玻璃上的晶體薄膜半導(dǎo)體或金屬上的晶體薄膜半導(dǎo)體制成。
緩沖區(qū)112充當(dāng)襯底110與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114之間的過渡區(qū)。例如，緩沖區(qū)古112在襯底110與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114之間在晶格結(jié)構(gòu)方面提供更好的匹配。例如，緩沖區(qū)112可包括塊狀緩沖層，接著是至少一個超晶格，所述超晶格被設(shè)計成實現(xiàn)適于使所述裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個或多個超晶格沉積所需的平面內(nèi)晶格常數(shù)。
在優(yōu)選實施方案中，緩沖區(qū)112中的緩沖層120具有介于50nm與幾個微米之間，且優(yōu)選地，介于100nm與500nm之間的厚度。緩沖層120可由任何適于使襯底110的晶格結(jié)構(gòu)與一個或多個超晶格的最低層的晶格結(jié)構(gòu)匹配的材料制成。例如，如果一個或多個超晶格的最低層由III族金屬氮化物材料諸如AlN制成，那么緩沖層120可由AlN制成。在替代實施方案中，緩沖層120可被省去。
緩沖區(qū)112中的一個或多個超晶格130和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114中的一個或多個超晶格可被視為包括多個單位晶胞。例如，緩沖區(qū)112中的單位晶胞132、n型有源區(qū)140中的單位晶胞142、i型有源區(qū)150中的單位晶胞152和p型有源區(qū)160中的單位晶胞162。多個單位晶胞每個包括兩個不同的基本單晶層。每個單位晶胞中的第一層被標(biāo)記為“A”并且每個單位晶胞中的第二層被標(biāo)記為“B”。
在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域中，每個單位晶胞中的第一層和/或第二層可具有相同的或不同的成分，和/或相同的或不同的厚度。例如，圖1示出了在i型有源區(qū)150中比在n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160中具有更大厚度的第一層和第二層。
n型有源區(qū)140提供n型傳導(dǎo)性。在優(yōu)選實施方案中，n型有源區(qū)140中的每個單位晶胞142中的第一層142A和第二層142B中的一者或兩者摻雜有摻雜劑材料諸如上述材料或由它們形成。在一些實施方案中，摻雜劑材料在每個單位晶胞的第一層和第二層中是不同的。
i型有源區(qū)150為光電裝置的主要有源區(qū)。在優(yōu)選實施方案中，i型有源區(qū)被設(shè)計為針對所選擇的發(fā)射能或波長而優(yōu)化空間電子和空穴復(fù)合。在優(yōu)選實施方案中，i型有源區(qū)150的每個單位晶胞152中的第一層152A和第二層152B的厚度被調(diào)整成控制單位晶胞或i型有源區(qū)150內(nèi)的量子力學(xué)容許能量。在優(yōu)選實施方案中，當(dāng)單位晶胞的每個層的厚度為1至10個單層時，超晶格結(jié)構(gòu)的量子描述和處理是確定電子配置和光學(xué)配置必要的。如果具有纖維鋅礦晶體對稱性且進(jìn)一步具有極性的III族金屬氮化物材料用于形成這些層，那么在單位晶胞和一個或多個超晶格的每個異質(zhì)結(jié)上存在多個內(nèi)部電場。這些內(nèi)置電場由于每個異質(zhì)結(jié)上存在的自發(fā)電荷和壓電電荷而形成。沿生長方向的復(fù)合空間帶結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)帶和價帶發(fā)生非平凡的電勢變化，所述電勢變化通過單位晶胞的層之間的成分的空間變化來調(diào)整。這種空間變化大約為所述導(dǎo)帶和所述價帶內(nèi)的各自載流子的德布羅意波長并且因此需要對一個或多個超晶格內(nèi)的所產(chǎn)生的受限能量水平和空間概率分布(本文中定義為載流子波函數(shù))進(jìn)行量子處理。
此外，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體極性優(yōu)選地選自沿著例如由III族金屬氮化物材料形成的一個或多個超晶格的生長方向101的金屬極或氮極生長。取決于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體極性，i型有源區(qū)150的至少一部分可進(jìn)一步選擇以優(yōu)化光學(xué)發(fā)射。例如，沿著生長方向101的金屬極取向生長可用于在包括交替的GaN層和AlN層的n-i-p堆疊的i型有源區(qū)中形成超晶格。當(dāng)n-i-p堆疊中的n型有源區(qū)最靠近襯底形成時，i型有源區(qū)將其上具有線性增大的耗盡場，跨越n型有源區(qū)與p型有源區(qū)之間的距離(例如，參看圖9、圖15和圖21)。所述i型有源區(qū)超晶格隨后受到由于n-i-p堆疊的內(nèi)置耗盡場而引起的另一個電場。另選地，i型有源區(qū)上的內(nèi)置耗盡場可以其他配置生成。例如，所述堆疊可為p-i-n堆疊，其中p型有源區(qū)160最靠近襯底和/或使用氮極晶體生長取向沿著101生長。
p-n堆疊的耗盡區(qū)或p-i-n堆疊的i型有源區(qū)150上的所述耗盡場還可部分地設(shè)置光電裝置的光學(xué)發(fā)射能和發(fā)射波長。在優(yōu)選實施方案中，i型有源區(qū)中的每個單位晶胞的第一層152A和第二層152B之一或二者是無摻雜的或非故意摻雜的。在優(yōu)選實施方案中，i型有源區(qū)150具有小于或等于100nm的厚度和大于或等于1nm的厚度。i型有源區(qū)具有選自1nm至約10μm范圍內(nèi)的橫向?qū)挾取?/p>
i型有源區(qū)150的總寬度可被選擇以進(jìn)一步調(diào)諧p型有源區(qū)160與n型有源區(qū)140之間的i型有源區(qū)150上的耗盡場強度。取決于n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160的晶體生長極性、寬度和有效的電子和空穴載流子濃度，耗盡場強度將在從i型有源區(qū)發(fā)出的光的發(fā)射能或波長方面提供藍(lán)移或紅移。
p型有源區(qū)160提供p型傳導(dǎo)性。在優(yōu)選實施方案中，p型有源區(qū)中的每個單位晶胞162中的第一層162A和第二層162B之一或二者摻雜有摻雜劑材料諸如上述材料或由它們形成。
在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的一個或多個超晶格每個的多個單位晶胞每個的第一層和第二層由III族金屬氮化物材料構(gòu)成。例如，第一層可由氮化鋁(AlN)構(gòu)成，并且第二層可由氮化鎵(GaN)構(gòu)成。然而，應(yīng)當(dāng)了解的是，一個或多個超晶格每個的第一層和第二層可由上述材料中的任一材料構(gòu)成。
在優(yōu)選實施方案中，一個或多個超晶格的平均合金含量(例如，Al和/或Ga)是恒定的，其中第一層基本上由AlN構(gòu)成并且第二層基本上由GaN構(gòu)成。在替代實施方案中，一個或多個超晶格中的一者或多者的平均合金含量是不恒定的。
在一些實施方案中，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114和/或堆疊100的全部超晶格中，單位晶胞的平均合金含量相同，但周期在超晶格之間和/或超晶格內(nèi)變化。維持恒定的平均合金含量實現(xiàn)了不同超晶格的晶格匹配。每個單位晶胞的這種晶格匹配生長能夠形成大量周期，而無應(yīng)變積累。例如，使用n型有源區(qū)140的超晶格的特定周期使得n型有源區(qū)140對所發(fā)射光的波長更透明。在另一個例子中，使用i型有源區(qū)150的不同周期將導(dǎo)致光垂直地(即，在與生長方向101相同的平面上)發(fā)射。
在另一個實施方案中，一個或多個超晶格具有恒定的平均合金含量和基本上垂直于超晶格層平面的光學(xué)發(fā)射。例如，垂直發(fā)射裝置是通過使用具有AIN和AlGaN層的超晶格而形成，其中AlGaN層的Al百分比小于60％。在又一個優(yōu)選實施方案中，一個或多個超晶格中的多個或全部由包括AlN和GaN的單位晶胞構(gòu)成，從而實現(xiàn)對于僅兩種材料來說以單一生長溫度優(yōu)化的改進(jìn)的生長工藝。
摻雜可以若干方式結(jié)合到一個或多個超晶格的n型有源區(qū)和/或p型有源區(qū)中。在一些實施方案中，摻雜被引入每個單位晶胞的第一層和第二層的僅一者中。例如，Si可被引入單位晶胞的第二層的GaN以形成n型材料或Mg可被引入單位晶胞的第二層的GaN以形成p型材料。在替代實施方案中，摻雜可被引入每個單位晶胞的超過一個層/材料中并且摻雜劑材料可以是在單位晶胞的每個層中不同的。在一些實施方案中，一個或多個超晶格包括單軸應(yīng)變或雙軸應(yīng)變以修改激活摻雜水平。
在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個或多個超晶格包括纖維鋅礦晶格結(jié)構(gòu)，優(yōu)選沿著c軸生長(0001)。在一個或多個超晶格具有纖維鋅礦晶格結(jié)構(gòu)的情況下，將單層限定為晶格的六邊形單位晶胞的“c”尺寸的一半厚度。在一些實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個或多個超晶格包括鋅共混晶格結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地沿著(001)-軸生長。在一個或多個超晶格具有鋅共混晶格結(jié)構(gòu)的情況下，將一個單層限定為晶格的立方體單位晶胞的“a”尺寸的一半厚度。
雖然在圖1中針對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的每個區(qū)域示出了單個超晶格，但應(yīng)當(dāng)了解的是，每個區(qū)域可包括堆疊在彼此之上的超過一個超晶格。例如，n型有源層140可包括：第一超晶格，其中每個單位晶胞中的各自層具有第一材料成分；以及第二超晶格，所述第二超晶格在所述第一超晶格上生長，其中每個單位晶胞中的各自層具有第二材料成分。在一些實施方案中，堆疊100可包括單個超晶格，所述超晶格包括以下各項中的一者或多者：緩沖區(qū)130；n型有源區(qū)140；i型有源區(qū)150；以及p型有源區(qū)160。
在一些實施方案中，一個或多個超晶格中的至少一者是周期性的，這意味著各自超晶格的每個單位晶胞都具有相同的結(jié)構(gòu)。例如，各自超晶格的每個單位晶胞都具有相同數(shù)量的層、相同的層厚度和在各自層中相同的材料成分。
在一些實施方案中，一個或多個超晶格中的至少一者為非周期性的，這意味著單位晶胞中的一者或多者都具有不同的結(jié)構(gòu)。差異可能在于每個層所選擇的材料、層的厚度、每個單位晶胞中的層的數(shù)量或它們的組合。
