本申請要求于2014年5月27日提交的且標(biāo)題為“Advanced Electronic Device Structures Using Semiconductor Structures and Superlattices”的澳大利亞臨時專利申請?zhí)?014902008的優(yōu)先權(quán)，所述臨時專利申請以引用的方式整體并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及通常使用極性III-N半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和超晶格的高級電子裝置結(jié)構(gòu)。確切地說，本發(fā)明涉及但不限于特別適于發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)選地用于在190nm至280nm的波長范圍中操作的紫外線(UV)和深UV(DUV)LED。雖然主要參考UV和DUV LED描述本發(fā)明，但是應(yīng)了解，這些僅是優(yōu)選的應(yīng)用，并且其它應(yīng)用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可能是明顯的。

背景技術(shù)：

諸如氮化鋁鎵(AlGaN)等寬帶隙半導(dǎo)體具有眾所周知的差導(dǎo)電性p型或n型產(chǎn)生的限制，尤其對于使用雜質(zhì)原子替代性摻雜方法的p型材料。目前，最高p型受主密度在p-GaN中實現(xiàn)，其中隨著鋁摩爾分?jǐn)?shù)增加，帶隙不斷增加，可用空穴濃度大幅降低。這限制關(guān)于在例如AlGaN和更具體地AlGaInN半導(dǎo)體的充分寬帶隙成分中實現(xiàn)電子級高n型和p型施主和受主濃度的DUV LED開發(fā)。

DUV LED通常通過直接帶隙晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子和空穴的有利空間復(fù)合實現(xiàn)光學(xué)發(fā)射。它們在根本上作為兩個電氣端口裝置操作，并且由具有發(fā)射區(qū)域的p-i-n或p-n異質(zhì)結(jié)二極管中的至少一個構(gòu)建而成，所述發(fā)射區(qū)大致上局限為p型區(qū)域與n型區(qū)域之間的區(qū)域。如果發(fā)射能量小于包括二極管的p型和n型覆層中的至少一個的帶隙能量，那么光載流子生成的光線可以從所述裝置內(nèi)逸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

III-N裝置開發(fā)中的p型摻雜限制是開發(fā)商業(yè)上可行的DUV LED的最大制約因素中的一個。因此，需要改進(jìn)的雜質(zhì)摻雜劑，尤其對于III-N材料中的p型特征。

在一個形式中，提供一種形成p型或n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，雖然其無需是唯一的或確實是最廣泛的形式。所述方法包括：

沿生長軸生長具有極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，所述生長軸大致上平行于所述晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化軸；以及

沿所述生長軸將所述半導(dǎo)體的成分單調(diào)地從較寬帶隙(WBG)材料改變成較窄帶隙(NBG)材料，或者從NBG材料改變成WBG材料，以誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性。

優(yōu)選地，半導(dǎo)體的成分包括：至少兩種類型的金屬原子陽離子；以及非金屬原子陰離子。

優(yōu)選地，非金屬原子陰離子是氮或氧。

優(yōu)選地，改變半導(dǎo)體的成分包括：沿生長軸改變所述成分中的至少兩種類型的金屬原子陽離子中的一個或多個的摩爾分?jǐn)?shù)。

優(yōu)選地，通過以下方式誘發(fā)p型導(dǎo)電性：

沿所述生長軸生長具有陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體以及將所述半導(dǎo)體的所述成分單調(diào)地從WBG材料改變成NBG材料；或者

沿所述生長軸生長具有陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體以及將所述半導(dǎo)體的所述成分單調(diào)地從NBG材料改變成WBG材料。

優(yōu)選地，通過以下方式誘發(fā)n型導(dǎo)電性：

沿所述生長軸生長具有陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體以及將所述半導(dǎo)體的所述成分單調(diào)地從NBG材料改變成WBG材料；或者

沿所述生長軸生長具有陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體以及將所述半導(dǎo)體的所述成分單調(diào)地從WBG材料改變成NBG材料。

優(yōu)選地，極性晶體結(jié)構(gòu)是極性纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，沿生長軸以連續(xù)方式或階式方式改變半導(dǎo)體的成分。

合適地，從第III族金屬氮化物成分選擇半導(dǎo)體的成分。

合適地，從以下中選擇半導(dǎo)體的成分：氮化鋁鎵(Al_xGa_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0≤(x+y)≤1；以及氧化鎂鋅(Mg_xZn_x-1O)，其中0≤x≤1。

合適地，所述方法進(jìn)一步包括：在半導(dǎo)體的成分中包括雜質(zhì)摻雜劑，以增強誘發(fā)的p型或n型導(dǎo)電性。

在另一形式中，提供一種形成包括多個單位晶胞的p型或n型半導(dǎo)體超晶格的方法，每一單位晶胞包括由大致單晶半導(dǎo)體形成的至少兩個獨特層。所述方法包括：

沿生長軸生長具有極性晶體結(jié)構(gòu)的所述超晶格，所述生長軸大致上平行于所述晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化軸；以及

沿所述生長軸將所述超晶格的所述單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于較寬帶隙(WBG)材料的平均成分改變成對應(yīng)于較窄帶隙(NBG)材料的平均成分或者從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分，以誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性。

優(yōu)選地，通過以下方式誘發(fā)p型導(dǎo)電性：

沿所述生長軸生長具有陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述超晶格以及將所述單位晶胞的所述平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于WBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于NBG材料的平均成分；或者

沿所述生長軸生長具有陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述超晶格以及將所述單位晶胞的所述平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分。

優(yōu)選地，通過以下方式誘發(fā)n型導(dǎo)電性：

沿所述生長軸生長具有陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述超晶格以及將所述單位晶胞的所述平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分；或者

沿所述生長軸生長具有陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的所述超晶格以及將所述單位晶胞的所述平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于WBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于NBG材料的平均成分。

優(yōu)選地，陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)是氮極性晶體結(jié)構(gòu)或氧極性晶體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)是金屬極性晶體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，沿生長軸以連續(xù)方式或階式方式改變單位晶胞的平均成分。

合適地，通過改變單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個的厚度改變單位晶胞的平均成分。

合適地，單位晶胞的厚度沿生長軸是恒定的。

合適地，從以下中選擇單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個的成分：

氮化鎵(GaN)；

氮化鋁(AlN)；

氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)，其中0≤x≤1；

氮化硼鋁B_xAl_1-xN，其中0≤x≤1；以及

氮化鋁鎵銦(Al_xGa_yIn_1-x-yN)，其中0≤x≤1、0≤y≤1且0≤(x+y)≤1。

合適地，從以下中選擇單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個的成分：

氧化鎂(MgO)；

氧化鋅(ZnO)；以及

氧化鎂鋅(Mg_xZn_1-xO)，其中0≤x≤1。

優(yōu)選地，每一單位晶胞的至少兩個獨特層各自具有小于各自層中的電荷載流子的德布羅意波長的厚度。

優(yōu)選地，每一單位晶胞的至少兩個獨特層各自具有小于或等于維持彈性應(yīng)變所需要的臨界層厚度的厚度。

合適地，所述方法進(jìn)一步包括：在每一單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個中包括雜質(zhì)摻雜劑，以增強誘發(fā)的p型或n型導(dǎo)電性。

在另一形式中，提供一種形成復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括：形成兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格各自根據(jù)本文先前所描述的方法形成。

合適地，形成復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)一步包括翻轉(zhuǎn)兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的兩個之間的材料的極性類型。

合適地，兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第一個具有沿生長軸的較大成分改變，并且兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第二個具有沿生長軸的較小成分改變。

合適地，兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第一個誘發(fā)重p型導(dǎo)電性，并且兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第二個包括輕p型導(dǎo)電性。

在另一形式中，提供一種形成發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括：

沿生長軸，在較寬帶隙(WBG)n型區(qū)域與較窄帶隙(NBG)p型區(qū)域之間生長具有極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在所述極性晶體結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化軸平行于所述生長軸，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括成分單調(diào)地從鄰近所述WBG n型區(qū)域的較寬帶隙(WBG)材料改變成鄰近所述NBG p型區(qū)域的較窄帶隙(NBG)材料的半導(dǎo)體。

在另一形式中，提供一種形成發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括：

沿生長軸，在較寬帶隙(WBG)n型區(qū)域與較窄帶隙(NBG)p型區(qū)域之間生長包括多個單位晶胞的超晶格，每一單位晶胞包括由大致單晶半導(dǎo)體形成的至少兩個獨特層，所述超晶格具有極性晶體結(jié)構(gòu)，在所述極性晶體結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化軸平行于所述生長軸，并且所述單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于鄰近所述WBG n型區(qū)域的單位晶胞中的較寬帶隙(WBG)材料的平均成分改變成對應(yīng)于鄰近所述NBG p型區(qū)域的單位晶胞中的較窄帶隙(NBG)材料的平均成分。

優(yōu)選地，在WBG n型區(qū)域或NBG p型區(qū)域前面在襯底上生長緩沖區(qū)域或位錯過濾區(qū)域。

合適地，如果在NBG p型區(qū)域之前生長WBG n型區(qū)域，那么所述襯底被選為藍(lán)寶石(Al₂O₃)襯底或氮化鋁(AlN)襯底；或者如果在WBG n型區(qū)域之前生長NBG p型區(qū)域，那么所述襯底被選為硅襯底或氮化鎵(GaN)襯底。

在另一形式中，提供根據(jù)本文先前所描述的方法形成的p型或n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

在另一形式中，提供根據(jù)本文先前所描述的方法形成的p型或n型半導(dǎo)體超晶格。

在另一形式中，提供根據(jù)本文先前所描述的方法形成的復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

在另一形式中，提供根據(jù)本文先前所描述的方法形成的發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)。

在另一形式中，提供具有極性晶體結(jié)構(gòu)的p型或n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述極性晶體結(jié)構(gòu)具有大致上平行于極性晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化軸的生長軸，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的成分沿生長軸單調(diào)地從較寬帶隙(WBG)材料改變成較窄帶隙(NBG)材料，或者從NBG材料改變成WBG材料，以誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性。

在另一形式中，提供包括多個單位晶胞的p型或n型半導(dǎo)體超晶格，每一單位晶胞包括由大致單晶半導(dǎo)體形成的至少兩個獨特層，所述超晶格具有極性晶體結(jié)構(gòu)，所述極性晶體結(jié)構(gòu)具有大致上平行于極性晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化軸的生長軸，所述超晶格的單位晶胞的平均成分沿生長軸單調(diào)地從對應(yīng)于較寬帶隙(WBG)材料的平均成分改變成對應(yīng)于較窄帶隙(NBG)材料的平均成分或者從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分，以誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性。

在另一形式中，提供包括本文先前所描述的兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格的復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

在另一形式中，提供發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括：形成在較寬帶隙(WBG)n型區(qū)域與較窄帶隙(NBG)p型區(qū)域之間的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有極性晶體結(jié)構(gòu)，在所述極性晶體結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化軸平行于晶體結(jié)構(gòu)的生長軸，并且所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括成分單調(diào)地從鄰近WBG n型區(qū)域的較寬帶隙(WBG)材料改變成鄰近NBG p型區(qū)域的較窄帶隙(NBG)材料的半導(dǎo)體。

在另一形式中，提供發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括：形成在較寬帶隙(WBG)n型區(qū)域與較窄帶隙(NBG)p型區(qū)域之間的超晶格，所述超晶格包括多個單位晶胞，每一單位晶胞包括由大致單晶半導(dǎo)體形成的至少兩個獨特層，所述超晶格具有極性晶體結(jié)構(gòu)，所述極性晶體結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化軸平行于晶體結(jié)構(gòu)的生長軸，并且所述單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于鄰近WBG n型區(qū)域的單位晶胞中的較寬帶隙(WBG)材料的平均成分改變成對應(yīng)于鄰近NBG p型區(qū)域的單位晶胞中的較窄帶隙(NBG)材料的平均成分。

