本申請(qǐng)要求2014年5月27日提交的且標(biāo)題為“包括N型和P型超晶格的電子裝置(Electronic Devices Comprising N-type and P-type Superlattices)”的澳大利亞臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?014902010和2014年5月27日提交的且標(biāo)題為“N型和P型超晶格及其制造(N-type and P-type Superlattices and Fabrication Thereof)”的澳大利亞臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?014902009的優(yōu)先權(quán)，所述兩個(gè)申請(qǐng)均以引用的方式以其全文并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體、電子裝置及其制造。具體地講，本發(fā)明涉及改變半導(dǎo)體的電性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體制造工藝中，半導(dǎo)體材料的電性質(zhì)諸如傳導(dǎo)類(lèi)型可變化。通常，半導(dǎo)體可摻雜有施主雜質(zhì)以使它們的導(dǎo)電性變?yōu)槠渲写嬖谶^(guò)量電子的n型或摻雜有受主雜質(zhì)以使它們的導(dǎo)電性變?yōu)槠渲写嬖谶^(guò)量空穴的p型。

當(dāng)半導(dǎo)體的電子帶隙E_G顯著大于三個(gè)電子伏特(即，E_G≥3eV)時(shí)，半導(dǎo)體被視為寬帶隙半導(dǎo)體。由III族金屬氮化物材料諸如氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(Al_xGa_1–xN)形成的寬帶隙半導(dǎo)體也因?yàn)樗鼈兊母叱尚螠囟榷Q(chēng)為耐火材料。應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語(yǔ)III族金屬指的是從元素周期表的硼族元素中選出的原子。特別感興趣的是III族金屬氮化物材料，其可能通常摻雜有施主雜質(zhì)種類(lèi)諸如IV族原子種類(lèi)(例如，硅(Si))以使導(dǎo)電性變?yōu)閚型。相反地，III族金屬氮化物摻雜有受主雜質(zhì)諸如II族原子種類(lèi)(例如，鎂(Mg))以使導(dǎo)電性變?yōu)閜型。由III族金屬氮化物材料形成的半導(dǎo)體用于制造電子裝置諸如大功率晶體管和光學(xué)裝置諸如發(fā)光二極管(LED)。

在裝置中使用III族金屬氮化物材料的一個(gè)問(wèn)題是在傳統(tǒng)裝置制造工藝中，很難在鋁(Al)含量相對(duì)高的III族金屬氮化物材料諸如Al_xGa_1–xN(其中x大于約0.5)中實(shí)現(xiàn)高水平的激活摻雜密度。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在所有III族金屬氮化物半導(dǎo)體中，尤其很難獲得電子級(jí)水平的激活p型摻雜(N_A≥10¹⁸cm^-3)，這對(duì)于A(yíng)l％較高的膜來(lái)說(shuō)加劇。由Al_xGa_1–xN和Al_yIn_1–yN形成的Al％較高的膜，分別對(duì)于x≥0.6且y≥0.7的情況來(lái)說(shuō)，晶體動(dòng)量區(qū)中心附近(即，直接間隙的附近)的價(jià)帶的能量排序經(jīng)歷了躍遷。這使得對(duì)于電子裝置和光電裝置來(lái)說(shuō)，高水平的激活空穴的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。

共沉積技術(shù)通常用于將所選擇的摻雜劑雜質(zhì)結(jié)合到塊狀A(yù)l_xGa_1–xN材料中。然而，這些技術(shù)往往不能達(dá)到預(yù)期的激活摻雜密度。在塊狀I(lǐng)II族氮化物膜外延形成期間共沉積的摻雜劑雜質(zhì)趨向于偏析到生長(zhǎng)膜的表面或不容易結(jié)合到III族金屬氮化物晶體結(jié)構(gòu)的替代性金屬晶格部位。因此，雜質(zhì)摻雜劑并不很好地結(jié)合到基質(zhì)III族金屬氮化物材料中。據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了在III族金屬氮化物薄膜中實(shí)現(xiàn)充分的電激活摻雜劑濃度，需要在外延層形成期間加入相對(duì)高水平的雜質(zhì)原子摻雜劑，以補(bǔ)償所述雜質(zhì)摻雜劑的不良結(jié)合，典型地超過(guò)溶解度極限。在同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)的過(guò)程中還存在進(jìn)一步的基本折中選擇：(i)高度電激活的摻雜劑濃度；以及(ii)高品質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)膜。也就是說(shuō)，在共沉積期間需要摻雜劑種類(lèi)的高入射通量以將可用雜質(zhì)原子的至少一部分(通常為1-10％)結(jié)合到生長(zhǎng)III族金屬氮化物膜中，這是以所得III族金屬氮化物膜的結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低的不利代價(jià)而實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于寬帶隙半導(dǎo)體中的常規(guī)雜質(zhì)原子摻雜還具有另一個(gè)基本限制，且特別是對(duì)于III族金屬氮化物半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)。即使在基質(zhì)晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了III族金屬部位的理想替代摻雜，施主或受主的激活能E_act(D,A)通常較大，并且因此在室溫下，僅可用過(guò)剩載流子的一小部分在基質(zhì)內(nèi)激活。

發(fā)光裝置通常是基于相對(duì)載流子類(lèi)型即電子和空穴在固定帶隙半導(dǎo)體材料的給定空間區(qū)內(nèi)的量子力學(xué)復(fù)合。光學(xué)帶隙，其限定所述復(fù)合區(qū)，控制由電子和空穴的能量的轉(zhuǎn)換而形成的光子發(fā)射光能。電子和空穴的供給由p型和n型儲(chǔ)層提供，并且通常以PIN二極管的層狀結(jié)構(gòu)配置。PIN二極管包括p型層(空穴儲(chǔ)層)、本征層和n型層(電子儲(chǔ)層)。復(fù)合工藝基本上在本征區(qū)內(nèi)發(fā)生并且一般形成為非故意摻雜(NID)的半導(dǎo)體。通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娖?，電子和空穴被同時(shí)注入到PIN二極管的本征層。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可使用PN結(jié)二極管。

此外，當(dāng)III族金屬氮化物材料用于常規(guī)地制造紫外線(xiàn)(UV)LED時(shí)，UV LED是使用所選擇的III族金屬氮化物的不同成分的多個(gè)層構(gòu)造，從而形成所謂異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的UV PIN或PN LED中，較寬帶隙的III族金屬氮化物材料用于形成LED的p型區(qū)和n型區(qū)中的至少一者，并且較窄帶隙的III族金屬氮化物材料用于形成LED的有源復(fù)合區(qū)。需要較寬帶隙區(qū)以便在所述裝置的外部提供低吸收率耦合件。也就是說(shuō)，光生光必須能夠從LED的內(nèi)部區(qū)逸出。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)UV LED的一個(gè)問(wèn)題是，在任何III族金屬氮化物異質(zhì)結(jié)上，例如，在較寬帶隙與較窄帶隙之間的界面上，III族金屬氮化物材料形成極大的內(nèi)部極化場(chǎng)(諸如自發(fā)極化場(chǎng)和壓電場(chǎng))。這些內(nèi)部極化場(chǎng)干擾了電荷載流子諸如電子和空穴在LED的有源區(qū)內(nèi)的分布和傳輸，并且因此載流子復(fù)合由于極大的內(nèi)部電極化場(chǎng)而顯著減少，內(nèi)部電極化場(chǎng)傾向于抑制電子和空穴的理想空間定位。實(shí)際上，內(nèi)置的電極化場(chǎng)傾向于使電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)在復(fù)合區(qū)中在空間上分離。也就是說(shuō)，電子和空穴的電子空間概率分布(本領(lǐng)域技術(shù)人員稱(chēng)為量子力學(xué)波函數(shù))并不對(duì)準(zhǔn)并且因此所謂的重疊積分嚴(yán)重減弱，因而復(fù)合顯著減少。因此，與其中不存在內(nèi)部電極化場(chǎng)的等效情況相比，從LED發(fā)出的光量大幅減少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

迫切需要克服傳統(tǒng)III族金屬氮化物發(fā)光裝置的上述限制。需要新的方法來(lái)在A(yíng)l含量高的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料中提供所需傳導(dǎo)類(lèi)型，使得雜質(zhì)激活水平較高(即，N_A,D>10¹⁸cm^-3))并且需要新的方法來(lái)增強(qiáng)UV LED的發(fā)光效率。

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，在于一種超晶格。具體地講，所設(shè)計(jì)的層狀單晶結(jié)構(gòu)形成一種超晶格。所述超晶格提供p型導(dǎo)電性或n型導(dǎo)電性，并且包括交替的基質(zhì)層和雜質(zhì)層，其中：

所述基質(zhì)層基本上由半導(dǎo)體材料組成；并且

所述雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料或受主材料組成。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體材料為III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。

適當(dāng)?shù)?，多個(gè)所述雜質(zhì)層為基本上由施主材料組成的施主雜質(zhì)層并且多個(gè)所述雜質(zhì)層為基本上受主材料組成的受主雜質(zhì)層。

適當(dāng)?shù)?，所述雜質(zhì)層在施主雜質(zhì)層與受主雜質(zhì)層之間交替。

本發(fā)明以另一種形式，盡管不必是最廣泛的形式，在于一種電子裝置，所述電子裝置包括：

n型超晶格，所述n型超晶格提供n型導(dǎo)電性；以及

p型超晶格，所述p型超晶格提供p型導(dǎo)電性；

所述n型超晶格包括交替的基質(zhì)層和施主雜質(zhì)層，其中：

所述基質(zhì)層基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成；并且

所述施主雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料組成；

所述p型超晶格包括交替的基質(zhì)層和受主雜質(zhì)層，其中：

所述基質(zhì)層基本上由所述III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成；并且

所述受主雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的受主材料組成。

優(yōu)選地，所述電子裝置為紫外線(xiàn)發(fā)光二極管或紫外線(xiàn)光檢測(cè)器。

適當(dāng)?shù)?，所述n型超晶格和所述p型超晶格形成PN結(jié)。

適當(dāng)?shù)?，電子裝置進(jìn)一步在所述n型超晶格與所述p型超晶格之間包括本征區(qū)以形成PIN結(jié)。

適當(dāng)?shù)?，所述超晶格形成為層狀PIN二極管。

適當(dāng)?shù)?，所述本征區(qū)基本上由一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成。

適當(dāng)?shù)?，所述本征區(qū)具有沿生長(zhǎng)方向變化的帶隙。

適當(dāng)?shù)兀霰菊鲄^(qū)包括以下各項(xiàng)中的至少一者：純III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料；III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料，包括至少一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)改性劑，其中所述晶體結(jié)構(gòu)改性劑選自以下各項(xiàng)中的至少一者：氫(H)；氧(O)；碳(C)；稀土金屬或鑭系金屬；以及非故意摻雜的(NID)III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。

適當(dāng)?shù)?，所述p型超晶格和/或所述n型超晶格的周期和/或占空比使得所述p型超晶格和/或所述n型超晶格對(duì)所述本征區(qū)的光子發(fā)射波長(zhǎng)或光子吸收波長(zhǎng)是透明的。

優(yōu)選地，所述電子裝置進(jìn)一步包括鄰近所述n型超晶格的緩沖區(qū)，所述緩沖區(qū)基本上由AlN和/或GaN形成。

適當(dāng)?shù)兀鼍彌_區(qū)具有介于約1nm至約1μm之間的厚度。

適當(dāng)?shù)兀鼍彌_區(qū)的厚度介于10nm與約1μm之間，或更優(yōu)選地，介于100nm與500nm之間。

適當(dāng)?shù)?，所述緩沖區(qū)包括超晶格，所述超晶格包括AlN和GaN與等效于所述III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料的塊狀成分的交替層。

