CN102017156A - 电流注入/隧穿发光器件和方法 - Google Patents

电流注入/隧穿发光器件和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种设备及其制造方法。一些实施例包括发光器件，所述发光器件包括：发光有源区；与有源区面相邻的隧穿势垒(TB)结构；与所述TB结构面相邻的TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且与所述有源区实质上晶格匹配；以及与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻的导电型III族氮化物晶体结构。在一些实施例中，所述有源区包括多MQW结构。在一些实施例中，所述TB-GEMM结构包括合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。一些实施例还包括第二镜(可选地GEMM)，以在第二镜和TB-GEMM结构之间形成光学腔。在一些实施例中，至少一种GEMM沉积到衬底上，并且与所述衬底晶格匹配。

Description

电流注入/隧穿发光器件和方法
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2008年2月25日递交的美国临时专利申请No.61/066,960的权益，将其全部结合在此作为参考。
本申请涉及2007年8月3日递交的、题目为“III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND REFLECTIVE ENGINEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVICES，AND METHOS”(代理人案号：5069.001usl)的美国专利申请11/882,730，为了各种目的，将其全部结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半导体光发射器和器件，更具体地，涉及一种III族氮化物发光二极管(LED)的制造设备和方法，其中的一些实施例提供了垂直结构LED，并且可选地包括III族氮化物LED、GaN基LED和半导体激光二极管。
背景技术
本发明涉及III族氮化物基发光二极管(LED)。在过去十多年中，由于III族氮化物基器件能够输出具有在紫外光(UV)、蓝光和绿光范围内的波长的光的原因，III族氮化物基发光器件已经获得了明显的关注。尽管消耗了大量资源来开发和商业化III族氮化物基发光器件，在实现具有改善效率、可靠性和性能特性的III族氮化物基发光器件时仍然存在重大的困难和阻力。传统的标准III族氮化物LED要求将电子注入到半导体器件中，使得电子电势处于n型层的导带最小值处，以便随后将其注入到较低电势的有源区中。初始电子注入的电势电平确定了驱动LED所要求的电压。一旦最初将电子注入到传统的标准LED器件中，电子能量从n型半导体导带最小值处下落到有源区的子带最小值的能势，并且然后与正载流子结合，从而将能量作为光子释放。将电子能量从n型导带底部到有源区子带最小值能势的初始下落转换为热，并且因此转换为浪费掉的能量。由于热的产生将降低器件的可靠性从而热的产生是不希望的、并且喜欢在将电能转换成光时高效的LED，这种浪费的能量成为一个问题。此外在传统LED中，电子可以传播通过量子阱进入到p型材料中，在所述p型材料中电子与器件有源区外部的空穴重新复合，因此浪费掉了将电子移动到n-GaN的导带中所消费的能量。在现有技术的图1A、1B和1C中示出了表现出上述局限性的传统LED器件的一个示例。
为了各种目的，将2003年9月2日授予给王等人的题目为“LIGHT EMITTING DIODES WITH AYSMMETRIC RESONANCE TUNNELLING”的美国专利6,614,060全部结合在此作为参考。王等人描述了基于具有电荷不对称谐振隧穿的两阱系统的LED，所述两阱系统包括第一和第二耦合的阱，一个阱作为较宽的阱，另一个阱作为有源量子阱。所述阱经由谐振隧穿势垒相耦合，所述谐振隧穿势垒对于量子隧穿电子是实质上透明的，并且阻碍空穴。
为了各种目的，将Ito等人题目为“GROUP III NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE”的美国专利6,426,512全部结合在此作为参考。Ito等人描述了一种包含在衬底上形成的金属氮化物层的内涂层。在内涂层上连续地形成III族氮化物化合物半导体层。
为了各种目的，将Grupp等人的题目为“METHOD FOR DEPINNING THE FERMI LEVEL OF A SEMICONDUCTOR AT AN ELECTRICAL JUNCTION AND DEVICES INCORPORATING SUCH JUNCTIONS”的美国专利7,176,483全部结合在此作为参考。Grupp等人描述了一种电气结，所述电气结包括半导体(例如C、Ge或Si基半导体)、导体和设置在半导体和导体之间的界面层。所述界面层足够厚以解除钉止(depin)半导体的费米能级，并且也足够薄以提供具有小于或等于约1000Ω-μm2的特定接触阻抗的结，在一些情况下这是最小的特定接触阻抗。
需要改进的发光二极管，具体地需要III族氮化物LED，具体地需要使用谐振隧穿势垒的III族氮化物LED。
发明内容
在一些实施例中，本发明提出了一种包括发光器件的设备，所述发光器件包括：发光有源区，与所述有源区面相邻的隧穿势垒(TB)结构、与所述TB结构面相邻的TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且实质上与有源区晶格匹配，导电型III族氮化物晶体结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻。一些实施例还包括与所述导电型III族氮化物结构电连接的电流传导接触区。在所述设备的一些实施例中，有源区可选地包括多量子阱(MQW)结构。在所述设备的一些实施例中，有源区的MQW结构可选地包括被选择用于提供选定子带最小能势的量子阱宽度，并且所述TB-GEMM结构包括合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
在一些实施例中，本发明提出了一种用于制作发光器件的方法。该方法包括：形成发光有源区；形成隧穿势垒(TB)结构，使得在所述发光器件中所述TB结构与所述有源区面相邻；形成TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构，使得在所述发光器件中所述TB-GEMM结构与所述TB结构面相邻，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且其中所述TB-GEMM结构实质上与所述有源区晶格匹配；形成导电型III族氮化物晶体结构，使得在所述发光器件中，所述导电型III族氮化物晶体结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻。一些实施例还包括形成电流传导接触区，使得在所述发光器件中，所述电流传导接触区与所述导电型III族氮化物电连接。在所述方法的一些实施例中，形成有源区可选地包括形成多量子阱(MQW)结构。在所述方法的一些实施例中，形成有源区的MQW结构可选地包括形成被选择用于提供选定的子带最小能势的量子阱宽度，并且所述TB-GEMM结构包括这样的合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
附图说明
图1A是现有技术的多量子阱(MQW)器件102或103的能级图101。
图1B是具有绝缘衬底的现有技术MQW器件102的方框图。
图1C是具有导电衬底的现有技术MQW器件103的方框图。
图2A是根据本发明一些实施例的MQW器件202或203的能级图201。
图2B是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件202的方框图。
图2C是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件203的方框图。
图2D是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和光学腔的MQW器件204的方框图。
图2E是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和光学腔的MQW器件205的方框图。
图2F是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件206的方框图，其中光能通过所述衬底发射。
图2G是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件207的方框图，所述薄顶侧GEMM结构允许光通过其发射并且在器件的顶部输出。
图2H是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和用于形成光学腔的薄底侧GEMM的MQW器件208的方框图，其中光能通过所述底侧GEMM和所述衬底发射。
图2I是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件209的方框图，所述薄顶侧GEMM结构形成光学腔并且允许光通过其发射并且在器件的顶部输出。
图3A是根据本发明一些实施例的MQW器件302或303的能级图301。
图3B是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件302的方框图。
图3C是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件303的方框图。
图3D是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和光学腔的MQW器件304的方框图。
图3E是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和光学腔的MQW器件305的方框图。
图3F是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件306的方框图，其中光能通过所述衬底发射。
图3G是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件307的方框图，所述薄顶侧GEMM结构允许光通过其发射并且在器件顶部输出。
