CN101981237A - AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法 - Google Patents

AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了AlxGa(1-x)As(0≤x≤1)衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法，所述AlxGa(1-x)As衬底能保持高水平的透射性能，并能通过该衬底制造具有优异的光输出特性的半导体器件。具体地，本发明涉及具有AlxGa(1-x)As层(11)的AlxGa(1-x)As衬底(10a)，所述AlxGa(1-x)As层(11)具有主面11a和在所述主面(11a)相反侧的背面(11b)，并且本发明的AlxGa(1-x)As衬底(10a)的特征在于，在所述AlxGa(1-x)As层(11)中，所述背面(11b)中Al的组成比x大于在所述主面(11a)中Al的组成比x。另外，所述AlxGa(1-x)As衬底(10a)还包含与所述AlxGa(1-x)As层(11)的所述背面(11b)接触的GaAs衬底(13)。

Description

AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法
技术领域
本发明涉及AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法。
背景技术
利用化合物半导体AlxGa(1-x)As(0≤x≤1)(下文中也被称作“AlGaAs”(砷化铝镓)的LED(发光二极管)被广泛用作红外光源。在诸如光通讯和无线传输的这些应用中使用红外LED作为红外光源，并且在这些应用中，正在发生的传输数据量的不断增大以及在更长范围的传输距离内进行传输要求提高红外LED的输出功率。
在日本特开2002-335008号公报(专利文献1)中公开了制造这种红外LED的方法的例子。在该专利文献1中提出了下列工艺步骤的实施。具体来说，首先通过液相外延法(LPE法)在GaAs(砷化镓)衬底上形成AlxGa(1-x)As支撑衬底。在那时，Al(铝)在所述AlxGa(1-x)As支撑衬底中的组成比基本均匀。随后，通过有机金属气相外延法(OMVPE法)或分子束外延法(MBE法)形成外延层。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2002-335008号公报
发明内容
技术问题
在上述专利文献1中，Al在所述AlxGa(1-x)As支撑衬底中的组成比大致均匀。作为专注研究工作的结果，本发明人发现问题在于，在Al的组成比高的情况下，使用这种AlxGa(1-x)As支撑衬底制造的红外LED的性能发生劣化。作为专注研究工作的另一结果，本发明人还发现问题在于，在Al的组成比低的情况下，所述AlxGa(1-x)As支撑衬底的透射性能差。
其中，本发明的目的是能够获得AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法，借以保持高水平的透射性能，由此在半导体器件的制造中，所述器件证明具有优异的特性。
解决问题的手段
作为特别专心的研究工作的结果，本发明人不仅发现当Al的组成比高时，使用所述AlxGa(1-x)As支撑衬底制造的红外LED的性能变差，而且还发现了造成这种问题的原因。即，铝具有易于氧化的倾向，因此易于在所述AlxGa(1-x)As衬底的表面上形成氧化物层。由于所述氧化物层会损伤在所述AlxGa(1-x)As衬底上生长的外延层，所以证明其为造成问题的因素，因为经由其将缺陷引入到所述外延层中。将缺陷引入外延层中的问题在于，它们对包含所述外延层的红外LED的性能是有害的。
同时，本发明人通过研究工作还发现，Al在衬底中的组成比越低，AlxGa(1-x)As衬底的透射性能越差。
在本文中，本发明的AlxGa(1-x)As衬底为具有AlxGa(1-x)As层(0≤x≤1)的AlxGa(1-x)As衬底，所述AlxGa(1-x)As层具有主面和在所述主面相反侧的背面，且本发明AlxGa(1-x)As衬底的特征在于，在所述AlxGa(1-x)As层中，在背面中Al的组成比x大于在主面中Al的组成比x 。
在上述AlxGa(1-x)As衬底中，AlxGa(1-x)As层优选含有多个层，且所述多个层的各个层中Al的组成比x沿着自所述层的背面侧的平面至其主面侧的平面的方向单调下降。
在前述AlxGa(1-x)As衬底中，设在AlxGa(1-x)As层的厚度方向的两个不同点的Al的组成比x之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则优选ΔAl/Δt大于0/μm。
在上述AlxGa(1-x)As衬底中，优选ΔAl/Δt不大于6×10-2/μm。
在上述AlxGa(1-x)As衬底中，优选AlxGa(1-x)As层的背面中Al的组成比不小于0.12。
对于上述AlxGa(1-x)As衬底，优选还包括与所述AlxGa(1-x)As层的所述背面接触的GaAs衬底。
本发明的红外LED用外延晶片包含上述说明中任一项所述的AlxGa(1-x)As衬底和在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成的且包含有源层的外延层。
在上述红外LED外延晶片中，优选地，在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x。
在前述红外LED用外延晶片中，优选地，所述外延层还包含具有与AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层，且所述缓冲层中Al的组成比x小于所述有源层中Al的组成比x。
在上述红外LED外延晶片中，优选地，所述外延层还包含具有与AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层，且所述缓冲层中Al的组成比x小于与所述外延层接触的AlxGa(1-x)As层的平面中Al的组成比x，且小于所述有源层中Al的组成比x。
在前述红外LED用外延晶片中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面中氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3。
在前述红外LED用外延晶片中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面中氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2。
本发明的红外LED具有：在前述说明中任一项所述的AlxGa(1-x)As衬底；外延层；第一电极；和第二电极。在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成所述外延层，且所述外延层包含有源层。在所述外延层的表面上形成第一电极。在所述AlxGa(1-x)As层的背面上形成第二电极。在具有GaAs衬底的形式的AlxGa(1-x)As衬底中，在所述GaAs衬底的背面上形成所述第二电极。
本发明AlxGa(1-x)As衬底的制造方法包括：准备GaAs衬底的步骤；以及通过液相外延法在所述GaAs衬底上生长具有主面和在所述主面相反侧的背面的AlxGa(1-x)As层(0≤x≤1)的步骤。然后，在所述生长AlxGa(1-x)As层的步骤中，所述方法的特征在于，将所述AlxGa(1-x)As层生长为在所述背面中Al的组成比x大于在所述主面中Al的组成比x。
关于上述AlxGa(1-x)As衬底的制造方法，在所述生长AlxGa(1-x)As层的步骤中，优选将AlxGa(1-x)As层生长为含有多个层，其中Al的组成比x沿着自所述AlxGa(1-x)As层的背面侧的平面至其主面侧的平面的方向单调下降。
在前述AlxGa(1-x)As衬底制造方法中，设在AlxGa(1-x)As层的厚度方向上的两个不同点的Al的组成比x之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则优选ΔAl/Δt大于0/μm。
在上述AlxGa(1-x)As衬底制造方法中，优选ΔAl/Δt不大于6×10-2/μm。
在上述AlxGa(1-x)As衬底制造方法中，优选在所述AlxGa(1-x)As层的所述背面中Al的组成比不小于0.12。
关于上述AlxGa(1-x)As衬底的制造方法，优选还包括除去所述GaAs衬底的步骤。
本发明制造红外LED用外延晶片的方法包括：通过在上述说明中任一项所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法制造所述AlxGa(1-x)As衬底的步骤；以及通过有机金属气相外延法或分子束外延法的至少一种方法，或者通过两种技术的组合在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成含有有源层的外延层的步骤。
在上述红外LED用外延晶片的制造方法中，优选地，在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x。
在前述制造红外LED用外延晶片的方法中，在形成所述外延层的步骤中，优选地，形成所述外延层，所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层，以及所述缓冲层中Al的组成比x小于所述有源层中Al的组成比x。
在上述红外LED用外延晶片的制造方法中，在形成外延层的步骤中，优选地，形成外延层，所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层，以及所述缓冲层中Al的组成比x小于所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且小于所述有源层中Al的组成比x。
在前述制造红外LED用外延晶片的方法中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面中氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3。
在前述红外LED用外延晶片的制造方法中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面中氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2。
本发明制造红外LED的方法包括：通过上述说明中任一项所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法制造AlxGa(1-x)As衬底的步骤；通过OMVPE或MBE的任一种方法在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成含有有源层的外延层以得到外延晶片的步骤；在所述外延晶片的表面上形成第一电极的步骤；以及或者在所述AlxGa(1-x)As层的背面上或者在所述GaAs衬底的背面(在具有GaAs衬底的形式的AlxGa(1-x)As衬底中)上形成第二电极的步骤。
发明优点
本发明的AlxGa(1-x)As衬底、红外LED用外延晶片、红外LED、制造AlxGa(1-x)As衬底的方法、制造红外LED用外延晶片的方法以及制造红外LED的方法，保持了高水平的透射性能，且在半导体器件的制造中，得到具有优异特性的器件。
附图说明
图1为示例性的概略示出本发明实施方案1中的AlxGa(1-x)As衬底的截面图。
图2为说明本发明实施方案1中AlxGa(1-x)As层中Al的组成比的图。
图3为说明本发明实施方案1中AlxGa(1-x)As层中Al的组成比的图。
图4为说明本发明实施方案1中AlxGa(1-x)As层中Al的组成比的图。
图5(A)～(G)为说明本发明实施方案1中AlxGa(1-x)As层中Al的组成比的图。
图6为表示制造本发明实施方案1中的AlxGa(1-x)As衬底的方法的流程图。
图7为示例性的概略示出本发明实施方案1中GaAs衬底的截面图。
图8为示例性的概略示出本发明实施方案1中已生长的AlxGa(1-x)As层的截面图。
图9(A)～(C)为说明本发明实施方案1中具有多个层的AlxGa(1-x)As层的效果的图，在所述多个层中Al的组成比x单调下降。
图10为示例性的概略示出本发明实施方案2中的AlxGa(1-x)As衬底的截面图。
图11为表示制造本发明实施方案2中的AlxGa(1-x)As衬底的方法的流程图。
图12为示例性的概略示出本发明实施方案3中的红外LED外延晶片的截面图。
图13为示例性的概略示出本发明实施方案3中有源层的放大的截面图。
图14为表示制造本发明实施方案3中的红外LED外延晶片的方法的流程图。
图15为示例性显示本发明实施方案4中的红外LED外延晶片的截面图。
图16为表示制造本发明实施方案4中的外延晶片的方法的流程图。
图17为示例性的概略示出本发明实施方案5中的红外LED外延晶片的截面图。
图18为示例性的概略示出本发明实施方案6中的红外LED的截面图。
图19为表示制造本发明实施方案6中的红外LED的方法的流程图。
图20为示例性的概略示出本发明实施方案7中的红外LED的截面图。
图21为绘制实施例1的AlxGa(1-x)As层中透射性能与Al的组成比x之间关系的图。
图22为绘制实施例1的AlxGa(1-x)As层中表面氧气量与Al的组成比x之间关系的图。