超晶格可每個具有不同的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)不同的電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。因此，一個超晶格可以是周期性的，而其他超晶格可以是非周期性的。另外，堆疊100中的全部超晶格可以是周期性的，或全部超晶格可以是非周期性的。在另一個實施方案中，一個或多個超晶格可以是周期性的，而一個或多個超晶格是非周期性的。例如，緩沖區(qū)130中的超晶格可以是非周期性的以協(xié)助晶格匹配。
p型接觸層170，又名空穴注入層，形成于一個或多個超晶格的p型有源區(qū)的頂部。第一接觸層180形成于p型接觸層170上，以使得在第一接觸層180與p型有源區(qū)160之間形成p型接觸層170。在優(yōu)選實施方案中，第一接觸層180為金屬接觸層。p型接觸層170有助于在p型有源區(qū)160與第一接觸層180之間進(jìn)行電歐姆接觸。在優(yōu)選實施方案中，p型接觸層170由p型GaN制成并且具有介于5nm與200nm之間且優(yōu)選地介于10nm與25nm之間的厚度。p型接觸層170的厚度可以最優(yōu)化以減少特定光學(xué)波長下的光學(xué)吸收和/或使得p型接觸層170光反射堆疊100的發(fā)射波長。
第一接觸層180使得堆疊100能夠連接到電壓源的正極端子。在優(yōu)選實施方案中，第一接觸層180具有介于10nm與幾個1000nm且優(yōu)選地介于50nm與500nm之間的厚度。
第二接觸層(未示出)形成于n型有源區(qū)140上以連接到電壓源的負(fù)極端子。在優(yōu)選實施方案中，第二接觸層具有介于10nm與幾個1000nm之間且優(yōu)選地介于50nm與500nm之間的厚度。
第一接觸層180和第二接觸層可由任何合適的金屬制成。在優(yōu)選實施方案中，第一接觸層180由高功函數(shù)金屬制成以有助于在p型有源區(qū)160與第一接觸層180之間形成低歐姆接觸。如果第一接觸層180的功函數(shù)是充分高的，那么可能不需要任選的p型接觸層170。例如，如果襯底是透明的且絕緣的，由半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)發(fā)出的光基本上穿過襯底引出并且p型有源區(qū)160設(shè)置得比n型有源區(qū)140離襯底更遠(yuǎn)，那么第一接觸層180應(yīng)當(dāng)理想地在操作波長下具有高光學(xué)反射率的性質(zhì)，以使通過所發(fā)射的光的一部分穿過襯底回射。例如，第一接觸層180可由選自以下各項的金屬制成：鋁(Al)；鎳(Ni)；鋨(Os)；鉑(Pt)；鈀(Pd)；銥(Ir)；以及鎢(W)。具體地講，對于其中堆疊100發(fā)射DUV光的深紫外(DUV)操作來說，第一接觸層180一般可能不會滿足低p型歐姆接觸和高光學(xué)反射率的雙重規(guī)格。III族金屬氮化物的高功函數(shù)p型接觸金屬一般為不良的DUV波長反射器。鉑(Pt)、銥(Ir)、鈀(Pd)和鋨(Os)為對于Al％較高的III族金屬氮化物成分和超晶格來說理想的高功函數(shù)p型接觸金屬。優(yōu)選地，鋨為對于包括III族金屬氮化物的p型區(qū)來說，優(yōu)秀的低歐姆接觸金屬。
然而，對于堆疊100的紫外和DUV操作來說，鋁為所有金屬中最優(yōu)選的，因為它具有為150至500nm的大波長范圍上最高的光學(xué)反射率。一般來說，金屬因為光進(jìn)入金屬中的低穿透深度和低損耗而優(yōu)選作為DUV光學(xué)反射器。這能夠形成光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。相反地，相對低功函數(shù)金屬諸如鋁(Al)、鈦(Ti)和氮化鈦(TiN)可用于針對n型III族金屬氮化物成分和超晶格形成低歐姆金屬接觸。
應(yīng)當(dāng)了解的是，圖1所示的堆疊100為光電裝置的示例性堆疊，并且堆疊100可以多種其他方式制成。例如，n型有源層140和p型有源層160可倒轉(zhuǎn)，以使得p型層160首先生長。然而，n型有源層140首先生長的原因在于在襯底或緩沖層上使用III族金屬氮化物成分生成低缺陷密度的n型超晶格與p型超晶格相比一般挑戰(zhàn)性更低。還應(yīng)當(dāng)指出的是，緩沖層120和/或緩沖區(qū)130為任選的層，并且一個或多個超晶格可在直接生長在襯底110上。然而，一個或多個超晶格在緩沖層120和/或緩沖區(qū)130上更容易生長，因為這些層/區(qū)的表面一般在晶體的c平面上取向。
在一些實施方案中，緩沖區(qū)和相鄰的p型或n型有源區(qū)為同一超晶格的一部分，其中緩沖區(qū)與p型或n型有源區(qū)之間的唯一差異在于雜質(zhì)摻雜劑結(jié)合在p型或n型有源區(qū)中。在一些實施方案中，第一超晶格在襯底上以充分的厚度生長，以使超晶格以基本上松弛的或獨立的狀態(tài)再現(xiàn)，具有低缺陷密度和預(yù)先選擇的平面內(nèi)晶格常數(shù)。
在另一個實施方案中，堆疊100可被制造成無i型有源層150，以使得堆疊150形成p-n結(jié)而不是圖1的p-i-n結(jié)。此外，應(yīng)當(dāng)了解的是，p型接觸層170為任選的，并且第一接觸層180可在一個或多個超晶格的p型有源區(qū)160上直接生長。然而，使用常規(guī)非原地制造技術(shù)在p形有源區(qū)160上直接制造第一接觸層180更加困難。例如，薄但重?fù)诫s的p型接觸層170使得外延后工藝更容易且更一致用于金屬化以實現(xiàn)歐姆接觸。然而，直接進(jìn)入p型有源區(qū)160的無污染的最終外延表面上的原地金屬化工藝提供形成第一接觸層180的一種替代方式。
在優(yōu)選實施方案中，一個或多個超晶格在至少一個沉積周期期間順序地生長。也就是說摻雜劑在外延期間經(jīng)由共沉積工藝引入。一種替代方法是使一個或多個超晶格的至少一部分在無摻雜劑的情況下物理地生長并且隨后在生長后，引入所需摻雜劑。例如，實驗發(fā)現(xiàn)，n型III族金屬氮化物材料通常比p型III族金屬氮化物材料在晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面更優(yōu)越。因此，在一些實施方案中，p型材料沉積，作為堆疊制造的最終序列。隨后可使用一種用于使從表面結(jié)合引入的摻雜劑的生長后方法。例如，離子注入和擴散(例如，經(jīng)由旋涂摻雜劑)，接著是激活熱退火。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114可以生長，其中極性、非極性或半極性晶體極性沿著生長方向101取向。例如，纖維鋅礦晶格結(jié)構(gòu)可生長，其取向為其中c平面的六邊形對稱性基本上垂直于生長方向。這樣形成的單位晶胞層的平面隨后據(jù)稱是在c平面上取向的。離子纖維鋅礦晶體如III族金屬氮化物進(jìn)一步形成極性晶體(即，缺乏反演對稱性中心的晶體)。這些極性晶體可為沿著垂直于c平面的晶體方向的金屬極或氮極。
也可實現(xiàn)其他生長平面取向，這導(dǎo)致沿著生長方向101發(fā)生半極性且甚至非極性晶體生長。由III族金屬氮化物在非極性取向上形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以是經(jīng)由立方體和/或鋅共混晶格結(jié)構(gòu)的生長。然而，當(dāng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成為具有此類晶格結(jié)構(gòu)時，這通常比半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成為具有纖維鋅礦晶格結(jié)構(gòu)的情況更不穩(wěn)定。例如，III族金屬氮化物可以生長，其中在r平面藍(lán)寶石襯底上具有半極性晶體極性，這導(dǎo)致產(chǎn)生一個或多個a平面取向的超晶格。
對于在每個異質(zhì)結(jié)處形成的自發(fā)電荷和壓電電荷的減少來說，使晶體極性從極性晶體到半極性晶體沿著生長方向是有利的。雖然這樣的半極性和非極性晶體極性具有一些優(yōu)點，但可以發(fā)現(xiàn)的是，最高晶體質(zhì)量的超晶格是使用具有沿著生長方向取向的單晶極性的纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)而形成的。通過在一個或多個超晶格的每個單位晶胞中使有效的合金含量保持恒定而有利地管理內(nèi)部極化電荷。一旦任何一個單位晶胞或超晶格中的平均合金含量彼此不同，凈極化電荷即會累積。這可有利地用于控制一個或多個超晶格中帶邊緣能相對于費米能的位置。
例如，當(dāng)?shù)谝粚雍偷诙臃謩e由GaN和AlN構(gòu)成時，纖維鋅礦晶格可在單位晶胞層之間的界面上具有電荷極化。通過將一個或多個超晶格用于n型有源區(qū)、i型有源區(qū)和p型有源區(qū)、改變周期以調(diào)諧光電裝置并使每個單位晶胞中的平均Al含量保持恒定，光電堆疊100中的界面上的電荷極化可以減少。
在另一個實施方案中，單個超晶格結(jié)構(gòu)用于n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160并且超晶格經(jīng)由雙軸應(yīng)力和或單軸應(yīng)力受到應(yīng)變以進(jìn)一步影響所需的光學(xué)和/或電子調(diào)諧。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的示出了光電裝置所用堆疊200的截面圖的圖。堆疊200類似于圖1的堆疊100，不同的是緩沖區(qū)112并不包括一個或多個超晶格130。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的示出了光電裝置300的截面圖的圖。類似于圖1和圖2的堆疊100和200，光電裝置300包括上面形成有緩沖層120和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114的襯底110。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114按照生長順序包括n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160。p型接觸層170形成于p型有源區(qū)160上并且第一接觸層180形成于p型接觸層170上。
在圖3所示的實施方案中，i型有源區(qū)150、p型有源區(qū)160、p型接觸層170和第一接觸層180在n型有源區(qū)140上形成臺面。圖3所示的臺面具有直側(cè)壁。然而，在替代實施方案中，所述臺面可具有成角度的側(cè)壁。裝置300進(jìn)一步包括形成于n型有源區(qū)140上的第二接觸層382。在優(yōu)選實施方案中，第二接觸層382在臺面周圍形成環(huán)或回路。第二接觸層382使得電壓源的負(fù)極端子能夠連接到n型有源區(qū)130。裝置300進(jìn)一步包括鈍化層390，所述鈍化層覆蓋一個或多個超晶格的暴露的或物理蝕刻的層。鈍化層390優(yōu)選由帶隙比其覆蓋的暴露的或物理蝕刻的層更寬的材料制成。鈍化層390使得一個或多個超晶格的層之間的電流泄漏減少。
