CN113707773B - 异质结构以及采用异质结构的发光器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了包含一个或多个正电荷薄层或包含具有特定厚度的交替堆叠的AlGaN势垒和AlGaN势阱的异质结构。还提供了多量子阱结构和p型接触。所述异质结构、多量子阱结构和p型接触可用于发光器件和光电探测器。
Description
技术领域
本公开大体上涉及一种半导体发光技术，更具体地涉及用于发光器件或光电探测器的异质结构，并且涉及具有异质结构的发光器件和光电探测器。
背景技术
诸如InN、GaN、AlN的氮化物半导体及其取决于合金组分的三元和四元合金，可实现从410nm到大约200nm的紫外(UV)辐射。这些包括UVA(400-315nm)辐射、UVB(315-280nm)辐射和部分UVC(280-200nm)辐射。UVA辐射引发固化行业的变革，UVB和UVC辐射由于其杀菌效果正期待在食品、水和表面消毒业中普遍应用。与诸如汞灯的传统UV光源相比，由氮化物制成的UV光发射器具有内在优势。通常，氮化物UV发射器是坚固的、紧凑的、光谱可调节的且环境友好的。其提供高UV光强度，从而有助于对水、空气、食品和物体表面进行理想的消毒/杀菌处理。进一步地，氮化物UV光发射器的光输出可以以高达几百兆赫的高频进行强度调制，从而确保其能够作为物联网、隐蔽通信和生物化学检测的创新光源。
现有的UVC发光二极管(LED)通常采用层压结构，其包含作为UV透明衬底的c面蓝宝石或AlN、涂覆在该衬底上充当外延模板的AlN层，以及用于位错和应变管理的一组AlN/AlGaN超晶格。AlN/AlGaN超晶格和/或AlN模板使高质量高导电性的n型AlGaN结构得以生长，作为电子供应层将电子注入到后续的基于AlGaN的多量子阱(MQW)有源区中。在MQW有源区的另一侧是p型AlGaN结构，该结构包含用于电子阻挡、空穴注入、空穴供应和p型欧姆接触形成的p型AlGaN层。可以在参考文献中找到传统的AlGaN UV LED结构(例如,“Milliwattpower deep ultraviolet light-emitting diodes over sapphire with emission at278nm”,J.P.Zhang,et al,APPLIED PHYSICS LETTERS 81,4910(2002),其内容通过引用全部并入本文)。
如所看到的，UVC LED可以利用具有不同Al组分的许多AlGaN层来形成AlGaN异质结构，以便实现某些功能性。最重要的功能性是导电性，这对于富含Al的AlGaN材料来说变得越来越具有挑战性，因为施主和受主的激活能随着Al组分的增加而增加，导致缺乏自由电子和空穴载流子。半导体超晶格是特殊类型的半导体异质结构，通过周期性地交替堆叠至少两个带隙不同的半导体并利用导带和价带边缘不连续性的优势而制成，其可以增强掺杂剂的激活以改善导电性(例如，参见“Enhancement of deep acceptor activation insemiconductors by superlattice doping”,E.F.Schubert,W.Grieshaber andI.D.Goepfert,Appl.Phys.Lett.69,9(1996))。已经提出了P型AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格代替传统的p型AlGaN层以提高导电性(例如，美国专利第5,831,277、6,104,039和8,426,225，其内容通过引用全部并入本文)。
本发明公开了关于掺杂剂浓度和界面电荷密度的具有改进的导电性和量子限域的AlGaN异质结构的设计规则。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于发光器件或光电探测器的异质结构，其包括一个或多个p型掺杂AlGaN层，所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个包含插入其中的一个或多个正电荷薄层，其中，两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由所述的两个相邻的正电荷薄层中的任何一个而生成的耗尽区的耗尽深度。
可选地，由一个或多个正电荷薄层中的任何一个而生成的耗尽区的耗尽深度小于10nm。
所述的一个或多个正电荷薄层可以通过Siδ-掺杂形成，其薄层掺杂密度为1×1011–1×1013cm-2。
与所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层的其余层相比，最靠近发光器件或光电探测器的有源区而放置的p型掺杂AlGaN层可能包含更多的正电荷薄层、更高的Al组分和更大的厚度。
异质结构可以进一步包括：在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层，与所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层交替地堆叠；其中，所述的其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分高于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分，或者所述的其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分低于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分。
可选地，正电荷薄层将所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个划分为较薄的前区(prior zone)和较厚的后区(post zone)。
异质结构可以进一步包括所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层形成于其上的另一p型掺杂AlGaN层，其中，所述的另一p型掺杂AlGaN层的Al组分在0.6-0.8的范围内并且厚度在1.0-5.0nm的范围内。
本发明的第二方面提供了一种用于发光器件或光电探测器的异质结构，其包括交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱，其中，AlGaN势垒和AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，该表面相对于第i个AlGaN势垒或势阱中的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi是最大体电荷密度，其被所施加的掺杂浓度所允许，在由电荷薄层生成的第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量。
可选地，AlGaN势垒中的至少一个包括AlGaN前势垒隔离层(prior-barrierspacer)、AlGaN后势垒隔离层(post-barrier spacer)以及夹设于AlGaN前势垒隔离层与AlGaN后势垒隔离层之间的AlGaN主势垒(main barrier)，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分不同于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度小于AlGaN主势垒的厚度。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度在0.1nm至1.5nm的范围内。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分。
可选地，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由AlN制成并且分别具有在0.26-0.52nm范围内的厚度。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
可选地，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由GaN制成并且分别具有在0.1-0.52nm范围内的厚度。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分；或者AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
异质结构可以进一步包括交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱形成于其上的另一p型掺杂AlGaN势垒，其中，该另一p型掺杂AlGaN势垒包含：与发光器件或光电探测器的MQW有源区的最后一个量子势垒接触的主势垒，以及交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱中的一个p型掺杂AlGaN势垒形成于其上的后势垒隔离层。
本发明的第三方面提供了一种用于发光器件或光电探测器的多量子阱结构，其包括交替堆叠的AlGaN势垒和AlGaN势阱，其中，AlGaN势垒和AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，该表面相对于第i个AlGaN势垒或势阱中的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi最大体电荷密度，其被所施加的掺杂浓度所允许，在由电荷薄层生成的第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量。
可选地，所述AlGaN势阱的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层(prior-wellspacer)、n型掺杂AlGaN后阱隔离层(post-well spacer)以及夹设于n型掺杂AlGaN前阱隔离层与n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱(main well)，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于AlGaN主势阱的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层分别被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0-8.0×1018cm-3，AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，其掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0-8.0×1018cm-3。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层由AlN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
可选地，n型掺杂前阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分；或者n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于AlGaN势垒的Al组分，并且AlGaN前阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层之一由AlN制成且另一个由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
多量子阱结构可以进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，该未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与发光器件或光电探测器的p型结构接触。
可选地，所述AlGaN势垒的一个或多个包含一个或多个正电荷薄层，并且两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由所述的两个相邻的正电荷薄层中的任何一个而生成的耗尽区的耗尽深度。