图3H是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和用于形成光学腔的薄底侧GEMM结构的MQW器件308的方框图，其中光能通过所述底侧GEMM结构和所述衬底发射。
图3I是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件309的方框图，其中所述薄顶侧GEMM结构形成光学腔并且允许光通过其发射并且在器件顶部输出。
图4A是根据本发明一些实施例的MQW器件402或403的能级图401。
图4B是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件402的方框图。
图4C是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件403的方框图。
图4D是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和光学腔的MQW器件404的方框图。
图4E是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和光学腔的MQW器件405的方框图。
图4F是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件406的方框图，其中光能够通过所述衬底发射。
图4G是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件407的方框图，所述薄顶侧GEMM结构允许光通过其发射并且在器件顶部输出。
图4H是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和用于形成光学腔的薄底侧GEMM结构的MQW器件408的方框图，其中光能够通过所述底侧GEMM和衬底发射。
图4I是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构的MQW器件409的方框图，所述薄顶侧GEMM结构形成光学腔并且允许光通过其发射并且在器件顶部发射。
图5A是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件502的方框图。
图5B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件503的方框图。
图6A是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件602的方框图。
图6B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件603的方框图。
图7A是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件702的方框图。
图7B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件703的方框图。
图8A是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件802的方框图。
图8B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件803的方框图。
图9A是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底的MQW器件902的方框图。
图9B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件903的方框图。
图10是根据本发明一些实施例的MQW器件的能级图1000。
图11是根据本发明一些实施例的一种方法1100的流程图。
具体实施方式
在优选实施例的以下详细描述中，将参考形成优选实施例的一部分的附图，并且在附图中以示例方式示出了可以实践本发明的特定实施例。应该理解的是在不脱离本发明范围的情况下也可以使用其他实施例，并且可以进行结构改变。
在附图中出现的参考数字的第一位通常与第一次引入该部件的图号相对应，使得贯穿全文使用相同的参考数字表示在多个图中出现的相同部件。可以通过相同的参考数字或标记来指代信号和连接，并且根据其在上下文中的用途，其实际含义将是清楚的。
描述了包括外延生长金属镜的各种结构的器件结构。如这里所使用的，将这些嵌入式镜子(或镜子结构)称作外延生长金属镜(GEMM)或GEMM层。在一些实施例中，将GEMM层配置(例如通过调节其功函数)来促进空穴或电子隧穿至多量子阱(MQW)。
如这里所使用的：
当一个结构的主表面的至少一部分面对另一个结构的主表面的一部分并且彼此相邻，使得所述主表面的所述部分彼此靠近或者接触时，两个结构是彼此“面相邻”。
当一个结构的边缘的至少一部分与另一个结构的边缘的一部分靠近或接触时，两个结构是彼此“边缘相邻”。
当一个结构与另一个结构面对相邻或者边缘相邻时，两个结构彼此“相邻”。
当一个结构的主表面的至少一部分面对另一个结构的主表面的一部分并且彼此相邻，使得所述主表面的所述部分彼此接触时，两个结构彼此“面接触”。
当一个结构的边缘的至少一部分接触另一个结构的边缘的一部分时，两个结构是“边缘接触”。
当一个结构与另一个结构面相邻或者边缘相邻时，两个结构彼此“接触”。
如这里所使用的，术语“双异质结”指的是一种半导体材料结构，其中将具有较小带隙的半导体层夹在具有较大带隙的两个半导体层之间。
如这里所使用的，术语“量子阱(QW)”指的是一种半导体材料结构，其中将具有较小带隙的半导体层夹在具有较大带隙的两个半导体层之间，并且较小带隙半导体层的厚度较薄，使得在较小带隙半导体层中发生导带分裂和价带分裂。
如这里所使用的，术语“多量子阱”(“MQW”)指的是具有定位为QW彼此相邻的多个量子阱的结构。在一些实施例中，本发明包括具有约两个量子阱到约四个量子阱的MQW，具有四个量子阱到八个量子阱的MQW，具有八个量子阱到12个量子阱的MQW或者多于12个量子阱的MQW。在一些实施例中，当所述量子阱足够薄，使得量子阱的波函数重叠时，所述多量子阱结构称作“超晶格量子阱结构”。
如这里所使用的，术语“隧穿势垒”指的是材料(例如半导体材料、绝缘材料、导电材料等)薄层，所述材料薄层足够薄，以允许载流子(即电子和空穴)量子机械地隧穿通过，但是却是用于调节电流的实质上的势垒。在一些实施例中，所述隧穿势垒具有在约和
Figure BPA00001249554200082
范围内的厚度。在一些其他实施例中，所述隧穿势垒具有在以下范围内的厚度：约
Figure BPA00001249554200083
和
Figure BPA00001249554200084
Figure BPA00001249554200085
和
Figure BPA00001249554200086
之间、
Figure BPA00001249554200087
和之间、
Figure BPA00001249554200089
和
Figure BPA000012495542000810
之间、
Figure BPA000012495542000811
和
Figure BPA000012495542000812
之间、
Figure BPA000012495542000813
和
Figure BPA000012495542000814
之间、
Figure BPA000012495542000815
和
Figure BPA000012495542000816
之间、
Figure BPA000012495542000817
和
Figure BPA000012495542000818
之间、
Figure BPA000012495542000819
和
Figure BPA000012495542000820
之间、或者
Figure BPA000012495542000821
和
Figure BPA000012495542000822
之间；每一个范围均包括其端点。在一些实施例中，隧穿势垒厚度和量子阱厚度对于能带分裂有贡献，因此可以将其用于调节组合的隧穿势垒/有源区结构的费米能级能量。
如这里所使用的，术语“谐振隧穿势垒”(RTB)指的是这样的隧穿势垒，其中在隧穿势垒一侧上的材料能级与隧穿势垒相对一侧上的材料能级相同或近似相同。在一些实施例中，依赖于RTB的一侧上金属的功函数，可以将RTB配置用于优先隧穿空穴或者电子，而不是另一种。在这种情况下，由于RTB任一侧上的两个能级之间的谐振，选定的载流子隧穿通过RTB的可能性增大。
在一些实施例中，本发明提出了一种基于半导体的用于发光的器件，并且更具体地提出了一种基于III族氮化物半导体的用于发光的器件，包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AlGaInN等。在一些实施例中，本发明提出了一种使用除了III族氮化物之外的半导体的发光器件，例如IV族半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、Si、Ge、GaP、InP、InGaP、AlGaP、GaAs、GaAsP、GaSb、GaSbAs、GaAlP、InGaAlP、InGaAsP、AlGaAs、AlGaInAs、AlN、ZeSe和SiC等。在一些实施例中，本发明的发光器件使用现有技术已知的半导体的定比化合物，以及现有技术已知的半导体的多个层等。在一些实施例中，在本发明中使用的半导体层(包括量子阱、量子阱势垒、阻挡层等)包括来自上述列表中的半导体材料。
在一些实施例中，使用衬底或生长模板并且在所述衬底或生长模板上生长或形成后续器件有源层，来形成本发明的发光器件。在一些实施例中，选择在本发明中使用的衬底或生长模板的类型，以实现具体的器件结构(例如垂直、倒装芯片或顶-侧接触、顶-侧光输出、衬底光输出等)，实现具体的光输出波长，减小大规模制造的成本或者优化性能。在一些实施例中，所述衬底或生长模板包括硅、蓝宝石、碳化硅、氧化锌、尖晶石、GaAs、GaN、InP、MgAl2O4、AlN、GaP、MgO、LiGaO2、LiAlO2、NdGaO3、ScAlMgO4、Ga8La2(PO4)6O2、Zr、Hf、ScN、TiN、NbN、ZrxHf(1-x)B2或ZrxHf(1-x)N等，其中x在0和1之间(含端点)。在一些实施例中，可以通过各种技术选择性地去除所述衬底，所述技术包括激光剥离、湿法刻蚀、干法刻蚀等。