在另一形式中，提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括：

p型超晶格區(qū)域；

i型超晶格區(qū)域；以及

n型超晶格區(qū)域；

其中所述p型超晶格區(qū)域、所述i型超晶格區(qū)域和所述n型超晶格區(qū)域中的至少一個包括平均成分從對應(yīng)于較寬帶隙(WBG)材料的平均成分至對應(yīng)于較窄帶隙(NBG)材料的平均成分或者從對應(yīng)于NBG材料的平均成分至對應(yīng)于WBG材料的平均成分的單調(diào)改變，以使得每一區(qū)域之間的界面處不存在極化的突變。

優(yōu)選地，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括鄰近p型超晶格區(qū)域的p型GaN區(qū)域。

根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的更多特征和優(yōu)點將變得明顯。

附圖說明

附圖以及以下詳細(xì)描述并入本說明書中且形成本說明書的一部分，并且用來進(jìn)一步說明包括請求保護(hù)的本發(fā)明的概念的實施方案，并且解釋這些實施方案的各種原理和優(yōu)點，在所述附圖中貫穿單獨視圖相同參考編號指代相同或功能類似的要素。

圖1圖示穿過具有金屬極性取向(在左側(cè)上)或氮極性取向(在右側(cè)上)的纖維鋅礦第III族金屬氮化物晶體的平板的截面視圖。

圖2圖示用于表示具有同等AlN和GaN比例的有序塊狀合金或雙層超晶格的金屬極性纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)。

圖3A圖示具有塊狀材料的線性梯度區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

圖3B圖示用于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的帶隙圖。

圖3C圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的誘發(fā)的壓電電荷密度的空間變化。

圖3D圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的誘發(fā)的熱電電荷密度的空間變化。

圖3E圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的空間帶結(jié)構(gòu)。

圖3F圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的面積電子濃度和面積重空穴(HH)濃度的估計的空間變化。

圖3G圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的最低能量傳導(dǎo)帶邊緣中的區(qū)中心變化的詳細(xì)繪圖。

圖3H圖示關(guān)于三個最高位價帶邊緣中的區(qū)中心變化的詳細(xì)繪圖。

圖3I圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的全空間區(qū)中心帶結(jié)構(gòu)。

圖3J圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的估計的傳導(dǎo)對比金屬極性或氮極性取向的詳細(xì)繪圖。

圖3K圖示關(guān)于圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的估計的化合價重空穴(HH)對比金屬極性或氮極性取向的詳細(xì)繪圖。

圖3L圖示關(guān)于諸如圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)等線性漸變帶隙的光學(xué)矯正效果，示出從所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行光子耦合輸出的優(yōu)選方向。

圖3M圖示圖3A中圖示的結(jié)構(gòu)的XRD模擬。

圖4A圖示具有塊狀材料的階式梯度區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

圖4B圖示關(guān)于圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)的帶隙圖。

圖4C圖示關(guān)于圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)的空間依賴性全帶結(jié)構(gòu)。

圖4D圖示根據(jù)關(guān)于圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)的生長距離的區(qū)中心傳導(dǎo)帶變化。

圖4E圖示根據(jù)關(guān)于圖4A中圖示的HH、LH和CH帶結(jié)構(gòu)的生長距離的區(qū)中心價帶邊緣變化。

圖4F圖示關(guān)于圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)的誘發(fā)的壓電電荷密度的空間變化。

圖4G圖示關(guān)于圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)的誘發(fā)的熱電電荷密度的空間變化。

圖4H圖示圖4A中圖示的結(jié)構(gòu)內(nèi)生成的電子和重空穴(HH)載流子濃度。

圖5A圖示具有非故意摻雜的線性啁啾超晶格成分的結(jié)構(gòu)，所述成分具有固定周期。

圖5B圖示關(guān)于圖5A中圖示的結(jié)構(gòu)的帶隙圖。

圖5C圖示圖5A中圖示的結(jié)構(gòu)的變化。

圖5D圖示圖5C中圖示的結(jié)構(gòu)的全區(qū)中心空間帶結(jié)構(gòu)。

圖6圖示P上LED結(jié)構(gòu)。

圖7圖示P下LED結(jié)構(gòu)。

圖8圖示關(guān)于由AlN/GaN的兩次重復(fù)構(gòu)建而成的半無限超晶格的空間帶能繪圖。

圖9圖示關(guān)于包括二進(jìn)制雙層超晶格的故意有序超晶格的價帶分散。

圖10A圖示不存在壓電場和熱電場的線性啁啾超晶格的空間帶結(jié)構(gòu)。

圖10B圖示應(yīng)用極化場的線性啁啾超晶格的空間帶結(jié)構(gòu)。

圖11A圖示關(guān)于線性啁啾超晶格的電子和重空穴化合價量子化能。

圖11B圖示關(guān)于線性啁啾超晶格的密閉空間波函數(shù)。

圖12A圖示根據(jù)一些實施方案的用于生成p-n二極管的電氣和光學(xué)部分的堆疊。

圖12B圖示超晶格的單位晶胞中用于實現(xiàn)所需的平均合金成分的GaN層和AlN層的厚度。

圖12C圖示圖12A中的堆疊中的n:SL和i:CSL中的每一個的根據(jù)沿生長軸的周期的平均合金含量。

圖12D示出圖12A中的堆疊的傳導(dǎo)和重空穴帶的計算的空間能帶結(jié)構(gòu)。

圖12E示出圖12A的堆疊中誘發(fā)的電子和空穴載流子濃度。

圖12F示出圖12A的堆疊內(nèi)的計算的最低能量n＝1量子化的電子空間波函數(shù)。

圖12G示出圖12A的堆疊內(nèi)的計算的最低能量n＝1量子化的重空穴空間波函數(shù)

圖12H示出圖12A的堆疊內(nèi)的最低能量n＝1量子化的電子和重空穴空間波函數(shù)之間的計算的重疊積分。

圖12I示出關(guān)于圖12A的堆疊的計算的光學(xué)發(fā)射譜

圖13A圖示根據(jù)一些實施方案的用于生成p-i-n二極管的電氣和光學(xué)部分的堆疊。

圖13B示出圖13A中的堆疊的傳導(dǎo)和重空穴帶的計算的空間能帶結(jié)構(gòu)。

圖13C示出圖13A的堆疊中誘發(fā)的電子和空穴載流子濃度。

圖13D示出圖13A的堆疊內(nèi)的最低能量n＝1量子化的電子和重空穴空間波函數(shù)之間的計算的重疊積分。

圖13E示出關(guān)于圖13A的堆疊的計算的光學(xué)發(fā)射譜。

圖14圖示示例性兩個端口的LED結(jié)構(gòu)。

圖15圖示關(guān)于啁啾周期和恒定x_ave超晶格的梯度模式生長序列。

圖16圖示使用從類型X2+或X4+的原子種類選擇的中間層的纖維鋅礦有序AlN/GaN超晶格的極化型翻轉(zhuǎn)(flip)。

圖17圖示形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。

圖18A圖示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

圖18B圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18C圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18D圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18E圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18F圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18G圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

圖18H圖示關(guān)于根據(jù)圖18A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的裝置的帶能結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，附圖中的要素是為了簡單和清楚而圖示的，且不一定按比例繪制。例如，附圖中的要素中的一些的尺寸可能相對于其它要素被放大，以有助于增進(jìn)對本發(fā)明的實施方案的理解。

在附圖中適當(dāng)?shù)牡胤接蓚鹘y(tǒng)符號表示的組件僅顯示與理解本發(fā)明的實施方案有關(guān)的那些特定細(xì)節(jié)，以免對于受益于本文的描述內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說容易明顯的細(xì)節(jié)混淆本公開。

具體實施方式

大體而言，本發(fā)明涉及具有諸如纖維鋅礦極性晶體結(jié)構(gòu)的極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體超晶格的生長，并且所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體超晶格沿生長軸生長(生長方向)，其中晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化軸大致上平行于生長軸。所述極性晶體結(jié)構(gòu)通常特征是具有晶格，所述晶格當(dāng)沿極化軸沉積時擁有非反對稱性、自發(fā)極化軸和獨特生長取向。

超晶格包括多個單位晶胞，每一單位晶胞包括由大致單晶半導(dǎo)體形成的至少兩個獨特層。在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體超晶格是短周期超晶格(SPSL)。通過沿生長軸單調(diào)地改變半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體的成分或者超晶格的單位晶胞的總成分或平均成分來對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體超晶格的特性進(jìn)行設(shè)計。所述成分的改變在本文中也被稱作漸變模式或漸變區(qū)域。例如，沿生長軸以連續(xù)方式或逐步方式改變半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體的成分或單位晶胞的平均成分。

在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體的成分包括至少一種類型且優(yōu)選地至少兩種類型的金屬原子陽離子和非金屬原子陰離子。然而，在一些實施方案中，半導(dǎo)體的成分包括多于一種類型的非金屬原子陰離子。例如，非金屬原子陰離子可能是氮或氧。在一些實施方案中，通過沿生長軸改變所述成分中的至少兩種類型的金屬原子陽離子中的一個或多個的摩爾分?jǐn)?shù)來改變半導(dǎo)體的成分。在一些實施方案中，通過改變單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個的厚度改變超晶格中的單位晶胞的平均成分。在優(yōu)選實施方案中，每一單位晶胞的至少兩個獨特層各自具有小于相應(yīng)層中的例如電子或空穴的電荷載流子的de Broglie波長的厚度。在優(yōu)選實施方案中，每一單位晶胞的至少兩個獨特層還各自具有小于或等于維持彈性應(yīng)變所需要的臨界層厚度的厚度。

在優(yōu)選實施方案中，沿生長軸將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的成分單調(diào)地從較寬帶隙(WBG)材料改變成較窄帶隙(NBG)材料，或者從NBG材料改變成WBG材料。這可以誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性，以及使得半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為p型或n型。

例如，可通過沿生長軸生長具有諸如金屬極性晶體結(jié)構(gòu)等陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體以及將半導(dǎo)體的成分單調(diào)地從WBG材料改變成NBG材料來誘發(fā)p型導(dǎo)電性。或者，可通過沿生長軸生長具有諸如氮極性晶體結(jié)構(gòu)或氧極性晶體結(jié)構(gòu)等陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體以及將半導(dǎo)體的成分單調(diào)地從NBG材料改變成WBG材料來誘發(fā)p型導(dǎo)電性。

例如，可通過沿生長軸生長具有諸如金屬極性晶體結(jié)構(gòu)等陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體以及將半導(dǎo)體的成分單調(diào)地從NBG材料改變成WBG材料來誘發(fā)n型導(dǎo)電性?；蛘?，可通過沿生長軸生長具有諸如氮極性晶體結(jié)構(gòu)或氧極性晶體結(jié)構(gòu)等陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體以及將半導(dǎo)體的成分單調(diào)地從WBG材料改變成NBG材料來誘發(fā)n型導(dǎo)電性。

類似地，在優(yōu)選實施方案中，對半導(dǎo)體超晶格進(jìn)行設(shè)計，例如以通過沿生長軸將超晶格的單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于較寬帶隙(WBG)材料的平均成分改變成對應(yīng)于較窄帶隙(NBG)材料的平均成分或者從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分來誘發(fā)p型或n型導(dǎo)電性。

