[发明专利]多有源区高效率光电子器件

说明书

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。