CN106025018B

CN106025018B - 超晶格结构

Info

Publication number: CN106025018B
Application number: CN201610189330.9A
Authority: CN
Inventors: M·舒尔; R·格斯卡; 杨锦伟; A·道博林斯基
Original assignee: Sensor Electronic Technology Inc
Current assignee: Sensor Electronic Technology Inc
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: CN106025018A

Abstract

本公开涉及超晶格结构。提供了包括多个周期的超晶格层，多个周期中的每一个由多个子层形成。每个子层包括与(一个或者多个)相邻子层不同的组成并且包括与(一个或者多个)相邻子层的极化相反的极化。以这种方式，分别相邻子层的极化彼此补偿。此外，超晶格层可以被配置为对诸如紫外辐射的辐射至少部分透明。

Description

超晶格结构

相关申请的引用

本申请是2013年3月14日提交的美国专利申请No.13/803,718 的部分继续申请，并且其要求2012年3月14日提交的美国临时申请 No.61/610,636和2013年2月25日提交的美国临时申请No. 61/768,799的利益，所有这些申请通过引用合并于此。另外，美国专利申请No.13/803,718是2011年6月17日提交、为2011年1月8 日提交的美国专利申请No.12/987,102的部分继续申请的美国专利申请No.13/162,895的部分继续申请，并且其要求2010年1月8日提交的美国临时申请No.61/293,614的权益，所有这些申请通过引用合并于此。

政府许可权

美国政府具有本发明的已付费许可以及如由国家科学基金会授予的授权No.IIP-0839492的条款所规定的在限定情形中要求专利所有人以合理条款许可其他人的权利。

技术领域

本公开通常涉及半导体器件，以及更具体地涉及配置为减小形成器件的半导体材料的极化效应的超晶格结构。

背景技术

在基于氮化物的半导体材料以及包括可见发光二极管(LED) 和紫外(UV)发光二极管(LED)的器件中，极化效应在导致电子和空穴的强内建场和空间分离方面发挥主导作用。这些极化效应能够负面地影响基于氮化物的可见发光二极管和紫外发光二极管的性能。例如，图1A-1C示出了根据现有技术的正-本征-负(p-i-n)量子阱结构的例示性能带图。具体地，图1A示出了没有外部偏置和照明的结构的能带图；图1B示出了具有由外部偏置补偿的p-i-n场的结构的能带图；以及图1C示出了具有由外部偏置和强光激发补偿的总电场的结构的能带图。

对例示性的基于铝铟镓氮化物(基于Al_xIn_yGa_1-x-yN)的多量子阱(MQW)结构评估了极化效应。MQW结构在量子阱和势垒层中分别地包括接近20％和40％的Al摩尔分数，以及在量子阱和势垒两者中的In含量分别地约2％和1％。MQW结构包括总共三个阱，它们每个是2到4纳米厚，由4个5纳米厚的势垒分开。

计算表明势垒和阱分别地经受0.815％和0.314％的张力。这些张力与由阱的-0.0484库仑每平方米(C/m²)和势垒的-0.0134C/m²的失配引起的界面处的压电电荷相对应。对于阱和势垒的极化电荷分别地计算为-0.041C/m²和-0.049C/m²。发现对于势垒和阱的交替序列的阱中的总电场为1.2兆伏每厘米(MV/cm)。场中的大约百分之五十应归于压电效应并且剩余百分之五十由自发极化引起，压电效应和自发极化两者具有相同方向。这与1纳米宽的量子阱中的0.12eV 能带弯曲相对应。这种能带弯曲排除了在深UV LED中使用宽的量子阱，这通过将MQW设计优化限制为非常窄(即，1到2纳米厚) 的量子阱而减小了总体LED效率。

发明内容

本发明的各方面提供了包括多个周期的超晶格层，多个周期中的每一个由多个子层形成。每个子层包括与(一个或者多个)相邻子层不同的组成并且包括与(一个或者多个)相邻子层的极化相反的极化。以这种方式，分别相邻子层的极化彼此补偿。超晶格层可以被并入到各种类型的器件中，并且可以例如通过避免不利限制的斯塔克效应(Stark effect)(其阻止高效辐射复合)来允许利用宽得多的量子阱。此外，超晶格层可以被配置为对诸如紫外辐射的辐射至少部分透明。

本发明的第一方面提供了一种结构，该结构包括：第一层；和超晶格层，所述超晶格层具有与第一层相邻的第一侧，超晶格层包括多个周期，多个周期中的每一个包括：第一子层，所述第一子层具有第一组成和第一极化；和第二子层，所述第二子层与第一子层相邻，第二子层具有不同于第一组成的第二组成和与第一极化相反的第二极化。

本发明的第二方面提供一种方法，该方法包括：为器件创建结构设计，该结构设计包括第一层和具有与第一层相邻的第一侧的超晶格层，该超晶格层包括多个周期，创建结构设计包括：为多个周期中的每一个的第一子层选择具有第一极化的第一组成；以及为多个周期中的每一个的第二子层选择具有第二极化的第二组成，其中第二子层与第一子层相邻，以及其中第二组成不同于第一组成以及第二极化与第一极化相反。

本发明的第三方面提供了一种基于III族氮化物的器件，该基于 III族氮化物的器件包括：p型接触，包括：第一p型层；以及p型超晶格层，该p型超晶格层包括多个周期，该多个周期中的每一个包括：第一子层，所述第一子层具有基于III族氮化物的第一组成和第一极化；以及第二子层，所述第二子层与第一子层相邻，该第二子层具有不同于第一组成的基于III族氮化物的第二组成以及与第一极化相反的第二极化，其中第一极化和第二极化包括下列中的至少一个：应变感应极化或者自发极化。