例如，可通過沿生長軸生長具有諸如金屬極性晶體結(jié)構(gòu)等陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的超晶格以及將單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于WBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于NBG材料的平均成分來誘發(fā)p型導(dǎo)電性。或者，可通過沿生長軸生長具有諸如氮極性晶體結(jié)構(gòu)或氧極性晶體結(jié)構(gòu)等陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的超晶格以及將單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分來誘發(fā)p型導(dǎo)電性。

例如，可通過沿生長軸生長具有諸如金屬極性晶體結(jié)構(gòu)等陽離子極性晶體結(jié)構(gòu)的超晶格以及將單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于NBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于WBG材料的平均成分來誘發(fā)n型導(dǎo)電性?；蛘撸赏ㄟ^沿生長軸生長具有諸如氮極性晶體結(jié)構(gòu)或氧極性晶體結(jié)構(gòu)等陰離子極性晶體結(jié)構(gòu)的超晶格以及將單位晶胞的平均成分單調(diào)地從對應(yīng)于WBG材料的平均成分改變成對應(yīng)于NBG材料的平均成分來誘發(fā)n型導(dǎo)電性。

例如在諸如LED等半導(dǎo)體裝置中使用的復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以由兩個或多個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格形成。例如，可通過將兩個或多個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格連續(xù)地一個堆疊在另一個之上來形成復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。如果必要，則材料的極性類型可在兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的兩個之間翻轉(zhuǎn)。

發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)可以使用WBG n型區(qū)域與NBG p型區(qū)域之間的例如像i型區(qū)域的漸變區(qū)域形成，和/或通過使用如n型區(qū)域或p型區(qū)域的漸變區(qū)域形成。以此方式，可形成發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)，以使得每一區(qū)域之間的界面處不存在極化的突變。

在優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體超晶格由第III族金屬氮化物(III-N)化合物形成，所述化合物例如：氮化鎵(GaN)；氮化鋁(AlN)；氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)，其中0≤x≤1；氮化硼鋁B_xAl_1-xN，其中0≤x≤1；或者氮化鋁鎵銦(Al_xGa_yIn_1-x-yN)，其中0≤x≤1、0≤y≤1且0≤(x+y)≤1。然而，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體超晶格可以由其它化合物形成，所述化合物例如氧化鎂(MgO)；氧化鋅(ZnO)；以及氧化鎂鋅(Mg_xZn_1-xO)，其中0≤x≤1。在一些實施方案中，雜質(zhì)摻雜劑也包括在半導(dǎo)體的成分中，或者包括在每一單位晶胞的至少兩個獨特層中的一個或多個中，以增強誘發(fā)的p型或n型導(dǎo)電性。

III-N化合物容易在被分類為纖維鋅礦型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定六方晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)晶。這些III-N纖維鋅礦結(jié)構(gòu)可以沉積在襯底上。例如，所述結(jié)構(gòu)可以外延沉積在原子級平滑的二維六方晶體襯底表面上，所述表面可能由3維體晶的有利地終止的平面形成。理想地，所述襯底是原子級平滑的，并且由同質(zhì)原子種類的最頂端原子層組成。另外，表面層原子鍵合類型和平面內(nèi)晶格常數(shù)與形成晶格匹配或贗晶外延生長相稱。

纖維鋅礦III-N晶體的顯著性質(zhì)在于金屬-氮鍵的高極性性質(zhì)，所述性質(zhì)迫使垂直于襯底表面平面(通常被稱為‘晶體平面’或‘c平面’)的纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性。根據(jù)形成非同質(zhì)晶體表面上的外延層的第一原子種類(例如，氮或金屬)，存在如圖1中所示的兩個獨特且物理上可區(qū)分的纖維鋅礦晶體取向。圖1中所示的兩個晶體取向被稱為分別具有金屬極性外延102或氮極性外延122的金屬極性100或氮極性120。

可以利用晶體平面內(nèi)的極化效應(yīng)來操縱關(guān)于本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同特性?；蛘?，可以形成纖維鋅礦III-N(wz-III-N)塊狀襯底或厚III-N膜，其具有相對于垂直于c平面的方向的優(yōu)選晶體極性取向。

可使用準(zhǔn)確控制的沉積工藝來形成故意有序假合金，以在襯底200上形成例如GaN 210和AlN 220的單層(ML)或部分單層膜，如圖2中所示。使用0.5ML GaN 210至0.5ML AlN 220的重復(fù)單位晶胞形成的理想超晶格可以形成如圖所示的理想有序Al_0.5Ga_0.5N合金。然而，應(yīng)了解的是，也可以沉積包括單位晶胞的GaN和AlN的其它層厚度。圖2中所圖示的結(jié)構(gòu)被視為是理想的，展示出相較于塊狀合金中的等效隨機排列金屬陽離子的優(yōu)質(zhì)壓電和熱電極化。

圖3A圖示呈使用塊狀材料形成的二極管300形式的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。沿生長軸310的按順序，二極管300具有：下部纖維鋅礦金屬層320與包括n型Al_0.8Ga_0.2N WBG發(fā)射極330的金屬極性生長；呈具有沿生長軸的成分線性變化的本征Al_xGa_1-xN合金340形式的梯度區(qū)域，所述區(qū)域線性地從WBG纖維鋅礦金屬層320過渡成NBG p型GaN接觸層350；以及最后上部纖維鋅礦金屬層360。下部纖維鋅礦金屬層320和上部纖維鋅礦金屬層360是用于形成二極管300的兩個電氣觸點的有效歐姆金屬觸點。

圖3B圖示對應(yīng)于圖3A的二極管300的空間成分或帶隙能，示出帶隙如何越過梯度區(qū)域342線性地從WBG材料332過渡到NBG材料352。指示器線343圖示示例性變化，所述示例性變化可以在用于非線性連續(xù)過渡的梯度區(qū)域342中實現(xiàn)。如應(yīng)了解的是，圖3B中的WBG材料332、梯度區(qū)域342和NBG材料352對應(yīng)于圖3A的WBG發(fā)射極330、線性漸變合金340和NBG接觸層350。

根據(jù)對wz-III-N材料內(nèi)的極化場的基本行為的理解，可以確定圖3A中圖示的二極管300的沿生長軸的誘發(fā)的壓電(由于晶格變形)和熱電(由于自發(fā)極化)電荷分布，分別如圖3C和圖3D中所示。

對于過渡區(qū)域中具有由x(z)給出的成分分布的Al_x(z)Ga_1-x(z)N中的線性Al％變化，壓電和熱電電荷密度根據(jù)z變化，靠近NBG p-GaN層的電荷不斷減少。

沿自發(fā)極化軸即c軸沉積的金屬極性外延結(jié)構(gòu)和氮極性外延結(jié)構(gòu)兩種情況生成對比的極化場。電荷符號與膜極性類型的該相關(guān)性被有利地用來提高電子和/或空穴載流子濃度。

雖然不明顯，但是沿生長軸310變化的此種面積電荷密度的意義在于，傳導(dǎo)和價帶邊緣的扭曲有效地將傳導(dǎo)帶或價帶邊緣‘釘扎’或轉(zhuǎn)移至費米能級，取決于膜的生長極性。由于關(guān)于每一材料成分的平面內(nèi)晶格常數(shù)中的差異，x(z)的變化產(chǎn)生位置依賴性應(yīng)變張量的相稱變化。體晶晶格常數(shù)的該變化產(chǎn)生雙軸向應(yīng)變，并且被假定為生成晶體的彈性變形，并且因此誘發(fā)壓電電荷。在這些實例中，外延堆疊被假定為假晶沉積在厚且松弛的AlN緩沖層上，且因此所述堆疊被應(yīng)變成AlN的獨立式塊狀平面內(nèi)晶格常數(shù)。其它緩沖層和晶格常數(shù)也是可能的。然而，對晶格失配材料可假晶沉積的厚度進(jìn)行限制的是臨界層厚度(CLT)。可以使用包括單位晶胞的超晶格對該限制進(jìn)行改善，每一單位晶胞包括至少兩層晶格失配成分，其中相對于緩沖層平面內(nèi)晶格常數(shù)每一層的厚度低于該層的CLT。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，超晶格可提高在空間上形成平均成分的大變化的能力。

圖3E圖示關(guān)于圖3A中圖示的二極管300的全空間(k＝0)能帶結(jié)構(gòu)，示出由線性漸變合金340所提供的WBG至NBG過渡的線性成分變化的效果。非故意摻雜的成分變化區(qū)域夾在n型WBG與p型NBG平板之間。對于金屬極性取向生長，誘發(fā)的耗盡區(qū)域定位朝向n型WBG或產(chǎn)生價帶的費米級釘扎的i成分變化區(qū)域。

圖3F圖示關(guān)于圖3A中圖示的二極管300的面積電子濃度和面積重空穴(HH)濃度的空間變化。AlGaN合金成分中的線性空間變化x(z)在其它非故意摻雜區(qū)域中誘發(fā)大的空穴載流子濃度。因此，空穴將由p-GaN接觸區(qū)域提供，并且將被傳輸?shù)秸T發(fā)的p型區(qū)域中。耗盡區(qū)域延伸到n型WBG區(qū)域中指示線性成分區(qū)域的誘發(fā)的p型行為高于故意電離的施主濃度。

圖3G和圖3H圖示關(guān)于圖3A的二極管300的外延結(jié)構(gòu)關(guān)于最低能量傳導(dǎo)帶邊緣EC(k＝0,z)(圖3G)和三個最高位價帶邊緣E_v(k＝0,z)(其中v＝HH、LH和CH(圖3H))的區(qū)中心空間變化的繪圖。圖3G示出壓電和熱電電荷被設(shè)置為零的情況下使用AlGaN形成的p-i-n二極管。圖3H示出用于與壓電和熱電電荷被納入考慮的情況進(jìn)行比較的結(jié)果。可以看出的是，當(dāng)設(shè)計極性裝置時應(yīng)將極化電荷考慮在內(nèi)。還應(yīng)注意，對于塊狀材料，Al_x(z)Ga_1-x(z)N中由于0.0≤x(z)≤0.8的范圍內(nèi)的x(z)產(chǎn)生的Al％變化在x(z)～0.65時出現(xiàn)的k＝0處將在最低能價帶中具有跨越。對于較小值x<0.65，材料將使重空穴價帶作為主空穴類型，而對于x>0.65，晶體場分離價帶將主導(dǎo)。圖3I圖示關(guān)于圖3A的二極管300的兩個對比外延生長情況的全空間區(qū)中心帶結(jié)構(gòu)，所述兩種對比外延生長情況即具有相對于生長軸310的金屬極性或氮極性取向的情況。結(jié)果示出沿生長軸從WBG到NBG的成分過渡誘發(fā)關(guān)于金屬極性生長的p型行為或關(guān)于氮極性生長的n型行為。

圖3J和圖3K分別圖示關(guān)于圖3A的二極管300的兩個對比外延生長情況的傳導(dǎo)和化合價重空穴空間區(qū)中心帶結(jié)構(gòu)的繪圖，所述兩種對比外延生長情況即相對于生長軸310的金屬極性或氮極性取向。圖示的膜極性效果大大影響裝置的電子特性。對于金屬極性膜，非故意摻雜的線性合金成分變化x(z)誘發(fā)p型行為，而氮極性取向誘發(fā)n型行為。對各自耗盡區(qū)域進(jìn)行對比，并支配裝置操作。該基本效果可有利地用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別是LED結(jié)構(gòu)。

