电子布拉格反射器及其在发光二极管中的应用制造技术

一种电子布拉格反射器，由两种不同成分的半导体材料层交替相叠而成，材料的厚度分别递减，同时厚度变化周期按人工啁啾周期规律递减。电子布拉格反射器在发光二极管中的应用是将电子布拉格反射器置于芯层和ｐ－型包层之间。本发明专利技术为光电子器件提供一种新的电子约束和控制的结构和应用方法，用电子布拉格反射器使我们能在普通的ＭＯＣＶＤ设备中用镓铝铟磷系列材料就能容易提高黄光的发光效率，还能开发绿光的发光二极管。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件，特别是至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的半导体发光器件。具体地，是用半导体材料人工超晶格形成的电子布拉格反射器，及其用于半导体发光器件，特别是发光二极管和可见光半导体激光器，包括绿光、蓝光或更短波长的半导体发光器件中对注入电子的有效约束和控制，并可用于其它需要对电子输运过程进行约束和控制的器件。光电子器件，特别是对于发光二极管和半导体激光器这类发光器件，要求对注入的电子(n-型载流子)和空隙(p-型载流子)都能限制在有源(active layer)区，并在那里复合发光。器件成功的关键是分别对光子和电子的有效的约束和利用。最早的典型的对电子的约束是双异质结。异质结是由两种有不同禁带宽度的半导体结合而形成的。在结合面上，禁带宽度差形成一个势垒，并根据掺杂不同，可分别实现对电子和空隙的约束。夹在中间的半导体禁带越窄，两侧包层的禁带宽度越宽，这种约束就更为有效。通常通信用的半导体激光器工作波长在1550nm或1300nm，发射此波长需要的禁带宽度分别是0.8和0.95电子伏特(eV)。为了得到这类禁带宽度的材料，可用镓、铟、砷、磷合金调节组分来达到。形成包层的宽带隙材料常用加铝的合金材料。例如镓铝砷合金材料的带隙可用公式Eg＝1.42+1.14X+0.5X2来计算。因此，很容易得到0.4eV或更高的势垒实现对电子的有效约束。通常认为，大于等于0.2eV是可接受的势垒高度。势垒低了，器件因载流子流失发光效率低下而不能用。只有晶格匹配或晶格常数相同的材料才能外延生长形成异质结。晶格匹配要求达到万分之一。为了得到较高势垒的限制，有一种结构是将势垒层作薄。例如在镓铝铟磷四元系材料中，利用1％的张应力层，将铝含量提高到0.65，这样，界面势垒可再提高0.03eV，得到高效的发射5700A黄绿光的好成绩。但是，与砷化镓晶格匹配的镓铝铟磷直接带隙从荧光谱看，可到5500A，从直接的带隙估算应该达到5390A，所以关于用镓铝铟磷四元系作的发光器件最短波长也就到这个波长。更短的波长就要靠III-V族含氮化合物，或II-VI族化合物等材料了，例如目前绿光和兰光的发光二极管用的是含氮的III-V族化合物，这类材料工艺难度大，生产成本较高，很多问题还在研究之中；此外生产氮基化合物要较高的生长温度，因而要有专门的设备。所以能买到的兰光发光二极管或其加工品仍很贵。开发蓝、绿色发光器件仍是目前极具商业价值的工作。对于光的约束采用布拉格反射已经是很普通的事。用光刻方法作成的分布反馈半导体激光器和用外延方法制作的布拉格反射面发光半导体激光器和发光二极管均是很成功的。那是光的波动性的成功的应用。电子波动性在器件中的应用还未见报导。电子具有波动性是早已证明的事实，早在1921-23年利用金属天然晶体证明了一定速度的电子反射强度与晶格常数有关，出现反射极大和极小值，类似于波动力学中的布拉格反射。可以根据电子反射的极大值出现的周期及对应的电子加速电压(即一定电子速度)计算出晶体的晶格常数。但是，由于晶格对自由电子的散射很厉害，电子穿透进入晶体内部的深度很浅，一般都要用较高的加速电压并采用高阶的衍射来证明电子的布拉格反射。在半导体中电子在周期场中的运动导致能带的分裂、形成导带和禁带。在半导体中加入人工周期格子，并加电场对电子加速，为利用电子波动性提供了条件。本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种电子布拉格反射器，该电子布拉格反射器采用人工超晶格结构，实现对电子的约束和控制。