本发明的第四方面提供了一种结构，该结构包括：第一层；和超晶格层，所述超晶格层具有与第一层相邻的第一侧，超晶格层包括多个周期，该多个周期中的每一个包括：第一子层，所述第一子层具有第一III族氮化物组成和第一极化，其中第一III族氮化物组成被选择为使得第一子层具有对目标波长的紫外辐射至少目标透明度的透明度；和第二子层，所述第二子层与第一子层相邻，该第二子层具有不同于第一III族氮化物组成的第二III族氮化物组成和与第一极化相反的第二极化。

本发明的第五方面提供了一种方法，该方法包括：为器件创建结构设计，该结构设计包括第一层和具有与第一层相邻的第一侧的超晶格层，该超晶格层包括多个周期，创建结构设计包括：为多个周期中的每一个的第一子层选择具有第一极化的第一III族氮化物组成，其中第一III族氮化物组成被选择为使得第一子层具有对目标波长的紫外辐射至少目标透明度的透明度；以及为多个周期中的每一个的第二子层选择具有第二极化的第二III族氮化物组成，其中第二子层与第一子层相邻，以及其中第二III族氮化物组成不同于第一III族氮化物组成以及第二极化与第一极化相反。

本发明的第六方面提供了一种基于III族氮化物的器件，该基于 III族氮化物的器件包括：p型接触，所述p型接触包括：第一p型层；以及p型超晶格层，所述p型超晶格层包括多个周期，该多个周期中的每一个包括：第一子层，所述第一子层具有基于III族氮化物的第一组成和第一极化，其中基于III族氮化物的第一组成被选择为使得第一子层具有对目标波长的紫外辐射至少目标透明度的透明度；以及第二子层，所述第二子层与第一子层相邻，该第二子层具有不同于第一组成的基于III族氮化物的第二组成和与第一极化相反的第二极化，其中第一极化和第二极化包括下列中的至少一个：应变感应极化或者自发极化。

本发明的例示性方面设计为解决此处描述的问题中的一个或者多个和/或此处未讨论的一个或者多个其它问题。

附图说明

通过结合描绘本发明各种方面的附图进行的本发明各种方面的下列详细说明将更容易理解本公开的这些特征以及其它特征。

图1A-1C示出了根据现有技术的p-i-n量子阱结构的例示性能带图。

图2A和2B分别地示出了根据现有技术和实施例的例示性结构。

图3示出了将常规量子阱的导带分布与根据实施例的量子阱的导带分布进行比较的导带图。

图4示出了根据实施例的另一个例示性结构。

图5示出了根据实施例所计算的作为AlInN中铟摩尔分数的函数的氮化镓(GaN)与氮化铝铟(AlInN)之间的异质界面处的电场的图表。

图6示出了根据实施例的例示性发光器件结构。

图7示出了根据实施例对于Al_xGa_1-xN合金的各种铝摩尔分数 (x)的吸收系数对波长的依赖关系。

图8示出了根据实施例用于选择AlGaN合金的铝含量以维持对相应发射波长的目标透明度的例示性图表。

图9示出了根据实施例包括畴相反(domain inversion)的氮化镓层的例示性晶格构造。

图10示出了根据实施例实现AlN/AlInGaN异质结构中 AlInGaN层的零总极化的AlInGaN层中的铟和铝的可能摩尔分数。

图11示出了根据实施例AlN/AlInGaN异质结构中AlInGaN层中的铟和铝的摩尔分数的各种组合的极化的等值线。

图12示出了根据实施例制造电路的例示性流程图。

注意，附图可以不按比例。附图仅旨在描绘本发明的典型方面，并且因此不应该被看作对本发明范围的限制。在附图中，相同标号表示附图之间的相同元素。

具体实施方式

如上所指示的，本发明的各方面提供了包括多个周期的超晶格层，多个周期中的每一个由多个子层形成。每个子层包括与(一个或者多个)相邻子层不同的组成并且包括与(一个或者多个)相邻子层的极化相反的极化。以这种方式，分别相邻的子层的极化彼此补偿。超晶格层可以被并入各种类型的器件中，并且可以例如通过避免不利限制的斯塔克效应(其阻止高效辐射复合)来允许利用宽得多的量子阱。此外，超晶格层可以被配置为对诸如紫外辐射的辐射至少部分透明。如此处使用的，除非另作说明，术语“组”意味着一个或者多个 (即，至少一个)以及短语“任何解决方案”意味着任何目前已知的或者稍后开发的解决方案。

转至附图，图2A和2B分别地示出了根据现有技术和实施例的例示性结构2、10。如图2A所图示的，结构2包括超晶格层4，该超晶格层4包括多个重复子层6A-6C。每个子层6A-6C可以通过超晶格层4中的第二组子层8A-8B与另一个子层6A-6C分开。超晶格结构4可以被配置为执行作为结合结构2的器件的一部分的任何类型的功能。例如，子层6A-6C可以包括一组量子阱以及子层8A-8B可以包括一组势垒。在该情况下，超晶格层4可以包括多量子阱结构。

如图2B所示，本发明的实施例提供了包括超晶格层12的结构10，该超晶格层12被配置为例如减小极化效应。具体地，超晶格层 12包括多个周期14A-14C，多个周期中的每一个包括具有不同组成的两个或者更多个子层16、18。每个周期14A-14C中的相邻子层 16、18被配置为具有至少部分地彼此抵消的极化(例如，内建电场)。例如，子层16可以包括具有与子层18的自发极化符号相反的自发极化。类似地，子层16可以包括具有与子层18的应变感应极化符号相反的应变感应极化。更进一步地，子层16中的一种类型的极化可以具有与子层18中另一种类型的极化的相反符号，从而减小由于多种类型极化(例如，自发和应变感应)的组合存在的净极化。

