CN106663718A - 光电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括p型有源区和n型有源区。所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成，其中每个超晶格由多个单位晶胞构成。每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。

Description

光电装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月27日提交的且标题为“光电装置(An OptoelectronicDevice)”的澳大利亚临时专利申请号2014902007的优先权，所述申请以引用的方式以其全文并入本文。
技术领域
本发明整体涉及光电装置。具体地讲，本发明涉及以紫外波长发光的光电装置。然而，本发明并不限于紫外波长。
背景技术
虽然已经可以生产光电装置诸如发光二极管(LED)，所述光电装置使用III族金属氮化物半导体材料诸如氮化铝镓(AlGaN)以深紫外(UV)波长(λ≤280nm)发光，但此类LED的光学发射强度迄今为止与可见波长LED相比相对较差。这部分地由于AlGaN半导体材料电子带结构中的固有限制。可以发现的是，在传统LED结构中，深紫外光沿着基本平行于层形成生长轴的方向从晶体AlGaN膜的发射并不是有利的。具体地讲，深紫外LED传统上是使用铝含量高的AlGaN合金而形成，以获得期望光学发射波长所需的带隙。此类铝含量高的成分尤其受到上述限制的影响。
普遍认为的是，此类LED中的较差的深紫外发射强度是由于所沉积的III族金属氮化物半导体材料的低劣晶体结构质量而引起的，低劣的晶体结构质量导致LED具有较差的电行为。与其他技术成熟的III-V族化合物半导体诸如砷化镓铝(GaAlA)相比，III族金属氮化物展现出高至少两个至三个数量级的晶体缺陷。III族金属氮化物的结构质量可通过天然衬底诸如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)上的外延沉积来改善。然而，即使AlN衬底可用，使用铝含量高的AlGaN材料形成的深紫外LED也仍无法沿着垂直方向有效地发光(即，垂直于层平面进行平行光发射)。
对于基于III族金属氮化物的LED的操作，在现有技术中存在另一个问题。III族金属氮化物材料的最高晶体结构质量是使用纤维锌矿晶体结构类型的膜形成的。这些膜以所谓的c平面取向沉积在天然或不相似的六边形晶体对称衬底上。此类c平面取向的III族金属氮化物膜具有在两个不相似AlGaN成分的界面边界处形成极大内部电荷片的独特性质。这些电荷被称为热电荷并且显示在每个层成分不连续性。此外，每个不同的AlGaN成分具有稍微不同的晶格参数，并且因此每个不相似的AlGaN层很容易在界面边界处形成晶体错配位错，如果没有正确地管理，则错配位错传播到所述层的内部。如果不相似的AlGaN层形成为使晶体错配位错最小化，那么生成另一个有问题的内部电荷，称为压电电荷。因此，这些内部热电电荷和压电电荷在它们在LED内生成内部电场时对LED设计提出进一步挑战，这倾向于阻止光生成所需的电荷载流子的复合。
另一个问题是III族金属氮化物材料的固有地高的折射率，这进一步限制了在LED内生成的可从表面逸出的光的量。已进行了大量努力来实现表面纹理化以改进光从表面的逃逸锥。这些解决方案通过改进来自深UV LED的光发射已取得一些成效，但与UV气体灯技术相比时，仍然远远不能实现商业上具有重要意义的光功率密度。即使存在表面纹理化并且使用了光学耦合结构诸如光子带隙图案化结构，UV LED也一直无法沿着垂直方向有效地发光。
现有技术中发现的另一个限制是，与III族金属砷化物半导体相比，III族金属氮化物半导体经由膜沉积而生长非常具有挑战性。即使已使用分子束外延(MBE)和金属有机气相沉积(MOCVD)展示了氮化铟镓(InxGa1-xN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)和氮化铟镓铝(InxGayAl1-x-yN)的令人信服范围的任意合金成分，但大量不相似的成分沉积为LED的单个外延堆叠的一部分仍然存在巨大的技术挑战。实际上，这限制了可使用III族金属氮化物半导体和此类生长技术来实现的带隙构造结构的复杂性和范围。
因此，需要一种用于以UV频率具体地讲深UV频率使用的改进型固态光电装置。进一步需要改进用于构造此类光电装置的成膜方法。
发明内容
本发明的实施方案的优选目的是提供一种光电装置，所述光电装置解决或至少改善了现有技术的一个或多个前述问题和/或提供了有用的商业替代品。
本发明以一种形式，尽管不必是唯一的或实际上最广泛的形式，在于一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括：
p型有源区；以及
n型有源区；
其中：
所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成；
每个超晶格由多个单位晶胞构成；并且
每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。
优选地，所述半导体结构为基本单晶结构。
适当地，所述半导体结构在所述n型有源区与所述p型有源区之间包括i型有源区。
优选地，贯穿所述半导体结构，彼此相邻的单位晶胞具有基本上相同的平均合金含量。
优选地，所述i型有源区具有大于或等于1nm且小于或等于100nm的厚度。
优选地，所述i型有源区具有选自1nm至约10μm范围内的横向宽度。
优选地，所述半导体结构通过沿着预定生长方向的外延层生长来构建。
适当地，所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在每个超晶格内恒定。
适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述半导体结构的很大一部分中恒定。
适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者内沿着所述生长方向是不恒定的。
适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的一部分内沿着所述生长方向周期性地变化。
适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的不同区域内沿着所述外延生长方向周期性地和非周期性地变化。
适当地，所述多个单位晶胞每个的至少两个层每个具有小于或等于6个材料单层的厚度，所述材料的各自层沿着所述生长方向构成。
适当地，所述一个或多个超晶格的至少一部分内的所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层之一沿着所述生长方向包括1至10个原子单层并且各自单位晶胞每个的另外一个或多个层沿着所述生长方向包括总共1至10个原子单层。
适当地，每个超晶格内的每个单位晶胞的不同基本单晶层的全部或大部分沿着生长方向具有1个原子单层至10个原子单层的厚度。
适当地，所述多个单位晶胞每个的所述生长方向上的平均厚度在所述一个或多个超晶格的至少一者内恒定。
适当地，所述n型有源区、所述p型有源区和所述i型有源区的两者或更多者中的所述单位晶胞具有不同的平均厚度。
优选地，每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层具有纤维锌矿晶体对称性并且在所述生长方向上具有晶体极性，所述晶体极性为金属极极性或氮极极性。
适当地，所述晶体极性沿着所述生长方向在空间上变化，所述晶体极性在所述氮极极性与所述金属极极性之间交替地翻转。
适当地，一个或多个超晶格中的每个单位晶胞的每个层具有一定厚度，所述厚度被选择以通过控制所述超晶格的电子带结构中的电子和空穴的量子化能态和空间波函数来控制所述光电装置的电子性质和光学性质。
适当地，所述光电装置被配置为发光装置并且通过由所述p型有源区和所述n型有源区供应的电有源空穴和电子的复合而生成光能，在基本上介于所述p型有源区与所述n型有源区之间的区域中发生所述复合。
适当地，由所述光电装置发出的光为紫外光。
适当地，由所述光电装置发出的光为波长范围为150nm至280nm的紫外光。
适当地，由所述光电装置发出的光为波长范围为210nm至240nm的紫外光。
适当地，所述光电装置发出具有相对于所述生长方向的基本横向磁光学偏振的光。
适当地，所述光电装置作为光学波导操作，其中光在空间上生成并且沿着基本平行于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。
适当地，所述光电装置发出具有相对于所述生长方向的基本横向电场光学偏振的光。
适当地，所述光电装置作为垂直发射腔装置操作，其中光在空间上生成并且沿着基本垂直于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。
适当地，所述垂直发射腔装置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿着所述生长方向设置并且使用沿着所述半导体结构的一个或多个部分在空间上设置的金属反射器而形成。
适当地，所述反射器由光学反射率高的金属制成。
适当地，所述腔由所述反射器之间的光程限定，所述光程小于或等于所述装置所发出的所述光的波长。
适当地，所述波长由包括所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述光学发射能确定并且光学腔模式由所述垂直腔确定。
适当地，所述光学反射率高的金属为铝(Al)。
适当地，所述半导体结构的至少一个区域对所述光能基本上是透明的。
适当地，所述至少一个区域选自所述p型有源区和所述n型有源区的至少一者。
适当地，提供反射器层以改善所述半导体结构内生成的所述光能的向外耦合。
适当地，所述反射器层定位在所述光电装置的顶部以使从所述装置的内部发出的光基本上回射。
适当地，所述光电装置包括所述半导体结构在上面生长的晶体衬底。
适当地，由所述半导体结构生成的光能穿过所述衬底引出所述光电装置。
适当地，缓冲层首先生长在所述衬底上，然后生长所述半导体结构，其中缓冲器充当提供预定平面内晶格常数的应变控制机构。
适当地，所述缓冲层包括一个或多个超晶格。
适当地，透明区邻近所述缓冲层和所述衬底提供，并且所述缓冲层对于从所述装置发出的光能是透明的。
适当地，所述光能穿过所述透明区、所述缓冲层和所述衬底耦合到外部。
适当地，所述p型有源区或所述n型有源区首先生长。
适当地，每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
二元成分单晶半导体材料(AxNy)，其中0<x≤1且0<y≤1；
三元成分单晶半导体材料(AuB1-uNy)，其中0≤u≤1且0<y≤1；
四元成分单晶半导体材料(ApBqC1-p-qNy)，其中0≤p≤1、0≤q≤1且0<y≤1；
其中A、B和C为选自II族和/或III族元素的不同金属原子并且N为选自氮、氧、砷、磷、锑和氟中的至少一者的阳离子。
适当地，每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
III族金属氮化物材料(MxNy)；
III族金属砷化物材料(MxAsy)；
III族金属磷化物材料(MxPy)；
III族金属锑化物材料(MxSby)；
II族金属氧化物材料(MxOy)；
II族金属氟化物材料(MxFy)；
其中0<x≤3且0<y≤4，并且其中M为金属。
适当地，每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
氮化铝(AlN)；
氮化铝镓(AlxGa1-xN)，其中0≤x<1；
氮化铝铟(AlxIn1-xN)，其中0≤x<1；
氮化铝镓铟(AlxGayIn1-x-yN)，其中0≤x<1、0≤y≤1且0<(x+y)<1。
适当地，所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层并未故意掺杂有杂质种类。
适当地，所述n型有源区和/或所述p型有源区的所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层故意地掺杂有一个或多个杂质种类或形成有一个或多个杂质种类。
适当地，所述n型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
硅(Si)；
锗(Ge)；
硅锗(SixGe1-x)，其中0<x<1；
晶体氮化硅(SixNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶体氮化锗(GexNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶体氮化硅铝镓(Siu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；或
晶体氮化锗铝镓(Geu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
适当地，所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
镁(Mg)；
锌(Zn)；
镁锌(MgxZn1-x)，其中0≤x≤1
晶体氮化镁(MgxNy)，其中0<x≤3且0<y≤2；或
氮化镁铝镓(Mgu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
适当地，所述n型有源区或所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
氢(H)；
氧(O)；
碳(C)；或
氟(F)。
适当地，所述一个或多个杂质种类是在生长后经由离子注入结合的。