可选地，正电荷薄层经由Siδ-掺杂形成，其薄层掺杂密度等于或大于1012cm-2。
可选地，包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒包括掺杂浓度为1.0-8.0×1018cm-3的Si掺杂层以及被正电荷薄层隔开的未掺杂层。
可选地，包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒的Si掺杂层的厚度分别在6-10nm的范围内，并且包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒的未掺杂层的厚度分别在2-4nm的范围内。
多量子阱结构可以进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，该未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与发光器件或光电探测器的p型结构接触。
可选地，所述AlGaN势阱的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层、n型掺杂AlGaN后阱隔离层以及夹设于n型掺杂AlGaN前阱隔离层与n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于AlGaN主势阱的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层分别被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3，AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，其掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分。
可选地，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
可选地，n型掺杂前阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分；或者n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于AlGaN势垒的Al组分，并且AlGaN前阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
本发明的第四方面提供了一种用于发光器件或光电探测器的异质结构，其包括交替堆叠的n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱，其中，n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，Li是第i个AlbGa1-bN势垒或AlwGa1-wN势阱的厚度，NDi是第i个AlbGa1-bN势垒或AlwGa1-wN势阱的施主浓度(以cm-3为单位)。
可选地，n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱被Si掺杂，其掺杂浓度为8.0×1018–2.0×1019cm-3，并且b-w等于或大于0.15。
可选地，所述n型掺杂AlbGa1-bN势垒的一个或多个包含Siδ-掺杂区。
可选地，在至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的两侧分别形成n型掺杂AlGaN前势垒隔离层和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层，其中，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的Al组分不同于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的厚度小于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的厚度。
可选地，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的厚度在0.1nm至1.5nm的范围内。
可选地，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的n型掺杂AlwGa1-wN势阱的Al组分。
可选地，AlGaN前势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的n型掺杂AlwGa1-wN势阱的Al组分；或者AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的Al组分低于相邻的n型掺杂AlwGa1-wN势阱的Al组分。
本发明的第五方面提供了一种用于发光器件或光电探测器的p型接触结构，其包括：
第一AlGaN势垒；
在第一AlGaN势垒上形成的第一AlInGaN势阱；
在第一AlInGaN势阱上形成的第二AlGaN势垒；以及，
在第二AlGaN势垒上形成的第二AlInGaN势阱；
其中，第一AlGaN势垒的Al组分与第一AlInGaN势阱的Al组分之差等于或大于0.6，并且第二AlGaN势垒的Al组分与第二AlInGaN势阱的Al组分之差等于或大于0.6。
可选地，第一AlGaN势垒和第二AlGaN势垒中的至少一个由AlN制成。
可选地，第一AlInGaN势阱和第二AlInGaN势阱中的至少一个由InxGa1-xN制成，其中，x等于或小于0.3。
可选地，第一AlGaN势垒的厚度和第二AlGaN势垒的厚度分别在0.26-2.0nm的范围内。
可选地，第一AlInGaN势阱的厚度和第二AlInGaN势阱的厚度分别在0.52-3.0nm的范围内。
可选地，第一AlInGaN势阱为p型掺杂，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3，并且第二AlInGaN势阱为n型掺杂，其掺杂浓度为1.0×1019–1.5×1020cm-3。
可选地，第一AlGaN势垒为p型掺杂，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3，并且第二AlGaN势垒为p型掺杂，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3。
p型接触结构可以进一步包括第一AlGaN势垒形成于其上的AlGaN层，其中，该第一AlGaN势垒形成于其上的AlGaN层具有比第一AlGaN势垒的Al组分低的Al组分且在0.5-0.65范围内，厚度在2.0-5.0nm范围内，并且是p型掺杂的，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3。
本发明的第六方面提供了如下的发光器件：
一种发光器件包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，p型AlGaN结构包括根据本发明的第一方面的异质结构。
一种发光器件包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，p型AlGaN结构包括根据本发明的第二方面的异质结构。
一种发光器件包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，有源区包括根据本发明的第三方面的多量子阱结构。
一种发光器件包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，n型AlGaN结构包括根据本发明的第四方面的异质结构。
一种发光器件包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区；以及，
形成在p型AlGaN结构上的，根据本发明的第五方面的p型接触结构。
根据本发明的上述第一至第五方面的异质结构、多量子阱结构和p型接触结构可以单独地或以其任何组合的方式应用于任何合适的发光器件或光电探测器。
附图说明
附图提供对本申请的进一步的理解，并且构成本申请的一部分，这些附图示出了本申请的实施例，并且与说明书一起来解释本申请的原理。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，层可表示相同功能关联的一组层。
图1示出了插入到厚的p型掺杂半导体中的正电荷薄层(经由n型δ掺杂)；
图2示出了p型掺杂异质结构，其具有由极化不连续性生成的相反电荷薄层；
图3A绘制了插入到具有不同激活掺杂剂水平的p型半导体中的正电荷薄层(σ＝1013e·cm-2)周围的电势曲线；
图3B绘制了由插入到具有不同激活掺杂剂水平的p型半导体中的正电荷薄层生成的最大电势降的绝对值；
图4绘制了针对不同的薄层电荷密度和激活掺杂剂水平的耗尽深度曲线；
图5A示意性地示出了在全弛豫AlyGa1-yN厚模板上生长的全应变AlxGa1-xN薄膜的界面极化薄层电荷；
图5B绘制了在厚的全弛豫AlyGa1-yN模板上全应变地生长的AlxGa1-xN薄膜的计算得到的极化薄层电荷密度，其中，y≤x；
图5C绘制了在厚的全弛豫AlyGa1-yN模板上全应变地生长的AlxGa1-xN薄膜的计算得到的极化薄层电荷密度，其中，y≥x；
图6A示意性地示出了在全弛豫InyGa1-yN厚模板上生长的全应变InxGa1-xN薄膜的界面极化薄层电荷；
图6B绘制了在厚的全弛豫InyGa1-yN模板上全应变地生长的InxGa1-xN薄膜的计算得到的极化薄层电荷密度，其中，y≤x；
图6C绘制了在厚的全弛豫InyGa1-yN模板上全应变地生长的InxGa1-xN薄膜的计算得到的极化薄层电荷密度，其中，y≥x；
图7示出了根据本发明的一种实施例的LED的截面图；
图8示出了根据本发明的一种实施例的p型AlGaN结构的截面图；
图9A示出了图8所示的p型AlGaN结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图9B示出了图9A所示的p型AlGaN结构的能带图；
图10示出了根据本发明的另一实施例的p型AlGaN结构的截面图；
图11示出了根据本发明的一种实施例的p型AlGaN异质结构的截面图；
图12A示出了图11所示的p型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图12B示出了图12A所示的p型AlGaN异质结构的能带图；
图13示出了根据本发明的一种实施例的p型AlGaN异质结构的截面图；
图14A示出了图13所示的p型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图14B示出了图14A所示的p型AlGaN异质结构的能带图；
图15示出了根据本发明的一种实施例的p型AlGaN异质结构的截面图；
图16A示出了图15所示的p型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图16B示出了图16A所示的p型AlGaN异质结构的能带图；
图16C示出了图15所示的p型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图16D示出了图15所示的p型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图17示出了根据本发明的一种实施例的MQW结构的截面图；
图18A示出了图17所示的MQW结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图18B示出了图18A所示的MQW结构的能带图；
图19A示出了现有技术的AlGaN/AlGaN MQW的掺杂剂和组分分布；
图19B示出了图19A所示的现有技术的AlGaN/AlGaN MQW的能带图；
图20示出了根据本发明的一种实施例的MQW结构的截面图；