適當(dāng)?shù)?，所述緩沖區(qū)包括具有成分Al_xGa_1-xN，0≤x≤1的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料中的至少一者的三元塊狀合金成分。

適當(dāng)?shù)兀鼍彌_區(qū)包括具有形式(A_xB_1-x)₂O₃的III族金屬氧化物，其中A和B選自Al、In和Ga中的至少兩者。

優(yōu)選地，所述電子裝置進(jìn)一步包括襯底。

優(yōu)選地，所述襯底所用的材料可選自以下各項(xiàng)之一：天然III族金屬氮化物材料諸如AlN或GaN；金屬氧化物材料諸如藍(lán)寶石、氧化鎂(MgO)或氧化鋅(ZnO)；硅(Si)；碳化硅(SiC)；氟化鈣CaF₂)；非晶玻璃上的晶體薄膜半導(dǎo)體；或金屬上的薄膜晶體半導(dǎo)體。

適當(dāng)?shù)?，所述電子裝置在所述n型超晶格與所述襯底之間包括緩沖區(qū)。

適當(dāng)?shù)?，所述電子裝置在所述p型超晶格與所述襯底之間包括緩沖區(qū)。

適當(dāng)?shù)?，電子裝置進(jìn)一步包括鄰近所述p型超晶格的p型接觸層和形成于所述p型接觸層上的p型接觸。

適當(dāng)?shù)?，所述p型接觸對(duì)于所述電子裝置的發(fā)射波長(zhǎng)是基本上反射性的。

適當(dāng)?shù)?，所述p型接觸包括一個(gè)或多個(gè)窗口或開(kāi)口以使得光能夠離開(kāi)所述電子裝置。

適當(dāng)?shù)?，所述電子裝置進(jìn)一步包括鄰近所述n型超晶格形成的n型接觸。

適當(dāng)?shù)?，所述電子裝置進(jìn)一步包括鄰近所述襯底的歐姆接觸層。

適當(dāng)?shù)?，所述襯底和所述歐姆接觸層包括一個(gè)或多個(gè)窗口或開(kāi)口以使得光能夠離開(kāi)所述電子裝置。

適當(dāng)?shù)?，所述電子裝置進(jìn)一步包括鄰近且垂直于所述p型超晶格和所述n型超晶格的鈍化層以隔離傳導(dǎo)路徑。

適當(dāng)?shù)兀鲡g化層由與所述基質(zhì)層的所述III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相比具有更寬帶隙的寬帶隙材料組成。

適當(dāng)?shù)兀鲡g化層基本上由Al_xO_y組成，其中0<x≤2且0<y≤3。

適當(dāng)?shù)?，所述n型超晶格和/或所述p型超晶格受到拉伸應(yīng)變或壓縮應(yīng)變。

適當(dāng)?shù)?，所述n型超晶格或所述p型超晶格具有電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)，并且所述電子波函數(shù)的峰值沒(méi)有在空間上與所述空穴波函數(shù)的峰值對(duì)準(zhǔn)。

適當(dāng)?shù)?，所述p型超晶格和所述n型超晶格各自包括至少10個(gè)基質(zhì)層和至少10個(gè)施主雜質(zhì)層或受主雜質(zhì)層。

適當(dāng)?shù)?，所述p型超晶格的周期和/或所述n型超晶格的周期是統(tǒng)一的。

適當(dāng)?shù)?，所述p型超晶格的周期和/或所述n型超晶格的周期是不統(tǒng)一的。

適當(dāng)?shù)?，所述基質(zhì)層包括非故意摻雜的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。

本發(fā)明以另一種形式，盡管不必是最廣泛的形式，在于一種經(jīng)由成膜工藝制作p型超晶格或n型超晶格的方法，所述方法包括以下步驟：

a.將襯底裝載到反應(yīng)室中；

b.將所述襯底加熱到成膜溫度；

c.在所述襯底上形成基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成的基質(zhì)層；

d.在所述基質(zhì)層上形成第一氮終端表面；

e.在所述第一氮終端表面上形成基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料或受主材料組成的雜質(zhì)層；

f.在所述雜質(zhì)層上形成氮層以形成第二氮終端表面；

g.在所述第二氮終端表面上形成基本上由所述III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成的基質(zhì)層；

h.重復(fù)步驟(d)至(g)直到所述超晶格達(dá)到所需厚度或包括所需數(shù)量的層。

適當(dāng)?shù)?，所需?shù)量的層為至少10個(gè)基質(zhì)層和至少10個(gè)雜質(zhì)層。

適當(dāng)?shù)?，所述成膜工藝為真空沉積工藝、分子束外延工藝或氣相沉積工藝。

適當(dāng)?shù)?，所述成膜溫度介于約200℃與約1200℃之間。

適當(dāng)?shù)?，所述成膜溫度介于約500℃與約850℃之間。

適當(dāng)?shù)兀龀Ц竦乃鏊韬穸冉橛诩s50nm與約5μm之間。

適當(dāng)?shù)?，反?yīng)室缺乏足夠的氫(H)、氧(O)和碳(C)種類(lèi)，從而不會(huì)影響所述超晶格的電子質(zhì)量或結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

適當(dāng)?shù)?，所述方法包括生長(zhǎng)中斷，用于使用受激分子氮種類(lèi)來(lái)進(jìn)行氮終端表面制備。

適當(dāng)?shù)?，所述基質(zhì)層和所述雜質(zhì)層具有預(yù)定的晶體極性。

適當(dāng)?shù)?，所述預(yù)定的晶體極性為沿著生長(zhǎng)方向的基本上金屬極極性或氮極性。

適當(dāng)?shù)?，所述III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料中的III族金屬包括以摩爾計(jì)至少約50％的Al。

適當(dāng)?shù)?，所述半?dǎo)體材料或III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料選自以下各項(xiàng)中的至少一者：氮化鋁(AlN)；氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)，其中0<x<1；氮化鋁銦(Al_xIn1_-xN)，其中0<x<1；氮化鋁鎵銦(Al_xGa_yIn_1-x-yN)，其中0<x<1、0<y<1且x+y<1。

適當(dāng)?shù)?，所述施主材料選自以下各項(xiàng)中的至少一者：硅(Si)；鍺(Ge)；硅鍺(Si_xGe_1-x)，其中0<x<1；晶體氮化硅(Si_xN_y)其中0<x<3&0<y<4；晶體氮化鍺(Ge_xN_y)，其中0<x<3且0<y<4；晶體氮硅化鋁鎵(Si_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；以及晶體氮化鍺鋁鎵(Ge_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。

適當(dāng)?shù)兀鍪苤鞑牧线x自以下各項(xiàng)中的至少一者：鎂(Mg)；鋅(Zn)；碳(C)；晶體氮化鎂(Mg_xN_y)，其中x>0且y>0；晶體氮化鋅(Zn_xN_y)，其中x>0且y>0；氮化鎂鋁鎵(Mg_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；以及氮化鋅鋁鎵(Zn_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。

適當(dāng)?shù)?，所述施主材料或所述受主材料包括元素周期表的鑭系元素中的原子種類(lèi)中的一者或多者。

適當(dāng)?shù)兀鍪┲鞑牧匣蛩鍪苤鞑牧习ù蟛糠轴?Gd)。

適當(dāng)?shù)?，所述施主材料或所述受主材料選自公式為L(zhǎng)_xN_y的晶體鑭系元素氮化物成分，其中L為鑭系元素原子的至少一個(gè)種類(lèi)并且N為氮，其中0<x≤3且0<y≤2。

適當(dāng)?shù)?，所述施主材料或所述受主材料為氮化釓Gd_xN_y，其中0<x≤3且0<y≤2。

優(yōu)選地，所述超晶格包括至少10個(gè)基質(zhì)層和至少10個(gè)雜質(zhì)層。

適當(dāng)?shù)?，所述基質(zhì)層具有彼此類(lèi)似的厚度和/或所述雜質(zhì)層具有彼此類(lèi)似的厚度。

適當(dāng)?shù)?，后續(xù)基質(zhì)層具有顯著不同的厚度和/或后續(xù)雜質(zhì)層具有顯著不同的厚度。

適當(dāng)?shù)?，所述基質(zhì)層各自具有介于約1nm與約25nm之間的厚度。

適當(dāng)?shù)?，所述基質(zhì)層各自具有至少半個(gè)單層和至多10個(gè)單層的厚度。

適當(dāng)?shù)?，所述雜質(zhì)層各自具有介于約0.25nm與約2nm之間的厚度。

適當(dāng)?shù)兀鲭s質(zhì)層各自具有至少半個(gè)單層和少于五個(gè)單層的厚度。

適當(dāng)?shù)兀鲭s質(zhì)層各自具有至少一個(gè)單層和少于或等于兩個(gè)單層的厚度。

適當(dāng)?shù)?，每個(gè)施主雜質(zhì)層和/或每個(gè)受主雜質(zhì)層為所述施主材料或所述受主材料的原子的單層。

適當(dāng)?shù)?，所述雜質(zhì)層各自形成六邊形晶體網(wǎng)格并且所述基質(zhì)層具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。

適當(dāng)?shù)?，所述半?dǎo)體材料為硅烯或石墨烯。

適當(dāng)?shù)兀鲭s質(zhì)層平面上的所述施主材料或所述受主材料的原子之間的平均間距小于1nm。

適當(dāng)?shù)兀鲭s質(zhì)層平面上的所述施主材料或所述受主材料的原子之間的平均間距為約0.1nm

適當(dāng)?shù)?，后續(xù)雜質(zhì)層隔開(kāi)一定距離，以使得由所述施主材料或所述受主材料的所述原子誘發(fā)的電子勢(shì)阱中的所述電子波函數(shù)和/或所述空穴波函數(shù)在空間上重疊。

附圖說(shuō)明

將附圖與以下詳細(xì)描述合并并且形成說(shuō)明書(shū)的一部分，并且用于進(jìn)一步說(shuō)明包括要求保護(hù)的本發(fā)明的概念的各種實(shí)施方案，并且解釋這些實(shí)施方案的各種原理和優(yōu)點(diǎn)，其中在附圖中，貫穿各個(gè)視圖，相同的參考數(shù)字表示相同或者功能相似的元件。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的超晶格的截面圖。

圖2A為包括單個(gè)施主雜質(zhì)層的超晶格中的最低導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)的能帶圖。

圖2B為包括三個(gè)施主雜質(zhì)層的超晶格中的最低導(dǎo)帶(k＝0,z)的能帶圖。

圖3A為包括三個(gè)受主雜質(zhì)層的超晶格中的晶體場(chǎng)分割(CH)、重空穴HH)和輕空穴(LH)價(jià)帶能的能帶圖。

圖3B為圖3A的CH價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖。

圖3C為圖3A的HH價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖。

圖3D為圖3A的LH價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的根據(jù)一些實(shí)施方案制作超晶格的方法的流程圖。

圖4A為用于形成圖1所示超晶格的快門(mén)調(diào)制序列的示意圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子裝置的截面圖。