裝置300可作為垂直發(fā)射的裝置或波導(dǎo)裝置操作。例如，在一些實施方案中，光電裝置300可表現(xiàn)為垂直發(fā)射裝置，其中光從i型有源區(qū)150的電子空穴復(fù)合區(qū)的內(nèi)部穿過n型有源區(qū)140和襯底110向外耦合。在優(yōu)選實施方案中，在光電裝置300中向上(例如，沿著生長方向)傳播的光也例如從第一接觸層180回射。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案的示出了光電裝置400的截面圖的圖。光電裝置400類似于圖3的光電裝置300。然而，光電裝置包括第一橫向接觸486和第二橫向接觸484。
第一橫向接觸486從第一接觸層180部分地延伸進(jìn)入p型有源區(qū)160。在優(yōu)選實施方案中，第一橫向接觸486為從第一接觸層180延伸進(jìn)入p型有源區(qū)160和(適用時)p型接觸層170的環(huán)形突出部。在一些實施方案中，第一橫向接觸486由與第一接觸層180相同的材料制成。
第二橫向接觸484從形成于n型有源區(qū)140的表面上的第二接觸層482部分地延伸進(jìn)入n型有源區(qū)140。在優(yōu)選實施方案中，第二橫向接觸484為從第二接觸層382延伸進(jìn)入n型有源區(qū)140的環(huán)形突出部。在一些實施方案中，第二橫向接觸484由與第二接觸層382相同的材料制成以改進(jìn)n型有源區(qū)140與第二接觸層382之間的導(dǎo)電。
在優(yōu)選實施方案中，第一橫向接觸486和第二橫向接觸484接觸半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)114中的一個或多個超晶格的多個較窄帶隙層，并且因此有效地耦合以用于電荷載流子垂直于層平面的垂直傳輸和電荷載流子平行于層平面的平行傳輸。一般來說，層平面上的載流子傳輸實現(xiàn)比垂直于層平面的載流子傳輸更高的遷移率。然而，垂直于層平面的有效傳輸是通過使用薄的較寬帶隙層來實現(xiàn)的以促進(jìn)量子力學(xué)隧穿。例如，在包括交替的AlN層和GaN層的超晶格中，可以發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)插入的AlN層具有小于或等于4個單層的厚度時，每個GaN層中的相鄰容許能態(tài)之間的電子隧穿增強。另一方面，空穴(且具體地講，重空穴)傾向于在它們的各自GaN層中受限并且通過穿過AlN層的隧穿而有效地解耦合，當(dāng)AlN層具有2個單層或更大的厚度時，其充當(dāng)勢壘。
在優(yōu)選實施方案中，第一橫向接觸486和第二橫向接觸484通過利用與超晶格的層帶不連續(xù)上的垂直傳輸相比優(yōu)越的平面內(nèi)載流子傳輸而分別改進(jìn)第一接觸層180與p型有源區(qū)160之間和第二接觸層482與n型有源區(qū)140之間的導(dǎo)電性。第一橫向接觸484和第二橫向接觸486可使用3D電雜質(zhì)區(qū)生長后圖案化和產(chǎn)生到離散深度而形成。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的第五實施方案的示出了光電裝置500的截面圖的圖。光電裝置500類似于圖4的光電裝置400，不同的是光電裝置500不包括p型接觸層170并且第一橫向接觸486被第一橫向接觸486與p型有源區(qū)160之間的增強層588諸如p型GaN層包圍。增強層588可改善p型有源區(qū)160與第一接觸層180之間的歐姆連接。增強層588可通過p型有源區(qū)160的圖案化表面上的選擇性區(qū)域再生長形成。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的第六實施方案的示出了光電裝置600的截面圖的圖。光電裝置600類似于圖5的光電裝置500。然而，第一接觸層680是環(huán)形的并且反射器層692被提供以改進(jìn)在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)生成的光能的向外耦合。反射器層692被定位在光電裝置600的頂部以使從光電裝置600的內(nèi)部發(fā)出的光基本上回射。
在優(yōu)選實施方案中，鈍化層390也被提供在由第一接觸層680形成的環(huán)形物內(nèi)，并且反射器692形成在鈍化層390的頂部。在替代實施方案中，反射器692可形成于p型有源區(qū)160的頂部，或如果存在的話，定位在p型接觸層170上。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的第七實施方案的示出了光電裝置700的透視圖的圖。光電裝置700類似于圖6的光電裝置600。然而，光電裝置700包括緩沖區(qū)130并且鈍化層390未示出。第一接觸層680和反射層692示為在臺面上位于p型有源區(qū)160上方。第二接觸層382形成于緩沖區(qū)130上作為臺面周圍的環(huán)形物。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的第八實施方案的示出了光電裝置800的截面圖的圖。光電裝置800類似于圖6的光電裝置600。然而，光電裝置并不包括增強層588。
如圖8所示，一旦在第一接觸層680與第二接觸層382之間施加了外部電壓源和電流源，空穴802即被注入p型有源區(qū)并且例如在點808處與n型有源區(qū)140中生成的電子804復(fù)合。所注入的電子804和空穴802在電子空穴復(fù)合(EHR)區(qū)809中有利地復(fù)合，所述電子空穴復(fù)合區(qū)在i型有源區(qū)150內(nèi)在空間上大致受限。EHR區(qū)809經(jīng)由電子空穴復(fù)合而生成光子，其中光子的能量和光學(xué)偏振由一個或多個超晶格的能量動量帶結(jié)構(gòu)指示。如圖8所示，EHR在可分類為基本上在層平面上或平行于生長方向垂直地的方向上發(fā)射光子806A、806B、806C、806D。光也可在其他方向上傳播并且可在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)以非平凡的方式傳播。一般來說，以基本上垂直的且在逃逸錐內(nèi)的傳播矢量(通過全內(nèi)反射的角度以及因此材料的折射率確定)生成的光將為可穿過透明襯底110垂直向外耦合的主要光子源。光子806A是沿著大體垂直方向并且沿著與圖1所示生長方向101相同的方向發(fā)射的。光子806B是沿著大體垂直方向并且沿著與生長方向101相反的方向發(fā)射的。光子806C、806D是沿著大體水平方向、平行于裝置層例如平行于i型有源區(qū)150的層平面發(fā)射的。
在圖8所示的實施方案中，光子806A中的一些從光學(xué)反射器692中反射出來并且通過襯底110離開發(fā)光裝置800。應(yīng)當(dāng)了解的是，在襯底與i型有源區(qū)之間添加了合適的反射鏡(未示出)或有利的光學(xué)腔和折射率不連續(xù)性的情況下，所述裝置因此可被修改以產(chǎn)生微腔LED或激光器或超發(fā)光LED?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，超發(fā)光通過限制所生成的光耦合進(jìn)入的可用光學(xué)模式的數(shù)量而改進(jìn)光的提取效率。這個有效的光學(xué)相空間壓縮改進(jìn)了所述裝置的選擇性以進(jìn)行有利的垂直發(fā)射。光學(xué)腔可使用由緩沖層120、n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160形成的總光學(xué)厚度來形成。如果光學(xué)腔形成于反射器692與襯底110之間并且沿著生長方向的光學(xué)腔的厚度小于或等于發(fā)射波長的一個波長，那么所述腔為微腔。這種微腔擁有形成由光學(xué)腔模式波長所施加的超發(fā)光和穩(wěn)定波長操作所必要的性質(zhì)。在本發(fā)明的一些實施方案中，來自EHR區(qū)809的發(fā)射波長等于微腔的最低階波長腔模式且實現(xiàn)了超發(fā)光。第二光學(xué)反射器也可包括在緩沖區(qū)112內(nèi)。例如，反射器包括超晶格，所述超晶格具有包括元素Al和AlN層的單位晶胞，在本文稱為金屬電介質(zhì)超晶格。
在一些實施方案中，透明區(qū)鄰近緩沖層120和襯底110提供，并且緩沖層120對于從所述裝置發(fā)出的光能是透明的。光能通過透明區(qū)、緩沖層120和襯底110耦合到外部。光子806C、806D是沿著大體水平方向、平行于裝置層例如平行于p型有源區(qū)160的層平面發(fā)射的。
在一些實施方案中，所述光電裝置發(fā)出具有相對于所述生長方向基本橫向磁光學(xué)偏振的光。光電裝置作為光學(xué)波導(dǎo)操作，其中光在空間上生成并且沿著基本平行于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的所述單位晶胞的所述一個或多個層的平面的方向受限。
在一些實施方案中，所述光電裝置發(fā)出具有相對于所述生長方向基本橫向磁光學(xué)偏振的光。所述光電裝置作為垂直發(fā)射腔裝置操作，其中光在空間上生成并且沿著基本垂直于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的所述單位晶胞的所述一個或多個層的平面的方向受限。所述垂直發(fā)射腔裝置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿著所述生長方向設(shè)置并且使用沿著所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個或多個部分在空間上設(shè)置的金屬反射器而形成。所述反射器可由光學(xué)反射率高的金屬制成。所述腔由所述反射器之間的光程限定，所述光程小于或等于所述裝置所發(fā)出的所述光的波長。所述光電裝置的所述發(fā)射波長由包括所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述一個或多個超晶格的光學(xué)發(fā)射能確定并且光學(xué)腔模式由所述垂直腔確定。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間能量水平相對于沿著生長方向z的距離的曲線圖900。在這個實施方案中，單個超晶格包括光電裝置的n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160。所述超晶格的每個單位晶胞包括由兩個AIN單層形成的第一層和由一個GaN單層形成的第二層。所述超晶格在n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160的每一者中包括25個單位晶胞。所述超晶格沉積在c平面上，其中金屬極晶體生長平行于生長方向取向。由p-GaN制成的p型接觸層沉積在p型有源區(qū)160上。由理想化的歐姆金屬M制成的第一接觸層定位在p-GaN接觸層上并且由理想化的歐姆金屬M制成的第二接觸層定位在n型有源區(qū)140上。