在实施例中，子层16可以包括正自发极化或者负自发极化，而子层18包括负自发极化或者正自发极化。在更具体的实施例中，子层16、18的自发极化的绝对值基本上相等，使得周期14A-14C的净自发极化接近于零。在另一个实施例中，子层16可以包括由于拉伸或者压缩的应变感应(例如，压电)极化，而子层18包括由于压缩或者拉伸的应变感应极化。在更具体的实施例中，子层16、18的应变感应极化的绝对值基本上相等，使得周期14A-14C的净应变感应极化接近于零。应当理解，子层16、18的各自的自发极化和/或应变感应极化可以被配置为仅部分地减小周期14A-14C的净自发极化和/ 或应变感应极化。

在又另一个实施例中，一个子层16、18的自发极化和/或应变感应极化被配置为至少部分地补偿另一个子层16、18的应变感应极化和/或自发极化。例如，子层16可以包括第一符号的自发极化，以及子层18可以包括相反符号的应变感应极化。在该情况下，周期14A-14C的净极化将由于子层16、18的两种类型的极化彼此补偿而减小。

超晶格层12中的各种周期14A-14C可以通过一组另外的子层 20A-20B彼此分开。在实施例中，子层20A-20B包括不具有极化的非活性层。在另一个实施例中，每个周期14A-14C包括量子阱，而每个子层20A-20B包括势垒。在该情况下，超晶格层12包括多量子阱结构。超晶格层12中的周期(例如，量子阱)14A-14C可以比常规子层(例如，量子阱)6A-6C更宽。例如，在实施例中，超晶格层 12的宽度可以大于2纳米。在更具体实施例中，超晶格层12的宽度在约3纳米与8纳米之间。特别地，周期14A-14C将包括比类似宽度的常规子层6A-6C的极化场小得多的极化场。因此，避免了使量子阱内的电子与空穴分离并且阻止高效辐射复合的不利限制的斯塔克效应。

图3示出了将常规量子阱6A(图2A)的导带分布22与根据实施例的量子阱14A(图2B)的导带分布24进行比较的导带图。如该图示出的，导带分布24包括比导带分布22更浅的分布。因此，量子阱14A中的电子可以在量子阱14A内扩散得比量子阱6A中的电子在量子阱6A内扩散的多，提供更高效的辐射复合。

回到图2B，超晶格12可以执行作为使用结构10形成的器件的一部分的任何功能。在此程度上，超晶格12位于结构10的第一层 26与第二层28之间。在例示性实施例中，第一层26和第二层28可以由两个不相似材料(例如，两种不相似的基于氮化物的半导体材料)形成，以及超晶格12可以以其补偿(例如，减小)由层26、28 的不相似材料施加的应变的方式进行缓变。例如，超晶格12的每个子层16、18的晶格结构可以逐渐地从与第一层26相似的晶格结构改变为与第二层28相似的晶格结构。

尽管周期14A-14C分别示出为包括两个子层16、18。但是应当理解，每个周期14A-14C可以包括任何数量的子层16、18。类似地，尽管超晶格层12示出为包括三个周期14A-14C，但是应当理解，超晶格层12可以包括任何数量的两个或者更多个周期14A- 14C。例如，图4示出了根据实施例的另一个例示性结构30。结构 30包括超晶格层32，该超晶格层32包括由三个子层36A-36C分开的四个周期34A-34D。每个周期34A-34D由交替组成和极化的一组六个子层形成。在此程度上，每个周期34A-34D的每个子层与具有不同组成和相反极化(例如，如此处描述的自发极化和/或应变感应极化)的一个或者两个子层紧密相邻。以这种方式，可以使周期 34A-34D比现有技术的常规子层6A-6C更宽，比类似厚度的常规子层6A-6C具有更小的极化场。

在实施例中，结构10(图2B)和30(图4)可以包括基于氮化物的异质结构。在更具体的实施例中，结构10、30包括基于III族氮化物的异质结构。在该情况下，每个结构10、30的周期14A- 14C、34A-34D分别地各自可以由III族氮化物材料形成。III族氮化物材料包括一个或者多个III族元素(例如，硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)))和氮(N)以得到B_wAl_xGa_yIn_zN，其中0 ≤W、X、Y、Z≤1，以及W+X+Y+Z＝1。例示性III族氮化物材料包括具有任何摩尔分数的III族元素的AlN、GaN、InN、BN、 AlGaN、AlInN、AlBN、AlGaInN、AlGaBN、AlInBN和 AlGaInBN。在又更具体的实施例中，此处描述的子层是四元或者三元III族氮化物子层，诸如AlInN、AlGaN、InGaN或者AlInGaN。为了进一步减小应变和/或极化，可以掺杂形成每个周期14A-14C、 34A-34D的一个或者多个子层16、18。子层16、18可以是掺杂p型或者n型。此外，子层16、18可以包括单层。

图5示出了根据实施例所计算的作为AlInN中铟摩尔分数的函数的氮化镓(GaN)与氮化铝铟(AlInN)之间的异质界面处的电场的图表。如该图示出的，当铟摩尔分数超过0.7时，所计算的电场降低到零并且变为负的。在例示性实施例中，每个子层16、18包括具有不同In摩尔分数的AlInN。例如，子层16可以包括约0.65的In 摩尔分数，这使得所计算的电场为约0.5MV/cm，以及子层18可以包括约0.77的In摩尔分数，这使得所计算的电场为约-0.5MV/cm。以该方式，子层16、18两者的电场可以基本上彼此抵消。