圖3L圖示關(guān)于如二極管300中導(dǎo)致的線性漸變帶隙區(qū)域的光學(xué)矯正效果，示意性地示出從所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行光子耦合輸出的優(yōu)選方向。由于空間依賴性帶隙，注入復(fù)合區(qū)域中的電子和空穴可以生成寬廣光學(xué)發(fā)射譜。優(yōu)選地，復(fù)合區(qū)域與二極管的耗盡區(qū)域在空間上重合。在能量小于n型WBG區(qū)域的耗盡區(qū)域內(nèi)生成的高能光子(即短波長λ_S)可以低損耗傳播通過n型WBG材料330和襯底320，而向前傳播的光子將在空間上朝向p-NBG材料350不斷減小的帶隙內(nèi)被重新吸收。因此，較長波長的光子(λ_L)優(yōu)先地發(fā)射通過最頂端NBG層。大且不對稱的內(nèi)置傳導(dǎo)帶電勢阻止電子跨越所述結(jié)構(gòu)的自由傳輸J_e(z)。再循環(huán)通過吸收過程的該光子可以提高p型區(qū)域性能。

圖3M示出圖3A的二極管300的X射線衍射(XRD)估計結(jié)果，圖示線性漸變合金的梯度區(qū)域特征344。XRD分析尤其當(dāng)著眼于梯度區(qū)域特征344時可用于確認(rèn)外延生長序列，以及用于調(diào)整空間成分變化。

圖4A圖示呈二極管400形式的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述二極管400使用塊狀材料的階式變化形成。沿生長軸410的順序，二極管400具有：下部纖維鋅礦金屬層420與包括n型Al_0.8Ga_0.2N WBG發(fā)射極430的金屬極性生長；呈具有沿生長軸的成分階式變化的本征Al_xGa_1-xN合金440形式的梯度區(qū)域，所述區(qū)域以離散梯級從WBG纖維鋅礦金屬層420過渡成NBG p型GaN接觸層450；以及最后上部纖維鋅礦金屬層460。下部纖維鋅礦金屬層420和上部纖維鋅礦金屬層460是用于形成二極管400的兩個電氣觸點的有效歐姆金屬觸點。

圖4B圖示對應(yīng)于圖4A的二極管400的帶隙圖，示出在梯級441至梯級447中帶隙如何從WBG材料432過渡到NBG材料452。如應(yīng)了解的是，圖4B中的WBG材料432、梯度區(qū)域441至447和NBG材料452對應(yīng)于WBG發(fā)射極430、階式漸變合金440和NBG接觸層450。梯度區(qū)域441至447中的梯級可能大或可能小，但是例如所述梯級可以被漸變成：第一梯級441，即Al_0.792Ga_0.208N；第二梯級442，即Al_0.784Ga_0.216N；經(jīng)過許多梯級階式抵達(dá)倒數(shù)第二個梯級446，即Al_0.0.016Ga_0.984N；以及最后一個梯級447，即Al_0.008Ga_0.992N。

圖4C圖示圖4A中圖示的二極管400的全空間帶結(jié)構(gòu)，示出由階式漸變合金440所提供的WBG至NBG過渡的階式成分變化的效果。耗盡區(qū)域形成在n-Al_0.8Ga_0.2N界面處，其中線性啁啾x_ave(z)區(qū)域具有誘發(fā)的p型特征。圖4D圖示圖4C的傳導(dǎo)帶變化，且圖4E圖示圖4C的價帶變化。

圖4E進(jìn)一步示出結(jié)構(gòu)中空間上v＝HH、LH和CH價帶的能量排序中的跨越。對于LED功能的應(yīng)用，有利的是生成橫向電場(TE)極化光用于大致上垂直于層平面的光發(fā)射。x(z)>0.65的高Al％部分將由CH化合價主導(dǎo)，且因此被橫向磁(TM)極化。可通過使用超晶格來定義材料的有效合金來解決該問題。例如，在超晶格單位晶胞內(nèi)排他地使用AlN層和GaN層選擇對于平均成分x_ave的所有值將是主導(dǎo)的TE光學(xué)發(fā)射。

圖4F圖示由于不同AlGaN成分之間的晶格失配適應(yīng)而發(fā)生的誘發(fā)的介電電荷密度的空間變化。圖4G圖示由于關(guān)于圖4A的二極管400的合金成分中的變化而發(fā)生的誘發(fā)的熱電電荷密度的空間變化。圖4H圖示在圖4A的二極管400內(nèi)生成的電子和重空穴載流子濃度。

可以看出的是，其它非故意摻雜的材料內(nèi)的誘發(fā)的空穴濃度大致上大于p-GaN的小的故意摻雜接觸層。這部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中長期存在的問題，在現(xiàn)有技術(shù)中，通常需要對半導(dǎo)體進(jìn)行重?fù)诫s以與金屬接觸電極建立充分低的歐姆觸點。所述重?fù)诫s密度降低基體材料質(zhì)量，并且通常來說載流子遷移率和晶體結(jié)構(gòu)不利地受到影響。圖4H的誘發(fā)的摻雜區(qū)域示出不使用替代摻雜劑的高活性空穴密度，并且因此表示未受到低空穴遷移率或不良空穴傳輸?shù)淖璧K的改進(jìn)的空穴注入器或儲層。另外，帶圖示出以約z＝200nm開始且以約z＝300nm結(jié)束的誘發(fā)的耗盡區(qū)域，所述區(qū)域有利地定位在故意摻雜的n型WBG區(qū)域與誘發(fā)的p型區(qū)域之間。

圖5A圖示呈使用雙層超晶格形成的二極管500形式的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。確切地說，沿生長軸510的順序，二極管500具有：下部纖維鋅礦歐姆觸點或金屬層520與包括呈n型Al_0.8Ga_0.2N材料形式的WBG發(fā)射極530的金屬極性生長；呈雙層超晶格540形式的梯度區(qū)域，所述區(qū)域從WBG發(fā)射極530過渡至由p型GaN形成的NBG接觸層550；以及上部纖維鋅礦金屬層560。下部纖維鋅礦金屬層520和上部纖維鋅礦金屬層560是用于形成二極管500的兩個電氣觸點的有效歐姆金屬觸點。

雙層超晶格540優(yōu)選地包括從AlN和GaN的極值III-N端點選擇的兩個不同二元成分。其它成分也是可能的，例如Al_xGa_1-xN/GaN或Al_xGa_1-xN/AlN Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN，其中x≠y。也可能的是每個單位晶胞使用三個或多個層，例如AlN/Al_xGa_1-xN/GaN形式的三層堆疊。二元組成材料的使用在每一異質(zhì)界面處產(chǎn)生最大面積電荷面密度。雙層超晶格540內(nèi)的每一雙層周期具有例如5nm(1nm的L_Gan和4nm的L_AlN)的固定厚度和不斷變化的成分，以使得其從鄰近WBG發(fā)射極530的具有0.8的x_ave的[AlN/GaN]單位晶胞過渡到鄰近NBG接觸層的0.01的x_ave。單位晶胞厚度可以始終保持恒定，并且GaN和AlN厚度L_GaN和L_AlN的比被選擇用于產(chǎn)生所需的x_ave，其中單位晶胞充當(dāng)成分Al_xaveGa_1-xaveN≡[L_GaN/L_AlN]_xave的等效塊狀合金。

圖5B圖示對應(yīng)于圖5A的二極管500的空間帶隙的幅值，示出帶隙如何越過梯度區(qū)域542從WBG材料532過渡到NBG材料552。如應(yīng)了解的是，圖5B中的WBG材料532、梯度區(qū)域542和NBG材料552對應(yīng)于WBG發(fā)射極530、雙層超晶格540和NBG接觸層550。

圖5C圖示呈二極管501形式的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述二極管501是圖5A中的二極管500的變化形式。圖5C的二極管501與圖5A的二極管500之間的差異在于二極管500的WBG發(fā)射極530使用n型超晶格(n:SL)531代替，優(yōu)選地使用x_ave＝0.8的SPSL代替。n:SL 531具有恒定周期，并且被摻雜以實現(xiàn)n型導(dǎo)電性。雖然圖示為僅幾個周期，但是n:SL 531可能包括超過例如50個周期，而梯度區(qū)域即雙層超晶格540可能包括超過1000個周期。圖5D圖示圖5C中圖示的二極管501的全空間帶結(jié)構(gòu)，示出雙層超晶格540的漸變效果。沿生長軸使用AlN層與GaN層之間的每一異質(zhì)結(jié)對傳導(dǎo)和價帶邊緣進(jìn)行調(diào)制。n:SL 531在漸變SL的誘發(fā)的p型區(qū)域之間形成耗盡區(qū)域，并且覆蓋有p-GaN層。i:SL漸變區(qū)域誘發(fā)的空穴密度幾乎比使用塊狀成分漸變可以實現(xiàn)的密度高五倍。

基于對纖維鋅礦III-N膜極性相對于異質(zhì)結(jié)和超晶格如何操作的理解，可以確定特定極性類型的優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計目標(biāo)是通過使用合金或有效合金成分漸變實現(xiàn)增加的空穴-載流子濃度，那么可以從分別針對金屬極性或氮極性取向的‘p上’或’p下’設(shè)計中的一個選擇外延生長序列。

圖6圖示關(guān)于相對于生長軸610(有時稱作生長方向‘z’)的金屬極性膜生長的金屬極性‘p上’LED結(jié)構(gòu)600。為了實現(xiàn)誘發(fā)的空穴濃度高于僅使用雜質(zhì)摻雜可實現(xiàn)的濃度，LED結(jié)構(gòu)600的中心部分具有從WBG成分過渡到NBG成分的梯度區(qū)域650，所述梯度區(qū)域650具有沿平行于自發(fā)極化軸的生長軸610的不斷增加的生長，自發(fā)極化軸在該情況下是纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的c軸。

沿生長軸610的順序，LED結(jié)構(gòu)600包括襯底620、緩沖區(qū)域或位錯過濾區(qū)域630、n型WBG區(qū)域640、梯度區(qū)域650和NBG p型區(qū)域660。優(yōu)選地，襯底是大致上透明的藍(lán)寶石(Al₂O₃)襯底，例如具有c平面取向的藍(lán)寶石(0001)表面；或者是同質(zhì)III-N襯底，諸如纖維鋅礦AlN。提供歐姆金屬觸點670和672，并且光學(xué)窗680可被提供用于允許光從LED結(jié)構(gòu)600的頂部傳輸。應(yīng)了解的是，光可以替代地或另外傳輸通過襯底620。另外，緩沖區(qū)域630可以替代地或同樣地是位錯過濾區(qū)域。

n型WBG區(qū)域640優(yōu)選地呈如n型WBG層的摻雜區(qū)域形式，或者呈具有恒定周期和恒定有效合金成分的n摻雜的超晶格形式。梯度區(qū)域650然后可以形成在具有有效合金成分的n型WBG區(qū)域640上，其根據(jù)沿生長軸610的距離而變化。梯度區(qū)域650在帶結(jié)構(gòu)中形成所需的變化，以形成從WBG成分至NBG成分的過渡。任選地，梯度區(qū)域650的至少一部分可使用雜質(zhì)摻雜劑進(jìn)行摻雜。例如，p型雜質(zhì)摻雜劑可以任選地整合到梯度區(qū)域650中。在優(yōu)選的形式中，梯度區(qū)域650包括Al_x(z)Ga_1-x(z)或[AlN/GaN]超晶格，所述超晶格具有被選擇用于實現(xiàn)每一單位晶胞的平均合金成分的空間分布的成分分布‘k’，由以下給出：x_ave＝x(z)＝x_WBG–[x_WBG-x_NBG]*(z-z_s)^k，其中z_s是漸變的起始位置。