图23为示例性的概要示出实施例3中的红外LED外延晶片的截面图。
图24为图示在实施例3中，从具有多量子阱结构的有源层的红外LED外延晶片中光输出与从用于双异质结构红外LED的外延晶片中光输出的图。
图25为示例性的概略示出实施例4中的红外LED外延晶片的截面图。
图26为表示实施例4中窗口层的厚度与光输出功率之间关系的图。
图27为示例性的概略示出在本发明实施方案4的修改例中的红外LED外延晶片的截面图。
图28为示例性的概略示出在本发明实施方案6的修改例中的红外LED的截面图。
图29为示例性的概略示出在本发明实施方案7的修改例中的红外LED的截面图。
图30为绘制实施例6中试样3和4中厚度与Al的组成比之间关系的图。
图31为绘制实施例6中试样5中厚度与Al的组成比之间关系的图。
图32为绘制实施例6的试样3和4中厚度与ΔAl/Δt之间关系的图。
图33为绘制实施例6的试样5中厚度与ΔAl/Δt之间关系的图。
图34为绘制实施例6中在Al的组成比为0～小于0.3时ΔAl/Δt与输出功率之间关系的图。
图35为绘制实施例6中在Al的组成比为0.3～小于0.5时ΔAl/Δt与输出功率之间关系的图。
图36为绘制实施例6中在Al的组成比为0.5～1.0时ΔAl/Δt与输出功率之间关系的图。
图37为绘制实施例7的外延晶片中氧浓度和次级离子强度与厚度之间关系的图。
图38为绘制实施例7中AlxGa(1-x)As层的主面中氧的峰值浓度与源自所述AlxGa(1-x)As层的输出功率之间关系的图。
图39为绘制实施例7中AlxGa(1-x)As层的主面中平面氧密度与源自所述AlxGa(1-x)As层的输出功率之间关系的图。
图40为绘制实施例8中试样6～9的正向电压的图。
图41为绘制实施例10中红外LED的发射波长测量结果的图。
具体实施方式
下面，将根据附图对本发明的实施方案进行说明。
实施方案1
首先，参考图1，对本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底进行说明。
如图1中所示，AlxGa(1-x)As衬底10具有GaAs衬底13和在所述GaAs衬底13上形成的AlxGa(1-x)As层11。
所述GaAs衬底13具有主面13a和在所述主面13a相反侧的背面13b。所述AlxGa(1-x)As层11具有主面11a和在所述主面11a相反侧的背面11b。
所述GaAs衬底13可以具有或不具有取向偏离角，例如所述衬底可以具有主面13a，所述主面13a为{100}面或所述主面13a相对于{100}面倾斜大于0°但在15.8°以下。优选的是，所述GaAs衬底13具有主面13a，所述主面13a为{100}面或所述主面13a相对于{100}面倾斜大于0°但在2°以下。还优选的是，所述GaAs衬底13具有一个表面，所述表面为{100}面或所述表面相对于{100}面倾斜大于0°但在0.2°以下。所述GaAs衬底13的表面可以是镜面，或者可以是粗糙面。(应理解，括号“{ }”表示一类平面。)
所述AlxGa(1-x)As层11具有主面11a和在所述主面11a相反侧的背面11b。所述主面11a为在与GaAs衬底13接触的表面的相反侧的表面。所述背面11b为与所述GaAs衬底13接触的表面。
形成所述AlxGa(1-x)As层11，使其与所述GaAs衬底13的所述主面13a接触。换言之，形成所述GaAs衬底13，使其与所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b接触。
在所述AlxGa(1-x)As层11中，所述背面11b中Al的组成比x大于所述主面11a中Al的组成比x。应理解，所述组成比x为Al的摩尔分数，同时组成比(1-x)为Ga的摩尔分数。
其中，参考图2～5，对所述AlxGa(1-x)As层11中的摩尔分数进行说明。
在图2～5中，纵轴表示在所述AlxGa(1-x)As层11的从其背面到其主面的厚度方向上的位置，而横轴表示在各个位置中Al的组成比x。
如图2中所示，关于所述AlxGa(1-x)As层11，Al的组成比x从背面11b到主面11a单调下降。“单调下降”是指所述组成比x沿着自所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b至主面11a(朝向生长方向)的方向始终相同或下降，并且与所述背面11b相比，所述主面11a的组成比x更低。
换言之，“单调下降”不会包括其中在朝向生长方向的方向上组成比x增大的部分。
如图3～5中所示，AlxGa(1-x)As层11可包括多个层(在图3～5中，其包括两个层)。关于图3中所示的AlxGa(1-x)As层11，在从背面11b侧到主面11a侧的各个层中，Al的组成比x单调下降。同时，关于图4中所示的AlxGa(1-x)As层11，在各个层中Al的组成比x是均匀的，但是在沿背面11b的层中Al的组成比x大于在沿主面11a的层中Al的组成比x。在另一方面，在沿图5(A)中所示的AlxGa(1-x)As层11的背面11b的层中Al的组成比x是均匀的，而在沿主面11a的层中Al的组成比x单调下降，同时，在沿背面11b的层中Al的组成比x大于在沿主面11a中Al的组成比x。总之，关于在图4和图5(A)中所示的AlxGa(1-x)As层11，总体上Al的组成比x单调下降。
应理解，所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x不限于上述情况，例如，所述组成可以为图5(B)～5(G)中所示的，或者还可以为其它例子。而且，不应将所述AlxGa(1-x)As层11限制为含有一个层或两个层的上述情况，而是可含有三个以上的层，只要在所述背面11b中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x即可。
当将所述AlxGa(1-x)As衬底10a用于LED中时，例如，所述AlxGa(1-x)As层11作为窗口层，其扩散电流并传输源自有源层的光。
还优选的是，设在所述AlxGa(1-x)As层11的厚度方向上的两个不同点的Al的组成比x之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则ΔAl/Δt大于0/μm。尽管基于制造原因，更优选更大的ΔAl/Δt值，但是上限为例如不大于6×10-2/μm，更优选不大于3×10-2/μm。
通过例如在所述AlxGa(1-x)As层11的从所述主面11a到所述背面11b的方向上利用电子探针显微分析仪(EPMA)和SIMS来测量在1μm增量处的ΔAl而得到ΔAl/Δt。能够在所述AlxGa(1-x)As层11中的任意位置测量所述ΔAl/Δt。
另外优选的是，在所述AlxGa(1-x)As层的所述背面11b中Al的组成比x不小于0.12。
接下来，参考图6，对制造本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底的方法进行说明。
如图6和图7中所示，首先准备GaAs衬底13(步骤S1)。
所述GaAs衬底13可以可以具有或不具有取向偏离角，例如，所述衬底具有主面13a，所述主面13a为{100}面或所述主面13a相对于{100}面倾斜大于0°但在15.8°以下。优选所述GaAs衬底13具有主面13a，所述主面13a为{100}面，或所述主面13a相对于{100}面倾斜大于0°但在2°以下。还优选所述GaAs衬底13具有主面13a，所述主面13a为{100}面，或所述主面13a相对于{100}面倾斜大于0°但在0.2°以下。
如图6和图8中所示，通过液相外延法在所述GaAs衬底13上生长具有主面11a的下一个AlxGa(1-x)As层(0≤x≤1)11(步骤S2)。
通过生长所述AlxGa(1-x)As层11的步骤S2，将所述AlxGa(1-x)As层生长为在所述层与所述GaAs衬底13之间的界面(背面11b)中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x。且优选的是，将所述AlxGa(1-x)As层11生长为在所述背面11b中Al的组成比x为0.12以上。
所述液相外延法不受特殊限制，能够使用缓慢冷却或温度分布技术。应理解，“LPE法”是指从液相生长AlxGa(1-x)As(0≤x≤1)晶体的方法。“缓慢冷却”技术是逐渐降低原料溶液的温度来生长AlxGa(1-x)As晶体的方法。“温度分布”技术是指在原料溶液中设置温度梯度来生长AlxGa(1-x)As晶体的方法。
当要生长所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x固定的层时，优选利用温度分布技术和缓慢冷却技术，而当要生长Al的组成比x沿向上的方向(在生长方向上)下降的层时，优选利用缓慢冷却技术。利用缓慢冷却技术，由于其优异的大量生产能力和低成本，所以特别优选缓慢冷却技术。还可将这些技术合并。
关于LPE法，由于利用了液相和固相之间的化学平衡，所以生长速度快。因此，可容易地形成厚度相当大的AlxGa(1-x)As层11。具体来说，生长了具有高度H11的AlxGa(1-x)As层11，所述高度H11优选为10μm～1000μm，更优选为20μm～140μm。(在这种情况下，沿所述AlxGa(1-x)As层11的厚度方向上高度H11的厚度最小。)
进一步优选的条件是，所述AlxGa(1-x)As层11的高度H11与所述GaAs衬底13的高度H13之比(H11/H13)为例如0.1～0.5，更优选为0.3～0.5。这种条件因素能够减轻已经在所述GaAs衬底13上生长的所述AlxGa(1-x)As层11中翘曲的发生率。
而且，例如，可生长所述AlxGa(1-x)As层11，以便引入p型掺杂剂如锌(Zn)、镁(Mg)和碳(C)，以及n型掺杂剂如硒(Se)、硫(S)和碲(Te)。
以这种方式，通过LPE法生长AlxGa(1-x)As层11在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a中产生锯齿，如图8中所示。
然后，对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行洗涤(步骤S3)。在步骤S3中，优选使用碱性溶液进行洗涤。然而，还可以使用氧化性溶液如磷酸或硫酸。所述碱性溶液优选含有氨水和过氧化氢。利用含有氨水和过氧化氢的碱性溶液对所述主面11a进行洗涤可腐蚀所述表面，这使得通过与空气接触可以将粘附在所述主面11a上的杂质除去。通过控制所述方法，使得例如在0.2μm/分钟以下的腐蚀速率下，从所述主面11a侧腐蚀不超过0.2μm，减少了所述主面11a的杂质，同时腐蚀程度将变轻。应注意，洗涤所述主面11a的步骤S3可以省略。
然后，利用醇对所述GaAs衬底13和所述AlxGa(1-x)As层11进行干燥。然而，该干燥步骤可以省略。
接下来，对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行研磨(步骤S4)。研磨的方法不受特殊限制；可以使用机械研磨、化学机械研磨、电解研磨或化学研磨技术，而从研磨的方便性考虑，优选机械研磨或化学研磨。
对主面11a进行研磨，从而使得所述主面11a的RMS粗糙度为例如0.05nm以下。优选所述RMS表面粗糙度最小化。本文中，“RMS表面粗糙度”是指表面的均方粗糙度，如同JIS BO601所定义的—即，从平均平面到测量平面之间距离(偏差)平方的平均值的平方根。应注意，该研磨步骤S4可省略。
接下来，对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行洗涤(步骤S5)。因为对所述主面11a进行洗涤的这种步骤5与在实施所述研磨步骤4之前对所述主面11a进行洗涤的步骤3相同，所以不再对所述步骤进行重复说明。应注意，该洗涤步骤S5可省略。
然后，在利用所述AlxGa(1-x)As衬底10a外延生长之前，在H2(氢气)和AsH3(砷化氢)流中，对所述GaAs衬底13和所述AlxGa(1-x)As层11进行热清洁。应理解，该热清洁步骤可省略。
实施上述步骤S1～S5，能够制造本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10a，如图1中所示。
如上所述，本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10a为具有AlxGa(1-x)As层11的AlxGa(1-x)As衬底10a，所述AlxGa(1-x)As层11具有主面11a和在所述主面11a相反侧的背面11b，且所述AlxGa(1-x)As衬底10a的特征在于，在所述AlxGa(1-x)As层11中，在所述背面11b中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x。然后，还提供了与所述AlxGa(1-x)As层11的所述背面11b接触的GaAs衬底13。
另外，制造本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底10a的方法包括准备GaAs衬底13的步骤(步骤S1)和通过LPE法在所述GaAs衬底13上生长具有主面11a的AlxGa(1-x)As层11的步骤(步骤S2)。所述方法的特征在于，在生长所述AlxGa(1-x)As层11的步骤(步骤S2)中，将AlxGa(1-x)As层生长为在所述层与所述GaAs衬底13之间的界面(在所述背面11b中)中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x。