圖9的y軸為eV相對于費米能的能量水平，并且x軸為從襯底基部開始沿著生長方向101的距離，以納米(nm)為單位。n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160以及所述裝置的其他區(qū)域/層的位置示為位于x軸上方。跡線910為導(dǎo)帶中的區(qū)域中心(即，k＝0)能；谷是由于GaN而引起的，并且峰是由于AlN而引起的。曲線圖900表明，在跡線910中，導(dǎo)帶能Eck＝0(z)在n型有源區(qū)140接近費米能，其中導(dǎo)帶能Eck＝0(z)的谷位于費米能下方。這提供了高度激活的n型有源區(qū)。跡線920為價帶能；谷是由AlN引起的，并且峰是由GaN引起的。曲線圖900表明，在跡線920中，價帶能EHHk＝0(z)在p型有源區(qū)160中接近費米能，其中價帶能EHHk＝0(z)的峰位于費米能上方。這提供了高度激活的p型有源區(qū)。金屬極取向的生長導(dǎo)致在每個AlN/GaN和GaN/AlN異質(zhì)結(jié)上出現(xiàn)熱電電荷和壓電電荷。
空間波函數(shù)為量子力學(xué)中描述粒子的量子態(tài)及其行為的概率幅。圖10為示出了針對參考圖9所描述的光電裝置的量子化最低能量電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)相對于沿著生長方向的距離z的曲線圖1000。指數(shù)i表示不同的波函數(shù)。每個量子化波函數(shù)均在能帶結(jié)構(gòu)內(nèi)的對應(yīng)容許量子化本征能量處繪出。高于各自量子化能量水平的非零波函數(shù)概率表示電子定位在相關(guān)聯(lián)空間區(qū)域中的有限概率。示出導(dǎo)帶邊緣能Eck＝0(z)以供參考。
根據(jù)曲線圖1000明顯的是，電子波函數(shù)在大量單位晶胞上不定域。這表示高耦合的GaN勢阱。薄的AlN勢壘(2個單層)實現(xiàn)有效的量子力學(xué)隧穿并且因此形成在n型和p型有源區(qū)內(nèi)在空間上受限的能量歧管。注入n型有源區(qū)中的電子將沿著生長方向朝向i型有源區(qū)有效地傳輸。容許最低能量波函數(shù)在i型有源區(qū)內(nèi)比在n型有源區(qū)或p型有源區(qū)內(nèi)更為受限，如i型有源區(qū)中的更多局部波函數(shù)所證實。單位晶胞的較小厚度迫使量子化能量水平相對接近AlN導(dǎo)帶邊緣并且因此受到以下影響，即i型有源區(qū)上生成的大的耗盡電場使得相鄰的鄰近GaN電勢最小值之間的耦合斷開。因此，i型有源區(qū)中的電子波函數(shù)并不強烈局限于它們的各自GaN電勢最小值。
圖11為示出了針對參考圖9所描述的光電裝置的量子化最低能量重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖1100。示出重空穴區(qū)域中心價帶能EHHk＝0(z)以供參考。III族金屬氮化物材料具有包括能量動量分散的獨特價帶結(jié)構(gòu)，所述價帶結(jié)構(gòu)具有三個不同的帶，即，重空穴(HH)帶、輕空穴(LH)帶和晶體場分割(CF)帶。在區(qū)域中心，超晶格具有重空穴帶，所述重空穴帶為三者中的最低能，也就是說EHHk＝0<ELHk＝0<ECHk＝0。對于本文感興趣的光學(xué)工藝來說，僅描述HH帶就足夠了。在曲線圖1100中，明顯的是，在p型有源區(qū)內(nèi)存在重空穴波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)的相當(dāng)大的空間不定域，而它們密切限于i型有源區(qū)內(nèi)的GaN電勢最小值。再次，所述裝置內(nèi)的內(nèi)置耗盡電場使得i型有源區(qū)內(nèi)的耦合斷開。
圖12為示出了導(dǎo)帶波函數(shù)和HH波函數(shù)的空間重疊積分的曲線圖1200。所述重疊積分基本上是針對參考圖9所述的光電裝置的圖10的電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)與圖11的重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)的每一者相對于沿著生長方向的距離的乘積。根據(jù)曲線圖1200可以看出的是，電子和空穴在同一位置存在的概率在i型有源區(qū)150中比在n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160中更高。因此，與光電裝置的n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160相比，發(fā)射更可能從i型有源區(qū)150開始發(fā)生。
圖13為示出了針對參考圖9所述的光電裝置的電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)和重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)的重疊積分相對于對應(yīng)電子和空穴量子化能量水平之間的組合躍遷能的曲線圖1300。圖13的離散曲線示出了在整個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)在最低n＝1量子化電子狀態(tài)與n＝1HH狀態(tài)之間的容許光學(xué)躍遷的能量光譜。曲線圖1300因此表明，所述裝置能夠以約5.3eV的最低能量光學(xué)發(fā)射進(jìn)行發(fā)射。圖13中的發(fā)射光譜的寬度表示整個裝置上的量子化能量水平的微帶寬度。
圖14為示出了針對參考圖9所述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖1400。圖13的離散重疊積分在能量上均勻地加寬以模擬室溫下期望的熱變化。單獨振蕩器強度貢獻(xiàn)總和被繪制為加寬參數(shù)的兩個選擇的波長的函數(shù)。最長的波長和最急劇的躍遷是由于實驗觀察到的最低能量重空穴激子引起的。如圖14所示，最大強度的波長為約230nm，對應(yīng)于n＝1量子化電子波函數(shù)與空穴波函數(shù)之間的最低能量躍遷。對圖12的參考表明，所生成光的很大一部分來自靠近i型有源區(qū)和p型有源區(qū)界面附近的區(qū)域。圖14的陰影區(qū)示出了由p型有源區(qū)和n型有源區(qū)填充的光譜區(qū)，所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)具有被占用狀態(tài)并且因此不可用于光學(xué)復(fù)合過程。此外，實際發(fā)射能是由于最低階激子淬滅引起的。激子為包括綁定電子空穴對的中間粒子，所述綁定電子空穴對在空間上受限以增強靜電結(jié)合能。AlN/GaN超晶格中的n＝1激子結(jié)合能(EXn＝1)為大約50-60meV并且是由于n＝1電子和n＝1HH波函數(shù)的靜電吸引而引起的。一般來說，從n＝1激子Eγn＝1發(fā)出的光子的發(fā)射能是由Eγn＝1＝ECn＝1-EHHn＝1-EXn＝1得出的，其中激子結(jié)合能使得觀察到的發(fā)射能減小。
圖15為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間能量水平相對于沿著生長方向z的距離的曲線圖1500。在這個實施方案中，形成所述裝置的n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160的超晶格與用于圖9的光電裝置的相同。然而，在i型有源區(qū)150中，每個單位晶胞中的第一層由4個AIN單層形成并且每個單位晶胞中的第二層由2個GaN單層形成。p型區(qū)和n型區(qū)是使用其中第一層由2個AlN單層形成的第一層和由1個GaN單層形成的第二層的雜質(zhì)摻雜超晶格形成的。摻雜區(qū)因此是對于本征區(qū)中形成的n＝1個激子透明的。雖然單位晶胞的周期或厚度在n型和p型有源區(qū)與i型有源區(qū)之間變化，但是每個區(qū)域中的單位晶胞都具有相同的平均合金含量。也就是說，單位晶胞中的Al分?jǐn)?shù)是恒定的。在每個區(qū)域中單位晶胞存在25次重復(fù)?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，也可使用較高數(shù)量的單位晶胞重復(fù)。包括兩個成分物諸如厚度為tGaN的GaN層和厚度為tAlN的AlN層的簡單單位晶胞的平均合金含量由xave＝tAlN/(tAlN+tGaN)得出，其中xave表示單位晶胞中這對的有效Al分?jǐn)?shù)。在替代實施方案中，單位晶胞可包括三個或更多個AlGaN成分并且在這樣的實施方案中，有效的合金含量可以類似地確定。包括二元、三元和四元材料的其他層成分的平均合金含量可根據(jù)一個或多個元素組分來限定。例如，可以確定包括AlN/AlxGa-1xN/GaN或AlN/AlxGa1-xN/AlyInzGa1-y-zN的三個層的三層單位晶胞中的Al分?jǐn)?shù)。在p型有源區(qū)上包括任選的p型GaN歐姆接觸層。在n型有源區(qū)和任選的p型GaN歐姆接觸層上提供歐姆金屬接觸。示出了能帶結(jié)構(gòu)，其中在歐姆金屬接觸之間施加零外部電偏壓。
圖15的y軸為eV相對于費米能的能量水平，并且x軸為從襯底基部開始沿著生長方向的距離，以納米(nm)為單位。所述裝置的n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160的位置示為位于x軸上方。跡線1510為導(dǎo)帶能；谷是由GaN引起的，并且峰是由AlN引起的。單位晶胞中的AlN層和GaN層形成I類超晶格，其中GaN導(dǎo)帶的能量比AlN導(dǎo)帶邊緣的能量更低并且GaN價帶的能量比AlN價帶邊緣的能量更高。也就是說，AlN層為GaN層中的電子和空穴提供勢壘。跡線1520為價帶能；谷是由AlN引起的，并且峰是由GaN引起的。具體地講，示出了重空穴價帶邊緣。圖15表明，跡線1510和1520中的峰和谷的周期和振幅在i型有源區(qū)150中增大。i型有源區(qū)中的單位晶胞中的GaN層和AlN層兩者的較大層厚度在每者上方生成較大的內(nèi)置電場，這是因為金屬極異質(zhì)界面的自發(fā)場和壓電場而引起的。這種效果是極性纖維鋅礦晶體特有的。再次，圖15的裝置與理想金屬接觸M接觸并且p-GaN接觸層使p型有源區(qū)160連接到金屬接觸之一。示出了平帶條件，也就是說在接觸之間施加零外部偏壓，并且因此費米能是沿著生長方向在整個結(jié)構(gòu)上連續(xù)的。
圖16為示出了針對參考圖15所描述的光電裝置的量子化最低能量(nSL＝1)電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)相對于沿著生長方向的距離z的曲線圖1600。示出導(dǎo)帶邊緣能Eck＝0(z)以供參考。