图21A示出了图20所示的MQW 30的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图21B示出了图20所示的MQW 30的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图21C示出了图20所示的MQW 30的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图22示出了根据本发明的一种实施例的n型AlGaN异质结构的截面图；
图23A示出了图22所示的n型AlGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图23B示出了图23A所示的n型AlGaN异质结构的能带图；
图24示出了根据本发明的一种实施例的n型AlGaN异质结构的截面图；
图25示出了根据本发明的一种实施例的p型AlGaN/n型AlInGaN异质结构的截面图；
图26A示出了图23所示的p型AlGaN/n型AlInGaN异质结构的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合；
图26B示出了图26A所示的p型AlGaN/n型AlInGaN异质结构的能带图。
具体实施方式
贯穿本说明书，术语“III族氮化物”通常是指具有从元素周期表IIIA族中选择的具有阳离子的金属氮化物。也就是说，III氮化物包括AlN、GaN、InN及其三元(AlGaN、InGaN、InAlN)和四元(AlInGaN)合金。在本说明书中，如果III族元素中的一个元素极小使得其存在对于整体材料特性，例如晶格常数、带隙和电导率，具有很小或者可以忽略的影响，则为了简化起见，可以将四元减至三元。例如，如果四元AlInGaN中的In组分极小，小于1％，那么该AlInGaN四元可以被简化为三元AlGaN。同理，如果III族元素中的一个元素极小，那么可以将三元简化为二元。例如，如果三元InGaN中的In组分极小，小于1％，那么该InGaN三元可以被简化为二元GaN。III族氮化物还可能包括少量的过渡金属氮化物，诸如摩尔分数不大于10％的TiN、ZrN、HfN。例如，III族氮化物或者氮化物可以包括AlxInyGazTi(1-x-y-z)N、AlxInyGazZr(1-x-y-z)N、AlxInyGazHf(1-x-y-z)N，其中，(1-x-y-z)≤10％。
半导体可以掺杂有施主或受主，并且所述半导体分别被称为n型或p型掺杂半导体或者n或p半导体。施主和受主分别将载流子电子和空穴释放到主体半导体中，因此，激活或电离的施主和受主分别是位于主体半导体晶格中的正固定带电离子和负固定带电离子。
通常，彼此外延形成的具有不同带隙宽度(通常也具有不同的晶格常数)的两个半导体形成异质结构。诸如发光二极管(LED)和激光二极管等发光器件采用许多异质结构，以进行应变管理、位错阻挡、载流子限域和光产生。在LED中广泛使用了两种特殊的异质结构，即，量子阱和超晶格。一般而言，诸如LED等发光器件可以包括由n型AlGaN异质结构制成的n型AlGaN结构、由p型AlGaN异质结构制成的p型AlGaN结构、以及由夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的多量子阱(MQW)制成的发光异质结构有源区。
在以下内容中，使用纤锌矿c面((0002)面)氮化物发光器件或结构作为示例来阐明本发明的原理和精神。本说明书中以及以下实施例给出的教导可以应用于非c面氮化物半导体、II-VI半导体和其他半导体器件。
图1示出了插入到厚的p型掺杂半导体中的正电荷薄层，根据本发明的实施例，该p型掺杂半导体是p型掺杂(例如，Mg掺杂)AlGaN厚层。此处，可以经由n型δ掺杂获得所述正薄层电荷，通常经由在AlGaN外延生长期间关闭III族源(例如，Al和Ga)时同时打开n型掺杂剂源和V族源(例如，氨或氮)来实现。诸如Si、O或Ge原子的n型掺杂剂占据AlGaN中的Al和/或Ga晶格位置，充当施主，经由释放可移动的载流子电子而离子化为正固定电荷。同样地，可以经由p型δ掺杂获得负薄层电荷，经由在AlGaN外延生长期间关闭III族源时同时打开p型掺杂剂源和V族源来实现。诸如Mg原子的p型掺杂剂占据AlGaN中的Al和/或Ga晶格位置，充当受主，经由释放可移动的载流子空穴而离子化为负固定电荷。实际上，也可以经由重度掺杂一个非常薄的层来等效地实现δ掺杂。例如，将2nm厚的层掺杂至5×1019cm-3或将1nm厚的层掺杂至1020cm-3，相当于薄层密度为1013cm-2的δ掺杂。
参照图1，考虑薄层电荷周围的左右对称性并且假设电荷薄层的横向大小远大于到薄层电荷的距离(r)，因此电荷薄层被视为无限大电荷薄层，可以使用高斯定理来计算电荷薄层附近的电场强度E(r)和电势U(r)。
其中，σ、ε、ρ、r和e分别是薄层电荷面密度、主体AlGaN层的介电常数、体电荷密度、到薄层电荷的距离和基本电荷电量。在掺杂半导体中，体电荷密度是由激活的施主和受主产生的净电荷密度，即，
其中，
p和n分别是离子化的施主、受主、自由空穴和电子的浓度。在中性区中，体电荷密度是零。在耗尽区中(不允许自由载流子)，
要注意的是，在耗尽区中，
这是由于掺杂剂激活能大于热能导致掺杂剂激活不足(此处ND和NA分别为施主和受主掺杂剂浓度)。
如果电荷薄层相对于净激活掺杂剂带相反的电荷，则电荷薄层将经由电排斥载流子使其远离掺杂剂来增强掺杂剂的激活。这在电荷薄层周围生成载流子耗尽区。耗尽区与中性区之间的边界r0，该处电场为零(E(r)＝0)，由以下公式给出：
那么耗尽深度Ld为：
当薄层电荷密度在1011-1014e·cm-2范围内变化时，针对不同的体电荷浓度，利用等式5计算的耗尽深度曲线被展示在图4中。可见，取决于电荷分配，耗尽深度的变化范围可以从亚纳米到几百纳米级别。
最大电势降ΔUmax出现在耗尽边缘，其中，
最大的电势降可能很大，有望增强诸如AlGaN等宽带隙材料中深受主的激活。在图3A中绘制了具有不同体电荷密度(ρ＝-5×1018、-1×1019、-2×1019e·cm-3)的薄层电荷(σ＝1013e·cm-2)周围的一些电势曲线。如所看到的，实现了几百毫电子伏特(meV)的最大电势降。更一般地，在图3B中绘制了由等式6预测的最大电势降的绝对值。结合图3B和图4，为了垂直导电，期望具有大的最大电势降和小的耗尽深度。这可以通过使用高的薄层电荷密度和高的掺杂剂浓度来实现。例如，对于σ＝4×1013e·cm-2和
而言，耗尽深度仅为2nm，且最大电势降为213meV。这将大大增强AlGaN材料内的深受主激活。针对σ≥6×1013cm-2，无论掺杂剂水平如何，最大电势降都将超过500meV。这意味着即使重度Mg掺杂AlN也将具有表面空穴积累并且变得导电，因为AlN中的Mg受主具有大约500meV的激活能。
如先前所提到的，可以经由δ掺杂实现电荷薄层，因此，n型和p型δ掺杂可以分别引入正薄层电荷和负薄层电荷。获得电荷薄层的另一方法是引入极化不连续性，因为
(
和
分别是极化和表面法向矢量)，界面处的极化矢量的任何不连续性都可能会产生界面薄层电荷。在图2中示出了插入到p型掺杂AlGaN中的三个无限大电荷薄层，一个正电荷薄层位于中心，并且两个负电荷薄层位于边缘处。这可以通过将一个较低Al含量的AlGaN层夹设于两个较高Al含量的AlGaN层之间的AlGaN异质结构来实现。一般而言，只要电荷薄层所生成的电场足够强，就可以协助受主激活。更具体地，根据本发明，如果最大电势降接近(在热能内)或大于受主激活能，并且耗尽深度小于几纳米以允许量子隧穿，则受主将被充分激活。在激活时，将自由空穴从正电荷薄层推离至负电荷薄层，从而导致在负电荷薄层附近的空穴积累或二维空穴气(2DHG)的形成。
通过对称性，即使未明确显示，图2所示的AlGaN异质结构也可以是n型掺杂，而不是p型掺杂。在这种情况下，如果最大电势降接近(在热能内)或大于施主激活能，并且耗尽深度在几纳米内以允许量子隧穿，则施主将被充分激活。在激活时，将自由电子从负电荷薄层推离至正电荷薄层，从而导致在正电荷薄层附近电子积累或二维电子气(2DEG)的形成。
根据本发明的一个方面，为了最大化电场辅助的掺杂剂激活和载流子积累，异质结构内单个层(比如说第i层)的厚度(hi)最好满足不等式：
其中，
是第i层耗尽区中的体电荷密度(
和
是其中各自的离子化施主和受主浓度)，σi是第i层的表面上的薄层电荷密度，该表面相对于其中的净激活掺杂剂(ρi)带相反的电荷，并且ρ0i＝eNDi-eNAi是在掺杂允许的耗尽区中的最大电荷密度(NDi和NAi是第i层的各自的施主和受主浓度)。
由等式7给出的不等式的基本要求是第i层的厚度(hi)在由σi和ρ0i生成的耗尽区内或边界处，以确保第i层内的最大掺杂剂激活并且在第i层的一个表面上形成载流子积累。
图5A示出了一种简单的AlGaN异质结构，其表面法线指向[0002]方向，并且包含厚的全弛豫AlxGa1-xN模板和薄的全应变AlyGa1-yN，即，AlyGa1-yN全应变地形成在AlxGa1-xN上。由于组分差，存在压电和自发极化引起的界面薄层电荷。使用E.T.Yu等人给出的参数(“Spontaneous and piezoelectric polarization in nitride heterostructures”byE.T.Yu,chapter 4,III-V Nitride Semiconductors:Applications and Devices,editedby E.T.Yu,and O.Manasreh,published in 2003 by Taylor&Francis)，针对y≥x和y≤x，分别计算出AlyGa1-yN/AlxGa1-xN界面电荷密度(σ)并且绘制在图5B和5C中。
在图5B中，其中，y≥x，意味着高Al组分的AlGaN薄膜全应变地形成在低Al组分的厚AlGaN模板上，在界面处生成正的界面薄层电荷。在图5C中，其中，y≤x，意味着低Al组分的AlGaN薄膜全应变地形成在高Al组分的厚AlGaN模板上，在界面处生成负的薄层电荷。针对这种简单的异质结构，可以通过以下公式大致描述界面薄层电荷密度：
其中，y和x分别是AlGaN薄膜和厚的AlGaN模板的Al组分。
图6A示出了一种简单的InGaN异质结构，其表面法线指向[0002]方向，并且包含厚的全弛豫InxGa1-xN模板和薄的全应变InyGa1-yN，即，InyGa1-yN全应变地形成在InxGa1-xN上。针对y≥x和y≤x，分别计算InyGa1-yN/InxGa1-xN界面电荷密度(σ)，并且绘制在图6B和6C中。
在图6B中，其中，y≥x，意味着高In组分的InGaN薄膜全应变地形成在低In组分的厚InGaN模板上，在界面处生成负的薄层电荷。在图6C中，其中，y≤x，意味着低In组分的InGaN薄膜全应变地形成在高In组分的厚InGaN模板上，在界面处生成正的薄层电荷。可以通过以下公式大致描述界面薄层电荷密度：
其中，y和x分别是InGaN薄膜和厚的InGaN模板的In组分。
利用等式6-9，可以为发光器件设计更好的AlGaN/AlGaN和InGaN/InGaN异质结构。
在图7中示出了根据本发明的另一方面的UV LED 1的截面示意图。该结构开始于衬底10，该衬底10优选为UV透明的并且可选自蓝宝石、AlN、SiC等。在衬底10上形成由AlN或高Al组分的AlGaN制成的薄缓冲层21。随后在缓冲层21上形成厚的模板22。模板22可以由厚的AlN或高Al组分的AlGaN层制成，例如，厚度为0.3–4.0μm。即使未在图7中示出，可以在模板22上形成应变管理结构，诸如，Al组分分级的AlGaN层或几组AlN/AlGaN超晶格。在模板22上形成用于电流扩展的厚的n-AlGaN层23，其由厚度为2.0-5.0μm(诸如，3.0μm)，掺杂剂浓度为2.0×1018–5.0×1018cm-3的Si或Ge掺杂的AlGaN制成。在n-AlGaN层23上形成重度n型掺杂N+-AlGaN异质结构24。异质结构24可以被n型掺杂至8×1018-2×1019cm-3，并且其设计将在以下内容中详细公开。在异质结构24上形成薄的轻度掺杂N--AlGaN层25(0.1-0.5μm，诸如，0.15μm,n＝2.5×1017-2×1018cm-3)，以减少电流阻塞并准备将电流均匀注入到后续的AlbGa1-bN/AlwGa1-wN MQW有源区30中。MQW 30由多次交替堆叠的n-AlbGa1-bN势垒和AlwGa1-wN势阱形成，例如，3-8次。势垒厚度范围为8.0–16.0nm，并且势阱厚度为1.0–5.0nm。MQW 30的总厚度通常小于200nm，例如，为75nm、100nm或者150nm。n-AlbGa1-bN势垒和AlwGa1-wN势阱可以具有分别在0.3-1.0和0.0-0.85范围内的Al组分，并且势垒与相邻的势阱的Al组分差至少是0.10、0.15、0.2、0.25或0.3(即，b-w≥0.10、0.15、0.2、0.25或0.3)，或者以确保势垒-势阱带隙宽度差(ΔEg)至少为270meV，以保证量子限域效应。将结合图17、18A、18B、20、21A、21B和21C提供关于MQW 30的更多公开内容。在MQW 30之后是p型AlGaN异质结构40，其结构将在以下内容中详细公开。异质结构40的一般功能性包括电子阻挡、空穴供应和空穴注入。在异质结构40上形成另一AlInGaN异质结构498，其充当p型接触层。异质结构498将在以下内容中详细公开。
