专利名称：半导体异质结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于发光器件的半导体异质结构，具体地，涉及一种由晶格失配半导体材料构成的结构。该异质结构包括由两个发射极组成的注入区、光产生层(light generation layer)、以及电子俘获区。更具体地，该异质结构可以由热电材料制成，具体地，由第三族金属及其合金的氮化物制成。该异质结构还可以由包括第三族金属的砷化物以及磷化物的氮制成。
背景技术：
可以将本文中称为LED的发光二极管的外量子效率定义为ηext＝γ·ηcap·ηint·ηout，其中，γ是注入效率，ηcap是将载流子俘获进光产生区的效率，ηint是光产生区中载流子的辐射复合产生的辐射效率，ηout是光提取效率。通过对所有这些参数取最大值而获得最大的LED效率。前三个因子集合在一起，最理想的状态是在LED结构设计期间就同时处理他们。
处理的第一个因子是将载流子俘获进光产生区的效率。在器件层之间晶格失配的情况下，电子和空穴在其中复合的层的厚度应该足够小，以保护材料性质以及避免由位错形核引起的应变驰豫。然而，当减小层的厚度时，光产生层中俘获的载流子明显地减少。可以通过以下关系表征这种俘获q+-q-=-ndτ,]]>其中，q+和q-是进入光产生层和流出光产生层的载流子流量，n是发射极中载流子的密度，d是光产生窄带隙层的宽度，τ是俘获时间，通常该俘获时间由电-光声子相互作用(electron-optical phonon interaction)决定。该关系表明随着光产生层宽度的减少，载流子流量的俘获部分减少并与俘获时间成反比。对于固定宽度的光产生层，因为电子有效质量的值较低，并且因此能量驰豫时间τ较长，所以载流子的俘获对于电子比对于空穴效率低。另一个减少俘获进窄能带隙区中的载流子的固有机制是部分地反射来自该区域的电子或空穴波。因此，载流子存在于窄能带隙区中的概率降低，导致与窄带能隙中的定域态的低效耦合并导致俘获时间τ的增加。结果，器件的俘获效率降低，并且效率ηext比上注入电流的最大值远低于典型的器件工作电流。很多结构试图解决这个问题。一种解决方案是在光产生区的空穴注入侧上使用另外的宽带隙层以防止电子溢出该区域。该解决方案适用于基于氮化物的发光器件的情况，其由Nagahama等人在美国专利号6677619中提及并在此参考。然而，该势垒的出现增加了电子和空穴的反射，使该解决方案并不理想。为了防止载流子从光产生区逃逸，Nakamura等人在美国专利申请号2004/0101012中建议从光产生区的两侧插入两个势垒。因为大体上该解决方案从势垒产生载流子的强反射，所以发明人建议将势垒做的尽可能的薄以增加载流子隧穿其的概率。但是，该解决方案的一个缺点是在这种情况下，载流子的隧穿是不共振的，因此，对于任何合理的势垒厚度，该势垒对载流子的反射显著地减小了俘获进光产生区中的载流子的效率。Wang等人在英国专利号2352326中公开了一种CART结构，其中电子被积累在结构的n型部分的预备储层中，从那里电子共振地穿过光产生区。该储层应该是足够的厚以有效地积累载流子。实际上，很难以晶格失配半导体材料为基础实现厚的高质层。
处理的第二个因子是注入效率，因为光子在靠近p-n界面的薄的光产生层产生，因此，期望在该界面上提供最大的注入效率。普通的解决方案是在不改变材料性质的情况下，对发射极尽可能大的掺杂。但是，对于某些材料而言，基本材料性质限制了发射极中的一个中的活性掺杂中心的浓度，其他发射极的过度掺杂破坏了光产生层上的光子和空穴注入电流的平衡，导致了注入效率减小。
处理的第三个因子是辐射效率。如果器件由热电材料制成，结构中的存在应变引起自发极化和压力极化(piezo polarization)，引起内建电场，内建电场在空间上将光产生区中的电子和空穴分开。结果，对于辐射复合要求不定向的光子跃迁。这样的不定向复合导致设备辐射量子效率的增加。这样的现象在很多公开发表物中讨论过，包括Bernardini等，“Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides”，American Physical Society Journal，Physics Review B，Vol.56，No.16，1997，R10024-R10027页；Takeuchi等，“Quantum-Confined Stark Effect due topiezoelectric Fields in GaInN Strained Quantum Wells”，Janpanese Journal ofApplied Physics，Vol.36，Part 2，No.4，1997，L382-L385页；以及Ambacher等，“Phroelectric properties of Al(In)GaN/GaN heteroand quantum wellstructure”，Journal of PhysicsCondensed Matter，Vol.14，2002，3399-34343页。