專利名稱：電子布拉格反射器及其在發(fā)光二極管中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別是至少有一個(gè)電位躍變勢(shì)壘或表面勢(shì)壘的半導(dǎo)體發(fā)光器件。具體地，是用半導(dǎo)體材料人工超晶格形成的電子布拉格反射器，及其用于半導(dǎo)體發(fā)光器件，特別是發(fā)光二極管和可見光半導(dǎo)體激光器，包括綠光、藍(lán)光或更短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件中對(duì)注入電子的有效約束和控制，并可用于其它需要對(duì)電子輸運(yùn)過程進(jìn)行約束和控制的器件。
光電子器件，特別是對(duì)于發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器這類發(fā)光器件，要求對(duì)注入的電子(n-型載流子)和空隙(p-型載流子)都能限制在有源(active layer)區(qū)，并在那里復(fù)合發(fā)光。器件成功的關(guān)鍵是分別對(duì)光子和電子的有效的約束和利用。最早的典型的對(duì)電子的約束是雙異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)是由兩種有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體結(jié)合而形成的。在結(jié)合面上，禁帶寬度差形成一個(gè)勢(shì)壘，并根據(jù)摻雜不同，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電子和空隙的約束。夾在中間的半導(dǎo)體禁帶越窄，兩側(cè)包層的禁帶寬度越寬，這種約束就更為有效。通常通信用的半導(dǎo)體激光器工作波長(zhǎng)在1550nm或1300nm，發(fā)射此波長(zhǎng)需要的禁帶寬度分別是0.8和0.95電子伏特(eV)。為了得到這類禁帶寬度的材料，可用鎵、銦、砷、磷合金調(diào)節(jié)組分來達(dá)到。形成包層的寬帶隙材料常用加鋁的合金材料。例如鎵鋁砷合金材料的帶隙可用公式Eg＝1.42+1.14X+0.5X2來計(jì)算。因此，很容易得到0.4eV或更高的勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的有效約束。通常認(rèn)為，大于等于0.2eV是可接受的勢(shì)壘高度。勢(shì)壘低了，器件因載流子流失發(fā)光效率低下而不能用。
只有晶格匹配或晶格常數(shù)相同的材料才能外延生長(zhǎng)形成異質(zhì)結(jié)。晶格匹配要求達(dá)到萬分之一。為了得到較高勢(shì)壘的限制，有一種結(jié)構(gòu)是將勢(shì)壘層作薄。例如在鎵鋁銦磷四元系材料中，利用1％的張應(yīng)力層，將鋁含量提高到0.65，這樣，界面勢(shì)壘可再提高0.03eV，得到高效的發(fā)射5700A黃綠光的好成績(jī)。但是，與砷化鎵晶格匹配的鎵鋁銦磷直接帶隙從熒光譜看，可到5500A，從直接的帶隙估算應(yīng)該達(dá)到5390A，所以關(guān)于用鎵鋁銦磷四元系作的發(fā)光器件最短波長(zhǎng)也就到這個(gè)波長(zhǎng)。更短的波長(zhǎng)就要靠III-V族含氮化合物，或II-VI族化合物等材料了，例如目前綠光和蘭光的發(fā)光二極管用的是含氮的III-V族化合物，這類材料工藝難度大，生產(chǎn)成本較高，很多問題還在研究之中；此外生產(chǎn)氮基化合物要較高的生長(zhǎng)溫度，因而要有專門的設(shè)備。所以能買到的蘭光發(fā)光二極管或其加工品仍很貴。開發(fā)藍(lán)、綠色發(fā)光器件仍是目前極具商業(yè)價(jià)值的工作。
對(duì)于光的約束采用布拉格反射已經(jīng)是很普通的事。用光刻方法作成的分布反饋半導(dǎo)體激光器和用外延方法制作的布拉格反射面發(fā)光半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管均是很成功的。那是光的波動(dòng)性的成功的應(yīng)用。電子波動(dòng)性在器件中的應(yīng)用還未見報(bào)導(dǎo)。
電子具有波動(dòng)性是早已證明的事實(shí)，早在1921-23年利用金屬天然晶體證明了一定速度的電子反射強(qiáng)度與晶格常數(shù)有關(guān)，出現(xiàn)反射極大和極小值，類似于波動(dòng)力學(xué)中的布拉格反射?？梢愿鶕?jù)電子反射的極大值出現(xiàn)的周期及對(duì)應(yīng)的電子加速電壓(即一定電子速度)計(jì)算出晶體的晶格常數(shù)。但是，由于晶格對(duì)自由電子的散射很厲害，電子穿透進(jìn)入晶體內(nèi)部的深度很淺，一般都要用較高的加速電壓并采用高階的衍射來證明電子的布拉格反射。在半導(dǎo)體中電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能帶的分裂、形成導(dǎo)帶和禁帶。在半導(dǎo)體中加入人工周期格子，并加電場(chǎng)對(duì)電子加速，為利用電子波動(dòng)性提供了條件。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種電子布拉格反射器，該電子布拉格反射器采用人工超晶格結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的約束和控制。
