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光电半导体的原理以及半导体光电子器件的制作方法

2017-05-16

类别：行业趋势

282

拍明

　　光电半导体的体系

　　我们将使用半导体，将电气信号变换为光信号或反过来将光信号变换为电气信号的器件叫做光电半导体。光电半导体有各种种类。按照功能、动作原理、结构、用途分类，主要的光电半导体可以分为以下几类。

　　光电半导体的体系

　　发光二极管(LED)的动作原理

　　LED是放射光的二极管，流通电流的话，将发射可见光或红外线光。

　　L：Lingt

　　E:Emitting

　　D:Diode

　　动作原理：

　　LED是具有PN接合面的半导体。外加正向电压的话，电子将从N型区域，空穴将从P型区域向PN接合部分移动后再结合，电子带来的能量就转换为光。也就是说，自由电子和空穴进入结合状态时所产生的能量变成光后放射出来。

　　光的颜色(光的波长)由半导体的种类和添加物决定，各种化合物半导体的用法如下。

　　主要LED用半导体的种类

　　发光二极管的结构

　　发光二极管的动作原理

　　发光二极管的图形记号

　　可见光LED的种类和使用方法

　　可见光LED属于诉诸于视觉的器件，因此针对颜色、形状、结构有各种种类

　　★LED灯

　　指用透明树脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等构成的LED芯片器件。发光的部分主要呈圆屋顶形状，可以根据用途转变为三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度LED的话，则可以获得5cd(烛光)以上的光量。

光电半导体的原理以及半导体光电子器件的制作方法.jpg

　　用途

　　汽车用停止灯、铁路用信号机、道路信息板等

　　LED灯的外观

　　★SMD LED灯的外观

　　SMD LED是一种和一般的圆形LED灯相比，以小型薄型为特征的表面安装用器件。由于近年来电子设备小型化，需要急速增加。

　　用途

　　手机、移动设备

　　SMD LED灯的外观

　　★白色LED

　　为了用LED作全色显示，必须采用发出3原色(红色、绿色、蓝色)光的LED。白色LED就是将各种发光芯片内置在1个封装内的器件。此外，还有在蓝色LED里内置补色荧光体，用蓝色以及蓝色能量激起的补色来发出白色光的器件。

　　用途

　　全色液晶面板用背景光、低耗电灯

　　白色LED的原理

　　★LED显示器

　　指将LED芯片固定在印刷基板及金属引线上，用成形的树脂外壳封住数字及文字的器件。7段数字显示显器为代表器件。

　　用途

　　.TV、TVR

　　.音响

　　.家用电器

　　.OA设备

　　LED显示器的外观

　　★显示用LED

　　除了高亮度化、多色化以外，还可以发挥所谓高可靠性、低耗电、高速应答性等LED特征，实现多色显示。安装多色显示。安装驱动LSI的点陈式显示为代表性器件。

　　用途

　　.车站的目的地显示板

　　.各种信息显示板

　　.商场、棒球场、赛马场的室外大画面显示器

　　显示用LED的外观

　　激光半导体的动作和使用方法

　　激光半体也被称为“激光二极管”(Leser Diode).激光是一种通过诱导放出来将光放大的器件。而发出人眼可以识别的波长的叫做VLD(Visible Laser Diode).

　　动作原理

　　激光半导体(LD与LED不同，不是由注入的少数载子简单地重新结合起来，而是由于光的刺激而再结合起来，发出相位一致的光来)。而且，芯片的一对端面呈镜面状，由激光共振器构成。光在该共振器内往返的过程中放大后，取出到芯片外部。

　　特征

　　因为LD的主体是被称为诱导放出的发光过程，因此可以得到波长及相位整齐集中在一起(相干性)的光。为此，指向性及能量集中性相当优良。

　　激光半导体的外观

　　激光半导体的动作原理

　　结晶的种类的振荡波长

　　使用的结晶材料不同，激光的振荡波长也不一样。大致可分为如左图所示几大类。而且，可以由1个器件发出2种不同波长振荡的二波长激光半导体也已经大量生产。

　　主要的应用领域

　　InGaAIP激光：光盘(DVD)、条形码读取头

　　GaAIAS激光：光盘(CD/MD)、激光束打印机

　　InGaAsP激光：光通信

　　InGaN激光：光盘(HD-DVD、蓝光光碟)