也如在图7中所看到的，n欧姆接触51形成在重度n型掺杂异质结构24上。它可以由薄金属层堆栈制成，诸如，钛/铝/钛/金(Ti/Al/Ti/Au)，其相应层厚为3-40/70-80/10-20/80-100nm，例如，35/75/15/90nm。它也可以由薄的钒/铝/钒/金(V/Al/V/Au)制成，其相应层厚为3-80/70-150/10-50/20-800nm，例如，20/100/20/60nm。在n欧姆接触51上形成n接触52和n接触焊盘5，其由厚金属层(诸如，2-5μm厚的金层)制成。同样地，p欧姆接触61形成在异质结构498上并且与异质结构498接触。p欧姆接触61的金属方案将结合异质结构498在以下内容中公开。在p欧姆接触61上形成p接触62和p接触焊盘6，其由厚金属层(诸如，2-5μm厚的金层)制成。然后，整个LED结构被钝化层70钝化，除了n接触焊盘5和p接触焊盘6(钝化层70也覆盖器件侧壁，即使未在图7中明确示出)之外。钝化层70优选地由诸如SiO2、Al2O3、AlF3、CaF2和MgF2等UV透明电介质制成。
在图8中示出了根据本发明的实施例的p型AlGaN异质结构40。在该实施例中，异质结构40包括插入有多个正电荷薄层402的Mg掺杂的AlGaN层401。正电荷薄层402经由施主掺杂剂δ掺杂(例如，Siδ-掺杂)而形成。图9A示出了图8所示的异质结构40的掺杂剂和组分分布的可能组合，其中，AlGaN层401的Mg掺杂和Al组分恒定，并且薄层402的薄层电荷密度也恒定。图9B示出了图9A所示的p型AlGaN异质结构40的能带图。在其他实施例中，Mg掺杂和Al组分可以不是恒定的，即，它们可以沿着外延方向改变。例如，Mg掺杂和Al组分可以沿着外延方向减少或增加。而且，不同薄层402的薄层电荷密度可以不同。
参照图9B，本发明要求相邻薄层402之间的距离大于由等式5给出的最大耗尽深度(Ld0)，即，
其中，σ是通过Siδ-掺杂生成的薄层电荷密度，它是Siδ-掺杂薄层密度与基本电荷电量的乘积，并且ρ0是受主掺杂浓度和电子的电荷电量的乘积(ρ0＝-eNA)。该要求确保相邻薄层402的相邻耗尽区不重叠，并且整个异质结构40不耗尽。而且，薄层402周围的最大耗尽深度小于10nm，例如，小于5nm或小于2nm，一旦将外部偏置施加到异质结构40，就允许足够的载流子隧穿或扩散。这些要求针对异质结构的体受主掺杂剂浓度、薄层施主掺杂剂密度和薄层施主空间布置设置了异质结构40的设计规则。
异质结构40中的施主δ掺杂密度在1×1011-1×1013cm-2的范围内，诸如，5×1011-5×1012cm-2或等值。例如，针对1nm的厚度，它可以等同于1×1018-1×1020cm-3的体掺杂浓度。而且，Mg掺杂剂浓度越高，异质结构40中允许的Siδ-掺杂密度就越大，只要满足上面设置的设计规则即可。例如，参照图4，如果允许耗尽深度为2nm厚，那么2×1019cm-3的体Mg掺杂水平在薄层402大约允许最大Si薄层密度为3.9×1012cm-2，并且相邻薄层402被放置为彼此间隔大于2nm(例如，5或10nm)。
根据本发明的实施例，将正电荷薄层(经由施主δ掺杂)插入到p型异质结构40中可以提高UV LED的可靠性。众所周知，III族氮化物中的p型掺杂剂可以吸引氢原子的掺入。这些氢原子占据氮化物晶格的间隙位置，并且经常带正电，即，变为H+。当氮化物LED正向偏置并处于操作时，p型氮化物中的间隙H+可以获得势能，该势能不可避免地转变为动能并且驱动H+向MQW有源区移动。MQW有源区中的离子可能会散射载流子并且降低辐照复合几率，从而导致光输出效率下降。如果间隙H+浓度高，电场强且材料质量差，则这种情况会恶化。与基于GaN的可见光LED相比，这些恰好是基于AlGaN的UV LED的确切情况。在p型氮化物中插入多个正电荷薄层可以减慢间隙H+的电迁移并且提高LED的可靠性。
图8所示的异质结构40是一个单p型AlGaN层，其插入有一个或多个正电荷薄层。
异质结构40还可以包含一个以上的p-AlGaN层，其插入有多个正电荷薄层。在图10中示出了包含三个Mg掺杂AlGaN层403、404和405的异质结构40，每个Mg掺杂AlGaN层都插入有一个或多个正电荷薄层(4032、4042和4052)，并且正电荷薄层(4032、4042和4052)分别将每个Mg掺杂AlGaN层403、404和405划分为多个区域(4031、4041和4051)。AlGaN层403、404和405的厚度、组分、掺杂和正电荷薄层可以彼此不同。例如，如果AlGaN层403最接近MQW有源区30，则AlGaN层403可以是最厚的，具有最高的Al组分和最多的正电荷薄层。在异质结构40中，AlGaN层404可以具有第二或第三高的Al组分。然而，AlGaN层403、404和405中的每一个仍然遵循先前概述的设计规则，即，相邻的正电荷薄层之间的距离应该大于最大耗尽深度，并且最大耗尽深度应该小于10nm，例如，小于5nm或小于2nm。
在图11中示出了根据本发明的另一实施例的p型AlGaN异质结构40，其包含Mg掺杂的高Al组分的AlGaN层41(其Al组分可以在0.6-0.8范围内并且厚度在1.0-5.0nm范围内)、插入有至少一个正电荷薄层(422、442、462和482)的不止一个Mg掺杂AlGaN层(42、44、46和48)以及分隔AlGaN层42、44、46和48的不止一个Mg掺杂AlGaN层(43、45、47和49)。正电荷薄层422、442、462和482将各自的AlGaN层(42、44、46和48)划分为较薄的前区(421、441、461和481)和较厚的后区(423、443、463和483)。在该实施例中，Al组分和Mg掺杂在一个AlGaN层内可以是恒定的，然而，不同AlGaN层的Al组分和层厚通常是不同的。在特殊情况下，AlGaN层42-49可以形成周期性结构(诸如，超晶格)，其中，层42、44、46和48可以是具有较高Al组分(例如，0.60-0.85)的势垒层，并且层43、45、47和49可以是具有较低Al组分(例如，0.50-0.70)的势阱层，反之亦然。先前概述的薄层电荷设计规则仍然适用于正电荷薄层422、442、462和482，即，相邻的正电荷薄层之间的距离应该大于最大耗尽深度，并且最大耗尽深度应该小于10nm，例如，小于5nm或小于2nm。不同的AlGaN层42、44、46和48可以具有相同或不同的Al组分和厚度，并且不同的AlGaN层43、45、47和49可以具有相同或不同的Al组分和厚度。
图12A示出了图11所示的异质结构40的掺杂剂和组分分布的一种可能的组合，其中，异质结构40内的Mg掺杂水平恒定，且AlGaN层42、44和46的Al组分较高，形成势垒层，AlGaN层43、45和47的Al组分较低，形成势阱层，并且正电荷薄层(422、442和462)位于势垒层内。除了Siδ-掺杂产生的正电荷薄层(σ3)之外，还存在由在AlGaN势垒/势阱界面处的极化不连续性引起的电荷薄层(σ0,-σ0)。图12B示出了图12A所示的p型AlGaN异质结构40的能带图。
在图13中示出了根据本发明的另一实施例的p型AlGaN异质结构40，其包含Mg掺杂的Al组分调制的AlGaN异质结构。具体地，通过将Al组分在0.60-0.85范围内的AlGaN势垒(42”、44”、46”和48”)和Al组分在0.50-0.70范围内的AlGaN势阱(43”、45”、47”和49”)交替地堆叠而形成。不同的AlGaN势垒可以具有相同或不同的Al组分和厚度，并且不同的AlGaN势阱可以具有相同或不同的Al组分和厚度。在此，每个势垒和每个势阱可以具有不同的Al组分、掺杂浓度和厚度。如先前所讨论的，对于具有许多单独层的异质结构，每层的厚度、掺杂和组分不是独立的参数，相反，它们满足根据本发明的等式7给出的不等式。因此，第i个势垒的厚度LBi满足：
其中，作为组分不连续性的函数(参见等式8)，σBi是第i个势垒的表面上的薄层电荷密度，该表面相对于第i个势垒内的净激活掺杂剂带相反电荷，并且ρB0i＝eNBDi-eNBAi是在掺杂允许的势垒耗尽区中的最大电荷密度(NBDi和NBAi是第i个势垒的各自的施主和受主浓度)。并且第j个势阱的厚度LWj满足：
其中，作为组分不连续性的函数(参见等式8)，σWj是第j个势阱的表面上的薄层电荷密度，该表面相对于第j个势阱内的净激活掺杂剂带相反电荷，并且ρW0j＝eNWDj-eNWAj是在掺杂允许的势阱耗尽区中的最大电荷密度(NWDj和NWAj是第j个势阱的各自的施主和受主浓度)。
图13所示的AlGaN异质结构40的具体实施例是均匀掺杂有浓度为NA(cm-3)的Mg的AlbGa1-bN/AlwGa1-wN超晶格。因此，根据等式7和8的势垒和势阱厚度满足：LB、
例如，如果b-w＝0.2并且NA＝1019cm-3，则LB、LW≤5nm；如果b-w＝0.4并且NA＝2×1019cm-3，则LB、LW≤5nm，等等。
图14A示出了用于图13所示的异质结构40的特殊(即，超晶格)实施例的掺杂和组分分布，其中，对于异质结构40内的势垒和势阱，Mg掺杂可以是恒定的或不同的(即，ρB0i＝ρW0j或ρB0i≠ρW0j)。图14B示出了图14A所示的p型AlGaN异质结构40的能带图。
由于异质结构40的势垒层以阻碍载流子的垂直传输的方式通过极化界面电荷而倾斜，因此在载流子垂直传输权重大于量子限域的情况下，势垒层可以比势阱层薄。
在图15中示出了根据本发明的另一实施例的p型AlGaN异质结构40。它与图13所示的实施例不同之处在于势垒层。图15所示的异质结构40包含一个第一AlGaN势垒42’和一个以上的AlGaN势垒(如所示为44’、46’、48’)。与MQW有源区的最后一个量子势垒接触的第一势垒42’包含主势垒422’和后势垒隔离层423’。其他势垒(如所示为44’、46’、48’)分别包含主势垒和前势垒隔离层和后势垒隔离层。例如，第二势垒44’包含主势垒442’和前势垒隔离层441’和后势垒隔离层443’，第三势垒46’包含主势垒462’和前势垒隔离层461’和后势垒隔离层463’等。后势垒隔离层与其主势垒及其下一个势阱接触，前势垒隔离层与其前一个势阱及其主势垒接触。例如，后势垒隔离层423’与其主势垒422及其下一个势阱43’接触；前势垒隔离层441’与其前一个势阱43’及其主势垒442’接触；后势垒隔离层443’与其主势垒442’及其下一个势阱45’接触，等等。
后势垒隔离层和前势垒隔离层由具有与主势垒和势阱不同的Al组分的p型AlGaN制成，使得主势垒和势阱可以具有不同的界面薄层电荷密度，从而允许设计异质结构40具有更大的灵活性。后势垒隔离层和前势垒隔离层比主势垒和势阱薄。后势垒隔离层和前势垒隔离层可以具有相同的组分或不同的组分。后势垒隔离层和前势垒隔离层的厚度可选地分别在0.1nm至1.5nm的范围内，诸如，0.5nm至1.2nm。后势垒隔离层和前势垒隔离层的Al组分可以分别在0.0-1.0的范围内，诸如，0.10-0.95。主势垒的Al组分可以在0.60-0.85的范围内。
在一个实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层具有比其主势垒高的Al组分。在图16A中示出了该实施例的掺杂和组分分布的组合，在图16B中示出了其能带图。如所看到的，在该实施例中，第j个势阱经受界面电荷密度σWj，其大于第i个主势垒所经历的界面电荷密度σBi。这是真实的，因为隔离层与势阱之间的Al组分差大于隔离层与主势垒之间的Al组分差，并且根据等式8，这将在势阱-隔离层界面上生成更多的薄层电荷。在该实施例中，势阱中的Mg受主将具有更高的激活几率。在根据本发明的这一方面的一个实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层分别由0.26-0.52nm厚的AlN层制成。AlN后势垒隔离层和前势垒隔离层增强了电子阻挡能力，从而提高了LED的可靠性。