圖5B為包括n型超晶格、p型超晶格和本征區(qū)的PIN裝置的空間能帶結(jié)構(gòu)的曲線(xiàn)圖。

圖6為基于圖5所示電子裝置的結(jié)構(gòu)的包括n型接觸和p型接觸的示例LED裝置的截面圖。

圖7為圖6所示示例LED裝置的本征層中的光吸收作為L(zhǎng)ED裝置中的本征層的位置和光波長(zhǎng)的函數(shù)的曲線(xiàn)圖。

圖8A為在p型接觸中具有開(kāi)口以使得光能夠穿過(guò)LED裝置的頂部發(fā)出的示例LED裝置的截面圖。

圖8B為其中n型接觸已替換為歐姆接觸的另一示例LED裝置的截面圖。

圖9為圖8B所示的被適配成具有穿過(guò)襯底和歐姆接觸的窗口的示例LED裝置的截面圖。

圖10A為具有由氮化鋁鎵(Al_0.7Ga_0.3N)組成的基質(zhì)層和由硅(Si)組成的十九個(gè)施主雜質(zhì)層的n型超晶格的導(dǎo)帶能的能帶圖。

圖10B為與圖10A相同的n型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖。

圖11A為在松弛GaN緩沖層上形成有由Al_0.7Ga_0.3N組成的基質(zhì)層和由鎂(Mg)組成的十九個(gè)受主雜質(zhì)層的受到拉伸應(yīng)變的p型超晶格中的導(dǎo)帶能的能帶圖。

圖11B為與圖11A相同的p型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖。

圖12A為在松弛的AlN緩沖層上形成有有由Al_0.7Ga_0.3N組成的基質(zhì)層和由Mg組成的十九個(gè)受主雜質(zhì)層的受到壓縮應(yīng)變的p型超晶格中的導(dǎo)帶能的能帶圖。

圖12B為與圖12A相同的p型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖。

圖13A為與圖12A相同的超晶格中的相對(duì)于導(dǎo)帶繪出的19個(gè)能量最低的量子化電子波函數(shù)的曲線(xiàn)圖。

圖13B為與圖12B相同的超晶格中的相對(duì)于CH帶繪出的19個(gè)能量最低的量子化空穴波函數(shù)的曲線(xiàn)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(jiǎn)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(duì)于其他元件可能會(huì)夸大，以幫助增進(jìn)對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案的理解。

超晶格、電子裝置和方法部件已在附圖中在適當(dāng)處由傳統(tǒng)符號(hào)表示，僅顯示與理解本發(fā)明的實(shí)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)人員容易明顯的細(xì)節(jié)而模糊本公開(kāi)。

具體實(shí)施方式

超晶格

根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明在于一種提供p型或n型導(dǎo)電性的超晶格。所述超晶格包括交替的基質(zhì)層和雜質(zhì)層。所述基質(zhì)層基本上由半導(dǎo)體材料組成，并且所述雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料或受主材料組成。例如，基質(zhì)層由非故意摻雜(NID)的半導(dǎo)體材料形成并且雜質(zhì)層由一種或多種對(duì)應(yīng)的施主材料或受主材料形成。所述超晶格可經(jīng)由成膜工藝形成，如以下參考圖4和圖4A進(jìn)一步描述。在優(yōu)選實(shí)施方案中，超晶格形成為層狀單晶結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，超晶格為短周期超晶格。

超晶格可被視為包括多個(gè)單位晶胞，所述多個(gè)單位晶胞各自由基質(zhì)層和雜質(zhì)層組成。然而，在替代實(shí)施方案中，單位晶胞可包括一個(gè)基質(zhì)層和兩個(gè)或更多個(gè)雜質(zhì)層。超晶格的電性質(zhì)和光性質(zhì)可通過(guò)改變單位晶胞的周期和占空比而變化。在優(yōu)選實(shí)施方案中，超晶格包括具有均勻周期性的單位晶胞。然而，在替代實(shí)施方案中，超晶格包括具有非均勻周期性的單位晶胞。例如，所述周期通過(guò)改變基質(zhì)層和/或雜質(zhì)層的厚度而沿著超晶格線(xiàn)性地變化。

超晶格的周期定義為相鄰雜質(zhì)層或相鄰單位晶胞中的雜質(zhì)層之間的中心間距。每個(gè)單位晶胞的占空比均定義為單位晶胞中基質(zhì)層的厚度與雜質(zhì)層的厚度的比。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，半導(dǎo)體材料為III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。具體地講，半導(dǎo)體材料為III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料，其中III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料中的III族金屬包括以摩爾計(jì)至少約50％的鋁。

超晶格展現(xiàn)出優(yōu)于經(jīng)由傳統(tǒng)方法摻雜的半導(dǎo)體材料的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。超晶格不需要在半導(dǎo)體材料形成期間使摻雜劑雜質(zhì)共沉積并且大幅減少或完全消除摻雜劑雜質(zhì)在成膜工藝期間偏析到半導(dǎo)體材料表面的現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。超晶格還可提供較大過(guò)量的自由載流子。

在基質(zhì)層基本上由Al含量高的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成的情況下，超晶格實(shí)現(xiàn)了高水平的n型或p型導(dǎo)電性并且激活載流子濃度不會(huì)隨著Al含量的增大而顯著減小。因此，本發(fā)明可在A(yíng)l含量高的III族金屬氮化物半導(dǎo)體中提供高度激活的n型或p型導(dǎo)電性。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的包括襯底110和超晶格115的結(jié)構(gòu)100的截面圖。超晶格115形成在襯底110的頂部。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底110所用的材料為c平面取向中的氧化鋁諸如藍(lán)寶石，并且襯底110具有約600μm的厚度。然而，也可使用其他合適的襯底材料或襯底厚度。例如，襯底所用的材料可選自以下各項(xiàng)之一：天然III族金屬氮化物材料諸如AlN或GaN；另一種金屬氧化物材料諸如氧化鎂(MgO)或氧化鋅(ZnO)；硅(Si)；碳化硅(SiC)；氟化鈣(CaF₂)；非晶玻璃上的晶體薄膜半導(dǎo)體；或金屬上的薄膜晶體半導(dǎo)體。

超晶格115包括交替形成的基質(zhì)層120-n和雜質(zhì)層130-n。如圖1的示例所示，超晶格115按順序包括基質(zhì)層120-1、雜質(zhì)層130-1、基質(zhì)層120-2、雜質(zhì)層130-2、基質(zhì)層120-3、雜質(zhì)層130-3和基質(zhì)層120-4。包括基質(zhì)層120-n和相鄰雜質(zhì)層130-n的每一對(duì)組成單位晶胞。例如，基質(zhì)層120-1和雜質(zhì)層130-1一起組成單位晶胞。

在圖1所示的實(shí)施方案中，示出了基質(zhì)層120-n中的四個(gè)和雜質(zhì)層130-n中的三個(gè)(即，三個(gè)半單位晶胞)，但可形成任意數(shù)量的交替的基質(zhì)層120-n和雜質(zhì)層130-n以創(chuàng)建具有厚度t1的超晶格115。例如，在優(yōu)選實(shí)施方案中，超晶格115包括至少10個(gè)單位晶胞并且可包括成百上千個(gè)單位晶胞。超晶格115的厚度t1介于約50nm與約5μm之間。在優(yōu)選實(shí)施方案中，厚度t1為約250nm。

參考圖1所示的放大部分，基質(zhì)層120-n各自具有厚度t2。在優(yōu)選實(shí)施方案中，厚度t2介于約1nm與約25nm之間。在一些實(shí)施方案中，基質(zhì)層各自具有至少半個(gè)單層和至多10個(gè)單層的厚度。雜質(zhì)層130-n各自具有厚度t3。在優(yōu)選實(shí)施方案中，厚度t3介于約0.25nm與約2nm之間。在一些實(shí)施方案中，厚度t3為約1nm。在一些實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n各自具有至少半個(gè)單層和少于五個(gè)單層的厚度。在一些實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n各自具有至少一個(gè)單層和少于或等于兩個(gè)單層的厚度。在優(yōu)選實(shí)施方案中，雜質(zhì)層平面上的施主材料或受主材料的原子之間的平均間距小于1nm并且更優(yōu)選地為約0.1nm。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，基質(zhì)層120-n基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成。III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料由一個(gè)或多個(gè)III族金屬和氮組成。例如，半導(dǎo)體材料可選自以下各項(xiàng)中的至少一者：氮化鋁(AlN)；氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)，其中0<x<1；氮化鋁銦(Al_xIn_1-xN)，其中0<x<1；氮化鋁鎵銦(Al_xGa_yIn_1-x-yN)，其中0<x<1、0<y<1且x+y<1。在優(yōu)選實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)III族金屬包括以摩爾計(jì)至少約50％的鋁。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n基本上由與III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的施主材料或與III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的受主材料組成。然而，在一些替代實(shí)施方案中，多個(gè)雜質(zhì)層為基本上由與半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的施主材料組成的施主雜質(zhì)層并且多個(gè)雜質(zhì)層為基本上由與半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的受主材料組成的受主雜質(zhì)層。例如，雜質(zhì)層可在施主雜質(zhì)層與受主雜質(zhì)層之間交替。

在雜質(zhì)層130-n基本上由施主材料組成的情況下，超晶格提供n型導(dǎo)電性。例如，施主材料可選自以下各項(xiàng)中的至少一者：硅(Si)；鍺(Ge)；硅鍺(Si_xGe_1-x)，其中0<x<1；晶體氮化硅(Si_xN_y)，其中0<x<3且0<y<4；晶體氮化鍺(Ge_xN_y)，其中0<x<3且0<y<4；晶體氮化硅鋁鎵(Si_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；以及晶體氮化鍺鋁鎵(Ge_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。

在雜質(zhì)層130-n基本上由受主材料組成的情況下，超晶格提供p型導(dǎo)電性。例如，受主材料可選自以下各項(xiàng)中的至少一者：鎂(Mg)；鋅(Zn)；碳(C)；晶體氮化鎂(Mg_xN_y)，其中x>0且y>0；晶體氮化鋅(Zn_xN_y)，其中x>0且y>0；氮化鎂鋁鎵(Mg_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0；以及氮化鋅鋁鎵(Zn_u[Al_xGa_1-y]_zN_v)，其中u>0、x>0、0<y<1、z>0且v>0。

在一些實(shí)施方案中，施主材料或受主材料包括元素周期表的鑭系元素中的原子種類(lèi)中的一者或多者。例如，施主材料或受主材料包括大部分釓(Gd)。施主材料或受主材料也可以是公式為L(zhǎng)_xN_y的晶體鑭系元素氮化物成分，其中L為鑭系元素原子的至少一個(gè)種類(lèi)并且N為氮，其中0<x≤3且0<y≤2。更優(yōu)選地，施主材料或受主材料為氮化釓(Gd_xN_y)，其中0<x≤3且0<y≤2。

在一些實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n各自形成六邊形晶體網(wǎng)格并且基質(zhì)層具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，在基質(zhì)層具有纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的情況下，半導(dǎo)體材料為硅烯或石墨烯。

在相鄰基質(zhì)層120-n之間插入的每個(gè)雜質(zhì)層130-n形成空間上受限制的勢(shì)阱片材，這在超晶格115中有效地形成了大量n⁺型或p⁺型材料。例如，在基質(zhì)層120-1與基質(zhì)層120-2之間插入的雜質(zhì)層130-1中形成了第一勢(shì)阱片材。在基質(zhì)層120-2與基質(zhì)層120-3之間插入的雜質(zhì)層130-2中形成了第二勢(shì)阱片材。在基質(zhì)層120-3與基質(zhì)層120-4之間插入的雜質(zhì)層130-3中形成了第三勢(shì)阱片材。勢(shì)阱的位置和幅度可通過(guò)改變雜質(zhì)層130-n的周期性間距d1而變化。周期性間距d1是例如基于用于形成基質(zhì)層120-n的半導(dǎo)體材料的帶隙而確定。