根据本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底10a和制造AlxGa(1-x)As衬底10a的方法，在背面11b中Al的组成比x大于在主面11a中Al的组成比x。因此，可以将所述主面11a的表面上存在的具有氧化倾向的铝保持为最少。因此，能够抑制在所述AlxGa(1-x)As衬底10a的表面(在本实施方案中所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a)上形成充当绝缘体的氧化物层。
特别地，由于通过LPE法来生长所述AlxGa(1-x)As层11，所以不大可能将氧气引入到除主面11a之外的层内部区域内。因此，当在所述AlxGa(1-x)As衬底10a上生长外延层时，能够防止将缺陷引入到所述外延层内。结果，能够提高具有所述外延层的红外LED的特性。
另外，在主面11a中Al的组成比x小于在背面11b中Al的组成比x。本发明人通过深入的研究工作发现，Al的组成比x越大，AlxGa(1-x)As衬底10a的透射性能越好。并且即使所述层沿所述背面11b含有大量的铝，因为在所述表面上曝露的时间短，所以使形成的任何氧化物层最小化。因此，在形成氧化物层最少的部分上生长更高Al组成比x的AlxGa(1-x)As晶体，使得可提高透射率。
以这种方式，在所述AlxGa(1-x)As层11中，使得沿主面11a的Al的组成比x更低，从而提高器件特性，同时使得沿背面11b的Al的组成比x更高，从而提高透射率。因此，能够获得保持高水平透明度的AlxGa(1-x)As衬底10a，在通过该衬底制造器件时，所述器件证明具有优异的特性。
在上述AlxGa(1-x)As衬底10a中，优选地，如图3中所示，所述AlxGa(1-x)As层11含有多个层，且在各个层中Al的组成比x沿着自背面11b侧的平面至主面11a侧的平面的方向单调下降。
在上述AlxGa(1-x)As衬底10a的制造方法中，优选地，在生长所述AlxGa(1-x)As层11的步骤(步骤S2)中，优选将AlxGa(1-x)As层11生长为含有多个层，其中，Al的组成比x沿着自所述层与所述GaAs衬底13的界面的平面(从背面11b)至所述层的主面11a侧的平面的方向单调下降。
本发明人发现，这能够减轻所述AlxGa(1-x)As衬底10a中翘曲的发生。下面，参考图9(A)～9(C)，对该问题的原因进行说明。图9(A)表示一种情况，如图2中所示，其中在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x单调下降的层部分为单个层。图9(B)表示一种情况，其中，如图3中所示，在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x单调下降的层部分为两个层。图9(C)表示了一种情况，其中在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x单调下降的层部分为三个层。
在图9(A)～9(C)中，横轴表示在所述AlxGa(1-x)As层11的从其背面11b到其主面11a的厚度方向上的位置，而纵轴表示在所述AlxGa(1-x)As层11中各个位置中Al的组成比x。关于图9(A)～9(C)中所示的所述AlxGa(1-x)As层11，在所述背面11b中和在所述主面11a中Al的组成比x相同。
在图9(A)～9(C)中，通过沿表示Al的组成比x的对角线y的最高位置(点A)、沿对角线y的最低位置(点B)、以及在从点A向下延伸时且在从点B向左延伸时构成的交点(点C)形成虚构的三角形。这些三角形的总表面积为施加到所述AlxGa(1-x)As层11上的应力。在所述AlxGa(1-x)As层11中，由于这种应力而发生翘曲。
本发明人发现，在所述AlxGa(1-x)As层11中越可能呈现翘曲，在三角形的几何中心G与沿所述AlxGa(1-x)As层11厚度上的中心之间的距离z越大。在图9(A)中所示的情况中，所述几何中心G为根据对角线y形成的三角形的几何中心G，而在图9(B)和9(C)中所示的情况中，其为沿连接根据对角线y形成的三角形几何中心G1～G3的线的中心。所述几何中心G为在所述AlxGa(1-x)As层11内共同添加的应力的合力作用的位置。
如图9(A)～9(C)中所示，Al的组成比x单调下降的层数越多，从沿厚度方向上的中心至几何中心G所位于的厚度点之间的距离z变得越短，因此在所述AlxGa(1-x)As层11中发生翘曲越少。因此，形成其中Al的组成比x单调下降的多个层，会减轻AlxGa(1-x)As衬底10a中的翘曲。在本文中，关于所述图中的几个三角形，Al的组成比x的最大值和最小值以及所述AlxGa(1-x)As层11的厚度相同，但是它们并不是必须相同：可根据诸如透射率、翘曲和界面状态的因素，对其进行调节。
在上述AlxGa(1-x)As衬底10a及其制造方法中，设在所述AlxGa(1-x)As层11的厚度方向上的两个不同点的Al的组成比之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则ΔAl/Δt大于0/μm。
由此将对所述主面11a的氧化保持在控制之下，从而使得在将AlxGa(1-x)As衬底10a用于制造红外LED时可提高输出功率。
在上述AlxGa(1-x)As衬底10a及其制造方法中，优选ΔAl/Δt不大于6×10-2/μm。这使得在制造红外LED时可提高输出功率。
实施方案2
图10为示例性的概略显示本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底的截面图。参考图10，对本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10b进行说明。
如图10中所示，本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10b基本上具有与实施方案1的AlxGa(1-x)As衬底10a相同的结构构成，但不同之处在于，其不具有GaAs衬底13。
具体来说，所述AlxGa(1-x)As衬底10b具有AlxGa(1-x)As层11，所述AlxGa(1-x)As层11具有主面11a和在所述主面11a相反侧的背面11b。此外，在所述AlxGa(1-x)As层11中，在所述背面11b中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x。
优选的是，本实施方案中AlxGa(1-x)As层11的厚度足够厚，从而使得所述AlxGa(1-x)As衬底10b成为独立式衬底。这种厚度H11为例如70μm以上。
接下来，参考图11，对制造本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底10b的方法进行说明。
如图11中所示，首先，以与实施方案1中相同的方式，实施准备GaAs衬底13的步骤S1、通过LPE法生长AlxGa(1-x)As层11的步骤S2、洗涤步骤S3以及研磨步骤S4。从而制造如图1中所示的AlxGa(1-x)As衬底10a。
然后，除去所述GaAs衬底13(步骤S6)。对于除去方法，例如，能够使用诸如研磨或腐蚀的技术。“研磨”是指在诸如装有金刚石研磨轮的研磨设备中使用研磨剂如氧化铝、胶体二氧化硅或金刚石来机械磨去所述GaAs衬底13。“腐蚀”是指使用腐蚀剂除去GaAs衬底13，所述腐蚀剂通过将例如氨水、过氧化氢等进行最佳混合来选择，从而对AlxGa(1-x)As的腐蚀速率慢，但对GaAs的腐蚀速率快。
在所述AlxGa(1-x)As层11的所述背面11b中Al的组成比x为0.12以上的情况中，提高了在GaAs与AlxGa(1-x)As之间的选择性。因此，可在更高产率下除去所述GaAs衬底。
接下来，以与实施方案1中相同的方式实施洗涤步骤S5。实施上述步骤S1、S2、S3、S4、S6和S5，使得可制造如图10中所示的AlxGa(1-x)As衬底10b。
应理解，除了上述之外，另外的AlxGa(1-x)As衬底10b及其制造方法的构成与实施方案1中的AlxGa(1-x)As衬底10a及其制造方法相同，因此，利用相同的参考符号来标记相同的部分，并不再对它们进行重复说明。
如上所述，本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10b为具有AlxGa(1-x)As层11的AlxGa(1-x)As衬底10b，所述AlxGa(1-x)As层11具有主面11a和在所述主面11a相反侧的背面11b，且所述AlxGa(1-x)As衬底10b的特征在于，在所述AlxGa(1-x)As层11中，在所述背面11b中Al的组成比x大于在所述主面11a中Al的组成比x。
另外，制造本实施方案中AlxGa(1-x)As衬底10b的方法包括除去所述GaAs衬底13的步骤(步骤S6)。
根据本实施方案中的AlxGa(1-x)As衬底10b和制造AlxGa(1-x)As衬底10b的方法，可获得仅具有AlxGa(1-x)As层11但不具有GaAs衬底13的AlxGa(1-x)As衬底10b。由于GaAs衬底13吸收900nm以下波长的光，所以在已经除去了GaAs衬底13的AlxGa(1-x)As衬底10b上生长外延层，能够制造用于红外LED的外延晶片。使用这种红外LED外延晶片来制造红外LED能够得到可保持高水平透明度并具有优异器件特性的红外LED。
在上述AlxGa(1-x)As衬底10b及其制造方法中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b中Al的组成比x不小于0.12。Al的组成比为0.12以上的实施方式使得可利用溶液(湿式腐蚀技术)、等离子体、不同气体(干法腐蚀技术)以及其他试剂对GaAs进行快速腐蚀。因此，通过腐蚀能够除去所述GaAs衬底13，由此在GaAs与AlxGa(1-x)As之间的选择性水平高。因此，能够提高生产率并能够提高选择性除去收率。应理解，在所述AlxGa(1-x)As层11包括多个层的情况中，只要在与所述GaAs衬底13(最底层)接触的层的背面11b中Al的组成比x为0.12以上，则所述层具有相同的功效。
实施方案3
参考图12，对本实施方案中的外延晶片20a进行说明。
如图12中所示，所述外延晶片20a具有如图1中所示的实施方案1的AlxGa(1-x)As衬底10a、以及在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成的含有有源层21的外延层。即，所述外延晶片20a具有GaAs衬底13、在所述GaAs衬底13上形成的AlxGa(1-x)As层11以及在所述AlxGa(1-x)As层11上形成的含有有源层21的外延层。所述有源层21的能带间隙比所述AlxGa(1-x)As层11的能带间隙小。
优选的是，在所述有源层21与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面中(在所述有源层的背面21c中)Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11与所述有源层21接触的平面(在本实施方案中的层的主面11a中)中Al的组成比x。还优选的是，在含有所述有源层21的所述外延层中厚度最大的层中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11与所述有源层21接触的平面中(在本实施方案中的层的主面11a中)Al的组成比x。这种方式能够减轻在所述外延晶片20a中发生的翘曲。
优选的是，在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层(在本实施方案中为有源层21)之间的界面处氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3；更优选其不大于4×1019个原子/cm3。
优选的是，在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层(在本实施方案中为有源层21)之间的界面处氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2；更优选其不大于3.5×1014个原子/cm2。
通过例如SIMS能够测量在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层之间的界面处的上述氧浓度。
优选的是，如图13中所示，所述有源层21具有多量子阱结构。
所述有源层21含有两个以上阱层21a。将各个所述阱层21a夹在作为能带间隙大于所述阱层21a的层的阻挡层21b之间。
即，将多个所述阱层21a与带隙大于所述阱层21a的多个阻挡层21b交替布置。关于所述有源层21，可以将多个所述阱层21a全部夹在所述阻挡层21b之间，或者，将阱层21a布置在所述有源层21的至少一个表面上，并将布置在所述有源层21的一侧上的所述阱层21a夹在阻挡层21b和布置在所述一侧上的其它层(未示出)—如波导层或包覆层之间。应理解，不能将图13中所示的区域XIII限制为有源层21内的上部。
所述有源层21优选分别具有2～100个(包括两个端值)、更优选10～50个(包括两个端值)阱层21a和阻挡层21b。具有两个以上阱层21a和阻挡层21b的方式构成了多量子阱结构。具有十个以上的阱层21a和阻挡层21b的方式通过提高光发射效率而提高了光输出。具有不超过一百个层的方式降低了为了建造所述有源层21所需的成本。具有不超过五十个层的方式进一步降低了建造所述有源层21所需的成本。