　　结晶的种类的振荡波长

　　激光半导体的封装结构

　　受光器件的种类和使用方法

　　半导体的基本机构之一PN接合部对光是非常敏感的。受光器件就是利用了这个特点，将光信号变换为电气信号(电流或电压)

　　★光电二极管

　　一旦光射入PN接合二极管，结合在晶格内的电子被解放，成为自由电子，会产生一对自由电子及空穴。反向电压引发的空乏层内，或者其附近由于光的照射而产生的自由电子和空穴对将会会离，成为强度与光的强弱成比例的反向电流。这就叫光电流。空乏层以外的区域产生的自由电子和空穴对会再次接合成为热，并消失。

　　用途

　　光传感器

　　摇控器(红外光受光)

　　检测出光的断开

　　光电二极管的动作原理

　　光电二极管的图形记号

　　★太阳电池

　　利用光电二极管，将光能量变换为电气能量的器件即为太阳电池。如果加了正向电压其电压仍然较低的话，由于电位势垒存在空乏层，因此光照射而产生的自由电子和空穴对会分离，在正向电压状态下会流出输出电流。在要求较高变换效率的用途中，使用单结晶硅或化合物半导体的GaAs等，在即使变换效率某种程度上较低，但要求大面积、低价格的用途中，使用非晶质硅等。

　　用途

　　钟、电子计算器

　　太阳光发电系统

　　★光电晶体管

　　可以视为光电二极管中安装放大器的晶体管。形成基极、集电极的PN接合是一种感光的二极管。通过光，在这个接合面产生的光电流将向发射极流动。通过晶体管的放大作用，这种发射极电流将放大到最初光电流的几百倍。

　　用途

　　光电传感器

　　光电开关

　　受光晶体管的外观

　　光电晶体管的动作原理

　　光电晶体管的图形记号

　　CCD图像传感器的动作和使用方法

　　这是将矩阵状分配的多个光电二极管和CCD集成到一起的光电传感器。CCD是一种将光电二极管内产生的面系列电荷依次转送并转换成时间系列的器件。(C：Charge C:Couple D:Device)

　　CCD的结构和动作原理

　　CCD具有形成于基板表面的N型不纯物层的上面像链条一样并排多个MOS型电极的结构。转发电极是重合2层或3层多晶硅的结构，尽可能缩小电极和电极的间隔形成。沿着排放的转发电极，施加以时钟脉冲的话，存在于电极之下的电荷将按顺序向旁边的电极之下移动。

　　CCD的结构

　　CCD图像传感器

　　在P型不纯物层的上部形成光电二极管、CCD、信号检测电路。光电二极管将光变换为电子(电荷)，CCD将该电荷发送到信号检测电，电荷变换为电压信号。我们将光电二极管一维排列的传感器叫作线性传感器，将二维排列的传感器叫作面阵图像传感器。

　　CCD图像传感器(线性)的外观

　　特征

　　高感应度

　　高解析度

　　低噪音

　　用途

　　图像扫描仪

　　多功能打印机

　　复印机

　　CMOS图像传感器的动作和使用方法

　　这是将矩阵状分配的多个光电二极管和MOS模拟开关集成到一起的光电传感器。矩阵状配置的MOS模拟开关是将光电二极管中产生的面系列电荷转换成时间系列的器件。

　　CMOS图像传感器

　　CMOS图像传感器由半导体基板上的光电二极管和每个光电二极管形成的读取晶体管电路以及指定地址的扫描电路构成。读取在扫描电路上指定的光电二极管的电荷，然后在晶体管中依次作为输出信号读取。CCD图像传感器按照顺序转发电荷，输出图像信息，碉CMOS图像传感器将纵向和横向的晶体管动作组合后输出图像信息。

　　特征

　　低耗电

　　单一电源驱动

　　系统集成电路化简单

　　用途

　　插秧机、便携式信息终端机、数码相机、PC相机、图像辨识(指纹检测、二维条形码等)

