光电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括p型有源区和n型有源区。所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成，其中每个超晶格由多个单位晶胞构成。每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。

Photoelectric device

The invention discloses a photoelectric device, which comprises a semiconductor structure, wherein the semiconductor structure comprises a p active region and a n active region. The semiconductor structure is composed of one or more superlattices, each of which consists of a plurality of unit cells. Each unit cell comprises at least two different basic single crystal layers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年5月27日提交的且标题为“光电装置(AnOptoelectronicDevice)”的澳大利亚临时专利申请号2014902007的优先权，所述申请以引用的方式以其全文并入本文。
本专利技术整体涉及光电装置。具体地讲，本专利技术涉及以紫外波长发光的光电装置。然而，本专利技术并不限于紫外波长。
技术介绍
虽然已经可以生产光电装置诸如发光二极管(LED)，所述光电装置使用III族金属氮化物半导体材料诸如氮化铝镓(AlGaN)以深紫外(UV)波长(λ≤280nm)发光，但此类LED的光学发射强度迄今为止与可见波长LED相比相对较差。这部分地由于AlGaN半导体材料电子带结构中的固有限制。可以发现的是，在传统LED结构中，深紫外光沿着基本平行于层形成生长轴的方向从晶体AlGaN膜的发射并不是有利的。具体地讲，深紫外LED传统上是使用铝含量高的AlGaN合金而形成，以获得期望光学发射波长所需的带隙。此类铝含量高的成分尤其受到上述限制的影响。普遍认为的是，此类LED中的较差的深紫外发射强度是由于所沉积的III族金属氮化物半导体材料的低劣晶体结构质量而引起的，低劣的晶体结构质量导致LED具有较差的电行为。与其他技术成熟的III-V族化合物半导体诸如砷化镓铝(GaAlA)相比，III族金属氮化物展现出高至少两个至三个数量级的晶体缺陷。III族金属氮化物的结构质量可通过天然衬底诸如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)上的外延沉积来改善。然而，即使AlN衬底可用，使用铝含量高的AlGaN材料形成的深紫外LED也仍无法沿着垂直方向有效地发光(即，垂直于层平面进行平行光发射)。对于基于III族金属氮化物的LED的操作，在现有技术中存在另一个问题。III族金属氮化物材料的最高晶体结构质量是使用纤维锌矿晶体结构类型的膜形成的。这些膜以所谓的c平面取向沉积在天然或不相似的六边形晶体对称衬底上。此类c平面取向的III族金属氮化物膜具有在两个不相似AlGaN成分的界面边界处形成极大内部电荷片的独特性质。这些电荷被称为热电荷并且显示在每个层成分不连续性。此外，每个不同的AlGaN成分具有稍微不同的晶格参数，并且因此每个不相似的AlGaN层很容易在界面边界处形成晶体错配位错，如果没有正确地管理，则错配位错传播到所述层的内部。如果不相似的AlGaN层形成为使晶体错配位错最小化，那么生成另一个有问题的内部电荷，称为压电电荷。因此，这些内部热电电荷和压电电荷在它们在LED内生成内部电场时对LED设计提出进一步挑战，这倾向于阻止光生成所需的电荷载流子的复合。另一个问题是III族金属氮化物材料的固有地高的折射率，这进一步限制了在LED内生成的可从表面逸出的光的量。已进行了大量努力来实现表面纹理化以改进光从表面的逃逸锥。这些解决方案通过改进来自深UVLED的光发射已取得一些成效，但与UV气体灯技术相比时，仍然远远不能实现商业上具有重要意义的光功率密度。即使存在表面纹理化并且使用了光学耦合结构诸如光子带隙图案化结构，UVLED也一直无法沿着垂直方向有效地发光。现有技术中发现的另一个限制是，与III族金属砷化物半导体相比，III族金属氮化物半导体经由膜沉积而生长非常具有挑战性。即使已使用分子束外延(MBE)和金属有机气相沉积(MOCVD)展示了氮化铟镓(InxGa1-xN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)和氮化铟镓铝(InxGayAl1-x-yN)的令人信服范围的任意合金成分，但大量不相似的成分沉积为LED的单个外延堆叠的一部分仍然存在巨大的技术挑战。实际上，这限制了可使用III族金属氮化物半导体和此类生长技术来实现的带隙构造结构的复杂性和范围。因此，需要一种用于以UV频率具体地讲深UV频率使用的改进型固态光电装置。进一步需要改进用于构造此类光电装置的成膜方法。