雜質(zhì)層130-n的周期性間距d1可通過(guò)改變基質(zhì)層的厚度t2和/或雜質(zhì)層的厚度t3而變化。在優(yōu)選實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n的周期性間距d1介于約0.1nm與約10nm之間。

在圖1所示的實(shí)施方案中，基質(zhì)層120-n在多個(gè)單位晶胞的每一者中具有類(lèi)似厚度并且雜質(zhì)層130-n在多個(gè)單位晶胞的每一者中具有類(lèi)似厚度。因此，周期性間距d1或周期是沿著超晶格均勻的。然而，在替代實(shí)施方案中，基質(zhì)層130-n在每個(gè)后續(xù)單位晶胞中具有一個(gè)顯著不同的厚度和/或雜質(zhì)層130-n在每個(gè)后續(xù)單位晶胞中具有一個(gè)顯著不同的厚度。在這些替代實(shí)施方案中，周期性間距d1可以是沿著超晶格不均勻的。

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。在一些實(shí)施方案中，超晶格115的雜質(zhì)層130-n的周期性間距d1使得勢(shì)阱中由后續(xù)雜質(zhì)層130-n中的施主材料或受主材料的原子誘發(fā)的電子波函數(shù)Ψ在空間上重疊。由于雜質(zhì)層130-n之間的電子波函數(shù)Ψ重疊，因此形成電子非定域“?！薄＠?，如果基質(zhì)層120-n由AlN形成并且雜質(zhì)層130-n的周期性間距d1為約1nm至10nm，那么這將實(shí)現(xiàn)電子穿過(guò)超晶格115的垂直傳播。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，用于形成基質(zhì)層120-n的半導(dǎo)體材料為寬帶隙材料諸如AIN，所述寬帶隙材料具有大約6eV的帶隙，并且用于形成雜質(zhì)層130-n的施主材料或受主材料為超薄窄帶隙材料諸如Si。即使單晶Si的塊狀帶隙為E_G(Si)＝1.1eV，設(shè)置在N終端基質(zhì)表面上的一個(gè)連續(xù)單層厚的Si膜也適當(dāng)?shù)卦谝粋?cè)與N鍵結(jié)合并且充當(dāng)簡(jiǎn)并性摻雜片材。Si原子的電荷不足為晶體提供自由電子。類(lèi)似地，結(jié)合在A(yíng)lN基質(zhì)內(nèi)的一個(gè)單層Mg片材生成多余空穴。超晶格導(dǎo)致沿著超晶格生長(zhǎng)方向具有較高的載流子遷移率，因?yàn)檩d流子平均而言離電離雜質(zhì)原子更遠(yuǎn)。因此，p型或n型超晶格的遷移率與基質(zhì)半導(dǎo)體的傳統(tǒng)均勻但隨機(jī)摻雜的情況相比更高。寬帶隙基質(zhì)材料和窄帶隙雜質(zhì)材料的電子帶隙之間的差異加上各自電子親合能的較大差異有效地調(diào)節(jié)了超晶格中的導(dǎo)帶能和價(jià)帶能相對(duì)于費(fèi)米能E_Fermi的位置。

基本上由施主材料組成的施主雜質(zhì)層有效地調(diào)節(jié)了導(dǎo)帶能朝向費(fèi)米能E_Fermi的位置和價(jià)帶能離開(kāi)費(fèi)米能E_Fermi的位置。施主雜質(zhì)層通過(guò)將最低導(dǎo)帶邊緣Γ有效地拉到費(fèi)米能E_Fermi下方而在局部區(qū)中提供n⁺型導(dǎo)電性。這將參考圖2A和圖2B進(jìn)一步描述。

受主雜質(zhì)層有效地調(diào)節(jié)了導(dǎo)帶能離開(kāi)費(fèi)米能E_Fermi的位置和價(jià)帶能朝向費(fèi)米能E_Fermi的位置。受主雜質(zhì)層通過(guò)將CH價(jià)帶邊緣有效地移動(dòng)得更靠近費(fèi)米能E_Fermi而在局部區(qū)中提供p⁺型導(dǎo)電性。這將參考圖3A和圖3B進(jìn)一步描述。

圖2A示出了在兩個(gè)基質(zhì)層之間包括單個(gè)施主雜質(zhì)層的超晶格中的最低導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)的能帶圖200。基質(zhì)層基本上由AlN組成并且施主雜質(zhì)層基本上由Si組成。能帶圖200示出了最低直接導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)作為穿過(guò)結(jié)構(gòu)或超晶格的一部分的距離z的函數(shù)。施主雜質(zhì)層通過(guò)將最低導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)邊緣有效地拉到費(fèi)米能E_Fermi下方而在局部區(qū)中提供n⁺型導(dǎo)電性。施主雜質(zhì)層的厚度為1nm，但也可選擇為小到半個(gè)單層。施主原子的組成施主雜質(zhì)層的基本上二維(2D)片材表示二維片材施主濃度N^2D_i。片材內(nèi)的施主原子之間的平均間距d_i為大約d_i～(N^2D_i)^-1，使得等效的3D施主密度可定義為N^3D_i＝(N^2D_i)^3/2。因此，施主原子的2D片材在晶體內(nèi)施加較大的靜電勢(shì)。使用自給泊松薛定諤方程來(lái)對(duì)由于2D片材引起的所得帶結(jié)構(gòu)求解。因此，在超過(guò)施主雜質(zhì)層的厚度的距離阱內(nèi)對(duì)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)改性。

施主雜質(zhì)層誘發(fā)勢(shì)阱，指定為A。能帶圖200示出相對(duì)于最低直接導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)繪出的三個(gè)最低的能量受限且量子化的空間電子波函數(shù)Ψ^C_n＝₁(z)、Ψ^C_n＝₂(z)和Ψ^C_n＝₃(z)。能帶圖200表明Ψ^C_n＝1(z)波函數(shù)的峰值被定位到所誘發(fā)的勢(shì)阱A。Ψ^C_n＝1(z)波函數(shù)的基部在基質(zhì)層中低于費(fèi)米能E_Fermi并且峰值在施主雜質(zhì)層中高于費(fèi)米能E_Fermi，從而在施主雜質(zhì)層中形成高度激活區(qū)。這個(gè)施主雜質(zhì)層因此誘發(fā)沿著施主雜質(zhì)層的平面延伸的簡(jiǎn)并性電子濃度。這將與由雜質(zhì)原子隨機(jī)摻雜的單晶基質(zhì)進(jìn)行比較。在隨機(jī)塊狀摻雜的情況下，隔離的雜質(zhì)原子部位之間的耦合通常太大以至于不能實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)波函數(shù)耦合。實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)波函數(shù)耦合而需要的隨機(jī)塊狀摻雜晶體中的摻雜密度大于基質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)的溶解度極限。因此，本發(fā)明的方法教導(dǎo)高效雜質(zhì)密度的有益屬性，而不會(huì)損害基質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)性。

圖2B示出了包括三個(gè)施主雜質(zhì)層和四個(gè)基質(zhì)層的超晶格中的最低導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)的能帶圖250?；|(zhì)層基本上由單晶AlN組成并且施主雜質(zhì)層基本上由Si組成作為施主片材。能帶圖250示出了最低直接導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)作為穿過(guò)超晶格的距離z的函數(shù)。施主雜質(zhì)層通過(guò)將最低導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)有效地拉到費(fèi)米能E_Fermi下方而提供n⁺型導(dǎo)電性。施主雜質(zhì)層各自的厚度為1nm，并且雜質(zhì)層之間的距離為5nm。施主雜質(zhì)層誘發(fā)三個(gè)勢(shì)阱，指定為A、B和C。

能帶圖250示出相對(duì)于導(dǎo)帶Γ(k＝0,z)繪出的三個(gè)最低的能量受限且量子化的空間電子波函Ψ^C_n＝₁(z)、Ψ^C_n＝₂(z)和Ψ^C_n＝₃(z)。能帶圖250表明，電子波函數(shù)Ψ^C_n＝1(z)、Ψ^C_n＝2(z)和Ψ^C_n＝3(z)的峰值被定位到所誘發(fā)的勢(shì)阱A、B和C。Ψ^C_n＝1(z)波函數(shù)的基部位于費(fèi)米能E_Fermi下方并且在施主雜質(zhì)層和基質(zhì)層中形成高度激活區(qū)。電子波函數(shù)Ψ^C_n＝1(z)、Ψ^C_n＝2(z)和Ψ^C_n＝3(z)的最低位的量子化能均位于費(fèi)米能E_Fermi下方，從而在區(qū)40<z<60nm中沿著生長(zhǎng)方向生成在空間上定位的電子狀態(tài)。三重施主雜質(zhì)層，各自具有1nm的寬度，因而形成高度激活且移動(dòng)的施主濃度。應(yīng)當(dāng)理解的是，所誘發(fā)的高度電子密度在基本上垂直于生長(zhǎng)方向z的層的平面上延伸。

圖3A示出了包括三個(gè)受主雜質(zhì)層和四個(gè)基質(zhì)層的超晶格中的晶體場(chǎng)分割CH(k＝0,z)、重空穴HH(k＝0,z)和輕空穴LH(k＝0,z)價(jià)帶能的能帶圖300?；|(zhì)層基本上由AlN組成并且受主雜質(zhì)層基本上由Mg的二維片材組成。能帶圖300示出了三個(gè)價(jià)帶能CH(k＝0,z)、HH(k＝0,z)和LH(k＝0,z)作為穿過(guò)超晶格的距離z的函數(shù)。受主雜質(zhì)層130各自的厚度為1nm，并且受主雜質(zhì)層各自之間的距離為5nm。

三個(gè)受主雜質(zhì)層在三個(gè)價(jià)帶CH(k＝0,z)、HH(k＝0,z)和LH(k＝0,z)的每一者內(nèi)誘發(fā)勢(shì)阱(指定為A、B和C)。CH(k＝0,z)價(jià)帶為最高能帶。在CH(k＝0,z)價(jià)帶中，所誘發(fā)的勢(shì)阱移至費(fèi)米能E_Fermi之上，從而在超晶格的在受主雜質(zhì)層處的局部區(qū)中提供p⁺型導(dǎo)電性。

圖3B示出了圖3A的超晶格的CH價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖320。能帶圖320示出了CH(k＝0,z)價(jià)帶作為穿過(guò)超晶格的距離z的函數(shù)。能帶圖320還示出相對(duì)于CH(k＝0,z)價(jià)帶邊緣繪出的最低的能量受限且量子化的空間空穴波函數(shù)Ψ^CH_n＝₁(z)和Ψ^CH_n＝_2,3(z)。能帶圖320表明空穴波函數(shù)Ψ^CH_n＝1(z)和Ψ^CH_n＝2,3(z)的峰值被定位到CH(k＝0,z)價(jià)帶中所誘發(fā)的勢(shì)阱?？昭úê瘮?shù)Ψ^CH_n＝1(z)和Ψ^C_n＝2(z)的受限的量子化的能量本征態(tài)高于費(fèi)米能E_Fermi，并且因此形成簡(jiǎn)并性空穴密度。