适当地，所述一个或多个超晶格的所述至少一者的至少一部分包括单轴应变或双轴应变以增强故意掺杂区域的激活能从而改善电子或空穴载流子浓度。
适当地，所述一个或多个超晶格的暴露的或物理蚀刻的层被钝化层覆盖。
适当地，第一横向接触从形成于所述n型有源区的表面上的第一接触层部分地延伸到所述n型有源区中。
适当地，第二横向接触从形成于所述p型有源区的表面上的第二接触层部分地延伸到所述p型有源区中。
适当地，所述第二横向接触被所述第二横向接触与所述p型有源区之间的p型GaN层包围。
适当地，所述第二接触层为金属接触层并且p型接触层形成于所述p型有源区与所述金属接触层之间。
适当地，每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个具有小于或等于维持弹性应变所需的临界层厚度的厚度。
优选地，所述至少两个不同基本单晶层中的一者或多者为不同的基本单晶半导体层。
适当地，所述至少两个不同基本单晶层中的一者或多者为金属层。
通过以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得明显。
附图说明
将附图与以下详细描述合并并且形成说明书的一部分，并且用于进一步说明包括要求保护的本发明的概念的各实施方案，并且解释这些实施方案的各种原理和优点，在附图中，贯穿各个视图，相同的参考数字表示相同或者功能相似的元素。
图1为根据本发明的第一实施方案的示出了光电装置所用堆叠的截面图的图。
图2为根据本发明的第二实施方案的示出了光电装置所用堆叠的截面图的图。
图3为根据本发明的第三实施方案的示出了光电装置的截面图的图。
图4为根据本发明的第四实施方案的示出了光电装置的截面图的图。
图5为根据本发明的第五实施方案的示出了光电装置的截面图的图。
图6为根据本发明的第六实施方案的示出了光电装置的截面图的图。
图7为根据本发明的第七实施方案的示出了光电装置的透视图的图。
图8为根据本发明的第八实施方案的示出了光电装置内的某些光学活动和电子活动的截面图的图。
图9为根据本发明的实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间能量水平相对于沿着生长方向z的距离的曲线图，其中所述p型有源区、所述i型有源区和所述n型有源区中的单位晶胞包括1个GaN单层和2个AlN单层。
图10为示出了针对参考图9所描述的光电装置的量子化最低能量电子空间波函数相对于沿着生长方向的距离z的曲线图。
图11为示出了针对参考图9所描述的光电装置的量子化最低能量重空穴空间波函数相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图12示出了图10的每个量子化电子空间波函数和图11的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图13为示出了图10的每个量子化电子空间波函数和图11的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于对应电子和空穴的组合跃迁能的曲线图。
图14为示出了针对参考图9所述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图。
图15为根据本发明的实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间能量水平相对于沿着生长方向z的距离的曲线图，其中p型有源区和n型有源区中的单位晶胞包括1个GaN单层和2个AlN单层，并且i型有源区中的单位晶胞包括2个GaN单层和4个AlN单层。
图16为示出了针对参考图15所描述的光电装置的量子化最低能量电子空间波函数相对于沿着生长方向的距离z的曲线图。
图17为示出了针对参考图15所描述的光电装置的量子化最低能量重空穴空间波函数相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图18为示出了图16的每个量子化电子空间波函数和图17的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图19为示出了图16的每个量子化电子空间波函数和图17的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于对应电子和空穴的组合跃迁能的曲线图。
图20为示出针对参考图15所描述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图。
图21为根据本发明的实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间能量水平相对于沿着生长方向z的距离的曲线图，其中p型有源区和n型有源区中的单位晶胞包括2个GaN单层和2个AlN单层，并且i型有源区中的单位晶胞包括3个GaN单层和3个AlN单层。
图22为示出了针对参考图21所描述的光电装置的量子化最低能量电子空间波函数相对于沿着生长方向的距离z的曲线图。
图23为示出了针对参考图21所描述的光电装置的量子化最低能量重空穴空间波函数相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图24为示出了图22的每个量子化电子空间波函数和图23的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于沿着生长方向的距离的曲线图。
图25为示出了图22的每个量子化电子空间波函数和图23的量子化重空穴空间波函数的空间重叠积分相对于对应电子和空穴的组合跃迁能的曲线图。
图26为示出了针对参考图21所描述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图。
图27A为III族金属氮化物半导体所用的纤维锌矿晶体结构的视图。
图27B为图27A所示纤维锌矿晶体结构的c平面的视图。
图27C为沿着c轴取向且暴露出Al原子表面的AlN纤维锌矿晶体的透视图。
图28为示出了示例超晶格的层状厚度的优选范围的图表。
图29为根据本发明的实施方案的超晶格的单位晶胞的晶格结构的侧视图。
图30为示出了通过使用GaN和AlN材料而形成的单位晶胞的另外可能实现的图表。
图31为对于每个单位晶胞中的M个GaN单层和N个AlN单层的给定选择来说，超晶格的均衡平面内晶格常数a|| SL的曲线图。
图32为示出了包括两个单位晶胞的结构中存在的原子力中的一些的示意图。
图33为对于每个单位晶胞中的M个GaN单层和N个AlN单层的给定选择来说，超晶格的均衡平面内晶格常数a|| SL的曲线图，其中M＝N。
图34为对于每个单位晶胞中的M个GaN单层和N个AlN单层的给定选择来说，超晶格的均衡平面内晶格常数a|| SL的曲线图，其中N＝2M。
图35为具有100个每个包括5个GaN单层和5个AlN单层的单位晶胞的超晶格的能带结构的所计算部分的曲线图。
图36示出了用于模拟具有恒定单位晶胞长度和成分的超晶格的半无限数量的周期的超晶格。
图37为具有包括1个GaN单层和2个AlN单层的重复单位晶胞的超晶格的横向电场(TE)光学发射光谱的曲线图。
图38为具有包括2个GaN单层和4个AlN单层的重复单位晶胞的超晶格的TE光学发射光谱的曲线图。
图39为具有包括3个GaN单层和6个AlN单层的重复单位晶胞的超晶格的TE光学发射光谱的曲线图。
图40为具有包括4个GaN单层和8个AlN单层的重复单位晶胞的超晶格的TE光学发射光谱的曲线图。
图41为具有包括5个GaN单层和10个AlN单层的重复单位晶胞的超晶格的TE光学发射光谱的曲线图。
图42为对于重空穴跃迁来说将图37至图41每个所示的光学发射光谱进行比较的曲线图。
图43为对于在每个单位晶胞中具有M个GaN单层和N个AlN单层的超晶格的选择来说，容许超晶格导带状态与重空穴状态之间的最低能量跃迁的所计算的光学发射波长的曲线图，其中N＝2M。
图44为对于在每个单位晶胞中具有M个GaN单层和N个AlN单层的超晶格的选择来说，容许超晶格导带状态与重空穴状态之间的最低能量跃迁的所计算的光学发射波长的曲线图，其中M＝N。
图45为在i型有源区中具有25个包括2个GaN单层和4个AlN单层的单位晶胞的半导体结构的导带能和重空穴价带能的曲线图。
图46为在i型有源区中具有100个包括2个GaN单层和4个AlN单层的单位晶胞的半导体结构的导带能和重空穴价带能的曲线图。
图47为在单个曲线图上示出图45和图46的曲线图以进行比较的曲线图。
图48为在内置耗尽电场的影响下在图45中提及的半导体结构的i型有源区内的量子化最低能量电子波函数的曲线图。
图49为在内置耗尽电场的影响下在图46中提及的半导体结构的i型有源区内的量子化最低能量重空穴波函数的曲线图。
图50A为来自图45中提及的装置的i型有源区的发射光谱的曲线图。
图50B为来自图46中提及的装置的i型有源区的发射光谱的曲线图。
图51为示出了内置耗尽场对导带边缘、不定域电子波函数和能量微带的影响的示意图。
本领域技术人员应当了解的是，附图中的元件被简便和清楚地示出，并且不必按比例绘制。例如，附图中的某些元件的尺寸相对于其他元件可能会夸大，以帮助增进对本发明实施方案的理解。
光电装置部件已在附图中在适当处由传统符号表示，仅显示与理解本发明的实施方案有关的那些特定细节，以避免因对于受益于本文描述的益处的本领域技术人员明显的细节而模糊本公开。
具体实施方式
根据一个方面，本发明在于一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构。在优选实施方案中，所述半导体结构通过沿着预定生长方向的生长例如外延层生长而构建。所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成。例如，在其中半导体结构包括超过一个超晶格的情况下，超晶格以连续堆叠的形式形成在彼此顶部。在优选实施方案中，所述一个或多个超晶格为短周期超晶格。所述一个或多个超晶格每个由多个单位晶胞构成，并且所述多个单位晶胞每个包括至少两个不同的基本单晶层。在优选实施方案中，所述至少两个不同的基本单晶层中的一者或多者为不同的单晶半导体层，并且更具体地讲，所述至少两个不同的基本单晶层全部为不同的单晶半导体层。然而，在一些实施方案中，所述至少两个不同的基本单晶层中的一者或多者为金属层。例如，所述金属层可由铝(Al)形成。
所述半导体结构包括p型有源区和n型有源区。所述半导体结构的所述p型有源区提供p型传导性并且n型有源区提供n型传导性。在优选实施方案中，所述半导体结构在所述n型有源区与所述p型有源区之间包括i型有源区以形成p-i-n装置。
在一些实施方案中，所述半导体结构的每个区域为单独的超晶格。然而，在一些替代实施方案中，所述n型有源区、所述p型有源区和/或所述i型有源区为单个超晶格的区域。在其他替代实施方案中，所述有源区、所述p型有源区和/或所述i型有源区每个包括一个或多个超晶格。
在优选实施方案中，所述光电装置为发光二极管或激光器和/或发射紫外光，所述紫外光优选地在150nm至280nm的波长范围内，并且更优选地在210nm至240nm的波长范围内。然而，在替代实施方案中，所述光电装置发射紫外光，所述紫外光优选地在240nm至300nm的波长范围内，并且更优选地在260nm至290nm的波长范围内。当所述光电装置被配置为发光装置时，通过由所述p型有源区和所述n型有源区供应的电有源空穴和电子的复合来生成光能。在基本上介于所述p型有源区与所述n型有源区之间的区域中，例如，在所述i型有源区中或当i型有源区被省去时，在所述p型有源区和所述n型有源区的界面周围发生空穴和电子的复合。
所述一个或多个超晶格中的每个单位晶胞中的每个层具有一定厚度，所述厚度可被选择以通过控制所述超晶格的电子带结构中的电子和空穴的量子化能态和空间波函数来控制所述光电装置的电子性质和光学性质。根据这个选择，可以实现所需电子能和光能。在优选实施方案中，沿着所述多个单位晶胞的每个的所述生长方向的平均厚度在所述一个或多个超晶格中的至少一者内恒定。在一些实施方案中，所述n型有源区、所述p型有源区和所述i型有源区的两者或更多者中的所述单位晶胞具有不同的平均厚度。
在优选实施方案中，所述一个或多个超晶格的至少一部分内的所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层之一沿着所述生长方向包括1至10个原子单层并且各自单位晶胞的每个的另外一个或多个层沿着所述生长方向包括总共1至10个原子单层。在一些实施方案中，每个超晶格内的每个单位晶胞的不同基本单晶层的全部或大部分沿着生长方向具有1个原子单层至10个原子单层的厚度。在一些实施方案中，所述多个单位晶胞每个的至少两个层每个具有小于或等于6个材料单层的厚度，所述材料的各自层沿着所述生长方向构成。在一些实施方案中，每个单位晶胞的厚度是基于单位晶胞的成分而选择的。
所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者内沿着所述生长方向可以是恒定或不恒定的。维持恒定的平均合金含量实现了不相似的超晶格的单位晶胞的有效平面内晶格常数的晶格匹配。在优选实施方案中，贯穿半导体结构，彼此邻近的单位晶胞具有基本上相同的平均合金含量。在一些实施方案中，所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述半导体结构的很大一部分中恒定。
在一些实施方案中，所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的一部分内沿着所述生长方向周期性地和/或非周期地变化。在一些实施方案中，所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的不同区域内沿着外延生长方向周期性地和非周期地变化。
在优选实施方案中，每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层具有纤维锌矿晶体对称性并且在所述生长方向上具有晶体极性，所述晶体极性为金属极极性或氮极极性。在一些实施方案中，所述晶体极性沿着所述生长方向在空间上变化，所述晶体极性在所述氮极极性与所述金属极极性之间交替地翻转。