　　CMOS图像传感器(面陈型)的外观

　　CMOS图像传感器的结构

　　CCD图像传感器和CMOS图像传感器的动作比较

　　光耦的动作和使用方法

　　这是一种将发光器件和受光器件进行光学性结合(耦合)，安装在1个封装内的光复合器件。可以在电路和电路之间电气性绝缘的情况下传达信号。

　　内部结构

　　安装在个别框架内的发光器件(一般情况下为红外线LED)和受光器件在光结合的状态下放置，并且彩绝缘性的树脂塑膜定型。

　　光耦的内部结构

　　动作原理

　　通过电气输入信号从发光器件(LED)放射出来的光通过受光器件再次变换为电气信号输出。输入信号和输出信号都是电气信号，但器件内部是通过光来执行信号传输的。因此，该器件的特征就是输入侧和输出侧电气性处于数千V的绝缘分离状态。

　　光耦的动作原理

　　种类

　　根据应用电路，存在具有各种受光器件的光耦

　　晶体管输出

　　达林顿晶体管输出

　　晶闸管输出

　　三端双向可控硅输出

　　IC(逻辑)输出.

　　光耦的外观

　　光耦的种类

　　用途

　　电子设备中，微控制器等直流电压系统、交流电压系统、电话线等不同的电源系统安装在相同的装置内，相互传达信号。

　　将这些不同的电源系统直接结合的话，可能会引起动作上或安全上各种故障，而如果使用光耦的话，可以在各电源系统之间绝缘的状态下传达信号。

　　家电产品、AV机器

　　电源、充电器

　　电话、计算机

　　光继电器的动作和使用方法

　　和光耦结构类似，而特别把用源极共通连接起来的2个MOSFET构成输出段的器件叫作光继电器。

　　光继电器的外观

　　动作原理

　　将受光器件的光电二极管作为太阳电池使用。红外线LED发射光的话，受光器件(太阳电池)就会产生光起电力。这个电力通过控制电路令MOSFET的栅极电压上升，就能让MOSFET进入ON状态。控制电路能缩短MOSFET的关闭时间，将OFF期间的栅极电压保持为0，防止MOSFET误启动。

　　光继电器的动作原理

　　特征

　　作为对机器进行ON/OFF控制的器件，有机械式继电器(机械式接点)。光继电器和信号用机械式继电器相比，具有以下优点。

　　动作速度较快

　　无机械性磨损，寿命长

　　可以实现小型、薄型化

　　用途

　　电话、交换机、调制解调器

　　测定器、测试器

　　光断路器的动作和使用方法

　　指以将发光器件和受光器件在套筒内一体化，通过光的遮光或反射以检测出物体为目的的器件。

　　光断路器的外观

　　★透过型光断路器

　　动作原理

　　保持某一间隔，使发光二极管和受光器件相对，通过受光侧的光量变化，以非接触的方法测出通过该间隔的物体。

　　透过型光断路器的结构

　　★反射型光断路器

　　动作原理

　　将发光二极管和受光器件配置在一个方向，通过物体将发光二极管的光反射，用受光器件进行检测。也叫做反射型光传感器。

　　反射型光断路器的结构

　　用途

　　OA机器(打印机、复印机)

　　AV机器(VTR、唱机)

　　家电产品(电子微波炉、换气加热器)

　　光通讯用器件(OCD)和种类和使用方法

　　将发光侧(LED或激光二极管)的信号用光纤传送到受光侧(光电二极管)的光通信系统中所使用的就是光通讯用器件(OCD：Optical Communication Device)。

　　光通讯的原理

　　1) 输入电气信号通过发光器件变换为光信号。

　　2) 光信号通过光纤传输到受光器件。

　　3) 光信号经由受光器件转换为电气信号后输出。

　　光通讯的原理

　　光通讯的特征

　　和使用电线，保持电气信号的状态传输信号时，或通过电波传输时相比，具有以下特征。

　　光纤不受到电磁噪音的影响

　　不从光纤放射电磁噪音(信号不泄漏)

　　可以传输大容量信号

　　光通讯系统的种类和使用器件

　　光通讯系统大致可以分为以下几类。

　　光通讯用器件的外观(短*中距离用)

