CN113161458A - 红外发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了红外发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管制作领域。制备红外发光二极管外延片时，生长外延层的衬底选用半绝缘砷化镓衬底，可以避免衬底导电。在半绝缘砷化镓衬底上依次生长的第一本征GaAs层、p型GaAs层与第二本征GaAs层，整体的导电性较弱；且第一本征GaAs层与第二本征GaAs层之间的p型GaAs层，可以起到消耗电子的作用，对电流起到阻挡作用，减小漏电电流直接流至半绝缘砷化镓衬底的情况出现。保证电流在红外发光二极管外延层的外延层中稳定流动，保证最终得到的发光二极管外延片的稳定使用。
Description
技术领域
本公开涉及发光二极管制作领域，特别涉及一种红外发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管芯片是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等，提高发光二极管芯片发光效率是发光二极管不断追求的目标。
多种类型的发光二极管芯片中，红外发光二极管外延片的外延层通常需要以砷化镓衬底作为基础进行生长，砷化镓衬底本身可选用半绝缘砷化镓制备，得到的外延层则可用于制备倒装红外发光二极管外延片。半绝缘化的砷化镓衬底的绝缘能力有限，容易出现漏电至半绝缘的砷化镓衬底，而影响红外发光二极管外延片正常使用的情况出现。
发明内容
本公开实施例提供了红外发光二极管外延片及其制备方法，能够减小红外发光二极管外延片漏电至半绝缘的砷化镓衬底的情况，保证红外发光二极管外延片的正常使用。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种红外发光二极管外延片，所述红外发光二极管外延片包括半绝缘砷化镓衬底及依次层叠在所述半绝缘砷化镓衬底上的第一本征GaAs层、p型GaAs层、第二本征GaAs层、n型扩展层、n型限制层、n面波导层、多量子阱层、p面波导层、p型限制层、p型扩展层及p型接触层。
可选地，所述p型GaAs层的厚度与所述第一本征GaAs层的厚度之比为0.2～1。
可选地，所述第二本征GaAs层的厚度与所述第一本征GaAs层的厚度之比为1.8～2。
可选地，所述第二本征GaAs层的厚度与所述p型GaAs层的厚度之比为2～10。
可选地，所述p型GaAs层中p型杂质的浓度为1E16～1E17cm-3。
可选地，所述p型GaAs层中的p型杂质为碳。
可选地，所述n型扩展层为n型GaAs材料。
本公开实施例提供了一种红外发光二极管外延片制备方法，所述红外发光二极管外延片制备方法包括：
提供一半绝缘砷化镓衬底；
在所述砷化镓衬底上依次生长第一本征GaAs层、p型GaAs层、第二本征GaAs层、n型扩展层，n型限制层，n面波导层，多量子阱层，p面波导层，p型限制层，p型扩展层，p型接触层。
可选地，所述第一本征GaAs层的生长温度为660～680℃，所述第一本征GaAs层的生长压力为45mbar～50mbar。
可选地，所述p型GaAs层的生长温度为660～680℃，所述p型GaAs层的生长压力为45mbar～50mbar。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
制备红外发光二极管外延片时，生长外延层的衬底选用半绝缘砷化镓衬底，可以避免衬底导电。在半绝缘砷化镓衬底上依次生长的第一本征GaAs层、p型GaAs层与第二本征GaAs层，整体的导电性较弱；且第一本征GaAs层与第二本征GaAs层之间的p型GaAs层，可以起到消耗电子的作用，对电流起到阻挡作用，减小漏电电流直接流至半绝缘砷化镓衬底的情况出现。保证电流在红外发光二极管外延层的外延层中稳定流动，保证最终得到的发光二极管外延片的稳定使用。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的一种红外发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种红外发光二极管芯片的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种红外发光二极管外延片制备方法流程图；
图4是本公开实施例提供的另一种红外发光二极管外延片制备方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种红外发光二极管外延片，红外发光二极管外延片包括半绝缘砷化镓衬底1及依次层叠在半绝缘砷化镓衬底1上的第一本征GaAs层2、p型GaAs层3、第二本征GaAs层4、n型扩展层5、n型限制层6、n面波导层7、多量子阱层8、p面波导层9、p型限制层10、p型扩展层11及p型接触层12。