优选地，每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：二元成分单晶半导体材料(AxNy)，其中0<x≤1且0<y≤1；三元成分单晶半导体材料(AuB1-uNy)，其中0≤u≤1且0<y≤1；四元成分单晶半导体材料(ApBqC1-p- qNy)，其中0≤p≤1、0≤q≤1且0<y≤1。这里，A、B和C为选自II族和/或III族元素的不同金属原子并且N为选自氮、氧、砷、磷、锑和氟中的至少一者的阳离子。
更优选地，每个超晶格中的每个单位晶胞的至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：III族金属氮化物材料(MxNy)；II族金属砷化物材料(MxAsy)；III族金属磷化物材料(MxPy)；III族金属锑化物材料(MxSby)；II族金属氧化物材料(MxOy)；II族金属氟化物材料(MxFy)。这里，0<x≤3且0<y≤4，并且其中M为金属。在一些实施方案中，金属M选自一个或多个II族、III族或IV族元素。例如，每个超晶格中的每个单位晶胞的至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：氮化铝(AlN)；氮化铝镓(AlxGa1-xN)，其中0≤x<1；氮化铝铟(AlxIn1-xN)，其中0≤x<1；氮化铝镓铟(AlxGayIn1-x-yN)，其中0≤x<1、0≤y≤1且0<(x+y)<1。在一些实施方案中，所述至少两个不同基本单晶层之一包括较窄带隙材料并且所述至少两个不同基本单晶层中的另一者包括较宽带隙材料。
在一些实施方案中，每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层中的一者或多者由金属形成。例如，每个单位晶胞可包括铝(Al)层和氮化铝(AlN)层。
在一些实施方案中，所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层例如在所述n型有源区、所述p型有源区和/或所述i型有源区中并不故意掺杂有杂质种类。另选地或另外，所述n型有源区和/或所述p型有源区的所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层故意地掺杂有一个或多个杂质种类或形成有一个或多个杂质种类。例如，所述n型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自：硅(Si)；锗(Ge)；硅锗(SixGe1-x)，其中0<x<1；晶体氮化硅(SixNy)，其中0<x<3且0<y<4；晶体氮化锗(GexNy)，其中0<x<3且0<y<4；晶体氮化硅铝镓(Siu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0；或晶体氮化锗铝镓(Geu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0。例如，所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自：镁(Mg)；锌(Zn)；镁锌(MgxZn1-x)，其中0≤x≤1；晶体氮化镁(MgxNy)，其中0<x≤3且0<y≤2；或氮化镁铝镓(Mgu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1且v>0。所述n型有源区或所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类还可选自：氢(H)；氧(O)；碳(C)；或氟(F)。
所述一个或多个超晶格中的所述至少一者的至少一部分可包括单轴应变、双轴应变或三轴应变以改进激活杂质掺杂的水平。也就是说，通过至少一个晶体方向上的晶体变形的活动，所诱发的应变可使得所述一个或多个超晶格的层中的材料的能带结构有利地变形。所得的导带边缘或价带边缘的能量移位随后可用于使得相对于超晶格的给定杂质掺杂剂的激活能减小。例如，具有纤维锌矿晶格结构的III族氮化物材料诸如p型Mg掺杂GaN可受到基本上平行于c平面且垂直于生长方向的弹性拉伸应变。所得的价带边缘的能量移位导致所述价带边缘与Mg杂质水平之间的能量间隔减小。这个能量间隔被称为空穴的激活能并且是依赖于温度的。因此，经由应变的施加而使得由于杂质掺杂剂引起的特定载流子的激活能减小会显著改善掺杂材料的激活载流子密度。可在超晶格的形成期间在外延材料形成步骤期间选择这个内置应变。例如，GaN外延层如果直接沉积在单晶AlN层上，则可形成为包括拉伸平面内应变。例如，如果在p型有源区中，AlN和Mg掺杂GaN层每个的厚度限于1至7个单层，那么它们均弹性地变形，而不会形成有害的晶体缺陷，诸如界面位错。这里，AlN层将受到平面内压缩应力，而Mg掺杂GaN层将受到平面内拉伸应力。因此，应变可增强包含杂质种类的故意掺杂区中的一者或多者的激活能。这提高了故意掺杂区中的一者或多者的电子或空穴载流子浓度。
图1为根据本发明的一些实施方案的示出了光电装置所用堆叠100的截面图的图。在一个实施方案中，光电装置为发光二极管(LED)。然而，应当了解的是，本发明也可适于制造超发光LED和激光装置，其中合适的反射层或反射镜定位在光电装置中。
堆叠100包括晶体衬底110。在衬底110上，缓冲区112首先生长，接着是半导体结构114。缓冲区112和半导体结构114在箭头101所示的生长方向上形成或生长。缓冲区112包括缓冲层120和一个或多个超晶格130。在优选实施方案中，缓冲区充当提供预定平面内晶格常数的应变控制机构。
半导体结构114按照生长顺序包括n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160。p型接触层170任选地形成于p型有源区160上。第一接触层180形成于p型接触层170上，或如果p型接触层不存在，则形成于p性有源区160上。在优选实施方案中，半导体结构的至少一个区域是对由光电装置发射的光能基本上透明的。例如，p型有源区和/或n型有源区是对所发射的光能透明的。
在优选实施方案中，衬底110具有300μm与1,000μm之间的厚度。衬底110的厚度可基于衬底110的直径来选择。例如，直径为两英寸(25.4mm)且由c平面蓝宝石制成的衬底可具有约400μm的厚度并且直径为六英寸的衬底可具有约1mm的厚度。衬底110可为由n型有源区固有的天然材料制成的天然衬底或由n型有源区不固有的非天然材料制成的非天然衬底。例如，如果n型有源区包括一个或多个III族金属氮化物材料，那么衬底110可由类似的III金属氮化物材料诸如AlN或GaN制成，或由非天然材料诸如Al2O3或Si(111)制成。然而，本领域技术人员应当认识到的是，衬底110可由与衬底110上方形成的层兼容的多种其他材料制成。例如，所述衬底可由晶体金属氧化物材料诸如氧化镁(MgO)或氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、氟化钙(CaF2)、非晶玻璃上的晶体薄膜半导体或金属上的晶体薄膜半导体制成。
缓冲区112充当衬底110与半导体结构114之间的过渡区。例如，缓冲区古112在衬底110与半导体结构114之间在晶格结构方面提供更好的匹配。例如，缓冲区112可包括块状缓冲层，接着是至少一个超晶格，所述超晶格被设计成实现适于使所述装置的半导体结构的一个或多个超晶格沉积所需的平面内晶格常数。
在优选实施方案中，缓冲区112中的缓冲层120具有介于50nm与几个微米之间，且优选地，介于100nm与500nm之间的厚度。缓冲层120可由任何适于使衬底110的晶格结构与一个或多个超晶格的最低层的晶格结构匹配的材料制成。例如，如果一个或多个超晶格的最低层由III族金属氮化物材料诸如AlN制成，那么缓冲层120可由AlN制成。在替代实施方案中，缓冲层120可被省去。
缓冲区112中的一个或多个超晶格130和半导体结构114中的一个或多个超晶格可被视为包括多个单位晶胞。例如，缓冲区112中的单位晶胞132、n型有源区140中的单位晶胞142、i型有源区150中的单位晶胞152和p型有源区160中的单位晶胞162。多个单位晶胞每个包括两个不同的基本单晶层。每个单位晶胞中的第一层被标记为“A”并且每个单位晶胞中的第二层被标记为“B”。
在半导体结构的不同区域中，每个单位晶胞中的第一层和/或第二层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，图1示出了在i型有源区150中比在n型有源区140和p型有源区160中具有更大厚度的第一层和第二层。
n型有源区140提供n型传导性。在优选实施方案中，n型有源区140中的每个单位晶胞142中的第一层142A和第二层142B中的一者或两者掺杂有掺杂剂材料诸如上述材料或由它们形成。在一些实施方案中，掺杂剂材料在每个单位晶胞的第一层和第二层中是不同的。
i型有源区150为光电装置的主要有源区。在优选实施方案中，i型有源区被设计为针对所选择的发射能或波长而优化空间电子和空穴复合。在优选实施方案中，i型有源区150的每个单位晶胞152中的第一层152A和第二层152B的厚度被调整成控制单位晶胞或i型有源区150内的量子力学容许能量。在优选实施方案中，当单位晶胞的每个层的厚度为1至10个单层时，超晶格结构的量子描述和处理是确定电子配置和光学配置必要的。如果具有纤维锌矿晶体对称性且进一步具有极性的III族金属氮化物材料用于形成这些层，那么在单位晶胞和一个或多个超晶格的每个异质结上存在多个内部电场。这些内置电场由于每个异质结上存在的自发电荷和压电电荷而形成。沿生长方向的复合空间带结构使得导带和价带发生非平凡的电势变化，所述电势变化通过单位晶胞的层之间的成分的空间变化来调整。这种空间变化大约为所述导带和所述价带内的各自载流子的德布罗意波长并且因此需要对一个或多个超晶格内的所产生的受限能量水平和空间概率分布(本文中定义为载流子波函数)进行量子处理。
此外，半导体结构的晶体极性优选地选自沿着例如由III族金属氮化物材料形成的一个或多个超晶格的生长方向101的金属极或氮极生长。取决于半导体结构的晶体极性，i型有源区150的至少一部分可进一步选择以优化光学发射。例如，沿着生长方向101的金属极取向生长可用于在包括交替的GaN层和AlN层的n-i-p堆叠的i型有源区中形成超晶格。当n-i-p堆叠中的n型有源区最靠近衬底形成时，i型有源区将其上具有线性增大的耗尽场，跨越n型有源区与p型有源区之间的距离(例如，参看图9、图15和图21)。所述i型有源区超晶格随后受到由于n-i-p堆叠的内置耗尽场而引起的另一个电场。另选地，i型有源区上的内置耗尽场可以其他配置生成。例如，所述堆叠可为p-i-n堆叠，其中p型有源区160最靠近衬底和/或使用氮极晶体生长取向沿着101生长。
p-n堆叠的耗尽区或p-i-n堆叠的i型有源区150上的所述耗尽场还可部分地设置光电装置的光学发射能和发射波长。在优选实施方案中，i型有源区中的每个单位晶胞的第一层152A和第二层152B之一或二者是无掺杂的或非故意掺杂的。在优选实施方案中，i型有源区150具有小于或等于100nm的厚度和大于或等于1nm的厚度。i型有源区具有选自1nm至约10μm范围内的横向宽度。
i型有源区150的总宽度可被选择以进一步调谐p型有源区160与n型有源区140之间的i型有源区150上的耗尽场强度。取决于n型有源区140和p型有源区160的晶体生长极性、宽度和有效的电子和空穴载流子浓度，耗尽场强度将在从i型有源区发出的光的发射能或波长方面提供蓝移或红移。
p型有源区160提供p型传导性。在优选实施方案中，p型有源区中的每个单位晶胞162中的第一层162A和第二层162B之一或二者掺杂有掺杂剂材料诸如上述材料或由它们形成。
在优选实施方案中，半导体结构中的一个或多个超晶格每个的多个单位晶胞每个的第一层和第二层由III族金属氮化物材料构成。例如，第一层可由氮化铝(AlN)构成，并且第二层可由氮化镓(GaN)构成。然而，应当了解的是，一个或多个超晶格每个的第一层和第二层可由上述材料中的任一材料构成。
在优选实施方案中，一个或多个超晶格的平均合金含量(例如，Al和/或Ga)是恒定的，其中第一层基本上由AlN构成并且第二层基本上由GaN构成。在替代实施方案中，一个或多个超晶格中的一者或多者的平均合金含量是不恒定的。
在一些实施方案中，在半导体结构114和/或堆叠100的全部超晶格中，单位晶胞的平均合金含量相同，但周期在超晶格之间和/或超晶格内变化。维持恒定的平均合金含量实现了不同超晶格的晶格匹配。每个单位晶胞的这种晶格匹配生长能够形成大量周期，而无应变积累。例如，使用n型有源区140的超晶格的特定周期使得n型有源区140对所发射光的波长更透明。在另一个例子中，使用i型有源区150的不同周期将导致光垂直地(即，在与生长方向101相同的平面上)发射。
在另一个实施方案中，一个或多个超晶格具有恒定的平均合金含量和基本上垂直于超晶格层平面的光学发射。例如，垂直发射装置是通过使用具有AIN和AlGaN层的超晶格而形成，其中AlGaN层的Al百分比小于60％。在又一个优选实施方案中，一个或多个超晶格中的多个或全部由包括AlN和GaN的单位晶胞构成，从而实现对于仅两种材料来说以单一生长温度优化的改进的生长工艺。
掺杂可以若干方式结合到一个或多个超晶格的n型有源区和/或p型有源区中。在一些实施方案中，掺杂被引入每个单位晶胞的第一层和第二层的仅一者中。例如，Si可被引入单位晶胞的第二层的GaN以形成n型材料或Mg可被引入单位晶胞的第二层的GaN以形成p型材料。在替代实施方案中，掺杂可被引入每个单位晶胞的超过一个层/材料中并且掺杂剂材料可以是在单位晶胞的每个层中不同的。在一些实施方案中，一个或多个超晶格包括单轴应变或双轴应变以修改激活掺杂水平。