　　半导体光电子器件的一种类型，半导体激光器件具有一个作为其基底的蓝宝石衬底1，并且包括一个发出或者接收光线的有源层(active

　　layer)5，在蓝宝石衬底1上设置的n型层2、3和4，以及在n型层2、3和4上设置的p型层6、7和8。

　　具体来说，被设置在有源层5上方的p型层7和被设置在有源层5下方的n型层，分别是一个p型波导层和一个n型波导层。为了对电子、空穴和光线进行限制(confine)，在p型波导层7的上方和n型波导层4的下方分别设置有p型包覆层(cladding

　　layer)8和n型包覆层3。在p型波导层7与有源层5之间设置有一个仅有空穴能够穿过的电子阻挡层6。n型GaN接触层2被设置在蓝宝石衬底1与n型包覆层3之间，并且在p型包覆层8的上方设置有一个p型GaN层。

　　这种氮化物基发射器件使用了一个蓝宝石衬底。通常，在氮化物基激光二极管中，用于对从有源层发射出的光线进行导引的波导层由GaN制成，并且用于将电子和光线限制在其中的包覆层由AlxGa1-xN。

　　与GaN相比，AlxGa1-xN具有一个较大的禁带宽度(energy

　　gap)。此外，AlxGa1-xN与形成有源层的InGaN之间在耐火系数(refractory

　　index)上的差异大于GaN与InGaN之间在耐火系数上差异。

　　与用作n型接触层材料的GaN相比，AlxGa1-xN具有较小的点阵常数和热膨胀系数，这将导致在氮化物基激光二极管中发生开裂现象。因此，在由AlxGa1-xN制成的包覆层中铝的组成比率和厚度上存在限制。根据各种研究结果，这些限制如下所述。由AlGaN/GaN制成的超晶格中铝的组成比率大约为14%，并且铝的厚度为1微米。块状AlGaN层(bulk

　　AlGaN

　　layer)中铝的组成比率约为8%，并且铝的厚度为1微米。由于这些对由AlxGa1-xN制成的包覆层中铝的组成比率和厚度的限制，朝向衬底的模式泄漏(modeleakage)，也就是说光限制因子(optical

　　confinement

　　factor)会减小。

　　模式泄漏减小了光限制因子，并且由此使得光增益下降。因此，模式泄漏增大了使得激光器件开始发生振荡所必需的电流量，并且会在激光器件的远场图形上产生负面影响。光限制因子的减小也会增大使得激发装置开始发生振荡所必需的电流量，降低内量子效应，并且也会在激光器件的远场图形上产生不良影响。

　　发明内容

　　本发明提供了一种半导体发光器件，通过有效地提高光限制因子，这种半导体发光器件具有较高的耐用性和可靠性。

　　本发明还提供了一种高效的半导体发光器件，通过利用光增益，这种半导体发光器件能够降低使得激光发生振荡所必需的电流值，并且由此降低了工作输入功率。

　　根据本发明的一个方面，在这里提供了一种半导体光电子器件。这种半导体光电子器件包括有源层，一设置在有源层上方的上部波导层和一设置在有源层下方的下部波导层，一设置在上部波导层上方的上部包覆层和一设置在下部波导层下方的下部包覆层，一支撑所述下部包覆层、下部波导层、有源层、上部波导层以及上部包覆层的堆积结构(deposited

　　structure)的衬底，以及分别设置在有源层与上部波导层之间和有源层与下部波导层之间的上部和下部光限制层，所述上部和下部光限制层的禁带宽度小于上部和下部波导层的禁带宽度，但是大于有源层的禁带宽度。

　　优选的是，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置一电子阻挡层。

　　优选的是，所述衬底由Si、蓝宝石、SiC或者GaN制成。

　　优选的是，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。

　　优选的是，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成。优选的是，所述上部包覆层由p-AlGaN/p-GaN，p-AlGaN/GaN，AlGaN/p-GaN或者p-AlGaN制成，而所述下部包覆层由n-AlGaN/n-GaN，n-AlGaN/GaN，AlGaN/n-GaN或者n-AlGaN制成。