在另一实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层的Al组分(诸如，0.0-0.6或0.2-0.4)比相邻的势阱(诸如，0.5-0.7)低。在图16C中图示了该实施例的掺杂和组分分布的组合(此处未示出能带图)。在该实施例中，第j个势阱经受界面电荷密度σWj，其小于第i个主势垒所经历的界面电荷密度σBi。根据等式8，这是真实的，因为隔离层与主势垒之间的Al组分差大于隔离层与势阱之间的Al组分差。在该实施例中，主势垒中的Mg受主将具有更高的激活几率。在根据本发明的这一方面的一个实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层分别由0.1-0.52(诸如，0.2-0.4)nm厚的GaN层制成。GaN后势垒隔离层和前势垒隔离层提高了AlGaN结构40内的空穴浓度，从而提高了LED的内部量子效率。
在根据本发明的这一方面的又一实施例中，至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层由AlGaN薄层制成，其Al组分高于主势垒，而至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层是由AlGaN薄层制成的，其Al组分小于势阱。在图16D中示出了该实施例的掺杂和组分分布的一种组合。可选地，至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层由AlN制成，并且至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层由GaN制成，其厚度在0.1-0.52nm的范围内。可选地，所述的至少一个AlN隔离层被放置成比所述的至少一个GaN隔离层更靠近MQW 30。
上述实施例的势阱和主势垒的厚度仍然可以遵循等式7。
MQW有源区是特殊的AlGaN异质结构。在图19A中示出了现有技术的AlGaN MQW的掺杂和组分分布，以及在图19B中示出了能带图。如所看到的，界面极化薄层电荷σ0使量子阱能带边缘倾斜，在空间上将注入的电子和空穴分开，从而产生较低的发光效率。界面极化薄层电荷还会使量子垒的能带边缘倾斜，从而导致电子和空穴注入的阻抗增加。
如图17所示，本发明的另一方面提供了一种MQW 30。MQW 30包含未掺杂或轻度Si掺杂(例如，1.0–5.0×1017cm-3)的至少一个量子阱(QW)33以及至少一个第一量子垒(QB)32、形成在第一QB 32上的一个倒数第二QB 34和形成在第二QB 34上的一个最后QB 32’。最后QB 32’不掺杂，并且在一侧与最后QW 33接触且在另一侧与p-AlGaN异质结构40(或其他合适的p-AlGaN层或结构)接触。第一QB 32包含均匀的Si掺杂(n＝1.0–8.0×1018cm-3)层321、Siδ-掺杂薄层322和未掺杂层323。所述倒数第二QB 34包含均匀的Si掺杂(n＝1.0–8.0×1018cm-3)层321和未掺杂层323。层321和323的厚度分别为6-10nm和2-4nm。在图18A示出了根据本发明的一个实施例的MQW 30的掺杂和组分分布，并且在图18B中示出了能带图。假设层321的厚度为t，其具有Si掺杂浓度ND，并且Siδ-掺杂薄层电荷密度为σ3，并且QB/QW界面极化薄层电荷密度为σ0，那么等式10成立。
σ3＝σ0-eNDt(等式10)
在一个实施例中，QB 32和QW 33的Al组分差为0.1(b-w＝0.1，那么使用等式8，σ0＝5×1012e·cm-2)，并且层321厚8nm，掺杂为ND＝5×1018cm-3。根据本发明的等式10，Siδ-掺杂薄层电荷密度是优选的。由于在AlGaN中Si是相当浅的施主，那么在本发明的一个实施例中，层322中的Siδ-掺杂密度为1012cm-2。
在另一实施例中，QB 32和QW 33的Al组分差为0.15(b-w＝0.15，那么使用等式8，σ0＝7.5×1012e·cm-2)，并且层321厚8nm，掺杂为ND＝5×1018cm-3。根据本发明的等式10，Siδ-掺杂薄层电荷密度是优选的。由于在AlGaN中Si是相当浅的施主，那么本发明要求层322中的Siδ-掺杂密度为3.5×1012cm-2。
在又一实施例中，QB 32和QW 33的Al组分差为0.2(b-w＝0.2，那么使用等式8，σ0＝1.0×1013e·cm-2)，并且层321厚10nm，掺杂为ND＝5×1018cm-3。根据本发明的等式10，Siδ-掺杂薄层电荷密度是优选的。由于在AlGaN中Si是相当浅的施主，那么本发明要求层322中的Siδ-掺杂密度为5.0×1012cm-2。
QW 33、最后QB 32’、层321和层323的Al组分可以分别在0.35-0.55、0.55-0.65、0.55-0.65和0.55-0.65的范围内。
根据本发明的这一方面设计的MQW有源区具有较高的光产生效率和较低的器件工作电压。
在图20示出了根据本发明的这一方面的MQW 30的另一实施例，其包含至少一个第一QB 32”和一个最后QB 34”以及一个QW 33’，该QW 33’包括被一个前QW隔离层331和一个后QW隔离层332所夹设的主QW 330。在图21A-21C中示出了MQW 30的一些掺杂和组分分布。如所看到的，所有的第一QB 32”、前QW隔离层331和后QW隔离层332都均匀掺杂有Si(n＝1.0–8.0×1018cm-3)，所有的主QW 330可以不掺杂或掺杂有小于5.0×1017cm-3的Si，并且最后QB 34”不掺杂。后QW隔离层与其前一个主QW 330及其下一个QB接触，前QW隔离层与其前一个QB及其下一个主QW接触。
后QW隔离层和前QW隔离层由n型AlGaN制成，具有与QB和主QW不同的Al组分，从而使得QB和主QW可以具有不同的界面薄层电荷密度，以允许设计MQW 30具有更大的灵活性。后QW隔离层和前QW隔离层比主QW和QB薄。后QW隔离层和前QW隔离层可以具有相同的组分或不同的组分。后QW隔离层和前QW隔离层的厚度可选地在0.1nm至0.52nm的范围内。
在一个实施例中，后QW隔离层和前QW隔离层具有比QB高的Al组分。在图21A示出了该实施例的掺杂和组分分布的一种组合。在根据本发明的这一方面的一个实施例中，后QW隔离层和前QW隔离层由0.1-0.52nm厚的AlN层制成。
在另一实施例中，后QW隔离层和前QW隔离层具有比势阱低的Al组分。在图21B示出了该实施例的掺杂和组分分布的一种组合。在根据本发明的这一方面的一个实施例中，后QW隔离层和前QW隔离层由0.1-0.52nm厚的GaN层制成。
在根据本发明的这一方面的又一实施例中，至少一个后QW隔离层和/或前QW隔离层由AlGaN薄层制成，其Al组分高于QB，而至少一个后QW隔离层和/或前QW隔离层由AlGaN薄层制成，其Al组分小于主QW。在图21C中示出了该实施例的掺杂和组分分布的一种组合。可选地，至少一个薄的AlGaN隔离层由AlN制成，并且至少一个薄的AlGaN隔离层由GaN制成，其厚度在0.1-0.52nm的范围内。
第一QB 32”、最后QB 34”、主QW 330、前QW隔离层331和后QW隔离层332的Al组分可以分别在0.55-0.65、0.55-0.65、0.35-0.55、0.0-1.0和0.0-1.0的范围内。
根据本发明的这一方面设计的MQW有源区随着时间具有高的光产生效率和低的光学功率衰减。
图22示出了根据本发明的另一方面的实施例的N+型AlGaN异质结构24，其包含重度Si掺杂的Al组分调制的AlGaN异质结构。通常，异质结构24可以由具有不同Al组分和厚度的多个AlGaN层形成，所有AlGaN层都被重度Si掺杂至8.0×1018-2.0×1019cm-3。每个单独层的掺杂和厚度遵循等式7，类似于以上结合图2和13给出的讨论。
N+型AlGaN异质结构24的超晶格实施例可以通过AlbGa1-bN势垒240和AlwGa1-wN势阱241多次交替堆叠，均匀地掺杂浓度为ND(cm-3)的Si而形成。因此，根据等式7和8的势垒和势阱厚度满足：LB；
例如，如果b-w＝0.2并且ND＝1019cm-3，则LB,LW≤5nm；如果b-w＝0.2并且ND＝8×1018cm-3，则LB,LW≤6.25nm,等等。
图23A示出了图22所示的异质结构24的超晶格实施例，其中，在异质结构24内Si掺杂水平是恒定的。图23B示出了图23A所示的AlGaN异质结构24的能带图。
图24示出了异质结构24的另一超晶格实施例，其由势垒242和势阱243多次交替堆叠而制成，其中，势垒242包含Siδ-掺杂区2422。
由于异质结构24的势垒层以阻碍电子的垂直传输的方式通过极化界面电荷而倾斜，因此在载流子垂直传输权重大于量子限域的情况下，在异质结构24中，势垒层可以比势阱层薄。
类似于图15所示的实施例，可选地，在势垒240和242之前和之后可能存在前势垒隔离层和后势垒隔离层(未在图22和24中明确示出)。后势垒隔离层和前势垒隔离层由具有与势垒和势阱不同的Al组分的n型AlGaN制成，从而使得势垒和势阱可以具有不同的界面薄层电荷密度，以允许设计异质结构24具有更大的灵活性。后势垒隔离层和前势垒隔离层比势垒和势阱薄。后势垒隔离层和前势垒隔离层可以具有相同的组分或不同的组分。后势垒隔离层和前势垒隔离层的厚度可选地在0.1nm至1.5nm的范围内。
在一个实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层具有比其主势垒高的Al组分。例如，后势垒隔离层和前势垒隔离层可以由0.26-0.52nm厚的AlN层制成。
在另一实施例中，后势垒隔离层和前势垒隔离层具有比势阱低的Al组分。例如，后势垒隔离层和前势垒隔离层可以由0.1-0.52nm厚的GaN层制成。
在根据本发明的这一方面的又一实施例中，至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层由AlGaN薄层制成，其Al组分高于势垒，而至少一个后势垒隔离层和/或前势垒隔离层是由AlGaN薄层制成的，其Al组分小于势阱。可选地，至少一个薄的AlGaN隔离层由AlN制成，并且至少一个薄的AlGaN隔离层由GaN制成，其厚度在0.1-0.52nm的范围内。
根据本发明的又一方面，图25示出了异质结构498的截面示意图，其充当图7所示的UV LED 1的p型接触层。异质结构498包含重度Mg掺杂层，其包括AlGaN层4981、AlGaN势垒4982、AlInGaN势阱4983和AlGaN势垒4984以及重度Si掺杂AlInGaN势阱4985。在图26A中示出了掺杂和组分分布的一种示例性组合，其具有图26B所示的能带图。
AlGaN层4981，与异质结构40的最后一层或其他合适的p型AlGaN结构接触或者作为异质结构40的最后一层或其他合适的p型AlGaN结构，具有较高的Al组分，以确保对MQW30所生成的UV发射的透明性。例如，层4981的Al组分和厚度可以分别在0.5-0.65和2.0-5.0nm的范围内。AlGaN层4981可以是p型掺杂的，诸如Mg掺杂的，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3。势垒4982具有比层4981高的Al组分，例如，比层4981高出0.1-0.5。可选地，势垒4982是薄的Mg掺杂AlN层。势阱4983具有较小的Al组分或没有Al组分，例如，0.0-0.4，或可选地没有Al组分但具有In组分。期望在势垒4982和势阱4983的界面处具有大的组分不连续性，使得在其中生成高密度的负薄层电荷(图26A和26B所示的-σT2)。高密度的界面薄层电荷用于急剧地向下倾斜(tilt down)势阱4983的能带边缘。为此，根据本发明，优选σT2≥3×1013e·cm-2，即，-σT2≤-3×1013e·cm-2。如果势垒4982和势阱4983由AlGaN制成，则这需要势垒4982和势阱4983的Al组分差等于或大于0.6(参照等式8)。