某种程度上，内建极化的效果可以通过使用极其薄的光产生层而最小化。但是，如上所述的这样小的厚度导致无效的载流子俘获。此外，光产生层的宽度可以变得可与厚度涨落相比较。这样的涨落可以导致光产生层中“空穴”的形成，其担当起非辐射复合中心的角色，因此又降低了器件效率。作为结果，内建电场引起的极化既限制了辐射效率又限制了俘获速率。Ibbetson等人在美国专利号6515313中公开了几种降低极化感应电荷影响的技术选择性地掺杂以提供掺杂的电荷，其可以补偿极化感应电荷；用分层的组成物(graded composition)覆盖层；用分层的组成物或混合的组成物(mixed composition)激活区域；极化反转。另一解决方案是采用晶格失配半导体化合物作为光产生区的材料。然而，在热电材料中，自发极化还是存在，即使是在驰豫或晶格失配层中其也是非零的。例如，第三族金属的氮化物中的自发极化的值近似于压电效应产生的压电极化的值。Takeuchi等人在美国专利号6569704中以及Goetz等人在美国专利号6630692中公开了降低压电极化的几种其他技术。
如以上讨论所理解，如果上述提及的所有问题的优选的解决方案相容，高效发光结构的发展将更加有战斗力。
发明内容
发明目的本发明的目的在于消除上述提及的缺点。
本发明的一个具体的目的在于公开一种应变半导体异质的新型结构，其具有增强的整体光产生能力，该异质结构由诸如第三族金属及其合金的氮化物的热电半导体材料构成，或由包括第三族金属的砷化物或磷化物的氮制成。
本发明的一个目的还在于公开一种采用上述应变半导体异质结构的新型发光二极管。
发明概要根据本发明的应变半导体异质结构，其特征在于权利要求1提出的内容。
本发明的半导体异质结构包括注入区，其包括p型传导性的第一发射极层以及n型传导性的第二发射极层；光产生层，其位于发射极层之间；以及电子俘获区，其介入于第二发射极层和光产生层之间。电子俘获区包括邻近第二发射极层的俘获层和邻近俘获层的局限层(confining layer)。如本文中所用，术语“应变异质结构”一般是指由独立层组成的异质结构，其中至少一层中的面内晶格系数(in-plane lattice parameter)不同于其均衡值，并且术语“层”通常是指单个的晶体外延层。电子俘获区的目的是提供电子能量的驰豫以及减少溢出光产生层的电子。光产生层的带隙能量小于发射极层和局限层的带隙能量。俘获层的带隙能量小于局限层的带隙能量。此外，俘获层中电子的最低能级的能量位置高于光产生层中电子的最低能级的能量位置。
根据本发明，可以选择俘获层和局限层的宽度和材料以使俘获层中电子的局域能级中的一个局域能级和第二发射极层的导带底之间的能量差等于光声子能量。术语“光声子能量”一般指零波矢值附近光子型的点阵振动能量。因为在前述情况中，电子向下迁移期间传递给声子的动量几乎为零，与任意定位的能级的俘获相比较，因为与纵向光(LO)声子的相互作用而进入窄能带隙俘获层中的电子的俘获会被增强。驰豫的发生主要是因为中等温度时光声子的自发发射。从窄能带隙俘获层至发射极层的反向载流子热发射的发生归因于声子的吸收，并因此将由因子Nq/(1+Nq)抑制，其中，Nq是普朗克分布给定的声子数。例如，以第三族金属的氮化物为例，光声子能量是大约100meV，因此，在室温下与俘获速率相比，发射速率抑制了大约40倍。进一步地，载流子能量驰豫经由俘获层中低能级接着进入邻近的窄能带隙光产生层，或直接地进入光产生层而发生。因此，与现有技术结构相比，根据本发明的俘获层具有高度增强的电子俘获效率。
根据本发明的一个优选实施例，第二发射极层中的电子的浓度调整为等于下列参数的乘积(1)第一发射极层的空穴的浓度；(2)第二发射极层中空穴的扩散系数与第一发射极层中电子的扩散系数的比值；以及(3)第一发射极层中电子的扩散长度与第二发射极层中空穴的扩散长度的比值。随着该条件的完成，注入区中的空穴和电子的浓度得到匹配，并在光产生层中提供了注入电流的平衡，产生了最大的注入效率。基于电子浓度调节的该理论在以下简要地说明。