在一些实施例中，在生长有源器件层之前，在衬底上直接形成缓冲层或缓冲结构，以提供具有器件质量(device quality)材料特性(例如表面粗糙度、位错密度、晶格常数等)的材料，在所述缓冲层或缓冲结构上生长后续的有源器件层。在一些实施例中，本发明中使用的缓冲层包括掺杂和不掺杂半导体层、导电层、绝缘层或者半导体层、导体层和绝缘层等的任意组合。在一些实施例中，所述缓冲层可以包括p掺杂GaN、n掺杂GaN、本征掺杂GaN(非故意掺杂GaN)、SiGe、AlN、ZrN、Al、SiO2、Si3N4、GaO及其组合和多层等。在一些实施例中，所述缓冲层包括在衬底上生长的具有约2微米厚度的本征掺杂GaN层，并且在一些其他实施例中，缓冲层包括在衬底上生长的并且具有约2微米厚度的硅掺杂GaN(即n掺杂GaN)层。
在一些实施例中，发光器件包括外延生长金属镜(GEMM)，所述GEMM可以直接形成于衬底或生长模板上、缓冲层上、或具有器件质量特性的器件结构的其他层上。在一些实施例中，通过在外延期间简单地调节GEMM生长时间并进而调节厚度，所述GEMM可以按照其体材料性质而生长为完全不透明并且是高反射的，或者可以生长为半透明的，以适应不同器件结构的要求。在一些实施例中，用于GEMM的材料近似地匹配III族氮化物层的晶格常数，并且具有器件质量特性。在一些实施例中，GEMM层相比于传统发光器件结构部件(例如分布式布拉格反射器(DBR)或者非外延镜)具有多种优势。例如，GEMM层可以不需要多个交替的半导体材料的层叠，例如DBR那样，因为这种层叠可能产生缺陷和裂纹。此外，可以将GEMM层用作导电层来增加电流注入和电流分布。另外，较好的电流分布可以改进静电放电可靠性。在一些实施例中，GEMM层的厚度在约1nm和约150nm之间，使得GEMM层是部分透明的。在一些实施例中，GEMM层的厚度在约150nm和约1微米之间，使得GEMM层是高反射的。
在一些实施例中，GEMM层可以包括难熔金属和/或金属化合物，例如IVB族金属Zr、Hf、(HfxZr1-x，其中x在0和1之间，包括端点)，以及过渡金属的二硼化物ZrB2、HfB2、YB2和HfxZryYzB2，其中x+y+z＝1，并且x、y和z每一个在0和1之间，包括端点)，以及过渡金属氮化物ZrN、HfN、TiN、YZrN和(HfxZryYzN，其中x+y+z＝1，并且x、y和z每一个均在0和1之间，包括端点)。
在一些实施例中，GEMM的材料包括各种金属和金属化合物，所述金属和金属化合物可以生长为与所述衬底或生长模板或者缓冲层或者位于发光器件中并且具有足够的器件质量的其他层近似地晶格匹配，从而避免由高位错密度引起的难题和降低的器件性能。在一些实施例中，GEMM材料与所述衬底或生长模板或者缓冲层或者位于发光器件中并且具有足够的器件质量的其他层热膨胀匹配，从而减小发生裂纹可能性和位错密度。在一些实施例中，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、智能溅射金属调制闭合回路分子束外延、有机金属气相外延(OMVPE)、分子束外延(MBE)、混合气相外延(HVPE)、物理气相沉积(PVD)等来生长所述GEMM材料层。
在一些实施例中，可以使用器件质量GEMM来代替界定传统III族氮化物半导体发光器外延叠层的有源区的n型III族氮化物层。在一些实施例中，所述GEMM可以减小可能产生问题的静电放电损伤。
在一些实施例中，GEMM材料的体传导率是当前结合到III族氮化物基发光结构中的中等掺杂n型III族氮化物层的约5倍至约30倍之间。GEMM的高传导性能可以用于改善器件上的电载流子输运，从而产生用于电流流动的路径，并且因此减小不希望的静电放电的影响。
在一些实施例中，本发明的发光器件包括产生光的在器件结构中形成的有源区，并且所述有源区包括一种或更多种半导体材料，在所述半导体材料中受到电激励的电子与空穴复合以产生具有特定波长的光子。在一些实施例中，发光器件的有源区可以包括双异质结或者量子阱(MQ)结构或者多量子阱(MQW)结构。在一些实施例中，所述双异质结有源区结构包括具有约
Figure BPA00001249554200111
和约5微米之间厚度的InGaN层，所述InGaN层夹在具有约
Figure BPA00001249554200112
和约
Figure BPA00001249554200113
之间厚度的谐振隧穿势垒(RTB)和具有约200nm和约5微米之间厚度的p型GaN(例如Mg掺杂GaN)层之间。在一些实施例中，所述QW有源区结构包括具有约
Figure BPA00001249554200114
和约
Figure BPA00001249554200115
之间厚度的InGaN层，所述InGaN层夹在具有约
Figure BPA00001249554200116
和约
Figure BPA00001249554200117
之间厚度的谐振隧穿势垒(RTB)和具有约200nm和约5微米之间厚度的p型GaN(例如Mg掺杂GaN)层之间。在一些实施例中，所述MQW有源区结构具有三个QW，并且包括多个InGaN层，每一个InGaN层均具有约
Figure BPA00001249554200118
和约
Figure BPA00001249554200119
之间的厚度，第一InGaN层夹在具有约
Figure BPA000012495542001110
和约
Figure BPA000012495542001111
之间厚度的谐振隧穿势垒(RTB)和具有约
Figure BPA000012495542001112
和约
Figure BPA000012495542001113
之厚度的i型GaN层之间，第二(即中间)InGaN层夹在每一个均具有约
Figure BPA000012495542001114
和约
Figure BPA000012495542001115
之间厚度的两个i-GaN层之间，以及第三InGaN层夹在夹在具有约
Figure BPA000012495542001116
和约
Figure BPA000012495542001117
之间厚度的i-GaN层和具有约200nm和约5微米之间厚度的p型GaN(例如Mg掺杂GaN)层之间。
在一些实施例中，本发明提出了一种第二镜，所述第二镜位于有源区的与所述GEMM层相对的那一侧上。在一些实施例中，所述第二镜用于反射由有源区发射的光，以提高器件的光输出和/或以形成具有由GEMM层和第二镜之间的距离限定的光学腔长度的光学腔。在一些实施例中，所述第二镜包括以下至少一种：高反射镜、部分反射和部分透射镜、GEMM、分布式布拉格反射器(DBR)、透明导电镜(例如，铟锡氧化物ITO)、界面镜、金属镜、半导体和空气之间的界面等。在一些实施例中，所述第二镜是任意其他合适的镜结构。
如这里所使用的，术语“隧穿势垒GEMM”(“TB-GEMM”)(也称作“有源区GEMM”(“AR-GEMM”)指的是定位于隧穿势垒或RTB旁边、并且用于提供隧穿通过隧穿势垒或RTB的载流子的GEMM层。如这里所使用的，术语“光学腔GEMM”)(“OC-GEMM”)指的是用作第二镜并且不用于提供隧穿通过隧穿势垒或RTB的载流子的GEMM层。在一些实施例中，第一GEMM是AR-GEMM，而第二镜是配置用于形成光学腔的OC-GEMM，有源区位于AR-GEMM和OC-GEMM之间。
在一些实施例中，本发明提出了一种界面绝缘层，位于AR-GEMM和半导体隧穿势垒之间，或者位于AR-GEMM和半导体RTB之间，以便解除钉止半导体隧穿势垒或半导体RTB的费米能级，使得终止在AR-GEMM和半导体隧穿势垒的界面处的悬浮键，并且减小金属诱导带隙状态(MIGS)对半导体费米能级的影响。在解除钉止半导体隧穿势垒的费米能级之后，可以调节AR-GEMM的功函数，使得AR-GEMM的费米能级可以与QW或MQW结构的有源区中的导带中的第一子带对齐(line up)，以增强谐振隧穿，或者AR-GEMM的费米能级可以与双异质结有源区中的较小带隙半导体的导带对齐，以增强谐振隧穿。在一些实施例中，隧穿势垒层也提供界面绝缘层的功能，即将隧穿势垒层用于“解除钉止”有源区的费米能级，并且用于提供选定载流子隧穿通过以到达量子阱子带势能的隧穿势垒。在一些实施例中，所述界面层包括钝化材料，例如氮化物、氟化物、氧化物、氮氧化物、氢化物和/或半导体砷化物；并且在一些情况下，所述界面层也可以包括分离层。在其他实施例中，将其他绝缘材料用于钝化。在一些实施例中，所述钝化材料可以实质上是单层，或者在一些情况下，所述钝化材料可以具有允许GEMM的费米能级与半导体的导带、半导体的价带、有源区的子带对齐的厚度，或者所述钝化材料与半导体的费米能级无关。在一些实施例中，界面层或者当也用作界面层时的隧穿势垒用于减小或者实质上消除在GEMM层和半导体层(包括隧穿势垒、量子阱层、量子阱阻挡层等)之间界面处的非辐射重新复合点。
在一些实施例中，本发明提出了一种包括双TB-GEMM/隧穿势垒结构的发光器件。即在一些实施例中，所述LED的有源区包括在有源区的每一个表面上的TB-GEMM/隧穿势垒结构，使得在所述有源区的第一表面上的第一TB-GEMM/隧穿势垒结构配置用于允许电子从所述第一TB-GEMM隧穿通过所述第一隧穿势垒并且进入有源区的电子势能级，所述有源区的相反第二表面上的第二TB-GEMM/隧穿势垒结构配置用于允许空穴从第二TB-GEMM隧穿通过第二隧穿势垒并且进入有源区的空穴势能级。在一些实施例中，可以使得这些TB-GEMM结构的一个或两者足够薄，以发射由有源区中空穴和电子的复合产生的光。在一些实施例中，第一TB-GEMM/隧穿势垒结构配置用于允许电子隧穿通过第一隧穿势垒至有源区，同时提供阻止空穴从有源区隧穿至第一TB-GEMM的势垒。在一些实施例中，第二TB-GEMM/隧穿势垒结构配置用于允许空穴隧穿通过第二隧穿势垒至有源区，同时提供阻止电子从有源区隧穿至第二TB-GEMM的势垒。因此将这些层称作“隧穿势垒层”。
在一些实施例中，本发明提出了一种改进或提高发光器件的光输出或提取效率的光提取结构，包括粗糙化的发光表面、光子晶体等。可以将光提取结构的任意组合与GEMM相耦合，包括可以采用的多种变体，例如组合在有源区的一侧或两侧上的多个光提取结构。
在一些实施例中，本发明提出了一种利用光学腔效应来增强光提取的器件结构，包括具有针对于光提取特征和各种结构优化了厚度和位置的有源区。在一些实施例中，具有增强的光提取的器件结构包括谐振腔发光器件(RCLED)或微腔发光器件(MCLED)。在一些实施例中，通过由有源区发射的光和由GEMM反射的光之间的干涉，和/或通过由有源区发射的光和由位于与GEMM相对的第二镜反射的光之间的干涉，和/或通过通过由GEMM反射的光和由位于与GEMM相对的第二镜反射的光之间的干涉产生驻波。在一些实施例中，将发光器件的有源区定位于按照前述方式产生的驻波的波腹处，使得改进了发光器件的提取效率。这使得能够将光导引为多个模式(或者单模)以增加LED的光传播输出量。与标准LED相比，由光学腔器件产生的光更加具有定向性，并且光谱更纯。