技术实现思路
本专利技术的实施方案的优选目的是提供一种光电装置，所述光电装置解决或至少改善了现有技术的一个或多个前述问题和/或提供了有用的商业替代品。本专利技术以一种形式，尽管不必是唯一的或实际上最广泛的形式，在于一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括：p型有源区；以及n型有源区；其中：所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成；每个超晶格由多个单位晶胞构成；并且每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。优选地，所述半导体结构为基本单晶结构。适当地，所述半导体结构在所述n型有源区与所述p型有源区之间包括i型有源区。优选地，贯穿所述半导体结构，彼此相邻的单位晶胞具有基本上相同的平均合金含量。优选地，所述i型有源区具有大于或等于1nm且小于或等于100nm的厚度。优选地，所述i型有源区具有选自1nm至约10μm范围内的横向宽度。优选地，所述半导体结构通过沿着预定生长方向的外延层生长来构建。适当地，所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在每个超晶格内恒定。适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述半导体结构的很大一部分中恒定。适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者内沿着所述生长方向是不恒定的。适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的一部分内沿着所述生长方向周期性地变化。适当地，所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的不同区域内沿着所述外延生长方向周期性地和非周期性地变化。适当地，所述多个单位晶胞每个的至少两个层每个具有小于或等于6个材料单层的厚度，所述材料的各自层沿着所述生长方向构成。适当地，所述一个或多个超晶格的至少一部分内的所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层之一沿着所述生长方向包括1至10个原子单层并且各自单位晶胞每个的另外一个或多个层沿着所述生长方向包括总共1至10个原子单层。适当地，每个超晶格内的每个单位晶胞的不同基本单晶层的全部或大部分沿着生长方向具有1个原子单层至10个原子单层的厚度。适当地，所述多个单位晶胞每个的所述生长方向上的平均厚度在所述一个或多个超晶格的至少一者内恒定。适当地，所述n型有源区、所述p型有源区和所述i型有源区的两者或更多者中的所述单位晶胞具有不同的平均厚度。优选地，每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层具有纤维锌矿晶体对称性并且在所述生长方向上具有晶体极性，所述晶体极性为金属极极性或氮极极性。适当地，所述晶体极性沿着所述生长方向在空间上变化，所述晶体极性在所述氮极极性与所述金属极极性之间交替地翻转。适当地，一个或多个超晶格中的每个单位晶胞的每个层具有一定厚度，所述厚度被选择以通过控制所述超晶格的电子带结构中的电子和空穴的量子化能态和空间波函数来控制所述光电装置的电子性质和光学性质。适当地，所述光电装置被配置为发光装置并且通过由所述p型有源区和所述n型有源区供应的电有源空穴和电子的复合而生成光能，在基本上介于所述p型有源区与所述n型有源区之间的区域中发生所述复合。适当地，由所述光电装置发出的光为紫外光。适当地，由所述光电装置发出的光为波长范围为150nm至280nm的紫外光。适当地，由所述光电装置发出的光为波长范围为210nm至240nm的紫外光。适当地，所述光电装置发出具有相对于所述生长方向的基本横向磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括：p型有源区；以及n型有源区；其中：所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成；每个超晶格由多个单位晶胞构成；并且每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.27 AU 20149020071.