因为在位于p-n界面附近的薄光产生层中产生光子，所以在该界面上期望提供最大的注入效率。在Shockley-Noyce-Sah模式的框架中，其假设空间电荷区中的复合并相当于通常的LED工作电流，复合率与电子以及空穴注入电流密度的乘积成比例，但是不与发射极中的多数载流子浓度的乘积成比例。对于本领域的技术人员而言，应该清楚，其原因在于在正向偏压的p-n结中、注入的载流子的浓度取决于少数载流子的浓度以及施加的电压，而不是多数载流子的浓度。因此，因为整个电流密度等于这两种电流密度的总和并在整个结构中是一个常数，所以提供了最大的注入效率，p-n界面上电子和空穴电流密度相等。对于给定的p发射极空穴浓度Pp，电子和空穴电流密度的等式为n发射极电子浓度nn建立了以下情况nn≈DpLnDnLp·Pp′,]]>其中，Dp和Dn是扩散系数，Lp和Ln相应地是n和p发射极中少数载流子的扩散长度。如本文中所用，术语“扩散系数”和“扩散长度”的定义可以在诸如桑德斯大学(saunder college)1976年出版N.W.Ashcroft和N.D.Mermin著的书《固体物理》的602页至604页中查到。对于本领域的技术人员而言，在层中设置要求的电子和空穴浓度的过程是众所周知的。对于半导体材料的假定族(例如，第三族金属的氮化物)，通常n发射极中的电子浓度高于p发射极中的空穴浓度几倍。在这种情况下，空间电荷区中的电子注入电流高于空穴注入区电流，这导致注入效率要比最大可能效率低。在这种情况下，增强光产生能力的最明显的解决方案是增加p发射极中的空穴浓度。但是，p型掺杂受到了材料基本性质的限制。在本发明的当前实施例的异质结构中，电子和空穴注入间的平衡由p-n结中合适的n发射极的设计提供。在这种情况下，中等掺杂的n发射极位于n接触层和电子俘获区之间。
在本发明的一个实施例中，应变半导体异质结构由热电半导体材料制成，光产生层具有组成物及厚度，其中，由自发热电极化引起的电场的值基本上等于应变压电电场(strain-induced piezoelectric field)中相应的一个的值，其方向基本上与应变致压电电场中相应的一个相反。如本文中所用，术语“热电极化(pyroelectric polarization)”和“压电极化(piezoelectricpolarization)”可以在诸如桑德斯大学1976年出版N.W.Ashcroft和N.D.Mermin著的书《固体物理》的555页中查到。本发明的思想是在发射极和光产生层之间设置固定的晶格失配，使得由压电极化电荷的积累引起的电场Epiezo可以补偿由自发极化电荷的积累引起的电场EspEsp≈Epiezo在这种情况下，光产生层中载流子没有在空间上分隔，并且其导致了增强的辐射效率。例如，AlInGaN层中，可以根据组成物将压电极化和自发极化对准相反方向。从而，选择光产生层和邻近层的材料以使由自发极化(热电极化)引起的内建电场的值基本上等于内建压电电场的值，并使由压力极化(压电极化)引起的内建电场的方向与内建压电电场的方向相反。热电层材料可以是诸如第三族金属及其合金的氮化物。发射极层中至少一层可以包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1。光产生层、局限层、以及俘获层中至少一层可以包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
本发明的结构的可优选的非热电材料是包括第三族金属的砷化物和磷化物的氮。举例来说，发射极层、光产生层、局限层、以及俘获层中至少一层可以包括AlxInyGa1-x-yAsaNbP1-a-b，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，并且0≤a≤1，0≤b≤0.1，0≤a+b≤1。
如本发明的一个优选实施例，如果期望，进一步地可以通过在结构中介入其他的层来设置增强的载流子驰豫。根据本实施例，宽和窄带隙层中至少一对介入在局限层和光产生层之间，邻近局限层的层是窄带隙层。宽带隙层的带隙能量大于窄带隙层和光产生层的带隙能量。选择窄带隙层和宽带隙层的组成物及宽度以使任何窄带隙层中电子的最低能级高于光产生层中电子的最低能级，低于俘获层中电子的最低能级，并低于位于考虑的(considered)窄带隙层和局限层之间的窄带隙层电子的最低能级。此外，选择该组成物和宽度以使俘获层(16)中电子的最低局域能级和邻近局限层的窄带隙层中电子的最低局域能级之间的能量差等于光声子能量。也可以在每对邻近的窄带隙层之间进行对于声子能量的这样的调整。在这种结构中的向下能量驰豫通过辅助驰豫进程的系列声子发生，并因此将进一步增强。