在优选实施方案中，半导体结构的一个或多个超晶格包括纤维锌矿晶格结构，优选沿着c轴生长(0001)。在一个或多个超晶格具有纤维锌矿晶格结构的情况下，将单层限定为晶格的六边形单位晶胞的“c”尺寸的一半厚度。在一些实施方案中，半导体结构的一个或多个超晶格包括锌共混晶格结构，优选地沿着(001)-轴生长。在一个或多个超晶格具有锌共混晶格结构的情况下，将一个单层限定为晶格的立方体单位晶胞的“a”尺寸的一半厚度。
虽然在图1中针对半导体结构的每个区域示出了单个超晶格，但应当了解的是，每个区域可包括堆叠在彼此之上的超过一个超晶格。例如，n型有源层140可包括：第一超晶格，其中每个单位晶胞中的各自层具有第一材料成分；以及第二超晶格，所述第二超晶格在所述第一超晶格上生长，其中每个单位晶胞中的各自层具有第二材料成分。在一些实施方案中，堆叠100可包括单个超晶格，所述超晶格包括以下各项中的一者或多者：缓冲区130；n型有源区140；i型有源区150；以及p型有源区160。
在一些实施方案中，一个或多个超晶格中的至少一者是周期性的，这意味着各自超晶格的每个单位晶胞都具有相同的结构。例如，各自超晶格的每个单位晶胞都具有相同数量的层、相同的层厚度和在各自层中相同的材料成分。
在一些实施方案中，一个或多个超晶格中的至少一者为非周期性的，这意味着单位晶胞中的一者或多者都具有不同的结构。差异可能在于每个层所选择的材料、层的厚度、每个单位晶胞中的层的数量或它们的组合。
超晶格可每个具有不同的结构以实现不同的电子性质和光学性质。因此，一个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，堆叠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。在另一个实施方案中，一个或多个超晶格可以是周期性的，而一个或多个超晶格是非周期性的。例如，缓冲区130中的超晶格可以是非周期性的以协助晶格匹配。
p型接触层170，又名空穴注入层，形成于一个或多个超晶格的p型有源区的顶部。第一接触层180形成于p型接触层170上，以使得在第一接触层180与p型有源区160之间形成p型接触层170。在优选实施方案中，第一接触层180为金属接触层。p型接触层170有助于在p型有源区160与第一接触层180之间进行电欧姆接触。在优选实施方案中，p型接触层170由p型GaN制成并且具有介于5nm与200nm之间且优选地介于10nm与25nm之间的厚度。p型接触层170的厚度可以最优化以减少特定光学波长下的光学吸收和/或使得p型接触层170光反射堆叠100的发射波长。
第一接触层180使得堆叠100能够连接到电压源的正极端子。在优选实施方案中，第一接触层180具有介于10nm与几个1000nm且优选地介于50nm与500nm之间的厚度。
第二接触层(未示出)形成于n型有源区140上以连接到电压源的负极端子。在优选实施方案中，第二接触层具有介于10nm与几个1000nm之间且优选地介于50nm与500nm之间的厚度。
第一接触层180和第二接触层可由任何合适的金属制成。在优选实施方案中，第一接触层180由高功函数金属制成以有助于在p型有源区160与第一接触层180之间形成低欧姆接触。如果第一接触层180的功函数是充分高的，那么可能不需要任选的p型接触层170。例如，如果衬底是透明的且绝缘的，由半导体结构发出的光基本上穿过衬底引出并且p型有源区160设置得比n型有源区140离衬底更远，那么第一接触层180应当理想地在操作波长下具有高光学反射率的性质，以使通过所发射的光的一部分穿过衬底回射。例如，第一接触层180可由选自以下各项的金属制成：铝(Al)；镍(Ni)；锇(Os)；铂(Pt)；钯(Pd)；铱(Ir)；以及钨(W)。具体地讲，对于其中堆叠100发射DUV光的深紫外(DUV)操作来说，第一接触层180一般可能不会满足低p型欧姆接触和高光学反射率的双重规格。III族金属氮化物的高功函数p型接触金属一般为不良的DUV波长反射器。铂(Pt)、铱(Ir)、钯(Pd)和锇(Os)为对于Al％较高的III族金属氮化物成分和超晶格来说理想的高功函数p型接触金属。优选地，锇为对于包括III族金属氮化物的p型区来说，优秀的低欧姆接触金属。
然而，对于堆叠100的紫外和DUV操作来说，铝为所有金属中最优选的，因为它具有为150至500nm的大波长范围上最高的光学反射率。一般来说，金属因为光进入金属中的低穿透深度和低损耗而优选作为DUV光学反射器。这能够形成光学微腔结构。相反地，相对低功函数金属诸如铝(Al)、钛(Ti)和氮化钛(TiN)可用于针对n型III族金属氮化物成分和超晶格形成低欧姆金属接触。
应当了解的是，图1所示的堆叠100为光电装置的示例性堆叠，并且堆叠100可以多种其他方式制成。例如，n型有源层140和p型有源层160可倒转，以使得p型层160首先生长。然而，n型有源层140首先生长的原因在于在衬底或缓冲层上使用III族金属氮化物成分生成低缺陷密度的n型超晶格与p型超晶格相比一般挑战性更低。还应当指出的是，缓冲层120和/或缓冲区130为任选的层，并且一个或多个超晶格可在直接生长在衬底110上。然而，一个或多个超晶格在缓冲层120和/或缓冲区130上更容易生长，因为这些层/区的表面一般在晶体的c平面上取向。
在一些实施方案中，缓冲区和相邻的p型或n型有源区为同一超晶格的一部分，其中缓冲区与p型或n型有源区之间的唯一差异在于杂质掺杂剂结合在p型或n型有源区中。在一些实施方案中，第一超晶格在衬底上以充分的厚度生长，以使超晶格以基本上松弛的或独立的状态再现，具有低缺陷密度和预先选择的平面内晶格常数。
在另一个实施方案中，堆叠100可被制造成无i型有源层150，以使得堆叠150形成p-n结而不是图1的p-i-n结。此外，应当了解的是，p型接触层170为任选的，并且第一接触层180可在一个或多个超晶格的p型有源区160上直接生长。然而，使用常规非原地制造技术在p形有源区160上直接制造第一接触层180更加困难。例如，薄但重掺杂的p型接触层170使得外延后工艺更容易且更一致用于金属化以实现欧姆接触。然而，直接进入p型有源区160的无污染的最终外延表面上的原地金属化工艺提供形成第一接触层180的一种替代方式。
在优选实施方案中，一个或多个超晶格在至少一个沉积周期期间顺序地生长。也就是说掺杂剂在外延期间经由共沉积工艺引入。一种替代方法是使一个或多个超晶格的至少一部分在无掺杂剂的情况下物理地生长并且随后在生长后，引入所需掺杂剂。例如，实验发现，n型III族金属氮化物材料通常比p型III族金属氮化物材料在晶体结构质量方面更优越。因此，在一些实施方案中，p型材料沉积，作为堆叠制造的最终序列。随后可使用一种用于使从表面结合引入的掺杂剂的生长后方法。例如，离子注入和扩散(例如，经由旋涂掺杂剂)，接着是激活热退火。
半导体结构114可以生长，其中极性、非极性或半极性晶体极性沿着生长方向101取向。例如，纤维锌矿晶格结构可生长，其取向为其中c平面的六边形对称性基本上垂直于生长方向。这样形成的单位晶胞层的平面随后据称是在c平面上取向的。离子纤维锌矿晶体如III族金属氮化物进一步形成极性晶体(即，缺乏反演对称性中心的晶体)。这些极性晶体可为沿着垂直于c平面的晶体方向的金属极或氮极。
也可实现其他生长平面取向，这导致沿着生长方向101发生半极性且甚至非极性晶体生长。由III族金属氮化物在非极性取向上形成的半导体结构可以是经由立方体和/或锌共混晶格结构的生长。然而，当半导体结构形成为具有此类晶格结构时，这通常比半导体结构形成为具有纤维锌矿晶格结构的情况更不稳定。例如，III族金属氮化物可以生长，其中在r平面蓝宝石衬底上具有半极性晶体极性，这导致产生一个或多个a平面取向的超晶格。
对于在每个异质结处形成的自发电荷和压电电荷的减少来说，使晶体极性从极性晶体到半极性晶体沿着生长方向是有利的。虽然这样的半极性和非极性晶体极性具有一些优点，但可以发现的是，最高晶体质量的超晶格是使用具有沿着生长方向取向的单晶极性的纤维锌矿晶体结构而形成的。通过在一个或多个超晶格的每个单位晶胞中使有效的合金含量保持恒定而有利地管理内部极化电荷。一旦任何一个单位晶胞或超晶格中的平均合金含量彼此不同，净极化电荷即会累积。这可有利地用于控制一个或多个超晶格中带边缘能相对于费米能的位置。
例如，当第一层和第二层分别由GaN和AlN构成时，纤维锌矿晶格可在单位晶胞层之间的界面上具有电荷极化。通过将一个或多个超晶格用于n型有源区、i型有源区和p型有源区、改变周期以调谐光电装置并使每个单位晶胞中的平均Al含量保持恒定，光电堆叠100中的界面上的电荷极化可以减少。
在另一个实施方案中，单个超晶格结构用于n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160并且超晶格经由双轴应力和或单轴应力受到应变以进一步影响所需的光学和/或电子调谐。
图2为根据本发明的第二实施方案的示出了光电装置所用堆叠200的截面图的图。堆叠200类似于图1的堆叠100，不同的是缓冲区112并不包括一个或多个超晶格130。
图3为根据本发明的第三实施方案的示出了光电装置300的截面图的图。类似于图1和图2的堆叠100和200，光电装置300包括上面形成有缓冲层120和半导体结构114的衬底110。半导体结构114按照生长顺序包括n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160。p型接触层170形成于p型有源区160上并且第一接触层180形成于p型接触层170上。
在图3所示的实施方案中，i型有源区150、p型有源区160、p型接触层170和第一接触层180在n型有源区140上形成台面。图3所示的台面具有直侧壁。然而，在替代实施方案中，所述台面可具有成角度的侧壁。装置300进一步包括形成于n型有源区140上的第二接触层382。在优选实施方案中，第二接触层382在台面周围形成环或回路。第二接触层382使得电压源的负极端子能够连接到n型有源区130。装置300进一步包括钝化层390，所述钝化层覆盖一个或多个超晶格的暴露的或物理蚀刻的层。钝化层390优选由带隙比其覆盖的暴露的或物理蚀刻的层更宽的材料制成。钝化层390使得一个或多个超晶格的层之间的电流泄漏减少。
装置300可作为垂直发射的装置或波导装置操作。例如，在一些实施方案中，光电装置300可表现为垂直发射装置，其中光从i型有源区150的电子空穴复合区的内部穿过n型有源区140和衬底110向外耦合。在优选实施方案中，在光电装置300中向上(例如，沿着生长方向)传播的光也例如从第一接触层180回射。
图4为根据本发明的第四实施方案的示出了光电装置400的截面图的图。光电装置400类似于图3的光电装置300。然而，光电装置包括第一横向接触486和第二横向接触484。
第一横向接触486从第一接触层180部分地延伸进入p型有源区160。在优选实施方案中，第一横向接触486为从第一接触层180延伸进入p型有源区160和(适用时)p型接触层170的环形突出部。在一些实施方案中，第一横向接触486由与第一接触层180相同的材料制成。
第二横向接触484从形成于n型有源区140的表面上的第二接触层482部分地延伸进入n型有源区140。在优选实施方案中，第二横向接触484为从第二接触层382延伸进入n型有源区140的环形突出部。在一些实施方案中，第二横向接触484由与第二接触层382相同的材料制成以改进n型有源区140与第二接触层382之间的导电。
在优选实施方案中，第一横向接触486和第二横向接触484接触半导体结构114中的一个或多个超晶格的多个较窄带隙层，并且因此有效地耦合以用于电荷载流子垂直于层平面的垂直传输和电荷载流子平行于层平面的平行传输。一般来说，层平面上的载流子传输实现比垂直于层平面的载流子传输更高的迁移率。然而，垂直于层平面的有效传输是通过使用薄的较宽带隙层来实现的以促进量子力学隧穿。例如，在包括交替的AlN层和GaN层的超晶格中，可以发现的是，当***的AlN层具有小于或等于4个单层的厚度时，每个GaN层中的相邻容许能态之间的电子隧穿增强。另一方面，空穴(且具体地讲，重空穴)倾向于在它们的各自GaN层中受限并且通过穿过AlN层的隧穿而有效地解耦合，当AlN层具有2个单层或更大的厚度时，其充当势垒。
在优选实施方案中，第一横向接触486和第二横向接触484通过利用与超晶格的层带不连续上的垂直传输相比优越的平面内载流子传输而分别改进第一接触层180与p型有源区160之间和第二接触层482与n型有源区140之间的导电性。第一横向接触484和第二横向接触486可使用3D电杂质区生长后图案化和产生到离散深度而形成。
图5为根据本发明的第五实施方案的示出了光电装置500的截面图的图。光电装置500类似于图4的光电装置400，不同的是光电装置500不包括p型接触层170并且第一横向接触486被第一横向接触486与p型有源区160之间的增强层588诸如p型GaN层包围。增强层588可改善p型有源区160与第一接触层180之间的欧姆连接。增强层588可通过p型有源区160的图案化表面上的选择性区域再生长形成。
图6为根据本发明的第六实施方案的示出了光电装置600的截面图的图。光电装置600类似于图5的光电装置500。然而，第一接触层680是环形的并且反射器层692被提供以改进在半导体结构内生成的光能的向外耦合。反射器层692被定位在光电装置600的顶部以使从光电装置600的内部发出的光基本上回射。
在优选实施方案中，钝化层390也被提供在由第一接触层680形成的环形物内，并且反射器692形成在钝化层390的顶部。在替代实施方案中，反射器692可形成于p型有源区160的顶部，或如果存在的话，定位在p型接触层170上。
图7为根据本发明的第七实施方案的示出了光电装置700的透视图的图。光电装置700类似于图6的光电装置600。然而，光电装置700包括缓冲区130并且钝化层390未示出。第一接触层680和反射层692示为在台面上位于p型有源区160上方。第二接触层382形成于缓冲区130上作为台面周围的环形物。
图8为根据本发明的第八实施方案的示出了光电装置800的截面图的图。光电装置800类似于图6的光电装置600。然而，光电装置并不包括增强层588。