所述有源层21的厚度H21优选为6nm～2μm(包括两个端值)。如果所述高度H21不小于6nm，则可提高发射强度。如果所述高度H21不大于2μm，则可提高生产率。
所述阱层21a的厚度H21a优选为3nm～20nm(包括两个端值)。所述阻挡层21b的厚度H21b优选为5nm～1μm(包括两个端值)。
同时构成所述阱层21a的材料不受特殊限制，只要其具有比所述阻挡层21b小的带隙即可，能够利用诸如GaAs、AlGaAs、InGaAs(砷化铟镓)和AlInGaAs(砷化铝铟镓)的材料。这些材料为与AlGaAs的晶格匹配非常合适的红外发光物质。
在将所述外延晶片20a用于输出波长为900nm以上的红外LED中的情况下，优选地，用于所述阱层21a的材料为含有In的InGaAs，其中In的组成比不小于0.05。并且在所述阱层21a包含含In材料的情况下，优选地，所述有源层21具有不大于四个层的各个所述阱层21a和所述阻挡层21b，更优选具有不大于三个层的各个所述阱层21a和所述阻挡层21b。
同时构成所述阻挡层21b的材料不受特殊限制，只要其带隙大于所述阱层21a的带隙即可，能够利用诸如AlGaAs、InGaP、AlInGaP和InGaAsP的材料。这些材料是与AlGaAs的晶格匹配非常合适的物质。
在将输出波长为900nm以上、优选940nm以上的外延晶片20a用于红外LED的情况下，用于所述有源层21内的所述阻挡层21b的材料优选含有P，或作为GaAsP或者AlGaAsP，其中P的组成比为0.05以上。并且在所述阻挡层21b包含含P材料的情况下，优选地，所述有源层具有小于三个层的各个所述阱层21a和所述阻挡层21b。
优选的是，除了在含有所述有源层21的所述外延层内的原子(例如，元素如在外延生长环境中的原子)之外，原子元素的浓度低。
应理解，未将所述有源层21特殊限制为多量子阱结构，其可以由单层构成，或可以为双异质结构。
而且，尽管在本实施方案中，已经对仅包括有源层21作为外延层的方式进行了说明，但是还可以包括其它层如包覆层和未掺杂层。
接下来，参考图14，对制造本实施方案中红外LED外延晶片20a的方法进行说明。
如图14中所示，首先通过实施方案1中制造AlxGa(1-x)As衬底10a的方法来制造AlxGa(1-x)As衬底10a(步骤S1～S5)。
然后，通过OMPVE法在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上沉积含有源层21的外延层(步骤S7)。
在步骤S7中，优选的是，以在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面中(在所述外延层的所述背面21c中)Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中(在本实施方案中的主面11a中)Al的组成比x的方式来形成所述外延层(在本实施方案中的有源层21)。还优选在所述外延层中最厚的层中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x。
有机金属气相外延法通过前体气体在所述AlxGa(1-x)As层11上的热分解反应来生长有源层21，而分子束外延法通过一种不介入非平衡体系中的化学反应阶段的技术来生长有源层21；因此，OMVPE和MBE技术可容易地控制所述有源层21的厚度。
因此，可生长具有两个以上层的多个阱层21a的有源层21。
而且，例如，所述外延层(在本实施方案中为有源层21)的厚度H21相对于所述AlxGa(1-x)As层11的厚度H11(H21/H11的比值)优选为0.05～0.25(包括两个端值)，更优选0.15～0.25(包括两个端值)。这种方式能够减轻在已经在AlxGa(1-x)As层11上生长了外延层的状态中的翘曲发生率。
再者，在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层(在本实施方案中为有源层21)之间的界面处氧的峰值浓度优选不大于5×1020个原子/cm3，更优选不大于4×1019个原子/cm3。
同样地，在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层(在本实施方案中为有源层21)之间的界面处氧的面密度优选不大于2.5×1015个原子/cm2，更优选不大于3.5×1014个原子/cm2。
在该步骤S7中，在所述AlxGa(1-x)As层11上生长含有上述有源层21的外延层。
具体来说，形成分别具有2～100个(包括两个端值)、更优选10～50个(包括两个端值)阱层21a和阻挡层21b的有源层21。
还优选生长所述有源层21，从而具有6nm～2μm的厚度H21。同样地，优选生长厚度H21a为3nm～20nm的阱层21a和厚度H21b为5nm～1μm的阻挡层21b。
还优选生长由GaAs、AlGaAs、InGaAs或AlInGaAs等制成的阱层21a和由AlGaAs、InGaP、AlInGaP、GaAsP、AlGaAsP或InGaAsP等制成的阻挡层21b。
对于所述有源层21，在构成所述AlxGa(1-x)As衬底的GaAs和AlGaAs中是否存在晶格失配(晶格弛豫)都无所谓。如果在所述阱层21a中存在晶格失配，那么可以使得所述阻挡层21b在相反方向上发生晶格失配，并且对于所述外延晶片的总体结构，从压缩-延伸来平衡晶体中的应变。而且，所述晶体翘曲可以不高于或不低于所述晶格弛豫极限。然而，如果不低于所述弛豫界限，则因为易于发生贯通晶体的位错，所以希望不大于所述界限。
作为例子，提供了将InGaAs用于阱层21a的情况。因为InGaAs的晶格常数比所述GaAs衬底的大，所以如果生长固定厚度以上的外延层，则会发生晶格弛豫。因此，通过具有低于发生晶格弛豫的水平的厚度，能够获得将晶体贯通位错的发生率保持为最低的良好晶体。
同样地，如果将GaAsP用于阻挡层21b，则因为GaAsP的晶格常数比所述GaAs衬底的小，所以在其上生长固定厚度以上的外延层时，会发生晶格弛豫。因此，通过具有低于发生晶格弛豫的水平的厚度，能够获得将晶体贯通位错的发生率保持为最低的良好晶体。
最后，关于所述GaAs衬底，利用InGaAs的晶格常数大而GaAsP的晶格常数小的特征，通过利用用于所述阱层21a的InGaAs并利用用于所述阻挡层21b的GaAsP以整体上抵消晶体中的晶格翘曲，能够在不导致晶格弛豫达到或超过上述厚度水平的情况下获得将晶体贯通位错的发生率保持为最低的良好晶体。
通过实施上述步骤S1～S5和S7，可制造图12中所示的外延晶片20a。
应理解，可以另外实施除去所述GaAs衬底13的步骤S6。例如，本文中可以在生长外延层的步骤S7之后，实施步骤S6，但并不特别限于所述顺序。例如，可以在研磨步骤S4和洗涤步骤S5之间实施步骤S6。这里的步骤S6与实施方案2中的步骤S6相同，因此，不再重复对其进行说明。在实施步骤S6的情况中，获得了与图15的后述外延晶片20b相同的结构。
如上所述，在本实施方案中的红外LED外延晶片20a具有实施方案1的AlxGa(1-x)As衬底10a以及在所述AlxGa(1-x)As衬底10a中的所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成的含有有源层21的外延层。
而且，本实施方案中制造红外LED外延晶片20a的方法包括通过实施方案1的AlxGa(1-x)As衬底10a制造方法来制造AlxGa(1-x)As衬底10a的程序(步骤S1～S6)以及通过OMVPE法或MBE法中的至少一种方法，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成含有有源层21的外延层的步骤(步骤S7)。
根据本实施方案中的红外LED外延晶片20a及其制造方法，在具有AlxGa(1-x)As层11的AlxGa(1-x)As衬底10a上形成外延层，其中在其主面11a中Al的组成比x比在背面11b中的低。因此，能够得到保持了高水平透明度的红外LED外延晶片20a，由此，当利用所述外延晶片20a来制造半导体器件时，所述器件证明具有优异的特性。
在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选的是，在所述外延层与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面(所述外延层的相反面21c)中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层接触的平面(所述主面11a)中Al的组成比x。
当将所述AlxGa(1-x)As层11和所述外延层看作是一个整体时，这些条件能够减轻在所述外延晶片20a中的翘曲，原因与实施方案1中论述的相同。
在上述制造红外LED外延晶片20a的方法中，优选具有：准备GaAs衬底13的步骤(步骤S1)；通过LPE法在所述GaAs衬底13上生长作为窗口层的AlxGa(1-x)As层11的步骤，所述窗口层扩散电流并传输源自有源层的光(步骤S2)；对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行研磨的步骤(步骤S4)；通过OMVPE法或MBE法中的至少一种方法，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上生长有源层21的步骤，所述有源层21具有多量子阱结构，并且其能带间隙小于所述AlxGa(1-x)As层11的能带间隙(步骤S7)。
由于通过LPE法技术来生长所述AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)，所以生长速度快。而且，关于LPE法，由于不需要使用昂贵的前体气体和昂贵的设备，所以制造成本低。因此，与OMVPE和MBE技术相比，能够降低成本且能够形成明显厚的AlxGa(1-x)As层11。通过对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行研磨，能够降低所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a的不平度。因此，在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a上形成含有有源层21的外延层时，能够控制含有所述有源层21的所述外延层的异常生长。同时，通过前体气体的热分解反应的OMVPE法以及不介入非平衡体系中的化学反应阶段的MBE法使得对膜厚度进行最佳控制。因此，在对所述主面11a进行研磨的步骤S4之后，通过OMVPE法或MBE法形成含有所述有源层21的所述外延层能够阻止异常生长，并能够形成具有多量子阱结构(MQW结构)的有源层，其中已经对所述有源层21的膜厚度进行了最佳控制。
具体来说，由于在许多情况下，利用LED的膜厚度小于利用激光二极管(LD)的厚度，所以利用OMVPE或MBE技术，借以膜厚度的可控性优异，从而形成含有具有多量子阱结构的有源层21的外延层。
本文中，在通过LPE法生长所述AlxGa(1-x)As层11的步骤S2之后，通过OMVPE法或MBE法生长所述有源层21。在液相外延法之后通过OMVPE法或MBE法生长所述有源层21防止了将长时间的高温热施加到所述有源层21上。因此，能够防止因高温热而在所述有源层21中引起的结晶缺陷所造成的结晶度劣化，并阻止了由LPE法引入的掺杂剂在所述有源层21内的扩散。
在本实施方案中生长所述有源层21的步骤S7之后，不将所述有源层21曝露在液相外延法所使用的高温环境下，因此，例如可以防止引入到所述AlxGa(1-x)As层11中的易于扩散的p型掺杂剂扩散到所述有源层21内。这使得可以将p型载流子如Zn、Mg和C在所述有源层21中的浓度控制为低浓度，例如低至1×1018cm-3以下。因此，可以防止由这种载流子造成的问题如在所述有源层21中形成杂质带，从而使得可维持所述阱层21a和所述阻挡层21b之间的带隙差。
因此，由于可以形成具有改进性能的多量子阱结构的有源层21，所以当除去所述GaAs衬底13(步骤S6)并形成器件电极时，通过改变所述有源层21中的状态密度，发生了电子和空穴的有效重组。因此，能够生长用于构成提高了发光效率的红外LED的外延晶片20a。
应理解，关于作为窗口层的AlxGa(1-x)As层11，由于电流在与层压所述AlxGa(1-x)As层11和所述有源层21的方向(图1中的纵向)相交的方向(图1中的横向)中扩散，所以提高了光取出效率，从而提高了发光效率。
在上述制造红外LED外延晶片20a的方法中，优选的是，至少在AlxGa(1-x)As层11的生长步骤S2和研磨步骤S4之间、或在研磨步骤S4与外延层生长步骤S7之间的一处，提供对所述AlxGa(1-x)As层11的表面进行洗涤的步骤S3和S5。
即使当因所述AlxGa(1-x)As层11与大气接触而将杂质粘附或混入到所述AlxGa(1-x)As层11中时，这样提供洗涤步骤也会将所述杂质除去。
在上述制造红外LED外延晶片20a的方法中，优选的是，在洗涤步骤S3和S5中，使用碱性溶液来对所述主面11a进行洗涤。
当已经将杂质粘附或混入到所述AlxGa(1-x)As层11中时，洗涤步骤的这种优选使用使得更有效地从所述AlxGa(1-x)As层11中将杂质除去。
在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选的是，所述AlxGa(1-x)As层11的厚度H11为10μm～1000μm(包括两个端值)，更优选的是，其为20μm～140μm(包括两个端值)。