包括上述其他的宽带隙层和窄带隙层的结构还可以由热电材料构成。在这种情况下，发射极层中至少一层可以包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1。光产生层、局限层、以及俘获层中至少一层可以包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。其他的层可以包括诸如交互的AlmiInniGa1-mi-niN宽带隙层和AlkiInliGa1-ki-liN窄带隙层，其中i列举对数，0≤mi≤1，0≤ni≤1，0≤mi+ni≤1，0≤ki≤1，0≤li≤1，0≤ki+li≤1。
在根据本发明的具有上述热电层材料的结构中，可以将n型传导性的其他低电阻率区添加邻近于上述第二发射极层，该低电阻率区包括由多对交互的AlxGa1-xN层和AlyGa1-yN层构成的横向电流输运超晶格(lateralcurrent spreading superlattice)，其中0≤x≤1以及0≤y≤1。
在俘获区中具有其他宽带隙层和窄带隙层的非热电结构中，发射极层、光产生层、局限层、以及俘获层中至少一层可以包括AlxInyGa1-x-yAsaNbP1-a-b，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，并且0≤a≤1，0≤b≤0.1，0≤a+b≤1。其他层可以包括诸如交互的AlmiInniGa1-mi-niAspiNqiP1-pi-qi宽带隙层和AlkiInliGa1-ki-liAsriNsiP1-ri-si窄带隙层，其中i列举对数，0≤mi≤1，0≤ni≤1，0≤mi+ni≤1，0≤pi≤1，0≤qi≤0.1，0≤pi+qi≤1，0≤ki≤1，0≤li≤1，0≤ki+li≤1，0≤ri≤1，0≤si≤0.1，0≤ri+si≤1。
根据本发明的发光二极管(LED)的特征在于权利要求11中提出的内容。该发光二极管包括上述应变半导体异质结构。因此，与现有技术相比，其很大地增强了发光效率。整个器件设计的目的在于增强高电流密度工作期间的光产生能力。本发明的实施例的所有描述的方面可以结合起来，例如，声子能量调整、其他的俘获区层、电子浓度调整以及压电场补偿，并且其优势在于同时处理他们以获得理想的器件性能。举例来说，可以选择光产生层、电子俘获区中的窄带隙层以及发射极层的组成来设置(a)光产生层中的平坦区轮廓；(b)等于光声子能量的跃迁能量(transition energy)(c)要求的发射波长。掺杂的程度由上述平衡电流注入的条件给出。
根据本发明的发光二极管的特征还在于权利要求12提出的内容。发光二极管具有根据权利要求5或10的半导体异质结构，其在本文件中较早就做过解释。根据本发明，上述异质结构生长于材料是GaP、GaP或InP的衬底上。此外，发射极层是与衬底匹配的晶格。换句话说，发射极层的晶格常数基本上与衬底的晶格常数相同。
总之，以本发明可以获得与现有技术相比的几点优势。更具体地，具有描述的声子能量调整的电子俘获区提供电子能量的有效驰豫，并抑制电子逸出光产生层。作为又一优势，可以使注入区中的空穴和电子的密度匹配，以使光产生层中注入电流平衡。作为再一优势，如果异质结构由热电半导体材料构成，光产生层可以具有该层中的电场大约等于零的组成物。作为结果，采用根据本发明的异质结构的发光二极管的整个外量子效率会被增强。整个器件设计成在高电流密度工作期间增强光产生能力。
将在下列详细描述及其附图中，进一步描述前述说明和同样被实现的本发明的优点和方法。
在以下部分，将参照附图详细描述本发明，其中图1是示出根据本发明的半导体异质结构的一个实施例的示意性截面图；
图2示出了图1的半导体异质结构的光产生层和俘获层的能带；图3示出了根据本发明，具有一对介入在局限层和光产生层之间的宽带隙层和窄带隙层的半导体异质结构的能带；图4a示出了在n发射极中的电子浓度超过了p发射极中的空穴浓度的情况下，在发光二极管中使用的基于半导体异质结构的p-n结；图4b示出了整个同样的结构中电子和空穴的浓度分布；图4c示出了整个同样的结构中电子和空穴电流密度的分布；图5a示出了根据本发明，在发光二激光中使用的基于注入平衡的半导体异质结构的p-n结；图5b示出了整个同样的结构中电子和空穴的浓度分布；图5c示出了整个同样的结构中电子和空穴电流密度的分布；以及图6是示出根据本发明的由第三族金属的氮化物制成的发光二极管中的半导体异质结构的示意性截面图。
具体实施例方式
在图1中，示出了半导体异质结构的截面的示意图。异质结构(一般用10表示)包括由第一发射极层11和第二发射极层12组成的注入区、光产生层13、以及由俘获层和局限层组成的电子俘获区14。