圖3C示出了圖3A的超晶格的重空穴(HH)價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖340。參考圖3C，能帶圖340示出HH(k＝0,z)價(jià)帶邊緣作為穿過(guò)超晶格的距離z的函數(shù)。能帶圖340還示出相對(duì)于HH(k＝0,z)價(jià)帶繪出的最低能量的量子化空間空穴波函數(shù)Ψ^HH_n＝₁(z)和Ψ^HH_n＝_2,3(z)。能帶圖340表明空穴波函數(shù)在空間上被定位到所誘發(fā)的勢(shì)阱。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)帶將僅為電子提供兩個(gè)勢(shì)阱。在導(dǎo)帶中沿著z進(jìn)行的電子傳輸因此將經(jīng)歷大的勢(shì)壘，所述勢(shì)壘具有由各自本征能量限定的諧振隧穿狀態(tài)。也就是說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于基質(zhì)層均具有相同成分且雜質(zhì)層均具有相同類(lèi)型(即，施主或受主)的情況來(lái)說(shuō)，將會(huì)存在因而形成的超晶格，所述超晶格包括N個(gè)施主雜質(zhì)層、N個(gè)導(dǎo)帶勢(shì)阱和N-1個(gè)價(jià)帶勢(shì)阱。相反，對(duì)于包括N個(gè)受主層的超晶格來(lái)說(shuō)，仍然存在N個(gè)價(jià)帶勢(shì)阱和N-1個(gè)導(dǎo)帶勢(shì)阱。

圖3D示出了圖3A的超晶格的輕空穴(LH)價(jià)帶中的空穴波函數(shù)的能帶圖360。能帶圖360示出LH(k＝0,z)價(jià)帶作為穿過(guò)超晶格的距離z的函數(shù)。能帶圖360還示出相對(duì)于LH(k＝0,z)價(jià)帶繪出的最低能量的量子化的空間空穴波函數(shù)Ψ^LH_n＝₁(z)、Ψ^LH_n＝₂(z)和Ψ^LH_n＝₃(z)。能帶圖360表明LH波函數(shù)在空間上被定位到雜質(zhì)層所誘發(fā)的勢(shì)阱。n＝1LH量子化能不高于費(fèi)米能級(jí)并且相對(duì)于LH帶邊緣形成非簡(jiǎn)并性L(fǎng)H分布。

以上描述的超晶格和超晶格各部分可提供高水平的n型導(dǎo)電性或p型導(dǎo)電性。

超晶格的光性質(zhì)和電性質(zhì)可通過(guò)改變單位晶胞的周期和/或占空比而變化。例如，超晶格可被制作成對(duì)電子裝置的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)是透明的，從而實(shí)現(xiàn)光穿過(guò)超晶格從電子裝置傳播出來(lái)或傳播到電子裝置。雜質(zhì)層之間的短周期和/或小間距誘發(fā)所謂的II型帶結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值在空間上不一致。這種具有II型實(shí)空間帶結(jié)構(gòu)的超晶格誘發(fā)間接能量動(dòng)量分散并且因此使得相對(duì)于基質(zhì)層的隔離的塊狀半導(dǎo)體材料的基本超晶格帶隙附近的光吸收減少。

也就是說(shuō)，超晶格可使用本文中的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)以產(chǎn)生具有II型帶結(jié)構(gòu)的II型超晶格。

此外，包括大大局限于雜質(zhì)層的高密度雜質(zhì)種類(lèi)的超晶格在雜質(zhì)層平面內(nèi)的雜質(zhì)原子波函數(shù)之間產(chǎn)生大的耦合。增強(qiáng)雜質(zhì)層平面內(nèi)的相鄰雜質(zhì)原子或種類(lèi)之間的耦合與稀疏摻雜情況相比減少了雜質(zhì)的激活能E_act(SL)，其中相同的雜質(zhì)種類(lèi)在具有激活能E_act(i:bulk)的單晶半導(dǎo)體基質(zhì)材料內(nèi)隨機(jī)且稀疏地替換。

這個(gè)激活能(通過(guò)超晶格方法減小)產(chǎn)生E_act(SL)<E_act(i:bulk)并且因此對(duì)于給定操作溫度來(lái)說(shuō)產(chǎn)生較高的激活載流子密度。這對(duì)于寬帶隙基質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)特別有利，諸如在基質(zhì)層中。

這種電子裝置在以下參考圖5至圖13進(jìn)行了描述。

制作超晶格的方法

根據(jù)另一方面，本發(fā)明的實(shí)施方案涉及一種經(jīng)由成膜工藝制作超晶格的方法。在優(yōu)選實(shí)施方案中，超晶格為p型或n型超晶格且經(jīng)由基本上二維薄膜形成工藝制成。然而，所述方法還可用于制作本文所述的任何超晶格(例如，用于電子裝置的具有p型和n型區(qū)以及在某些情況下本征區(qū)的超晶格)。成膜工藝可為例如真空沉積工藝、分子束外延(MBE)工藝、氣相沉積工藝、化學(xué)沉積工藝或任何其他能夠精確地形成給定厚度范圍為0.1nm至100nm的層的形成工藝。

例如，成膜工藝為MBE工藝，III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料被選擇作為寬帶隙半導(dǎo)體AlN并且施主材料被選擇作為Si。機(jī)械快門(mén)與每個(gè)材料源(例如，Al、N和Si)相關(guān)聯(lián)。每個(gè)快門(mén)均被定位在種類(lèi)的從材料源發(fā)出的光路中，所述光路與源和襯底沉積平面之間的光束視線(xiàn)相交?？扉T(mén)用于調(diào)節(jié)每個(gè)材料源種類(lèi)的輸出作為所述沉積平面上的源材料的給定校準(zhǔn)到達(dá)率的時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)打開(kāi)時(shí)，每個(gè)快門(mén)均允許對(duì)應(yīng)的種類(lèi)撞擊沉積表面并且加入外延層生長(zhǎng)。當(dāng)關(guān)閉時(shí)，每個(gè)快門(mén)均防止對(duì)應(yīng)的種類(lèi)撞擊沉積表面并且因此阻止各自的種類(lèi)結(jié)合在給定膜內(nèi)?？扉T(mén)調(diào)制工藝可用于在超晶格的交替設(shè)置的層之間容易地形成原子中斷界面。在圖4A中示出用于這種成膜工藝的快門(mén)序列150。所述方法現(xiàn)在將參考圖4更詳細(xì)地描述。

圖4為經(jīng)由成膜工藝制作超晶格的方法400的流程圖。方法400包括以下步驟。

在步驟410，將襯底制備成具有所需晶體對(duì)稱(chēng)性和清潔度無(wú)不利雜質(zhì)的表面。將襯底裝載到反應(yīng)室例如MBE反應(yīng)室中，且接著將襯底加熱到成膜溫度。在一些實(shí)施方案中，成膜溫度介于約200℃與約1200℃之間。在一些實(shí)施方案中，成膜溫度介于約500℃與850℃之間。在優(yōu)選實(shí)施方案中，反應(yīng)室缺乏足夠的水、碳?xì)浠衔铩N(H)、氧(O)和碳(C)種類(lèi)，以便不影響超晶格的電子或結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

在步驟420，基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成的第一基質(zhì)層120-n經(jīng)由成膜工藝形成在所制備的襯底110上?；|(zhì)層120-n形成為具有厚度t2。例如，如果成膜工藝為MBE并且III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料為AlN，那么與元素鋁和受激分子氮的源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)打開(kāi)且形成AlN層。在這個(gè)示例中，元素鋁的源可為傳統(tǒng)的瀉流單元并且受激分子氮種類(lèi)的源可為等離子體源?？山?jīng)由等離子體使用其他有源氮源例如氨和有源氨。

在步驟430，第一基質(zhì)層120-n的形成被中斷并且基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料或受主材料組成的第一雜質(zhì)層130-n使用成膜工藝來(lái)形成。雜質(zhì)層130-n形成為厚度t3。在優(yōu)選實(shí)施方案中，在形成第一雜質(zhì)層之前在第一基質(zhì)層上形成第一氮終端表面并且在第一氮終端表面上形成第一雜質(zhì)層130-n。例如，如果成膜工藝為MBE，III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料為AlN并且施主材料為Si，那么與鋁源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)關(guān)閉并且氮種類(lèi)層沉積以形成氮終端表面。與有源氮種類(lèi)相關(guān)聯(lián)的快門(mén)隨后關(guān)閉，與Si源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)打開(kāi)并且在步驟420中所形成的第一基質(zhì)層的整個(gè)表面頂部形成第一雜質(zhì)層。在一個(gè)示例中，Si源為包括熱解氮化硼(PBN)坩堝的元素硅瀉流單元。在優(yōu)選實(shí)施方案中，施主材料或受主材料吸附原子在氮終端表面上被用化學(xué)方法吸附和/或用物理方法吸附并且沉積基本上受到表面上的可用氮鍵的自限。在一些實(shí)施方案中，表面被施主材料或受主材料過(guò)飽和并且施主材料或受主材料均被用物理方法吸附且用化學(xué)方法吸附。在一個(gè)示例中，沉積的雜質(zhì)層為Si單層，其理想地形成具有與基質(zhì)層的底表面相同的對(duì)稱(chēng)類(lèi)型的重構(gòu)表面。例如，如果基質(zhì)層為纖維鋅礦AlN，那么雜質(zhì)層，作為Si單層，可形成在本文被稱(chēng)為硅烯的六邊形網(wǎng)格。在另一個(gè)示例中，一個(gè)或多個(gè)Si層和N層，作為單層原子平面，可沿著生長(zhǎng)方向以由-N-Si-N-Si-…-N形式的堆疊序列沉積。

在步驟440，第一雜質(zhì)層130-n的形成被中斷并且第二基質(zhì)層120-n使用成膜工藝來(lái)形成。在優(yōu)選實(shí)施方案中，在形成第二基質(zhì)層120-n之前，在雜質(zhì)層上形成第二氮終端表面。例如，如果成膜工藝為MBE，III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料為AlN并且施主材料為Si，那么與Si源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)關(guān)閉，與有源氮種類(lèi)相關(guān)聯(lián)的快門(mén)打開(kāi)，并且氮種類(lèi)層沉積以形成氮終端表面。與鋁源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)隨后打開(kāi)并且第二基質(zhì)層使用成膜工藝來(lái)形成?；|(zhì)層120-n的厚度t2是例如基于雜質(zhì)層130-n之間的周期性間距d1和雜質(zhì)層的厚度t3。

在步驟450，確定超晶格是否達(dá)到所需厚度t1。所需厚度沿著生長(zhǎng)方向即垂直于層平面限定。如果實(shí)現(xiàn)所需厚度t1所需的單位晶胞或雜質(zhì)層130-n的數(shù)量已實(shí)現(xiàn)，那么方法400前進(jìn)到步驟470。然而，如果超晶格尚未達(dá)到所需厚度或尚未包括所需數(shù)量的層，那么方法400前進(jìn)到步驟460。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所需數(shù)量的層為至少10個(gè)基質(zhì)層120-n和至少10個(gè)雜質(zhì)層130-n和/或所需厚度介于約50nm與約5μm之間。應(yīng)當(dāng)理解的是，大量周期可以沉積，諸如大約100個(gè)或1000個(gè)。

在步驟460，第二基質(zhì)層的形成被中斷并且第二雜質(zhì)層使用成膜工藝來(lái)形成。例如，如果成膜工藝為MBE，III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料為AlN并且施主材料為Si，那么與鋁源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)關(guān)閉并且氮種類(lèi)層沉積到基質(zhì)層形成氮終端表面。與有源氮種類(lèi)相關(guān)聯(lián)的快門(mén)隨后關(guān)閉，與Si源相關(guān)聯(lián)的快門(mén)打開(kāi)并且先前在步驟440中所形成的基質(zhì)層的整個(gè)表面頂部形成第二雜質(zhì)層。方法400接著回到步驟440。