此处描述的超晶格12、32可以实现为用于各种类型器件(例如使用极化效应发挥作用的半导体材料制造的器件)的结构10、30的一部分。此处描述的超晶格12、32可以用作例如器件的多量子阱、欧姆接触和/或肖特基接触的整体部分、包覆层、缓冲层、势垒层等等。在例示性实施例中，结构10包括p型接触，该p型接触包括超晶格12和位于其上的金属层26。

此处描述的结构10、30可以实现为例如发光器件(诸如发光二极管(LED)、超发光二极管或者激光器)的一部分。发光器件可以包括可见发光器件、紫外发光器件等等。在该情况下，发光器件可以包括作为(一个或者多个)包覆层、(一个或者多个)欧姆接触等等的一个或者多个超晶格。在更具体的实施例中，超晶格形成为紫外发光器件的欧姆接触的一部分，其中对紫外辐射透明的欧姆接触的顶部 p型接触层(例如，图2B的层26)直接位于超晶格12、32上。在又更具体的实施例中，顶部p型接触层包括AlInN。

应当理解，结构10、30中一个或者多个层(或者子层)的任何组合可以被配置为对诸如紫外辐射的辐射至少部分地透明(例如，半透明或者透明)。如此处使用的，如果层允许超过约百分之0.001的紫外辐射通过其中，则该层对紫外辐射至少部分地透明。在更具体的实施例中，至少部分透明的层被配置为允许超过约百分之五的紫外辐射通过其中。在实施例中，(一个或者多个)至少部分透明的层被配置为对由结构10、30发射的紫外辐射至少部分地透明。例如，(一个或者多个)至少部分透明的层可以被配置为对包括结构10、30的峰值发射波长和高于和/或低于峰值发射波长至少5纳米的范围中的紫外辐射至少部分地透明。

可以使用任何解决方案形成对紫外辐射至少部分透明的(一个或者多个)层。例如，透明层可以包括由此处描述的III族氮化物材料形成的p型层。例示性的至少部分透明的III族氮化物材料包括 AlGaN、AlInGaN、含硼合金(GaBN、AlBN、AlGaBN、 AlInGaBN、InGaBN等等)等等。此外，可以使用任何解决方案实现层的至少部分透明度。例如，在其带隙小于由于隧穿、通过杂质态的热离子输送等等的紫外辐射的光子能量的材料中，可以实现至少部分透明度。

类似地，应当理解，结构10、30中一个或者多个层的任何组合可以被配置为反射紫外辐射。如此处使用的，当层反射超过约百分之五的紫外辐射时，该层对紫外辐射是反射的。在实施例中，(一个或者多个)反射层被配置为反射由结构10、30发射的紫外辐射。例如，(一个或者多个)反射层可以被配置为反射包括结构10、30的峰值发射波长和高于和/或低于峰值发射波长至少5纳米的范围中的紫外辐射。

可以使用任何解决方案形成(一个或者多个)紫外反射层。例如，反射层可以包括由Al、铑(Rh)、强化Al、强化Rh、金 (Au)、一氧化硅铝(AlSiO)、氟化镁铝(AlMgF₂)等等形成的金属涂层。此外，可以使用任何解决方案实现层的反射性。例如，可以通过形成反射光子晶体、分布式布拉格反射器(DBR)结构等等以实现反射性。

(一个或者多个)至少部分紫外透明和/或反射的层可以包括基于结构10、30的期望操作构造的结构10、30的各种层中的任何层。例如，结构10、30可以包括至少部分紫外透明的接触。这种接触可以包括例如用于制成p型欧姆接触、肖特基接触、非欧姆接触等等的p型至少部分紫外透明层26(图2B)和夹层(诸如至少部分紫外透明的超晶格12(图2B))。类似地，结构10、30可以包括被配置为反射由结构10、30生成的期望量的紫外辐射的紫外反射接触。这种反射接触也可以包括例如用于制成p型欧姆接触、肖特基接触、非欧姆接触等等的p型紫外反射层26和超晶格12。

结构10、30可以包括至少部分紫外透明和/或紫外反射的各种其它层，诸如p型超晶格12、32，位于超晶格12、32与多量子阱结构之间的电子阻挡层等等。在每个情况下，可以使用任何类型的材料形成至少部分紫外透明和/或紫外反射的层。在实施例中，使用III族氮化物材料(诸如含硼层)形成至少部分紫外透明和/或紫外反射的层。

图6示出了根据实施例的例示性发光器件结构40。如该图示出的，器件结构40包括与辐射生成结构52相邻的n型接触层50。辐射生成结构52可以包括用于生成任何类型辐射(诸如紫外光)的任何类型的结构(诸如多量子阱结构)。此外，器件结构40包括与n 型接触层50在辐射生成结构52的相对侧上的p型接触层54。

器件结构40还包括可以如此处描述地形成的超晶格层12。超晶格层12示出为与p型接触层54位于辐射生成结构52的相同侧上。在实施例中，超晶格层12对由辐射生成结构52生成的辐射至少部分透明。应当理解，超晶格层12仅是可以包括在器件结构40中的超晶格的类型的例示。例如，器件结构40可以包括超晶格32和/或此处所示的超晶格的变体。