在一些实施例中，光传播通过所述器件结构的顶部，远离衬底一侧。在其他实施例中，光传播通过按照“倒装芯片”形式的器件结构底部处的透明衬底。在一些实施例中，光沿多个方向出射。
如这里所使用的，术语“生长模板”指的是其上生长了外延材料的晶体界面或衬底。
如这里所使用的，术语“谐振腔”指的是用于增强固态发光器件中的光输出的谐振光学腔。例如在一些实施例中，在MQW有源区和间隔较小距离的反射器之间形成谐振腔，使得在MQW有源区和反射器之间反射的光形成比其他能量耗尽机制更优选的光学模式。在一些实施例中，在与MQW的一侧间隔一定距离的第一镜和所述MQW之间、在与MQW的另一侧间隔一定距离的第二镜和所述MQW之间、或者在第一镜和第二镜之间形成谐振腔。
如这里所使用的，术语“微腔”指的是用于增强固态发光器件中光输出的非常小的谐振光学腔。例如在一些实施例中，在MQW有源区和间隔开较小距离的反射器之间形成微腔，使得在所述MQW有源区和反射器之间反射的光形成比其他能量耗尽机制更加优选的光学模式。在一些实施例中，在与MQW一侧间隔开一定距离的第一镜和所述MQW之间、在与MQW的另一侧间隔开一定距离的第二镜和所述MQW之间、或者在第一镜和第二镜之间形成所述微腔。
在一些实施例中，将其中在TB-GEMM层和第二镜之间形成光学腔的本发明的发光器件结构用于形成配置用于输出激光的半导体激光器。
如这里所使用的，术语“光子晶体辅助发光器”指的是根据众所周知的光子晶体原理形成的一维(1D)、二维(2D)或三维(3D)固态结构(例如参见John D.Joannopoulos等人的PHOTONIC CRYSTALS：MOLDING THE FLOW OF LIGHT(SECOND EDITION)，普林斯顿大学出版社，第二版(2008年2月11日)，ISBN号13：978-0691124568)。
本发明的一些实施例包括采用在不限于题目为III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVCIES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND REFLECTIVE ENGINEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVICES，AND METHODS(代理人案号5069.001usl)的美国专利申请11/882,730中描述的材料和器件设计的改进LED，将该专利申请全部结合在此作为参考。在所述器件的一些实施例中使用的称作外延生长金属镜(这里称作GEMM)一种材料和结构用作电极。在一些实施例中，将GEMM也用作后续各层和反射镜的生长模板，所述后续各层和反射镜用作微腔发光器或谐振腔发光器或光子晶体辅助发光器等，或这些结构的任意组合。在一些实施例中，该GEMM层用于按照比传统LED的注入电子势能相比更小的电子势能将载流子通过一个或多个势垒住入到有源区，以减小驱动发光二极管所要求的电压，并且有助于器件有源区中电子和空穴的高效复合过程。
图1A是现有技术的多量子阱(MQW)器件102或103的能级图101。在该图中，以下参考数字指的是：
98＝正电荷载流子“空穴”
99＝电子
112＝用于促进与绝缘衬底的晶格匹配的缓冲层
113＝n-GaN
114＝整个有源区，包括114A-114E
114A、114C、114E＝第一以及可选的第二和附加量子阱
114B、114D＝第一和可选的附加量子阱势垒
115＝电流阻挡层
116＝p型GaN
117＝接触p型GaN的顶侧电接触区
122＝用于促进与导电衬底的晶格匹配的缓冲层
127＝用于接触TB-GEMM的顶侧电接触区
128＝底侧电接触区
129＝在一些实施例中使用的绝缘衬底
图1B是具有绝缘衬底129的现有技术MQW器件102的方框图。器件102通过在衬底129上沉积缓冲层112形成。将n-GaN层113生长在衬底缓冲层112上，使得n-GaN113的晶格结构与衬底缓冲层112的晶格结构匹配，以便使得N-GaN113形成其上可以生长高质量有源层114的良好排序的晶体模板。将p-AlGaN层115生长在有源层114上，将p型GaN层116生长到p-AlGaN层115上，以及将p接触结构117形成在p型GaN层116上，以便为发光MQW器件102提供兼容电接触。
图1C是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件103的方框图。器件103与图1A的器件102实质上相同，不同之处在于器件103的导电衬底128代替了器件102的衬底129。
图2A是根据本发明一些实施例的MQW器件202(如图2B所示)或203(如图2C所示)或204(如图2D所示)或205(如图2E所示)或206(如图2F所示)或207(如图2G所示)或208(如图2H所示)或209(如图2I所示)的能级图201。在图2A-2I中(以及在该申请的所有其他图中)，以下参考数字指的是：
98＝空穴，正电荷载流子
99＝电子，负电荷载流子
211＝在一些实施例中使用的导电衬底
212＝用于促进与绝缘衬底的晶格匹配的缓冲层
214＝有源区，其中SQW、MQW或异质结位于所述有源区中
214A、214C、214E＝隧穿层或双异质结层之间的第一以及可选的第二和附加量子阱
214B、214D＝第一和可选的附加量子阱势垒，形成附加的隧穿层/i-GaN层，可选地形成一个或更多附加量子阱214C、214E等
216＝顶侧p型GaN(在其他实施例中可以是n型GaN)
217＝接触p型GaN的顶侧电接触区
220＝底侧隧穿势垒外延生长金属镜(TB-GEMM)
221＝隧穿和势垒层(在一些实施例中它是掺杂的，在其他实施例中它是本征掺杂的)
222＝用于促进与导电衬底的晶格匹配的缓冲层
225＝顶侧光学腔外延生长金属镜(OC-GEMM)
226＝用于接触OC-GEMM的顶侧电接触区
227＝用于接触TB-GEMM的顶侧电接触区
228＝底侧电接触区
229＝在一些实施例中使用的绝缘衬底
250＝顶侧TB-GEMM(厚版本或薄版本)
255＝底侧OC-GEMM
256＝用于绝缘衬底的底侧p型GaN(备选地是n型GaN)
260＝顶侧TB-GEMM(薄版本)
261＝定义为p型GaN中导带子带272和费米能级270之间的能量差的电压(“V2”)
262＝所发射光子的能量(“hv”)，是导带子带能级272和价带子带能级271之间的能量差
266＝用于导电衬底的底侧p型GaN(备选地是n型GaN)
270＝p型GaN中的费米能级能量
271＝有源区中的第一价带子带
272＝有源区中的第一导带子带
在一些实施例中，电子在TB-GEMM 220的金属成分的费米能级处(位于或者近似位于子带能量272处，以便电子在维持与隧穿势垒结构221的另一侧上相同的能级的同时进行隧穿)(相对于图2A的能级图201向右、或者分别相对于图2B、图2C、图2D或图2E的器件202、203、204或205向上、或者分别相对于图2F、图2G、图2H或图2I的器件206、207、208或209向下)流动。与能量下落到量子阱中(例如电子99陷落到图1A的QW 114A、114C和114E中)不同，图2A中的电子隧穿通过隧穿势垒层221(允许量子隧穿但是是用于调制电子流的势垒)进入量子阱214A中(并且在具有附加量子阱的器件中进入QW 214C、214E等中(在一些实施例中，将另外的量子阱制作到QW 214E的右侧)，这些电子也可以隧穿通过所述附加的隧穿势垒层214B、214D等)。然后，QW 214A、214C和214E中能级272处的电子与已经流动(相对于图2A的能级图201向左、或者分别相对于图2B、图2C、图2D或图2E的器件202、203、204或205向下、或者分别相对于图2F、图2G、图2H或图2I的器件206、207、208或209向上)的空穴复合(电子从子带能级272下落至子带能级271)，并且与空穴复合的每一个电子引起光子发射(具有所发射光子的能量262(＝hv)，等于子带能级272和子带能级271之间的差)。
图2B是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底229的MQW器件202的方框图。在一些实施例中，通过在衬底229上沉积缓冲层212以获得衬底结构231来形成器件202。在一些实施例中，在衬底结构231上生长TB-GEMM 220，使得TB-GEMM 200的晶格结构匹配衬底结构231的晶格结构，以便TB-GEMM 220形成其上可以生长高质量隧穿势垒结构221和有源层214的良好排序的晶体模板。在一些实施例中，在III族氮化物层216上形成导电型III族氮化物层216(例如在一些实施例中在有源层214上(可选地一些实施例使用p型其他III族氮化物材料)生长p型GaN半导体；而在其他实施例中，制造不同型的器件(相反导电类型)，其中导电类型为“n”使得替换n型III族氮化物层216)和p接触结构217，以提供用于发光MQW器件202的兼容电接触区。在一些实施例中，例如如图2B所示，将用于发光MQW器件202的其他电接触区227沉积到TB-GEMM结构220的上表面台架(shelf)上。在一些实施例中，必须(例如使用公知的反应离子刻蚀(RIE)技术或者感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术、或者电子回旋共振(ECR)刻蚀技术或其他合适的技术)刻蚀器件202，以便暴露出其上形成电接触区227的TB-GEMM 220上的台架。在一些实施例中，使得台架和接触区227尽可能小，同时仍然提供低电阻的接触，以便使得光能从其中发射的有源区214的暴露面积最大化。类似地在一些实施例中，使得接触区217尽可能小(和/或使其较薄和/或使其是透明材料，例如铟锡氧化物(ITO))，同时仍然提供低电阻接触，以便使得光从其中发射的有源区214的暴露面积最大化。注意，图2A的能级图中线2A和线2A’之间的区域与图2B中的线2A和线2A’之间的物理区域相对应。注意在器件202的一些实施例中，来自有源区214的光通过各个层发射，并且在p-GaN层216的顶部输出(并且如果这样配置，通过至少一部分电接触区217输出)。
图2C是根据本发明一些实施例的具有导电衬底的MQW器件203的方框图。器件203与图2A的器件202实质上相同，不同之处在于器件203的衬底结构232代替了器件202的衬底结构231。在一些实施例中，导电衬底结构232包括在导电衬底211上生长的导电缓冲层222，并且在处理时的一些点上，包括在衬底211的相反主表面上形成的电接触区228。在一些实施例中，该导电衬底结构232提供更大或更小电阻的电接触区，所述电接触区不要求在使用顶侧电接触区227而不是底侧电接触区228时发生的发光面积的损失。器件203的其他特征与器件202的相应特征相同。注意，图2A中的描述能级的线2A和线2A’之间的区域与图2C中的线2A和线2A’之间的物理区域相对应。