　　优选的是，在所述上部包覆层的上方成形有一个p-GaN接触层，并且在所述下部包覆层下方的成形有一个n-GaN接触层。优选的是，所述有源层被制成一个由AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN(0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)组成的单量子阱结构或者多量子阱结构(a

　　single

　　ormultiple

　　quantum

　　well

　　structure)。换句话说，有源层可以由GaN，AlGaN，InGaN或者AlInGaN形成。

　　优选的是，所述光限制层由InzGa1-zN制成。

　　优选的是，所述光限制层中掺杂有Si或者Mg。

　　优选的是，所述光限制层的厚度大于100埃。

　　附图说明

　　通过下面参照附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的前述和其它技术特征以及优点将变得更为明白，其中图1是一传统氮化物基半导体激光器件的横剖视图;图2是一根据本发明一优选实施例的半导体激光器件的横剖视图;图3是一曲线图，示出了构成图2中所示半导体激光器件的各个层的禁带宽度;图4A和4B是两曲线图，分别示出了光限制因子相对于n型包覆层的不同模式轮廓(mode

　　profile)发生变化的模拟结果，所述n型包覆层中铝的组成比率分别为10%和15%;图4C和4D是两曲线图，分别示出了在将14纳米厚的光限制层添加到图4A和4B上之后模式轮廓发生变化的模拟结果;图5A至5C是三个曲线图，示出了光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10%，13.5%，15%)以及光限制层的厚度发生变化的模拟结果;图5D是一曲线图，示出了在一个包括有一光限制层的发光器件中，光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10%，13.5%，15%)的变化状态(实心圆)，并且示出了在一个没有光限制层的发光器件中，光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态(实心方块);图5E是一个曲线图，示出了在一个发光器件中光限制因子增大速率相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态，在该发光器件中光限制层具有预定的厚度，以便可以在与图5D中相同的状况下获得最大的光限制因于;以及图6是一曲线图，示出了使得一个根据本发明包括有一光限制层的激光二极管开始发生振荡所必需的电流量的变化状态，并且示出了使得一个没有包括光限制层的传统激光二极管开始发生振荡所必需的电流量的变化状态。

　　具体实施例方式

　　为了通过在包覆层中增大光限制因子来提高光增益，其中所述包覆层中铝的组成比率为不会导致产生任何开裂现象的最大容许值，本发明提供了一种半导体发光器件，该半导体发光器件具有一个发光器件，其中在一有源层与一位于该有源层上方的上部波导层之间，以及在该有源层与一位于该有源层下方的下部波导层之间，插入有一AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1，0≤x+y≤1)光限制层。

　　根据本发明的半导体发光器件具有增强的内量子效应(internal

　　quantumefficiency)，以及一个降低的激光振荡起动电流和一个降低的工作输入功率。激光振荡起动电流和工作输入功率的降低有助于延长半导体发光器件的使用寿命。

　　根据本发明的半导体发光器件可以被应用于III-V族光电子器件和氮化物基光电子器件，比如氮化物基发光器件或氮化物基光接收器件。

　　图2是一个根据本发明一优选实施例的光电子器件的横剖视图，比如一个半导体激光器件，而图3是一个曲线图，示出了构成图2中所示半导体激光器件的各个层的禁带宽度。

　　参照图2，一个掺杂有Si的GaN接触层20被成形在由Si、SiC、GaN或者蓝宝石制成的衬底10上。在GaN接触层20的上方，设置有一个电子发光层，该电子发光层具有一个作为其主要构件的InGaN有源层50。该InGaN有源层50具有一个由AlvInxGa1-x-vN和AlwInyGa1-y-wN(0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)组成的单量子阱或者多量子阱结构。在这里，AlvInxGa1-x-vN和AlwInyGa1-y-wN具有不同的禁带宽度。换句话说，InGaN有源层50可以由GaN、AlGaN、InGaN或者AlInGaN制成。

　　在InGaN有源层50的上方和下方，分别成形有一n型光限制层45和一p型光限制层55。下部光限制层45可以由AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1，0≤x+y≤1)制成。例如，下部光限制层45可以由n型或者未掺杂的AlxInyGa1-x-yN、AlxGa1-xN或者InyGa1-yN制成，而上部光限制层55可以由(p-)型，(n-)型或者未掺杂的AlxInyGa1-x-yN、AlxGa1-xN或者InyGa1-yN制成。光限制层45和55的禁带宽度大于或者等于InGaN有源层50的禁带宽度，但是小于或者等于下部波导层40和上部波导层70的禁带宽度，这些将在下面的段落中进行描述。

