[发明专利]一种高效率的发光二极管以及激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效率的发光二极管以及激光器。

背景技术

发光二极管(LED)是p-n结器件，随着近年来光电子器件的发展和扩展，已经在很多应用中被广泛使用。在许多应用中，诸如音频系统、汽车、家用电子器件和计算机系统等，在电磁波谱中可见光部分发射的电子器件已经被用作简单的状态指示器、动态的功率水平图形条，以及字母数字显示。红外线器件已经开始结合光谱匹配的光电晶体管来使用，例如在光隔离器、手持式远程控制器以及在阻断式反射型光纤感测应用中。

LED是根据半导体中的载流子(电子和空穴)的重组来操作的。当导带中的电子与价带中的空穴组合时，它会以发射光子(即光)的形式失去相当于半导体能带隙的能量。在平衡条件下，重组事件的数量是对于实际应用来说是不充分的，但是可以通过增加少数载流子的数目来进行增强。

少数载流子的密度在传统上是通过对二极管进行正向偏置来增加的。在结边际的少许扩散长度内，被注入的少数载流子会与多数载流子进行重组，从而产生与半导体的能带隙能量相对应的波长的光子。

与其他电子器件一样，存在着对于更有效率的LED的期望和需求。具体来说，期望LED能够以更高的强度运行同时消耗更少的能量。例如，较高强度的LED具体适用于各种高度惰性的环境中的显示器或状态指示器。而功耗较低的高效率LED具体适用于各种便携式电子设备应用。为了满足对于更高强度、更低功率和更有效率的LED的需要的尝试的实例可以从用于可见光谱的红光部分的AlGaAs LED技术的发展中看出。对于在可见光谱中的从400纳米(nm)(3.10eV)到770nm(1.61eV)的范围中的绿光、蓝光以及紫外区域中发射的LED来说，也能感受到相似的持续的需要。因为红色、绿色和蓝色是三原色，对于要产生全色彩的显示器或纯白光来说，它们的存在是必需的。

如上所述，给定半导体材料所能生成的光子的波长(s)是材料的能带隙(E_g)的函数。这种关系可以被表达为s(nm)＝1240/E_g(eV)。因此，能带隙较小的材料会产生能量较低、波长较长的光子，而能带隙较宽的材料应产生能量较高、波长较短的光子。例如，常用于激光器的一种半导体是磷化铟镓铝(InGaAlP)。这种材料的能带隙取决于所存在的各种元素的摩尔比或原子比，而InGaAlP所能生成的光受限于可见光谱中的黄光到红光部分，即约560至700nm。

为了生成具有在光谱中的绿光、蓝光或紫外(UV)部分中的波长的光子，需要具有相对大的能带隙的半导体材料。通常的候选半导体材料包括碳化硅(6H-SiC，具有2.5eV的能带隙)，以及氮化铟(InN，具有1.9eV的能带隙)、氮化镓(GaN，具有3.4eV的能带隙)和氮化铝(AlN，具有6.2eV的能带隙)的合金。因为这些氮化物能够形成固溶体，所以有可能在室温下将这些合金(AlInGaN)的能带隙调整为从1.9eV到6.2eV，对应的波长为从653nm到200nm。

发明内容

对于绿光、蓝光和UV波长来说，氮化铝铟镓(AlInGaN)是极具吸引力的LED候选材料，因为其在室温下具有相对大的能带隙，并且还因为它是直接能带隙材料，而不是间接能带隙材料。总得来说，以直接能带隙材料形成的LED比以间接能带隙材料形成的LED更有效率，这是因为载流子的重组可以直接发生，无需借助光子(晶格振动)，并且直接跃迁产生的光子比间接跃迁产生的光子能够保留更多的能量。

因为体型氮化镓(六边形GaN；a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)衬底不易获得，AlInGaN层通常生长在蓝宝石(六边形α-Al₂O₃；a＝0.4578nm，c＝1.299nm)上或生长在碳化硅衬底(六边形6H-SiC；a＝0.308nm，c＝1.512nm)上。该等AlInGaN膜通过在6H-SiC上晶格匹配外延或者通过在蓝宝石上域匹配外延来生长。蓝宝石上的AlInGaN生长涉及到在基面中的30/90度旋转，以及在膜与衬底之间的主平面(major plane)的6/7域匹配。在膜与衬底之间的晶格常数和热膨胀系数之间的差异导致了失配的应变，造成了在AlInGaN层中的高的位错密度，通常约为10¹⁰cm^-2。当载流子(电子和空穴)被位错捕集时，它们会以非放射性的方式重组而不会产生光。