图2D是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底和光学腔的MQW器件204的方框图。在一些实施例中，器件204与图2B的器件202实质上相同，不同之处在于已经在层216的顶部上添加了光学腔GEMM(OC-GEMM)结构225，并且已经在OC-GEMM结构225上形成了兼容电接触区226，用这两者来代替图2B中的顶侧p接触结构217。在一些实施例中，选择p型III族氮化物层216的厚度，使得将有源区214定位于与OC-GEMM结构225(镜子)的第一面相距第一距离，使得有源区214位于或者实质上位于由从有源区214发射的光受到由OC-GEMM结构225反射的光的干涉产生的第一光驻波的波腹，以形成至少一个提取模式。在各种实施例中，按照2007年8月3日递交的题目为“III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND RELFECTIVE ENG INEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVCIES，AND METHODS”(代理人卷号5069.001usl)的未决美国专利申请11/882,730中更加详细描述的各种方式配置有源区214、p-GaN区216和OC-GEMM结构225，将该专利申请结合在此作为参考。器件204的其他特征与器件202的相应特征相同。
图2E是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和光学腔的MQW器件205的方框图。在一些实施例中，器件205与图2C的器件203实质上相同，不同之处在于已经在p-GaN层216的顶部上添加了光学腔GEMM(OC-GEMM)225，并且已经在OC-GEMM结构225上形成了兼容电接触区226，这两者代替了图2C的顶侧p接触结构217。在一些实施例中，选择p型III族氮化物层216的厚度，使得将有源区214定位于与OC-GEMM结构225(镜子)的第一面相距第一距离，使得有源区214位于或者实质上位于由从有源区214发射的光受到由OC-GEMM结构225反射的光的干涉产生的第一光驻波的波腹，以形成至少一个提取模式。器件205的其他特征与上述器件203和204的相应特征相同。
图2F是具有绝缘衬底的MQW器件206的方框图，其中在一些实施例中，光通过所述衬底发射。在一些实施例中，器件206与图2B的器件202实质上相同，不同之处在于按照上述器件202中沉积顶侧p-GaN层216、有源区214、隧穿势垒221和TB-GEMM结构220的相反顺序沉积TB-GEMM250、隧穿势垒221、有源区214和底侧p-GaN层256。在一些实施例中，在衬底结构231上生长底侧p-GaN层256，使得底侧p-GaN层256的晶格结构与衬底结构231的晶格结构匹配，以便底侧p-GaN层256形成其上可以生长高质量有源区214和隧穿势垒结构221的良好排序的晶体模板。在一些实施例中，在缓冲层212上生长导电型III族氮化物层256(例如在一些实施例中，层256是p型GaN半导体(可选地，一些实施例使用p型其他III族氮化物材料)；而在其他实施例中，制造不同型的器件(相反导电类型)，其中导电类型为“n”使得替换n型III族氮化物层256)。在一些实施例中，在生长隧穿势垒221和其上沉积接触区227以提供用于发光MQW器件206的兼容电接触区的TB-GEMM结构250之后，接着形成有源层214。在一些实施例中，例如如图2F所示，将用于发光MQW器件206的另一电接触区217沉积到p-GaN结构256的上表面台架上。在一些实施例中，刻蚀器件206以暴露出其上形成电接触区217的p-GaN结构256的台架。在一些实施例中，使得台架和接触区217尽可能小，同时仍然提供低电阻的接触，以便使得光从其中发射的有源区214的暴露面积最大化。在从器件206的底部射出光的一些实施例中，无需使得接触区217尽可能小并且同时仍然提供低电阻接触，因为有源区214从器件206的底部发出光。注意在器件206的一些实施例中，将来自有源区214的光发射通过各个层，并且在衬底229的底部输出。器件206的其他特征与器件202的相应特征相同。注意，图2A的能级图中线2A和线2A’之间的区域与图2F中的线2A和线2A’之间的物理区域相对应。
图2G是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和薄顶侧GEMM结构260的MQW器件207的方框图，所述薄顶侧GEMM结构允许光通过其发射并且在器件207的顶部输出。在一些实施例中，器件207与图2C的器件203实质上相同，不同之处在于按照上述器件203中沉积顶侧p-GaN层216、有源区214、隧穿势垒221和TB-GEMM结构220的相反顺序沉积TB-GEMM260、隧穿势垒221、有源区214和底侧p-GaN层266。在一些实施例中，在衬底结构232上生长底侧p-GaN层266，使得底侧p-GaN层266的晶格结构与衬底结构232的晶格结构匹配，以便底侧p-GaN层266形成其上可以生长高质量有源区214和隧穿势垒结构221的良好排序的晶体模板。在一些实施例中，在缓冲层222上生长导电型III族氮化物层266(例如在一些实施例中层266是p型GaN半导体)。在一些实施例中，在生长隧穿势垒221和其上沉积接触区227以提供用于发光MQW器件207的兼容电接触区的TB-GEMM结构260之后，接着形成有源层214。在一些实施例中，例如如图2G所示，将用于发光MQW器件207的另一电接触区228沉积到衬底结构232的底部表面上。在一些实施例中，使得接触区227尽可能小，同时仍然提供低电阻的接触，以便使得光从其中发射的有源区214的暴露面积最大化。注意，在器件207的一些实施例中，将来自有源区214的光发射通过各个层，并且在薄顶侧TB-GEMM结构260的顶部输出。在其他实施例中，当将合适的衬底(例如掺杂碳化硅)用于衬底211时，将光从底部输出。器件207的其他特征与器件203的相应特征相同。注意，图2A的能级图中线2A和线2A’之间的区域与图2G中的线2A和线2A’之间的物理区域相对应。
图2H是根据本发明一些实施例的具有绝缘衬底结构231和用于形成光学腔的薄底侧OC-GEMM结构的MQW器件208的方框图，其中在一些实施例中，光通过所述底侧OC-GEMM结构255和所述衬底结构231发射。因此在一些实施例中，器件208将图2F的顶侧TB-GEMM与图2D的OC-GEMM相结合。在一些实施例中，使得顶侧TB-GEMM结构250适当地薄，以便在器件208的顶部发出光。在其他实施例中，使得底侧OC-GEMM结构255适当地薄，以便在器件208的底部发出光。在其他实施例中，使得TB-GEMM250和OC-GEMM 255都比较薄，以在器件208的顶部和底部发出光。器件208的其他特征与器件202、204或206的相应特征相同。
图2I是根据本发明一些实施例的具有导电衬底结构232和薄底侧OC-GEMM结构255以与顶侧GEMM结构260形成光学腔的MQW器件209的方框图，其中在一些实施例中通过所述底侧OC-GEMM结构255和衬底结构232发光。因此，在一些实施例中，器件209将图2G的顶侧TB-GEMM与图2E的OC-GEMM相结合。在一些实施例中，使得顶侧TB-GEMM结构260适当地薄，以便在器件209的顶部发出光。在其他实施例中，使得底侧OC-GEMM结构255适当地薄，以便在器件209的底部发出光。器件209的其他特征与器件203、205或207的相应特征相同。
在一些实施例中，本发明通过隧穿通过隧穿势垒、以电子或空穴势能或者有源区的子带能量将电子或空穴注入到有源区214中，从而减小了所要求的工作电压，并且不需要在传统LED器件的p型一侧中(例如，如图1A、1B和1C所示)通常使用的电流阻挡层(例如图1B的层115)。在一些实施例中，为了有利于减小能耗，更喜欢低LED工作电压。此外，在一些实施例中通过消除对于p型电流阻挡层(即图1A中的p-AlGaN层115)的要求，实现了不复杂的LED制造工艺。
传统的III族氮化物LED要求将电子注入到半导体器件中，使得电子位于n型层(99)的导带最小能级，如图1A所示，并且该能级确定了操作LED所要求施加的电压。在本发明的一些实施例中，通过量子机械隧穿，以有源区电子势能(例如，子带能量)将电子直接注入到有源区中，，并且因此操作LED所要求的电压可以比操作传统LED所要求的电压低得多。在一些实施例中，所注入的电子不太可能通过量子阱进入到p型材料中，从而消除或实质上减小了无意中注入到p型材料中的电子个数，在所述p型材料中注入电子的能量以发热的形式损耗掉。
在一些实施例中，本发明以有源区的电子势能(例如，子带能级272)直接注入电子，并且通过减小驱动或操作LED所要求的电压，直接改善了器件性能并且减小了能耗。在一些实施例中，有源区214中的电子势能级小于p型层(216)的导带最小值的电子势能级。在一些实施例中，本发明的LED(202、203)发出波长520nm的光，LED的工作电压减小了约1V，或者传统LED工作电压的约70％。在一些实施例中，直接以有源区的电子势能注入电子使得电子隧穿通过一个或更多势垒(221、214D、214E)进入到有源区量子阱(214A、214B、214C)，并且与标准传统LED相比减小了工作电压，从而不需要p型电子阻挡层(例如图1A、1B和1C中的p-AlGaN层115)。
在一些实施例中，通过本发明的外延/器件结构实现的低工作电压导致较少的发热，并且因此相比于现有传统III族氮化物LED是优选的，因为发热对于LED器件的器件效率和工作寿命有不利影响，需要较低的发热。
在传统LED中，由于多种原因(例如时间、材料成本、外延腔室清洁和在工艺研发期间的器件优化等等)，在外延工艺中生长p型电流阻挡层(例如图1A的AlGaN115是麻烦的。在一些实施例中，由于载流子(即电子或空穴)不太可能通过有源区并且在位于有源区外部的半导体材料(例如，p型或n型半导体材料)中消耗的事实，本发明不需要这种电流阻挡层。
在一些实施例中，本发明提出了一种LED结构，所述LED结构基于金属电流注入体(例如TB-GEMM 220)和由载流子谐振隧穿势垒221分离的有源区214。在一些实施例中，所述电子载流子谐振隧穿势垒结构221对于量子隧穿电子是实质上透明的，并且阻挡空穴(因此称作“隧穿势垒”结构)。在一些其他实施例中，载流子谐振隧穿势垒221对于量子隧穿空穴是实质上透明的并且阻挡电子。在一些实施例中，有源区214包括单量子阱(SQW)结构或者多量子阱(MQW)结构或者双异质结。
