[发明专利]光电装置

说明书

本发明公开了一种光电装置，所述光电装置包括半导体结构，所述半导体结构包括p型有源区和n型有源区。所述半导体结构仅由一个或多个超晶格构成，其中每个超晶格由多个单位晶胞构成。每个单位晶胞包括至少两个不同的基本单晶层。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年5月27日提交的且标题为“光电装置(An OptoelectronicDevice)”的澳大利亚临时专利申请号2014902007的优先权，所述申请以引用的方式以其全文并入本文。

技术领域

本发明整体涉及光电装置。具体地讲，本发明涉及以紫外波长发光的光电装置。然而，本发明并不限于紫外波长。

背景技术

虽然已经可以生产光电装置诸如发光二极管(LED)，所述光电装置使用III族金属氮化物半导体材料诸如氮化铝镓(AlGaN)以深紫外(UV)波长(λ≤280nm)发光，但此类LED的光学发射强度迄今为止与可见波长LED相比相对较差。这部分地由于AlGaN半导体材料电子带结构中的固有限制。可以发现的是，在传统LED结构中，深紫外光沿着基本平行于层形成生长轴的方向从晶体AlGaN膜的发射并不是有利的。具体地讲，深紫外LED传统上是使用铝含量高的AlGaN合金而形成，以获得期望光学发射波长所需的带隙。此类铝含量高的成分尤其受到上述限制的影响。

普遍认为的是，此类LED中的较差的深紫外发射强度是由于所沉积的III族金属氮化物半导体材料的低劣晶体结构质量而引起的，低劣的晶体结构质量导致LED具有较差的电行为。与其他技术成熟的III-V族化合物半导体诸如砷化镓铝(GaAlA)相比，III族金属氮化物展现出高至少两个至三个数量级的晶体缺陷。III族金属氮化物的结构质量可通过天然衬底诸如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)上的外延沉积来改善。然而，即使AlN衬底可用，使用铝含量高的AlGaN材料形成的深紫外LED也仍无法沿着垂直方向有效地发光(即，垂直于层平面进行平行光发射)。

对于基于III族金属氮化物的LED的操作，在现有技术中存在另一个问题。III族金属氮化物材料的最高晶体结构质量是使用纤维锌矿晶体结构类型的膜形成的。这些膜以所谓的c平面取向沉积在天然或不相似的六边形晶体对称衬底上。此类c平面取向的III族金属氮化物膜具有在两个不相似AlGaN成分的界面边界处形成极大内部电荷片的独特性质。这些电荷被称为热电荷并且显示在每个层成分不连续性。此外，每个不同的AlGaN成分具有稍微不同的晶格参数，并且因此每个不相似的AlGaN层很容易在界面边界处形成晶体错配位错，如果没有正确地管理，则错配位错传播到所述层的内部。如果不相似的AlGaN层形成为使晶体错配位错最小化，那么生成另一个有问题的内部电荷，称为压电电荷。因此，这些内部热电电荷和压电电荷在它们在LED内生成内部电场时对LED设计提出进一步挑战，这倾向于阻止光生成所需的电荷载流子的复合。

另一个问题是III族金属氮化物材料的固有地高的折射率，这进一步限制了在LED内生成的可从表面逸出的光的量。已进行了大量努力来实现表面纹理化以改进光从表面的逃逸锥。这些解决方案通过改进来自深UV LED的光发射已取得一些成效，但与UV气体灯技术相比时，仍然远远不能实现商业上具有重要意义的光功率密度。即使存在表面纹理化并且使用了光学耦合结构诸如光子带隙图案化结构，UV LED也一直无法沿着垂直方向有效地发光。

现有技术中发现的另一个限制是，与III族金属砷化物半导体相比，III族金属氮化物半导体经由膜沉积而生长非常具有挑战性。即使已使用分子束外延(MBE)和金属有机气相沉积(MOCVD)展示了氮化铟镓(In_xGa_1-xN)、氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)和氮化铟镓铝(In_xGa_yAl_1-x-yN)的令人信服范围的任意合金成分，但大量不相似的成分沉积为LED的单个外延堆叠的一部分仍然存在巨大的技术挑战。实际上，这限制了可使用III族金属氮化物半导体和此类生长技术来实现的带隙构造结构的复杂性和范围。