如图8所示，一旦在第一接触层680与第二接触层382之间施加了外部电压源和电流源，空穴802即被注入p型有源区并且例如在点808处与n型有源区140中生成的电子804复合。所注入的电子804和空穴802在电子空穴复合(EHR)区809中有利地复合，所述电子空穴复合区在i型有源区150内在空间上大致受限。EHR区809经由电子空穴复合而生成光子，其中光子的能量和光学偏振由一个或多个超晶格的能量动量带结构指示。如图8所示，EHR在可分类为基本上在层平面上或平行于生长方向垂直地的方向上发射光子806A、806B、806C、806D。光也可在其他方向上传播并且可在所述结构内以非平凡的方式传播。一般来说，以基本上垂直的且在逃逸锥内的传播矢量(通过全内反射的角度以及因此材料的折射率确定)生成的光将为可穿过透明衬底110垂直向外耦合的主要光子源。光子806A是沿着大体垂直方向并且沿着与图1所示生长方向101相同的方向发射的。光子806B是沿着大体垂直方向并且沿着与生长方向101相反的方向发射的。光子806C、806D是沿着大体水平方向、平行于装置层例如平行于i型有源区150的层平面发射的。
在图8所示的实施方案中，光子806A中的一些从光学反射器692中反射出来并且通过衬底110离开发光装置800。应当了解的是，在衬底与i型有源区之间添加了合适的反射镜(未示出)或有利的光学腔和折射率不连续性的情况下，所述装置因此可被修改以产生微腔LED或激光器或超发光LED。可以发现的是，超发光通过限制所生成的光耦合进入的可用光学模式的数量而改进光的提取效率。这个有效的光学相空间压缩改进了所述装置的选择性以进行有利的垂直发射。光学腔可使用由缓冲层120、n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160形成的总光学厚度来形成。如果光学腔形成于反射器692与衬底110之间并且沿着生长方向的光学腔的厚度小于或等于发射波长的一个波长，那么所述腔为微腔。这种微腔拥有形成由光学腔模式波长所施加的超发光和稳定波长操作所必要的性质。在本发明的一些实施方案中，来自EHR区809的发射波长等于微腔的最低阶波长腔模式且实现了超发光。第二光学反射器也可包括在缓冲区112内。例如，反射器包括超晶格，所述超晶格具有包括元素Al和AlN层的单位晶胞，在本文称为金属电介质超晶格。
在一些实施方案中，透明区邻近缓冲层120和衬底110提供，并且缓冲层120对于从所述装置发出的光能是透明的。光能通过透明区、缓冲层120和衬底110耦合到外部。光子806C、806D是沿着大体水平方向、平行于装置层例如平行于p型有源区160的层平面发射的。
在一些实施方案中，所述光电装置发出具有相对于所述生长方向基本横向磁光学偏振的光。光电装置作为光学波导操作，其中光在空间上生成并且沿着基本平行于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。
在一些实施方案中，所述光电装置发出具有相对于所述生长方向基本横向磁光学偏振的光。所述光电装置作为垂直发射腔装置操作，其中光在空间上生成并且沿着基本垂直于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。所述垂直发射腔装置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿着所述生长方向设置并且使用沿着所述半导体结构的一个或多个部分在空间上设置的金属反射器而形成。所述反射器可由光学反射率高的金属制成。所述腔由所述反射器之间的光程限定，所述光程小于或等于所述装置所发出的所述光的波长。所述光电装置的所述发射波长由包括所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的光学发射能确定并且光学腔模式由所述垂直腔确定。
图9为根据本发明的实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间能量水平相对于沿着生长方向z的距离的曲线图900。在这个实施方案中，单个超晶格包括光电装置的n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160。所述超晶格的每个单位晶胞包括由两个AIN单层形成的第一层和由一个GaN单层形成的第二层。所述超晶格在n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160的每一者中包括25个单位晶胞。所述超晶格沉积在c平面上，其中金属极晶体生长平行于生长方向取向。由p-GaN制成的p型接触层沉积在p型有源区160上。由理想化的欧姆金属M制成的第一接触层定位在p-GaN接触层上并且由理想化的欧姆金属M制成的第二接触层定位在n型有源区140上。
图9的y轴为eV相对于费米能的能量水平，并且x轴为从衬底基部开始沿着生长方向101的距离，以纳米(nm)为单位。n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160以及所述装置的其他区域/层的位置示为位于x轴上方。迹线910为导带中的区域中心(即，k＝0)能；谷是由于GaN而引起的，并且峰是由于AlN而引起的。曲线图900表明，在迹线910中，导带能Ec k＝0(z)在n型有源区140接近费米能，其中导带能Ec k＝0(z)的谷位于费米能下方。这提供了高度激活的n型有源区。迹线920为价带能；谷是由AlN引起的，并且峰是由GaN引起的。曲线图900表明，在迹线920中，价带能EHH k＝0(z)在p型有源区160中接近费米能，其中价带能EHH k＝0(z)的峰位于费米能上方。这提供了高度激活的p型有源区。金属极取向的生长导致在每个AlN/GaN和GaN/AlN异质结上出现热电电荷和压电电荷。
空间波函数为量子力学中描述粒子的量子态及其行为的概率幅。图10为示出了针对参考图9所描述的光电装置的量子化最低能量电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)相对于沿着生长方向的距离z的曲线图1000。指数i表示不同的波函数。每个量子化波函数均在能带结构内的对应容许量子化本征能量处绘出。高于各自量子化能量水平的非零波函数概率表示电子定位在相关联空间区域中的有限概率。示出导带边缘能Ec k＝0(z)以供参考。
根据曲线图1000明显的是，电子波函数在大量单位晶胞上不定域。这表示高耦合的GaN势阱。薄的AlN势垒(2个单层)实现有效的量子力学隧穿并且因此形成在n型和p型有源区内在空间上受限的能量歧管。注入n型有源区中的电子将沿着生长方向朝向i型有源区有效地传输。容许最低能量波函数在i型有源区内比在n型有源区或p型有源区内更为受限，如i型有源区中的更多局部波函数所证实。单位晶胞的较小厚度迫使量子化能量水平相对接近AlN导带边缘并且因此受到以下影响，即i型有源区上生成的大的耗尽电场使得相邻的邻近GaN电势最小值之间的耦合断开。因此，i型有源区中的电子波函数并不强烈局限于它们的各自GaN电势最小值。
图11为示出了针对参考图9所描述的光电装置的量子化最低能量重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)相对于沿着生长方向的距离的曲线图1100。示出重空穴区域中心价带能EHH k ＝0(z)以供参考。III族金属氮化物材料具有包括能量动量分散的独特价带结构，所述价带结构具有三个不同的带，即，重空穴(HH)带、轻空穴(LH)带和晶体场分割(CF)带。在区域中心，超晶格具有重空穴带，所述重空穴带为三者中的最低能，也就是说EHH k＝0<ELH k＝0<ECH k＝0。对于本文感兴趣的光学工艺来说，仅描述HH带就足够了。在曲线图1100中，明显的是，在p型有源区内存在重空穴波函数ΨHH n＝1(j,z)的相当大的空间不定域，而它们密切限于i型有源区内的GaN电势最小值。再次，所述装置内的内置耗尽电场使得i型有源区内的耦合断开。
图12为示出了导带波函数和HH波函数的空间重叠积分的曲线图1200。所述重叠积分基本上是针对参考图9所述的光电装置的图10的电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)与图11的重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)的每一者相对于沿着生长方向的距离的乘积。根据曲线图1200可以看出的是，电子和空穴在同一位置存在的概率在i型有源区150中比在n型有源区140和p型有源区160中更高。因此，与光电装置的n型有源区140和p型有源区160相比，发射更可能从i型有源区150开始发生。
图13为示出了针对参考图9所述的光电装置的电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)和重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)的重叠积分相对于对应电子和空穴量子化能量水平之间的组合跃迁能的曲线图1300。图13的离散曲线示出了在整个半导体结构内在最低n＝1量子化电子状态与n＝1HH状态之间的容许光学跃迁的能量光谱。曲线图1300因此表明，所述装置能够以约5.3eV的最低能量光学发射进行发射。图13中的发射光谱的宽度表示整个装置上的量子化能量水平的微带宽度。
图14为示出了针对参考图9所述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图1400。图13的离散重叠积分在能量上均匀地加宽以模拟室温下期望的热变化。单独振荡器强度贡献总和被绘制为加宽参数的两个选择的波长的函数。最长的波长和最急剧的跃迁是由于实验观察到的最低能量重空穴激子引起的。如图14所示，最大强度的波长为约230nm，对应于n＝1量子化电子波函数与空穴波函数之间的最低能量跃迁。对图12的参考表明，所生成光的很大一部分来自靠近i型有源区和p型有源区界面附近的区域。图14的阴影区示出了由p型有源区和n型有源区填充的光谱区，所述p型有源区和所述n型有源区具有被占用状态并且因此不可用于光学复合过程。此外，实际发射能是由于最低阶激子淬灭引起的。激子为包括绑定电子空穴对的中间粒子，所述绑定电子空穴对在空间上受限以增强静电结合能。AlN/GaN超晶格中的n＝1激子结合能(EX n＝1)为大约50-60meV并且是由于n＝1电子和n＝1HH波函数的静电吸引而引起的。一般来说，从n＝1激子Eγ n＝1发出的光子的发射能是由Eγ n＝1＝EC n＝1-EHH n＝1-EX n＝1得出的，其中激子结合能使得观察到的发射能减小。
图15为根据本发明的另一个实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间能量水平相对于沿着生长方向z的距离的曲线图1500。在这个实施方案中，形成所述装置的n型有源区140和p型有源区160的超晶格与用于图9的光电装置的相同。然而，在i型有源区150中，每个单位晶胞中的第一层由4个AIN单层形成并且每个单位晶胞中的第二层由2个GaN单层形成。p型区和n型区是使用其中第一层由2个AlN单层形成的第一层和由1个GaN单层形成的第二层的杂质掺杂超晶格形成的。掺杂区因此是对于本征区中形成的n＝1个激子透明的。虽然单位晶胞的周期或厚度在n型和p型有源区与i型有源区之间变化，但是每个区域中的单位晶胞都具有相同的平均合金含量。也就是说，单位晶胞中的Al分数是恒定的。在每个区域中单位晶胞存在25次重复。可以发现的是，也可使用较高数量的单位晶胞重复。包括两个成分物诸如厚度为tGaN的GaN层和厚度为tAlN的AlN层的简单单位晶胞的平均合金含量由xave＝tAlN/(tAlN+tGaN)得出，其中xave表示单位晶胞中这对的有效Al分数。在替代实施方案中，单位晶胞可包括三个或更多个AlGaN成分并且在这样的实施方案中，有效的合金含量可以类似地确定。包括二元、三元和四元材料的其他层成分的平均合金含量可根据一个或多个元素组分来限定。例如，可以确定包括AlN/AlxGa-1xN/GaN或AlN/AlxGa1-xN/AlyInzGa1-y-zN的三个层的三层单位晶胞中的Al分数。在p型有源区上包括任选的p型GaN欧姆接触层。在n型有源区和任选的p型GaN欧姆接触层上提供欧姆金属接触。示出了能带结构，其中在欧姆金属接触之间施加零外部电偏压。
图15的y轴为eV相对于费米能的能量水平，并且x轴为从衬底基部开始沿着生长方向的距离，以纳米(nm)为单位。所述装置的n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160的位置示为位于x轴上方。迹线1510为导带能；谷是由GaN引起的，并且峰是由AlN引起的。单位晶胞中的AlN层和GaN层形成I类超晶格，其中GaN导带的能量比AlN导带边缘的能量更低并且GaN价带的能量比AlN价带边缘的能量更高。也就是说，AlN层为GaN层中的电子和空穴提供势垒。迹线1520为价带能；谷是由AlN引起的，并且峰是由GaN引起的。具体地讲，示出了重空穴价带边缘。图15表明，迹线1510和1520中的峰和谷的周期和振幅在i型有源区150中增大。i型有源区中的单位晶胞中的GaN层和AlN层两者的较大层厚度在每者上方生成较大的内置电场，这是因为金属极异质界面的自发场和压电场而引起的。这种效果是极性纤维锌矿晶体特有的。再次，图15的装置与理想金属接触M接触并且p-GaN接触层使p型有源区160连接到金属接触之一。示出了平带条件，也就是说在接触之间施加零外部偏压，并且因此费米能是沿着生长方向在整个结构上连续的。
图16为示出了针对参考图15所描述的光电装置的量子化最低能量(nSL＝1)电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)相对于沿着生长方向的距离z的曲线图1600。示出导带边缘能Ec k＝0(z)以供参考。
