[發明專利]具有極化補償機制的氮化物量子阱、激光器及發光二極管

無效

• 申請號: 201310683537.8
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103682981A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 仇伯倉;趙青春
• 申請（專利權）人: 廣東高聚激光有限公司;蘇州華必大激光有限公司
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343;H01L33/06
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 項麗

技術領域

本發明涉及半導體光電子領域，具體涉及一種具有極化補償機制的氮化物量子阱、包含有該氮化物量子阱的激光器以及包含有該氮化物量子阱的發光二極管。

背景技術

基于InGaN/GaN量子阱結構的激光器的發光范圍可以從紫外到綠光，其應用包括醫療，信息存儲、高分辨率激光印刷等，其最大的應用前景是激光投影和激光電視，因為基于紅綠藍激光的顯示系統具有更好的色彩飽和度，更能逼真地呈現自然界的色彩。

自從1995年日本日亞公司的Nakamura等演示了InGaN/GaN激光器以來，InGaN/GaN激光器已經取得了巨大進展，體現在器件的性能如閾值電流、外量子效率以及輸出功率等。然而當激光器的波長向長波方向移動時，由于需要在InGaN/GaN量子阱材料組分中添加更多的In，導致量子阱的應變更高，而且量子阱材料的極化電場與其應變成正比，極化電場使得電子與空穴的包絡函數耦合降低，導致了含有更高In組分的InGaN/GaN量子阱結構器件的光增益降低、閾值電流增加。在氮化物材料體系中，存在著兩種機理不同的極化：其一是材料的自發極化，自發極化的本質在于氮化物材料的極性分子結構及其晶體結構；其二為由于材料的晶格失配而引起的壓電極化。氮化物材料的晶格為六方對稱鉛鋅礦結構，由于其晶體結構缺乏對稱性，因而在六方體對稱軸方向存在著自發極化。而壓電極化是當延六方體對稱軸方向有應力存在時，比如由于晶格失配而產生的應力，在六方體對稱軸方向就會出現極化電場。自發極化與壓電極化導致了量子阱內有很強的極化電場，這一電場使得導帶量子阱中的電子與價帶量子阱中的孔穴在空間上分離，大大降低了載流子的復合效率。例如，在量子阱的厚度只有3納米的InGaN/GaN量子阱中導帶電子的薛定諤波函數與價帶孔穴的薛定諤波函數的空間重疊只有20%左右，而在非極化的量子阱中，這一重疊幾乎達到100%，更為嚴峻的是隨著InGaN/GaN量子阱材料中In的組分的增多以及量子阱尺寸的增加，這一效應更為顯著。載流子復合效率的降低最直接的結果是激光的閾值電流增加，光增益降低。

鑒于激光顯示技術的巨大應用前景，以及其對應的產值有可能超過數千億元，顯然研制具有極化補償機制的InGaN/GaN量子阱，提高InGaN/GaN量子阱中導帶電子的包絡波函數（即薛定諤波函數）與價帶孔穴的包絡波函數的空間重疊程度，使InGaN/GaN激光器能夠工作在更長的波長并且具有低閾值電流密度、高量子效率具有重要的學術意義與商業應用前景。

發明內容

本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種具有極化補償機制的氮化物量子阱。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種具有極化補償機制的氮化物量子阱，包括交替層疊生長的多層勢阱層和多層勢壘層，其特征在于：所述勢阱層材料為In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN，其中0＜y＜0.6，所述勢阱層材料中y的取值在量子阱生長方向從低向高或從高向低連續漸變，且y?值沿生長方向z的變化關系滿足式Ⅰ，

（Ⅰ）

式中：E表示量子阱中的總極化電場，E_g,InN為氮化銦材料的能帶寬度，E_g,GaN為氮化鎵材料的能帶寬度。

優化地，所述量子阱的能帶寬度E_g滿足式Ⅱ，

（Ⅱ）。

優化地，所述量子阱兩側的最外層均為勢壘層。

優化地，所述勢壘層的材料為Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜0.6。進一步地，所述勢壘層的材料Al_xGa_1-xN中x的取值在量子阱生長方向從0向0.6連續漸變或從0.6向0連續漸變。

本發明另一目的是提供一種激光器，該激光器包含如上所述的量子阱。

本發明再一目的是提供發光二極管，該發光二極管包含如上所述的量子阱。

由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明具有極化補償機制的氮化物量子阱，通過將勢阱層材料In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN中y的取值設置為在量子阱生長方向從低向高或從高向低連續漸變，且y?值沿生長方向z的變化關系滿足公式，能夠抵消量子阱內的極化電場對量子阱的扭曲，從而提高量子阱中導帶電子的包絡波函數與價帶孔穴的包絡波函數的空間重疊程度，使得量子阱內的電子與孔穴在空間上的偶合增加。