在一些实施例中，当金属电流注入体220的费米能势等于或实质上等于有源区214的子带最小值的能势时，可以在金属电流注入体(例如TB-GEMM 220)和有源区214之间发生谐振隧穿。在一些实施例中，这是通过在有源区中选择有源区合金成分和合适的QW宽度、并且通过选择和/或调节金属电流注入体220成分，进而修改材料的相关联功函数来实现的。在一些实施例中，在金属电流注入体220和隧穿势垒221之间提供界面层，以便解除钉止隧穿势垒221的费米能级。
在一些实施例中，重要的是热激活空穴不会隧穿到金属电流注入体220中。在一些实施例中，这是通过适当地调节载流子谐振隧穿势垒221厚度来防止或者实质上减小的。
在一些实施例中，本发明(改进的LED)通过隧穿过隧穿势垒221将电子以低能量注入到有源区214中。在一些实施例中，与GaN相连的层(注入到GaN层221中的电子的源)是外延生长的金属镜(TB-GEMM)220。在一些实施例中，制造TB-GEMM层220，以实现特定的性能要求或功能，并且因此可以具有各种厚度和光学性质。在一些实施例中，TB-GEMM220是导电的，并且拥有适用于将电子注入到量子阱导带或子带中的功函数。在一些实施例中，TB-GEMM 200包括一种或多种以下材料，包括：Hf、Zr、HfB2、ZrB2、HfNx，或ZrNx等、或者这些材料任意组合的化合物或合成物或组合。在一些实施例中，将上述导电材料和具有适当功函数的金属用于TB-GEMM层220。在一些实施例中，TB-GEMM220的材料与LED器件的外延结构晶格匹配。在一些实施例中，隧穿势垒层221具有合适的掺杂级别(n或p)以允许将电子或空穴注入到量子阱导带或子带最小值中，并且辅助阻挡载流子从有源层214行进至金属层220。在图2A、2B和2C中示出了一种这样的情形。可以将图1A和图2A用于比较驱动LED所要求的电势(V1 161和V2 261)(即，图1A的V1 161大于图2A的V2 261)。
在一些实施例中，由于如图2A、2B和2C所述的LED的结构，因为由少量电子通过QW，可选地包括阻挡层(例如如图1A所示的p-AlGaN层115)，以阻挡量子阱区域中的电子。在一些实施例中，图2A、2B和2C中的p型层216包括p-GaN、p-AlGaN、p-InGaN、p-InGaAlN、p-HfGaN、p-ZrGaN和/或ScAlGaN等，或者上述多个层的任意合适变体。
在一些实施例中，图2A、2B和2C中的有源区214包括GaN、AlGaN、InGaN、InGaAlN、HfGaN、ZrGaN和/或ScAlGaN等或者上述多个层的任意合适变体，并且在一些实施例中，将有源区214用硅或者镁等掺杂。
在一些实施例中，图2A中的隧穿势垒层221和/或附加势垒层(214B和214D)包括GaN、AlGaN、InGaN、InGaAlN、HfGaN、ZrGaN或ScAlGaN和/或类似材料，或者上述多个层的任意合适变体，并且在一些实施例中，将隧穿势垒层221用硅或者镁等掺杂。
在一些实施例中，将图2B-2I中的层214A、214C、214E用作量子阱或者用作低电子势能层，以便辅助电子从金属层(TB-GEMM220)隧穿进入到有源区量子阱(214A、214C、214E等)。在一些实施例中，最靠近p型材料的量子阱(214E)通常具有电子和空穴复合的最大粒子总数，并且如美国专利申请11/882,730中所述，对于器件设计的一些实施例，所述量子阱相对于金属层(220)的位置和相对于器件发光表面的位置是很关键的。在一些实施例中，将任意合适个数的隧穿势垒214B、214D和低电子势能层/量子阱214A、214C、214E用于将主有源区(例如最后一个量子阱214E)与金属层(TB-GEMM 220)分离开适当的距离以便改善光提取，如美国专利申请11/882,730中所述，将该申请结合在此作为参考。
在一些实施例中，在硅(Si)、蓝宝石(单晶Al2O3)、GaN/蓝宝石、SiC、或ZnO或任意其他合适的晶格匹配的衬底上生长TB-GEMM层(220)。在一些实施例中，在非晶格匹配的衬底和/或玻璃上生长GEMM层(220)。在一些实施例中，本发明利用依赖于GEMM和有源区之间距离的微腔效应，如美国专利申请11/882,730中所述，将其结合在此作为参考。
图3A是根据本发明一些实施例的MQW器件302或303的能级图301。在图3A-3I中，大多数参考数字与上述图2A-2I中所示相同，其中以下附加参考数字指的是：
323＝绝缘界面层
在图3A中，能级图301包括界面绝缘层323的表示。在一些实施例中，将界面绝缘层323用于“解除钉止”隧穿势垒221的费米能级(例如钝化其表面态、悬置其键，以及减小或消除MIGS(如上所述的金属诱导带隙态)，以便允许TB-GEMM 220的金属功函数与MQW 214的子带能级272正确地对齐。图3A-3I的所有其他方面如相应的图2A-2I中所述。
图3B是根据本发明一些实施例的具有如图3A中所述的界面绝缘层323的MQW器件302的方框图。图3B的所有其他方面如以上针对图2B所述。
图3C是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述界面绝缘层323的MQW器件303的方框图。图3C的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图3D是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件304的方框图。图3D的所有其他方面如以上针对图2D所述。
图3E是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件305的方框图。图3E的所有其他方面如以上针对图2E所述。
图3F是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件306的方框图。图3F的所有其他方面如以上针对图2F所述。
图3G是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件307的方框图。图3G的所有其他方面如以上针对图2G所述。
图3H是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件308的方框图。图3H的所有其他方面如以上针对图2H所述。
图3I是根据本发明一些实施例的具有如图3A所述的界面绝缘层323的MQW器件309的方框图。图3I的所有其他方面如以上针对图2I所述。
在这里所述的每一个其他实施例的一些实施例中，按照类似的方式添加了上述针对图3所述的界面绝缘层323。
图4A是根据本发明一些实施例的包括阻挡层418的MQW器件402或403的能级图401。在一些实施例中，阻挡层418是p掺杂AlGaN层(如果使用其他半导体材料，是相对应的p型或n型层)。在一些实施例中，阻挡层418具有适当增加的带隙能量，以防止载流子穿越量子阱214A-214E(防止进一步移动至图4A中的右侧)。在一些实施例中，这增加了重复合效率。图4A-4I的所有其他方面如相应的图2A-2I所述。在这里所述的每一个其他实施例中，按照类似的方式添加如图4A所述的阻挡层418。
图4B是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件402的方框图。图4B的所有其他方面如以上针对图2B所述。
图4C是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件403的方框图。图4C的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图4D是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件404的方框图。图4D的所有其他方面如以上针对图2D所述。
图4E是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件405的方框图。图4E的所有其他方面如以上针对图2E所述。
图4F是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件406的方框图。图4F的所有其他方面如以上针对图2F所述。
图4G是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件407的方框图。图4G的所有其他方面如以上针对图2G所述。
图4H是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件408的方框图。图4H的所有其他方面如以上针对图2H所述。
图4I是根据本发明一些实施例的具有如图4A所述的阻挡层418的MQW器件409的方框图。图4I的所有其他方面如以上针对图2I所述。
图5A是根据本发明一些实施例的具有在衬底229(其中衬底229不具有缓冲层的衬底结构531)上直接生长的TB-GEMM 220的MQW器件502的方框图。图5A的所有其他方面如以上针对图2B所述。这减小了其中可以不用缓冲层就生长高质量TB-GEMM 220的那些实施例中的工艺步骤。在这里所述的每一个其他实施例的一些实施例中，在合适的情况下，可以无需缓冲层就生长TB-GEMM 220。
图5B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底并且具有在衬底211(其中衬底211和接触区228(在一些实施例中在后续的工艺步骤中形成所述接触区)无需缓冲层就形成衬底结构532)上直接生长的TB-GEMM 220的MQW器件503的方框图。图5B的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图6A是根据本发明一些实施例的具有n型GaN层676代替图2B的相应p型GaN层216的MQW器件602的方框图。此外在一些实施例中，将n接触区677用于提供与n型GaN层676的合适的低电阻电接触。图6A的所有其他方面如以上针对图2B所述。这为其中适用高掺杂n型GaN的(因为高掺杂n型GaN比高掺杂p型GaN更易于实现)那些实施例提供替代的二极管结构。在这里所述的每一个其他实施例的一些实施例中，这种n型GaN层676代替了相应的p型GaN层216。
图6B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底层232并且具有n型GaN层676代替图2C的相应p型GaN层216的MQW器件603的方框图。图6B的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图7A是根据本发明一些实施例的具有金属镜763的MQW器件702的方框图，所述金属镜763反射光并且提供与p型GaN层216的电接触，并且可选地在金属镜763和TB-GEMM 220之间创建光学腔。在一些实施例中，通过器件702的底侧输出光。图7A的所有其他方面如以上针对图2B所述。这里所述的每一个其他实施例的一些实施例使用这种金属镜763。