所述厚度H11为至少10μm的方式提高了发光效率。所述厚度H11为20μm以上的方式能够进一步提高发光效率。将所述厚度H11保持在1000μm以下降低了形成所述AlxGa(1-x)As层11所需要的成本。将所述厚度H11控制在140μm以下进一步降低了沉积所述衬底AlxGa(1-x)As层11所涉及的成本。
在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选的是，在所述有源层21中，将所述阱层21a与带隙大于所述阱层21a的所述阻挡层21b交替布置，并且所述有源层21具有10～50个(包括两个端值)阱层21a和10～50个(包括两个端值)阻挡层21b。
具有十个以上层的方式进一步提高了发光效率，而不超过五十个层的方式降低了形成所述有源层21所涉及的成本。
在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选地，在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a中氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3。同样地，在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选的是，在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a中氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2。
这使得在所述主面11a上沉积外延层时在界面处氧的峰值浓度降低且平面氧密度下降。因此，在利用所述AlxGa(1-x)As衬底10a制造红外LED时能够提高输出功率。
关于上述红外LED外延晶片20a及其制造方法，优选地，它们是用于发射波长为900nm以上的红外LED中的外延晶片以及制造这种晶片的方法，其中所述有源层21内的所述阱层21a包含含In材料，且所述阱层21a的数目为四层以下。更优选发射波长为940nm以上。
通过形成包含含In材料并具有四个以下阱层的有源层21，本发明人发现，将晶格弛豫控制为最低。因此，能够获得能够用于波长为900nm以上的红外LED中的外延晶片。
在上述红外LED外延晶片20a及其制造方法中，优选地，所述阱层21a为InGaAs，其中铟的组成比为0.05以上。
这能够获得能够用于波长为900nm以上的红外LED中的有用外延晶片20a。
关于用于红外LED的上述外延晶片20a及其制造方法，优选地，它们是用于发射波长为900nm以上的红外LED的外延晶片及制造这种晶片的方法，其中所述有源层21内的所述阻挡层21b包含含P材料，且阻挡层21b的数目为三层以上。
通过形成包含含P材料的有源层21，本发明人发现，将晶格弛豫控制为最低。因此，能够获得能够用于波长为900nm以上的红外LED中的外延晶片。
在上述红外LED外延晶片及其制造方法中，优选地，所述阻挡层21b为或者GaAsP或者AlGaAsP，其中P的组成比为0.05以上。
这能够获得能够用于波长为900nm以上的红外LED中的有用外延晶片20a。
实施方案4
参考图15，对本实施方案中的红外LED外延晶片20b进行说明。
如图15中所示，本实施方案中的外延晶片20b具有如图10中所示的实施方案2所述的AlxGa(1-x)As衬底10b以及在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a上形成的含有有源层21的外延层。
本实施方案中的外延晶片20b基本具有与实施方案3的外延晶片20a相同的结构构成，但不同之处在于其不具有GaAs衬底13。
接下来，参考图16，对本实施方案中制造外延晶片20b的方法进行说明。
如图16中所示，首先通过实施方案2中制造AlxGa(1-x)As衬底10b的方法(步骤S1、S2、S3、S4、S6和S5)来制造AlxGa(1-x)As衬底10b。
然后，以与实施方案3中相同的方式，通过OMVP法在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a上沉积含有有源层21的外延层(步骤S7)。
实施上述步骤S1～S7，能够制造图15中所示的红外LED外延晶片20b。
应理解，除了上述之外，另外的红外LED外延晶片及其制造方法的构成与实施方案3中的红外LED外延晶片20a及其制造方法的相同；因此，利用相同的参考符号来标记相同的部分，并不再对它们进行重复说明。
如上所述，本实施方案中的红外LED外延晶片20b具有AlxGa(1-x)As层11以及在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成的含有有源层21的外延层。
另外，本实施方案中制造红外LED外延晶片20b的方法包括除去所述GaAs衬底13的步骤(步骤S6)。
根据本实施方案中的红外LED外延晶片20b及其制造方法，利用已经除去了所述GaAs衬底的AlxGa(1-x)As衬底10b，所述GaAs衬底吸收可见光范围内的光。因此，进一步在所述外延晶片20b上形成电极能够获得保持高水平透明度并保持优异的器件特性的构成红外LED的外延晶片20b。
修改例
参考图27，对实施方案的本修改例的红外LED外延晶片20d进行说明。如图27中所示，修改例中的外延晶片20d的结构构成基本上与图15中所示的外延晶片20b相同，但不同之处在于，所述外延层还包含缓冲层25。
所述缓冲层25具有与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面。简而言之，修改例中的外延层20d具有AlxGa(1-x)As层11、在所述AlxGa(1-x)As层11上形成的缓冲层25、以及在所述缓冲层25上形成的有源层21。
所述缓冲层25含有Al，同时所述缓冲层25中Al的组成比x小于所述有源层21中Al的组成比x。在本文中，有源层21中Al的组成比x是指在所述有源层21中总的平均Al组成比，或者是指在所述有源层21内的包覆层中Al的组成比。
如果所述缓冲层25中Al的组成比x小于所述有源层21中Al的组成比x，则缓冲层25中Al的组成比x可以也小于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层(在本实施方案中为缓冲层25)接触的平面中Al的组成比x。即，Al的组成比为：AlxGa(1-x)As层11＞缓冲层25＜有源层21。换言之，Al的组成比包含有源层21＞AlxGa(1-x)As层11的情况和有源层21＜AlxGa(1-x)As层11的情况。
而且，如果所述缓冲层25中Al的组成比x小于所述有源层21中Al的组成比x，且如果在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，则Al的组成比为：AlxGa(1-x)As层11＜缓冲层25＜有源层21。
制造修改例中外延晶片的方法的构成基本上与实施方案4的相同，但是在形成外延层的步骤S7中，形成了还包含缓冲层25的外延层，所述缓冲层25具有与AlxGa(1-x)As11接触的平面。
具体来说，在制造AlxGa(1-x)As层11之后，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成缓冲层25。形成所述缓冲层25的方法不受特殊限制；能够通过诸如OMVPE或MBE的技术来形成所述层。其后，在所述缓冲层上形成有源层21。所述缓冲层25优选含有Al，同时Al的组成比x为如上所述。
如上所述，在实施方案4的修改例中，关于红外LED用外延晶片20d，在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面的缓冲层25，同时所述缓冲层中Al的组成比x大于所述有源层21中Al的组成比x。
关于制造红外LED用外延晶片20d的上述方法，在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且在形成所述外延层的步骤S7中，形成了还包含缓冲层25的外延层，所述缓冲层25具有与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面，同时所述缓冲层25中Al的组成比x小于所述有源层21中Al的组成比x。
再者，在修改例的红外LED用外延晶片20d中，所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面的缓冲层25，同时所述缓冲层25中Al的组成比x可以小于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，并小于所述有源层21中Al的组成比x。
关于上述制造红外LED用外延晶片20d的方法，在形成外延层的步骤S7中，形成了还包含缓冲层25的外延层，所述缓冲层25具有与所述AlxGa(1-x)As层11接触的平面，其中所述缓冲层25中Al的组成比x小于在所述AlxGa(1-x)As层11的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且小于所述有源层21中Al的组成比x。
作为深入研究努力的结果，本发明人发现，以上述方式形成包含已控制了Al的组成比x的缓冲层25的外延层，可有效降低正向电压(Vf)的绝对值和不规则性。
在制造包括AlxGa(1-x)As层11的AlxGa(1-x)As衬底之后，在某些情况下，将所述衬底暴露在大气空气下直至形成外延层。尽管本实施方案的衬底对消除在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成的氧化物层是有效的，但是所述衬底也能够由于与空气反应而形成氧化物层。如果形成与所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a接触的氧化活性高的有源层21，则由于Al和氧的反应而在所述AlxGa(1-x)As层11与所述有源层之间产生缺陷。证明其为使得电压Vf增大且呈现不规则性的因素。然而，在修改例中，在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a上形成Al的组成比x小于所述有源层21中Al的组成比的缓冲层25的事实，使得可有效地控制在所述AlxGa(1-x)As层11与所述外延层之间的界面处形成缺陷。结果，能够提高具有外延晶片20d的红外LED的Vf特性。
实施方案5
参考图17，对本实施方案中红外LED外延晶片20c进行说明。
如图17中所示，本实施方案中的外延晶片20c具有与实施方案4的外延晶片20b基本相同的结构构成，但不同之处在于，所述外延层还包括接触层23。即，在本实施方案中，所述外延层含有有源层21和接触层23。
具体来说，所述外延晶片20c具有AlxGa(1-x)As层11、在所述AlxGa(1-x)As层11上形成的有源层21、以及在所述有源层21上形成的接触层23。
例如，所述接触层23由p型GaAs构成并具有0.01μm以上的厚度H23。
接下来，对制造本实施方案中红外LED外延晶片20c的方法进行说明。制造本实施方案中红外LED外延晶片20c的方法具有与实施方案4的外延晶片20b的制造方法相同的构成，但不同之处在于，形成外延层的步骤S7还包括形成接触层23的分步。
具体来说，在生长所述有源层21之后，在所述有源层21的表面上形成接触层23。尽管形成所述接触层23的方法不受特殊限制，但是优选通过OMVPE法或MBE法的至少一种方法、或通过OMVPE法和MBE法的组合来生长所述接触层23，因为这些沉积技术能够形成薄膜层。优选通过与所述有源层21相同的技术来生长所述接触层23，因为那时能够在生长所述有源层21时连续生长所述接触层23。
应理解，除了上述之外，另外的红外LED外延晶片及其制造方法的构成与实施方案4中的红外LED外延晶片20b及其制造方法的相同，因此，利用相同的参考符号来标记相同的部分，并不再对其进行重复说明。
应理解，不仅在实施方案4中，而且在实施方案3中也能够发现本实施方案中红外LED外延晶片20c及其制造方法的应用。
实施方案6
参考图18，对本实施方案中的红外LED 30a进行说明。如图18中所示，本实施方案中的红外LED 30a具有如图17中所示的实施方案5的红外LED外延晶片20c、分别在所述外延晶片20c的前侧20c1和后侧20c2上形成的电极31和32、以及管座33。
在所述外延晶片20c的前侧20c1上(在本实施方案中的接触层23上)提供了与其接触的所述电极31，同时在后侧20c2上(在本实施方案中的AlxGa(1-x)As层11上)提供了与其接触的所述电极32。在与所述外延晶片20c的相反侧上，提供与所述电极31接触的管座33。
对所述LED 30a的构成进行详细说明：所述管座33由例如铁基材料构成。所述电极31为由例如金(Au)和锌(Zn)的合金构成的p型电极。在所述p型接触层23上形成所述电极31。在所述有源层21的顶部形成所述接触层23。在所述AlxGa(1-x)As层11的顶部形成所述有源层21。在所述AlxGa(1-x)As层11上形成的所述电极32为由例如Au和Ge(锗)的合金构成的n型电极。
接下来，参考图19，对制造本实施方案中的红外LED 30a的方法进行说明。
首先，通过实施方案3中用于制造红外LED外延晶片20a的程序(步骤S1～S5和S7)来制造外延晶片20a。在这种情况下，在所述外延层生长步骤S7中形成了所述有源层21和所述接触层23。然后，除去所述GaAs衬底(步骤S6)。应理解，实施步骤S6使得可制造如图17中所示的红外LED外延晶片20c。