電子波函數(shù)在大量相鄰的且鄰接的單位晶胞上由于n型有源區(qū)和p型有源區(qū)中的薄的AlN隧道勢壘而清晰地展開。i型有源區(qū)的較大單位晶胞周期示出了電子波函數(shù)到至多最近相鄰穿透的明顯定位。在i型有源區(qū)的禁隙內(nèi)的超晶格外部無泄漏波函數(shù)，如在圖10的結(jié)構(gòu)中觀察到。因此，從n型有源區(qū)注入的電子將會有效地傳輸穿過n型有源區(qū)微帶且到i型有源區(qū)中。在i型有源區(qū)中在最低能量量子化波函數(shù)中捕捉到的電子隨后可用于與價帶中的在空間上重合的nSL＝1重空穴復(fù)合。
圖17為示出了針對參考圖15所描述的光電裝置的量子化最低能量重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖1700。示出重空穴價帶能邊緣EHHk＝0(z)以供參考。再一次，如在圖11中觀察到，重空穴波函數(shù)在n型有源區(qū)和p型有源區(qū)中的幾個單位晶胞上基本上不定域。i型有源區(qū)具有比n型有源區(qū)和p型有源區(qū)更大的單位晶胞周期，和單位晶胞內(nèi)與p型超晶格區(qū)和n型超晶格區(qū)相同的平均Al分?jǐn)?shù)。再次，GaN電勢最小值產(chǎn)生屬于重空穴狀態(tài)的最低能量價帶狀態(tài)。
圖18為示出了最低能量量子化電子和重空穴價帶波函數(shù)狀態(tài)之間的空間重疊積分的曲線圖1800。所述重疊積分基本上是針對參考圖15所述的光電裝置的圖16的量子化電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)與圖17的重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)相對于沿著生長方向的距離的乘積。重疊積分的強度與特定躍遷的振蕩器強度成比例。一般來說，如果電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)概率在空間上一致，那么電子空穴復(fù)合事件存在有限的概率。容許光學(xué)躍遷的能量寬度表示在GaN層之間通過薄的AlN勢壘層進(jìn)行的量子力學(xué)隧穿。本征區(qū)具有較厚的AlN勢壘以及因此減小的導(dǎo)帶隧穿。本征區(qū)的振蕩器強度示為與n型區(qū)和p型區(qū)相比更強。根據(jù)曲線圖1800可以看出的是，電子和空穴在同一位置存在的概率在i型有源區(qū)150中比在n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160中更高。因此，與光電裝置的n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160相比，由于電子和重空穴復(fù)合而引起的光學(xué)發(fā)射更可能從i型有源區(qū)150開始發(fā)生。曲線圖1800還表明，與對于參考圖9所述的光電裝置相比，對于參考圖15所述的光電裝置，來自i型有源區(qū)150的發(fā)射概率更高。
圖19為示出了針對參考圖15所述的光電裝置的電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)和重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)的重疊積分相對于對應(yīng)的最低能量量子化電子和重空穴的組合躍遷能的曲線圖1900。
因n＝1激子引起的最低能量光學(xué)躍遷因此是由于源自i型有源區(qū)的復(fù)合而引起的，所述i型有源區(qū)具有比p型有源區(qū)和n型有源區(qū)更大的周期。i型有源區(qū)的發(fā)射能因此被選擇為波長比n型有源區(qū)和p型有源區(qū)的最低能量吸收的波長更長。這使得i型有源區(qū)內(nèi)所生成的光子能夠在覆層區(qū)(即，p型有源區(qū)和n型有源區(qū))內(nèi)傳播而無吸收(以及因此無損耗)，并且此外使得光能夠從裝置內(nèi)部提取出來。
這表示本發(fā)明的優(yōu)選實現(xiàn)，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或裝置的區(qū)域的發(fā)射性質(zhì)和吸收性質(zhì)是通過各自超晶格單位晶胞周期的選擇來控制。此外，平均合金含量貫穿超晶格區(qū)域保持恒定并且因此每個單位晶胞的平面內(nèi)晶格常數(shù)相匹配并且根據(jù)生長方向沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)變能的積累。這能夠?qū)崿F(xiàn)高晶體質(zhì)量的超晶格堆疊。此外，在內(nèi)置電場中由于結(jié)構(gòu)內(nèi)的極化電荷而不存在不連續(xù)性，這使得堆疊的極化穩(wěn)定。
圖20為示出了針對參考圖15所述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖2000。圖19的離散重疊積分在能量上均勻地加寬以模擬室溫下期望的熱變化。單獨振蕩器強度貢獻(xiàn)總和被繪制為加寬參數(shù)的兩個選擇的波長的函數(shù)。最長的波長和最急劇的躍遷是由于最低能量n＝1重空穴激子而引起的并且在本征區(qū)上在空間上受限。如圖20所示，最大強度的波長為約247nm，其對于參照圖9所述的光電裝置來說，比圖14中的最大強度的波長更長。
圖9和圖15的光電裝置僅僅在i形有源區(qū)的一個或多個超晶格的周期的選擇方面是不同的。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的全部一個或多個超晶格的全部單位晶胞對于這些例子來說選擇為具有固定的平均合金含量。所述平均合金含量被選擇為限定為單位晶胞的Al分?jǐn)?shù)。例如，包括1個GaN單層和2個AlN單層的單位晶胞具有Al分?jǐn)?shù)xave＝2/3，并且具有2個GaN單層和4個AlN單層的單位晶胞同等地具有Al分?jǐn)?shù)xave＝4/6＝2/3。再次，僅為了簡單起見，在每個區(qū)域中使用25個單位晶胞重復(fù)。也就是說，不僅僅單位晶胞的平均Al分?jǐn)?shù)確定了形式為AlxaveGa1-xaveN的等階三元合金成分，而且周期限定了所述單位晶胞的光學(xué)發(fā)射能。
圖21為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的針對光電裝置的導(dǎo)帶和價帶中的空間依賴的能量水平相對于沿著生長方向的距離的曲線圖2100。應(yīng)當(dāng)理解的是，對區(qū)域中心(k＝0)導(dǎo)帶和重空穴價帶的參考足以描述裝置操作。在這個實施方案中，形成n型有源區(qū)、i型有源區(qū)和p型有源區(qū)的一個或多個超晶格類似地由雙層單位晶胞構(gòu)成，所述雙層單位晶胞具有AlN層和GaN層，如同參考圖9和圖15描述的光電裝置的情況一樣。然而，在圖21的情況下，有效Al分?jǐn)?shù)被選擇為具有xave＝0.5的較低Al分?jǐn)?shù)。在i形有源區(qū)150中，每個單位晶胞的第一層由3個AlN單層形成并且每個單位晶胞的第二層由3個GaN單層形成。n型有源區(qū)和p型有源區(qū)兩者均被選擇為還具有xave＝0.5，但被設(shè)計為在吸收一開始具有較大的光能，以使它們對于由i型有源區(qū)生成的光學(xué)發(fā)射能基本上透明。p型有源區(qū)和n型有源區(qū)被選擇為具有包括僅2個GaN單層和2個AlN單層的單位晶胞。較薄的GaN層使得導(dǎo)帶與價帶的最低量子化能量水平之間的能量間隔增大。p型區(qū)和n型區(qū)使用雜質(zhì)摻雜超晶格形成。
圖21的y軸為相對于費米能的能量水平帶圖(以電子伏特eV為單位)，并且x軸為從襯底基部開始沿著生長方向的以納米(nm)為單位的距離。光電裝置的n型有源區(qū)140、i型有源區(qū)150和p型有源區(qū)160的空間位置和程度示為位于x軸上方。跡線2110為導(dǎo)帶中的區(qū)域中心(或最小)能；谷是由于GaN而引起的并且峰是由于AIN引起的。仔細(xì)檢查表明，金屬極結(jié)構(gòu)的內(nèi)置熱電場和壓電場在i型有源區(qū)中與在n型有源區(qū)和p型有源區(qū)中是不同的。這是由于i型有源區(qū)中的GaN和AlN的較大層厚度而引起的。跡線2120為價帶中的空間能量調(diào)制；谷是由于AlN而引起的，并且峰是由于GaN引起的。圖21表明，跡線2110和2120中的i型有源區(qū)150的單位晶胞的周期(示為峰和谷)與圖15所示跡線1510和1520所示的單位晶胞周期大致相同。然而，占空比(即，單位晶胞內(nèi)的相對GaN和AlN層厚度)已改變。再次，所述裝置被選擇為具有p型有源區(qū)和n型有源區(qū)，所述p型有源區(qū)和所述n型有源區(qū)對于i型有源區(qū)的發(fā)射波長是基本上透明的。
圖22為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的最低能量量子化電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖2200。示出區(qū)域中心(k＝0)導(dǎo)帶能Eck＝0(z)以供參考。n型和p型空間區(qū)展現(xiàn)出高度耦合的波函數(shù)并且形成n＝1超晶格微帶。本征區(qū)憑借內(nèi)置耗盡場和較厚AlN勢壘而示出僅最近相鄰勢阱上耦合的電子波函數(shù)。
圖23為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的最低能量量子化重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)相對于沿著生長方向的距離的曲線圖2300。示出區(qū)域中心(k＝0)重空穴價帶能EHHk＝0(z)以供參考。p型區(qū)和n型區(qū)上的重空穴波函數(shù)在大量相鄰勢阱上不定域。相反，i型有源區(qū)上的重空穴波函數(shù)憑借較大的AlN勢壘寬度和內(nèi)置耗盡場而高度定位到它們的各自勢阱。
圖24為示出了電子波函數(shù)和重空穴波函數(shù)的空間重疊積分的曲線圖2400。所述重疊積分基本上是針對參考圖21所述的光電裝置的圖22的電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)與圖23的重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)相對于沿著生長方向的距離的乘積。所述重疊積分表示各自直接電子和重空穴躍遷的振蕩器強度。容許光學(xué)躍遷的能量寬度表示在GaN層之間通過AlN勢壘層進(jìn)行的量子力學(xué)隧穿。i型有源區(qū)具有較厚的AlN勢壘以及因此減小的導(dǎo)帶隧穿。i型有源區(qū)的振蕩器強度示為與n型有源區(qū)和p型有源區(qū)相比更強。根據(jù)曲線圖2400可以看出的是，電子和空穴在同一空間位置存在的概率在i型有源區(qū)150中比在n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160中更高。因此，與光電裝置的n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160相比，發(fā)射更可能從i型有源區(qū)150開始發(fā)生。曲線圖2400還表明，與對于參考圖9和圖15所述的光電裝置相比，對于參考圖21所述的光電裝置，來自n型有源區(qū)140和p型有源區(qū)160的發(fā)射概率更低。