NBG p型區(qū)域660沉積在梯度區(qū)域650上，理想地具有與由梯度區(qū)域650實現(xiàn)的最終成分類似的有效合金成分。這減少了在梯度區(qū)域650與NBG p型區(qū)域660之間的異質(zhì)結(jié)界面處誘發(fā)的勢壘。在優(yōu)選形式中，NBG p型區(qū)域660是摻雜的超晶格或體型III-N層。

諸如p-GaN層等覆蓋層可以任選地被沉積作為最終覆蓋層，以提供改進(jìn)的歐姆觸點和空穴源。

LED結(jié)構(gòu)600的襯底620的光學(xué)透明度允許在梯度區(qū)域650內(nèi)生成的光學(xué)輻射有利地經(jīng)過n型WBG區(qū)域640、經(jīng)過緩沖區(qū)域630并且最終經(jīng)過具有低吸收性損耗的襯底620傳播出裝置。光也可以經(jīng)過結(jié)構(gòu)600的頂部垂直地逸出，但是NBG p型區(qū)域660有效地過濾光的較短波長，并且因此當(dāng)光經(jīng)過LED結(jié)構(gòu)600的頂部和底部輸出時可能存在波長響應(yīng)的不對稱性。梯度區(qū)域650內(nèi)生成的光也可作為具有梯度折射率的‘波導(dǎo)’模式橫向地逸出，從而進(jìn)一步將光局限在平面內(nèi)，所述梯度折射率根據(jù)生長軸610而變化。

圖7圖示關(guān)于相對于生長軸710的氮極性縱列生長的氮極性‘p下’LED結(jié)構(gòu)710。為了實現(xiàn)誘發(fā)的空穴濃度高于僅使用雜質(zhì)摻雜可實現(xiàn)的濃度，LED結(jié)構(gòu)700的中心部分具有從NBG成分過渡到WBG成分的梯度區(qū)域750，所述梯度區(qū)域750具有沿大致上平行于自發(fā)極化軸的生長軸710的不斷增加的生長，自發(fā)極化軸在該情況下是纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的c軸。

沿生長軸710的順序，LED結(jié)構(gòu)700包括：呈大致上不透明襯底形式的襯底720，諸如Si(111)，或者NBG同質(zhì)III-N襯底，諸如GaN；緩沖區(qū)域730；NBG p型區(qū)域740；梯度區(qū)域750；以及WBG n型區(qū)域760。提供歐姆金屬觸點770和772，并且光學(xué)窗780可被提供用于允許光從LED結(jié)構(gòu)700的頂部傳輸。應(yīng)了解的是，緩沖區(qū)域730可以代替地或同樣地是位錯過濾區(qū)域。

NBG p型區(qū)域740優(yōu)選地呈p型NBG層形式，或者呈具有恒定周期和恒定有效或平均合金成分(具有x_ave＝NBG成分)的p摻雜的超晶格形式。梯度區(qū)域750然后形成在具有有效合金成分的NBG p型區(qū)域740上，其根據(jù)生長軸710而變化。梯度區(qū)域750在帶結(jié)構(gòu)中形成所需的變化，以形成從NBG成分至WBG成分的過渡。任選地，梯度區(qū)域750的至少一部分可使用雜質(zhì)摻雜劑進(jìn)行摻雜。在優(yōu)選形式中，梯度區(qū)域750包括Al_x(z)Ga_1-x(z)或[AlN/GaN]超晶格，所述超晶格具有x_ave＝x(z)＝x_NBG+[x_WBG-x_NBG]*(z-z_s)^k的成分分布‘k’。

WBG n型區(qū)域760沉積在所述梯度區(qū)域750上，理想地具有與由梯度區(qū)域750實現(xiàn)的最終成分類似的有效合金成分。這減少了在梯度區(qū)域750與WBG n型區(qū)域760之間的異質(zhì)結(jié)界面處誘發(fā)的勢壘。在優(yōu)選形式中，WBG區(qū)域是摻雜的超晶格或體型III-N層。

諸如n-Al_xGa_1-xN(x≥0)層等覆蓋層可以任選地被沉積，以提供改進(jìn)的歐姆觸點和電子源。

圖7中圖示的LED結(jié)構(gòu)700可以使用諸如Si(111)等不透明襯底720形成，所述襯底720對于梯度區(qū)域750內(nèi)生成的光波長具有高吸收系數(shù)。光可以經(jīng)由光出口垂直地逸出，所述光出口優(yōu)選地呈合適的歐姆觸點材料772中的孔口和/或窗780的形式。較短波長的光在NBG區(qū)域中被優(yōu)先吸收，從而經(jīng)由重新吸收創(chuàng)建更多電子和空穴。可以預(yù)期的是，也可以使用高品質(zhì)的p-GaN原生襯底或p型SiC襯底。

超晶格結(jié)構(gòu)被優(yōu)選地用于提高材料結(jié)構(gòu)晶體品質(zhì)(較低缺陷密度)，提高電子和空穴載流子傳輸，以及產(chǎn)生僅可在所述小長度尺度下達(dá)到的量子效應(yīng)。與體型III-N材料不同，超晶格尤其引入關(guān)于圖6和圖7中圖示的那些二極管和LED結(jié)構(gòu)的新的且有利的物理特性。包括諸如雙層AlN和GaN對的至少兩個不同半導(dǎo)體成分的均質(zhì)周期超晶格可以被設(shè)計用于提供以下二者：(i)隧道勢壘狀態(tài)和以上勢壘狀態(tài)二者中的大致沿生長軸(z)的超晶格量子化迷你帶傳輸通道；以及(ii)憑借定期感應(yīng)和雙軸向應(yīng)變誘發(fā)的帶變形的超晶格層的平面內(nèi)的提高的載流子遷移率，以便扭曲能量-動量分散。通過將組成層的厚度沉積低于其臨界層厚度，超晶格還可以減少應(yīng)變累積。具有調(diào)整的傳導(dǎo)和價帶允許的能量和空間波函數(shù)概率的超晶格可以由諸如本文所描述的耗盡場等大型內(nèi)置電場操縱。例如，可以沿生長軸生長恒定周期SL，以展示高度耦合的結(jié)構(gòu)以及生成穿過所述結(jié)構(gòu)的高效載流子傳輸通道。部分不定域波函數(shù)的高度耦合性質(zhì)可以容易地被大型內(nèi)部電場破壞，使耦合的NBG區(qū)域被基本隔離(也就是相鄰NBG區(qū)域之間無通信)。這對于LED應(yīng)用可能是有利的。

超晶格量子化迷你帶傳輸通道提高沿生長軸(z)的傳輸，并且可以被用于生成選擇性能量過濾器。提高的載流子遷移率可以用于大大降低包括臺面型結(jié)構(gòu)的常見裝置設(shè)計中的電流擁擠限制。相反地，在操作中可以通過經(jīng)受大型電場來改變相同超晶格結(jié)構(gòu)，所述大型電場諸如在本文所公開的結(jié)構(gòu)中生成的耗盡區(qū)域。

塊狀I(lǐng)II-N半導(dǎo)體可以由直接帶結(jié)構(gòu)來表征，所述直接帶結(jié)構(gòu)通過具體參考材料的受潛在原子對稱性支配的能量-動量分散進(jìn)行限定。因此，直接帶隙III-N材料是一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)同時產(chǎn)生在區(qū)中心k＝0處具有最低能量的最低能量傳導(dǎo)帶分散，以及同樣在區(qū)中心k＝0處具有其最高能量的最高位價帶分散。

因此，光學(xué)吸收和光學(xué)發(fā)射過程隨著能量-動量空間中的垂直過渡而發(fā)生，并且主要隨著無聲子動量守恒的一階過程而發(fā)生。也在德布羅意波長的長度尺度上的超晶格周期性電勢使用疊加的超晶格電勢對原子晶體周期性進(jìn)行調(diào)制，所述疊加的超晶格電勢由此以非平凡的方式對能量-動量帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

圖8圖示包括一個單層GaN至3個單層AlN的重復(fù)單位晶胞的半無限雙層二元超晶格的估計的空間帶能。使用周期性邊界條件示出超晶格以簡化計算，并且所述超晶格被應(yīng)變成完全松弛的AlN緩沖層。圖9圖示估計的價帶能量-動量分散，其中準(zhǔn)非定域n_SL＝1HH、LH和CH帶從體近似中使用的拋物線分散展示高度扭曲的偏離。價帶載流子即HH、LH和CH的有效質(zhì)量由此從其在塊狀合金中的等效物進(jìn)行修改。所描述的超晶格的一個重要方面在于，HH仍然是最低能量量子化的傳導(dǎo)狀態(tài)與最低能量量子化的HH狀態(tài)之間的光學(xué)發(fā)射躍遷的優(yōu)勢帶。因此，0≤x_ave<1時超晶格保持TE特性，與當(dāng)x～0.65時存在TE至TM過渡的塊狀A(yù)l_xGa_1-xN不同。該特性對于垂直發(fā)射型裝置來說至關(guān)重要。

周期小于或等于10x組成塊狀材料的自由晶格常數(shù)的短周期超晶格形成新的假合金，所述假合金在平面內(nèi)能量-動量方面與其等效塊狀隨機金屬分布合金對應(yīng)物具有明顯的區(qū)別。另外，二元AlN/GaN超晶格形成一類新型有序合金，所述有序合金能夠較之等效塊狀合金產(chǎn)生新的且提高的特性。光學(xué)吸收和光學(xué)發(fā)射過程通常要求將超晶格帶結(jié)構(gòu)的偏離區(qū)中心(k≠0)部分納入考慮。對于目前的情況，僅使用了k＝0和最低能量量子化的和空間波函數(shù)(本文標(biāo)記為n_SL＝1狀態(tài))，并且實驗證明是足夠的。

電極化場可能對于啁啾的或故意成形的帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性具有影響。例如，考慮線性啁啾的雙層[AlN/GaN]超晶格，其夾在兩個反向定位的AlN覆層之間。圖10A和圖10B圖示該非故意摻雜的結(jié)構(gòu)的估計的空間帶結(jié)構(gòu)。具體地說，圖10A圖示不具有壓電場和熱電場的區(qū)中心帶結(jié)構(gòu)，并且圖10B圖示應(yīng)用極化場的區(qū)中心帶結(jié)構(gòu)，所述極化場沿生長軸(z)生成復(fù)雜內(nèi)置電場。產(chǎn)生的沿生長軸(z)的內(nèi)置電場完全歸因于由于熱電(自發(fā))和壓電效應(yīng)而在每一異質(zhì)結(jié)處誘發(fā)的電荷。超晶格的每一個周期保持恒定，并且第i個周期的平均合金含量具有厚度Lⁱ_AlN(z)和Lⁱ_GaN(z)，以使得Λⁱ_SL＝Lⁱ_AlN(z)+Lⁱ_GaN(z)。傳導(dǎo)和重空穴價帶邊緣(即在區(qū)中心波矢量k＝0處)中的突變空間調(diào)制指示每一AlN和GaN過渡的異質(zhì)結(jié)處形成的原子級突變界面。雖然原子級粗糙的界面將有效地擴大勢阱，但是會另外產(chǎn)生類似的行為。在替代實施方案中，可使用等效AlGaN中間層解釋每一異質(zhì)結(jié)處的界面粗糙度，因此形成三層單位晶胞。