随后，在所述红外LED外延晶片20c的前侧20c1和后侧20c2上形成电极31和32。具体来说，例如，通过气相沉积技术，在所述前侧20c1上气相沉积Au和Zn，而且，在所述后侧20c2上进行气相沉积之后将Au和Ge合金化，从而形成所述电极31和32。
接下来，对所述LED进行表面安装(步骤S12)。具体来说，例如，将所述电极31侧向下，并利用芯片连接胶粘剂如Ag糊或利用共晶合金如AuSn在所述管座33上进行芯片连接。
实施上述步骤S1～S12，能够制造图18中所示的红外LED 30a。
应理解，在本实施方案中，尽管已经对利用实施方案5的红外LED外延晶片20c的方式进行了描述，但是也可以应用实施方案3或4的红外LED外延晶片20a或20b。然而，在完成所述红外LED 30a之前，可以实施除去所述GaAs衬底13的步骤S6。
如上所述，本实施方案中的红外LED 30a具有：实施方案2的AlxGa(1-x)As衬底10b；在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成的含有有源层21的外延层；在所述外延层的前侧20c1上形成的第一电极31；以及在所述AlxGa(1-x)As层11的后侧20c2上形成的第二电极32。
因此，制造本实施方案中的红外LED 30a的方法包括：通过实施方案2的AlxGa(1-x)As衬底10b的制造方法制造AlxGa(1-x)As衬底10b的程序(步骤S1～S6)；通过OMVPE法在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成含有有源层21的外延层的步骤(步骤S7)；在所述外延晶片20c的前侧20c1上形成第一电极31的步骤(步骤S11)；以及在所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b上形成第二电极32的步骤(步骤S11)。
根据本实施方案中的红外LED 30a及其制造方法，由于使用了已经对所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比进行控制的AlxGa(1-x)As衬底10b，所以可以获得保持高水平透射性能且在半导体器件的制造中具有优异特性的红外LED 30a。
而且，在所述晶片的有源层21侧上形成所述电极31，同时在其AlxGa(1-x)As层11侧上形成所述电极32。这种结构使得源自电极32的电流能够通过所述AlxGa(1-x)As层11而在所述红外LED 30a的整个表面上进行更多扩散。因此，能够得到发光效率进一步提高的红外LED30a。
修改例
如图28中所示，修改例中的红外LED 30d的结构构成基本上与实施方案6中的红外LED 30a的相同，但是不同之处在于，使用了实施方案4的修改例的外延晶片20d。这种方式使得能够获得具有提高的Vf特性的红外LED 30a。
实施方案7
参考图20，对本实施方案中的红外LED 30b进行说明。如图20中所示，本实施方案中的红外LED 30b具有与实施方案6的红外LED30a基本相同的结构构成，但是不同之处在于，将所述晶片的AlxGa(1-x)As层11侧布置在所述管座33上。
具体来说，在所述外延晶片20c的前侧20c1上(在本实施方案中的所述接触层23上)提供了与其接触的所述电极31，同时在后侧20c2上(在本实施方案中的所述AlxGa(1-x)As层11上)提供了与其接触的所述电极32。
为了取出光，所述电极31覆盖了所述外延晶片20c的前侧20c1的一部分，从而使得所述外延晶片20c的前侧20c1的剩余区域曝露出来。同时，所述电极32覆盖了所述外延晶片20c的后侧20c2的整个表面。
制造本实施方案中的红外LED 30b的方法具有与实施方案6的红外LED 30a的制造方法基本相同的构成，但是如上所述，不同之处在于形成所述电极31和32的步骤S11。
应理解，除了上述之外，另外的红外LED 30b及其制造方法的构成与实施方案6中的红外LED 30a及其制造方法相同，因此，利用相同的参考符号来标记相同的部分，并不再对其进行重复说明。
而且，在未除去GaAs衬底13的情况下，可在所述GaAs衬底13的反面13b上形成电极。关于实施方案3的外延晶片20a，在利用所述外延层还含有接触层的外延晶片来形成红外LED的情况下，例如其会具有与图29中所示的红外LED 30c相似的结构。在这种情况下，如图29中所示，在器件的所述GaAs衬底13侧上设置管座33。作为其修改例，可以将所述GaAs衬底13侧置于器件的所述管座33的相反侧上。
实施例1
在本实施例中，对在AlxGa(1-x)As层11中，背面11b中Al的组成比x大于主面11a中Al的组成比x的效果进行了研究。具体来说，根据实施方案1的AlxGa(1-x)As衬底10a的制造方法，制造了AlxGa(1-x)As衬底10a。
更具体地说，准备了GaAs衬底13(步骤S1)。然后，通过LPE法在所述GaAs衬底13上生长了Al的组成比x为0≤x≤1的各种AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。
对在它们的发射波长为850nm、880nm和940nm时AlxGa(1-x)As层11的透射率和表面氧气的量进行了检验。为了检验这些特性：以在厚度方向上Al的组成比均匀的方式，制造了图1中厚度为80μm～100μm的AlxGa(1-x)As层11；按图11的流程除去所述GaAs衬底13；以及关于图10状态中的所述层，利用透射率测量仪测量它们的透射率。关于氧气的量：按照图14中的流程，制造了相同的试样；通过OMVPE法生长了外延层；并在除去所述GaAs衬底13之前，通过次级离子质谱(SIMS)表征，对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行了测量。结果示于图21和图22中。
在图21中，纵轴表示在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x，而横轴表示透射性能。沿图21中的轴，越靠右的位置，透射性能越好。而且，从发射波长为880nm的情况来看，应理解，即使Al的组成比水平较低，透射性能仍然良好。而且，在发射波长为940nm的情况下，能够确认，即使Al的组成比水平较低，透射性能依然不太可能发生劣化。
然后，在图22中，纵轴表示在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x，而横轴表示表面氧气的量。沿图22中的轴，位置越靠左，氧气的量越好。应理解，当发射波长为850nm、880nm和940nm时，表面氧气的量相同。
在这里，在本实施方案中，如上所述，以使得在厚度方向上Al的组成比均匀的方式制造了所述AlxGa(1-x)As层11，还通过上述相同的实验确认了，因为主要通过所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a中Al的组成比来确定氧气的量，所以即使在所述层中Al的组成比具有梯度的情况下，如图2～图5中所示，氧气的量与所述主面中Al的组成比的相关性仍然很强。
关于透射性能，相同的趋势是适用的：在所述层具有如图2～图5中所示Al的组成比梯度的情况下，通过Al的组成比最低的区域来影响透射性能。具体来说，在具有如图2～图5中所示的梯度的情况下，如果梯度的模式(层数、在各个层中的梯度、厚度)和梯度(ΔAl/距离)相同，则透射性能与所述层内Al的平均组成比的大小之间的相关性强。
据认为，如图21中所示，在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x越大，透射性能提高的越多。同样，据认为，如图22中所示，在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的组成比x越小，则可以将所述主面中包含的氧气量降低的越多。
从上述可理解，根据本实施例，在所述AlxGa(1-x)As层11中，升高所述背面11b中Al的组成比x可保持高水平的透射性能，而降低所述主面11a中Al的组成比x能够降低所述主面中的氧气量。
实施例2
在本实施例中，对具有多个层的AlxGa(1-x)As层11的效果进行了研究，其中在所述多个层的各个层中，Al的组成比x沿着自所述层的背面11b侧的平面至其主面11a侧的平面的方向单调下降。具体来说，根据实施方案1中制造图1中所示的AlxGa(1-x)As衬底10a的方法，制造了AlxGa(1-x)As衬底10a的32种不同试样。
更具体地说，准备了2英寸和3英寸的GaAs衬底(步骤1)。
然后，通过缓慢冷却技术生长了AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。在步骤S2中，生长所述层，以使得在各个层中含有一个以上的层，如图2中所示，在朝向生长方向的方向上Al的组成比x恒定下降。详细地说，生长了AlxGa(1-x)As层11的32种不同试样，其中下列参数与下表中所示的相同：在所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a中Al的组成比x(Al的组成比x的最小值)；在各个层中，在所述层的背面11b侧的平面中Al的组成比x与其主面11a侧的平面中Al的组成比x之差(Al的组成比x之差)；以及在各个层中Al的组成比x沿着自所述层的背面11b侧的平面至其主面11a侧的平面的方向单调下降的层的数目(层数)。从而制造了AlxGa(1-x)As衬底10a的32种不同试样。
关于AlxGa(1-x)As衬底10a自身，通过使用厚度仪来测量在AlxGa(1-x)As衬底10a中出现的翘曲—在其中凸起的偏离面朝上的AlxGa(1-x)As衬底10a与平坦区域之间的间隙。将结果列表于下表I中。在表I中，将在使用2英寸的GaAs衬底时在AlxGa(1-x)As衬底10a中发生的翘曲为200μm以下以及在使用3英寸的GaAs衬底时翘曲为300μm以下的情况指定为“O”，而将在使用2英寸的GaAs衬底时翘曲超过200μm以及在使用3英寸的GaAs衬底时翘曲超过300μm的情况指定为“×”。
表I
从表I中可明显看出，不考虑在所述主面11a中Al的组成比x，在Al的组成比x单调下降的层内Al的组成比x之差越小，在所述AlxGa(1-x)As衬底10a中越不可能发生翘曲。应理解，在Al的组成比x之差为0.15以上但小于0.35的情况下，通过包括多个Al的组成比单调下降的层的所述AlxGa(1-x)As层11能减轻翘曲。从该结果可推断，在Al的组成比x之差为0.15以下的小值的情况下，如果要进一步降低翘曲，则增加Al的组成比单调下降的层的数目是有效的。同样可推断，在Al的组成比x之差为0.35以上的情况下，将x单调下降的层的数目增加至五个以上，可减轻翘曲。应注意，在使用2英寸和3英寸的GaAs衬底之间无特别差别。
如上所述，本实施例使其确认，通过包括多个层的AlxGa(1-x)As层11，能够减少所述AlxGa(1-x)As衬底10a中的翘曲，其中在所述各个层中，Al的组成比x沿着自所述层的背面11b侧的平面至其主面11a侧的平面的方向单调下降。
实施例3
在本实施例中，对具有多量子阱结构的有源层的红外LED外延晶片的效果以及用于阻挡层和阱层的满意层数进行了研究。
在本实施例中，生长了图23中所示的外延晶片40的四种不同试样，其中仅改变了具有多量子阱结构的有源层21中层的厚度和层数。
具体来说，首先，准备GaAs衬底13(步骤S1)。然后，通过OMVPE法，依次生长了n型包覆层41、未掺杂的波导层42、有源层21、未掺杂的波导层43、p型包覆层44、AlxGa(1-x)As层11和接触层23。各个层的生长温度为750℃。所述n型包覆层41的厚度为0.5μm且由Al0.35Ga0.65As构成；所述未掺杂的波导层42的厚度为0.02μm且由Al0.30Ga0.70As构成；所述未掺杂的波导层43的厚度为0.02μm且由Al0.30Ga0.70As构成；所述p型包覆层44的厚度为0.5μm且由Al0.35Ga0.65As构成；所述AlxGa(1-x)As层11的厚度为2μm且由p型Al0.15Ga0.85As构成；且所述接触层23的厚度为0.01μm且由p型GaAs构成。而且，使所述有源层21具有840nm～860nm的光发射波长，且所述有源层21为分别具有两层、十层、二十层和五十层所述阱层和所述阻挡层的多量子阱结构(MQW)。各个阱层的厚度为7.5nm且由GaAs构成，而各个阻挡层的厚度为5nm且由Al0.30Ga0.70As构成。
另外，在本实施例中，生长了双异质结构的外延晶片以作为单独的红外LED用外延晶片，所述双异质结构的外延晶片的不同之处在于，具有仅由发射波长为870nm且厚度为0.5μm的阱层构成的有源层。
就分别生长的外延晶片而言，在未除去GaAs衬底的情况下各自制造了外延晶片。然后，通过气相沉积分别在接触层23上形成了由AuZn构成的电极并在n型GaAs衬底13上形成了由AuGe构成的电极。从而得到了红外LED。
利用恒流电源和光度测定设备(积分球)，测量了在20mA的电流通过各个红外LED时所述各个红外LED的光输出。将结果示于图24中。应注意，沿图24中的横轴的“DH”表示具有双异质结构的LED，“MQW”表示在有源层中具有阱层和阻挡层的LED，且层数分别表示阱层和阻挡层的层总数。
据发现，如图24中所示，与具有双异质结构的LED相比，具有多量子阱结构的有源层的LED可提高光输出。特别地，应理解，具有10～50个阱层和阻挡层(包括两个端值)的LED明显提高了光输出。
