CN103268912A - 多有源区高效率光电子器件 - Google Patents

Abstract

一种多有源区高效率光电子器件，属于半导体光电子领域，其特征是在多有源区光电子器件中引入间接隧穿结构，通过间接隧穿结构将多个发光单元连接起来，增加了载流子的隧穿几率，成倍地提高了器件的量子效率。该器件结构可用于发光二极管、半导体激光器、多层结构带间探测器、超辐射发光二极管等。

Description

多有源区高效率光电子器件

技术领域

在多有源区光电子器件中引入间接隧穿结构，构成多有源区高效率光电子器件，涉及一种新型的光电子器件结构，属于半导体光电子领域。

背景技术

目前，光电子器件尤其是发光二极管（LED）发展迅速，已在照明领域得到广泛应用，为了将LED应用到室内照明，必须匹配我们常用的220V交流电，而高电压多有源区LED正满足这一要求。

通常情况下，实现高压光电子器件的方法是将将一定数量的管芯或器件串联起来，其工艺有两种：①将芯片封装好做成器件后串联；②在芯片制备工艺过程中串联。然而，无论哪种工艺，都必须采用布线，因此工艺过程复杂，串联器件所占空间大，芯片面积大，且由于需要布线，会导致器件的可靠性大大降低。我们提出一种实现多有源区发光高压光电子器件的方法，利用隧道结的反向隧穿效应，将多个发光单元在电学上连接起来，构成多层多有源区结构的的光电子器件。这种器件在工作时，前一个发光单元复合落入P型限制层价带的电子，通过隧道结直接隧穿到下一个发光单元N型限制层的导带（如图1）。这种器件结构突破了“一个电子最多只能产生一个光子”的极限，具有工作电流小、量子效率高、输出功率大、损耗少、成本低、产值高等特点，且为高压器件，满足室内通用照明需求。

电子隧穿几率随半导体材料禁带宽度的增大呈指数倍减小，直接隧道结构可以用来连接中等禁带宽度的半导体光电子器件。对于半导体材料中的宽禁带半导体材料，如GaN、ZnO、SiC等材料而言，由于禁带宽度宽，则电子隧穿几率很低，量子效率大大降低。若一味地通过增加隧道结两端的电压来提高隧穿几率，则会造成载流子的严重泄漏或隧道结反向击穿，最终毁坏器件。因此，在制备多层多有源区宽禁带材料的光电子器件时，无法利用直接隧道结将多个发光工作单元在电学上连接起来而获得高效的光电子器件。

发明内容

针对上述无法利用直接隧道结连接多层宽禁带光电子器件多个发光单元的问题，本发明提出，在隧道结的P⁺区和N⁺区之间引入一薄层掺杂缺陷区，形成间接隧道结构，使得隧穿效应发生时落入P型限制层价带的电子首先隧穿到该薄层掺杂缺陷区的杂质缺陷能级上，再从该能级隧穿到N型限制层的导带（如图2），将器件的直接隧穿结构变为间接隧穿结构，电子的直接隧穿变成间接隧穿，从而呈数量级地提高了电子隧穿的几率，得到高效多有源区高效率光电子器件。

高效多有源区高效率光电子器件，其外延结构包括从下往上依次纵向层叠的衬底500，缓冲层400，N⁺重掺接触层300，发光区200，P⁺重掺接触层100。。

所述发光区200，由任意多个重复区230依次层叠组成

所述重复区230由从下往上依次纵向层叠的发光单元210和间接隧穿结构220组成，其中与P⁺重掺接触层100和N⁺重掺接触层300接触的为发光单元210。

所述发光单元210由N型空穴限制层213，有源区212，P型电子限制层211依次层叠组成。

所述的发光单元210为包括GaN、AlGaN、InGaN、SiC、ZnS、ZnO在内的宽禁带材料光电子器件发光单元，或为包括GaAs、InGaAs、AlGaAs在内的中等禁带材料光电子器件的发光单元。

所述的有源区212为双异质结构或单量子阱结构或多量子阱结构。

所述的多有源区高效率光电子器件，多个有源区212为相同材料或不同材料，发出相同波长或不同波长的的光。

所述的间接隧穿结构220由隧道结N⁺区223、薄层掺杂缺陷区222、隧道结P⁺区221由下向上依次层叠组成。

薄层掺杂缺陷区222为在材料生长过程中引入杂质或缺陷，使得该薄层材料中的杂质缺陷能级处于半导体材料的禁带中间或其附近。

所述的间接隧穿结构220为同质结或为异质结。

所述的多有源区高效率光电子器件为发光二极管或半导体激光器或多层结构带间探测器或超辐射发光二极管。

采用上述发明后，具有以下效果：

1.一个电子产生多个光子，发光效率高。本发明中，在两个发光单元之间引入间接隧穿结构，并在其上加上一定的反向电压，这样，在前级发光单元中复合到价带的电子能通过隧道再生回到导带并在后级发光单元中再次复合发光，因此，从器件两侧电极注入一对电子孔穴对可在多个发光区中产生多个光子，发光效率大大提高。

2.隧穿几率大。电子的隧穿几率与材料的禁带宽度有关，随禁带宽度的增加呈指数倍减小，通过引入间接隧穿结构，电子的间接隧穿几率比直接隧穿几率高一个数量级以上，大大提高整体器件的量子效率。