势垒4894也需要具有高的Al组分，可选地由Mg掺杂AlN制成。势阱4985具有小的Al组分或没有Al组分，例如，0.0-0.4，或可选地不具有Al组分但具有In组分。期望在势垒4984和势阱4985的界面处具有大的组分不连续性，使得在其中生成高密度的负薄层电荷(图26A和26B所示的-σT1)。高密度的界面薄层电荷用于急剧地向下倾斜(tilt down)势阱4985的能带边缘。为此，根据本发明，优选σT1≥3×1013e·cm-2，即，-σT1≤-3×1013e·cm-2。如果势垒4984和势阱4985由AlGaN制成，则这需要势垒4984和势阱4985的Al组分差等于或大于0.6(参照等式8)。
利用从势阱4983和4985中去除Al组分并将In组分添加其中，可以根据图5B、5C、6B和6C可以获得高密度电荷的界面薄层(σT1,σT2＞＞3×1013e·cm-2)。在这方面，势垒4982和4984优选地由薄的Mg掺杂AlN制成，并且势阱4983和4985优选地由薄的GaN或InGaN(例如，In组分为0.1-0.3)制成。势垒4982和4984的厚度分别在0.26-2.0nm的范围内，并且势阱4983和4985的厚度分别在0.52-3.0nm的范围内。势垒4982和4984的厚度可以相同或不同。势阱4983和4985的厚度可以相同或不同。势垒4982、4984和势阱4983、4985的超薄膜特征使从p接触62注入的载流子具有良好的垂直导电性，并且使得从MQW 30生成的光子有高的UV透明性。进一步地，势阱4983可以被重度Mg掺杂，在5.0×1019-3.0×1020cm-3的范围内，并且势阱4985可以被重度Si掺杂，在1.0×1019-1.5×1020cm-3的范围内。势垒4982和4984可以是Mg掺杂的，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3。
高密度界面薄层电荷将急剧地向下倾斜窄带隙势阱4983和4985的能带边缘，将势阱4983和4985分别变为p+层，归因于空穴积累，以及变为n+层，归因于电子积累。由于如此形成的p+层(4983)和n+层(4985)在彼此附近(仅被一个薄的AlN层(4984)隔开)，并且势阱4983的价带中的电子在势阱4985的导带中处于较低的能态(参照图26B)，所以在势阱4985上具有正电偏置时，势阱4983的价带中的电子可以隧穿至势阱4985的导带。从势阱4983的价带中提取电子与将空穴注入到势阱4983的价带中是相同的。也就是说，p型接触层异质结构498形成隧穿结，以提供从p欧姆接触61至p型AlGaN异质结构40的载流子注入，进而至MQW30。
由于势阱4985为n+层，归因于表面上的电子积累，因此可以从一大组金属中选择用于制造p欧姆接触61的金属。在一个实施例中，p欧姆接触61可以由薄的Ti/Al/Ti/Au制成，各自层厚为3-40/70-80/10-20/80-100nm，例如，3.5/75/15/90nm。在另一实施例中，p欧姆接触61可以由V/Al/V/Au制成，各自层厚为3-80/70-150/10-50/20-800nm，例如，4.0/100/20/60nm(就像n欧姆接触51一样，需要声明这一点)。诸如镍(Ni)、钨(W)、钯(Pd)、铂(Pt)、铱(Ir)、锇(Os)、铑(Rh)和钼(Mo)等高功函数金属也可以用于p欧姆接触。在一个实施例中，p欧姆接触61由Ni/Rh制成，各自层厚为3-10/30-150nm。在p欧姆接触61中使用Al和Rd增强了UV反射率，从而具有更好的光提取效率。
已经使用示例性实施例描述了本发明。然而，要理解的是，本发明的范围不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在覆盖本领域技术人员无需创造性劳动或过度实验即可获得的各种修改和类似布置或等效物。因此，权利要求的范围应该被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这种修改以及类似的布置和等效物。
此外，本发明的第三方面提供了：
项1.一种用于发光器件或光电探测器的多量子阱结构，其包括交替堆叠的AlGaN势垒和AlGaN势阱，其中，AlGaN势垒和AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是该第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，该表面相对于第i个AlGaN势垒或势阱中的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi是最大体电荷密度，其被所施加的掺杂浓度所允许，位于由电荷薄层生成的第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量。
项2.项1的多量子阱结构，其中，AlGaN势阱中的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层、n型掺杂AlGaN后阱隔离层以及夹设于n型掺杂AlGaN前阱隔离层与n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于AlGaN主势阱的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
项3.项2的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层被Si掺杂，其掺杂浓度分别为1.0×1018-8.0×1018cm-3，AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，其掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3。
项4.项2的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
项5.项2的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分比相邻的AlGaN势垒的Al组分高。
项6.项5的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层由AlN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
项7.项2的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分比AlGaN主势阱的Al组分低。
项8.项7的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
项9.项2的多量子阱结构，其中，n型掺杂前阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分；或者n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于AlGaN势垒的Al组分，并且AlGaN前阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
项10.项9的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层之一由AlN制成且另一个由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
项11.项2的多量子阱结构，进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，该未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与发光器件或光电探测器的p型结构接触。
项12.项1的多量子阱结构，其中，AlGaN势垒中的一个或多个包含一个或多个正电荷薄层，并且两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由该两个相邻的正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度。
项13.项12的多量子阱结构，其中，经由Siδ-掺杂形成正电荷薄层，其薄层掺杂密度等于或大于1012cm-2。
项14.项12的多量子阱结构，其中，包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒包括掺杂浓度为1.0-8.0×1018cm-3的Si掺杂层以及被正电荷薄层隔开的未掺杂层。
项15.项14的多量子阱结构，其中，包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒的Si掺杂层的厚度分别在6-10nm的范围内，并且包含正电荷薄层的每个AlGaN势垒的未掺杂层的厚度分别在2-4nm的范围内。
项16.项12的多量子阱结构，进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，该未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与发光器件或光电探测器的p型结构接触。
项17.项12的多量子阱结构，其中，AlGaN势阱中的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层、n型掺杂AlGaN后阱隔离层以及夹设于n型掺杂AlGaN前阱隔离层与n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于AlGaN主势阱的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
项18.项17的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层和n型掺杂AlGaN后阱隔离层被Si掺杂，其掺杂浓度分别为1.0×1018-8.0×1018cm-3，AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，其掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3。
项19.项17的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
项20.项17的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分比相邻的AlGaN势垒的Al组分高。
项21.项17的多量子阱结构，其中，n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分比AlGaN主势阱的Al组分低。
项22.项17的多量子阱结构，其中，n型掺杂前阱隔离层的Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分；或者n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分高于AlGaN势垒的Al组分，并且AlGaN前阱隔离层的Al组分低于AlGaN主势阱的Al组分。
项23.一种发光二极管，包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，有源区包括项1所述的多量子阱结构。
本发明的第四方面提供了：
项1.一种用于发光器件或光电探测器的异质结构，其包括交替堆叠的n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱，其中，n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，Li是第i个AlbGa1-bN势垒或AlwGa1-wN势阱的厚度，NDi是第i个AlbGa1-bN势垒或AlwGa1-wN势阱的施主浓度(以cm-3为单位)。
项2.项1的异质结构，其中，n型掺杂AlbGa1-bN势垒和n型掺杂AlwGa1-wN势阱被Si掺杂，其掺杂浓度为8.0×1018–2.0×1019cm-3，并且b-w等于或大于0.15。
项3.项2的异质结构，其中，n型掺杂AlbGa1-bN势垒中的一个或多个包含Siδ-掺杂区。