在这里，在本实施例中，通过OMVPE法来制造所述AlxGa(1-x)As层11，但是为了生长其厚度与实施例1的情况中一样大的AlxGa(1-x)As层11，OMVPE法需要很长的时间。除了这点，制造的红外LED的特性与本发明利用LPE法和OMVPE法时的红外LED的特性相同，因此可将LPE法和OMVPE法应用于本发明的红外LED。应注意，在所述AlxGa(1-x)As层11的厚度大的方式中，利用LPE法显示了可缩短生长所述AlxGa(1-x)As层11所需要的时间的效果。
另外，在本实施例中，作为用于红外LED的还另一种外延晶片，生长了多量子阱结构(MWQ)的外延晶片，不同之处仅在于，其发射波长为940nm且具有含有阱层的有源层，所述阱层具有位于阱薄层内的InGaAs。关于阱薄层的InGaAs，厚度为2nm～10nm且In的组成比为0.1～0.3。同时，所述阻挡层由Al0.30Ga0.70As构成。
在这些外延晶片上，还以与上述相同的方式形成了电极，从而制造了红外LED。至于这些红外LED，也以与上述相同的方式对光输出功率进行了表征，结果获得了发射波长为940nm时的光输出功率。
这里，关于阻挡层，通过实验已证实，即使它们为GaAs0.90P0.10～Al0.30Ga0.70As0.90P0.10中的任意一种情况，它们也都具有类似的结果。而且，通过实验还证实了In的组成比和P的组成比可随意调节的事实。
从上述能够确认，在发射波长为840nm～890nm(包括两个端值)的情况下，将具有GaAs阱薄层的MQW用作有源层，而在发射波长为860nm～890nm(包括两个端值)的情况下，可应用由GaAs构成的双异质结构(DH)。另外能够确认，在发射波长为850nm～1100nm(包括两个端值)的情况下，能够从由InGaAs构成的阱层来制造有源层。
实施例4
在本实施例中，对红外LED用外延晶片中AlxGa(1-x)As层11的厚度的有效范围进行了研究。
在本实施例中，生长了图25中所示的外延晶片50的五种不同试样，其中仅改变了AlxGa(1-x)As层11的厚度。
具体来说，首先，准备了GaAs衬底13(步骤S1)。然后，通过LPE法，分别形成了厚度为2μm、10μm、20μm、100μm和140μm且由掺杂有Zn的p型Al0.35Ga0.65As构成的AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。生长所述AlxGa(1-x)As层11的LPE法生长温度为780℃，且生长速度平均为4μm/小时。接下来，使用盐酸和硫酸对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行洗涤(步骤S3)。随后，利用化学机械平面化对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行研磨(步骤S4)。然后，使用氨水和过氧化氢对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行洗涤(步骤S5)。接着，通过OMVPE法，依次生长了p型包覆层41、未掺杂的波导层42、有源层21、未掺杂的波导层43、n型包覆层44和n型接触层23(步骤S6)。用于生长这些层的OMVPE法生长温度为750℃，同时生长速度为1～2μm/小时。此处，所述p型包覆层41、所述未掺杂的波导层42、所述未掺杂的波导层43、所述n型包覆层44和所述n型接触层23的厚度和材料(除了掺杂剂之外)与实施例3中的相同。而且，生长了具有各个阱层和阻挡层的20个层的有源层21。各个阱层厚度为7.5nm且由GaAs构成，而各个阻挡层为厚度为5nm且由Al0.30Ga0.70As构成的层。
然后，除去所述GaAs衬底13(步骤S7)。从而制造了具有五种不同厚度的AlxGa(1-x)As层的红外LED外延晶片。
接下来，通过气相沉积，分别在所述接触层23上形成由AuGe构成的电极并在所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b上形成由AuZn构成的电极。从而制造了红外LED。
以与实施例3中相同的方式测量了各种红外LED的光输出。将结果示于图26中。
如图26中所示，具有厚度为20μm～140μm(包括两个端值)的AlxGa(1-x)As层11的红外LED能够大大提高光输出，而具有厚度为100μm～140μm(包括两个端值)的AlxGa(1-x)As层11的红外LED能够格外提高光输出。
现在，在层的厚度小于20μm时，认为从发光图像观察，未发现已除去所述GaAs13衬底的效果的事实是因为在发射表面积的范围内难以有任何改变。这是因为，由于在掺杂Zn的p型AlxGa(1-x)As层11的情况下迁移率低，所以电流不能扩散。通过使其成为掺杂Te的n型AlxGa(1-x)As层11来提高迁移率，能够对所述问题进行补救。在下述实施例5中，使掺杂Te的层看起来加宽了发光图像，从而提高了光输出。
实施例5
在本实施例中，对由本发明的红外LED造成的使向有源层的扩散降低的事实的效果进行了研究。
试样1
按如下制造了试样1红外LED外延晶片。具体来说，首先准备了GaAs衬底13(步骤S1)。其次，通过LPE法，生长了厚度为20μm且由n型Al0.35Ga0.65As构成的掺杂Te的AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。然后，使用盐酸和硫酸，对所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a进行洗涤(步骤S3)。随后，利用化学机械平面化对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行研磨(步骤S4)。然后，使用氨水和过氧化氢对所述AlxGa(1-x)As层11的所述主面11a进行洗涤(步骤S5)。接着，通过OMVPE法，依次生长了掺杂Si的n型包覆层41、未掺杂的波导层42、有源层21、未掺杂的波导层43、掺杂Zn的p型包覆层44和p型接触层23(步骤S6)，如图25中所示。此处，使所述n型包覆层41、所述未掺杂的波导层42、所述未掺杂的波导层43和所述p型包覆层44的厚度和除了所述掺杂剂之外的材料与实施例3中的相同。而且，生长了具有20个各个阱层和阻挡层的有源层21。各个阱层为厚度为7.5nm且由GaAs构成的层，而各个阻挡层为厚度为5nm且由Al0.30Ga0.70As构成的层。而且，在LPE法和OMVPE法中的生长温度和生长速度与实施例4中的相同。
接下来，除去所述GaAs衬底13(步骤S7)。从而制造了试样1红外LED外延晶片。
然后，通过气相沉积分别在所述p型接触层23上形成由AuZn构成的电极，并在所述AlxGa(1-x)As层11的底部上形成由AuGe构成的电极(步骤S11)。从而制造了红外LED。
试样2
关于试样2，首先准备了GaAs衬底13(步骤S1)。其次，通过OMVPE法，以与试样1相同的方式依次生长了p型包覆层44、未掺杂的波导层43、有源层21、未掺杂的波导层42和n型包覆层41。然后，通过LPE法形成了AlxGa(1-x)As层11。使所述AlxGa(1-x)As层11的厚度和构成所述AlxGa(1-x)As层11的材料与试样1的相同。
接着，与试样1相同，除去所述GaAs衬底13，从而制造了试样2红外LED外延晶片。
接下来，以与试样1相同的方式，在所述外延晶片的前侧和后侧上形成电极，从而制造了试样2红外LED。
测量手段
测量了在试样1和试样2的红外LED中Zn的扩散长度以及源自所述红外LED的光输出。具体来说，通过SIMS对在所述有源层和所述波导层之间的界面中Zn的浓度进行了表征，而且，通过SIMS，测量了在所述有源层中Zn浓度降至1/10以下的位置，并将从所述有源层和所述波导层之间的界面至进入到所述有源层内的距离作为Zn扩散长度。同样地，以与实施例3中相同的方式测量了光输出。将结果示于下表II中。
表II
Figure BPA00001232791300491
测量结果
如表II中所示，关于试样1，其中在通过LPE法生长所述AlxGa(1-x)As层11之后，通过OMVPE法生长所述有源层，并在形成所述有源层之前，将Zn掺入所述AlxGa(1-x)As层11内，能够防止Zn扩散入所述有源层中，并能够降低在所述有源层21内的Zn浓度。结果，能够明显提高源自试样1红外LED的光输出并超过源自试样2的光输出。
从上述可确认，根据本发明，在通过LPE法形成所述AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)之后，形成引入了有源层的外延层(步骤S7)，能够提高光输出。
实施例6
在本实施例中，对ΔAl/Δt大于0/μm的效果进行了研究。
具体来说，准备了GaAs衬底(步骤S1)。然后，通过缓慢冷却技术，生长了具有各种厚度和Al的组成比x的AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。
在步骤S2中，生长所述层，从而使其含有一个以上层，在所述各个层中Al的组成比x在朝向生长方向的方向上不断下降。然后，进行洗涤、研磨和洗涤步骤(S3～S5)以制造其上形成了GaAs衬底的AlxGa(1-x)As衬底。接下来，通过OMVPE法，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成了有源层21(步骤S7)。然后除去GaAs衬底(步骤S6)。由此制造了多个外延层。
利用EPMA，确定了在这些外延晶片的横截面中在从AlxGa(1-x)As衬底的背面朝向其主面的方向上的1μm间隔处Al的组成比x。将试样3和4的结果以及试样5的结果分别示于图30和31中，其中在所述试样3和4中，在朝向生长方向的方向上Al的组成比x不断下降的层具有单层，且在所述试样5中，在朝向生长方向的方向上Al的组成比x不断下降的层具有三个层。应注意，在图30和31中，沿横轴的厚度“0”对应于所述AlxGa(1-x)As衬底的背面侧。
如图30和31中所示，对于确定了Al的组成比x的AlxGa(1-x)As衬底，发现了Al的组成比的斜率ΔAl/Δt(单位：组成比之差/μm)。将结果绘制于图32和33中。应理解，在图32和33中，将AlxGa(1-x)As衬底的背面作为厚度0。
在图32中所示的试样3或试样4的ΔAl/Δt为1×10-3/μm～2×10-2/μm。在图33中所示的试样5的ΔAl/Δt为1×10-3/μm～3×10-2/μm。
除了试样3～5之外，同样以这种方式确定了多个AlxGa(1-x)As衬底的ΔAl/Δt。
其后，将具有AlxGa(1-x)As衬底的外延晶片切割成400μm2的LED片。然后，确定了这些LED在20mA/片下的光输出，并利用参考输出将所述光输出标准化。将在所述AlxGa(1-x)As层11中的平均Al组成比x为0≤x＜0.3时的结果、平均Al组成比为0.3≤x＜0.5时的结果以及平均Al组成比为0.5≤x＜1.0时的结果分别示于图34～36中。
同时，作为比较例，准备了由AlxGa(1-x)As层11构成的AlxGa(1-x)As衬底，其中Al的组成比x为恒定的0.1、0.3和0.5，以相同方式在所述AlxGa(1-x)As衬底上生长了外延层，并将所述制品切割成LED片。同样地，利用参考输出对这些LED进行标准化，将各自的结果作为比较例绘制于图34～36中。
图34中的比较例的Al组成比为0.1；图35中的比较例的Al组成比为0.3；且图36中的比较例的Al组成比为0.5。应理解，尽管比较例的ΔAl/Δt为0，但是为了比较，图34～36中比较例的参考输出用虚线表示。
如图34～36中所示，与Al的组成比x为常数的方式相比，从ΔAl/Δt大于0的本发明例中，可以提高输出。
另外，如图34中所示，在Al的组成比x低(0≤x＜0.3)的情况中，不太可能整体上提高输出，因为透射性能低，而ΔAl/Δt的变大会对透射性能的提高产生显著影响。
另外，如图36中所示，在Al的组成比高(0.5≤x＜1.0)的情况中—因为所述AlxGa(1-x)As层的主面被氧化—且在组成比恒定的比较例的方式中，不能获得输出。然而，在Al的组成比高但ΔAl/Δt大于0的方式中，可防止主面被氧化并可提高输出。
在图35中所示的Al的组成比为图34和36之间的中间值(0.3≤x＜0.5)的情况中，即使在Al的组成比为常数(0.3)的方式中，也可以超过Al的组成为0.1和0.5的常数的比较例。然而，ΔAl/Δt大于0的本发明实例，可提高输出，甚至可超过Al的组成比为0.3的比较例。
根据上述可确认，根据本实施例，ΔAl/Δt大于0能够提高输出。
还可确认，随着ΔAl/Δt的增大可提高输出。在本实施例中，如图35中所示，可制造ΔAl/Δt最高达6×10-2/μm的AlxGa(1-x)As衬底。
还可确认，Al的组成比x大于0.3但小于或等于1能够格外提高输出。
实施例7
在本实施例中，对在所述AlxGa(1-x)As层和所述外延层之间的界面处峰值氧浓度不大于5×1020个原子/cm3的效果、以及氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2的效果进行了研究。
具体来说，准备GaAs衬底(步骤S1)。然后，通过缓慢冷却技术，在多种条件下生长了AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。在步骤S2中，生长所述层，从而使其含有一个在朝向生长方向的方向上Al的组成比x不断下降的层。同时，所述AlxGa(1-x)As层11的厚度为3.6μm。由此制造了八种不同的AlxGa(1-x)As衬底。
然后，通过OMVPE法在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成了有源层21(步骤S7)。所述有源层21的厚度为0.6μm。由此制造了八种不同的外延晶片。