器件结构40还可以包括可以位于超晶格层12与辐射生成结构 52之间的电子阻挡层56。在实施例中，电子阻挡层56具有在约2纳米与约100纳米之间的范围中的厚度。电子阻挡层56可以包括具有比位于超晶格层12内的(一个或者多个)势垒更大的带隙的p型组成，这可以引起电子阻挡层对由辐射生成结构52生成的辐射的提高的透明度。此外，电子阻挡层56可以包括缓变组成，该缓变组成可以被配置为减小电子阻挡层56的电阻。例如，电子阻挡层56可以具有例如在约10¹⁶cm^-3与约10²⁰cm^-3之间增大或者减小约10⁴cm^-3的缓变掺杂。替换地，电子阻挡层56可以具有在约10¹⁶cm^-3与约10²⁰ cm^-3范围内的均质掺杂。

器件结构40可以包括接触60。接触60可以包括任何类型的接触。在实施例中，接触60包括p型金属接触，诸如肖特基接触、泄漏肖特基接触、整流接触等等。在更具体的实施例中，接触60至少部分地反射由辐射生成结构52生成的辐射并且除了其它以外可以由铝、强化铝、一氧化硅铝、氟化镁铝、铑、强化铑、金等等形成。在另一个更具体的实施例中，接触60对由辐射生成结构52生成的辐射至少部分透明并且除了其它以外可以由其中每个层对辐射至少部分透明的金属化超晶格形成。在任一情况下，接触60可以与透明粘附层 58直接相邻。透明粘附层58可以被配置为提高接触60的欧姆性质并且促进接触60与半导体表面(例如，层54)的粘附。在实施例中，透明粘附层58由镍形成。然而，应当理解，透明粘附层58可以由任何合适材料形成，包括羟基氧化镍(NiOx)、钯(Pd)、钼 (Mo)、钴(Co)等等。

可以使用任何类型的材料形成器件结构40中的各种层。在实施例中，器件结构40包括基于III族氮化物的异质结构，其中使用任何解决方案使层50、56、12和54中的一个或者多个以及辐射生成结构52由各种III族氮化物材料形成。另外，可以在没有透明粘附层58的情况下实现接触60，并且该接触60由一个或者多个金属层(例如，钛、铝、金、铬、镍、铂、铅、铑等等的一个或者多个层)形成。

在实施例中，接触50、54、60中的一个或者多个包括石墨烯，其可以被配置为对由辐射生成结构52生成的辐射透明并且非常导电。例如，到超晶格层12的p型接触层54和/或接触60可以至少部分地由p型石墨烯形成。类似地，n型接触层50可以至少部分地由 n型石墨烯形成。在实施例中，接触50、54、60包括石墨烯复合接触，该石墨烯复合接触包括与薄金属子层相邻的石墨烯子层，这可以提高接触50、54、60中的电流扩散。在另外的实施例中，石墨烯复合接触对由辐射生成结构52生成的辐射至少部分透明。应当理解，器件结构40可以包括与由石墨烯形成的接触(诸如接触54)相邻的一个或者多个层(诸如透明粘附层58和/或接触60)，其被配置为提高例如经由纹理表面从器件结构40提取的光。

在实施例中，此处描述的结构可以包括具有以下组成的一个或者多个层，该组成被选择为使得层具有对一组目标波长的辐射(诸如紫外辐射)至少目标透明度的透明度。层可以包括例如p型接触层 54(图6)、电子阻挡层56(图6)、超晶格层12(图6)等等。例如，层可以是由Al_xGa_1-xN构成的基于III族氮化物的层，其中铝摩尔分数(x)在层的一些畴中充分地高以使得层对紫外辐射至少部分透明。在实施例中，层可以包括位于被配置为发射具有紫外光谱中的主波长的辐射的发射器件中的超晶格层，以及超晶格层的每个周期中的至少一个子层的组成被配置为对具有与由发射器件发射的紫外辐射相对应的目标波长的紫外辐射至少部分透明。

在实施例中，子层具有在约1纳米与约1000纳米之间的范围中的厚度。此外，子层可以具有例如在约10¹⁶cm^-3与约10²⁰cm^-3之间增大或者减小约10⁴cm^-3的缓变掺杂。替换地，子层可以具有在约 10¹⁶cm^-3与约10²⁰cm^-3范围内的均质掺杂。掺杂可以是任何类型的掺杂。例如，掺杂可以是：调制掺杂；通过来自氧、氢和镁中的一个或者多个的杂质的无意掺杂；从另一个掺杂层扩散或者作为残余元素存在于生长室中的掺杂剂，诸如镁和/或碳等等。在实施例中，一个或者多个子层可以用镁和碳共掺杂，其中碳掺杂水平和镁掺杂水平两者均在约10¹⁶cm^-3与约10²⁰cm^-3的范围内，但是掺杂剂的组合浓度不超过约10²⁰cm^-3。在另一个实施例中，掺杂可以在两个或者更多个掺杂剂之间交替。例如，子层可以包括碳掺杂，而(一个或者多个) 相邻子层可以包括镁掺杂。

可以通过计算短周期超晶格(SPSL)的平均带隙以及推导 SPSL的平均吸收系数来近似SPSL的透明度量。吸收系数取决于半导体材料的吸收限，对于由AlGaN合金形成的材料该吸收限是Al_xGa_1-xN半导体合金的摩尔分数的函数。

在实施例中，材料的目标透明度比结构中材料的最不透明层 (例如，基于III族氮化物的器件的GaN)透明至少十倍。在该情况下，半导体层的吸收系数可以在10⁴/厘米或者更低的数量级上。在该情况下，1微米厚的半导体层将允许约百分之三十六的紫外辐射通过其中。