图7B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底结构232并且具有金属镜763的MQW器件703的方框图。图7B的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图8A是根据本发明一些实施例的具有透明电接触区864的MQW器件802的方框图，所述透明电接触区864透射光并且提供与p型GaN层216的电接触，并且可选地(由于在透明电接触区864和p型GaN层216之间、或透明电接触区864和其上的层之间的界面的反射)创建光学腔。在这样一些实施例中，通过器件802的顶侧输出光。图8A的所有其他方面如以上针对图2B所述。在这里所述的每一个其他实施例的一些实施例中，使用这种透明电接触区864。
图8B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底和透明电接触区864的MQW器件803的方框图，所述透明电接触区864透射光并且提供与p型GaN层216的电接触，并且可选地(由于在透明电接触区864和p型GaN层216之间、或透明电接触区864和其上的层之间的界面的反射)创建光学腔。在这样一些实施例中，通过器件803的顶侧输出光。图8B的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图9A是根据本发明一些实施例的具有光子晶体层965的MQW器件902的方框图，所述光子晶体层增强了光输出和方向性。在一些实施例中，光子晶体层965是导电的，并且顶部电接触区987如图所示。在其他实施例中，去除光子晶体层965的区域，使得将顶部电接触区987与顶部p-GaN层216直接相连。在一些实施例中，光子晶体层965不是分离的层，相反，在顶部p-GaN层216中形成光子晶体结构。在这样一些实施例中，通过器件902的顶侧输出光。图9A的所有其他方面如以上针对图2B所述。在这里所述的每一个其他实施例的一些实施例中，使用这种光子晶体层965和顶部电接触区987。
图9B是根据本发明一些实施例的具有导电衬底、光子晶体层965和顶部电接触区987的MQW器件903的方框图。在这样一些实施例中，通过器件903的顶侧输出光。图9B的所有其他方面如以上针对图2C所述。
图10是根据本发明一些实施例的MQW器件的能级图1000。在一些实施例中，通过由有源层1014发射的光和由镜子1041反射的光的相长干涉形成驻波1031，使得驻波1031的波腹1032位于或者实质上位于有源层1014处。在2007年8月3日递交的题目为“III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVCIES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND REFLECTIVE ENGINEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVICES，AND METHODS”(代理人案号5069.001usl)的美国专利申请11/882,730中详细描述了这种有利的技术，将该专利申请结合在此作为参考。
图11是根据本发明一些实施例的发光器件制造方法1100的流程图。在一些实施例中，方法1100包括：形成发光有源区1110；形成隧穿势垒(TB)结构1112，使得在发光器件中TB结构与有源区面相邻；形成TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构1114，使得在发光器件中所述TB-GEMM与所述TB结构面相邻，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且其中所述TB-GEMM结构与有源区实质上晶格匹配；以及形成导电型III族氮化物晶体结构1116，使得在发光器件中，导电型III族氮化物晶体结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻。一些实施例还包括形成电流传导接触区1118，使得在所述发光器件中，所述电流传导接触区与所述导电型III族氮化物电连接。
在一些实施例中，本发明提出了一种包括发光器件的设备，所述发光器件包括发光有源区、与有源区面相邻的隧穿势垒(TB)结构、与所述TB结构面相邻的TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且与所述有源区实质上晶格匹配，该发光器件还包括与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻的导电型III族氮化物晶体结构。一些实施例还包括与所述导电型III族氮化物结构电连接的电流传导接触区。
在所述设备的一些实施例中，所述有源区包括多量子阱(MQW)结构。
在所述设备的一些实施例中，所述有源区的MQW结构包括选择用于提供选定的子带最小能势的量子阱宽度，并且所述TB-GEMM结构包括合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括第二镜，所述第二镜与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且面对所述TB-GEMM结构，以在第二镜和TB-GEMM结构之间形成光学腔，其中所述有源区位于所述光学腔内。具体地，在发光器件的一些实施例中，所述第二镜包括与所述导电型III族氮化物结构面相邻的光学腔外延生长金属镜(OC-GEMM)结构，使得所述器件在OC-GEMM结构和TB-GEMM结构之间具有光学腔，其中有源区在光学腔内。在这样的一些实施例中，将所述有源区设置为相距所述第二镜的第一面第一距离，使得所述有源区位于或者实质上位于由从有源区发射的光受到由第二镜反射的光的干涉产生的光驻波的波腹处，以形成至少一种提取模式。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括衬底结构，其中所述TB-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
在具有OC-GEMM的所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括衬底结构，其中所述OC-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
在所述设备的一些实施例中，所述TB-GEMM结构和/或OC-GEMM结构包括化合物，所述化合物包括(HfxZryTiz)R，其中x+y+z＝1，并且其中x在0和1之间(包括端点)，y在0和1之间(包括端点)，z在0和1之间(包括端点)，以及R是N或B2。在其他实施例中，TB-GEMM结构和/或OC-GEMM包括只有Hf、只有Zr、只有Ti，或Hf、Zr和/或Ti中的两种或更多种的组合。
一些实施例还包括位于TB-GEMM结构和TB结构之间的绝缘界面层。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括界面绝缘层。在一些实施例中，将所述界面绝缘层用于“解除钉止”隧穿势垒的费米能级(例如钝化其表面态、悬置键、以及减小或消除MIGS(如上所述的金属诱导带隙态))，以便允许将TB-GEMM的金属功函数与MQW的子带能级正确对齐。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括阻挡层。在一些实施例中，所述阻挡层是p掺杂AlGaN层。在其他实施例中，如果使用其他半导体材料，所述阻挡层是相应的p型或n型层。在一些实施例中，所述阻挡层具有适当增加的带隙能量，以防止载流子横穿过量子阱。在一些实施例中，这增加了重新复合效率。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括在所述衬底上(其中所述衬底结构不包括缓冲层)生长的TB-GEMM。对于其中无需缓冲层就能够生长高质量TB-GEMM的那些实施例，这减小了其中的工艺步骤。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括不包括缓冲层的衬底结构，使得可以在没有缓冲层不能得到这种结果的衬底上生长高质量TB-GEMM。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括n型GaN层来代替本发明其他实施例的p型GaN层。此外在一些实施例中，将附加的n接触用于提供与所述n型GaN层的合适的低电阻接触。这为重掺杂n型GaN适用的那些实施例提供了替代的二极管结构(因为重掺杂n型GaN比重掺杂p型GaN更易于实现)。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括金属镜，所述金属镜反射光并且提供与p型GaN层的电接触，并且可选地在所述金属镜和所述TB-GEMM之间创建光学腔。在这样一些实施例中，通过发光器件的底侧输出光。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括透明电接触区，所述透明电接触区透射光，并且提供与p型GaN层的电接触，并且可选地创建光学腔(由于来自透明电接触区和p型GaN层之间的界面、或者透明电接触区及其以上的层之间界面的反射)。在这样一些实施例中，通过发光器件的顶侧输出光。
在所述设备的一些实施例中，所述发光器件还包括增强光输出和方向性的光子晶体层。在一些实施例中，所述光子晶体层是导电的，并且在其上增加了顶部电接触。在其他实施例中，去除光子晶体层的区域，使得顶部电接触区与顶部p-GaN层直接相连。在一些实施例中，光子晶体结构不是分离的层，而是形成在顶部p-GaN层中。在这样一些实施例中，通过发光器件的顶侧输出光。
在一些实施例中，本发明提出了一种制造发光器件的方法。该方法包括：形成发光有源区；形成隧穿势垒(TB)结构，使得在所述发光器件中所述TB结构与所述有源区面相邻；形成TB外延生长金属镜(TB-GEMM)结构，使得在所述发光器件中所述TB-GEMM结构与所述TB结构面相邻，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且其中所述TB-GEMM结构与所述有源区实质上晶格匹配；形成导电型III族氮化物晶体结构，使得在所述发光器件中所述导电型III族氮化物结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻。一些实施例还包括形成电流传导接触区，使得在所述发光器件中所述电流传导接触区与所述导电型III族氮化物电连接。