图2描绘了图1中示出的异质结构的示意性能带图。俘获区是邻近第二发射极层的窄带隙层。在俘获层和光产生层之间具有宽带隙的层是局限层。调整俘获层和局限层的宽度和组成物，以使俘获层的局域电子能级中的一个局域电子能级和电子发射极中的导带底之间的能量差等于光声子能量。电子俘获进窄带隙俘获层的发生是因为与标记为1的纵向(LO)光声子的相互影响。作为结果，与俘获进任意位置的能级比较俘获效率会被增强。进一步地，标记为2的载流子能量的驰豫首先经由相同窄带隙俘获层中的低能级发生，接着进入邻近的窄带隙光产生层。
图3描绘了具有一对增加在局限层和光产生层之间的宽带隙层和窄带隙层的异质结构的示意性带图。调整介入层的组成物和宽度以使窄带隙层中的电子的最低能级高于光产生层中的电子的最低能级，并低于俘获层中的电子的最低能级。此外，调整介入层以使邻近的俘获层和窄带隙层中的最低能级之间的能量差等于光声子能量。在图2情况下发生的电子俘获进窄带隙俘获层是因为与纵向光声子(标记为1)的相互影响。该结构中向下能量驰豫发生通过用2和3的系列进程标记，后者是声子辅助进程。因为其他的光子辅助步骤3，与没有其他层的情况相比，能量驰豫会被进一步增强。
图4和图5的比较阐明了根据本发明的电子浓度调整的效果。在图5的结构中，电子浓度满足以下条件nn≈DpLnDnLp·Pp′]]>其中，Dp和Dn是扩散系数，Lp和Ln相应地是n和p发射极中少数载流子的扩散长度。在这种情况下，p-n结上的电子和空穴电流密度是相等的，因此与图4中n发射极的电子浓度超过p发射极中空穴浓度的情况对比，注入效率最大。
图6根据本发明的实施例，给出了由第三族金属的氮化物制成的发光二极管的半导体异质结构的实施例。一般由10表示的异质结构包括注入区，其由第一发射极层11和第二发射极层12组成的，第一发射极层11由具有5×1017cm-3的空穴浓度和0.5μm厚度的p传导性的GaN制成，第二发射极层由12由具有1×1018cm-3的电子浓度和0.5μm厚度的n传导性的GaN制成；光产生层13，其由厚度为0.003μm的未掺杂的Al0.04In0.22Ga0.74N制成；电子俘获区，其由局限层15和电子俘获层16组成，局限层15由厚度为0.0015μm的未掺杂的Al0.2In0.05Ga0.75N制成，电子俘获层16由厚度为0.006μm的未掺杂的In0.06Ga0.94N制成；以及低电阻率区17，其由GaN制成，并具有5×1018cm-3的电子浓度和2μm厚度的n传导型。
本发明不仅限于以上的实施例，相反，很多变化都可能在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种应变半导体异质结构(10)，其包括注入区，其包括具有p型传导性的第一发射极层(11)和具有n型传导性的第二发射极层(12)；光产生层(13)，其位于所述第一发射极层(11)和所述第二发射极层(12)之间，所述光产生层的带隙能量小于所述第一发射极层和所述第二发射极层的带隙能量；电子俘获区(14)，其位于所述光产生层(13)和所述第二发射极层(12)之间，所述电子俘获区包括邻近所述第二发射极层的俘获层(16)以及邻近所述电子俘获层的局限层(15)，所述局限层的带隙能量大于所述光产生层的所述带隙能量，所述俘获层的带隙能量小于所述局限层的所述带隙能量，以及所述俘获层中电子的最低能级高于所述光产生层中电子的最低能级；其特征在于，所述局限层(15)和所述俘获层(16)的宽度和材料选择成提供所述俘获层(16)中电子的局域能级中的一个局域能级和所述第二发射极层(12)的导带底之间的能量差等于光声子的能量。
2.根据权利要求1所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，所述第二发射极层(12)中电子的浓度被调整等于以下的乘积所述第一发射极层(11)中空穴的浓度；所述第二发射极层(12)中空穴的扩散系数与所述第一发射极层(11)中电子的扩散系数的比值；及所述第一发射极层(11)中电子的扩散长度与所述第二发射极层(12)中空穴的扩散长度的比值。
3.根据权利要求1或2所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，所述应变半导体异质结构由热电半导体材料制成；以及所述光产生层(13)的宽度和材料选择成提供由自发热电极化引起的内建电场具有量级基本上等于内建压电电场的相应量级，且其方向基本上与所述内建压电电场的相应方向相反。