3.成本低，产量高，可靠性高。采用间接隧穿结构，利用一次外延的技术制备新型多有源区高效光电子器件，只在外延生长时重复生长间接隧穿结构和发光单元，且每个单元结构厚度很薄，约为1～2μ，若采用3个发光单元，则只需外延生长时厚度增加2～4μ左右，无需布线，工艺简单，且制备出的器件与3个普通器件串联后的整体器件性能想当，而成本只有其1/3左右，产量大大提高，成本大大降低，可靠性高。

附图说明

图1直接隧穿能带示意图

图2间接隧穿能带示意图

图3多有源区高效率光电子器件外延结构示意图

图4多有源区高效率GaN基LED外延结构示意图

图5多有源区高效率GaN基LED器件结构示意图

图中：000为P电极，100为P⁺重掺接触层，200为发光区，230为重复区，210为发光单元，211为P型电子限制层，212为有源区，213为N型空穴限制层，220为间接隧穿结构，221为隧道结P⁺区，222为薄层掺杂缺陷区，223为隧道结N⁺区，300为N⁺重掺接触层，400为缓冲层，500为衬底，600为N电极。

具体实施例

实施例1：

以多有源区GaN基LED为例，其外延结构如图3和4所示，

所述器件的外延结构为包括从下往上依次纵向层叠的衬底500，缓冲层400，N⁺重掺接触层300，发光区200，P⁺重掺接触层100。。

所述发光区200，由任意多个重复区230依次层叠组成

所述重复区230由从下往上依次纵向层叠的发光单元210和间接隧穿结构220组成，其中与P⁺重掺接触层100和N⁺重掺接触层300接触的为发光单元210。

所述发光单元210由N型空穴限制层213，有源区212，P型电子限制层211依次层叠组成。

所述的发光单元210为包括GaN、AlGaN、InGaN、SiC、ZnS、ZnO在内的宽禁带材料光电子器件发光单元，或为包括GaAs、InGaAs、AlGaAs在内中等禁带材料光电子器件的发光单元。

所述的间接隧穿结构220由隧道结N⁺区223、薄层掺杂缺陷区222、隧道结P⁺区221由下向上依次层叠组成。

薄层掺杂缺陷区222为在材料生长过程中引入杂质或缺陷，使得该薄层材料中的杂质缺陷能级处于半导体材料的禁带中间或其附近。所述的间接隧穿结构220为同质结或为异质结。

所述的多有源区高效率光电子器件为发光二极管或半导体激光器或多层结构带间探测器或超辐射发光二极管。

实际应用中，重复区230的数目可根据需要来设置，原则上可设置为任意多个，且各层厚度和掺杂浓度也可根据试剂需要调整。器件结构如图5所示。

器件制备方法如下：

1.用普通MOCVD的方法，在蓝宝石的衬底500上依次生长缓冲层400，N⁺重掺接触层300，N型空穴限制层213，有源区212，P型电子限制层211，隧道结N⁺区223，薄层掺杂缺陷区222，隧道结P⁺区221，N型空穴限制层213，有源区212，P型电子限制层211，重复区230，P⁺重掺接触层100。

2.利用掩膜保护，光刻N电极台面图形。

3.利用感应耦合等离子体干法刻蚀（ICP），刻蚀出N电极台面。

4.在P电极台面和N电极台面上分别制备出制备P电极000和N电极600。

5.磨片，解理，将芯片压焊到管座上，即可进行测试分析。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims (10)

1.多有源区高效率光电子器件，有从下往上依次纵向层叠的衬底（500），缓冲层（400），N⁺重掺接触层（300），发光区（200），P⁺重掺接触层（100），其特征在于：在发光区（200）中引入间接隧穿结构（220）。

2.根据权利要求1所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述发光区（200），由任意多个重复区（230）依次层叠组成。

3.根据权利要求2所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述重复区（230）由从下往上依次纵向层叠的发光单元（210）和间接隧穿结构（220）组成，其中与P⁺重掺接触层（100）和N⁺重掺接触层（300）接触的为发光单元（210）。

4.根据权利要求3所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述发光单元（210）由N型空穴限制层（213），有源区（212），P型电子限制层（211）依次层叠组成。

5.根据权利要求3所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述的发光单元（210）为包括GaN、AlGaN、InGaN、SiC、ZnS、ZnO在内的宽禁带材料光电子器件发光单元，或为包括GaAs、InGaAs、AlGaAs在内中等禁带材料光电子器件的发光单元。

6.根据权利要求3所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述的间接隧穿结构（220）由隧道结N⁺区（223）、薄层掺杂缺陷区（222），隧道结P⁺区（221）由下向上依次层叠组成。

7.根据权利要求4所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述的有源区（212）为双异质结构或单量子阱结构或多量子阱结构；所述的多个有源区（212）为相同材料或不同材料，发出相同波长或不同波长的的光。

8.根据权利要求6所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：薄层掺杂缺陷区（222）为在材料生长过程中引入杂质或缺陷，使得该薄层材料中的杂质缺陷能级处于半导体材料的禁带中间或其附近。

9.根据权利要求3所述的多有源区高效率光电子器件，，其特征在于：所述的间接隧穿结构（220）为同质结或为异质结。

10.根据权利要求1至权利要求10任一权利要求所述的多有源区高效率光电子器件，其特征在于：所述的多有源区光电子器件为发光二极管或半导体激光器或多层结构带间探测器或超辐射发光二极管。

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