在所述方法的一些实施例中，形成有源区包括形成多量子阱(MQW)结构。
在所述方法的一些实施例中，形成有源区的MQW结构包括形成选择用于提供选定子带最小能势的量子阱宽度，并且所述TB-GEMM结构包括这样的合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
所述方法的一些实施例还包括形成第二镜，使得在所述发光器件中，所述第二镜与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且面对所述TB-GEMM结构以在第二镜和TB-GEMM结构之间形成光学腔，其中所述有源区在所述光学腔之内。
所述方法的一些实施例还包括形成包括光学腔外延生长金属镜(OC-GEMM)结构的第二镜，使得在所述发光器件中所述OC-GEMM结构与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且形成OC-GEMM结构和TB-GEMM结构之间的光学腔，其中所述有源区在所述光学腔之内。
在所述方法的一些实施例中，形成发光器件，使得在所述发光器件中所述有源区与第二镜的第一面相距第一距离，使得所述有源区位于或者实质上位于由从有源区发射的光受到由第二镜反射的光的干涉产生的第一光驻波的波腹，以形成至少一种提取模式。
所述方法的一些实施例还包括：提供衬底结构；在所述衬底结构上形成TB-GEMM结构，并且所述TB-GEMM结构与所述衬底面接触；以及所述TB-GEMM结构与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
所述方法的一些实施例还包括：提供衬底结构；以及在所述衬底结构上形成OC-GEMM结构，所述OC-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
在所述方法的一些实施例中，所述TB-GEMM结构包括化合物，所述化合物包括(HfxZryTiz)R，x+y+z＝1，其中x在0和1之间(包括端点)，y在0和1之间(包括端点)，z在0和1之间(包括端点)，以及R是N或B2。在其他实施例中，所述TB-GEMM结构和/或OC-GEMM结构包括只有Hf、只有Zr、只有Ti或者Hf、Zr和/或Ti的两种或更多种的组合。
所述方法的一些实施例还包括形成绝缘界面层，使得在所述发光器件中所述界面层位于TB-GEMM结构和TB结构之间。
应该理解的是以上描述是说明性而不是限制性的。尽管在前面已经阐述了如前所述的各个实施例的多种特性和优点以及各个实施例结构和功能的细节，在阅读了以上描述时，对于这些细节的许多其他实施例和变化对于本领域普通技术人员而言是易于理解的。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求来确定，并且与所附权利要求的等同范围一致。在所附权利要求中，将术语“包括”和“在..里”分别用作“包含”和“其中”的等效词语。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”层只是用于标注，而不是施加对于它们对象的数字性的要求。

Claims (21)

1.一种包括发光器件的设备，所述发光器件包括：
发光有源区；
与有源区面相邻的隧穿势垒TB结构；
与所述TB结构面相邻的TB外延生长金属镜TB-GEMM结构，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且与所述有源区实质上晶格匹配；
与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻的导电型III族氮化物晶体结构；以及
与所述导电型III族氮化物结构电连接的电流传导接触区。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述有源区包括多量子阱MQW结构。
3.根据权利要求1或2所述的设备，
其中所述有源区的MQW结构包括被选择用于提供选定的子带最小能势的量子阱宽度，以及
所述TB-GEMM结构包括合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
4.根据权利要求1或2或3所述的设备，其中所述发光器件还包括：
第二镜，所述第二镜与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且面对所述TB-GEMM结构，以在第二镜和TB-GEMM结构之间形成光学腔，其中所述有源区位于所述光学腔内。
5.根据权利要求1或2或3所述的设备，其中所述发光器件还包括：
第二镜，所述第二镜包括与所述导电型III族氮化物结构面相邻的光学腔外延生长金属镜OC-GEMM结构，在OC-GEMM结构和TB-GEMM结构之间形成光学腔，其中所述有源区在所述光学腔之内。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中将所述有源区设置为与所述第二镜的第一面相距第一距离，使得所述有源区位于或者实质上位于由从有源区发射的光与由第二镜反射的光相干涉而产生的第一光驻波的波腹处，以形成至少一种提取模式。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的设备，其中所述发光器件还包括：
衬底结构，其中所述TB-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述发光器件还包括衬底结构，其中所述OC-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的设备，其中所述TB-GEMM结构包括化合物，所述化合物包括(HfxZryTiz)R，其中x+y+z＝1，并且其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，以及R是N或B2。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的设备，还包括位于TB-GEMM结构和TB结构之间的绝缘界面层。
11.一种制造发光器件的方法，所述方法包括：
形成发光有源区；
形成隧穿势垒TB结构，使得在所述发光器件中所述TB结构与所述有源区面相邻；
形成TB外延生长金属镜TB-GEMM结构，使得在所述发光器件中所述TB-GEMM结构与所述TB结构面相邻，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且其中所述TB-GEMM结构与所述有源区实质上晶格匹配；
形成导电型III族氮化物晶体结构，使得在所述发光器件中所述导电型III族氮化物晶体结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻；以及
形成电流传导接触区，使得在所述发光器件中所述电流传导接触区与所述导电型III族氮化物电连接。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成有源区包括形成多量子阱MQW结构。
13.根据权利要求11或12所述的方法，
其中形成有源区的MQW结构包括形成被选择用于提供选定子带最小能势的量子阱宽度，以及
所述TB-GEMM结构包括合金成分，使得金属电流注入体具有实质上等于MQW的子带最小能势的费米能势。
14.根据权利要求11或12或13的方法，还包括形成第二镜，使得在所述发光器件中所述第二镜与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且面对所述TB-GEMM结构，以在第二镜和TB-GEMM结构之间形成光学腔，其中所述有源区在所述光学腔之内。
15.根据权利要求11或12或13所述的方法，还包括形成包括光学腔外延生长金属镜OC-GEMM结构的第二镜，使得在所述发光器件中所述OC-GEMM结构与所述导电型III族氮化物结构面相邻，并且形成OC-GEMM结构和TB-GEMM结构之间的光学腔，其中所述有源区在所述光学腔之内。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中形成发光器件，使得在所述发光器件中所述有源区与第二镜的第一面相距第一距离，使得所述有源区位于或者实质上位于由从有源区发射的光与由第二镜反射的光相干涉而产生的第一光驻波的波腹，以形成至少一种提取模式。
17.根据权利要求11或12或13或14或15或16所述的方法，还包括：
提供衬底结构；以及
在所述衬底结构上形成TB-GEMM结构，并且所述TB-GEMM结构与所述衬底面接触，以及所述TB-GEMM结构与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法还包括：
提供衬底结构；以及
在所述衬底结构上形成OC-GEMM结构，所述OC-GEMM结构与所述衬底结构面接触，并且与所述衬底结构的面实质上晶格匹配。
19.根据权利要求11或12或13或14或15或16或17或18所述的方法，其中所述TB-GEMM结构包括化合物，所述化合物包括(HfxZryTiz)R，其中x+y+z＝1，并且其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，以及R是N或B2。
20.根据权利要求11或12或13或14或15或16或17或18或19所述的方法，还包括形成绝缘界面层，使得在所述发光器件中所述界面层位于TB-GEMM结构和TB结构之间。
21.一种用于制造发光器件的设备，所述设备包括：
用于形成发光有源区的装置；
用于形成隧穿势垒TB结构的装置，使得在所述发光器件中所述TB结构与所述有源区面相邻；
用于形成TB外延生长金属镜TB-GEMM结构的装置，使得在所述发光器件中所述TB-GEMM结构与所述TB结构面相邻，其中所述TB-GEMM结构包括至少一种金属，并且其中所述TB-GEMM结构与所述有源区实质上晶格匹配；
用于形成导电型III族氮化物晶体结构的装置，使得在所述发光器件中所述导电型III族氮化物结构与所述TB结构相对地与所述有源区面相邻；以及
用于形成电流传导接触区的装置，使得在所述发光器件中所述电流传导接触与所述导电型III族氮化物电连接。
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