电子波函数在大量相邻的且邻接的单位晶胞上由于n型有源区和p型有源区中的薄的AlN隧道势垒而清晰地展开。i型有源区的较大单位晶胞周期示出了电子波函数到至多最近相邻穿透的明显定位。在i型有源区的禁隙内的超晶格外部无泄漏波函数，如在图10的结构中观察到。因此，从n型有源区注入的电子将会有效地传输穿过n型有源区微带且到i型有源区中。在i型有源区中在最低能量量子化波函数中捕捉到的电子随后可用于与价带中的在空间上重合的nSL＝1重空穴复合。
图17为示出了针对参考图15所描述的光电装置的量子化最低能量重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)相对于沿着生长方向的距离的曲线图1700。示出重空穴价带能边缘EHH k＝0(z)以供参考。再一次，如在图11中观察到，重空穴波函数在n型有源区和p型有源区中的几个单位晶胞上基本上不定域。i型有源区具有比n型有源区和p型有源区更大的单位晶胞周期，和单位晶胞内与p型超晶格区和n型超晶格区相同的平均Al分数。再次，GaN电势最小值产生属于重空穴状态的最低能量价带状态。
图18为示出了最低能量量子化电子和重空穴价带波函数状态之间的空间重叠积分的曲线图1800。所述重叠积分基本上是针对参考图15所述的光电装置的图16的量子化电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)与图17的重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)相对于沿着生长方向的距离的乘积。重叠积分的强度与特定跃迁的振荡器强度成比例。一般来说，如果电子波函数和空穴波函数概率在空间上一致，那么电子空穴复合事件存在有限的概率。容许光学跃迁的能量宽度表示在GaN层之间通过薄的AlN势垒层进行的量子力学隧穿。本征区具有较厚的AlN势垒以及因此减小的导带隧穿。本征区的振荡器强度示为与n型区和p型区相比更强。根据曲线图1800可以看出的是，电子和空穴在同一位置存在的概率在i型有源区150中比在n型有源区140和p型有源区160中更高。因此，与光电装置的n型有源区140和p型有源区160相比，由于电子和重空穴复合而引起的光学发射更可能从i型有源区150开始发生。曲线图1800还表明，与对于参考图9所述的光电装置相比，对于参考图15所述的光电装置，来自i型有源区150的发射概率更高。
图19为示出了针对参考图15所述的光电装置的电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)和重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)的重叠积分相对于对应的最低能量量子化电子和重空穴的组合跃迁能的曲线图1900。
因n＝1激子引起的最低能量光学跃迁因此是由于源自i型有源区的复合而引起的，所述i型有源区具有比p型有源区和n型有源区更大的周期。i型有源区的发射能因此被选择为波长比n型有源区和p型有源区的最低能量吸收的波长更长。这使得i型有源区内所生成的光子能够在覆层区(即，p型有源区和n型有源区)内传播而无吸收(以及因此无损耗)，并且此外使得光能够从装置内部提取出来。
这表示本发明的优选实现，其中半导体结构或装置的区域的发射性质和吸收性质是通过各自超晶格单位晶胞周期的选择来控制。此外，平均合金含量贯穿超晶格区域保持恒定并且因此每个单位晶胞的平面内晶格常数相匹配并且根据生长方向没有发现应变能的积累。这能够实现高晶体质量的超晶格堆叠。此外，在内置电场中由于结构内的极化电荷而不存在不连续性，这使得堆叠的极化稳定。
图20为示出了针对参考图15所述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图2000。图19的离散重叠积分在能量上均匀地加宽以模拟室温下期望的热变化。单独振荡器强度贡献总和被绘制为加宽参数的两个选择的波长的函数。最长的波长和最急剧的跃迁是由于最低能量n＝1重空穴激子而引起的并且在本征区上在空间上受限。如图20所示，最大强度的波长为约247nm，其对于参照图9所述的光电装置来说，比图14中的最大强度的波长更长。
图9和图15的光电装置仅仅在i形有源区的一个或多个超晶格的周期的选择方面是不同的。半导体结构中的全部一个或多个超晶格的全部单位晶胞对于这些例子来说选择为具有固定的平均合金含量。所述平均合金含量被选择为限定为单位晶胞的Al分数。例如，包括1个GaN单层和2个AlN单层的单位晶胞具有Al分数xave＝2/3，并且具有2个GaN单层和4个AlN单层的单位晶胞同等地具有Al分数xave＝4/6＝2/3。再次，仅为了简单起见，在每个区域中使用25个单位晶胞重复。也就是说，不仅仅单位晶胞的平均Al分数确定了形式为AlxaveGa1-xaveN的等阶三元合金成分，而且周期限定了所述单位晶胞的光学发射能。
图21为根据本发明的另一个实施方案的针对光电装置的导带和价带中的空间依赖的能量水平相对于沿着生长方向的距离的曲线图2100。应当理解的是，对区域中心(k＝0)导带和重空穴价带的参考足以描述装置操作。在这个实施方案中，形成n型有源区、i型有源区和p型有源区的一个或多个超晶格类似地由双层单位晶胞构成，所述双层单位晶胞具有AlN层和GaN层，如同参考图9和图15描述的光电装置的情况一样。然而，在图21的情况下，有效Al分数被选择为具有xave＝0.5的较低Al分数。在i形有源区150中，每个单位晶胞的第一层由3个AlN单层形成并且每个单位晶胞的第二层由3个GaN单层形成。n型有源区和p型有源区两者均被选择为还具有xave＝0.5，但被设计为在吸收一开始具有较大的光能，以使它们对于由i型有源区生成的光学发射能基本上透明。p型有源区和n型有源区被选择为具有包括仅2个GaN单层和2个AlN单层的单位晶胞。较薄的GaN层使得导带与价带的最低量子化能量水平之间的能量间隔增大。p型区和n型区使用杂质掺杂超晶格形成。
图21的y轴为相对于费米能的能量水平带图(以电子伏特eV为单位)，并且x轴为从衬底基部开始沿着生长方向的以纳米(nm)为单位的距离。光电装置的n型有源区140、i型有源区150和p型有源区160的空间位置和程度示为位于x轴上方。迹线2110为导带中的区域中心(或最小)能；谷是由于GaN而引起的并且峰是由于AIN引起的。仔细检查表明，金属极结构的内置热电场和压电场在i型有源区中与在n型有源区和p型有源区中是不同的。这是由于i型有源区中的GaN和AlN的较大层厚度而引起的。迹线2120为价带中的空间能量调制；谷是由于AlN而引起的，并且峰是由于GaN引起的。图21表明，迹线2110和2120中的i型有源区150的单位晶胞的周期(示为峰和谷)与图15所示迹线1510和1520所示的单位晶胞周期大致相同。然而，占空比(即，单位晶胞内的相对GaN和AlN层厚度)已改变。再次，所述装置被选择为具有p型有源区和n型有源区，所述p型有源区和所述n型有源区对于i型有源区的发射波长是基本上透明的。
图22为示出了针对参考图21所描述的光电装置的最低能量量子化电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)相对于沿着生长方向的距离的曲线图2200。示出区域中心(k＝0)导带能Ec k＝0(z)以供参考。n型和p型空间区展现出高度耦合的波函数并且形成n＝1超晶格微带。本征区凭借内置耗尽场和较厚AlN势垒而示出仅最近相邻势阱上耦合的电子波函数。
图23为示出了针对参考图21所描述的光电装置的最低能量量子化重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)相对于沿着生长方向的距离的曲线图2300。示出区域中心(k＝0)重空穴价带能EHH k＝0(z)以供参考。p型区和n型区上的重空穴波函数在大量相邻势阱上不定域。相反，i型有源区上的重空穴波函数凭借较大的AlN势垒宽度和内置耗尽场而高度定位到它们的各自势阱。
图24为示出了电子波函数和重空穴波函数的空间重叠积分的曲线图2400。所述重叠积分基本上是针对参考图21所述的光电装置的图22的电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)与图23的重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)相对于沿着生长方向的距离的乘积。所述重叠积分表示各自直接电子和重空穴跃迁的振荡器强度。容许光学跃迁的能量宽度表示在GaN层之间通过AlN势垒层进行的量子力学隧穿。i型有源区具有较厚的AlN势垒以及因此减小的导带隧穿。i型有源区的振荡器强度示为与n型有源区和p型有源区相比更强。根据曲线图2400可以看出的是，电子和空穴在同一空间位置存在的概率在i型有源区150中比在n型有源区140和p型有源区160中更高。因此，与光电装置的n型有源区140和p型有源区160相比，发射更可能从i型有源区150开始发生。曲线图2400还表明，与对于参考图9和图15所述的光电装置相比，对于参考图21所述的光电装置，来自n型有源区140和p型有源区160的发射概率更低。
图25为示出了针对参考图21所述的光电装置的电子空间波函数Ψc n＝1(i,z)和重空穴空间波函数ΨHH n＝1(j,z)的重叠积分相对于对应的最低能量量子化电子和空穴的组合跃迁能的曲线图2500。与n型有源区和p型有源区相比，i型有源区中的最低能量跃迁的更强振荡器强度是由于i型有源区中的电子和重空穴复合而引起的。
图26为示出了针对参考图21所描述的光电装置的发射亮度对波长的曲线图2600。图25的离散重叠积分在能量上均匀地加宽以模拟室温下期望的热变化。单独振荡器强度贡献总和被绘制为加宽参数的两个选择的波长的函数。最长的波长和最急剧的跃迁是由于最低能量n＝1重空穴激子而引起的并且在i型有源区上在空间上受限。如图26所示，最大强度的波长为约262nm，其对于分别参考图9和图15所述的光电装置来说，基本上比图14和图20中的最大强度的波长更长。
以下进一步详细地论述了所述装置的发射波长的调谐和其他方面。
本发明利用一种半导体结构，所述半导体结构优选为晶体并且更优选形成为单晶原子结构。在优选实施方案中，对于紫外光和深紫外光的发射，半导体结构具有纤维锌矿晶体结构，所述纤维锌矿晶体结构由离子键构成并且由一个或多个半导体诸如III族金属氮化物(III-N)半导体或II族金属氧化物(II-VI)半导体形成。
图27A示出了III族金属氮化物半导体所用的纤维锌矿晶体结构。所述纤维锌矿晶体结构包括金属晶***点2715和氮原子位点2720。沿着密勒记号[h k i l]＝[0 0 0 1]方向2750的晶体键的极性示为具有氮极性键2725的氮极晶体取向。所述结构可通过镜面反射2760反转并且变为金属极取向晶体。如果晶体轴2750被视为生长方向[0 0 0 1]那么c平面(0 0 0 1)被识别为标记为2730的面。水平晶体轴线2760为穿过具有[1 1 -2 0]方向的纤维锌矿晶体的高度对称片之一。
图27B示出了其中金属原子终止表面的c平面2730的视图。c平面的氮原子表面终端也是可能的。晶体方向2760和2780以密勒记号分别表示[1 1 -2 0]和[0 0 1 -1]方向。突然的表面终端进一步进行下部对称结合图案的表面重建。这些表面重建使得渐增的表面能最小化，但最终当重建表面随后利用纤维锌矿晶体结构中的另外材料生长过度时，在大多数层内形成基本上理想化的晶体结构。理想的金属终端表面展现出识别为具有平面内晶格常数2790的等边的六边形2785的六边形c平面晶体晶胞。晶体基本重复单元随后由参数化为晶格常数a、标记为2790的纤维锌矿晶胞和高度c的在图27A中标记为2705或2710的六边形柱来表征。例如，无应变的AlN外延层具有且对于沉积在c平面上的膜来说，一个单层(1ML)在本文限定为等于1ML＝c/2。
图27C示出了沿着c轴2750取向并且进一步暴露出Al原子表面的AlN纤维锌矿型晶体2770的透视图。Al终端表面完全位于c平面2730上，其中纤维锌矿晶体单位晶胞由六边形2760限定。沿方向2750的垂直厚度示出了四个AlN材料单层和相关联晶体取向。例如，在一些实施方案中，衬底上的c平面取向的外延沉积可包括使多个单层膜以高均匀度沉积，所述单层膜沿着方向2760和2780，跨过衬底表面区域横向地延伸。
图28为示出了示例超晶格的分层厚度的优选范围的图表2800。超晶格的单位晶胞包括分别专门由GaN和AlN的二元成分形成的两个层。例如，超晶格由沉积在c平面上的纤维锌矿GaN和AlN膜形成，如图27C的理想化空间部分示意性地示出。图28的图表2800示出了所列出的列，其中项AIN厚度为沿着c轴的单层N的总数量，并且物理厚度以埃为单位(注意，)。类似地，行列出了GaN的整个单层M，其中表条目计算出单位晶胞的周期厚度：ΛSL＝M.(1ML GaN)+N.(1ML AlN)＝M.cGaN/2+N.cAlN/2。
其中单位晶胞重复Np次并且沿着生长方向具有恒定Al分数的超晶格可限定为具有M个和N个单层的GaN和AlN对，为了方便起见在本文写为M:N。
图29示出了具有4:4超晶格的一个单位晶胞的晶格结构，其中4个GaN单层2940在4个AlN单层2930上沿着限定生长方向的c轴2750外延地沉积。Al原子位点示为大的白色球体2905，Ga原子位点描绘为大的灰色球体2920并且氮原子位点示为小的黑色球体2910和2925。AlN/GaN异质界面2935可因为具有纯Ga或Al金属终端而是突然的或可以是在平面2935中具有Ga和Al原子的随机分布的混杂界面。GaN外延层2940的垂直高度由于由晶体单位晶胞的弹性变形而高于下部AlN外延层2930。独立式超晶格单位晶胞2900理想情况下未展现出任何界面位错(即，错配位错)并且在平面内拉伸应变状态下具有AlN层并且在平面内压缩应变状态下具有GaN外延层。弹性变形的不相似外延层理想情况下以沿着c轴2750的厚度(低于临界层厚度(CLT))沉积。CLT为晶格错配材料可沉积在基础晶体上而不形成错配位错的最大厚度。图28的图表2800中公开的全部M:N组合表示此类低于每种材料的CLT而沉积的超晶格单位晶胞。应当注意的是，CLT可在理论上别计算出并且通过实验确定。例如，在MBE中在异质外延期间使用反射高能电子衍射(RHEED)进行的直接原位测量可以高的精度确定CLT。