圖11A和圖11B圖示結(jié)構(gòu)內(nèi)允許的最低能量計算的載流子空間波函數(shù)和量子化的能量等級。為清楚起見，該實例中使用的相對較厚的AlN勢壘示出，對于與重空穴相比的較輕有效質(zhì)量的電子，波函數(shù)隧道效應(yīng)在勢壘中很明顯?？偟内厔菔橇孔踊膎＝1電子和空穴波函數(shù)本征能量進(jìn)一步降低至具有不斷增加的NBG材料厚度的NBG勢阱中。

非線性電場生成跨每一GaN量子阱的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)和跨每一勢壘(AlN)的相反QCSE。內(nèi)置電場的符號取決于材料的生長極性。由于內(nèi)置場而局限在每一最小勢能內(nèi)的產(chǎn)生的波函數(shù)概率密度在空間上朝向較低勢能界面傾斜。

可以看出，電子和重空穴波函數(shù)極點在空間上分開在最小電勢的相對側(cè)上，并且被劇增用于較大GaN層寬度。這表現(xiàn)為減少電子和HH波函數(shù)重疊用于增加GaN厚度，并且由于降低的激子振子強度產(chǎn)生極化誘發(fā)的透明度。相反地，較薄的GaN層提高n＝1傳導(dǎo)和HH波函數(shù)重疊，并且因此建立關(guān)于光躍遷的較高概率和增加的發(fā)射概率。該效果在圖12H和圖13D中示出。

圖12A圖示根據(jù)一些實施方案的用于生成p-n二極管的電氣和光學(xué)部分的堆疊1200。堆疊1200包括襯底SUB。SUB由材料1208形成，所述材料1208有助于形成具有沿生長軸1205的金屬極性生長取向的纖維鋅礦III-N成分。n型WBG緩沖層(n:WBG)1210被沉積為塊狀合金，或者沉積為SUB上的固定平均成分單位晶胞超晶格。接著，在n:SL上使用平均合金含量x_{ave_n}形成n型SL(n:SL)。例如，n:SL可能是使用x_{ave_n}＝0.8形成的50個周期SL。優(yōu)選地，對單位晶胞厚度1211和層厚度進(jìn)行選擇，以形成大致上透明(不吸收)至所需的發(fā)射波長λ_ex的n:SL。

接著，形成非故意雜質(zhì)摻雜的漸變SL(i:CSL)。i:CSL被用于在無替代雜質(zhì)摻雜限制的裝置深處誘發(fā)大空穴濃度。i:CSL至少在空間上沿生長軸將單位晶胞的平均成分從WBG成分改變成NBG成分。例如，對漸變進(jìn)行選擇，以發(fā)生超過25個單位晶胞(即，25個周期)，其中每一單位晶胞總厚度1212保持恒定，而平均Al％被改變，其中WBG成分具有x_{ave_CSL}＝0.8且NBG成分具有x_{ave_CSL}＝0.0。包括p-GaN的任選接觸層(p:NGB)被沉積在完成的i:CSL上。還可能改變i:CSL的根據(jù)生長軸的單位晶胞厚度，前提是所述單位晶胞的平均成分遵循如本文所公開的正確漸變。

i:CSL和n:SL可以由包括一層GaN 1207和一層AlN 1209的雙層單位晶胞形成。超晶格成分的其它選擇也是可能的，并且也可以周期性改變單位晶胞的成分。例如，單位晶胞周期被選擇成等于2ML的GaN和4ML的AlN的組合厚度。圖12B示出實現(xiàn)雙層單位晶胞x_ave的平均合金成分所需要的GaN 1220和AlN 1222的層厚度。圖12C還示出n:SL和i:CSL中的每一個的根據(jù)生長軸1205的平均合金變化。曲線1223示出常數(shù)x_{ave_n}＝0.8被選擇用于n:SL，而曲線1224示出線性x_ave(z)漸變被選擇用于i:CSL。

堆疊1200的誘發(fā)的空間能帶結(jié)構(gòu)在圖12D中示出。標(biāo)記為1230的n:SL使用Si雜質(zhì)故意摻雜為N_D＝50x10¹⁸cm^-3的摻雜等級。i:CSL示出誘發(fā)的p型部分1233和耗盡區(qū)域1232。i:CSL接觸p:NGB的部分1234示出釘扎至費米能量的重空穴價帶。因此，n:SL/i:CSL/p:GaN二極管使用如圖12E中進(jìn)一步示出的進(jìn)一步誘發(fā)的p型區(qū)域形成。

圖12E示出沿生長軸的空間載流子密度。載流子密度包括故意摻雜的和由于n:SL產(chǎn)生的電子濃度1235以及故意p-GaN摻雜濃度1239。應(yīng)注意，價帶的簡并降低相對于晶格中的面積摻雜的活性摻雜密度。示出i:CSL的具有大的誘發(fā)HH濃度1237的部分，其中產(chǎn)生的耗盡區(qū)域1236限定n-i-p二極管。

最低能帶邊緣量子化的狀態(tài)足以確定裝置的電子和光學(xué)特征的大多數(shù)。圖12F和圖12G分別示出傳導(dǎo)和HH價帶中的計算的n＝1狀態(tài)。傳導(dǎo)和HH帶二者示出如由部分不定域波函數(shù)1242和1246由于短周期n:SL指示的迷你帶形成。由i:CSL的誘發(fā)的p型區(qū)域創(chuàng)建的耗盡區(qū)域滲透到n:SL的一部分中，并且有效地打破區(qū)域1241和區(qū)域1246中的波函數(shù)耦合。區(qū)域1241和區(qū)域1246中的局限的電子和HH波函數(shù)確定裝置的復(fù)合區(qū)域，并且因此確定由于n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)與n＝1HH狀態(tài)之間的直接躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射能量譜。

圖12H示出全部n＝1傳導(dǎo)狀態(tài)與n＝1HH波函數(shù)之間的計算的空間重疊積分。關(guān)于光跌遷的最高振子強度在區(qū)域1250中發(fā)生，而i:CSL的具有較寬GaN厚度的部分僅創(chuàng)建相對較差的重疊1255。該效應(yīng)對于在p狀區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建極化誘發(fā)的透明度非常有利。還可以移除任選的p-GaN層，以允許更高能量光子被逆反射到結(jié)構(gòu)中并且經(jīng)由襯底耦合輸出。全發(fā)射譜在圖12I中示出，示出由于在裝置內(nèi)創(chuàng)建且定域在n:SL與i:CSL之間的耗盡區(qū)域而產(chǎn)生的強激子發(fā)射峰1256。較小部分1258是由于i:CSL區(qū)域而產(chǎn)生。

圖13A圖示根據(jù)一些實施方案的用于生成p-i-n二極管的電氣和光學(xué)部分的堆疊1300。超晶格同樣由具有二元纖維鋅礦GaN 1207和AlN 1209層以及金屬極性生長的單位晶胞構(gòu)建而成。然而，堆疊1300包括非故意摻雜的額外i型SL(i:SL)。i:SL形成在n:SL之上。對i:SL進(jìn)行具體調(diào)諧，以實現(xiàn)能量大致上小于n:SL可吸收的能量的光發(fā)射能(即，n:SL的吸收邊緣被設(shè)計成具有大于i:SL的發(fā)射能的能量)。例如，n:SL由具有重復(fù)50次的1ML GaN和2ML AlN的單位晶胞1310組成。然后通過選擇包括具有25次重復(fù)的2ML GaN和4ML AlN的單位晶胞1311來對i:SL進(jìn)行選擇，以具有約246nm的發(fā)射能。然而，n:SL構(gòu)造和i:SL構(gòu)造二者中可以使用更多或更少的周期。

n:SL和i:SL二者具有相同的平均合金成分，也就是x_{ave_n}＝2/3和x_{ave_i}＝4/6＝2/3(即x_{ave_n}＝x_{ave_i})。因此，極化電荷得以平衡，并且不會誘發(fā)p型或n型行為。這對于在裝置內(nèi)創(chuàng)建改進(jìn)的電子和空穴復(fù)合區(qū)域特別有利。漸變的SL(i:CSL)使用從WBG平均成分改變成NBG平均成分的單位晶胞形成。i:CSL單位晶胞厚度被保持近似恒定，并且等于3ML GaN和6ML AlN單位晶胞。每一連續(xù)單位晶胞中的層厚度以1/2ML厚度增量改變，以便實現(xiàn)沿生長軸1205的所需的2/3≤x_{ave_CSL(z)}≤0的漸變分布。這可以僅僅使用18個單位晶胞實現(xiàn)，但是也可以使用更少或更多的單位晶胞。

圖13B示出n:SL 1310、i:SL 1312和i:CSL 1314內(nèi)的空間能帶結(jié)構(gòu)以及任選的p-GaN區(qū)域1316。i:CSL誘發(fā)HH價帶至費米能的釘扎。

堆疊1300中的誘發(fā)的載流子濃度在圖13C中示出，其中大的電子1318和HH 1322載流子濃度在空間上生成。示出p-GaN區(qū)域1326中的故意摻雜濃度以及裝置的耗盡區(qū)域1320。

圖13D示出關(guān)于激子發(fā)射的計算的空間傳導(dǎo)和HH重疊積分(即，振子強度)。激子發(fā)射清楚地定域在重疊i:SL的區(qū)域1330中。由于i:CSL的包括NBG成分的大多數(shù)而產(chǎn)生的極化誘發(fā)的透明度區(qū)域1332不會顯著地促成重疊積分。

圖13E示出堆疊1300的發(fā)射譜，其中主峰1338是由于i:SL而產(chǎn)生，且較小的部分1340是由于i:CSL區(qū)域而產(chǎn)生。n:SL產(chǎn)生被標(biāo)記成1336的特征，所述特征通常由于相空間吸收/發(fā)射淬火而受到抑制(即，由于關(guān)于平面內(nèi)波矢量k_||～0的相空間吸收填充，所有狀態(tài)被完全占用，并且無法參與光學(xué)過程)。

圖14圖示LED結(jié)構(gòu)1400，所述LED結(jié)構(gòu)1400具有：襯底1420，其優(yōu)選地是諸如藍(lán)寶石等透明襯底；緩沖層和/或位錯過濾層1430；n型區(qū)域1440，其呈具有恒定周期和恒定x_ave的n型超晶格(n:SL)形式；呈i型超晶格(i:SL)形式的梯度區(qū)域1450、p型超晶格(p:SL)或體型接觸區(qū)域1460；金屬觸點1470和1472以及光學(xué)窗1480。

光λ_L可以從光學(xué)窗1480發(fā)射，并且光λ_S可以發(fā)射通過襯底1420。另外，光可以通過邊緣發(fā)射矢量λ_E從結(jié)構(gòu)逸出。對于沿生長軸(z)生長在金屬極性取向上的線性啁啾梯度區(qū)域1450，梯度區(qū)域1450將發(fā)射較長波長的光λ_L通過光學(xué)窗，而較短波長的光λ_S將發(fā)射通過襯底。這是在由梯度區(qū)域1450提供的空間上不斷變化的有效帶隙區(qū)域內(nèi)的光發(fā)射的‘光學(xué)二極管’效應(yīng)的直接結(jié)果，其對于DUV LED應(yīng)用特別有用。

另一梯度模式生長序列是根據(jù)沿生長軸的距離改變周期厚度，同時將雙層對的x_ave保持恒定。所述結(jié)構(gòu)可以用于分別地形成n型區(qū)域和p型區(qū)域的可調(diào)諧光學(xué)特性，以在i型區(qū)域內(nèi)復(fù)合。也就是說，通過將x_ave保持恒定，而不是改變超晶格的周期，可以調(diào)諧以下形式的LED堆疊的光學(xué)特性：