本發(fā)明的目的還在于提供一種電子布拉格反射器在發(fā)光二極管中的應(yīng)用方法，當(dāng)發(fā)光器件發(fā)光波長(zhǎng)向短波方向擴(kuò)展時(shí)，如當(dāng)異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘不足以限制注入電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，提供電子的約束，從而提高發(fā)光器件的效率。例如對(duì)于鎵鋁銦磷系列材料，提高目前的黃光發(fā)光器件的發(fā)光效率，并向短波長(zhǎng)方向擴(kuò)展，開發(fā)綠光器件。
在半導(dǎo)體中各種布拉格反射器不是利用半導(dǎo)體材料的天然晶格，而是人工超晶格，是根據(jù)要反射的光的波長(zhǎng)，選用兩種不同折射率的材料計(jì)算實(shí)際四分之一波長(zhǎng)的光程所需要實(shí)際幾何厚度，制造出的折射率高低交替的多層薄膜結(jié)構(gòu)，已經(jīng)大量用于通信用半導(dǎo)體激光器，面發(fā)光半導(dǎo)體激光器和超高亮度發(fā)光二極管中作為光子的反射器，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子的約束。這種人工周期結(jié)構(gòu)稱為超晶格。
近代薄膜制造技術(shù)，特別是MOCVD(中文名稱為有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積)設(shè)備為制造超晶格材料創(chuàng)造了條件。生長(zhǎng)層的厚度可以在0.1納米的精度做到大面積均勻，不同材料生長(zhǎng)時(shí)晶格失配可以做到小于萬分之一。目前的發(fā)光二極管也用MOCVD技術(shù)制造，通常是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或雙異質(zhì)結(jié)加量子阱結(jié)構(gòu)，也有增加了對(duì)光的布拉格反射結(jié)構(gòu)，那是發(fā)光波長(zhǎng)四份之一厚度薄層形成的均勻周期結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出了對(duì)電子反射的非均勻周期結(jié)構(gòu)，即周期按遞減或遞增規(guī)律變化的結(jié)構(gòu)，稱為啁啾布拉格反射結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是用超晶格實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的布拉格反射。要根據(jù)器件工作電壓設(shè)計(jì)的人工超晶格，并可以用MOCVD技術(shù)制造這種超晶格，實(shí)現(xiàn)電子布拉格反射，這是實(shí)現(xiàn)對(duì)于注入電子約束的一種新方法。
本發(fā)明的電子布拉格反射器由兩種不同成分的半導(dǎo)體材料層交替相疊而成，材料的厚度分別遞減，同時(shí)厚度變化周期按人工啁啾周期規(guī)律遞減。
這種結(jié)構(gòu)反映出處于電場(chǎng)中的電子能量狀態(tài)分布。用程控的MOCVD技術(shù)可以制作出這種人工啁啾周期結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的電子布拉格反射器所用的半導(dǎo)體材料是現(xiàn)有技術(shù)通用的半導(dǎo)體材料，例如鎵鋁銦磷系列半導(dǎo)體材料。


圖1a、圖1b是本發(fā)明的電子布拉格反射器工作原理示意圖。其中圖1a是注入電子越過較低勢(shì)壘的界面進(jìn)入間接躍遷帶隙的B區(qū)示意圖；圖1b是B區(qū)的啁啾周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的分布反射在A區(qū)與入射電子波的相干迭加形成電子駐波的示意圖。如圖1a所示，在電場(chǎng)的作用下，注入于直接躍遷A區(qū)的電子●會(huì)越過異質(zhì)結(jié)界面因材料限制可能得到的勢(shì)壘而進(jìn)入間接躍遷帶隙的B區(qū)，經(jīng)非輻射復(fù)合，發(fā)光效率隨帶階的減少迅速降低。如圖1b所示，被加速的電子●隨動(dòng)能量的增加德布羅意波長(zhǎng)減少，并在相應(yīng)的人工啁啾結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生分布的布拉格反射；透射的分布布拉格反射波(rr)經(jīng)過兩次四分之一波長(zhǎng)的時(shí)延，其合波(RR)與透射波(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)與入射波(IN)對(duì)行相干迭加形成駐波，限制電子●與空隙○在直接帶隙A區(qū)復(fù)合發(fā)光。
本發(fā)明的電子布拉格反射器在發(fā)光二極管中的應(yīng)用是將電子布拉格反射器置于芯層和p-型包層之間，具體方法如下——針對(duì)具體的發(fā)光二極管，畫出其結(jié)構(gòu)的能帶圖，標(biāo)出其中的外加電場(chǎng)與其內(nèi)部的勢(shì)能分布；根據(jù)電場(chǎng)和勢(shì)能分布，設(shè)計(jì)其電子布拉格反射器結(jié)構(gòu)；——在電子注入型半導(dǎo)體器件的p-型側(cè)需要限制和反射電子的界處，即通常非摻雜層與p-型摻雜層之間首先插入一層250～300A的寬帶隙材料作為阻擋層、電子濾波和電子的初加速層，然后是由兩種半導(dǎo)體材料交替層形成的人工超晶格電子布拉格反射器，構(gòu)成該電子布拉格反射器的人工超晶格層的半導(dǎo)體材料對(duì)電子的折射率不同，而且使其折射率差盡可能大，層的厚度相當(dāng)四分之一電子波長(zhǎng)等效厚度，等效厚度定義為實(shí)際幾何厚度與其對(duì)電子折射率的乘積；以設(shè)計(jì)鎵鋁銦磷材料生長(zhǎng)系統(tǒng)為例。材料生長(zhǎng)時(shí)選用砷化鎵襯底，采用晶格匹配的外延生長(zhǎng)，取Al0.51In0.49P為高折射率層，(Ga1-YAlY)0.51In0.49P為低折射率層。
外延層是與砷化鎵晶格匹配的。
以砷化鎵的晶格常數(shù)計(jì)算電子在晶格常數(shù)等于5.6532A上出現(xiàn)布拉格反射的電子所應(yīng)具有的能量，電子必需有的加速電壓定為1.7385eV.
將此加速電壓分為10個(gè)階梯計(jì)算對(duì)應(yīng)電子在真空中的德布羅意波波長(zhǎng)。取λi(i＝1，3，5，7，9)為平均波長(zhǎng)，計(jì)算λi/4的物理厚度?！鶕?jù)各層的勢(shì)場(chǎng)及電子的能量，計(jì)算相應(yīng)層的電子折射率；例如對(duì)于鎵鋁銦磷系列材料能帶與組分關(guān)系，可由實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式畫出曲線如圖2所示；在美國(guó)EMCORE公司提供的高亮度紅光波段發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圖(如圖3所示)上給出了組分；根據(jù)這個(gè)組分就可以進(jìn)行能帶分析(如圖4所示)；根據(jù)四分之一波長(zhǎng)光程及電子折射率計(jì)算該層的幾何厚度。——根據(jù)實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的p-型限制層的厚度分配各布拉格反射層的實(shí)際厚度；——針對(duì)選擇的6階或8階決定各布拉格反射層的高/低(1/4)λ層的周期數(shù)；針對(duì)具體的材料生長(zhǎng)系統(tǒng)，考慮材料對(duì)電子的折射率；例如針對(duì)5890A黃光發(fā)光二極管設(shè)計(jì)的電子布拉格反射器及其在器件結(jié)構(gòu)中的具體位置以及其能帶結(jié)構(gòu)見圖5?！鶕?jù)這個(gè)周期數(shù)，設(shè)計(jì)外延生長(zhǎng)過程的控制程序；——設(shè)計(jì)的控制程序是作為現(xiàn)有的生長(zhǎng)程序中的一個(gè)程序段；將該程序段插入原發(fā)光二極管生長(zhǎng)程序中，有源層生長(zhǎng)之后，p-型包層生長(zhǎng)之前。
本發(fā)明的要點(diǎn)是指出了在半導(dǎo)體器件工作時(shí)，電子在外加電場(chǎng)和半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由于電子的德布羅意波波長(zhǎng)與電子動(dòng)能有關(guān)，所以在半導(dǎo)體器件中，使電子干涉形成反射的是變周期的或稱為啁啾的布拉格反射結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的電子布拉格反射器在發(fā)光二極管中的應(yīng)用方法是根據(jù)特定的外加電壓及器件內(nèi)部能帶結(jié)構(gòu)及勢(shì)場(chǎng)分布，計(jì)算出電子運(yùn)行過程中，德布羅意波長(zhǎng)的變化及其具體數(shù)值。
本發(fā)明提出了計(jì)算半導(dǎo)體材料中，電子運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)特定電子波折射率的計(jì)算方法。根據(jù)這個(gè)方法算得的折射率和德布羅意波波長(zhǎng)決定實(shí)現(xiàn)電子布拉格反射所需要的等效四分之一波長(zhǎng)的幾何厚度。
本發(fā)明變周期的布拉格反射的第一層勢(shì)壘起電子濾波的作用和初加速的作用。被加速的電子德布羅意波長(zhǎng)迅速減小，并與其后人工格子高階布拉格衍射波長(zhǎng)一致，而終止周期與半導(dǎo)體材料的天然晶格實(shí)現(xiàn)該波長(zhǎng)高階布拉格反射的周期相匹配。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，電子低折射率區(qū)的禁帶寬度與發(fā)射光波長(zhǎng)匹配。為p-型半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路線可以用于作用區(qū)多量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的電子布拉格反射器可用低氣壓MOCVD技術(shù)制造。本發(fā)明在實(shí)施例提出了鎵鋁銦磷四元系材料的設(shè)計(jì)舉例及生長(zhǎng)程序，按本發(fā)明，可以將這類材料的發(fā)射波長(zhǎng)藍(lán)移200A或20納米，達(dá)到近藍(lán)色發(fā)光。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、為光電子器件提供一種新的電子約束和控制的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法，是利用人工超晶格結(jié)構(gòu)制成的能反射注入電子的器件結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)利用波動(dòng)力學(xué)中關(guān)于布拉格反射的原理及量子力學(xué)中由于電子波粒二相性使電子具有的波動(dòng)性質(zhì)，并根據(jù)半導(dǎo)體材料中的勢(shì)能曲線及半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中的勢(shì)能分布，根據(jù)特定的器件結(jié)構(gòu)計(jì)算的德布羅意波的波長(zhǎng)及折射率，設(shè)計(jì)的分布布拉格電子反射器。這種結(jié)構(gòu)克服了單純由勢(shì)壘高度不足以限制電子運(yùn)動(dòng)以至注入載流子流失造成的器件工作效率的降低，特別適合用于開發(fā)短波長(zhǎng)發(fā)光器件及其他需要電子約束的半導(dǎo)體器件。
2、用電子布拉格反射器使我們能在普通的MOCVD設(shè)備中用鎵鋁銦磷系列材料就能容易提高黃光的發(fā)光效率，還能開發(fā)綠光的發(fā)光二極管。我們?cè)谠O(shè)計(jì)和研制對(duì)于電子的布拉格反射器的過程中，解決了電子波長(zhǎng)與器件結(jié)構(gòu)匹配的計(jì)算、電子折射率、電子布拉格反射器特有的結(jié)構(gòu)、電子布拉格反射器的應(yīng)用參數(shù)、電子布拉格反射器的制造等方面的問題，使我們研制和準(zhǔn)備生產(chǎn)的發(fā)光二極管從一開始就有我們獨(dú)有的特色。
3、本發(fā)明的直接效果是將目前工藝上成熟的鎵鋁銦磷系列發(fā)光材料的發(fā)光二極管效率提高。目前紅色和橙色因勢(shì)壘差較大，效率比較高，成本已經(jīng)比較低，但是，更短波長(zhǎng)的光，例如黃、綠、藍(lán)方面，發(fā)光效率很低。本發(fā)明將減少注入電子的泄漏而提高發(fā)光效率，本發(fā)明將這一系列發(fā)光材料向短波方向推進(jìn)約400A，可開發(fā)黃光(5890A)、綠光(5500A)，并在有應(yīng)力的情況下，開發(fā)近藍(lán)色的5321A波長(zhǎng)的發(fā)光二極管，取代部分昂貴的含氮系列綠色發(fā)光二極管。
4、本發(fā)明無需添加新的設(shè)備，僅在現(xiàn)有MOCVD設(shè)備上改變材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)。
5、本發(fā)明是將原來均勻組分的電子約束層(cladding layer)改成具有一定結(jié)構(gòu)的材料，在提高效率的同時(shí)，不增加有機(jī)源材料的消耗。
6、本發(fā)明為電子器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加了新的設(shè)計(jì)思想和方法。
7、本發(fā)明同時(shí)給出了用渦輪MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)這種人工超晶格電子布拉格反射器的工藝及生長(zhǎng)程序。
圖1是本發(fā)明的電子布拉格反射器工作原理示意圖；圖2是鎵鋁銦磷系列材料能帶與組分的關(guān)系圖；圖3是美國(guó)EMCORE公司生產(chǎn)的的雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的能帶分析圖；圖5是有電子布拉格反射器結(jié)構(gòu)的5890A黃光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
下面通過實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步敘述。
實(shí)施例1如圖2所示，上部曲線為鋁銦磷(AlInP)材料中帶隙寬度隨磷化鋁(AlP)含量的變化，下部曲線為鎵銦磷(GaInP)材料中帶隙寬度隨磷化鎵(GaP)含量的變化。曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)表示從高效率發(fā)光的直接躍遷帶隙到發(fā)光效率很小的間接躍遷的變化。
三角形區(qū)域中與砷化鎵(GaAs)襯底晶格匹配的區(qū)域是本發(fā)明作為設(shè)計(jì)舉例的區(qū)域。其中，最高直接帶隙發(fā)射波長(zhǎng)達(dá)5321A，此時(shí)材料與砷化鎵(GaAs)襯底的晶格略有失配。
如圖3所示，該雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管由窗口層(Window layer)磷化鎵(GAP)或鋁鎵砷(AlGaAs)、上包層(Upper cladding)銦鎵鋁磷(InGaAlP)、下包層(Lowercladding)銦鎵鋁磷(InGaAlP)、芯層(Active layer)銦鎵鋁磷(InGaAlP)和砷化鎵襯底(GaAs Substrate)構(gòu)成。
如圖4所示，上、下包層材料(Upper cladding和Lower cladding)取x＝1，得到最大帶隙寬度Vg＝2.345eV。此層限制電子的流失。
芯層(Active layer)取y＝0為這一系列材料發(fā)射的最長(zhǎng)波長(zhǎng)，紅光波段λ＝6500A，對(duì)應(yīng)帶隙1.9ev，圖中表示為實(shí)線。芯層與包層帶隙差達(dá)0.464eV，可以對(duì)注入電子實(shí)現(xiàn)有效約束。
圖中用虛線表示的芯層對(duì)應(yīng)于In0.49(Ga0.2Al0.8)0.51P。這系列材料在晶格匹配時(shí)的最大直接帶隙，理論上發(fā)射波長(zhǎng)為5500A的綠光，但實(shí)際上是作不出來的。從圖中可以看到，此時(shí)帶隙為2.29eV，帶隙差僅0.055eV，注入電子未能復(fù)合發(fā)光就流失了，通常認(rèn)為帶隙差應(yīng)大于0.2eV。
實(shí)施例2如圖5所示，電子布拉格反射器置于芯層n-(Ga0.52YAl0.48)0.51In0.49和p-型包層p-Al0.51In0.49P之間。圖左上部分是布拉格反射器放大的能帶圖，這是一由兩種不同成分的材料厚度分別遞減的、同時(shí)周期也遞減的變周期結(jié)構(gòu)(chirpedgrating)，這種結(jié)構(gòu)反映出處于電場(chǎng)中的電子能量狀態(tài)分布。用程控的MOCVD技術(shù)可以制作出這種人工啁啾周期結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3本發(fā)明電子布拉格反射器應(yīng)用于發(fā)光二極管的具體實(shí)施可按照下列步驟——選用低氣壓可編程自動(dòng)控制MOCVD材料生長(zhǎng)系統(tǒng)。例如美國(guó)EMCORE公司的渦輪轉(zhuǎn)盤MOCVD材料生長(zhǎng)系統(tǒng)。——根據(jù)具體的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在P/I層間的阻擋層插入啁啾布拉格反射層。設(shè)計(jì)方法采用如下舉例的表格方式?！鶕?jù)列表算出各層的厚度和組分，在根據(jù)該組分的生長(zhǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)每種組分確定生長(zhǎng)速率?！鶕?jù)生長(zhǎng)速率確定每層的生長(zhǎng)時(shí)間?！鶕?jù)列表的數(shù)據(jù)和順序，編制不中斷一次完成的生長(zhǎng)程序。不同成分的層是由生長(zhǎng)源材料的切換來完成。材料切換之間有足夠的間隙，停止III族源材料的供應(yīng)，以確保做到干凈的切換，得到組分突變的界面。生長(zhǎng)用于黃光5890A的這種布拉格反射器程序見設(shè)計(jì)舉例。——按常規(guī)的生長(zhǎng)發(fā)光二極管的操作過程上機(jī)操作，完成有電子布拉格反射器的高效率和短波長(zhǎng)的發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)。
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例例1、鎵鋁磷銦系列5890A黃色發(fā)光二極管電子布拉格反射器結(jié)構(gòu)第一步列出基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下發(fā)射波長(zhǎng)λ＝5890A，布拉格周期厚度d(高)＝d(低)＝mλ/4n，取6階衍射，m＝6，n是該層對(duì)電子的折射率。高階衍射材料是p-Al0.51In0.49P，低折射率材料是p-(Ga0.52Al0.48)0.51In0.49P第二步列表
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第三步?jīng)Q定周期數(shù)，表示為a(d高+d低)，a為周期數(shù)。
例2、鎵鋁磷銦系列5320A藍(lán)綠色發(fā)光二極管電子布拉格反射器結(jié)構(gòu)第一步列出基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下發(fā)射波長(zhǎng)λ＝5320A，布拉格周期厚度d(高)＝d(低)＝mλ/4n，取10階衍射，m＝10，n是該層對(duì)電子的折射率。高階衍射材料是p-Al0.51In0.49P，低折射率材料是p-Al0.44In0.56P第二步列表
第三步?jīng)Q定各層周期數(shù)，表示為a(d高+d低)，a為周期數(shù)。
2、生長(zhǎng)程序的設(shè)計(jì)方法以黃光設(shè)計(jì)為例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取自黃光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)表。生長(zhǎng)程序控制參數(shù)取自實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。在E204程序中生長(zhǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速700PPM，生長(zhǎng)室壓強(qiáng)25Tor，溫度＝720Deg，生長(zhǎng)速率是33nm/分，設(shè)備時(shí)間控制精度千分之一分。列出周期數(shù)和生長(zhǎng)時(shí)間列表如下
配置的插入程序段是layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#161718 2(19 202122) 5(23 240.353min 0.100min 0.118min 0.100min 0.208min 0.100min 0.073min 0.100min 0.148minTMIn 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccmR V R V R V R V RTMIn Press250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0TorR R R R R R R R RTMGa 7.90ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccmV V R V V V R V VTMG Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R R R R R R RTMA 101.0ccm 26.00ccm 26.00ccm 101.0ccm 101.0ccm 26.00ccm 26.00ccm 101.0ccm 101.0ccmR V R V R VR V RTMA Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R R R RR R RPH3 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccmR R R R R RR R RAlk inj push 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R R R RR R RHyd inj push 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R R R RR R RZn25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccmR V R V R VR V RZn Press 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0TorR R R RR RR R R
layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#2526) 7(27 2829 30) 8(31 32330.100min 0.066min 0.100min 0.107min 0.100min 0.058min 0.100min 0.087min 0.100minTMIn 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0ccm 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0ccV R V RV R V R VTMIn Press250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0TorR R R RR R R R RTMGa 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccmV R V VV R V V VTMG Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R RR R R R RTMA 26.0ccm 26.0ccm 101.0ccm 101.0ccm 26.0ccm 26.0ccm 101.0ccm 101.0ccm 26.0ccmV R V RV R V R VTMA Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R RR R R R RPH3 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccmR R R RR R R R RAlk inj push 4000ccm4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R RR R R R RHyd inj push 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R R RR R R RZn25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccmV R V R VR VR VZn Press 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0TorR R R R RR RR R
layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#layer#34) 9(35 36 3738) 5(39 404142)0.052min 0.100min 0.078min 0.100min 0.048min 0.100min 0.070min 0.100min 0.045minTMIn 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0cc 420.0ccR V R V R V R V RTMInPress 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0Tor 250.0TorR R R R R R R R RTMGa 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccm 19.20ccmR V V V R V V V RTMG Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R R R R R R RTMA 26.0ccm 101.0ccm 101.0ccm 26.0ccm 26.0ccm 101.0ccm 101.0ccm 26.0ccm 26.0ccmR V R V R V R V RTMA Press 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0Tor 950.0TorR R R R R R R R RPH3 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccm 1700ccmR R R R R R R R RAlk inj push 4000ccm 4000ccn 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R R R R R R RHyd inj push 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccm 4000ccmR R R R R R R R RZn25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccm 25.00ccmR V R V R V R V RZn Press 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0Tor 540.0TorR R R R R R R R R
權(quán)利要求
1.一種電子布拉格反射器，其特征在于由兩種不同成分的半導(dǎo)體材料層交替相疊而成，材料的厚度分別遞減，同時(shí)厚度變化周期按人工啁啾周期規(guī)律遞減。
2.一種電子布拉格反射器在發(fā)光二極管中的應(yīng)用，其特征在于將電子布拉格反射器置于芯層和p-型包層之間，具體方法如下——針對(duì)具體的發(fā)光二極管，畫出其結(jié)構(gòu)的能帶圖，標(biāo)出其中的外加電場(chǎng)與其內(nèi)部的勢(shì)能分布；根據(jù)電場(chǎng)和勢(shì)能分布，設(shè)計(jì)其電子布拉格反射器結(jié)構(gòu)；——在電子注入型半導(dǎo)體器件的p-型側(cè)需要限制和反射電子的界處，即通常非摻雜層與p-型摻雜層之間首先插入一層250～300A的寬帶隙材料作為阻擋層、電子濾波和電子的初加速層，然后是由兩種半導(dǎo)體材料交替層形成的人工超晶格電子布拉格反射器，構(gòu)成該電子布拉格反射器的人工超晶格層的半導(dǎo)體材料對(duì)電子的折射率不同，層的厚度相當(dāng)四分之一電子波長(zhǎng)等效厚度；——根據(jù)各層的勢(shì)場(chǎng)及電子的能量，計(jì)算相應(yīng)層的電子折射率；——根據(jù)實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的p-型限制層的厚度分配各布拉格反射層的實(shí)際厚度；——針對(duì)選擇的6階或8階決定各布拉格反射層的高/低(1/4)λ層的周期數(shù)；——根據(jù)這個(gè)周期數(shù)，設(shè)計(jì)外延生長(zhǎng)過程的控制程序；——設(shè)計(jì)的控制程序是作為現(xiàn)有的生長(zhǎng)程序中的一個(gè)程序段；將該程序段插入原發(fā)光二極管生長(zhǎng)程序中，有源層生長(zhǎng)之后，p-型包層生長(zhǎng)之前。
全文摘要
一種電子布拉格反射器,由兩種不同成分的半導(dǎo)體材料層交替相疊而成,材料的厚度分別遞減,同時(shí)厚度變化周期按人工啁啾周期規(guī)律遞減。電子布拉格反射器在發(fā)光二極管中的應(yīng)用是將電子布拉格反射器置于芯層和p－型包層之間。本發(fā)明為光電子器件提供一種新的電子約束和控制的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法,用電子布拉格反射器使我們能在普通的MOCVD設(shè)備中用鎵鋁銦磷系列材料就能容易提高黃光的發(fā)光效率,還能開發(fā)綠光的發(fā)光二極管。
文檔編號(hào)H01S5/187GK1267108SQ0011414
公開日2000年9月20日 申請(qǐng)日期2000年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月21日
發(fā)明者廖?？? 范廣涵 申請(qǐng)人:廣州亮達(dá)光電器件有限公司