制备红外发光二极管外延片时，生长外延层的衬底选用半绝缘砷化镓衬底1，可以避免衬底导电。在半绝缘砷化镓衬底1上依次生长的第一本征GaAs层2、p型GaAs层3与第二本征GaAs层4，整体的导电性较弱；且第一本征GaAs层2与第二本征GaAs层4之间的p型GaAs层3，可以起到消耗电子的作用，对电流起到阻挡作用，减小漏电电流直接流至半绝缘砷化镓衬底1的情况出现。保证电流在红外发光二极管外延层的外延层中稳定流动，保证最终得到的发光二极管外延片的稳定使用。
并且采用上一段中的红外发光二极管外延片的结构，第一本征GaAs层2也可以与半绝缘砷化镓半导体之间实现良好的晶格匹配，以保证在半绝缘砷化镓衬底1上直接生长的第一本征GaAs层2的晶体质量。第一本征GaAs层2的晶体质量较好，自然可以保证在第一本征GaAs层2上直接生长的p型GaAs层3的晶体质量，保证最终得到的红外发光二极管外延片的整体质量较好。而在p型GaAs层3上直接生长的第二本征GaAs层4，可以作为缓冲层，缓解p型GaAs层3与第二本征GaAs层4之后所生长的n型扩展层5之间所存在的晶格失配，且第二本征GaAs层4本身导电性较弱，不具有杂质的第二本征GaAs层4本身也具有较高的电流阻值，可以进一步避免出现漏电电流流至半绝缘砷化镓衬底1的情况出现。最终有效提高得到的红外发光二极管外延片的整体质量，并减小最终得到的红外发光二极管的漏电情况。
需要说明的是，外延层包括发光二极管外延片中，层叠在半绝缘砷化镓衬底1上的所有结构。
需要说明的是，图1中所示的第一本征GaAs层2、p型GaAs层3与第二本征GaAs层4为相互配合的关系，因此第一本征GaAs层2、p型GaAs层3与第二本征GaAs层4也可看作一个整体的复合层。
示例性地，p型GaAs层3的厚度与第一本征GaAs层2的厚度之比为0.2～1。
P型GaAs层3的厚度与第一本征GaAs层2的厚度之比在以上范围内时，能够保证p型GaAs层3在第一本征GaAs层2上进行良好的生长，且p型GaAs层3本身也可以实现对电子的良好消耗，减小漏电电流的同时有效保证红外发光二极管本身的生长质量。
可选地，第二本征GaAs层4的厚度与p型GaAs层3的厚度之比为1.8～2。
第二本征GaAs层4的厚度与p型GaAs层3的厚度之比在以上范围内时，能够保证第二本征GaAs层4在p型GaAs层3上进行良好的生长。第二本征GaAs层4本身也可以起到良好的电流阻挡作用。第二本征GaAs层4本身还能够起到较好的过渡作用，从p型GaAs层3良好过渡至第二本征GaAs层4之后的结构中，有效提高最终得到的红外发光二极管外延片的质量。
示例性地，第二本征GaAs层4的厚度与第一本征GaAs层2的厚度之比为2～10。
第二本征GaAs层4的厚度与第一本征GaAs层2的厚度之比在以上范围内时，能够保证二者本身的生长质量，且厚度配置也较为合理。第二本征GaAs层4起到主要的电流阻挡作用，第一本征GaAs层2起到次要的电流阻挡作用，有效保证漏电流不会流至半绝缘砷化镓衬底1上。
可选地，第一本征GaAs层2的厚度为400～500nm，p型GaAs层3的厚度为100～500nm，第二本征GaAs层4的厚度为900～1000。
第一本征GaAs层2的厚度、p型GaAs层3的厚度及第二本征GaAs层4的厚度在以上范围内时，能够适用于大部分厚度规格的红外发光二极管外延片的制备，且最终制备得到的红外发光二极管的晶体质量也较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，第一本征GaAs层2的厚度也可为500nm，而第二本征GaAs层4的厚度也可为1000nm。在这种条件下得到的红外发光二极管的质量也较好。
需要说明的是，上一段中的厚度参数仅为本公开所提供的一种实现方式，在本公开所提供的其他实现方式中第一本征GaAs层2的厚度及第二本征GaAs层4的厚度也可采用其他数值，本公开对此不做限制。
可选地，p型GaAs层3中的p型杂质为碳。
p型GaAs层3中的p型杂质为碳时，p型GaAs层3会由于掺杂了碳而呈现为弱p型半导体的状态。p型GaAs层3中的空穴的浓度会呈现较低的状态，可以适当阻挡电流。且碳的掺杂对p型GaAs层3本身的质量影响也较小，也可以保证p型GaAs层3本身的生长质量。
示例性地，p型GaAs层3中p型杂质的浓度为1E16～1E17cm-3。
p型GaAs层3中p型杂质的浓度在以上范围内时，可以保证最终得到的p型GaAs层3的质量较好，且p型GaAs层3阻挡电流的效果也较好。可以减小漏电流流至半绝缘砷化镓衬底1的概率，保证最终得到的红外发光二极管外延片的质量。
示例性地，n型扩展层5为n型GaAs材料。