[n:SL x_ave1,Λ₁]/[i:SL x_ave2,Λ₂]/[p:SL x_ave3,Λ₃]

其中每一超晶格的有效Al％在整個p-n結(jié)構(gòu)中保持恒定，以使得x_ave1＝x_ave2＝x_ave3＝常數(shù)，并且獨立于生長方向(z)。該情況將不會產(chǎn)生誘發(fā)的p型或n型區(qū)域，因為平均合金成分得以保存。

可構(gòu)建超晶格重復(fù)單位晶胞的周期，例如(Λ₁＝Λ₃)<Λ₂，以使得x_ave1＝x_ave2＝x_ave3且因此i:SL具有在n＝1電子與重空穴價帶之間的量子化能量躍遷，所述量子化能量躍遷在能量上小于p:SL和n:SL中的至少一個的對應(yīng)n＝1躍遷。優(yōu)勢在于超晶格單位晶胞(例如，雙層AlN/GaN對)的平面內(nèi)晶格常數(shù)的有效晶格匹配，所述有效晶格匹配減少應(yīng)變累積并且降低由于失配位錯而產(chǎn)生的缺陷密度。

以上實例的一個延伸是i:SL周期的準(zhǔn)連續(xù)變化，以便形成適合于載流子迷你帶注入和復(fù)合的線性啁啾帶結(jié)構(gòu)，以形成寬帶發(fā)光裝置?？紤]圖14的LED結(jié)構(gòu)，其示出：

[n:SL x_ave1＝const,Λ₁＝const]/[i:SL x_ave2(z),Λ₂(z)]/[p-GaN]

i:SL區(qū)域的成分沿生長軸變化，其中平均合金成分由包括單位晶胞的不同成分層的厚度的比率控制。對于GaN和AlN的兩個二元成分的情況，單位晶胞的平均Al摩爾分?jǐn)?shù)在本文中被定義成x_ave＝L_AlN/(L_GaN+L_AlN)，表示等效塊狀有序合金Al_xaveGa_1-xaveN。也可以改變不同周期Λ_SL＝(L_GaN+L_AlN)的單位晶胞厚度。在此種情況下，每一單位晶胞的平均合金成分遵循沿生長軸的所需的梯度或趨勢，以實現(xiàn)誘發(fā)的n型或p型區(qū)域，或者平衡極化以及防止帶邊緣扭曲。

圖15圖示具有啁啾周期和恒定x_ave超晶格結(jié)構(gòu)的梯度區(qū)域1500的另一梯度模式生長序列。區(qū)段(Λ¹_SL-Λ⁴_SL)中的每一個包括N_p＝25次重復(fù)，其中四個順序堆疊的超晶格具有階式變化的周期。每一超晶格的平均合金含量保持恒定。然而，通過改變厚度改變每一堆疊中的單位晶胞的周期。

已經(jīng)對許多襯底進(jìn)行開發(fā)以實現(xiàn)纖維鋅礦III-N外延，所述襯底即(i)同質(zhì)襯底和(ii)非同質(zhì)襯底。目前，存在塊狀同質(zhì)GaN和塊狀同質(zhì)AlN襯底，然而，所述襯底成本極高且僅具有小晶片直徑可用，這嚴(yán)重限制了至諸如LED和功率晶體管等高容量應(yīng)用的廣泛滲透。

非同質(zhì)襯底被最普遍地用于III-N外延，并且除了供簡單的成本降低和大晶片直徑外還提供其它優(yōu)點。用于III-N外延的最常見非同質(zhì)襯底是藍(lán)寶石和硅。存在許多其它非同質(zhì)襯底，例如MgO、CaF2和LiGaO。

由于機械硬度、深UV光透明度、極寬帶隙和其絕緣特性，藍(lán)寶石為高Al％III-N外延提供強大的商業(yè)和技術(shù)效用。藍(lán)寶石使用諸如CZ等體晶生長方法容易地生長，并且可被制造成可主要在r平面、c平面、m平面和a平面中使用的極高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)性優(yōu)質(zhì)單晶晶片。C平面藍(lán)寶石是與III-N外延相容的重要模板表面。

雖然已經(jīng)為wz-III-N/c平面Al₂O₃開發(fā)大量工作，但是仍然存在進(jìn)一步提高這些金屬氧化物表面上的III-N的外延品質(zhì)的大的機遇。已經(jīng)進(jìn)行許多嘗試在r平面、a平面和m平面藍(lán)寶石上實現(xiàn)半極性和非極性III-N外延，較之使用六角c平面藍(lán)寶石發(fā)現(xiàn)的那些具有有限的改善。

對于本文所討論的應(yīng)用，存在用于制備c平面藍(lán)寶石表面以實現(xiàn)高品質(zhì)金屬極性或氮極性III-N膜的優(yōu)選方法。與纖維鋅礦和閃鋅礦晶體不同，藍(lán)寶石具有更為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。藍(lán)寶石由復(fù)雜的12個單位晶胞表示，包括與扣住的雙層Al原子嵌合的氧平面。另外，c平面藍(lán)寶石展示出遠(yuǎn)高于r平面藍(lán)寶石的機械硬度，并且因此拋光損傷或拋光誘發(fā)的加工硬化可能會容易地阻礙原子級原始表面種類的生產(chǎn)。雖然化學(xué)清洗可用于產(chǎn)生無污染表面，并且塊狀藍(lán)寶石襯底示出極佳的單晶品質(zhì)，但是通過反射高能電子衍射(RHEED)研究的表面展示出c平面藍(lán)寶石的信號，所述信號始終指示原子級粗糙和非均質(zhì)表面。藍(lán)寶石中的表面梯級也容易暴露混合的氧和原子結(jié)晶區(qū)域，這直接影響外延期間啟動III-N極性，并且通常會導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)域(PID)。

啟動模板的第一表面可能在大致上原子級平滑且均質(zhì)的表面終止種類中終止。例如，塊狀Si(111)取向的表面憑借均質(zhì)襯底成分即Si原子促成外延極性控制的改進(jìn)。通過小心地將初始外延膜沉積至Si表面，可以誘發(fā)Al極性或N極性AlN外延生長。

圖16圖示III-N復(fù)雜結(jié)構(gòu)的故意翻轉(zhuǎn)的但是另外橫向均質(zhì)的極性類型，所述復(fù)雜結(jié)構(gòu)包括氮極性區(qū)域1600、極性翻轉(zhuǎn)平面1620和金屬極性區(qū)域1640?？蓪傮w結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以在大致上不同極性類型的平板的外延生長序列內(nèi)包含多個橫向設(shè)置的區(qū)域。也就是說，第一極性wz-III-N區(qū)域生長在啟動模板上。然而，對第一極性區(qū)域的最終表面進(jìn)行修改或設(shè)計，以產(chǎn)生有關(guān)第二極性wz-III-N區(qū)域的相反極性類型區(qū)域。因此可通過有效地翻轉(zhuǎn)III-N獨特平板中的每一個的極性來形成多個極化型區(qū)域。

使用表面活性劑型的吸附原子的重飽和表面覆蓋度，最終wz-III-N區(qū)域表面的極性類型反轉(zhuǎn)是可能的。幾何不穩(wěn)定性被用于有利地重建產(chǎn)生的表面，所述產(chǎn)生的表面有利于為后續(xù)沉積的III-N表面實現(xiàn)所需的極性類型。多層外延結(jié)構(gòu)的在2D III-N平板內(nèi)展示出均質(zhì)極性類型的所述極性反轉(zhuǎn)有利于創(chuàng)建新的裝置結(jié)構(gòu)，所述新的裝置結(jié)構(gòu)較之單極性類型外延裝置具有提高的性能。例如，表面層的極性翻轉(zhuǎn)可有利地用于降低金屬歐姆觸點對極性wz-III-N材料的肖特基勢壘限制。極性類型翻轉(zhuǎn)的雙層充當(dāng)簡并摻雜的隧道結(jié)，并且提高III-N裝置的性能。

極化型翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可延伸為更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而形成可更加周期性的反轉(zhuǎn)調(diào)制結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可以用于增強裝置的極性特性，或者大大地減輕內(nèi)置極化場。這呈現(xiàn)一種用于使用沿c軸生長的纖維鋅礦膜產(chǎn)生非極性材料的新方法。

圖17圖示用于形成具有梯度區(qū)域的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬流程圖。首先，選擇梯度模式生長序列(步驟10)，然后選擇合適的襯底(步驟20)，并且最后在襯底上形成選擇的梯度模式(步驟30)。選擇梯度模式生長序列(步驟10)，以使得其沿生長軸(z)從WBG過渡到NBG或者從NBG過渡到WBG材料。也可以生長諸如緩沖區(qū)域或位錯過濾區(qū)域等額外層，取決于所需的結(jié)構(gòu)。

圖18A圖示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1800，其具有：呈p-GaN接觸區(qū)域1820形式的任選的p型GaN區(qū)域、p型超晶格(p:SL)區(qū)域1840、i型超晶格(i:SL)區(qū)域1860和n型超晶格(n:SL)區(qū)域1880。p:SL區(qū)域1840、i:SL區(qū)域1860和/或n:SL區(qū)域1880中的每一個可能呈SPSL的形式。

i:SL區(qū)域1860和p:SL區(qū)域1840或p-GaN接觸區(qū)域1820之間的異質(zhì)界面是關(guān)注的焦點，因為電子遷移率和注入效率遠(yuǎn)高于空穴，導(dǎo)致經(jīng)過i:SL區(qū)域1860的電子過沖，并且因此導(dǎo)致靠近i-p界面的更高復(fù)合。這被在約360nm處的光學(xué)發(fā)射特征實驗性地確認(rèn)。另外，p:SL區(qū)域1840中的Mg摻雜劑的高濃度也可以充當(dāng)無輻射復(fù)合位點。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過選擇特定超晶格成分和漸變/啁啾超晶格以使用極化電荷來修改帶結(jié)構(gòu)而將復(fù)合移向遠(yuǎn)離所有無輻射復(fù)合位點的活躍或區(qū)域中心是有益的。

另外，現(xiàn)有技術(shù)LED裝置中基于大多數(shù)塊狀和量子阱構(gòu)造的電子滲透較高，并且通常通過在裝置的p側(cè)上引入電子阻擋勢壘來降低電子滲透。由于超晶格勢壘，本方法中的電子阻擋通過AlN傳導(dǎo)邊緣上方的傳導(dǎo)迷你帶和超晶格自動地實現(xiàn)。超晶格勢壘充當(dāng)用于沿生長軸跨裝置傳輸?shù)碾娮幽苓^濾器。

圖18B圖示關(guān)于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1800的帶能帶結(jié)構(gòu)。圖18B至圖18H的空間能帶圖將超晶格區(qū)域表現(xiàn)成其等效n＝1量子化的本征能量跌遷，并且因此表現(xiàn)SL的等效有序合金。

上面已經(jīng)描述了由兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格形成的復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一些實施方案中，兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第一個可能具有沿生長軸的較大成分改變，并且兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第二個可能具有沿生長軸的較小成分改變。例如，兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第一個誘發(fā)重p型導(dǎo)電性，并且兩個或多個連續(xù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和/或半導(dǎo)體超晶格中的第二個包括輕p型導(dǎo)電性。