圖25為示出了針對參考圖21所述的光電裝置的電子空間波函數(shù)Ψcn＝1(i,z)和重空穴空間波函數(shù)ΨHHn＝1(j,z)的重疊積分相對于對應(yīng)的最低能量量子化電子和空穴的組合躍遷能的曲線圖2500。與n型有源區(qū)和p型有源區(qū)相比，i型有源區(qū)中的最低能量躍遷的更強振蕩器強度是由于i型有源區(qū)中的電子和重空穴復(fù)合而引起的。
圖26為示出了針對參考圖21所描述的光電裝置的發(fā)射亮度對波長的曲線圖2600。圖25的離散重疊積分在能量上均勻地加寬以模擬室溫下期望的熱變化。單獨振蕩器強度貢獻(xiàn)總和被繪制為加寬參數(shù)的兩個選擇的波長的函數(shù)。最長的波長和最急劇的躍遷是由于最低能量n＝1重空穴激子而引起的并且在i型有源區(qū)上在空間上受限。如圖26所示，最大強度的波長為約262nm，其對于分別參考圖9和圖15所述的光電裝置來說，基本上比圖14和圖20中的最大強度的波長更長。
以下進(jìn)一步詳細(xì)地論述了所述裝置的發(fā)射波長的調(diào)諧和其他方面。
本發(fā)明利用一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)選為晶體并且更優(yōu)選形成為單晶原子結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施方案中，對于紫外光和深紫外光的發(fā)射，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，所述纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)由離子鍵構(gòu)成并且由一個或多個半導(dǎo)體諸如III族金屬氮化物(III-N)半導(dǎo)體或II族金屬氧化物(II-VI)半導(dǎo)體形成。
圖27A示出了III族金屬氮化物半導(dǎo)體所用的纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。所述纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)包括金屬晶體位點2715和氮原子位點2720。沿著密勒記號[h k i l]＝[0 0 0 1]方向2750的晶體鍵的極性示為具有氮極性鍵2725的氮極晶體取向。所述結(jié)構(gòu)可通過鏡面反射2760反轉(zhuǎn)并且變?yōu)榻饘贅O取向晶體。如果晶體軸2750被視為生長方向[0 0 0 1]那么c平面(0 0 0 1)被識別為標(biāo)記為2730的面。水平晶體軸線2760為穿過具有[1 1 -2 0]方向的纖維鋅礦晶體的高度對稱片之一。
圖27B示出了其中金屬原子終止表面的c平面2730的視圖。c平面的氮原子表面終端也是可能的。晶體方向2760和2780以密勒記號分別表示[1 1 -2 0]和[0 0 1 -1]方向。突然的表面終端進(jìn)一步進(jìn)行下部對稱結(jié)合圖案的表面重建。這些表面重建使得漸增的表面能最小化，但最終當(dāng)重建表面隨后利用纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中的另外材料生長過度時，在大多數(shù)層內(nèi)形成基本上理想化的晶體結(jié)構(gòu)。理想的金屬終端表面展現(xiàn)出識別為具有平面內(nèi)晶格常數(shù)2790的等邊的六邊形2785的六邊形c平面晶體晶胞。晶體基本重復(fù)單元隨后由參數(shù)化為晶格常數(shù)a、標(biāo)記為2790的纖維鋅礦晶胞和高度c的在圖27A中標(biāo)記為2705或2710的六邊形柱來表征。例如，無應(yīng)變的AlN外延層具有且對于沉積在c平面上的膜來說，一個單層(1ML)在本文限定為等于1ML＝c/2。
圖27C示出了沿著c軸2750取向并且進(jìn)一步暴露出Al原子表面的AlN纖維鋅礦型晶體2770的透視圖。Al終端表面完全位于c平面2730上，其中纖維鋅礦晶體單位晶胞由六邊形2760限定。沿方向2750的垂直厚度示出了四個AlN材料單層和相關(guān)聯(lián)晶體取向。例如，在一些實施方案中，襯底上的c平面取向的外延沉積可包括使多個單層膜以高均勻度沉積，所述單層膜沿著方向2760和2780，跨過襯底表面區(qū)域橫向地延伸。
圖28為示出了示例超晶格的分層厚度的優(yōu)選范圍的圖表2800。超晶格的單位晶胞包括分別專門由GaN和AlN的二元成分形成的兩個層。例如，超晶格由沉積在c平面上的纖維鋅礦GaN和AlN膜形成，如圖27C的理想化空間部分示意性地示出。圖28的圖表2800示出了所列出的列，其中項AIN厚度為沿著c軸的單層N的總數(shù)量，并且物理厚度以埃為單位(注意，)。類似地，行列出了GaN的整個單層M，其中表條目計算出單位晶胞的周期厚度：ΛSL＝M.(1ML GaN)+N.(1ML AlN)＝M.cGaN/2+N.cAlN/2。
其中單位晶胞重復(fù)Np次并且沿著生長方向具有恒定Al分?jǐn)?shù)的超晶格可限定為具有M個和N個單層的GaN和AlN對，為了方便起見在本文寫為M:N。
圖29示出了具有4:4超晶格的一個單位晶胞的晶格結(jié)構(gòu)，其中4個GaN單層2940在4個AlN單層2930上沿著限定生長方向的c軸2750外延地沉積。Al原子位點示為大的白色球體2905，Ga原子位點描繪為大的灰色球體2920并且氮原子位點示為小的黑色球體2910和2925。AlN/GaN異質(zhì)界面2935可因為具有純Ga或Al金屬終端而是突然的或可以是在平面2935中具有Ga和Al原子的隨機分布的混雜界面。GaN外延層2940的垂直高度由于由晶體單位晶胞的彈性變形而高于下部AlN外延層2930。獨立式超晶格單位晶胞2900理想情況下未展現(xiàn)出任何界面位錯(即，錯配位錯)并且在平面內(nèi)拉伸應(yīng)變狀態(tài)下具有AlN層并且在平面內(nèi)壓縮應(yīng)變狀態(tài)下具有GaN外延層。彈性變形的不相似外延層理想情況下以沿著c軸2750的厚度(低于臨界層厚度(CLT))沉積。CLT為晶格錯配材料可沉積在基礎(chǔ)晶體上而不形成錯配位錯的最大厚度。圖28的圖表2800中公開的全部M:N組合表示此類低于每種材料的CLT而沉積的超晶格單位晶胞。應(yīng)當(dāng)注意的是，CLT可在理論上別計算出并且通過實驗確定。例如，在MBE中在異質(zhì)外延期間使用反射高能電子衍射(RHEED)進(jìn)行的直接原位測量可以高的精度確定CLT。
圖30為示出了通過使用如本文所限定的沿c軸沉積的GaN和AlN材料而形成的單位晶胞的另外可能實現(xiàn)的圖表3000。圖表3000定義了M:N的部分單層對，其中表條目示出了單位晶胞厚度ΛSL。這些單位晶胞厚度可使用III族金屬氮化物半導(dǎo)體而應(yīng)用于深紫外發(fā)射器。還可以發(fā)現(xiàn)的是，也可使用其他材料成分，并且超過兩種包括超晶格單位晶胞的成分是適用的。
圖31示出利用僅具有一個GaN層和一個AlN層的單位晶胞來構(gòu)造的超晶格的均衡平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL的曲線圖3100。曲線圖3100示出對于每個單位晶胞中的M個GaN單層和N個AlN單層的給定選擇來說，所計算的平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL。每條曲線均通過N個AIN單層的不同選擇而參數(shù)化。曲線圖3100的曲線可直接用于設(shè)計包括不同的單位晶胞M:N對的超晶格LED并在下文進(jìn)行論述。
圖32示意性地示出了包括兩個單位晶胞3270和3280的結(jié)構(gòu)3200中存在的原子力。每個單位晶胞均包括兩個層并且這兩個層每個由不相似材料形成，例如，第一層3230和3250可為GaN層并且第二層3240和3260可為AlN層。這些層通過晶體的外延沉積而形成，其是由于每個相鄰層中的不相似晶格常數(shù)而引起的彈性變形。如果所述結(jié)構(gòu)沉積在c平面上，那么GaN層3230和3250受到壓縮性平面內(nèi)應(yīng)力3220并且AlN層3240和3260具有所誘發(fā)的拉伸平面內(nèi)應(yīng)變3210。使用晶格錯配材料而形成的這種超晶格(其中每個單位晶胞的每個層形成為所具有的厚度低于CLT)當(dāng)利用充分?jǐn)?shù)量的周期形成時，可實現(xiàn)較高的結(jié)晶完整性。例如，通過僅使用GaN和AlN材料，一種根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的超晶格形成于塊狀c平面AlN表面、(0001)取向的藍(lán)寶石表面或另一合適的表面上。在大約10至100個超晶格生長周期后，最終單位晶胞達(dá)到理想化的獨立平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL。這是形成關(guān)于圖1所述的超晶格緩沖器130的一種示例方法。
在本發(fā)明的一些實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的每個超晶格都具有不同的配置，所述配置實現(xiàn)了所選擇的光學(xué)和電子規(guī)格。
實驗表明，使每個單位晶胞中的平均合金含量沿著超晶格保持恒定等效于使單位晶胞的平均平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL恒定。實驗還表明，單位晶胞的厚度隨后可被選擇以實現(xiàn)期望的光學(xué)和電子規(guī)格。這使得多個不同的超晶格能夠具有共同的有效的平面內(nèi)單位晶胞晶格常數(shù)并且因此實現(xiàn)沿著生長方向?qū)?yīng)變的有利管理。
圖33和圖34示出了利用僅具有一個GaN層和一個AlN層的單位晶胞來構(gòu)造的超晶格的均衡平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL的曲線圖3300和3400。曲線圖3300和3400示出了對于每個單位晶胞中的M個GaN單層和N個AlN單層的給定選擇來說，所計算的平面內(nèi)晶格常數(shù)a||SL。每條曲線均通過N個AIN單層的不同選擇而參數(shù)化。在每個曲線圖中提供黑點以示出具有相同平均合金含量的單位晶胞配置。圖33的曲線圖3300所示的黑點包括M:N組合，其中M＝N并且因此實現(xiàn)了xaveSL＝1/2的有效Al分?jǐn)?shù)。圖34中的曲線圖3400中的黑點包括M:N組合，其中N＝2M并且xaveSL＝2/3。