图7示出了根据实施例对于Al_xGa_1-xN合金的各种铝摩尔分数 (x)的吸收系数对波长的依赖关系。为了使半导体层的吸收系数维持在10⁴/厘米或者更低的数量级处，可以基于相应目标波长或者波长范围选择SPSL势垒层中的铝含量。例如，对于约250纳米的目标波长，铝摩尔分数可以是约0.7或者更高，而对于约300纳米的目标波长，铝摩尔分数可以低到约0.4。图8示出了根据实施例的用于选择 Al_xGa_1-xN合金的铝含量以维持对相应发射波长λ的目标透明度的例示性图表。在该情况下，目标透明度与在10⁴/厘米的数量级上的半导体层的吸收系数相对应。注意，在图8中，x＝x(λ)的依赖关系是线性的，而且x＝C·λ+B，其中C＝-0.0048nm^-1，以及B＝1.83。

在实施例中，SPSL的一个或者多个子层可以具有缓变组成。例如，SPSL的子层可以由Al_xGa_1-xN合金形成，其中铝摩尔分数x 在子层的垂直方向上持续地变化。

在实施例中，器件可以包括具有被配置为便于辐射透射穿过层的横向区域和被配置为便于电流流动穿过层的横向区域的一个或者多个层。例如，层可以是短周期超晶格，其包括与阱交替的势垒。在该情况下，势垒可以包括透明区域和较高导电性区域两者，其中透明区域被配置为减小层中吸收的辐射量，并且较高导电性区域被配置为将层两端的电压降保持在期望范围内。如此处使用的，术语横向指的是与和器件另一个层相邻的层的表面基本上平行的层的平面。如此处描述的，层的横向截面可以包括与具有相对较高铝含量的那些区域相对应的一组透明区域以及与具有相对较低铝含量的那些区域相对应的一组较高导电性区域。

这一组透明区域可以被配置为允许大量辐射穿过层，而这一组较高导电性区域可以被配置为将层两端的电压降保持在期望范围内 (例如，小于结构两端总电压降的百分之十)。在实施例中，这一组透明区域占据层的横向面积的至少百分之十，而这一组较高导电性区域组占据层的横向面积的至少约百分之二(在更具体的实施例中为百分之五)。此外，在实施例中，较高导电性区域的带隙比透明区域的带隙小至少百分之五。在更具体实施例中，透明区域包括高于约百分之六十(在又更具体实施例中为百分之八十)的对于目标波长的辐射的透射系数，而较高导电性区域具有小于约10^-2欧姆·cm²的每单位面积对垂直电流流动的电阻。如此处使用的，术语透射系数指的是退出区域的辐射量与进入区域的辐射量的比率。

可以使用任何解决方案形成透明区域和导电性区域。例如，可以使用迁移增强金属有机化学气相沉积(MEMOCVD)生长层。在生长期间，可以在层中允许一种或者多种元素(诸如铝、镓、铟、硼等等)的摩尔分数在横向方向上不均质。在实施例中，这种组成不均质性可以变化至少百分之一。

在实施例中，发光器件结构可以包括被配置为减小结构总体极性的一个或者多个结构。在实施例中，结构可以形成发光器件的包覆层、p型接触层等等。为了限制子层内的极化电荷，子层厚度可以大于载流子的玻尔半径。使用p型接触层作为例示性示例，可以为空穴载流子计算玻尔半径R_B。在该情况下，由R_B＝4π∈h²/m_he²给出玻尔半径，其中∈是材料的介电常数，

是约化普朗克常数，m_h是空穴静止质量以及e是元电荷。对于组成Al_0.5Ga_0.5N，“平均”空穴的质量为电子静止质量的大约四倍(m_h～4m_e)，介电常数为自由空间介电常数的约九倍(∈～9∈₀)，以及所得到的玻尔半径R_B是氢的玻尔半径R_H的约9/4，即R_B～1.2nm。具有较高镓浓度的III族半导体层将具有较小的空穴质量(例如，对于GaN，m_h～1.4)。因此，这种 III族半导体层可以具有玻尔半径R_B～6x R_H＝3.2nm。

通过MOCVD在由蓝宝石、SiC、Si等等形成的衬底上沉积的AlGaN膜典型地镓面朝上生长。该生长与[0001]的膜的生长方向(正 c轴方向)相对应。然而，通过MOCVD的重掺杂镁的AlGaN层的生长可以产生AlGaN的负c轴方向(N面生长)。极性的反转可以减小给定子层内的总体“平均”极性。在此程度上，图9示出了根据实施例的包括畴相反的氮化镓层的例示性晶格构造。如该图示出的，层包括多个横向畴，多个横向畴中的至少一个是氮面向的畴(N面) 以及多个横向畴中的至少一个是镓面向的畴(Ga面)。如该图示出的，极化(Ps)和电场(E)矢量在畴之间的边界的任一侧上均相反。

在实施例中，使用诸如Al_xIn_yB_zGa_1-x-y-zN(其中0≤x，y，z≤1 以及0≤x+y+z≤1)的合金实现III族氮化物半导体层(诸如此处描述的超晶格层中的子层)的极化控制。在另一个III族氮化物半导体层上沉积的III族氮化物半导体层可以呈现压电极化和自发极化两者。这些极化可以彼此补偿，导致降低所沉积的半导体层的极化。

例如，图10示出了根据实施例实现AlInGaN层在AlN层上生长时的零总极化的AlInGaN层中的铟和铝的可能摩尔分数。如该图示出的，随着AlInGaN合金中铝摩尔分数增大，铟的摩尔分数也需要增大以实现AlInGaN层的零总极化。在实施例中，选择产生AlInGaN层的零总极化的Al和In摩尔分数的任何组合。在更具体实施例中，Al_0.4In_0.2Ga_0.4N层可以用于实现AlInGaN层的零总极化。

在实施例中，可以选择合金以提供相应层的目标极化。目标极化可以是正的或者负的、在极化幅度范围内的任何幅度等等。继续使用AlN层上生长的AlInGaN层作为例示性示例，图11示出了根据实施例在AlN/AlInGaN异质结构中AlInGaN层中的铟和铝的摩尔分数的各种组合的极化的等值线。如所指出的，粗线与如图10所示 AlInGaN层的基本上为零的总极化相对应。对于比提供零总极化的铟和铝的摩尔分数具有更高的相对铟含量的铟和铝的摩尔分数(例如，位于零总极化线之上的等值线)，在AlInGaN层内存在正净极化，这可以由AlInGaN材料中支配自发极化的压电极化引起。相反地，对于比提供零总极化的铟和铝的摩尔分数具有更高的相对铝含量的铟和铝的摩尔分数(例如，位于零总极化线之下的等值线)，在 AlInGaN层内存在负净极化，这可以由AlInGaN材料中支配压电极化的自发极化引起。

如由图10和11所图示的，具有四元III族氮化物的半导体合金 (诸如AlInGaN)允许全面控制半导体材料中的净极化的符号和幅度。然而，应当理解，图10和11仅是可以用于控制和影响任何类型的半导体层内的极化的各种实施例的例示。例如，向AlInGaN材料添加硼还可以进一步地影响所产生的极化。类似地，基础层可以包括除AlN以外的另一个材料，诸如另一个III族氮化物材料。此外，由于存在可能引起增大的压电极化的层界面处的晶格失配应力，选择和沉积邻近半导体层可以影响半导体层内的极化。可以使用III族氮化物半导体领域中已知的压电极化和自发极化的表达式来评估半导体层内的极化。

此处描述的结构10、30可以并入成为例如晶体管(例如，场效应晶体管)、光电检测器、单片和/或光电子集成电路、金属半导体二极管、p-n结二极管、开关等等的一部分。在该情况下，器件可以包括作为(一个或者多个)缓冲层、(一个或者多个)势垒层、(一个或者多个)接触层等等的一个或者多个超晶格。在更具体的实施例中，超晶格层的周期由AlInN形成。

尽管此处关于超晶格层的制造进行了示出和描述，但是应当理解，本发明的实施例可以适用于制造包括一组量子阱和一组势垒的异质结构。可以使用任何解决方案形成此处示出和描述的各种子层。例如，可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)和/或迁移增强MOCVD(MEMOCVD)的组合来生长超晶格层12、32，其中超晶格层12、32中的每个周期需要至少两个生长步骤。

尽管此处示出并且描述为设计和/或制造结构和/或包括结构的相应半导体器件的方法，但是应当理解，本发明的各方面还提供各种替换实施例。例如，在一个实施例中，本发明提供了一种设计和/或制造包括如此处所述设计和制造的半导体器件中的一个或者多个(例如，包括一个或者多个超晶格层12、32)的电路的方法。

在此程度上，图12示出了根据实施例用于制造电路126的例示性流程图。最初，用户可以利用器件设计系统110使用此处描述的方法生成器件设计112。器件设计112可以包括程序代码，该程序代码可以由器件制造系统114使用以根据由器件设计112限定的特征生成一组物理器件116。类似地，可以向电路设计系统120提供器件设计 112(例如，作为电路中使用的可用组件)，用户可以利用该电路设计系统120生成电路设计122(例如，通过将一个或者多个输入和输出连接至电路中所包括的各种器件)。电路设计122可以包括程序代码，该程序代码包括使用此处描述的方法设计的器件。在任何情况下，可以向电路制造系统124提供电路设计122和/或一个或者多个物理器件116，该电路制造系统124可以根据电路设计122生成物理电路126。物理电路126可以包括使用此处描述的方法设计的一个或者多个器件116。

在另一个实施例中，本发明提供用于设计半导体器件116的器件设计系统110和/或用于通过使用此处描述的方法制造半导体器件 116的器件制造系统114。在这种情况下，系统110、114可以包括编程以实现如此处描述的设计和/或制造半导体器件116的方法的通用计算设备。类似地，本发明的实施例提供了用于设计电路126的电路设计系统120和/或用于制造电路126的电路制造系统124，该电路 126包括使用此处描述的方法设计和/或制造的至少一个器件116。在这种情况下，系统120、124可以包括编程以实现如此处描述的设计和/或制造包括至少一个半导体器件116的电路126的方法的通用计算设备。

在又另一个实施例中，本发明提供安装在至少一个计算机可读介质中的计算机程序，当执行该计算机程序时，使计算机系统能够实现如此处描述的设计和/或制造半导体器件的方法。例如，计算机程序可以使器件设计系统110能够生成如此处描述的器件设计112。在此程度上，计算机可读介质包括程序代码，该程序代码由计算机系统执行时实现此处描述的过程中的一些或者全部。应当理解，术语“计算机可读介质”包括现在已知或者以后开发的表达的任何类型的有形介质中的一个或者多个，可以由计算设备从该有形介质感知、再现或者以其它方式传递程序代码的副本。例如，计算机可读介质可以包括：一个或者多个便携式存储制品；计算设备的一个或者多个存储器 /存储组件；纸；等等。

在另一个实施例中，本发明提供了一种提供程序代码副本的方法，该程序代码由计算机系统执行时实现此处描述的过程中的一些或者全部。在这种情况下，计算机系统可以处理程序代码的副本以生成和传输用于在第二不同位置接收的、使得其特性中的一个或多个被设置和/或改变的一组数据信号，以这样的方式来编码该组数据信号中的程序代码的副本。类似地，本发明的实施例提供了获取实现此处描述的过程中的一些或者全部的程序代码的副本的方法，该方法包括计算机系统接收此处描述的这一组数据信号并且将这一组数据信号转换成安装在至少一个计算机可读介质中的计算机程序的副本。在任一情况下，可以使用任何类型的通信链路传输/接收这一组数据信号。