n型扩展层5采用n型GaAs材料制备，一方面可以实现与第二本征GaAs层4的良好匹配与过度，另一方面GaAs材料的抗氧化能力较好，而n型扩展层5的表面出于制备n电极的需求，通常是需要处于暴露的状态，采用n型GaAs材料制备的n型扩展层5本身也可以具有较好的抗氧化性能。
可选地，n型扩展层5的厚度为6～7um。
n型扩展层5的厚度在以上范围内，能够得到质量较好的n型扩展层5，并实现由n型扩展层5良好过渡至其他的结构。
可选地，n型扩展层5中的n型杂质可为Si。可以得到导电能力较好的n型电流扩展层，并实现与n电极之间的良好接触。
示例性地，n型扩展层5中Si元素的掺杂浓度可为1E18 cm-3。能够得到质量较好且导电能力较好的n型扩展层5。
可选地，n型限制层6可采用AlGaAs材料制备。能够制备得到质量较好的红外发光二极管。
在本公开所提供的一种实现方式中，n型限制层6中铝的组分含量可为35％，镓的组分含量可为65％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，n型限制层6的厚度为350～380nm。
n型限制层6的厚度在以上范围内时，n型限制层6本身的质量较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，n型限制层6的厚度可为380nm。本公开对此不做限制。
示例性地，n型限制层6中n型杂质的掺杂浓度为1.5E18 cm-3。能够得到质量较好的n型限制层6。
可选地，n面波导层7可采用AlGaAs材料制备。能够制备得到质量较好的红外发光二极管。
在本公开所提供的一种实现方式中，n面波导层7中铝的组分含量可为15％，镓的组分含量可为85％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，n面波导层7的厚度为25～30nm。
n面波导层7的厚度在以上范围内时，n面波导层7本身的质量较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，n面波导层7的厚度可为30nm。本公开对此不做限制。
示例性地，n面波导层7中n型杂质的掺杂浓度为1.5E18 cm-3。能够得到质量较好的n面波导层7。
示例性地，多量子阱层8可包括交替层叠的InGaAs层81与AlGaAsP层82的超晶格结构。以实现红外发光二极管的正常发光。
由于红外发光二极管的发光波长取决于多量子阱层中In的组分含量，在本公开所提供的一种实现方式中，InGaAs层81中In的组分含量可为0.1～0.2，AlGaAsP层82中P的组分含量可为0.05～0.1。
InGaAs层81中In的组分含量与AlGaAP层82中In的组分含量在以上范围内时，可以得到发光波长为940nm的红外发光二极管，而发光波长为940nm时，光线可以透过半绝缘砷化镓衬底。这种设置尤其是在倒装的红外发光二极管中，可以大幅度提高从半绝缘砷化镓衬底出射的光线，提高红外发光二极管的外量子效率。
可选地，每个InGaAs层81的厚度与每个AlGaAsP层82的厚度之和可为28～30nm。能够得到质量较好的多量子阱层8。
可选地，多量子阱层8的超晶格结构的循环周期为8～16。能够得到质量较好的多量子阱层8。
在本公开所提供的一种实现方式中，每个InGaAs层81的厚度与每个AlGaAsP层82的厚度之和可为30nm，多量子阱层8的超晶格结构的循环周期为13。能够得到质量较好的多量子阱层8。在本公开所提供的其他实现方式中，多量子阱层8中每个InGaAs层81的厚度与每个AlGaAsP层82的厚度之和以及多量子阱层8的超晶格结构的循环周期也可选取为其他不同数据，本公开对此不做限制。
可选地，p面波导层9可采用AlGaAs材料制备。能够制备得到质量较好的红外发光二极管。
在本公开所提供的一种实现方式中，p面波导层9中铝的组分含量可为15％，镓的组分含量可为85％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，p面波导层9的厚度为25～30nm。
p面波导层9的厚度在以上范围内时，p面波导层9本身的质量较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，p面波导层9的厚度可为30nm。本公开对此不做限制。
示例性地，p面波导层9中p型杂质的掺杂浓度为1.5E18 cm-3。能够得到质量较好的p面波导层9。
需要说明的是，在本公开所提供的实现方式中，n面波导层7与p面波导层9均为本征半导体材料。能够有效提高红外发光二极管的发光效率。
可选地，p型限制层10采用AlGaAs材料制备。能够制备得到质量较好的红外发光二极管。
在本公开所提供的一种实现方式中，p型限制层10中铝的组分含量可为35％，镓的组分含量可为65％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，p型限制层10的厚度为350～380nm。