项4.项1的异质结构，其中，分别在至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的两侧形成n型掺杂AlGaN前势垒隔离层和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层，其中，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的Al组分和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的Al组分不同于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的厚度小于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的厚度。
项5.项4的异质结构，其中，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的厚度和n型掺杂AlGaN后势垒隔离层的厚度在0.1nm至1.5nm的范围内。
项6.项4的异质结构，其中，n型掺杂AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分。
项7.项4的异质结构，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分比相邻的n型掺杂AlwGa1-wN势阱的Al组分低。
项8.项4的异质结构，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的n型掺杂AlwGa1- wN势阱的Al组分；或者AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于所述的至少一个n型掺杂AlbGa1-bN势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的Al组分低于相邻的n型掺杂AlwGa1-wN势阱的Al组分。
项9.一种发光器件，包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，n型AlGaN结构包括项1的异质结构。
项10.项9的发光器件，其中，p型AlGaN结构包括p型异质结构，该p型异质结构包括一个或多个p型掺杂AlGaN层，所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个包含插入其中的一个或多个正电荷薄层，其中，两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由该两个相邻的正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度。
项11.项10的发光器件，其中，由所述的一个或多个正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度小于10nm。
项12.项10的发光器件，其中，通过Siδ-掺杂形成所述的一个或多个正电荷薄层，其薄层掺杂密度为1×1011–1×1013cm-2。
项13.项10的发光器件，其中，最靠近发光器件或光电探测器的有源区而放置的p型掺杂AlGaN层，相比于所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层的其余层，其包含更多的正电荷薄层、更高的Al组分和更大的厚度。
项14.项10的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层，与所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层交替地堆叠，其中，在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分高于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分，或者在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分低于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分。
项15.项14的发光器件，其中，正电荷薄层将所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个划分为较薄的前区和较厚的后区。
项16.项10的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括另一p型掺杂AlGaN层，所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层形成于其上，其中，所述的另一p型掺杂AlGaN层的Al组分在0.6-0.8的范围内并且厚度在1.0-5.0nm的范围内。
项17.项9的发光器件，其中，p型AlGaN结构包括p型异质结构，该p型异质结构包括交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱，其中，AlGaN势垒和AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，该表面相对于第i个AlGaN势垒或势阱的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi是最大体电荷密度，其被所施加的掺杂浓度所允许，在由电荷薄层生成的第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量；以及，
其中，AlGaN势垒中的至少一个包括AlGaN前势垒隔离层、AlGaN后势垒隔离层以及夹设于AlGaN前势垒隔离层与AlGaN后势垒隔离层之间的AlGaN主势垒，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分不同于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度小于AlGaN主势垒的厚度。
项18.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度在0.1nm至1.5nm的范围内。
项19.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分。
项20.项19的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由AlN制成并且分别具有在0.26-0.52nm范围内的厚度。
项21.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
项22.项21的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由GaN制成并且分别具有在0.1-0.52nm范围内的厚度。
项23.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分；或者AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
项24.项17的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括另一p型掺杂AlGaN势垒，所述的交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱形成于其上，其中，该另一p型掺杂AlGaN势垒包含主势垒，其与发光器件或光电探测器的MQW有源区的最后一个量子势垒接触，以及后势垒隔离层，交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱中的一个p型掺杂AlGaN势垒形成于其上。
本发明的第五方面提供了：
项1.一种作为p型接触层用于发光器件或光电探测器的p型异质结构，其包括：
第一势垒；
在第一势垒上形成的第一AlInGaN势阱；
在第一AlInGaN势阱上形成的第二AlGaN势垒；以及，
在第二AlGaN势垒上形成的第二AlInGaN势阱；
其中，第一AlGaN势垒的Al组分与第一AlInGaN势阱的Al组分之差等于或大于0.6，并且第二AlGaN势垒的Al组分与第二AlInGaN势阱的Al组分之差等于或大于0.6。
项2.项1的p型接触层，其中，第一AlGaN势垒和第二AlGaN势垒中的至少一个由AlN制成。
项3.项1的p型接触层，其中，第一AlInGaN势阱和第二AlInGaN势阱中的至少一个由InxGa1-xN制成，其中，x等于或小于0.3。
项4.项1的p型接触层，其中，第一AlGaN势垒的厚度和第二AlGaN势垒的厚度分别在0.26-2.0nm的范围内。
项5.项1的p型接触层，其中，第一AlInGaN势阱的厚度和第二AlInGaN势阱的厚度分别在0.52-3.0nm的范围内。
项6.项1的p型接触层，其中，第一AlInGaN势阱为p型掺杂，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3，并且第二AlInGaN势阱为n型掺杂，其掺杂浓度为1.0×1019–1.5×1020cm-3。
项7.项1的p型接触层，其中，第一AlGaN势垒为p型掺杂，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3，并且第二AlGaN势垒为p型掺杂，其掺杂浓度为5×1019–3.0×1020cm-3。
项8.项1的p型接触层，进一步包括所述第一AlGaN势垒形成于其上的AlGaN层，其中，该第一AlGaN势垒形成于其上的AlGaN层具有比第一AlGaN势垒的Al组分低的Al组分且在0.5-0.65范围内，厚度在2.0-5.0nm范围内，并且是p型掺杂的，其掺杂浓度为5.0×1019–3.0×1020cm-3。
项9.一种发光器件，包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；
夹设于n型AlGaN结构与p型AlGaN结构之间的有源区；以及，
形成在p型AlGaN结构上的p型接触机构，其中，p型接触机构包括项1所述的p型接触层。
项10.项9的发光器件，其中，p型AlGaN结构包括p型异质结构，该p型异质结构包括一个或多个p型掺杂AlGaN层，所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个包含插入其中的一个或多个正电荷薄层，其中，两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由该两个相邻的正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度。
项11.项10的发光器件，其中，由所述的一个或多个正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度小于10nm。
项12.项10的发光器件，其中，通过Siδ-掺杂形成所述的一个或多个正电荷薄层，其薄层掺杂密度为1×1011–1×1013cm-2。
项13.项10的发光器件，其中，最靠近发光器件或光电探测器的有源区而放置的p型掺杂AlGaN层，相比于所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层的其他层，其包含更多的正电荷薄层、更高的Al组分和更大的厚度。
项14.项10的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层，与所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层交替地堆叠，其中，在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分高于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分，或者在其中不包含正电荷薄层的多个p型掺杂AlGaN层中的每一个的Al组分低于相邻的包含一个或多个正电荷薄层的p型掺杂AlGaN层的Al组分。
