[發明專利]半導體異質結構

無效

• 申請號: 200580038404.9
• 申請日: 2005-09-19
• 公開（公告）號: CN101057343A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 馬克西姆·歐得諾萊多夫;弗拉德斯拉夫·鮑格諾夫
• 申請（專利權）人: 奧普特岡有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 顏濤;鄭霞

技術領域

本發明涉及一種用于發光器件的半導體異質結構，具體地，涉及一種由晶格失配半導體材料構成的結構。該異質結構包括由兩個發射極組成的注入區、光產生層(light?generation?layer)、以及電子俘獲區。更具體地，該異質結構可以由熱電材料制成，具體地，由第三族金屬及其合金的氮化物制成。該異質結構還可以由包括第三族金屬的砷化物以及磷化物的氮制成。

背景技術

可以將本文中稱為LED的發光二極管的外量子效率定義為：

η_ext＝γ·η_cap·η_int·η_out，

其中，γ是注入效率，η_cap是將載流子俘獲進光產生區的效率，η_int是光產生區中載流子的輻射復合產生的輻射效率，η_out是光提取效率。通過對所有這些參數取最大值而獲得最大的LED效率。前三個因子集合在一起，最理想的狀態是在LED結構設計期間就同時處理他們。

處理的第一個因子是將載流子俘獲進光產生區的效率。在器件層之間晶格失配的情況下，電子和空穴在其中復合的層的厚度應該足夠小，以保護材料性質以及避免由位錯形核引起的應變馳豫。然而，當減小層的厚度時，光產生層中俘獲的載流子明顯地減少。可以通過以下關系表征這種俘獲：

q+-q-=-ndτ,]]>

其中，q₊和q_-是進入光產生層和流出光產生層的載流子流量，n是發射極中載流子的密度，d是光產生窄帶隙層的寬度，τ是俘獲時間，通常該俘獲時間由電-光聲子相互作用(electron-optical?phonon?interaction)決定。該關系表明隨著光產生層寬度的減少，載流子流量的俘獲部分減少并與俘獲時間成反比。對于固定寬度的光產生層，因為電子有效質量的值較低，并且因此能量馳豫時間τ較長，所以載流子的俘獲對于電子比對于空穴效率低。另一個減少俘獲進窄能帶隙區中的載流子的固有機制是部分地反射來自該區域的電子或空穴波。因此，載流子存在于窄能帶隙區中的概率降低，導致與窄帶能隙中的定域態的低效耦合并導致俘獲時間τ的增加。結果，器件的俘獲效率降低，并且效率η_ext比上注入電流的最大值遠低于典型的器件工作電流。很多結構試圖解決這個問題。一種解決方案是在光產生區的空穴注入側上使用另外的寬帶隙層以防止電子溢出該區域。該解決方案適用于基于氮化物的發光器件的情況，其由Nagahama等人在美國專利號6677619中提及并在此參考。然而，該勢壘的出現增加了電子和空穴的反射，使該解決方案并不理想。為了防止載流子從光產生區逃逸，Nakamura等人在美國專利申請號2004/0101012中建議從光產生區的兩側插入兩個勢壘。因為大體上該解決方案從勢壘產生載流子的強反射，所以發明人建議將勢壘做的盡可能的薄以增加載流子隧穿其的概率。但是，該解決方案的一個缺點是：在這種情況下，載流子的隧穿是不共振的，因此，對于任何合理的勢壘厚度，該勢壘對載流子的反射顯著地減小了俘獲進光產生區中的載流子的效率。Wang等人在英國專利號2352326中公開了一種CART結構，其中電子被積累在結構的n型部分的預備儲層中，從那里電子共振地穿過光產生區。該儲層應該是足夠的厚以有效地積累載流子。實際上，很難以晶格失配半導體材料為基礎實現厚的高質層。

處理的第二個因子是注入效率，因為光子在靠近p-n界面的薄的光產生層產生，因此，期望在該界面上提供最大的注入效率。普通的解決方案是在不改變材料性質的情況下，對發射極盡可能大的摻雜。但是，對于某些材料而言，基本材料性質限制了發射極中的一個中的活性摻雜中心的濃度，其他發射極的過度摻雜破壞了光產生層上的光子和空穴注入電流的平衡，導致了注入效率減小。