圖33和圖34的曲線圖可尤其適用于設(shè)計具有其中單位晶胞專門由沿著c軸沉積且具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN和AlN材料組合構(gòu)建成的超晶格的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖35示出了包括沿著生長方向z重復(fù)的M:N＝5:5單位晶胞的Np＝100周期超晶格的能帶結(jié)構(gòu)的所計算部分的曲線圖3500。導(dǎo)帶邊緣3520和重空穴價帶邊緣3550的空間變化連同能量量子化且在空間上受限的載流子波函數(shù)3510和3560一起示出。GaN和AlN層選自保持各自層每個的CLT的厚度，如圖30所示。圖35表明，電子波函數(shù)3510展現(xiàn)出穿過AlN勢壘的量子力學(xué)隧穿3570的強大趨勢，而重空穴波函數(shù)3560密切定域在它們各自的GaN電勢最小值內(nèi)。
圖36示出了用于模擬具有恒定單位晶胞長度和成分的超晶格的半無限數(shù)量的周期的超晶格3600。在所述超晶格中，單位晶胞具有恒定的長度和成分。然而，第一GaN層3605分割成兩半并且添加到超晶格的端部3610。應(yīng)用波函數(shù)的周期性邊界條件因此模擬半無限數(shù)量的周期，同時調(diào)查基礎(chǔ)99個單位晶胞3620的相互作用性質(zhì)。在使用了有限元素法和完整k.p理論的情況下，連同最低位超晶格狀態(tài)的量子化能量一起計算出波函數(shù)。如前面所述，根據(jù)最低能量(n＝1)導(dǎo)帶狀態(tài)與n＝1重空穴狀態(tài)之間的重疊積分和能量間隔計算出光學(xué)發(fā)射光譜。
圖37、圖38、圖39、圖40和圖41示出了具有xaveSL＝2/3且M:N配置分別為1:2、2:4、3:6、4:8和5:10的超晶格的橫向電場(TE)光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖。這些曲線圖每個示出了與總發(fā)射和由于具有容許傳導(dǎo)狀態(tài)的特定價帶類型(即，HH、LH或CH)而引起的發(fā)射相對應(yīng)的四條曲線。如先前所述，所需最低能量發(fā)射是針對容許導(dǎo)帶狀態(tài)與重空穴狀態(tài)之間的躍遷的，這滿足了平行于c軸和/或生長方向的垂直發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)。
圖37示出了對于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1重空穴狀態(tài)(ECn＝1-EHHn＝1)的最低能量躍遷3705、n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1晶體場分割狀態(tài)(ECn＝1-ECHn＝1)的最低能量躍遷3710以及n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1輕空穴狀態(tài)(ECn＝1-ELHn＝1)的最低能量躍遷3715來說，1:2超晶格的發(fā)射光譜的曲線圖3700。曲線3720示出了觀察到的總光譜。發(fā)射峰的大的能量寬度從根本上是由于最近鄰接GaN電勢最小值之間的大的耦合以及因此導(dǎo)帶和各自價帶中的寬的能量寬度微帶的形成而引起的。
圖38示出了對于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1重空穴狀態(tài)(ECn＝1-EHHn＝1)的最低能量躍遷3805、n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1晶體場分割狀態(tài)(ECn＝1-ECHn＝1)的最低能量躍遷3810以及n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1輕空穴狀態(tài)(ECn＝1-ELHn＝1)的最低能量躍遷3815來說，2:4超晶格的發(fā)射光譜的曲線圖3800。曲線3820示出了觀察到的總光譜。與圖37相比，發(fā)射峰的較小能量寬度是由于最近鄰接GaN電勢最小值之間的較小耦合以及因此導(dǎo)帶和各自價帶中的較窄能量寬度微帶的形成而引起的。
圖39示出了對于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1重空穴狀態(tài)(ECn＝1-EHHn＝1)的最低能量躍遷3905、n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1晶體場分割狀態(tài)(ECn＝1-ECHn＝1)的最低能量躍遷3910以及n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1輕空穴狀態(tài)(ECn＝1-ELHn＝1)的最低能量躍遷3915來說，3:6超晶格的發(fā)射光譜的曲線圖3900。曲線3920示出了觀察到的總光譜。
圖40示出了對于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1重空穴狀態(tài)(ECn＝1-EHHn＝1)的最低能量躍遷4005、n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1晶體場分割狀態(tài)(ECn＝1-ECHn＝1)的最低能量躍遷4010以及n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1輕空穴狀態(tài)(ECn＝1-ELHn＝1)的最低能量躍遷4015來說，4:8超晶格的發(fā)射光譜的曲線圖4000。曲線4020示出了觀察到的總光譜。
圖41示出了對于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1重空穴狀態(tài)(ECn＝1-EHHn＝1)的最低能量躍遷4105、n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1晶體場分割狀態(tài)(ECn＝1-ECHn＝1)的最低能量躍遷4110以及n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)和n＝1輕空穴狀態(tài)(ECn＝1-ELHn＝1)的最低能量躍遷4115來說，5:10超晶格的發(fā)射光譜的曲線圖4100。曲線4120示出了觀察到的總光譜。
尤其重要的是(ECn＝1-EHHn＝1)光學(xué)躍遷的實現(xiàn)，所述光學(xué)躍遷始終為最低能量發(fā)射并且因此實現(xiàn)圖7所示形式的有效垂直發(fā)射裝置。
圖42示出了圖37至圖41中繪出的每個M:N對的重空穴躍遷的光學(xué)發(fā)射光譜的曲線圖4200。一般來說，較大的GaN層厚度導(dǎo)致量子化能量水平更接近GaN帶邊緣并且因此產(chǎn)生較長的發(fā)射波長。相反地，較薄的GaN層改善了最低能量量子化導(dǎo)帶狀態(tài)和價帶狀態(tài)的重疊并且因此改善了振蕩器強度和發(fā)射強度?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，對于超過8至10個單層的GaN外延層來說，重疊積分嚴(yán)重退化并且導(dǎo)致不良的光學(xué)發(fā)射。為了應(yīng)用于紫外裝置和深紫外裝置，可以發(fā)現(xiàn)的是，圖42的M:N配置是最佳的和或所需的。在使用了包括AlN和AlxGa1-xN成分的超晶格單位晶胞的情況下，較短的發(fā)射波長是可能的。為了保持發(fā)射的TE特征，可以發(fā)現(xiàn)的是，AlxGa1-xN(其中x小于或等于0.5)是優(yōu)選的。
以上可用于設(shè)計半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)諸如圖1至圖8的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。例如，可選擇i型有源區(qū)、n型有源區(qū)和p型有源區(qū)的單位晶胞的M:N配置以產(chǎn)生從i型有源區(qū)開始的發(fā)射波長，所述發(fā)射波長比n型有源區(qū)和p型有源區(qū)的吸收邊緣更長。另外，本發(fā)明的實施方案可被設(shè)計成貫穿半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有恒定的平均合金分?jǐn)?shù)，這進(jìn)一步改善了所得結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量。
圖43和圖44示出對于僅包括AlN外延層和GaN外延層的單位晶胞來說，容許超晶格導(dǎo)帶狀態(tài)與重空穴狀態(tài)之間的最低能量躍遷的計算出的光發(fā)射波長的曲線圖。圖43公開了具有xaveSL＝2/3＝0.667的N＝2M超晶格的發(fā)射波長，而圖44公開了N＝M超晶格和xaveSL＝1/2＝0.50的發(fā)射波長。曲線4300和4400示出了最低能量光學(xué)發(fā)射波長作為具有對應(yīng)M:N配置的單位晶胞周期ΛSL的函數(shù)的變化。從曲線圖中可以看出的是，光學(xué)發(fā)射可在寬的和期望的從約230nm跨越到小于300nm的光學(xué)范圍內(nèi)調(diào)諧。
在一個例子中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由不同的超晶格區(qū)形成。每個超晶格的單位晶胞都具有Al分?jǐn)?shù)xaveSL＝2/3并且專由GaN層和AlN層形成。包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光裝置的所需設(shè)計波長為例如λe＝265nm。因此，參考圖43，選擇i型有源區(qū)的M:N＝3:6單位晶胞。所述裝置包括使用對于所需設(shè)計波長λe基本透明的超晶格單位晶胞而形成在透明襯底頂部的n型有源區(qū)。類似地，所述裝置包括對于所需設(shè)計波長λe基本上透明的p型有源區(qū)。n型有源區(qū)中的超晶格因此可被選擇為具有M:N＝1:2單位晶胞并且p型有源區(qū)中的超晶格可被選擇為具有M:N＝2:4單位晶胞。這將改進(jìn)激活重空穴濃度并且向i型有源區(qū)中的超晶格的M:N＝3:6單位晶胞的一部分提供改進(jìn)的空穴波函數(shù)注入。
i型有源區(qū)可分區(qū)為兩個不同的超晶格，所述兩個超晶格為具有M:N＝2:4單位晶胞的第一超晶格和具有M:N＝3:6單位晶胞的第二超晶格。第一超晶格定位在n型有源區(qū)與第二超晶格之間。第二超晶格定位在第一超晶格與p型有源區(qū)之間。第一超晶格充當(dāng)電子能量過濾器用于將優(yōu)選電子注入由第二超晶格限定的電子空穴復(fù)合區(qū)(EHR)中。這個配置因此提供電子和空穴貫穿半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的載流子輸送。第二超晶格的EHR由于III族金屬氮化物中固有的低空穴遷移率而被定位成靠近空穴儲層。因此，發(fā)光裝置可產(chǎn)生為具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有[n型1:2/i型2:4/i型3:6/p型2:4]超晶格區(qū)域。i型有源區(qū)的總厚度也可最優(yōu)化。
