[发明专利]具有能带结构电位波动的高效紫外发光二极管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年4月30日提交的、题为“METHOD OF GROWING AlGaN LAYER WITH BAND STRUCTURE POTENTIAL FLUCTUATIONS AND MANUFACTURING ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICES CONTAINING THE SAME”的美国临时申请No.61/329,947的优先权，其通过参考并入本文中。

关于联邦资助的研究或开发的声明

获得本发明的工作在按照由United States Army Research Lab.承包的合同No.W911NF-06-2-0040下提供的美国政府支持完成。因此，美国政府在本发明中具有特定的权益。

背景技术

包括(Al,Ga,In)-N及其合金的III族氮化物材料的带隙从InN(0.7eV)的极窄带隙延伸到AlN(6.2eV)的极宽带隙，使得它们非常适合于光电子应用，例如，在从近红外延伸到深紫外的宽光谱范围上的发光二极管（LED）、激光二极管、光调制器和检测器。在有源层中使用InGaN可以获得可见光LED和激光器，而紫外（UV）LED和激光器则需要AlGaN的更大的带隙。

基于InGaN和AlInGaP系统的可见光谱LED已经成熟并且现在已大规模生产。然而，UV LED的开发仍受到多个困难的阻碍，包括AlGaN合金的基本材料特性，尤其是具有高Al含量的那些。与具有大于50%的外部量子效率（EQE，所提取的光子与所注入的电子-空穴对的比率）的可见光谱范围中的LED相比，例如发出低于300nm的深UV LED仅具有达1%的EQE。

预计具有在230-350nm范围中的发射波长的UV LED会找到广泛的应用，其大多数都基于UV辐射与生物材料之间的相互作用[Khan等,2008]。典型的应用包括表面消毒、水净化、医疗设备与生物化学、用于超高密度光学记录的光源、白光照明、荧光分析、感测、和零排放汽车。尽管经过许多年的深入研究，UV LED，尤其是发出低于300nm的那些，在与其蓝光或绿光器件相比，仍然是效率极差的。例如，Hirayama等最近报告了在282nm的10.5mW单芯片LED操作和1.2%的峰值EQE[Hirayama等,2009]。

III族氮化物在c平面蓝宝石上的生长是已知的。然而，在c平面蓝宝石上生长的III族氮化物材料遭受到起因于晶体键的极性本质的极化场的存在，这导致能带弯曲和量子异质结构中的再结合效率的减小，该减小起因于电子-空穴波函数的物理分离，通常称为量子局限史塔克效应（QCSE）。由于晶格不匹配，在蓝宝石上生长的III族氮化物材料遭受到诸如位错和倒置域之类的高密度缺陷。已经研发了多种方法以获得用于器件应用的高质量单晶体材料，包括成核过程的优化和缓冲层的选择，用以缓解晶格不匹配。诸如各种晶体学平面的(111)Si、氧化铝锂(LiAlO₃)和碳化硅(SiC)之类的可替换衬底也已经用于某些应用。然而，仍在开发原生的GaN和AlN衬底，并且仍保持惊人的昂贵。