本发明专利技术涉及一种具有能带结构电位波动的高效紫外发光二极管。一种生长AlGaN半导体材料的方法利用高于通常使用的化学计量量的过量的Ga。过量Ga导致能带结构电位波动的形成，提高了辐射性再结合的效率，并增大了使用该方法制成的光电器件，尤其是紫外发光二极管的光生成。还提供了UV LED设计和性能的若干改进，以与过量Ga生长方法一起使用。以该方法制成的器件可以用于水净化、表面消毒、通信、数据存储和取回。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】具有能带结构电位波动的高效紫外发光二极管 本申请为分案申请，其原申请是于2012年10月29日（国际申请日为2011年5 月2日）向中国专利局提交的专利申请，申请号为201180021530. 9,专利技术名称为"具有能带 结构电位波动的高效紫外发光二极管"。 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"METHODOFGROWINGAlGaNLAYER WITHBANDSTRUCTUREPOTENTIALFLUCTUATIONSANDMANUFACTURINGULTRAVIOLETLIGHT EMITTINGDEVICESCONTAININGTHESAME"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 获得本专利技术的工作在按照由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，美国政府在本专利技术中具有特定的 权益。
技术介绍
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，UVLED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UVLED仅具有达 1% 的EQE。 预计具有在230-350nm范围中的发射波长的UVLED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。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，UVLED，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L2%的峰值EQE。 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。 由于在实现高导电性的且仍有高Al含量的足够厚的n型AlGaN底部包覆层中 的困难，很差的电流扩展已经成为获得高效率的深UVLED的一个主要障碍。在2004年， Adivarahan等提出了一种"微像素"LED。该器件由IOX10的微像素LED阵列组成，每一个 像素都是直径26ixm的圆形台面。器件的总物理尺寸是500iimX500iim。与基于具有从 40到14.4Q的差动电阻的相同外延层的标准方形几何结构LED相比，由于使用这种几何 结构显著地减小了在电子与空穴再结合之前的电子迀移的横向距离，因此器件的差动电阻 降低到9. 8Q。同样在2004年，Kim等研究了圆形几何结构的深UV LED的台面尺寸与输出功率之间的折衷，并且发现在没有获得更加可导的n型和p型AlGaN 包覆层的情况下，对于圆碟形深UVLED的优化直径被限制到约250ym。除 了制成微像素阵列或简单地减小台面尺寸以改进传统台面蚀刻的LED结构中的n-AlGaN包 覆层中的电流扩展，多个研究小组也已经将激光剥离（lift-off) (LLO)技术用于深UV。在 垂直结构LED中，电流扩展有效得多，因为可以在LED的两侧垂直地制成金属触点。在2006 年，PhilipsLumileds的Zhou等报告了基于在280nm和325nm发射的AlGaN/AlGaN量子 阱结构的垂直注入薄膜深UVLED。作者在外延结构中插入纯GaN层作为剥离牺牲层。器件 具有700\700 111112的尺寸，在700滅01驱动电流下，在28011111发出160^1，在23511111发出 3.lmW。除了垂直器件设计方案以外，作者对剥离后的n-层表面应用表面粗糙化处理。粗 糙化技术将280nmLED的光输出功率进一步增大到0. 74mW(4. 6倍提高），并将325nmLED增 大到8mW(2. 5倍提高）。在同一年，Kawasaki等展示了同样使用LLO技术 在322nm发射的垂直结构深UVLED。然而，发射相当弱并且不是单一峰值的，可能是由于在 LLO过程期间外延层的损害造成的。LLO垂直薄膜深UVLED的开发 由Nitek公司在2009年的高功率280nmLED的展示而引人注目。Nitek报告了在IXlmm2 垂直结构深UVLED上在25A/cm2CW驱动电流下几乎5. 5mW的操作，并且使用寿命超过2000 小时。 分子束外延（MBE)近来已经用于开发深UVLED。然而，这些 器件的输出功率相比于由MOCVD生长的那些仍较低。这部分归因于由MBE生长的外延膜的 缓慢生长速度，这从而不能产生减小位错密度的非常厚的AlN模板。然而，随着厚HVPE生 长的AlN模板和现在可以从多个供应商获得的独立式AlN衬底的出现，作为生产工具单独 用于"LED层"沉积（即，仅n型、p型和有源层）的MBE可以作为一种有效方法来使用。 对于UVLED的进一步问题是AlGaN晶体材料中相对缺少能带结构电位波动。这 是由于Al和Ga原子的几乎相同的尺寸。这与可见光LED相反，在其中InGaN合金的In和 Ga原子的尺寸差具有导致能带结构电位波动的相位分离的倾向。因此，基于InGaN的可见 光LED的有源区中的注入的电子和空穴形成位于这些电位波动中的激发子，这避免了它们 缺少非辐射性的扩散和再结合。因此，再结合主要辐射性地发生，导致LED具有非常高的 内部量子效率（IQE)。由于在由生长AlGaN的标准方法制造的UVLED中缺乏这一机制，已 经致力于在用于UVLED的AlGaN中引入能带结构电位波动。美国专利7, 498, 182公开了 一种使用产生AlGaN的面化生长的MEB技术制成的UVLED。该面化生长机制产生了局部 不均匀性。在该专利技术中描述的AlGaN合金明确显示出使用阴极发光光谱的组成不均匀性。 然而本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制造紫外发光二极管的方法，在所述LED的有源区中具有能带结构电位波动，所述方法包括使用过量的镓来生长第一AlGaN量子阱层的步骤。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖翊韬，T·D·穆斯塔克斯，
申请(专利权)人：波士顿大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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