當(dāng)超晶格的所需厚度或所需數(shù)量的層已實(shí)現(xiàn)時(shí)，在步驟470，成膜工藝暫停并且包括襯底110和超晶格的結(jié)構(gòu)被從反應(yīng)室移除。例如，材料源失效，反應(yīng)室允許冷卻，并且隨后將結(jié)構(gòu)從反應(yīng)室移除。

在一些實(shí)施方案中，在步驟430和460中，雜質(zhì)層130-n為施主材料或受主材料的單個(gè)原子層或單層。在一些實(shí)施方案中，雜質(zhì)層130-n為施主材料或受主材料的至少一個(gè)單層和少于五個(gè)單層。在一些實(shí)施方案中，雜質(zhì)層雜質(zhì)層為施主材料或受主材料的至少一個(gè)單層和少于或等于兩個(gè)單層。

在一個(gè)示例中，可形成Si或Mg的單個(gè)原子層以便為超晶格分別提供n型導(dǎo)電性或p型導(dǎo)電性。在另一個(gè)示例中，雜質(zhì)層可為雜質(zhì)吸附原子矩陣諸如單晶結(jié)構(gòu)的1至5個(gè)原子層，諸如Si_xN_y，其中x>0且y>0或Mg_pN_q p>0且q>0。在另一個(gè)示例中，雜質(zhì)層為Si_u(Al_xGa_1–x)_yN_v或Mg_u(Al_xGa_1–x)_yN_v的合金，其中x≥0、y≥0、u>0且v≥0。

在一些實(shí)施方案中，基質(zhì)層120-n和雜質(zhì)層130-n具有預(yù)定的晶體極性諸如沿著生長(zhǎng)方向的基本上金屬極極性或氮極性。

在一些實(shí)施方案中，基質(zhì)層120-n和雜質(zhì)層130-n具有由雜質(zhì)層施加到基質(zhì)層上的預(yù)定的應(yīng)變。例如，超晶格可被設(shè)計(jì)成在使基質(zhì)層相對(duì)于緩沖層和襯底處于雙軸壓縮或雙軸拉伸狀態(tài)，其中雙軸壓縮或雙軸拉伸由雜質(zhì)層誘發(fā)。例如，使用AlN基質(zhì)層和Si雜質(zhì)層形成的n型超晶格在A(yíng)IN基質(zhì)層中提供雙軸壓縮。

電子裝置

根據(jù)另一方面，本發(fā)明在于一種電子裝置，所述電子裝置包括提供n型導(dǎo)電性的n型超晶格和提供p型導(dǎo)電性的p型超晶格。例如，電子裝置可為UV LED或UV光檢測(cè)器。具體地講，電子裝置可為在150nm至280nm之間的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)并且更優(yōu)選地在190nm至250nm之間的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)操作的UV LED。

n型超晶格包括交替的基質(zhì)層和施主雜質(zhì)層。n型超晶格的基質(zhì)層基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成并且施主雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料組成。p型超晶格包括交替的基質(zhì)層和受主雜質(zhì)層。p型超晶格的基質(zhì)層基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成并且受主雜質(zhì)層基本上由對(duì)應(yīng)的受主材料組成。n型超晶格和p型超晶格可為上述超晶格115，并且III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料、施主材料和/或受主材料可為關(guān)于超晶格115描述的材料。

在一些實(shí)施方案中，n型超晶格和p型超晶格形成PN結(jié)。在其他實(shí)施方案中，電子裝置進(jìn)一步在n型超晶格與p型超晶格之間包括本征區(qū)以形成PIN結(jié)。這里，術(shù)語(yǔ)“本征區(qū)”按照慣例來(lái)使用并且并非旨在暗示本征區(qū)始終由近純半導(dǎo)體材料形成。然而，在一些實(shí)施方案中，本征區(qū)基本上由一個(gè)或多個(gè)非故意摻雜的或純的半導(dǎo)體材料，具體地講基質(zhì)層的一種或多種半導(dǎo)體材料形成。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，電子裝置可被視為同質(zhì)結(jié)裝置，因?yàn)樨灤╇娮友b置的電子層和光學(xué)層的大部分或全部使用相同的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。由于貫穿電子裝置的電子層和光學(xué)層的大部分或全部使用相同的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料，因此折射率貫穿電子裝置的這些層相同。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，p型超晶格和/或n型超晶格的周期和/或占空比使得p型超晶格和/或n型超晶格對(duì)PN結(jié)的本征區(qū)或耗盡區(qū)的光子發(fā)射波長(zhǎng)或光子吸收波長(zhǎng)是透明的。這實(shí)現(xiàn)了光從PN結(jié)的本征區(qū)或耗盡區(qū)發(fā)出或被它們吸收以有效地進(jìn)入或離開(kāi)所述裝置。理想地，通過(guò)從各自的n型和p型超晶格區(qū)注入的電子和空穴的有效復(fù)合而針對(duì)最優(yōu)光學(xué)生成概率來(lái)設(shè)計(jì)耗盡區(qū)。

圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子裝置500的截面圖。電子裝置500為PIN裝置并且包括襯底510、緩沖區(qū)520、n型超晶格530、本征區(qū)540和p型超晶格550?？赏ㄟ^(guò)在襯底510上順序地形成緩沖區(qū)520、n型超晶格530、本征層540和p型超晶格550來(lái)產(chǎn)生所述裝置。

襯底510具有厚度t4，在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述厚度介于約300μm與約1,000μm之間。在優(yōu)選實(shí)施方案中，厚度t4被選擇成與襯底510的直徑成比例，以使得襯底直徑越大，厚度t4越大。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，襯底510對(duì)于電子裝置的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)基本上透明。設(shè)計(jì)波長(zhǎng)可以是電子裝置500的發(fā)射波長(zhǎng)，其中電子裝置500為UV LED，或者可為電子裝置500的吸收波長(zhǎng)，其中電子裝置500為UV光檢測(cè)器。在優(yōu)選實(shí)施方案中，發(fā)射波長(zhǎng)或吸收波長(zhǎng)介于150nm與280nm之間，且優(yōu)選地介于190nm與250nm之間。例如，襯底510可由對(duì)于UV光基本上透明的材料諸如藍(lán)寶石形成。在優(yōu)選實(shí)施方案中，襯底所用的材料可選自以下各項(xiàng)之一：天然III族金屬氮化物材料諸如AlN或GaN；金屬氧化物材料諸如藍(lán)寶石、氧化鎂(MgO)或氧化鋅(ZnO)；硅(Si)；碳化硅(SiC)；氟化鈣CaF₂)；非晶玻璃上的晶體薄膜半導(dǎo)體；或金屬上的薄膜晶體半導(dǎo)體。

在替代實(shí)施方案中，襯底510對(duì)電子裝置500的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)基本上不透明。例如，襯底510可由對(duì)UV光基本上不透明的材料諸如Si形成。襯底510可以是基本上絕緣或基本上傳導(dǎo)的。例如，襯底510可由已摻雜到高傳導(dǎo)水平的Si(111)形成。在一些實(shí)施方案中，光接入端口可任選地微加工或蝕刻以使用通孔經(jīng)由商業(yè)CMOS處理中常用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效的光提取。

緩沖區(qū)520具有厚度t5，在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述厚度介于約10nm與約1μm之間，并且優(yōu)選地介于100nm與500nm之間。緩沖區(qū)520形成得充分厚以便在鄰近于n型超晶格530的表面上具有低缺陷密度。例如，緩沖區(qū)520的缺陷密度為約10⁸cm^–3或更小。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，緩沖區(qū)520基本上由AlN和/或GaN組成，優(yōu)選地作為塊狀材料。在一些實(shí)施方案中，緩沖區(qū)包括具有成分Al_xGa_1-xN,0≤x≤1的三元塊狀合金。在一些實(shí)施方案中，緩沖區(qū)包括具有形式為(A_xB_1-x)₂O₃的III族金屬氧化物，其中A和B選自Al、In和Ga中的至少兩者。

在一些實(shí)施方案中，緩沖區(qū)520包括形成于模板層上的緩沖層，其中緩沖層基本上由與n型超晶格530和p型超晶格550的基質(zhì)層532相同的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成并且模板層基本上由AlN組成。

在替代實(shí)施方案中，緩沖區(qū)520包括超晶格諸如短周期超晶格，由AIN和GaN與等效于基質(zhì)層532的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料的塊狀成分的交替層形成。這種超晶格結(jié)構(gòu)可用于通過(guò)引入橫向應(yīng)變能以減少穿線(xiàn)位錯(cuò)而進(jìn)一步減小緩沖區(qū)520中的缺陷密度。

n型超晶格530包括交替的基質(zhì)層532和施主雜質(zhì)層534?；|(zhì)層532基本上由III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料例如Al_0.7Ga_0.3N組成。施主雜質(zhì)層534基本上由對(duì)應(yīng)的施主材料例如Si組成。

p型超晶格550包括交替的基質(zhì)層532和受主雜質(zhì)層552。p型超晶格550的基質(zhì)層532基本上由與n型超晶格530的基質(zhì)層532相同的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成。受主雜質(zhì)層552基本上由對(duì)應(yīng)的受主材料例如Mg組成。

n型超晶格530具有厚度t6并且p型超晶格550具有厚度t7。這些厚度可為以上描述為厚度t1的厚度。厚度t6和t7可被選擇成基本上減少電子裝置500的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的寄生光吸收。例如，Al_0.7Ga_0.3N具有220nm的發(fā)射波長(zhǎng)。

n型超晶格530的光學(xué)厚度可由用于形成n型超晶格530的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料的折射率確定。光學(xué)厚度針對(duì)光從電子裝置500的有效提取進(jìn)行選擇。

在一些實(shí)施方案中，n型超晶格530的厚度t6被選擇為促進(jìn)電子裝置500上的歐姆接觸(未示出)的形成。在一些實(shí)施方案中，厚度t6為至少約250nm以便于使用選擇性臺(tái)面蝕刻工藝來(lái)制造歐姆接觸。

n型超晶格530和p型超晶格550的基質(zhì)層532分別具有厚度t9和厚度t11。這些厚度可為以上描述為厚度t2的厚度。施主雜質(zhì)層534具有厚度t10并且受主雜質(zhì)層552具有厚度t12。這些厚度可為以上描述為厚度t3的厚度。

n型超晶格530具有周期d2并且p型超晶格550具有周期d3。在優(yōu)選實(shí)施方案中，周期d2和/或周期d3是基于電子裝置500的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，周期d2和周期d3是均勻的。然而，在替代實(shí)施方案中，周期d2和/或周期d3可以是不均勻的。周期d2和d3可為以上描述為周期d1的周期。

n型超晶格530可被視為具有多個(gè)單位晶胞，所述多個(gè)單位晶胞各自由基質(zhì)層532和施主雜質(zhì)層534組成。p型超晶格530可被視為具有多個(gè)單位晶胞，所述多個(gè)單位晶胞各自由基質(zhì)層532和受主雜質(zhì)層552組成?？赏ㄟ^(guò)改變超晶格中單位晶胞的周期和/或占空比來(lái)選擇n型超晶格530和p型超晶格550的光學(xué)性質(zhì)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，周期d2和周期d3相同。然而，在替代實(shí)施方案中，周期d2和周期d3可以不同，從而實(shí)現(xiàn)在本征區(qū)540的任一側(cè)上選擇不同的光學(xué)性質(zhì)。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本征區(qū)540為電子裝置500的有源區(qū)，其中來(lái)自n型超晶格530的電子和來(lái)自p型超晶格550的空穴復(fù)合以發(fā)射光子。本征區(qū)540具有厚度t8，在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述厚度小于500nm并且優(yōu)選地為所發(fā)射光學(xué)波長(zhǎng)的大約一半或光學(xué)波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。本征區(qū)540的厚度t8針對(duì)來(lái)自n型超晶格530的電子和來(lái)自p型超晶格550的空穴的有效復(fù)合進(jìn)行選擇。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，本征區(qū)540基本上由一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料組成。例如，本征區(qū)540可由n型超晶格和p型超晶格的基質(zhì)層532中所用的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料例如Al_0.7Ga_0.3N組成，所述材料具有220nm的發(fā)射波長(zhǎng)。在一些實(shí)施方案中，所述一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料被配置成使得本征區(qū)540具有沿著生長(zhǎng)方向變化的帶隙。