p型限制层10的厚度在以上范围内时，p型限制层10本身的质量较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，p型限制层10的厚度可为380nm。本公开对此不做限制。
示例性地，p型限制层10中p型杂质的掺杂浓度为2.5E18 cm-3。能够得到质量较好的p型限制层10。
示例性地，p型扩展层11采用AlGaAs材料制备。
在本公开所提供的一种实现方式中，p型扩展层11中铝的组分含量可为21％，镓的组分含量可为79％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，p型扩展层11的厚度为3～4um。
p型扩展层11的厚度在以上范围内，能够得到质量较好的p型扩展层11，并实现由p型扩展层11良好过渡至其他的结构。
可选地，p型扩展层11中的p型杂质可为C。可以得到导电能力较好的p型电流扩展层，并实现与p电极之间的良好接触。
示例性地，p型扩展层11中C元素的掺杂浓度可为1.5E18 cm-3。能够得到质量较好且导电能力较好的p型扩展层11。
示例性地，p型接触层12采用AlGaAs材料制备。
在本公开所提供的一种实现方式中，p型接触层12中铝的组分含量可为18％，镓的组分含量可为82％。得到的红外发光二极管的质量较好。
可选地，p型接触层12的厚度为80～100nm。
p型接触层12的厚度在以上范围内，能够得到质量较好的p型接触层12，并实现由p型接触层12良好过渡至其他的结构。
在本公开所提供的一种实现方式中，p型限制层10的厚度可为100nm。本公开对此不做限制。
可选地，p型接触层12中的p型杂质可为C。可以得到导电能力较好的p型电流接触层，并实现与p电极之间的良好接触。
示例性地，p型接触层12中C元素的掺杂浓度可为5E19～1E20cm-3。能够得到质量较好且导电能力较好的p型接触层12。
为便于理解，此处还可提供图2，图2是本公开实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图，参考图2可知，在图1中所显示的红外发光二极管外延片的基础上，在p型接触层12的表面开有延伸至n型扩展层5的凹槽100，该凹槽100的存在会暴露部分n型扩展层5的表面。在图2中，p型接触层12的表面已沉积有p电极200，n型扩展层5暴露出的表面也已沉积n电极300。
图3是本公开实施例提供的一种红外发光二极管外延片制备方法流程图，参考图3可知，该红外发光二极管外延片制备方法包括：
S101：提供一半绝缘砷化镓衬底。
S102：在砷化镓衬底上依次生长第一本征GaAs层、p型GaAs层、第二本征GaAs层、n型扩展层，n型限制层，n面波导层，多量子阱层，p面波导层，p型限制层，p型扩展层，p型接触层。
图3中所示的红外发光二极管外延片制备方法的技术效果可参考图1中所示的红外发光二极管外延片的结构技术效果，因此在此处不再对图2中红外发光二极管外延片制备方法的技术效果进行赘述。
执行完步骤S102之后的红外发光二极管外延片的结构可参考图1。
图4是本公开实施例提供的另一种红外发光二极管外延片制备方法流程图，参考图4可知，该红外发光二极管外延片制备方法包括：
S201：提供一半绝缘砷化镓衬底。
S202：在半绝缘砷化镓衬底上生长第一本征GaAs层、p型GaAs层与第二本征GaAs层。
步骤S202可包括：第一本征GaAs层的生长温度为660～680℃，第一本征GaAs层的生长压力为45～50mbar。
在上一段中所示条件下生长得到的第一本征GaAs层的质量较好，且可以实现在半绝缘砷化镓衬底的良好匹配。
步骤S202可包括：向反应腔内通入流量为50～60sccm的Ga源与流量为400～500sccm的As源，直至在半绝缘砷化镓上形成第一本征GaAs层。能够得到质量较好的第一本征GaAs层。
步骤S202可包括：p型GaAs层的生长温度为660～680℃，p型GaAs层的生长压力为45～50。
在上一段中所示条件下生长得到的p型GaAs层的质量较好，且可以实现在半绝缘砷化镓衬底的良好匹配。
步骤S202可包括：向反应腔内通入流量为50～60的Ga源、流量为400～500的As源以及流量为30～50的C源，直至在半绝缘砷化镓上形成p型GaAs层。能够得到质量较好的p型GaAs层。
步骤S202可包括：第二本征GaAs层的生长温度为660～680℃，第二本征GaAs层的生长压力为45～50mbar。
在上一段中所示条件下生长得到的第二本征GaAs层的质量较好，且可以实现在半绝缘砷化镓衬底的良好匹配。
步骤S202可包括：向反应腔内通入流量为50～60的Ga源与流量为400～500的As源，直至在半绝缘砷化镓上形成第二本征GaAs层。能够得到质量较好的第二本征GaAs层。