一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括：p型有源区；以及n型有源区；其中：所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成；每个超晶格由多个单位晶胞构成；并且每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。2.如权利要求1所述的光电装置，其中所述半导体结构在所述n型有源区与所述p型有源区之间包括i型有源区。3.如权利要求2所述的光电装置，其中所述i型有源区具有大于或等于1nm且小于或等于100nm的厚度。4.如权利要求1所述的光电装置，其中所述半导体结构通过沿着生长方向的外延层生长来构建。5.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在每个超晶格内恒定。6.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者内沿着所述生长方向是不恒定的。7.如权利要求6所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的所述平均合金含量在所述一个或多个超晶格的至少一者的一部分内沿着所述生长方向周期性地变化。8.如权利要求4所述的光电装置，其中所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层每个具有小于或等于6个材料单层的厚度，所述材料的各自层沿着所述生长方向构成。9.如权利要求4所述的光电装置，其中所述一个或多个超晶格的至少一部分内的所述多个单位晶胞每个的所述至少两个层之一沿着所述生长方向包括1至10个原子单层并且各自单位晶胞每个的另外一个或多个层沿着所述生长方向包括总共1至10个原子单层。10.如权利要求4所述的光电装置，其中所述n型有源区、所述p型有源区和所述i型有源区的两者或更多者中的所述单位晶胞具有不同的平均厚度。11.如权利要求4中任一项所述的光电装置，其中每个单位晶胞的所述至少两个不同的基本单晶层具有纤维锌矿晶体对称性并且在所述生长方向上具有晶体极性，所述晶体极性为金属极极性或氮极极性。12.如权利要求11所述的光电装置，其中所述晶体极性沿着所述生长方向在空间上变化，所述晶体极性在所述氮极极性与所述金属极极性之间交替地翻转。13.如权利要求4所述的光电装置，其中所述光电装置被配置为发光装置并且通过由所述p型有源区和所述n型有源区供应的电有源空穴和电子的复合而生成光能，在基本上介于所述p型有源区与所述n型有源区之间的区域中发生所述复合。14.如权利要求13所述的光电装置，其中由所述光电装置发出的光为波长范围为150nm至280nm的紫外光。15.如权利要求13中任一项所述的光电装置，其中：所述光电装置发出具有相对于所述生长方向的基本横向电光学偏振的光；并且所述光电装置作为垂直发射腔装置操作，其中光在空间上生成并且沿着基本垂直于所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述单位晶胞的所述一个或多个层的平面的方向受限。16.如权利要求15所述的光电装置，其中：所述垂直发射腔装置具有垂直腔，所述垂直腔基本上沿着所述生长方向设置并且使用沿着所述半导体结构的一个或多个部分在空间上设置的金属反射器而形成；所述反射器由光学反射率高的金属制成；所述腔由所述反射器之间的光程限定，所述光程小于或等于所述装置所发出的所述光的波长；以及所述波长由包括所述半导体结构的所述一个或多个超晶格的所述光学发射能确定并且光学腔模式由所述垂直腔确定。17.如权利要求16所述的光电装置，其中所述光学反射率高的金属为铝(Al)。18.如权利要求13中任一项所述的光电装置，其中：提供反射器层以改善所述半导体结构内生成的所述光能的向外耦合；并且所述反射器层定位在所述光电装置的顶部以使从所述装置的内部发出的光基本上回射。19.如任一权利要求1所述的光电装置，其进一步包括所述半导体结构在上面生长的晶体衬底，其中缓冲层首先生长在所述衬底上，然后生长所述半导体结构，其中缓冲器充当提供平面内晶格常数的应变控制机构。20.如权利要求19所述的光电装置，其中所述缓冲层包括一个或多个超晶格。21.如权利要求20所述的光电装置，其中：透明区邻近所述缓冲层和所述衬底提供，并且所述缓冲层对于从所述装置发出的光能是透明的；并且所述光能穿过所述透明区、所述缓冲层和所述衬底耦合到外部。22.如任...

【专利技术属性】
技术研发人员：P阿塔纳科维奇，
申请(专利权)人：希拉纳集团有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU