具有量子阱的光学器件制造技术

本发明专利技术公开了一种具有量子阱的光学器件。光学器件包括由Ⅲ－Ⅴ族半导体化合物构成的并具有带隙分级结构的量子阱的有源层，其中导带能量和价带能量由于预定成分含量的变化以一定斜率线性改变而导带能量和价带能量之间的能量带隙保持于预定值；以及两个势垒层，其中一个设置在有源层的上表面，另一个设置在有源层的下表面，它们都由Ⅲ－Ⅴ族半导体化合物构成并具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量。降低了驱动电压并提高了发光效率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有量子阱的光学器件，特别是涉及具有改进的发光效率和可靠性的量子阱的光学器件。
技术介绍
量子阱是通过在两种不同的半导体层之间插入薄半导体层而形成的一种结构，该薄半导体层具有比那两种半导体层小得多的能量带隙。如电子或空穴的载流子被能量势垒限制在量子阱中。由于具有量子阱的光学器件即使在小的驱动电压下也能产生大量的光，因此，人们积极地进行了关于量子阱的研究。图1A和1B分别为常规光学器件中施加驱动电压之前和之后的量子阱结构图。参考图1A，光学器件包含具有高导带能量和低价带能量的第一和第二势垒层D和D’，以及形成于第一和第二势垒层D和D’之间的有源层E，该有源层具有比第一和第二势垒层D和D’低的导带能量和高的价带能量。在施加驱动电压之前，相当于量子阱结构底部的有源层E的导带能量显示为恒定的能级。当施加驱动电压时，电子和空穴重新排列而使量子阱结构具有了电子和空穴的不均匀分布，如图1B所示。参考图1B，有源层E的导带能量和价带能量以一定斜率线性改变。在这种情况下，大多数电子和空穴以彼此呈对角线相对的方式分别分布在导带量子阱和价带量子阱中，从而降低了电子和空穴的复合效率。特别是，在光学器件中，其中具有量子阱结构的有源层由GaInNAs半导体材料构成，由于不稳定的结合，N和In不容易生长成晶体。而且，由于N的加入，发光效率和寿命会更低。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有提高了发光效率的量子阱的光学器件。根据本专利技术的一个方案，提供一种光学器件包括由III-V族半导体化合物构成的并具有带隙分级结构的量子阱的有源层，其中导带能量和价带能量由于预定成分的含量变化以一定斜率线性改变而导带能量和价带能量之间的能量带隙保持于预定值；两个势垒层，其中一个设置在有源层的上表面，另一个设置在有源层的下表面，它们都由III-V族半导体化合物构成并具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量。有源层可以由Ga1-xInxNyAs1-y构成，其中0＜x＜1且0＜y＜1。预定成分可以是In和N。优选地，0＜x≤0.3且0＜y≤0.2。势垒层可以由AlxGa1-xAs构成，其中0＜x＜1。可以在有源层和每个势垒层之间插入中间层以减小压缩应变。中间层可以由Ga1-xInxAs构成，其中0＜x＜0.6，或由GaNxAs1-x构成，其中0＜x＜0.1。有源层的能量带隙可以保持在1eV或更低。有源层最高价带能量与最低价带能量之间的差可以为0.3eV或更高。势垒层可以具有1.2到3.4eV的能量带隙。根据本专利技术的另一个方案，提供一种光学器件包括两个有源层，一个形成在另一个上，该有源层由III-V族半导体化合物构成，并具有带隙阶梯结构的量子阱，其中各导带能量和价带能量分别具有不同的能级而各导带能量和价带能量之间的能量带隙保持于预定值；以及两个势垒层，其中一个设置在该有源层之一的上表面，另一个设置在另一有源层的下表面，它们都由III-V族半导体化合物构成并具有比有源层最高导带能量更高的导带能量和比有源层最低价带能量更低的价带能量。有源层可以分别由InxGa1-xAs构成，其中0＜x＜1，和由GaNxAs1-x构成，其中0＜x＜1构成。势垒层可以由AlxGa1-xAs构成，其中0＜x＜1。可以在一个有源层和一个势垒层之间以及另一有源层和另一势垒层之间插入中间层。中间层可以由Ga1-xInxAs构成，其中0＜x＜0.6，或由GaNxAs1-x构成，其中0＜x＜0.1。各有源层的能量带隙可以保持在1eV或更低。有源层价带能量之间的差可以为0.3eV或更高。各势垒层可以具有1.2到3.4eV的能量带隙。根据本专利技术的光学器件具有带隙分级结构而使量子阱的导带能量和价带能量具有预定的线性倾斜，或者，具有使用多个有源层的带隙阶梯结构。由此，在施加驱动电压时电子和空穴可以均匀地分布。因此提高了电子和空穴的复合率，从而提高了光学器件的发光效率和可靠性。附图说明通过参考附图对示范性实施例作详细描述，本专利技术的上述以及其他特征和优点将变得更加明显，其中图1A是常规光学器件施加驱动电压之前的量子阱结构的示意图；图1B是常规光学器件施加驱动电压之后的量子阱结构的示意图；图2A是根据本专利技术第一实施例的光学器件施加驱动电压之前的量子阱结构的示意图；图2B是根据本专利技术第一实施例的光学器件施加驱动电压之后的量子阱结构的示意图；图3是根据本专利技术第一实施例的光学器件的示意截面图；图4是示出了根据本专利技术第一实施例的光学器件中导带能量转换的原理示意图；图5是根据本专利技术第二实施例的光学器件的量子阱结构的示意图；图6A是根据本专利技术第三实施例的光学器件施加驱动电压之前的量子阱结构的示意图；图6B是根据本专利技术第三实施例的光学器件施加驱动电压之后的量子阱结构的示意图；图7是根据本专利技术第三实施例的光学器件的示意截面图。具体实施例方式在下文中，将参考附图详细说明根据本专利技术的实施例的光学器件。图2A是根据本专利技术第一实施例的光学器件的量子阱结构的示意图。参考图2A，两个势垒层D和D’的各导带能量和各价带能量具有恒定的能级并以恒定的能量带隙彼此隔开。有源层E设置在两个势垒层D和D’之间。有源层的导带能量和价带能量以一定的斜率线性改变。这样的有源层E的量子阱结构称为带隙分级结构。这里，有源层E的所有位置都具有相同的能量带隙(Eg)并在能带中有相同的能带阶跃(ΔE)。图2B示出了图2A中的光学器件施加驱动电压之后的量子阱结构。参考图2B，与图2A中所示的量子阱结构不同，势垒层D和D’的导带能量和价带能量以一定斜率线性改变。有源层E的导带能量和价带能量具有恒定的能级。该量子阱结构与图1B中所示的常规光学器件施加驱动电压后电子和空穴呈不对称分布的量子阱结构形成对比。换句话说，当向图2A中的量子阱结构施加驱动电压时，电子向势垒层D’移动，并且空穴向势垒层D’移动，如图2B所示。结果，电子和空穴对称地分布。由于电子和空穴的这种对称分布，电子和空穴可以容易地复合，从而提高了发光效率。图3是作为光学器件示例的发光二极管(LED)的剖面示意图，该光学器件具有根据本专利技术第一实施例的如图2A所示的量子阱结构。在衬底1上形成缓冲层2，并在缓冲层2上形成第一化合物半导体层3。第一化合物半导体层3由n型III-V族化合物构成。在第一化合物半导体层3的台阶表面上设置n型电极8。在第一化合物半导体层3上依次形成第一势垒层4、有源层5和第二势垒层6。在第二势垒层6上形成由p型III-V族化合物构成的第二化合物半导体层7。在第二化合物半导体层7上形成p型电极9。这里，在第一势垒层4由n型III-V族化合物构成并且第二势垒层6由p型III-V族化合物构成的情况下，有源层5由含氮的III-V族化合物构成。有源层5具有带隙分级结构。图4说明形成如图2A所示的量子阱结构的方法。对于此，第一和第二势垒层4和6由GaAs构成。参考图4，Y轴以如下方式设计，使带能量在Y轴正方向上增加。x轴垂直于Y轴并以如下方式设计，以GaAs为基准，使压缩应变在X轴的正方向上增加并且拉伸应变在x轴的负方向上增加。x轴的负方向表示相对于GaAs的GaNAs的价带和导带的能量变化以及位置。另一方面，x轴的正方向表示相对于GaAs的GaInAs的价带和导带的能量变化以及位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学器件，包括：由Ⅲ－Ⅴ族半导体化合物构成的并具有带隙分级结构量子阱的有源层，其中导带能量和价带能量由于预定成分的含量变化以一斜率线性改变而导带能量和价带能量之间的能量带隙保持于预定值；以及两个势垒层，其中一个设置在有源层的上表面，另一个设置在有源层的下表面，它们都由Ⅲ－Ⅴ族半导体化合物构成并具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋大成，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]