例如，本征區(qū)540可包括以下各項(xiàng)中的至少一者：純III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料；III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料，包括至少一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)改性劑，其中所述晶體結(jié)構(gòu)改性劑選自以下各項(xiàng)中的至少一者：烴(H)；氧(O)；碳(C)；稀土金屬或鑭系金屬；以及非故意摻雜的(NID)III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。所述晶體結(jié)構(gòu)改性劑可產(chǎn)生以下各項(xiàng)中的至少一者的預(yù)定效果：改善材料質(zhì)量；改變發(fā)射波長(zhǎng)；以及改變本征區(qū)相對(duì)于超晶格的其他區(qū)的本征應(yīng)變狀態(tài)。

在替代實(shí)施方案中，本征區(qū)540包括雜質(zhì)層。雜質(zhì)層基本上由以下各項(xiàng)組成：與本征區(qū)的一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的施主材料；與本征區(qū)的一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的受主材料；包括與本征區(qū)的一種或多種III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的施主材料和受主材料的補(bǔ)償材料，諸如Si和Mg；或者稀土金屬，諸如Gd。

在一些實(shí)施方案中，本征區(qū)包括光學(xué)復(fù)合超晶格。例如，本征區(qū)540可包括一種超晶格，其包括由以下材料[基質(zhì)/Si/基質(zhì)/Gd/基質(zhì)/Mg]層的重復(fù)單位晶胞，其中基質(zhì)為基質(zhì)半導(dǎo)體材料，諸如基質(zhì)層的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料。

在一些實(shí)施方案中，光學(xué)復(fù)合超晶格包括基本上由基質(zhì)半導(dǎo)體材料組成的基質(zhì)層和光學(xué)有源的雜質(zhì)層。例如，雜質(zhì)層基本上由選自鑭系元素種類(lèi)的以三重電離狀態(tài)結(jié)合的材料組成。光學(xué)復(fù)合超晶格內(nèi)的鑭系元素種類(lèi)因而形成結(jié)合在光學(xué)復(fù)合超晶格內(nèi)的鑭系元素原子固有的所制備的4-f殼電子歧管。三重電離且原子鍵合的鑭系種類(lèi)的4-f電子歧管嵌入在基本上位于光學(xué)復(fù)合超晶格的基質(zhì)半導(dǎo)體材料的帶隙能內(nèi)的電子能量標(biāo)度上。

電子和空穴被分別從n型和p型超晶格注入到光學(xué)復(fù)合超晶格中，其中電子和空穴將復(fù)合，從而將能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)復(fù)合超晶格的雜質(zhì)層中的鑭系元素種類(lèi)的4-f殼狀態(tài)并且因此激發(fā)所述4-f殼狀態(tài)。受激4-f殼狀態(tài)的釋放形成了強(qiáng)烈和鮮明的光學(xué)發(fā)射，所述光學(xué)發(fā)射是憑借光學(xué)透明的n型和p型超晶格而穿過(guò)整個(gè)電子裝置傳輸?shù)摹?/p>

在替代實(shí)施方案中，將本征區(qū)540從圖5所示的電子裝置500中省去。在這些實(shí)施方案中，p型超晶格550直接形成在n型超晶格530的頂部并且電子裝置為同質(zhì)結(jié)PN裝置。

圖5B為包括n型超晶格570、p型超晶格590和本征區(qū)580的PIN裝置的空間能帶結(jié)構(gòu)的曲線(xiàn)圖560。針對(duì)包括Al_0.7Ga_0.3N的基質(zhì)半導(dǎo)體的情況示出了導(dǎo)帶E_Γ(k＝0,z)和三個(gè)價(jià)帶邊緣E_HH(k＝0,z)、E_CH(k＝0,z)和E_LH(k＝0,z)。理想的金屬接觸將n型超晶格和p型超晶格的末端與所施加的零偏置相連。在正向偏置二極管條件下，將電子和空穴注入本征區(qū)580中，其中它們復(fù)合且生成光子，所述光子的能量等于本征區(qū)580處的帶隙減去受激結(jié)合能。

圖6為基于圖5所示光學(xué)裝置500的結(jié)構(gòu)的LED裝置600的示例的截面圖。LED裝置600包括襯底610、緩沖區(qū)620、n型超晶格630、本征層640、p型超晶格650和p型接觸層660?？赏ㄟ^(guò)在襯底610上順序地形成緩沖區(qū)620、n型超晶格630、本征層640、p型超晶格650和p型接觸層660來(lái)產(chǎn)生所述裝置。LED裝置600還包括p型接觸670和n型接觸680。p型接觸670形成在p型接觸層660的頂部。

p型接觸670和n型接觸680使用已知光刻工藝來(lái)形成。n型接觸680經(jīng)由光刻工藝而形成，其中p型接觸670、p型接觸層660、p型超晶格650、本征層640和n型超晶格630各自的一部分被移除以在n型超晶格630上暴露出所限定區(qū)。鈍化層685形成為覆蓋n型超晶格630、本征層640、p型超晶格650和p型接觸層660的暴露邊緣，以防止從n型接觸到緩沖區(qū)620、n型超晶格630、本征層640、p型超晶格650和p型接觸層660形成不希望的傳導(dǎo)路徑。在優(yōu)選實(shí)施方案中，鈍化層685由與n型超晶格630和p型超晶格650中的基質(zhì)層的III族金屬氮化物半導(dǎo)體材料相比具有更寬帶隙的寬帶隙材料組成。

在一個(gè)實(shí)施方案中，襯底610為由藍(lán)寶石形成的透明絕緣襯底并且p型接觸層660由高度摻雜的p型GaN形成。p型接觸層660的厚度在一個(gè)示例中介于約25nm與約200nm之間，并且在另一個(gè)示例中為約50nm。p型接觸670優(yōu)選地是反射性和電導(dǎo)電性的。p型接觸的一部分可使用Al形成以在190nm至280nm的波長(zhǎng)區(qū)中進(jìn)行高度光學(xué)反射操作，并且p型接觸的一部分可由非光反射材料形成作為歐姆接觸。在優(yōu)選實(shí)施方案中，n型接觸由氮化鈦(TiN)和/或鋁形成。鈍化層685基本上由以下各項(xiàng)組成：氧化鋁(Al_xO_y)，其中0<x≤2且0<y≤3；或另一種材料，其是電絕緣的且抑制裝置上的表面泄漏損失。

從本征層640發(fā)出的光690垂直地穿過(guò)襯底610且也在橫向方向上離開(kāi)LED裝置600。由于p型接觸670可被設(shè)計(jì)成是反射性的，因此從本征層640在垂直方向上穿過(guò)p型超晶格650發(fā)出的光690的一部分可被反射且穿過(guò)襯底610離開(kāi)LED裝置600作為反射光695。

電子裝置500內(nèi)的本征層640的位置可基于電子裝置500的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)來(lái)確定，如以下參考圖7所述。

圖7為示出了如通過(guò)透明襯底610而觀(guān)察到的本征區(qū)640中的光吸收率作為L(zhǎng)ED裝置600內(nèi)的本征區(qū)640的位置和光波長(zhǎng)的函數(shù)的一個(gè)示例的曲線(xiàn)圖700。在這個(gè)示例中，本征區(qū)640基本上由AlN組成并且本征區(qū)640的位置從襯底610的頂表面到本征區(qū)640的底表面測(cè)得。光通過(guò)襯底610進(jìn)入LED裝置，所述襯底是透明的且由藍(lán)寶石制成。

在這個(gè)示例中，p型超晶格和n型超晶格的基質(zhì)層由AlN形成，p型接觸層660由未摻雜的GaN形成，并且p型接觸670是反射性的且p型接觸的至少一部分由Al形成。

本征區(qū)內(nèi)對(duì)通過(guò)透明襯底入射的在外部施加的光的吸收與光從本征區(qū)穿過(guò)襯底的發(fā)射在往復(fù)性質(zhì)方面相關(guān)。因此，在本征區(qū)內(nèi)在一定波長(zhǎng)下的吸收率越大，從LED裝置的本征區(qū)穿過(guò)襯底發(fā)出光的波長(zhǎng)越有效。

曲線(xiàn)圖700因此描繪了電子裝置的本征區(qū)內(nèi)光的發(fā)射或光的吸收作為本征區(qū)的垂直位置和從電子裝置發(fā)射的光的波長(zhǎng)的函數(shù)。本征層為L(zhǎng)ED裝置內(nèi)的電子空穴復(fù)合(EHR)層。輪廓線(xiàn)各自通過(guò)本征層相對(duì)于波長(zhǎng)和位置而限定光吸收度。與每個(gè)輪廓線(xiàn)相關(guān)聯(lián)的值為任意單位。輪廓線(xiàn)的值越大，光吸收率越高。

曲線(xiàn)圖700表明，如果本征區(qū)定位在約65nm處，則波長(zhǎng)為約220nm的光在點(diǎn)A處最小程度地吸收并且如果本征區(qū)定位在約40nm處，則在點(diǎn)B處最大程度地吸收。如果本征區(qū)被定位在40nm處，則與本征區(qū)被定位在65nm處的情況相比，波長(zhǎng)為220nm的光因此從LED裝置中更有效地發(fā)出。這是裝置中所形成的微腔內(nèi)的干擾效應(yīng)的直接結(jié)果。微腔由n型超晶格和p型超晶格、反射接觸和透明緩沖層和襯底形成。緩沖器的厚度在EHR區(qū)的最優(yōu)位置起重要作用。所提出的計(jì)算使用完整的實(shí)數(shù)和虛數(shù)光學(xué)常數(shù)作為所述材料的波長(zhǎng)的函數(shù)。這種設(shè)計(jì)方法改善了發(fā)光結(jié)構(gòu)的光提取效率。

圖8A為基于圖4和圖5所示電子裝置500和LED裝置600的LED裝置800的一個(gè)示例的截面圖。LED裝置800為垂直發(fā)光的同質(zhì)結(jié)PIN二極管。LED裝置800包括襯底810、緩沖區(qū)820、n型超晶格830、本征層840、p型超晶格850和p型接觸層860。可通過(guò)在襯底810上順序地形成緩沖區(qū)820、n型超晶格830、本征層840、p型超晶格850和p型接觸層860來(lái)產(chǎn)生LED裝置800。LED裝置800還包括p型接觸870和n型接觸880。p型接觸870形成在p型接觸層860的頂部。

襯底810為非透明的絕緣襯底，基本上由Si組成并且p型接觸870被圖案化為具有多個(gè)開(kāi)口872的網(wǎng)格。從本征區(qū)840發(fā)出的光890是從所述裝置通過(guò)開(kāi)口872發(fā)出的。從本征區(qū)840發(fā)出的光890也在橫向方向上離開(kāi)LED裝置800?！皺M向地”或“橫向”是指基本上沿著層平面的方向，而“垂直地”或“垂直”是指基本上垂直于或正交于層平面的方向。