需要说明的是，Ga源可为TM Ga，As源可为AsH3，C源可为CBr4。
S203：在第二本征GaAs层上生长n型扩展层。
S204：在n型扩展层上生长n型限制层。
S205：在n型限制层上生长n面波导层。
n型扩展层、n型限制层、n面波导层的生长温度均可为660～680℃。且n型扩展层、n型限制层、n面波导层均可在相同的压力条件下生长。得到的红外发光二极管外延片的质量较好且生长效率较高。
S206：在n面波导层上生长多量子阱层。多量子阱层包括交替生长的InGaAs层与AlGaAsP层。
InGaAs层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMGa流量为50～60sccm，TMIn流量为280～300sccm，AsH3流量为sccm。
AlGaAsP层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMGa流量为100～110sccm，TMAl流量为70～75sccm，PH3流量为150～160sccm。
S207：在多量子阱层上生长p面波导层。
S208：在p面波导层上生长p型限制层。
S209：在p型限制层上生长p型扩展层。
S210：在p型扩展层上生长p型接触层。
p型扩展层、p型限制层、p面波导层及p型接触层的生长温度均可为660～680℃。且p型扩展层、p型限制层、p面波导层及p型接触层均可在相同的压力条件下生长。得到的红外发光二极管外延片的质量较好且生长效率较高。
以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种红外发光二极管外延片，其特征在于，所述红外发光二极管外延片包括半绝缘砷化镓衬底及依次层叠在所述半绝缘砷化镓衬底上的第一本征GaAs层、p型GaAs层、第二本征GaAs层、n型扩展层、n型限制层、n面波导层、多量子阱层、p面波导层、p型限制层、p型扩展层及p型接触层。
2.根据权利要求1所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述p型GaAs层的厚度与所述第一本征GaAs层的厚度之比为0.2～1。
3.根据权利要求1所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述第二本征GaAs层的厚度与所述第一本征GaAs层的厚度之比为1.8～2。
4.根据权利要求1～3任一项所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述第二本征GaAs层的厚度与所述p型GaAs层的厚度之比为2～10。
5.根据权利要求1～3任一项所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述p型GaAs层中p型杂质的浓度为1E16～1E17cm-3。
6.根据权利要求1～3任一项所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述p型GaAs层中的p型杂质为碳。
7.根据权利要求1～3任一项所述的红外发光二极管外延片，其特征在于，所述n型扩展层为n型GaAs材料。
8.一种红外发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述红外发光二极管外延片制备方法包括：
提供一半绝缘砷化镓衬底；
在所述砷化镓衬底上依次生长第一本征GaAs层、p型GaAs层、第二本征GaAs层、n型扩展层，n型限制层，n面波导层，多量子阱层，p面波导层，p型限制层，p型扩展层，p型接触层。
9.根据权利要求8所述的红外发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述第一本征GaAs层的生长温度为660～680℃，所述第一本征GaAs层的生长压力为45mbar～50mbar。
10.根据权利要求8所述的红外发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述p型GaAs层的生长温度为660～680℃，所述p型GaAs层的生长压力为45mbar～50mbar。
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| JP2003174187A (ja) * | 2001-12-07 | 2003-06-20 | Sumitomo Chem Co Ltd | 薄膜半導体エピタキシャル基板及びその製造方法 |
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