图30为示出了通过使用如本文所限定的沿c轴沉积的GaN和AlN材料而形成的单位晶胞的另外可能实现的图表3000。图表3000定义了M:N的部分单层对，其中表条目示出了单位晶胞厚度ΛSL。这些单位晶胞厚度可使用III族金属氮化物半导体而应用于深紫外发射器。还可以发现的是，也可使用其他材料成分，并且超过两种包括超晶格单位晶胞的成分是适用的。
图31示出利用仅具有一个GaN层和一个AlN层的单位晶胞来构造的超晶格的均衡平面内晶格常数a|| SL的曲线图3100。曲线图3100示出对于每个单位晶胞中的M个GaN单层和N个AlN单层的给定选择来说，所计算的平面内晶格常数a|| SL。每条曲线均通过N个AIN单层的不同选择而参数化。曲线图3100的曲线可直接用于设计包括不同的单位晶胞M:N对的超晶格LED并在下文进行论述。
图32示意性地示出了包括两个单位晶胞3270和3280的结构3200中存在的原子力。每个单位晶胞均包括两个层并且这两个层每个由不相似材料形成，例如，第一层3230和3250可为GaN层并且第二层3240和3260可为AlN层。这些层通过晶体的外延沉积而形成，其是由于每个相邻层中的不相似晶格常数而引起的弹性变形。如果所述结构沉积在c平面上，那么GaN层3230和3250受到压缩性平面内应力3220并且AlN层3240和3260具有所诱发的拉伸平面内应变3210。使用晶格错配材料而形成的这种超晶格(其中每个单位晶胞的每个层形成为所具有的厚度低于CLT)当利用充分数量的周期形成时，可实现较高的结晶完整性。例如，通过仅使用GaN和AlN材料，一种根据本发明的教导的超晶格形成于块状c平面AlN表面、(0001)取向的蓝宝石表面或另一合适的表面上。在大约10至100个超晶格生长周期后，最终单位晶胞达到理想化的独立平面内晶格常数a|| SL。这是形成关于图1所述的超晶格缓冲器130的一种示例方法。
在本发明的一些实施方案中，半导体结构中的每个超晶格都具有不同的配置，所述配置实现了所选择的光学和电子规格。
实验表明，使每个单位晶胞中的平均合金含量沿着超晶格保持恒定等效于使单位晶胞的平均平面内晶格常数a|| SL恒定。实验还表明，单位晶胞的厚度随后可被选择以实现期望的光学和电子规格。这使得多个不同的超晶格能够具有共同的有效的平面内单位晶胞晶格常数并且因此实现沿着生长方向对应变的有利管理。
图33和图34示出了利用仅具有一个GaN层和一个AlN层的单位晶胞来构造的超晶格的均衡平面内晶格常数a|| SL的曲线图3300和3400。曲线图3300和3400示出了对于每个单位晶胞中的M个GaN单层和N个AlN单层的给定选择来说，所计算的平面内晶格常数a|| SL。每条曲线均通过N个AIN单层的不同选择而参数化。在每个曲线图中提供黑点以示出具有相同平均合金含量的单位晶胞配置。图33的曲线图3300所示的黑点包括M:N组合，其中M＝N并且因此实现了xave SL＝1/2的有效Al分数。图34中的曲线图3400中的黑点包括M:N组合，其中N＝2M并且xave SL＝2/3。
图33和图34的曲线图可尤其适用于设计具有其中单位晶胞专门由沿着c轴沉积且具有纤维锌矿晶体结构的GaN和AlN材料组合构建成的超晶格的半导体结构。
图35示出了包括沿着生长方向z重复的M:N＝5:5单位晶胞的Np＝100周期超晶格的能带结构的所计算部分的曲线图3500。导带边缘3520和重空穴价带边缘3550的空间变化连同能量量子化且在空间上受限的载流子波函数3510和3560一起示出。GaN和AlN层选自保持各自层每个的CLT的厚度，如图30所示。图35表明，电子波函数3510展现出穿过AlN势垒的量子力学隧穿3570的强大趋势，而重空穴波函数3560密切定域在它们各自的GaN电势最小值内。
图36示出了用于模拟具有恒定单位晶胞长度和成分的超晶格的半无限数量的周期的超晶格3600。在所述超晶格中，单位晶胞具有恒定的长度和成分。然而，第一GaN层3605分割成两半并且添加到超晶格的端部3610。应用波函数的周期性边界条件因此模拟半无限数量的周期，同时调查基础99个单位晶胞3620的相互作用性质。在使用了有限元素法和完整k.p理论的情况下，连同最低位超晶格状态的量子化能量一起计算出波函数。如前面所述，根据最低能量(n＝1)导带状态与n＝1重空穴状态之间的重叠积分和能量间隔计算出光学发射光谱。
图37、图38、图39、图40和图41示出了具有xave SL＝2/3且M:N配置分别为1:2、2:4、3:6、4:8和5:10的超晶格的横向电场(TE)光学发射光谱的曲线图。这些曲线图每个示出了与总发射和由于具有容许传导状态的特定价带类型(即，HH、LH或CH)而引起的发射相对应的四条曲线。如先前所述，所需最低能量发射是针对容许导带状态与重空穴状态之间的跃迁的，这满足了平行于c轴和/或生长方向的垂直发射的标准。
图37示出了对于n＝1传导状态和n＝1重空穴状态(EC n＝1-EHH n＝1)的最低能量跃迁3705、n＝1传导状态和n＝1晶体场分割状态(EC n＝1-ECH n＝1)的最低能量跃迁3710以及n＝1传导状态和n＝1轻空穴状态(EC n＝1-ELH n＝1)的最低能量跃迁3715来说，1:2超晶格的发射光谱的曲线图3700。曲线3720示出了观察到的总光谱。发射峰的大的能量宽度从根本上是由于最近邻接GaN电势最小值之间的大的耦合以及因此导带和各自价带中的宽的能量宽度微带的形成而引起的。
图38示出了对于n＝1传导状态和n＝1重空穴状态(EC n＝1-EHH n＝1)的最低能量跃迁3805、n＝1传导状态和n＝1晶体场分割状态(EC n＝1-ECH n＝1)的最低能量跃迁3810以及n＝1传导状态和n＝1轻空穴状态(EC n＝1-ELH n＝1)的最低能量跃迁3815来说，2:4超晶格的发射光谱的曲线图3800。曲线3820示出了观察到的总光谱。与图37相比，发射峰的较小能量宽度是由于最近邻接GaN电势最小值之间的较小耦合以及因此导带和各自价带中的较窄能量宽度微带的形成而引起的。
图39示出了对于n＝1传导状态和n＝1重空穴状态(EC n＝1-EHH n＝1)的最低能量跃迁3905、n＝1传导状态和n＝1晶体场分割状态(EC n＝1-ECH n＝1)的最低能量跃迁3910以及n＝1传导状态和n＝1轻空穴状态(EC n＝1-ELH n＝1)的最低能量跃迁3915来说，3:6超晶格的发射光谱的曲线图3900。曲线3920示出了观察到的总光谱。
图40示出了对于n＝1传导状态和n＝1重空穴状态(EC n＝1-EHH n＝1)的最低能量跃迁4005、n＝1传导状态和n＝1晶体场分割状态(EC n＝1-ECH n＝1)的最低能量跃迁4010以及n＝1传导状态和n＝1轻空穴状态(EC n＝1-ELH n＝1)的最低能量跃迁4015来说，4:8超晶格的发射光谱的曲线图4000。曲线4020示出了观察到的总光谱。
图41示出了对于n＝1传导状态和n＝1重空穴状态(EC n＝1-EHH n＝1)的最低能量跃迁4105、n＝1传导状态和n＝1晶体场分割状态(EC n＝1-ECH n＝1)的最低能量跃迁4110以及n＝1传导状态和n＝1轻空穴状态(EC n＝1-ELH n＝1)的最低能量跃迁4115来说，5:10超晶格的发射光谱的曲线图4100。曲线4120示出了观察到的总光谱。
尤其重要的是(EC n＝1-EHH n＝1)光学跃迁的实现，所述光学跃迁始终为最低能量发射并且因此实现图7所示形式的有效垂直发射装置。
图42示出了图37至图41中绘出的每个M:N对的重空穴跃迁的光学发射光谱的曲线图4200。一般来说，较大的GaN层厚度导致量子化能量水平更接近GaN带边缘并且因此产生较长的发射波长。相反地，较薄的GaN层改善了最低能量量子化导带状态和价带状态的重叠并且因此改善了振荡器强度和发射强度。可以发现的是，对于超过8至10个单层的GaN外延层来说，重叠积分严重退化并且导致不良的光学发射。为了应用于紫外装置和深紫外装置，可以发现的是，图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成分的超晶格单位晶胞的情况下，较短的发射波长是可能的。为了保持发射的TE特征，可以发现的是，AlxGa1-xN(其中x小于或等于0.5)是优选的。
以上可用于设计半导体结构诸如图1至图8的半导体结构。例如，可选择i型有源区、n型有源区和p型有源区的单位晶胞的M:N配置以产生从i型有源区开始的发射波长，所述发射波长比n型有源区和p型有源区的吸收边缘更长。另外，本发明的实施方案可被设计成贯穿半导体结构具有恒定的平均合金分数，这进一步改善了所得结构的晶体质量。
图43和图44示出对于仅包括AlN外延层和GaN外延层的单位晶胞来说，容许超晶格导带状态与重空穴状态之间的最低能量跃迁的计算出的光发射波长的曲线图。图43公开了具有xave SL＝2/3＝0.667的N＝2M超晶格的发射波长，而图44公开了N＝M超晶格和xave SL＝1/2＝0.50的发射波长。曲线4300和4400示出了最低能量光学发射波长作为具有对应M:N配置的单位晶胞周期ΛSL的函数的变化。从曲线图中可以看出的是，光学发射可在宽的和期望的从约230nm跨越到小于300nm的光学范围内调谐。
在一个例子中，半导体结构由不同的超晶格区形成。每个超晶格的单位晶胞都具有Al分数xave SL＝2/3并且专由GaN层和AlN层形成。包括半导体结构的发光装置的所需设计波长为例如λe＝265nm。因此，参考图43，选择i型有源区的M:N＝3:6单位晶胞。所述装置包括使用对于所需设计波长λe基本透明的超晶格单位晶胞而形成在透明衬底顶部的n型有源区。类似地，所述装置包括对于所需设计波长λe基本上透明的p型有源区。n型有源区中的超晶格因此可被选择为具有M:N＝1:2单位晶胞并且p型有源区中的超晶格可被选择为具有M:N＝2:4单位晶胞。这将改进激活重空穴浓度并且向i型有源区中的超晶格的M:N＝3:6单位晶胞的一部分提供改进的空穴波函数注入。
i型有源区可分区为两个不同的超晶格，所述两个超晶格为具有M:N＝2:4单位晶胞的第一超晶格和具有M:N＝3:6单位晶胞的第二超晶格。第一超晶格定位在n型有源区与第二超晶格之间。第二超晶格定位在第一超晶格与p型有源区之间。第一超晶格充当电子能量过滤器用于将优选电子注入由第二超晶格限定的电子空穴复合区(EHR)中。这个配置因此提供电子和空穴贯穿半导体结构的改进的载流子输送。第二超晶格的EHR由于III族金属氮化物中固有的低空穴迁移率而被定位成靠近空穴储层。因此，发光装置可产生为具有半导体结构，所述半导体结构具有[n型1:2/i型2:4/i型3:6/p型2:4]超晶格区域。i型有源区的总厚度也可最优化。
图45和图46示出了对于在n型有源区中包括n型M:N＝1:2单位晶胞的100个周期且在p型有源区中包括p型M:N＝1:2单位晶胞的100个周期的半导体结构来说，沿着生长方向z的，以电子伏特(eV)为单位的导带边缘4510和4610以及重空穴价带边缘4505和4605的曲线图。单位晶胞专门由c平面取向的GaN和AlN单层膜构成，所述GaN和AlN单层膜具有xave SL＝2/3的恒定Al分数。i型有源区类似地具有xave SL＝2/3的恒定Al分数，但具有大的周期以将发射波长调谐为较长的波长。图45示出了在i型有源区4530中具有2:4单位晶胞的25个周期的半导体结构的曲线图，而图46示出了在i型有源区4630中具有2:4单位晶胞的100个周期的半导体结构的曲线图。图45中的由于p型有源区和n型有源区而引起的内置耗尽区电场Ed(z)4520大于图46中的内置耗尽区电场Ed(z)4620。内置耗尽区电场Ed(z)受到i型有源区超晶格的总厚度的影响并将又一个斯塔克移位电势置于超晶格受限状态下。可以发现的是，这个量子受限超晶格斯塔克效应(QC-SL-SE)可用于进一步调谐所述装置的光学性质。
图47在单个曲线图上示出了图45和图46的曲线图进行比较。***p型有源区上方的任选的p-GaN接触层经由所诱发的二维空穴气(2DHG)来固定费米能级。所述装置沿着生长方向z具有金属极性生长取向。
图48示出了在内置耗尽电场的影响下，图45中提及的半导体结构的i型有源区内计算出的最低能量量子化电子波函数4800的曲线图。与无耗尽电场的半导体结构相比，可以观察到的是，波函数为蓝移并且最近相邻物之间的谐振隧穿减少。绘制导带边缘4510作为参考。
图49示出了在内置耗尽电场的影响下，图46中提及的半导体结构的i型有源区内计算出的量子化最低能重空穴波函数4900的曲线图。绘制重空穴带边缘4605作为参考。
图50A和图50B示出来自图45和图46中分别提及的装置的i型有源区的发射光谱的曲线图。图50A示出了最低能量n＝1导带状态和它们的各自HH 5005、LH 5010和CH 5015价带之间的光学跃迁的发射光谱以及图45的装置中的总TE发射光谱5020。图50B示出了最低能量n＝1导带状态和它们的各自HH 5025、LH 5035和CH 5030价带之间的光学跃迁的发射光谱以及图46的装置中的总TE发射光谱5020。
图45的装置由于较薄的i型有源区而具有比图46的装置更大的内置电场。这个较大的内置电场使得i型有源区中的相邻单位晶胞之间的耦合断开，在发射能中产生小的蓝移并使得发射光谱线宽度减小。将图50A和图50B相比较，可以看出的是，由于较大的内置电场，峰发射的低能量侧的半极大处全宽度(FWHM)和低能量发射边缘的蓝移减小。图50B示出了由于图46的装置的i型有源区的大量周期而引起的比图50A更大的集成亮度。