项15.项14的发光器件，其中，正电荷薄层将所述的包含一个或多个正电荷薄层的一个或多个p型掺杂AlGaN层中的每一个划分为较薄的前区和较厚的后区。
项16.项10的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括另一p型掺杂AlGaN层，所述的一个或多个p型掺杂AlGaN层形成于其上，其中，所述的另一p型掺杂AlGaN层的Al组分在0.6-0.8的范围内并且厚度在1.0-5.0nm的范围内。
项17.项9的发光器件，其中，p型AlGaN结构包括p型异质结构，该p型异质结构包括交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱，其中，AlGaN势垒和AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，该表面相对于第i个AlGaN势垒或势阱的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi是最大体电荷密度，其被所施加的掺杂浓度所允许，位于由电荷薄层生成的第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量；以及，
其中，AlGaN势垒中的至少一个包括AlGaN前势垒隔离层、AlGaN后势垒隔离层以及夹设于AlGaN前势垒隔离层与AlGaN后势垒隔离层之间的AlGaN主势垒，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分不同于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度小于AlGaN主势垒的厚度。
项18.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的厚度和AlGaN后势垒隔离层的厚度在0.1nm至1.5nm的范围内。
项19.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分。
项20.项19的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由AlN制成并且分别具有在0.26-0.52nm范围内的厚度。
项21.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分和AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
项22.项21的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层和AlGaN后势垒隔离层由GaN制成并且分别具有在0.1-0.52nm范围内的厚度。
项23.项17的发光器件，其中，AlGaN前势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN后势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分；或者AlGaN后势垒隔离层的Al组分高于AlGaN主势垒的Al组分，并且AlGaN前势垒隔离层的Al组分低于相邻的AlGaN势阱的Al组分。
项24.项17的发光器件，其中，p型异质结构进一步包括另一p型掺杂AlGaN势垒，所述的交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱形成于其上，其中，该另一p型掺杂AlGaN势垒包含主势垒，其与发光器件或光电探测器的MQW有源区的最后一个量子势垒接触，以及后势垒隔离层，交替堆叠的p型掺杂AlGaN势垒和p型掺杂AlGaN势阱中的一个p型掺杂AlGaN势垒形成于其上。
Claims (23)
1.一种用于发光器件或光电探测器的多量子阱结构，包括交替堆叠的AlGaN势垒和AlGaN势阱，其中，所述AlGaN势垒和所述AlGaN势阱中的每一个的厚度分别满足：
其中，hi是第i个AlGaN势垒或势阱的厚度；σi是所述第i个AlGaN势垒或势阱的表面上的电荷薄层的薄层电荷密度，所述表面相对于所述第i个AlGaN势垒或势阱中的净激活掺杂剂带相反的电荷；以及ρ0i＝eNDi-eNAi是最大体电荷密度，被所施加的掺杂浓度所允许，位于由所述电荷薄层生成的所述第i个AlGaN势垒或势阱的耗尽区中，NDi和NAi分别是所述第i个AlGaN势垒或势阱中的施主和受主浓度，e是基本电荷电量。
2.根据权利要求1所述的多量子阱结构，其中，所述AlGaN势阱中的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层、n型掺杂AlGaN后阱隔离层以及夹设于所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层与所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于所述AlGaN主势阱的Al组分，并且所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于所述AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
3.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层被Si掺杂，掺杂浓度分别为1.0×1018-8.0×1018cm-3，所述AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，所述AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3。
4.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
5.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分比相邻的AlGaN势垒的Al组分高。
6.根据权利要求5所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层由AlN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
7.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的所述Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分比所述AlGaN主势阱的所述Al组分低。
8.根据权利要求7所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
9.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的所述Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分低于所述AlGaN主势阱的所述Al组分；或者所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分高于所述AlGaN势垒的Al组分，并且所述AlGaN前阱隔离层的所述Al组分低于所述AlGaN主势阱的所述Al组分。
10.根据权利要求9所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层之一由AlN制成且另一个由GaN制成，并且厚度分别在0.1-0.52nm的范围内。
11.根据权利要求2所述的多量子阱结构，进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，所述未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在所述AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与所述发光器件或光电探测器的p型结构接触。
12.根据权利要求1所述的多量子阱结构，其中，所述AlGaN势垒中的一个或多个包含一个或多个正电荷薄层，并且两个相邻的正电荷薄层之间的距离大于由所述两个相邻的正电荷薄层中的任何一个所生成的耗尽区的耗尽深度。
13.根据权利要求12所述的多量子阱结构，其中，经由Siδ-掺杂形成所述正电荷薄层，薄层掺杂密度等于或大于1012cm-2。
14.根据权利要求12所述的多量子阱结构，其中，包含所述正电荷薄层的每个所述AlGaN势垒包括掺杂浓度为1.0-8.0×1018cm-3的Si掺杂层以及被所述正电荷薄层隔开的未掺杂层。
15.根据权利要求14所述的多量子阱结构，其中，包含所述正电荷薄层的每个所述AlGaN势垒的所述Si掺杂层的厚度分别在6-10nm的范围内，并且包含所述正电荷薄层的每个所述AlGaN势垒的所述未掺杂层的厚度分别在2-4nm的范围内。
16.根据权利要求12所述的多量子阱结构，进一步包括未掺杂的AlGaN势垒，所述未掺杂的AlGaN势垒在一侧形成在所述AlGaN势阱中的一个上，并且在另一侧与所述发光器件或光电探测器的p型结构接触。
17.根据权利要求12所述的多量子阱结构，其中，所述AlGaN势阱中的一个或多个包括n型掺杂AlGaN前阱隔离层、n型掺杂AlGaN后阱隔离层以及夹设于所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层与所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层之间的AlGaN主势阱，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的Al组分不同于所述AlGaN主势阱的Al组分，并且所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度小于所述AlGaN主势阱的厚度和相邻的AlGaN势垒的厚度。
18.根据权利要求17所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层被Si掺杂，掺杂浓度分别为1.0×1018-8.0×1018cm-3，所述AlGaN主势阱不掺杂或被Si掺杂，掺杂浓度小于5.0×1017cm-3，所述AlGaN势垒中的至少一个被Si掺杂，掺杂浓度为1.0×1018-8.0×1018cm-3。
19.根据权利要求17所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的厚度和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的厚度分别在0.1nm至0.52nm的范围内。
20.根据权利要求17所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的所述Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分比相邻的AlGaN势垒的Al组分高。
21.根据权利要求17所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的所述Al组分和所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分比所述AlGaN主势阱的所述Al组分低。
22.根据权利要求17所述的多量子阱结构，其中，所述n型掺杂AlGaN前阱隔离层的所述Al组分高于相邻的AlGaN势垒的Al组分，并且所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分低于所述AlGaN主势阱的所述Al组分；或者所述n型掺杂AlGaN后阱隔离层的所述Al组分高于所述AlGaN势垒的Al组分，并且所述AlGaN前阱隔离层的所述Al组分低于所述AlGaN主势阱的所述Al组分。
23.一种发光二极管，包括：
n型AlGaN结构；
p型AlGaN结构；以及，
夹设于所述n型AlGaN结构与所述p型AlGaN结构之间的有源区，
其中，所述有源区包括根据权利要求1所述的多量子阱结构。
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