圖8B為基于圖8A所示LED裝置800的LED裝置802的一個(gè)示例的截面圖。在LED裝置802中，襯底810為非透明的傳導(dǎo)襯底。例如，這種襯底可由已電摻雜到高傳導(dǎo)水平的Si或GaN制成(如果發(fā)射波長(zhǎng)在190-280nm的范圍內(nèi))。歐姆接觸882形成在襯底810的底部并且n型接觸880被省去。如果襯底810為n型，則歐姆接觸882可例如由AI形成，或者如果襯底810為p型，則歐姆接觸882可由高功函數(shù)金屬諸如鎳或鋨形成。襯底810與緩沖器820之間的接觸電阻可通過(guò)凹進(jìn)歐姆金屬的襯底810的溝槽區(qū)而進(jìn)一步改善，從而進(jìn)一步增大接觸區(qū)并且改善熱提取效率。

在一些實(shí)施方案中，襯底810和歐姆接觸882包括一個(gè)或多個(gè)窗口或開(kāi)口以使得光能夠離開(kāi)電子裝置。

圖9為L(zhǎng)ED裝置900的一個(gè)示例的截面圖。在這個(gè)示例中，在形成圖8B所示的LED裝置850后，移除歐姆接觸882的一部分和襯底810的一部分以形成窗口987。在一個(gè)示例中，窗口987使用光刻工藝而形成，其中移除歐姆接觸882的一部分和襯底810的一部分以在緩沖層820上暴露出所限定的區(qū)。光890從LED裝置900穿過(guò)窗口987和開(kāi)口872發(fā)出。光750也穿過(guò)鈍化層885發(fā)出。在一些實(shí)施方案中，可在窗口987的背側(cè)上形成防反射涂層，以提高光提取或光耦合。

圖10A為包括基本上由Al_0.7Ga_0.3N組成的基質(zhì)層和基本上由Si組成的19個(gè)施主雜質(zhì)層的n型超晶格中的導(dǎo)帶能的能帶圖1000。

能帶圖1000示出了導(dǎo)帶1010作為穿過(guò)n型超晶格的距離z的函數(shù)。每個(gè)施主雜質(zhì)層的厚度為1nm，并且每個(gè)施主雜質(zhì)層之間的距離為5nm。如在圖1050中可以看出，施主雜質(zhì)層使得導(dǎo)帶1010能的位置移位朝向費(fèi)米能E_Fermi并且誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1020。

圖10B為n型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖1050。能帶圖1050示出了晶體場(chǎng)分割(CH)帶1060、重空穴(HH)帶1070和輕空穴(LH)帶1080作為穿過(guò)n型超晶格的距離z的函數(shù)。如在圖1050中可以看出，施主雜質(zhì)層使價(jià)帶能的位置移位并且在CH帶1060、HH帶1070和LH帶1080中誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1090。由于n型超晶格為n型，因此費(fèi)米能E_Fermi在導(dǎo)帶1010中而不在價(jià)帶中。

再次參考圖10A和圖10B，可以看出的是，導(dǎo)帶和價(jià)帶中所誘發(fā)的勢(shì)阱形成II型帶對(duì)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，它們各自的帶中的局部電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)未垂直對(duì)準(zhǔn)。因此，II型帶對(duì)準(zhǔn)在n型超晶格和p型超晶格中誘發(fā)比基質(zhì)層單獨(dú)的半導(dǎo)體材料的透明性能量更大的光透明性。這在n形超晶格和p型超晶格中提供了為使光生光從本征區(qū)中傳遞出來(lái)而所需的透明性。

圖11A為包括基本上由Al_0.7Ga_0.3N組成的基質(zhì)層和基本上由Mg組成的19個(gè)受主雜質(zhì)層的受到拉伸應(yīng)變的p型超晶格中的導(dǎo)帶能的能帶圖1100。p型超晶格受到拉伸應(yīng)變并且沉積在松弛的GaN緩沖層上。

能帶圖1100示出導(dǎo)帶1110作為穿過(guò)p型超晶格的距離z的函數(shù)。每個(gè)受主雜質(zhì)層的厚度為1nm，并且每個(gè)受主雜質(zhì)層之間的距離為5nm。受主雜質(zhì)層使導(dǎo)帶1110能量的位置移位并且誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1120。

圖11B為受到拉伸應(yīng)變的p型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖1150。能帶圖1150示出晶體場(chǎng)分割(CH)帶1160、重空穴(HH)帶1170和輕空穴(LH)帶1180作為穿過(guò)n型超晶格的距離z的函數(shù)。受主雜質(zhì)層使價(jià)帶能量的位置移位并且在CH帶1160、HH帶1170和LH帶1180中誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1190。由于所述p型超晶格為p型，因此費(fèi)米能E_Fermi在價(jià)帶中。

圖12A為包括基本上由Al_0.7Ga_0.3N組成的基質(zhì)層和基本上由Mg組成的19個(gè)受主雜質(zhì)層的受到壓縮應(yīng)變的p型超晶格中的導(dǎo)帶能的能帶圖1200。p型超晶格受到壓縮應(yīng)變并且沉積在松弛的AlN緩沖層上。

能帶圖1200示出導(dǎo)帶1210作為穿過(guò)p型超晶格的距離z的函數(shù)。每個(gè)受主雜質(zhì)層的厚度為1nm，并且每個(gè)受主雜質(zhì)層之間的距離為5nm。雜質(zhì)層使導(dǎo)帶1210能的位置移位并且誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1220。

圖12B為受到壓縮應(yīng)變的p型超晶格中的價(jià)帶能的能帶圖1250。能帶圖1250示出晶體場(chǎng)分割(CH)帶1260、重空穴(HH)帶1270和輕空穴(LH)帶1280作為穿過(guò)p型超晶格的距離z的函數(shù)。受主雜質(zhì)層使價(jià)帶能的位置移位并且在CH帶1260、HH帶1270和LH帶1280中誘發(fā)一系列19個(gè)勢(shì)阱1290。由于所述p型超晶格為p型，因此費(fèi)米能E_Fermi在價(jià)帶中。

圖13A為在圖12A所示的p型超晶格中的19個(gè)最低能量的量子化電子波函數(shù)相對(duì)于導(dǎo)帶1210的曲線(xiàn)圖1300。曲線(xiàn)圖1300表明電子波函數(shù)的峰值，作為穿過(guò)p型超晶格的距離z的函數(shù)，被定位到導(dǎo)帶1210中所誘發(fā)的勢(shì)阱1220。峰值表示在某個(gè)位置發(fā)現(xiàn)電子的高概率并且高原表示在某個(gè)位置發(fā)現(xiàn)電子的低概率。

圖13B為在圖12B所示的p型超晶格中的19個(gè)最低能量的量子化空穴波函數(shù)相對(duì)于CH帶1360的曲線(xiàn)圖1350。曲線(xiàn)圖1350表明空穴波函數(shù)的峰值，作為穿過(guò)p型超晶格的距離z的函數(shù)，被定位到CH帶1260中所誘發(fā)的勢(shì)阱1290。曲線(xiàn)圖1300所示電子波函數(shù)與曲線(xiàn)圖1350所示空穴波函數(shù)的比較表明，電子波函數(shù)未對(duì)準(zhǔn)與空穴波函數(shù)未對(duì)準(zhǔn)；也就是說(shuō)，電子的峰值分布并不與空穴的峰值分布重疊。由于電子和空穴的空間重疊概率較低，因此電子和空穴的復(fù)合減小并且p型超晶格對(duì)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)不透明。

再次參考圖13A和圖13B的超晶格，針對(duì)電子和空穴的沿著生長(zhǎng)方向的電子波函數(shù)分別在空間上非定域，這在雜質(zhì)層之間提供了耦合并且因此改善了超晶格的p型導(dǎo)電性。被限制在雜質(zhì)層內(nèi)的摻雜劑種類(lèi)的超高密度使得摻雜劑相對(duì)于基質(zhì)帶結(jié)構(gòu)的激活能E_act減少。這使得與其中p型和n型區(qū)包括傳統(tǒng)不均勻摻雜的基質(zhì)半導(dǎo)體的裝置相比，在裝置操作期間，對(duì)于給定襯底溫度來(lái)說(shuō)，激活載流子濃度增大。此外，施主材料或受主材料的雜質(zhì)層之間的波函數(shù)耦合改善了穿過(guò)裝置的載流子傳輸。

類(lèi)似地，在包括先前所述的n型超晶格和/或p型超晶格的裝置的一些實(shí)施方案中，電子波函數(shù)的峰值與空穴波函數(shù)的峰值在空間上不對(duì)準(zhǔn)。

圖10A至圖12B表明，在超晶格內(nèi)由假晶生長(zhǎng)在松弛緩沖層上生成的雙軸應(yīng)變可改變導(dǎo)帶和價(jià)帶輪廓。例如，參考圖12A至圖12B，基本能帶在壓縮應(yīng)變的情況下打開(kāi)，并且參考圖11A和圖11B，基本能帶在拉伸應(yīng)變的情況下減小。能帶直接影響n(yōu)＝1個(gè)量子化能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能E_Fermi的相對(duì)位置。例如，p型超晶格中的n＝1個(gè)量子化空穴狀態(tài)與費(fèi)米能E_Fermi之間的能帶的減小可用于提高p型超晶格中的有源摻雜濃度。也就是說(shuō)，可使用應(yīng)變來(lái)改善超晶格中的有源摻雜濃度。

本文所述的電子裝置比傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)UV LED的優(yōu)勢(shì)在于它們已改善了來(lái)自所述裝置的本征層或有源區(qū)的光發(fā)射。例如，本發(fā)明的電子裝置為同質(zhì)結(jié)裝置并且因此避免了異質(zhì)結(jié)裝置中通常出現(xiàn)的內(nèi)部極化場(chǎng)。

超晶格可被設(shè)計(jì)成對(duì)電子裝置的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)透明以使得光能夠穿過(guò)n型或p型半導(dǎo)體區(qū)發(fā)出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高水平的n型或p型導(dǎo)電性。此外，超晶格的電性質(zhì)(例如，載流子濃度)和光性質(zhì)(例如，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)下的光透明性)可通過(guò)改變超晶格的單位晶胞的周期和占空比而變化。

應(yīng)當(dāng)理解的是，在本文所示的電子裝置中，n型和p型超晶格和接觸可交換，以使得p型超晶格首先生長(zhǎng)。然而，n型超晶格首先生長(zhǎng)的原因在于，襯底或緩沖層上的生長(zhǎng)n型超晶格比p型超晶格通常容易。

在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“超晶格”是指一種層狀結(jié)構(gòu)，所述層狀結(jié)構(gòu)包括多個(gè)重復(fù)單位晶胞，所述單位晶胞包括兩個(gè)或更多個(gè)層，其中單位晶胞中的層的厚度是充分小的，以至于在相鄰單位晶胞的對(duì)應(yīng)層之間存在顯著波函數(shù)穿透，以使得電子和/或空穴的量子隧穿可能很容易發(fā)生。

在本說(shuō)明書(shū)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)成為公共常識(shí)的一部分。

在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“包括/包括(comprise/comprises/comprising)”或類(lèi)似術(shù)語(yǔ)是指一種非排他性包括，以使得包括一系列元件的一種系統(tǒng)、方法或設(shè)備并不僅僅包括這些元件，而是也可以包括沒(méi)有列出的其他元件。