　　如图2中所示，下部波导层40和上部波导层70分别由n型GaN和p型GaN制成。与光限制层45和55的禁带宽度相比，下部波导层40和上部波导层70具有一个较大的禁带宽度。在下部波导层40的下方，成形有一个n-AlGaN/n-GaN、n-AlGaN/GaN、AlGaN/n-GaN或者n-AlGaN包覆层30和一个n-GaN接触层20。

　　在上部光限制层55与上部波导层70之间设置有一p型AlGaN电子阻挡层60。如图3中所示，该p型AlGaN电子阻挡层60具有最大的禁带宽度，以便能够阻止电子穿过该p型AlGaN电子阻挡层60，并且仅有空穴被允许穿过该p型AlGaN电子阻挡层60。

　　在上部波导层70上成形有一p-AlGaN/p-GaN、p-AlGaN/GaN、AlGaN/p-GaN或者p-AlGaN包覆层80和一个p-GaN上部接触层90。

　　根据本发明，由于光限制层45和55分别被设置在有源层50的下方和上方，所以即使在AlGaN包覆层中对铝的组成比率和厚度上存在有限制，仍然能够增大光限制因子。因此，能够降低用于使得激光器件发生振荡所必需的电流值，并且增强内量子效应。

　　此外，根据本发明，与已经被广泛用在光电子器件中的波导层相比具有较窄禁带宽度的光限制层，与该波导层一同被设置在半导体激光器件中，并且由此该光限制层和所述波导层可以用作用于有源层50的双重光限制层。

　　图4A至4D是四个曲线图，每一个均示出了光限制因子相对于一个包括有n型包覆层30的发光器件的模式轮廓发生变化的模拟结果。具体来说，图4A示出了光限制因子相对于一个包括有一p型包覆层和一n型包覆层的发光器件的模式轮廓的变化状态，所述p型包覆层和n型包覆层中铝的组成比率为10%，而图4B示出了光限制因子相对于一个包括有一p型包覆层和一n型包覆层的发光器件的模式轮廓的变化状态，所述p型包覆层和n型包覆层中铝的组成比率分别为10%和15%。

　　如图4A中所示，当n型包覆层中铝的组成比率为10%时，会环绕衬底发生模式泄漏。另一方面，如图4B中所示，当n型包覆层中铝的组成比率为15%时，则不会在朝向衬底的方向上发生泄漏，从而光限制因子增大。

　　图4C示出了光限制因子相对于这样一个发光器件的模式轮廓的变化状态，该发光器件包括有一个其中铝的组成比率为10%的n型包覆层，一个其中铝的组成比率为10%的p型包覆层，以及一个位于由InzGa1-zN制成而具有140埃的厚度的光限制层之间的有源层。图4D示出了光限制因子相对于这样一个发光器件的模式轮廓的变化状态，该发光器件包括有一个其中铝的组成比率为15%的n型包覆层，一个其中铝的组成比率为10%的p型包覆层，以及一个位于由InzGa1-zN制成而具有140埃的厚度的光限制层之间的有源层。

　　图4C和4D示出了可以通过设置一个光限制层来提高光限制因子。尽管图4C示出了在衬底附近发生了模式泄漏，但是其还示出了与图4A相比的半幅值(half

　　amplitude)的减小，并且半幅值减小表明对光的限制更为有效。与图4C相比，图4D示出了在衬底周围发生了模式泄漏，但是通过将图4C中所用n型包覆层中铝的组成比率从10%增大至15%，获得了半幅值的更多损失。因此，图4D还表明了能够通过设置光限制层来增大光限制因子。

　　图5A至5C是三个曲线图，每一个均示出了光限制因子相对于光限制层的厚度发生变化的模拟结果。在图5A至5C中使用的n型包覆层中铝的组成比率均不相同，即分别为10%，13.5%和15%。

　　图5A至5C示出了当n型包覆层中铝的组成比率为10%并且由InzGa1-zN制成的光限制层的厚度为140埃时所获得的最大限制因子，当n型包覆层中铝的组成比率为13.5%并且光限制层的厚度为350埃时所获得的最大限制因子，或者当n型包覆层中铝的组成比率为15%并且光限制层的厚度为420埃时所获得的最大限制因子。