4.根据权利要求3所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，实现下列条件中至少一个所述第一发射极层(11)包括Alx1Ga1-x1N，其中0≤x1≤1；所述第二发射极层(12)包括Alx2Ga1-x2N，其中0≤x2≤1；所述光产生层(13)包括Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1；所述局限层(15)包括Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，其中0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1；以及所述俘获层(16)包括Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，其中0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5≤1。
5.根据权利要求1或2所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，实现下列条件中至少一个所述第一发射极层(11)包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asa1Nb1P1-a1-b1，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1，以及0≤a1≤1，0≤b1≤0.1，0≤a1+b1≤1；所述第二发射极层(12)包括Alx2Iny2Ga1-x2-y2Asa2Nb2P1-a2-b2，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1，以及0≤a2≤1，0≤b2≤0.1，0≤a2+b2≤1；所述光产生层(13)包括Alx3Iny3Ga1-x3-y3Asa3Nb3P1-a3-b3，其中0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，以及0≤a3≤1，0≤b3≤0.1，0≤a3+b3≤1；所述局限层(15)包括Alx4Iny4Ga1-x4-y4Asa4Nb4P1-a4-b4，其中0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1，以及0≤a4≤1，0≤b4≤0.1，0≤a4+b4≤1；以及所述俘获层(16)包括Alx5Iny5Ga1-x5-y5Asa5Nb5P1-a5-b5，其中0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5≤1，以及0≤a5≤1，0≤b5≤0.1，0≤a5+b5≤1。
6.根据权利要求1或2所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，所述俘获区(16)包括介入在所述局限层(15)和所述光产生层(13)之间的至少一对宽带隙层和窄带隙层，邻近所述局限层的层是所述窄带隙层中的一个，所述宽带隙层的带隙能量大于所述光产生层的所述带隙能量，所述窄带隙层的带隙能量小于所述宽带隙层的所述带隙能量，以及所述宽带隙层和所述窄带隙层的宽度和材料选择成提供任何窄带隙层中电子的最低能级高于所述光产生层(13)中电子的最低能级，低于所述俘获层(16)中电子的最低能级，以及低于位于所考虑的窄带隙层和所述局限层(15)之间的所述窄带隙层中电子的最低能级；以及邻近所述局限层的窄带隙层中电子的最低局域能级和所述俘获层(16)中电子的最低局域能级间的能量差等于光声子的能量。
7.根据权利要求6所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，所述应变半导体异质结构由热电半导体材料构成；以及所述光产生层(13)的宽度和材料选择成提供由自发压电极化引起的内建电场具有量级基本上等于内建压电电场的相应量级，且其方向基本上与所述内建压电电场的相应方向相反。
8.根据权利要求7所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，实现下列条件中至少一个所述第一发射极层(11)包括Alx1Ga1-x1N，其中0≤x1≤1；所述第二发射极层(12)包括Alx2Ga1-x2N，其中0≤x2≤1；所述光产生层(13)包括Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1；所述局限层(15)包括Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，其中0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1；所述电子俘获层(16)包括Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，其中0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5≤1；以及宽带隙层和窄带隙层的所述对包括交互的AlmiInniGa1-mi-niN宽带隙层和AlkiInliGa1-ki-liN窄带隙层，其中，i列举对数，0≤mi≤1，0≤ni≤1，0≤mi+ni≤1，0≤ki≤1，0≤li≤1，0≤ki+li≤1。