图51示意性地描述了内置耗尽场5130的影响，所述内置耗尽场沿着平行于生长方向5110的距离5140具有势能5135。无内置耗尽场的超晶格带图示为空间导带边缘5115并且垂直轴5105表示能量。不定域电子波函数5120凭借通过高势能AlN势垒的量子力学隧穿而耦合在相邻GaN区之间。内部热电场和压电场也被示出并且表示金属极取向的生长。波函数5120的隧穿导致容许量子化传导状态的能量微带5125。线性增加的电势5130的施加诸如在内置耗尽场情况下发生导致产生空间带结构5160。在施加了耗尽场5130的情况下所得的超晶格的波函数生成波函数5145和5155，所述波函数不再谐振地耦合到它们最近的相邻GaN电势最小值。带结构5160的量子化容许能态现在具有离散的能态5165和5170，所述离散的能态与微带能态5125相比较高。
这种效果可通过在氮极取向生长上施加耗尽电场来修改，其中斯塔克***状态的能量降低。这例如对于由仅一个单位晶胞类型诸如具有GaN层和AIN层的M:N＝3:6单位晶胞构成的氮极p-i-n超晶格装置来说尤其有用。具有M:N＝3:6单位晶胞的超晶格上的内置耗尽场导致发射能能够斯塔克移位到较长波长(即，红移)而不是基本上在周围的具有M:N＝3:6单位晶胞的p型有源区和n型有源区中被吸收。
一般来说，金属极取向的生长在n-i-p装置的i型有源区或i型有源区的发射光谱中由于p向上外延层堆叠而产生蓝移。也就是说，对于耗尽电场来说，如图所示，装置以以下顺序形成：衬底；n型有源区；i型有源区；p型有源区[SUB/n-i-p]。相反，对于形成为p向下外延层堆叠(即，[SUB/p-i-n])的p-i-n装置来说，在i型有源区的发射光谱中观察到红移。
相反，氮极取向的生长在n-i-p装置的i型有源区的发射光谱中由于耗尽电场而产生蓝移，并且在p-i-n装置的i型有源区的发射光谱中由于耗尽电场而产生红移。
本发明提供优于现有技术的多个益处，包括改进的光发射，尤其是在UV和深UV(DUV)波长下。例如，超薄层状超晶格的使用使得光子能够垂直地(即，垂直于装置的层)以及水平地(即，与层平行)发射。此外，本发明在电子与空穴波函数之间提供空间重叠，从而能够改进电子和空穴的复合。
具体地讲，对于紫外装置的应用，GaN证明对于较窄带隙材料来说极其有益并且AlN对于较宽带隙材料来说极其有益。GaN在沉积在c平面表面上时本质上为垂直发射材料，而AlN基本上以TM光学偏振即在子层的平面上发射。
单位晶胞的第一层和第二层的厚度可用于选择电子和空穴的量子化能量和导带中电子的耦合。例如，GaN层的厚度可用于选择电子和空穴的量子化能量并且AlN层的厚度可控制导带中电子的耦合。GaN层与AlN层的厚度比可用于选择超晶格的平均平面内晶格常数的平均值。因此，给定超晶格的光学跃迁能可通过平均单位晶胞成分和每个单位晶胞的每个层的厚度两者的选择来改变。
本发明的另外的优点包括：制造工艺和沉积工艺较为简单；适于高效光发射的电子性质和光学性质(诸如所发射光的波长)可定制；当沉积在c平面取向的表面上时，垂直发射装置的光学发射极化最优化；n型传导区和p型传导区的杂质掺杂剂有源得以改善；以及受到应变管理的单层使得光学厚度的超晶格能够在无过度应变累积的情况下形成。例如，非周期性超晶格可用于防止应变传播并且增强光学提取。
此外，与现有技术相比，使电子和或空穴载流子空间波函数在电子空穴复合区内展开凭借材料体积的增大而改善了载流子捕获概率，并且还改善了电子和空穴空间波函数重叠且因此改善了装置的复合效率。
在本说明书中，术语“超晶格”指的是一种层状结构，所述层状结构包括多个重复单位晶胞，所述单位晶胞包括两个或更多个层，其中单位晶胞中的层的厚度是充分小的，使得在相邻单位晶胞的对应层之间存在显著的波函数穿透，以使得电子和/或空穴的量子隧穿可以很容易发生。
在本说明书中，诸如第一和第二、左侧和右侧、前和后、顶部和底部等的形容词仅用于将一个要素从另一要素中区分出来，不必要求由形容词描述的具体相对位置或顺序。例如“包括(comprises)”或“包括(includes)”等词语不用于限定元件或方法步骤的排他集合。相反，这样的词语只限定了本发明的特定实施方案中所包括的元件或方法步骤的最小集合。应当理解的是，本发明可按各种方式实现，且给出这一描述仅是为了举例。
上面对本发明的各种实施方案的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。这并不意味是穷举的或将本发明限制为单个所公开的实施方案。如以上所提及的，通过上面教导，对本发明的各种可选形式和变化形式对本领域技术人员都是明显的。因此，虽然已具体论述了一些替代实施方案，但其他实施方案对本领域技术人员而言将是明显的或相对容易得出的。因此，本专利说明书旨在包括本文已经讨论过的本发明的全部替代、修改和变型以及落在上述本发明的精神和范围内的其他实施方案。
在本说明书中参照任何现有技术不是并且不应当被认为是承认或者以任何形式暗示这些现有技术在澳大利也或其他地方构成公共常识的一部分。

Claims (36)

1.一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括：
p型有源区；以及
n型有源区；
其中：
所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成；
每个超晶格由多个单位晶胞构成；并且
每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。
2.如权利要求1所述的光电装置，其中所述半导体结构在所述n型有源区与所述p型有源区之间包括i型有源区。
3.如权利要求2所述的光电装置，其中所述i型有源区具有大于或等于1nm且小于或等于100nm的厚度。
4.如权利要求1所述的光电装置，其中所述半导体结构通过沿着生长方向的外延层生长来构建。
5.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在每个超晶格内恒定。
6.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者内沿着所述生长方向是不恒定的。
7.如权利要求6所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的一部分内沿着所述生长方向周期性地变化。
8.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层每个具有小于或等于6个材料单层的厚度，所述材料的各自层沿着所述生长方向构成。
9.如权利要求4所述的光电装置，其中所述一个或多个超晶格的至少一部分内的所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层之一沿着所述生长方向包括1至10个原子单层并且各自单位晶胞每个的另外一个或多个层沿着所述生长方向包括总共1至10个原子单层。
10.如权利要求4所述的光电装置，其中所述n型有源区、所述p型有源区和所述i型有源区的两者或更多者中的所述单位晶胞具有不同的平均厚度。
11.如权利要求4中任一项所述的光电装置，其中每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层具有纤维锌矿晶体对称性并且在所述生长方向上具有晶体极性，所述晶体极性为金属极极性或氮极极性。
12.如权利要求11所述的光电装置，其中所述晶体极性沿着所述生长方向在空间上变化，所述晶体极性在所述氮极极性与所述金属极极性之间交替地翻转。
13.如权利要求4所述的光电装置，其中所述光电装置被配置为发光装置并且通过由所述p型有源区和所述n型有源区供应的电有源空穴和电子的复合而生成光能，在基本上介于所述p型有源区与所述n型有源区之间的区域中发生所述复合。
14.如权利要求13所述的光电装置，其中由所述光电装置发出的光为波长范围为150nm至280nm的紫外光。
15.如权利要求13中任一项所述的光电装置，其中：
所述光电装置发出具有相对于所述生长方向的基本横向电光学偏振的光；并且
所述光电装置作为垂直发射腔装置操作，其中光在空间上生成并且沿着基本垂直于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。
16.如权利要求15所述的光电装置，其中：
所述垂直发射腔装置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿着所述生长方向设置并且使用沿着所述半导体结构的一个或多个部分在空间上设置的金属反射器而形成；
所述反射器由光学反射率高的金属制成；
所述腔由所述反射器之间的光程限定，所述光程小于或等于所述装置所发出的所述光的波长；以及
所述波长由包括所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述光学发射能确定并且光学腔模式由所述垂直腔确定。
17.如权利要求16所述的光电装置，其中所述光学反射率高的金属为铝(Al)。
18.如权利要求13中任一项所述的光电装置，其中：
提供反射器层以改善所述半导体结构内生成的所述光能的向外耦合；并且
所述反射器层定位在所述光电装置的顶部以使从所述装置的内部发出的光基本上回射。
19.如任一权利要求1所述的光电装置，其进一步包括所述半导体结构在上面生长的晶体衬底，其中缓冲层首先生长在所述衬底上，然后生长所述半导体结构，其中缓冲器充当提供平面内晶格常数的应变控制机构。
20.如权利要求19所述的光电装置，其中所述缓冲层包括一个或多个超晶格。
21.如权利要求20所述的光电装置，其中：
透明区邻近所述缓冲层和所述衬底提供，并且所述缓冲层对于从所述装置发出的光能是透明的；并且
所述光能穿过所述透明区、所述缓冲层和所述衬底耦合到外部。
22.如任一前述权利要求所述的光电装置，其中每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
二元成分单晶半导体材料(AxNy)，其中0<x≤1且0<y≤1；
三元成分单晶半导体材料(AuB1-uNy)，其中0≤u≤1且0<y≤1；
四元成分单晶半导体材料(ApBqC1-p-qNy)，其中0≤p≤1、0≤q≤1且0<y≤1；
其中A、B和C为选自II族和/或III族元素的不同金属原子并且N为选自氮、氧、砷、磷、锑和氟中的至少一者的阳离子。
23.如任一前述权利要求所述的光电装置，其中每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
III族金属氮化物材料(MxNy)；
III族金属砷化物材料(MxAsy)；
III族金属磷化物材料(MxPy)；
III族金属锑化物材料(MxSby)；
II族金属氧化物材料(MxOy)；
II族金属氟化物材料(MxFy)；
其中0<x≤3且0<y≤4，并且其中M为金属。
24.如权利要求1所述的光电装置，其中每个超晶格中的每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个包括以下成分中的至少一者：
氮化铝(AlN)；
氮化铝镓(AlxGa1-xN)，其中0≤x<1；
氮化铝铟(AlxIn1-xN)，其中0≤x<1；
氮化铝镓铟(AlxGayIn1-x-yN)，其中0≤x<1、0≤y≤1且0<(x+y)<1。
25.如权利要求1所述的光电装置，其中所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层并未故意掺杂有杂质种类。
26.如权利要求1所述的光电装置，其中所述n型有源区和/或所述p型有源区的所述一个或多个超晶格的每个单位晶胞的一个或多个层故意地掺杂有一个或多个杂质种类或形成有一个或多个杂质种类。
27.如权利要求26所述的光电装置，其中所述n型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
硅(Si)；
锗(Ge)；
硅锗(SixGe1-x)，其中0<x<1；
晶体氮化硅(SixNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶体氮化锗(GexNy)，其中0<x<3且0<y<4；
晶体氮化硅铝镓(Siu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；或
晶体氮化锗铝镓(Geu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
28.如权利要求26所述的光电装置，其中所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
镁(Mg)；
锌(Zn)；
镁锌(MgxZn1-x)，其中0≤x≤1
晶体氮化镁(MgxNy)，其中0<x≤3且0<y≤2；或
氮化镁铝镓(Mgu[AlxGa1-y]zNv)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。
29.如权利要求26所述的光电装置，其中所述n型有源区或所述p型有源区中的所述一个或多个杂质种类选自以下各项：
氢(H)；
氧(O)；
碳(C)；或
氟(F)。
30.如权利要求26所述的光电装置，其中所述一个或多个杂质种类是在生长后经由离子注入结合的。
31.如权利要求26所述的光电装置，其中所述一个或多个超晶格的所述至少一者的至少一部分包括单轴应变或双轴应变以增强故意掺杂区域的激活能从而改善电子或空穴载流子浓度。
32.如权利要求1所述的光电装置，其中第一横向接触从形成于所述n型有源区的表面上的第一接触层部分地延伸到所述n型有源区中。
33.如权利要求32所述的光电装置，其中第二横向接触从形成于所述p型有源区的表面上的第二接触层部分地延伸到所述p型有源区中。
34.如权利要求33所述的光电装置，其中所述第二横向接触被所述第二横向接触与所述p型有源区之间的p型GaN层包围。
35.如权利要求33所述的光电装置，其中所述第二接触层为金属接触层并且p型接触层形成于所述p型有源区与所述金属接触层之间。
36.如权利要求1所述的光电装置，其中每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层每个具有小于或等于维持弹性应变所需的临界层厚度的厚度。
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