　　具体来说，在图5A中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率均为10%并且光限制层的厚度大约为140埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为1.5。

　　在图5B中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率分别为13.5%和10%并且光限制层的厚度大约为350埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为2.3。

　　在图5C中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率分别为15%和10%并且光限制层的厚度大约为420埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为2.4或更大。

　　图5D示出了在一个包括有一光限制层的发光器件中光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10%，13.5%，15%)的变化状态(OCL，实心圆)，并且示出了在另一没有光限制层的发光器件中光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态(non-OCL，实心方块)。如图5D中所示，与没有设置任何光限制层的情况相比，在设置有光限制层的情况下光限制因子较大。此外，当n型包覆层中铝的组成比率逐步增大时，与没有设置任何光限制层的情况中的增大速率相比，在设置有一光限制层的情况下光限制因子显现出一个较高的增大速率。

　　图5E示出了在设置有光限制层的情况下光限制因子增大速率相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态。

　　如图5A至5E中所示，由于n型包覆层中铝的组成比率增大，所以光限制因子增大，并且光限制层的优选厚度增大。在根据本发明的发光器件的情形中，在无需增大n型包覆层中铝的组成比率的条件下，能够将光限制因子增大高达16%。

　　基于在图5A至5E中示出的模拟结果，能够总结出光限制层的厚度优选地超过100埃，优选的是100至500埃。

　　图6是一曲线图，示出了在一个包括有由InzGa1-zN制成的光限制层的激光二极管中，使得激光开始发生振荡所必需的电流量的变化，并且示出了在没有光限制层的传统激光二极管中，使得激光开始发生振荡所必需的电流量的变化。在这里，两种激光二极管均包括有一个无开裂现象的n型包覆层，该n型包覆层中铝的组成比率为14%。如图6中所示，与传统激光二极管相比(72毫安)，包括有由INzGa1-zN制成的光限制层的激光二极管在使激光开始发生振荡所必需的电流量(46毫安)上下降了40%。光限制层在激光二极管中的存在引起了光限制因子增大，并且因此，光限制系数和光增益也增大。由于光限制层用作n型包覆层与有源层之间的缓冲层，所以使得激光开始发生振荡所需的电流量明显减少。

　　根据本发明的半导体发光器件提供了下述优点。

　　首先，能够在不增大n型包覆层中铝的组成比率的条件下降低或者防止模式泄漏现象，并且能够使得光限制因子增大高达16%。

　　其次，能够有效地减小由于AlGaN电子阻挡层与有源层之间点阵常数的差异而产生的应力。

　　第三，能够将激光器件的阈值电流降低高达40%。

　　第四，能够降低器件的工作电流和电压。

　　最后，能够通过降低工作输入功率来延长器件的使用寿命。

　　本发明可以被应用于III-V族/氮化物基发光器件或光接收器件。也就是说，本发明可应用于各种器件，包括白光激光发射二极管(LED)、蓝光LED、绿光LED、紫色激光二极管(LD)、蓝光LD、绿光LD，以及光接收器件和电子器件。

　　尽管已经参照本发明的示例性实施例对本发明进行了具体图示和描述，但是本领域普通技术人员将会明白的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的技术构思和保护范围的条件下，可以在形式和细节上对它们进行各种改变。

　　权利要求

　　1.一种半导体光电子器件，包括有源层;设置在所述有源层上方的上部波导层，和设置在所述有源层下方的下部波导层;设置在所述上部波导层上方的上部包覆层，和设置在所述下部波导层下方的下部包覆层;支撑所述下部包覆层、下部波导层、有源层、上部波导层以及上部包覆层的堆积结构的衬底;以及设置在所述有源层与上部波导层之间的上部光限制层，和设置在所述有源层与下部波导层之间的下部光限制层，它们的禁带宽度小于所述上部和下部波导层的禁带宽度，但是大于所述有源层的禁带宽度。

　　2.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置有电子阻挡层。

　　3.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述衬底由Si、蓝宝石、SiC或者GaN制成。

　　4.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。

　　5.如权利要求2所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。

　　6.如权利要求3所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。

　　7.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。

　　8.如权利要求2所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。

　　9.如权利要求3所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。