9.根据权利要求4或8所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于n型传导性的额外低电阻率区(17)增加邻近于所述第二发射极层(12)，所述额外区包括由多对交互的AlxGa1-xN层和AlyGa1-yN层构成的横向电流输运超晶格，其中0≤x≤1以及0≤y≤1。
10.根据权利要求6所述的应变半导体异质结构(10)，其特征在于，实现下列条件中至少一个所述第一发射极层(11)包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asa1Nb1P1-a1-b1，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1，以及0≤a1≤1，0≤b1≤0.1，0≤a1+b1≤1；所述第二发射极层(12)包括Alx2Iny2Ga1-x2-y2Asa2Nb2P1-a2-b2，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1，以及0≤a2≤1，0≤b2≤0.1，0≤a2+b2≤1；所述光产生层(13)包括Alx3Iny3Ga1-x3-y3Asa3Nb3P1-a3-b3，其中0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，以及0≤a3≤1，0≤b3≤0.1，0≤a3+b3≤1；所述局限层(15)包括Alx4Iny4Ga1-x4-y4Asa4Nb4P1-a4-b4，其中0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1，以及0≤a4≤1，0≤b4≤0.1，0≤a4+b4≤1；所述电子俘获层(16)包括Alx5Iny5Ga1-x5-y5Asa5Nb5P1-a5-b5，其中0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5≤1，以及0≤a5≤1，0≤b5≤0.1，0≤a5+b5≤1；以及所述多对宽带隙层和窄带隙层包括交互的AlmiInniGa1-mi-niAspiNqiP1-pi-qi宽带隙层和AlkiInliGa1-ki-liAsriNsiP1-ri-si窄带隙层，其中i列举对数，0≤mi≤1，0≤ni≤1，0≤mi+ni≤1，以及0≤pi≤1，0≤qi≤0.1，0≤pi+qi≤1，0≤ki≤1，0≤li≤1，0≤ki+li≤1，0≤ri≤1，0≤si≤0.1，0≤ri+si≤1。
11.一种发光二极管，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的应变半导体异质结构。
12.一种发光二极管，其包括根据权利要求5或10所述的应变半导体异质结构，其特征在于，所述应变半导体异质结构生长在其材料是从GaP、GaAs、InP组成的组中选择的衬底上；以及所述第一发射极层(11)和所述第二发射极层(12)的材料选择成向所述衬底提供晶格匹配。
全文摘要
一种应变半导体异质结构(10)包括注入区，其包括具有p型传导性的第一发射极层(11)和具有n型传导性的第二发射极层(12)；以及光产生层(13)，其位于第一发射极层(11)和第二发射极层(12)之间。电子俘获区(14)位于光产生层(13)和第二发射极层(12)之间，该电子俘获区包括邻近第二发射极层的俘获层(16)、以及邻近该电子俘获层的局限层(15)。根据本发明，局限层(15)和俘获层(16)的宽度和材料选择成使俘获层(16)中电子的局域能级中的一个能级和第二发射极层(12)的导带底之间能量差等于光声子的能量。
文档编号H01L33/06GK101057343SQ200580038404
公开日2007年10月17日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年9月17日
发明者马克西姆·欧得诺莱多夫, 弗拉德斯拉夫·鲍格诺夫 申请人:奥普特冈有限公司