圖45和圖46示出了對于在n型有源區(qū)中包括n型M:N＝1:2單位晶胞的100個周期且在p型有源區(qū)中包括p型M:N＝1:2單位晶胞的100個周期的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來說，沿著生長方向z的，以電子伏特(eV)為單位的導(dǎo)帶邊緣4510和4610以及重空穴價帶邊緣4505和4605的曲線圖。單位晶胞專門由c平面取向的GaN和AlN單層膜構(gòu)成，所述GaN和AlN單層膜具有xaveSL＝2/3的恒定Al分?jǐn)?shù)。i型有源區(qū)類似地具有xaveSL＝2/3的恒定Al分?jǐn)?shù)，但具有大的周期以將發(fā)射波長調(diào)諧為較長的波長。圖45示出了在i型有源區(qū)4530中具有2:4單位晶胞的25個周期的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的曲線圖，而圖46示出了在i型有源區(qū)4630中具有2:4單位晶胞的100個周期的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的曲線圖。圖45中的由于p型有源區(qū)和n型有源區(qū)而引起的內(nèi)置耗盡區(qū)電場Ed(z)4520大于圖46中的內(nèi)置耗盡區(qū)電場Ed(z)4620。內(nèi)置耗盡區(qū)電場Ed(z)受到i型有源區(qū)超晶格的總厚度的影響并將又一個斯塔克移位電勢置于超晶格受限狀態(tài)下?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，這個量子受限超晶格斯塔克效應(yīng)(QC-SL-SE)可用于進(jìn)一步調(diào)諧所述裝置的光學(xué)性質(zhì)。
圖47在單個曲線圖上示出了圖45和圖46的曲線圖進(jìn)行比較。插入p型有源區(qū)上方的任選的p-GaN接觸層經(jīng)由所誘發(fā)的二維空穴氣(2DHG)來固定費米能級。所述裝置沿著生長方向z具有金屬極性生長取向。
圖48示出了在內(nèi)置耗盡電場的影響下，圖45中提及的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的i型有源區(qū)內(nèi)計算出的最低能量量子化電子波函數(shù)4800的曲線圖。與無耗盡電場的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，可以觀察到的是，波函數(shù)為藍(lán)移并且最近相鄰物之間的諧振隧穿減少。繪制導(dǎo)帶邊緣4510作為參考。
圖49示出了在內(nèi)置耗盡電場的影響下，圖46中提及的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的i型有源區(qū)內(nèi)計算出的量子化最低能重空穴波函數(shù)4900的曲線圖。繪制重空穴帶邊緣4605作為參考。
圖50A和圖50B示出來自圖45和圖46中分別提及的裝置的i型有源區(qū)的發(fā)射光譜的曲線圖。圖50A示出了最低能量n＝1導(dǎo)帶狀態(tài)和它們的各自HH 5005、LH 5010和CH 5015價帶之間的光學(xué)躍遷的發(fā)射光譜以及圖45的裝置中的總TE發(fā)射光譜5020。圖50B示出了最低能量n＝1導(dǎo)帶狀態(tài)和它們的各自HH 5025、LH 5035和CH 5030價帶之間的光學(xué)躍遷的發(fā)射光譜以及圖46的裝置中的總TE發(fā)射光譜5020。
圖45的裝置由于較薄的i型有源區(qū)而具有比圖46的裝置更大的內(nèi)置電場。這個較大的內(nèi)置電場使得i型有源區(qū)中的相鄰單位晶胞之間的耦合斷開，在發(fā)射能中產(chǎn)生小的藍(lán)移并使得發(fā)射光譜線寬度減小。將圖50A和圖50B相比較，可以看出的是，由于較大的內(nèi)置電場，峰發(fā)射的低能量側(cè)的半極大處全寬度(FWHM)和低能量發(fā)射邊緣的藍(lán)移減小。圖50B示出了由于圖46的裝置的i型有源區(qū)的大量周期而引起的比圖50A更大的集成亮度。
圖51示意性地描述了內(nèi)置耗盡場5130的影響，所述內(nèi)置耗盡場沿著平行于生長方向5110的距離5140具有勢能5135。無內(nèi)置耗盡場的超晶格帶圖示為空間導(dǎo)帶邊緣5115并且垂直軸5105表示能量。不定域電子波函數(shù)5120憑借通過高勢能AlN勢壘的量子力學(xué)隧穿而耦合在相鄰GaN區(qū)之間。內(nèi)部熱電場和壓電場也被示出并且表示金屬極取向的生長。波函數(shù)5120的隧穿導(dǎo)致容許量子化傳導(dǎo)狀態(tài)的能量微帶5125。線性增加的電勢5130的施加諸如在內(nèi)置耗盡場情況下發(fā)生導(dǎo)致產(chǎn)生空間帶結(jié)構(gòu)5160。在施加了耗盡場5130的情況下所得的超晶格的波函數(shù)生成波函數(shù)5145和5155，所述波函數(shù)不再諧振地耦合到它們最近的相鄰GaN電勢最小值。帶結(jié)構(gòu)5160的量子化容許能態(tài)現(xiàn)在具有離散的能態(tài)5165和5170，所述離散的能態(tài)與微帶能態(tài)5125相比較高。
這種效果可通過在氮極取向生長上施加耗盡電場來修改，其中斯塔克分裂狀態(tài)的能量降低。這例如對于由僅一個單位晶胞類型諸如具有GaN層和AIN層的M:N＝3:6單位晶胞構(gòu)成的氮極p-i-n超晶格裝置來說尤其有用。具有M:N＝3:6單位晶胞的超晶格上的內(nèi)置耗盡場導(dǎo)致發(fā)射能能夠斯塔克移位到較長波長(即，紅移)而不是基本上在周圍的具有M:N＝3:6單位晶胞的p型有源區(qū)和n型有源區(qū)中被吸收。
一般來說，金屬極取向的生長在n-i-p裝置的i型有源區(qū)或i型有源區(qū)的發(fā)射光譜中由于p向上外延層堆疊而產(chǎn)生藍(lán)移。也就是說，對于耗盡電場來說，如圖所示，裝置以以下順序形成：襯底；n型有源區(qū)；i型有源區(qū)；p型有源區(qū)[SUB/n-i-p]。相反，對于形成為p向下外延層堆疊(即，[SUB/p-i-n])的p-i-n裝置來說，在i型有源區(qū)的發(fā)射光譜中觀察到紅移。
相反，氮極取向的生長在n-i-p裝置的i型有源區(qū)的發(fā)射光譜中由于耗盡電場而產(chǎn)生藍(lán)移，并且在p-i-n裝置的i型有源區(qū)的發(fā)射光譜中由于耗盡電場而產(chǎn)生紅移。
本發(fā)明提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多個益處，包括改進(jìn)的光發(fā)射，尤其是在UV和深UV(DUV)波長下。例如，超薄層狀超晶格的使用使得光子能夠垂直地(即，垂直于裝置的層)以及水平地(即，與層平行)發(fā)射。此外，本發(fā)明在電子與空穴波函數(shù)之間提供空間重疊，從而能夠改進(jìn)電子和空穴的復(fù)合。
具體地講，對于紫外裝置的應(yīng)用，GaN證明對于較窄帶隙材料來說極其有益并且AlN對于較寬帶隙材料來說極其有益。GaN在沉積在c平面表面上時本質(zhì)上為垂直發(fā)射材料，而AlN基本上以TM光學(xué)偏振即在子層的平面上發(fā)射。
單位晶胞的第一層和第二層的厚度可用于選擇電子和空穴的量子化能量和導(dǎo)帶中電子的耦合。例如，GaN層的厚度可用于選擇電子和空穴的量子化能量并且AlN層的厚度可控制導(dǎo)帶中電子的耦合。GaN層與AlN層的厚度比可用于選擇超晶格的平均平面內(nèi)晶格常數(shù)的平均值。因此，給定超晶格的光學(xué)躍遷能可通過平均單位晶胞成分和每個單位晶胞的每個層的厚度兩者的選擇來改變。
本發(fā)明的另外的優(yōu)點包括：制造工藝和沉積工藝較為簡單；適于高效光發(fā)射的電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)(諸如所發(fā)射光的波長)可定制；當(dāng)沉積在c平面取向的表面上時，垂直發(fā)射裝置的光學(xué)發(fā)射極化最優(yōu)化；n型傳導(dǎo)區(qū)和p型傳導(dǎo)區(qū)的雜質(zhì)摻雜劑有源得以改善；以及受到應(yīng)變管理的單層使得光學(xué)厚度的超晶格能夠在無過度應(yīng)變累積的情況下形成。例如，非周期性超晶格可用于防止應(yīng)變傳播并且增強光學(xué)提取。
此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，使電子和或空穴載流子空間波函數(shù)在電子空穴復(fù)合區(qū)內(nèi)展開憑借材料體積的增大而改善了載流子捕獲概率，并且還改善了電子和空穴空間波函數(shù)重疊且因此改善了裝置的復(fù)合效率。
在本說明書中，術(shù)語“超晶格”指的是一種層狀結(jié)構(gòu)，所述層狀結(jié)構(gòu)包括多個重復(fù)單位晶胞，所述單位晶胞包括兩個或更多個層，其中單位晶胞中的層的厚度是充分小的，使得在相鄰單位晶胞的對應(yīng)層之間存在顯著的波函數(shù)穿透，以使得電子和/或空穴的量子隧穿可以很容易發(fā)生。
在本說明書中，諸如第一和第二、左側(cè)和右側(cè)、前和后、頂部和底部等的形容詞僅用于將一個要素從另一要素中區(qū)分出來，不必要求由形容詞描述的具體相對位置或順序。例如“包括(comprises)”或“包括(includes)”等詞語不用于限定元件或方法步驟的排他集合。相反，這樣的詞語只限定了本發(fā)明的特定實施方案中所包括的元件或方法步驟的最小集合。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明可按各種方式實現(xiàn)，且給出這一描述僅是為了舉例。
上面對本發(fā)明的各種實施方案的描述以描述的目的提供給本領(lǐng)域技術(shù)人員。這并不意味是窮舉的或?qū)⒈景l(fā)明限制為單個所公開的實施方案。如以上所提及的，通過上面教導(dǎo)，對本發(fā)明的各種可選形式和變化形式對本領(lǐng)域技術(shù)人員都是明顯的。因此，雖然已具體論述了一些替代實施方案，但其他實施方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的或相對容易得出的。因此，本專利說明書旨在包括本文已經(jīng)討論過的本發(fā)明的全部替代、修改和變型以及落在上述本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其他實施方案。
在本說明書中參照任何現(xiàn)有技術(shù)不是并且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是承認(rèn)或者以任何形式暗示這些現(xiàn)有技術(shù)在澳大利也或其他地方構(gòu)成公共常識的一部分。
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