圖18B示出：p:SL區(qū)域1840使用大的成分改變(例如，從x_ave＝0.6至0)進(jìn)行啁啾或漸變，所述大的成分改變導(dǎo)致整個p:SL區(qū)域1840的重p型極化摻雜；i:SL區(qū)域1860被啁啾，以使得成分從底部降至頂部(例如，從成分x_ave＝0.66至0.6)，從而在整個本征區(qū)域誘發(fā)輕p型體極化摻雜，以補償?shù)涂昭ㄗ⑷胄?；以及n:SL區(qū)域1880具有高Al含量(例如，1ML GaN:2ML AlN SL具有x_ave＝0.66的均勻成分)。

區(qū)域之間的界面中的任一個處不存在成分突變，這消除了任何極化誘發(fā)的表層電荷，消除了由于帶偏移產(chǎn)生的勢壘，并且因為晶格常數(shù)中不存在突變，所以還可以產(chǎn)生更高品質(zhì)的界面?？赏ㄟ^改變區(qū)域總體厚度或者通過改變其界面處的成分來改變p:SL區(qū)域和i:SL區(qū)域中的極化摻雜密度。例如，將i:SL/p:SL界面處的成分(從0.6)改變?yōu)?.5將增加i:SL區(qū)域中的p型摻雜并且降低p:SL區(qū)域中的p型摻雜。將p:SL區(qū)域的厚度降低(至例如25nm)將在不改變i:SL區(qū)域的情況下增加p:SL區(qū)域中的摻雜密度。

圖18C圖示關(guān)于半導(dǎo)體裝置1800的帶能帶結(jié)構(gòu)，其中p:SL區(qū)域1840是均勻的(例如，x_ave＝0.66)，i:SL區(qū)域1860是均勻的(例如x_ave＝0.66)，并且n:SL區(qū)域1880是均勻的(e.g.x_ave＝0.66)。因為所有超晶格區(qū)域具有相同的成分，所以不存在極化效應(yīng)，p:SL/p-GaN界面處除外。該設(shè)計的好處在于，p:SL和i:SL區(qū)域是晶格匹配型的(即，包括應(yīng)變層的單位晶胞的平面內(nèi)晶格常數(shù)相等)，并且因此該界面處存在較少的缺陷來充當(dāng)無輻射復(fù)合位點。與p:SL/p-GaN界面處的強p型極化摻雜相比，p:SL區(qū)域中的摻雜具有相對小的效應(yīng)，如圖18C中所示。

圖18D圖示關(guān)于半導(dǎo)體裝置1800的帶能帶結(jié)構(gòu)，其中p:SL區(qū)域1840是均勻的(例如，x_ave＝0.2)，i:SL區(qū)域1860是均勻的(例如，x_ave＝0.66)，并且n:SL區(qū)域1880是均勻的(例如，x_ave＝0.66)。p:SL區(qū)域1840的成分低于i:SL區(qū)域1860(例如，2ML GaN:4ML AlN i:SL和6ML GaN:2ML AlN p:SL)，導(dǎo)致i:SL/p:SL和p:SL/p-GaN界面的p型極化摻雜，所述摻雜將價帶釘扎在p:SL區(qū)域1840的任一側(cè)處的費米能級以上，如圖18D中所示。這引起空穴儲層形成在i:SL/p:SL界面處。雖然這些單位晶胞之間的平面內(nèi)晶格常數(shù)中仍然存在某一改變，這與圖18C中圖示的形式不同，但是p:SL區(qū)域1840的p型極化摻雜可能比全晶格匹配的p:SL區(qū)域1840更為有利。以上情況將具有呈壓縮狀態(tài)的p:SL。

圖18E圖示關(guān)于半導(dǎo)體裝置1800的帶能帶結(jié)構(gòu)，其中p:SL區(qū)域1840是啁啾的(例如，x_ave＝0.66-0)，i:SL區(qū)域1860是均勻的(例如，x_ave＝0.66)，并且n:SL區(qū)域1880是均勻的(例如，x_ave＝0.66)。i:SL 1860區(qū)域與p型GaN區(qū)域1820之間的p:SL區(qū)域1840的啁啾或漸變引起p:SL區(qū)域1840的體p型極化摻雜，而不是界面的每一個處的表層電荷，所述表層電荷增加經(jīng)過p:SL區(qū)域1840的p型導(dǎo)電性并且提高空穴注入。其還具有消除i:S L/p:SL和p:SL/p:GaN界面處的帶不連續(xù)性的好處，這樣進(jìn)一步提高空穴注入效率。這可以降低i:SL/p:SL異質(zhì)界面處而不是整個p:SL區(qū)域1840的位錯密度，因為晶格常數(shù)中不存在突變。

p:SL區(qū)域1840中的p型極化摻雜非常高(～5x10¹⁸cm^-3)，并且不論是否使用Mg對p:SL區(qū)域1840進(jìn)行故意摻雜，帶結(jié)構(gòu)和空穴濃度幾乎是相同的。因此，該設(shè)計上的變化形式移除啁啾的p:SL區(qū)域1840中的故意Mg摻雜，并且基本上生長成本征或非故意摻雜區(qū)域。為了避免混淆，該區(qū)域被稱為誘發(fā)的p:SL區(qū)域，因為其仍然是極化摻雜的p型。極化誘發(fā)的摻雜密度取決于成分的改變和區(qū)域的漸變距離。因此，如果成分改變被區(qū)域固定在任一側(cè)上，那么可以通過降低漸變區(qū)域的厚度來增加摻雜密度。該設(shè)計具有從靠近復(fù)合區(qū)域的位置移除Mg雜質(zhì)摻雜劑的好處，這樣可以提高遷移率以及減少無輻射復(fù)合。一般來說，p:SL的Mg摻雜不會實現(xiàn)與n:SL和i:SL一樣高的結(jié)構(gòu)品質(zhì)，因為p:SL必須富氮生長，以允許Mg摻雜劑替代地并入并且產(chǎn)生原子級粗糙層。如果p:SL區(qū)域1840可以在不需要Mg的情況下生長，那么可以提高其結(jié)構(gòu)品質(zhì)，并且因此有利地提高所需的裝置性能。

圖18F圖示關(guān)于半導(dǎo)體裝置1800的帶能帶結(jié)構(gòu)，其中p:SL區(qū)域1840是均勻的(例如，x_ave＝0.6)，i:SL區(qū)域1860是均勻的(例如，x_ave＝0.6)，并且n:SL區(qū)域1880是均勻的(例如，x_ave＝0.66)。將其與圖18C中圖示的晶格匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。對i:SL區(qū)域1860成分進(jìn)行選擇，以低于n:SL區(qū)域1880。較低i:SL區(qū)域1860成分引起n:SL/i:SL界面的p型極化摻雜，這升高本征區(qū)域中的能帶并且增加本征區(qū)域空穴濃度，如圖18F中所示。這是啁啾的i:SL區(qū)域結(jié)構(gòu)的簡化，但是實現(xiàn)了增加本征區(qū)域中的空穴濃度的類似結(jié)果。這促成更加簡單的生長，因為所述層全部是均勻的。

圖18G和圖18H圖示關(guān)于半導(dǎo)體裝置1800的帶能結(jié)構(gòu)，其中p:SL區(qū)域1840是啁啾的(例如，x_ave＝0.5-0.1)，i:SL區(qū)域1860是啁啾的(例如，x_ave＝0.7-0.6)，并且n:SL區(qū)域1880是均勻的(例如，x＝0.66)。圖18G具有在n:SL/i:SL界面處故意引入的2D極化表層電荷，并且圖18H具有在i:SL/p:SL界面處故意引入的2D極化表層電荷。在界面中的一個或多個處引入小的成分改變，以誘發(fā)表層極化電荷。例如，如果i:SL區(qū)域1860的頂部具有0.6的成分，并且p:SL區(qū)域1840的底部具有0.5的成分，那么將對界面進(jìn)行可以誘發(fā)二維空穴氣體(2DHG)的p型極化摻雜。同樣地，如果i:SL區(qū)域1860的底部具有0.7的成分，那么在66％n:SL區(qū)域1880上(即，x_ave＝0.66)，將誘發(fā)小的n型表層電荷。該重表層摻雜可用于提供載流子儲層，以提高注入效率以及減少載流子過沖。由于2DHG中的高橫向遷移率，還可以提高電流擴散。

也可以實現(xiàn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1800的其它變化形式。例如，可以生長均勻的p:SL區(qū)域1840，并且僅i:SL區(qū)域被啁啾以輕微誘發(fā)p型極化，例如從x_ave＝0.66至x_ave＝0.55。相反方向(即，從高Ga含量至低Ga含量)上的啁啾可以誘發(fā)n型而不是p型極化摻雜。這可以在n:SL區(qū)域1880的頂部使用，以提供極重?fù)诫s的層來充當(dāng)電子儲層。n型極化啁啾還可用于重?fù)诫s埋在n:SL區(qū)域1880中的層作為橫向電流散布層，或者提供高度摻雜的區(qū)域用于歐姆觸點形成。

p-GaN被視為是任選的，并且接觸可直接至p:SL區(qū)域1840。如果p:SL區(qū)域1840被選擇成在工作波長下是透明的并且p觸點是反射性的，那么這可以顯著地提高光萃取效率。對于啁啾的p:SL，平均合金成分的漸變可以簡單地在仍然充分透明例如x_ave＝0.4且直接接觸的成分處終止。然而，這可能會減小可以執(zhí)行啁啾的成分范圍，并且因此降低潛在極化摻雜。

本發(fā)明有利地提供具有廣泛應(yīng)用的尤其關(guān)于DUV LED的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明有利地克服或至少減少限制DUV LED的商業(yè)開發(fā)的許多制約因素。

雖然已經(jīng)主要參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的二極管和LED對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)了解的是，在上下文允許的情況下，也可以構(gòu)建其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和裝置。

在本說明書中，術(shù)語“超晶格”指代包括多個重復(fù)單位晶胞的分層結(jié)構(gòu)，包括兩個或多個層，其中所述單位晶胞中的層厚度足夠的小，相鄰單位晶胞的對應(yīng)層之間存在明顯的波函數(shù)滲透，以使得電子和/或空穴的量子隧道效應(yīng)可容易地發(fā)生。

在本說明書中，諸如第一和第二、左側(cè)和右側(cè)、頂部和底部等的形容詞可僅用于將一個要素或動作從另一要素或動作中區(qū)分出來，不必要求或暗示任何實際的所述關(guān)系或順序。在上下文允許的情況下，對整數(shù)或組分或步驟(等)的提及不應(yīng)被解釋成僅限于所述整數(shù)、組分或步驟中的一個，而是可能是所述整數(shù)、組分或步驟等中的一個或多個。

本發(fā)明的各種實施方案的以上描述提供用于向本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行描述的目的。并非意在窮舉，或者將本發(fā)明限制到單個公開的實施方案。如上面所提及，本發(fā)明的眾多替代形式和變化形式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的。因此，雖然已經(jīng)具體地討論了一些替代實施方案，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言其它實施方案將是明顯的或者相對容易開發(fā)的。本發(fā)明意在涵蓋本文已經(jīng)討論的本發(fā)明的所有替代方案、修改和變化形式，以及在以上所描述的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其它實施方案。

在本說明書中，術(shù)語“包括(comprises、comprising、includes、including)”或類似術(shù)語意在表示非排他性的包括，以使得包括一系列要素的方法、系統(tǒng)或設(shè)備并非僅包括這些要素，而是可能也包括未列出的其它要素。

本說明書中對任何現(xiàn)有技術(shù)的提及并非且不應(yīng)被理解成承認(rèn)或以任何形式示意現(xiàn)有技術(shù)形成公知常識的一部分。