本专利技术的目的还在于提供一种电子布拉格反射器在发光二极管中的应用方法，当发光器件发光波长向短波方向扩展时，如当异质结势垒不足以限制注入电子的运动时，提供电子的约束，从而提高发光器件的效率。例如对于镓铝铟磷系列材料，提高目前的黄光发光器件的发光效率，并向短波长方向扩展，开发绿光器件。在半导体中各种布拉格反射器不是利用半导体材料的天然晶格，而是人工超晶格，是根据要反射的光的波长，选用两种不同折射率的材料计算实际四分之一波长的光程所需要实际几何厚度，制造出的折射率高低交替的多层薄膜结构，已经大量用于通信用半导体激光器，面发光半导体激光器和超高亮度发光二极管中作为光子的反射器，成功地实现了对光子的约束。这种人工周期结构称为超晶格。近代薄膜制造技术，特别是MOCVD(中文名称为有机金属化学气相沉积)设备为制造超晶格材料创造了条件。生长层的厚度可以在0.1纳米的精度做到大面积均匀，不同材料生长时晶格失配可以做到小于万分之一。目前的发光二极管也用MOCVD技术制造，通常是双异质结结构或双异质结加量子阱结构，也有增加了对光的布拉格反射结构，那是发光波长四份之一厚度薄层形成的均匀周期结构。本专利技术提出了对电子反射的非均匀周期结构，即周期按递减或递增规律变化的结构，称为啁啾布拉格反射结构。本专利技术是用超晶格实现对电子的布拉格反射。要根据器件工作电压设计的人工超晶格，并可以用MOCVD技术制造这种超晶格，实现电子布拉格反射，这是实现对于注入电子约束的一种新方法。本专利技术的电子布拉格反射器由两种不同成分的半导体材料层交替相叠而成，材料的厚度分别递减，同时厚度变化周期按人工啁啾周期规律递减。这种结构反映出处于电场中的电子能量状态分布。用程控的MOCVD技术可以制作出这种人工啁啾周期结构。本专利技术的电子布拉格反射器所用的半导体材料是现有技术通用的半导体材料，例如镓铝铟磷系列半导体材料。附图说明图1a、图1b是本专利技术的电子布拉格反射器工作原理示意图。其中图1a是注入电子越过较低势垒的界面进入间接跃迁带隙的B区示意图；图1b是B区的啁啾周期结构产生的分布反射在A区与入射电子波的相干迭加形成电子驻波的示意图。如图1a所示，在电场的作用下，注入于直接跃迁A区的电子●会越过异质结界面因材料限制可能得到的势垒而进入间接跃迁带隙的B区，经非辐射复合，发光效率随带阶的减少迅速降低。如图1b所示，被加速的电子●随动能量的增加德布罗意波长减少，并在相应的人工啁啾结构上产生分布的布拉格反射；透射的分布布拉格反射波(rr)经过两次四分之一波长的时延，其合波(RR)与透射波(T)保持л的相移相消迭加而很快消失；反向的分布反射(r)的合波(R)与入射波(IN)对行相干迭加形成驻波，限制电子●与空隙○在直接带隙A区复合发光。本专利技术的电子布拉格反射器在发光二极管中的应用是将电子布拉格反射器置于芯层和p-型包层之间，具体方法如下——针对具体的发光二极管，画出其结构的能带图，标出其中的外加电场与其内部的势能分布；根据电场和势能分布，设计其电子布拉格反射器结构；——在电子注入型半导体器件的p-型侧需要限制和反射电子的界处，即通常非掺杂层与p-型掺杂层之间首先插入一层250～300A的宽带隙材料作为阻挡层、电子滤波和电子的初加速层，然后是由两种半导体材料交替层形成的人工超晶格电子布拉格反射器，构成该电子布拉格反射器的人工超晶格层的半导体材料对电子的折射率不同，而且使其折射率差尽可能大，层的厚度相当四分之一电子波长等效厚度，等效厚度定义为实际几何厚度与其对电子折射率的乘积；以设计镓铝铟磷材料生长系统为例。材料生长时选用砷化镓衬底，采用晶格匹配的外延生长，取Al0.51In0.49P为高折射率层，(Ga1-Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子布拉格反射器，其特征在于由两种不同成分的半导体材料层交替相叠而成，材料的厚度分别递减，同时厚度变化周期按人工啁啾周期规律递减。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖常俊，范广涵，
申请(专利权)人：广州亮达光电器件有限公司，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]