[发明专利]具有减少极化感应电荷的高效能发光器

说明书

本申请是申请日为2002年8月2日，申请号为00818793.2的分案申请。

相关申请

本申请享有在1999年12月2日提出的，申请号为60/168,495的临时专利申 请的优先权。

发明背景

发明领域

本发明涉及在极性表面上生长的发光化合物半导体晶体，具体地说涉及减少 或消除其自然产生的极化感应电荷以改善发射效率。

相关技术的描述

大部份半导体发光器具有一双异质结构的结构，其包括一在两包覆层之间生 长的活化或发光层。双异质结构的各层由一种以上材料制成。一包覆层为n型，即 表示其含有超量自由电子，而另一包覆层为p型，即表示其含有超量电洞。通常， 包覆层比活化层具有较大的带隙。这使注入的电子和电洞被局限在活化层内，促使 自由载体在活化层内通过空间局部化进行有效重组以产生光。另外，激光二极管(LD) 的发射器也具有通常由一种带隙更宽的材料构成的分离限制光层，围绕在双异质结 构的周围。双异质结构半导体装置已在许多刊物介绍过，包括O’Shea等人的“激 光及其应用介绍”，第166-167页，由Addison Wesley出版公司在1978年12月发 行。

当材料成分在其基本晶体结构的极性方向变化时，这种结构就会产生极化感 应电荷。极性方向是指与晶体的极化向量P不正交的任何晶体方向。这对具有自然 方向性和甚至稍微离子化晶键的材料特别适用，如第III-V族或第II-VI族半导体。 在晶格失配的材料中，这些电荷可能与应变有关(压电性)，由于不同材料晶键的离 子强度不同，这些电荷就可能与成分有关(自发性)，或与二者都有关。感应电荷会 产生对自由载体及外部电场有相同影响的电场或电势梯度。这种现象已在许多刊物 讨论过，包括Bernardini等人的“第III-V族氮化物的自发性极化及压电常数”， 《美国物理学会期刊》，物理评论B，卷56，No.16，1997年，第R10 024-027页， 和Takeuchi等人的“因GaInN应变量子阱的压电场引起限制量子的斯塔克效应”， 《日本应用物理期刊》，卷36，部2，No.4，1997年，第L382-L385页。在晶体 极性表面上生长的氮化物双异质结构中，这种电场强度估计高达2.5×10⁶V/cm，参 考Bykhovski等人的“弹性应变张驰及GaN-AlN、GaN-AlGaN及GaN-InGaN超晶格 压电效应”，《日本应用物理期刊》，卷81，No.9，1997年，第6332-6338页。

当考虑在晶体极性表面生长的异质结构的电特性时，必须要将极化感应电荷 考虑在内。在纤锌矿氮化镓晶体中，晶体层沿0001方向生长，在闪锌矿砷化镓晶 体中，晶体层则沿111方向生长，这两个都是晶体极化表面的例子。纤锌矿结构的 布拉维晶格为六角形，垂直于六角形的轴通常称为C轴或0001方向。沿该轴可将 结构看成一系列由正六角形构成的同元素(例如，全部为Ga或全部为N)的原子层。 由于元素相同，所以每一层(或表面)都已极化并带有一正或一负电荷，产生穿过原 子层的一偶极子。每层的电荷状态取决于其成分原子。其它具有各种生长方向的晶 体平面的例子可参考Streetman的《固态电子装置》，第二版，Prentice-Hall公 司，1980年，第1-24页，及Shuji Nakamura等人的《蓝激光二极管，以氮化镓 为基的发光器及激光器》，Springer，1997年，第21-24页。

直到最近，与发光异质结构的活化及包覆区相关的内部极化场已不再引起重 要问题。这是因为以已知的Al-Ga-In-As-P材料系统为基的发光二极管(LEDs)通常 在非极性晶体表面上生长(特别是001闪锌矿表面)。然而，最近对以Al-Ga-In-N(氮 化物)材料系统为基的发光器进行了大量的研究，这些发光器大部份都是沿纤锌矿 晶体高极性表面的0001方向生长。但是，氮化物双异质结构却是传统非极性设计。