在又另一个实施例中，本发明提供了一种生成用于设计如此处描述的半导体器件的器件设计系统110和/或用于制造半导体器件的器件制造系统114的方法。在这种情况下，可以获得(例如，创建、维持、使可供使用等等)计算机系统并且可以获得(例如，创建、购买、使用、修改等等)用于执行此处描述的过程的一个或者多个组件并且将该一个或者多个组件部署到计算机系统。在此程度上，部署可以包括下列中的一个或者多个：(1)将程序代码安装在计算设备上；(2)将一个或者多个计算设备和/或I/O设备添加至计算机系统；(3)合并和/或修改计算机系统以使其能够执行此处描述的过程等等。

为了例示和描述的目的，已经提供了本发明各种方面的上述描述。它并不旨在穷举或者将本发明限制于所公开的精确形式，并且明显地，可以进行多种修改和变型。对本领域技术人员显而易见的这种修改和变型包括在如由所附权利要求限定的本发明范围内。

Claims

1.一种制造结构的方法，所述方法包括：

基于超晶格层的多个周期的至少一个子层的目标总极化，为所述至少一个子层选择目标III族氮化物组成，其中所述总极化由相应的至少一个子层内存在的压电极化和自发极化引起，其中目标III族氮化物组成包括铝和铟，并且其中所述选择包括基于所述目标总极化选择铝和铟的摩尔分数；

直接在第一III族氮化物层上生长所述超晶格层，其中生长所述多个周期中的每一个包括：

生长具有第一III族氮化物组成和第一总极化的第一子层；

生长与所述第一子层紧密相邻的第二子层，所述第二子层具有不同于所述第一III族氮化物组成的第二III族氮化物组成和第二总极化，其中所述第一III族氮化物组成或者所述第二III族氮化物组成中的一个是所述目标III族氮化物组成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标总极化为零。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一III族氮化物组成和所述第二III族氮化物组成是AlInGaN合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长所述超晶格层还包括生长将所述多个周期中的每一个分开的多个第三子层。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个周期中的每一个包括量子阱并且第三子层中的每一个包括势垒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一III族氮化物层包括电子阻挡层，所述方法还包括生长与所述超晶格层的第二侧相邻的多量子阱结构，其中所述第二侧与第一侧相对。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一III族氮化物层和所述超晶格层形成下列中的至少一种：包覆层或p型接触。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括生长与所述超晶格层的和第一侧相对的第二侧紧密相邻的第二层，其中所述多个周期中的每一个的所述组成从具有与位于和所述第一侧相邻的周期的所述第一III族氮化物层相似的晶格结构的组成变化为具有与位于和所述第二侧相邻的周期的所述第二层相似的晶格结构的组成。

9.一种异质结构器件，包括：

III族氮化物紫外辐射生成结构；以及

超晶格层，所述超晶格层包括多个周期，所述多个周期中的每一个包括：

第一子层，所述第一子层具有第一III族氮化物组成和第一总极化；以及

第二子层，所述第二子层与所述第一子层相邻，所述第二子层具有不同于所述第一III族氮化物组成的第二III族氮化物组成和第二总极化，其中所述第一总极化和所述第二总极化由在相应的第一子层和第二子层内存在的压电极化和自发极化引起，其中所述第一III族氮化物组成或所述第二III族氮化物组成中的至少一个包括铝和铟并且相应的总极化基本上等于零。

10.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一总极化和所述第二总极化基本上彼此抵消。

11.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一III族氮化物组成和所述第二III族氮化物组成是AlInGaN合金。

12.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一III族氮化物组成或所述第二III族氮化物组成中的一个是Al_0.4In_0.2Ga_0.4N。

13.根据权利要求9所述的器件，还包括位于所述超晶格层和所述紫外辐射生成结构之间的电子阻挡层。

14.根据权利要求9所述的器件，还包括位于与所述紫外辐射生成结构相对的所述超晶格层的一侧紧密相邻的p型接触层。

15.根据权利要求9所述的器件，其中所述异质结构器件被配置为作为下列中的至少一个工作：发光二极管、超发光二极管或者激光器。

16.根据权利要求9所述的器件，其中所述超晶格层对紫外辐射透明，并且其中所述紫外辐射在包括由所述异质结构器件发射的紫外辐射的峰值发射波长的范围中。

17.一种基于III族氮化物的器件，包括一种结构，所述结构包括：

第一层；以及

超晶格层，所述超晶格层具有与所述第一层紧密相邻的第一侧，所述超晶格层包括多个周期，所述多个周期中的每一个包括：

第二子层，所述第二子层与所述第一子层相邻，所述第二子层具有不同于所述第一III族氮化物组成的第二III族氮化物组成和第二总极化，其中所述第一总极化和所述第二总极化由相应的第一子层和第二子层内存在的压电极化和自发极化引起，其中所述第一III族氮化物组成或所述第二III族氮化物组成中的每一个包括铝和铟，并且所述第一III族氮化物组成或所述第二III族氮化物组成中的至少一个使相应的总极化等于零。

18.根据权利要求17所述的器件，其中所述结构是p型接触，并且所述第一层是金属层。

19.根据权利要求17所述的器件，其中所述结构是包覆层，并且所述第一层是III族氮化物层。

20.根据权利要求17所述的器件，其中所述器件被配置为作为下列中的至少一个工作：发光二极管、超发光二极管或者激光器，并且其中所述超晶格层对具有由所述器件发射的辐射的峰值发射波长的波长的辐射透明。