将在一种外延晶片中通过SIMS对氧浓度和次级离子强度进行表征的结果示于图37中。在图37中，横轴表示自所述有源层表面至所述AlxGa(1-x)As层背面的方向上的厚度(单位：μm)，同时将“0”作为所述有源层的表面。Al的浓度和氧的浓度相交的点为所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面。在图37的外延晶片中，在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间界面处(在所述AlxGa(1-x)As层主面处)的峰值氧浓度为3×1018个原子/cm3。
以这种方式，确定了八种不同外延晶片的氧浓度和次级离子强度。然后，关于八种不同外延晶片，通过发现氧浓度中的峰值浓度，确定了在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处—即在所述AlxGa(1-x)As层的主面中—氧的峰值浓度。另外，对于八种不同外延晶片的各种外延晶片，通过由次级离子强度和厚度确定了面密度，从而确定了在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处—即在所述AlxGa(1-x)As层的主面中—氧的面密度。将结果示于图38和39中。
其后，将具有所述AlxGa(1-x)As衬底的外延晶片切割成400μm2的LED片。然后，确定了这些LED在20mA/片下的光输出，并利用参考输出将所述光输出标准化。将结果示于图38和39中。
如图38中所示，在所述AlxGa(1-x)As层的主面中氧的峰值浓度超过5×1020个原子/cm3的方式中，基本不能获得输出。然而，在氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3的方式中，可获得输出。特别地，在浓度不大于4×1019原子/cm3的情况中，输出大于1，其中格外提高了所述输出。
同样地，如图39中所示，在所述AlxGa(1-x)As层的主面中平面氧密度大于2.5×1015个原子/cm2的方式中，基本不能获得输出。然而，在所述AlxGa(1-x)As层的主面中平面氧密度不大于2.5×1015个原子/cm2的方式中，可获得输出。特别地，在所述密度不大于3.5×1014个原子/cm2的情况中，输出大于1，其中格外提高了输出。
根据上述可确认，根据本实施例，当制造LED时，在AlxGa(1-x)As层与外延层之间的界面处峰值氧浓度不大于5×1020个原子/cm3且氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2能够提高输出。
实施例8
在本实施例中，对于在AlxGa(1-x)As衬底与有源层之间形成Al的组成比可控的缓冲层的效果进行了研究。
试样6
在试样6中，首先，准备了GaAs衬底(步骤S1)。其次，通过缓慢冷却技术生长了AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。在步骤S2中，生长所述层，从而使其含有一个在朝向生长方向的方向上Al的组成比x不断下降的层。同时，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a中Al的组成比x为0.25。并且在所述AlxGa(1-x)As层11中载流子浓度为5×1017cm-3。
其次，通过OMVPE法在所述AlxGa(1-x)As层11的主面11a上形成了缓冲层25。在所述缓冲层25中Al的组成比x为恒定的0.15，同时厚度为100nm且载流子浓度为5×1017cm-3。
然后，通过OMVPE法在所述缓冲层25上形成了有源层21。在所述有源层内的包覆层(n型和p型两者)中Al的组成比x为恒定的0.35，同时厚度为500nm且n型包覆层的载流子浓度为5×1017cm-3。
由此制造了20个图27中所示的外延晶片20d。关于试样6，其为在所述AlxGa(1-x)As衬底的主面中Al的组成比(0.25)＞在所述缓冲层25中Al的组成比(0.15)＜在所述有源层21中Al的组成比(0.35)的情况。
试样7
试样7的外延晶片制造方法试样6基本相同，但不同之处在于缓冲层和有源层。具体来说，缓冲层25的Al的组成比x为0，意思是其为GaAs层。同时，使所述缓冲层25的厚度为10nm。并且，在所述有源层21内部，在包覆层中Al的组成比x为0.6。关于试样7，其为在所述AlxGa(1-x)As衬底的主面中Al的组成比(0.25)＞在所述缓冲层25中Al的组成比(0)＜在所述有源层21中Al的组成比(0.6)的情况。
试样8
试样8的外延晶片制造方法与试样6基本相同，但不同之处在于不形成有源层。
试样9
试样9的外延晶片制造方法与试样7基本相同，但不同之处在于不形成缓冲层。
测量方法
利用试样6～9的20个外延晶片制造20个LED。关于各个LED，此时测量正向电压Vf，所述正向电压为在If＝20mA时进行正向测量期间的电压。将它们的最大、最小和平均值示于图40中。
测量结果
如图40中所示，关于其中形成了Al的组成比低的缓冲层25的试样6和7，与不形成缓冲层的试样8和9相比，能够将正向电压Vf的不规则性保持在可控范围之内。
同时，关于试样7，形成了GaAs层以作为缓冲层25；另外由于所述层的厚度薄，所以可将光吸收最小化。因此，即使在形成了Al的组成比x非常小的缓冲层的方式中，将所述层的厚度变薄使得实现了施加到光输出功率上的影响很小的外延晶片。
特别是在试样9中，由于在AlxGa(1-x)As衬底上直接形成了Al的组成比x大的有源层，所以Vf的不规则性明显。然而，关于制造了缓冲层25的试样7，即使在形成了Al的组成比大的有源层的方式中，仍可将Vf的不规则性保持在可控范围之内。
根据上述可确认，根据本实施例，在AlxGa(1-x)As衬底与有源层之间形成缓冲层，其中对所述缓冲层的Al的组成比进行控制使其低于所述有源层的Al的组成比，在LED的制造中可提高特性。
实施例9
在本实施例中，对AlxGa(1-x)As层11的背面11b中Al的组成比x为0.12以上的效果进行了研究。
具体来说，准备了GaAs衬底(步骤S1)。其次，通过缓慢冷却技术，生长了AlxGa(1-x)As层11(步骤S2)。在步骤S2中，生长所述层，从而使其含有一个在朝向生长方向的方向上Al的组成比x不断下降的层。并以使得背面11b中Al的组成比x不同的方式生长了多个AlxGa(1-x)As层11。由此制备了AlxGa(1-x)As衬底。
然后，准备了氨水∶过氧化氢＝1∶10的腐蚀溶液。在室温下，利用该腐蚀溶液将GaAs衬底从多个AlxGa(1-x)As衬底上腐蚀去。
结果，在所述AlxGa(1-x)As层11中，当在与GaAs衬底接触的背面11b中Al的组成比为0.12以上时，可通过在3～5μm/分钟的腐蚀速率下对所述GaAs衬底腐蚀一分钟以来其除去(步骤S3)。而且，在所述AlxGa(1-x)As层11中，当在与所述GaAs衬底接触的背面11b中Al的组成比为0.12以上时，可在沿所述AlxGa(1-x)As层的背面上选择性地暂停所述腐蚀。
根据上述可确认，根据本实施例，在所述AlxGa(1-x)As层11的背面11b中Al的组成比为0.12以上，使得可有效地除去GaAs衬底。
实施例10
在本实施例中，对能够制造波长为900nm以上的红外LED的效果进行了检验。
在本实施例中，以与实施例4的红外LED制造方法相同的方式制造了红外LED，而仅在有源层21方面有所不同。具体来说，在本实施例中，生长了分别具有20个各个阱层和阻挡层的有源层21，所述阱层的各个层的厚度为6nm且由In0.12Ga0.88As构成，所述的阻挡层的各个层的厚度为12nm且由GaAs0.9P0.1构成。
对这种红外LED的发射光谱进行了表征。将结果示于图41中。如图41中所示，可确认能够制造发射波长为940nm的红外LED。
实施例11
在本实施例中，对待用于发射波长为900nm以上的红外LED中的外延晶片的条件进行了检验。
本发明例1～4
以与实施例10的红外LED制造方法相同的方式，制造了本发明例1～4的红外LED，而仅在AlxGa(1-x)As层11和有源层21方面有所不同。具体来说，使在所述AlxGa(1-x)As层11中Al的平均组成比如下表III中所示。
以(背面、主面)的顺序列举一种情况，在所述AlxGa(1-x)As层11的主面和背面中Al的组成比为：0.05的情况下，(0.10、0.01)；0.15的情况下，(0.25、0.05)；0.25的情况下，(0.35、0.15)；以及0.35的情况下，(0.40、0.30)。然而，可以对(背面、主面)中Al的平均组成比和组成比随意进行调节。这里，Al的组成比在自所述AlxGa(1-x)As层11的背面至主面的方向上单调下降。关于这种情况中的有源层21，生长了具有5个各个由InGaAs构成的阱层和各个由GaAs构成的阻挡层的有源层21。所述红外LED的发射波长为890nm。
本发明例5～8
以与本发明例1～4的红外LED制造方法相同的方式，制造了本发明例5～8的红外LED，而不同之处在于发射波长为940nm。
比较例1和2
分别以与本发明例1～4和本发明例5～8的红外LED相同的方式制造了比较例1和2的红外LED，而不同之处在于不具有AlxGa(1-x)As层11。即，既未形成AlxGa(1-x)As层，也未将GaAs衬底除去。
测量方法
确定了本发明例1～8和比较例1和2的红外LED的晶格驰豫。通过光致发光光谱、x射线衍射和表面的目视检查来表征晶格驰豫。当将发生了晶格驰豫的外延晶片加工成红外LED时，同样通过暗线来对其进行证实。而且，以与实施例3中相同的方式，测量了本发明例1～8和比较例1和2的红外LED的光输出功率。将结果示于下表III中。
表III
Figure BPA00001232791300591
如表III中所示，在发射波长为890nm的红外LED中，不存在晶格驰豫(晶格失配)，而与衬底是GaAs衬底还是AlxGa(1-x)As层无关。同样地，在单独由GaAs衬底制成的比较例2的红外LED中，尽管发射波长为940nm，但仍不存在晶格驰豫。然而，在具有AlxGa(1-x)As层11作为AlxGa(1-x)As衬底且发射波长为940nm的本发明例5～8的红外LED中，存在晶格驰豫。因此，在具有AlxGa(1-x)As层11作为AlxGa(1-x)As衬底的红外LED的情况下，尽管不存在晶格驰豫的红外LED的输出功率为5mW～6mW，存在晶格驰豫的红外LED的输出功率为低的2～3.5mW，但是其中应理解，在同一晶片的表面内的不一致性很大。更具体地说，在晶片直径φ为2～4英寸的晶片中存在测量不一致性。
从该事实可理解，能够被应用在GaAs衬底上的技术，不能被应用在用于发射波长为900nm以上的红外LED的外延晶片上。
其中，如下所述，本发明人致力于研究，对在用于发射波长为900nm以上的红外LED的外延晶片内抑制晶格弛豫的条件进行了研究。
具体来说，以下列方式制造了本发明例9～24和比较例3～6的红外LED，其中发射波长为940nm。
本发明例9～12
以基本上与本发明例5～8的红外LED相同的方式制造了本发明例9～12的红外LED，而不同之处在于，使各阱层和阻挡层的数目分别为三个层。在所述阱层中In的组成比为0.12。
本发明例13～16
以基本上与本发明例5～8的红外LED相同的方式制造了本发明例13～16的红外LED，而不同之处在于，阻挡层为GaAsP，并使得阱层和阻挡层的数目各自为三个层。在所述阻挡层中P的组成比为0.10。
本发明例17～20
以基本上与本发明例13～16的红外LED相同的方式制造了本发明例17～20的红外LED，而不同之处在于，使得阱层和阻挡层的数目各自为十个层。
本发明例21～24
以基本上与本发明例5～8的红外LED相同的方式制造了本发明例21～24的红外LED，而不同之处在于，阻挡层为AlGaAsP，并使得阱层和阻挡层的数目各自为二十个层。在所述阻挡层中P的组成比为0.10。
比较例3～6
以基本上分别与本发明例9～12、本发明例13～16、本发明17～20和本发明例21～24中相同的方式制造了比较例3～6的红外LED，而不同之处在于，使用不具有AlxGa(1-x)As层作为AlxGa(1-x)As衬底的GaAs衬底。
测量方法
以与上述方法相同的方式，测定了晶格驰豫和光输出功率，将结果示于下表IV中。
表IV
Figure BPA00001232791300611
测量结果
如表IV中所示，关于包括其中有源层21内的阱层含有In的InGaAs、且所述阱层的数目为四层以下的本发明例9～12，未发生晶格驰豫。
同样地，关于包括其中在有源层内的阻挡层含有P的GaAsP或AlGaAsP、且所述阻挡层的数目为三层以上的本发明例13～24，未发生晶格驰豫。
根据上述，根据本实施例发现，在用于发射波长为900nm以上的红外LED的外延晶片中，在有源层内的阱层包含含In材料且阱层的数目为四层以下的情况下、以及在有源层内的阻挡层包含含P材料且阻挡层的数目为三层以上的情况下，能够将晶格失配控制为最低。
在各方面都应该将本文公开的实施方案和实施例看作是示例性的而不是限制性的。本发明的范围不是由上述说明的实施方案限定而是由权利要求书的范围来限定，并且旨在包括与权利要求书范围等同的含义以及所述范围内的所有修改。
参考符号列表
10a、10b：AlxGa(1-x)As衬底
11：AlxGa(1-x)As层
11a、13a：主面
11b、13b、20c2、21c：背面
13：GaAs衬底
20a、20b、20c、20d、40、50：外延晶片
20c1：前侧
21：有源层
21a：阱层
21b：阻挡层
23：接触层
25：缓冲层
30a、30b、30c：LED
31、32：电极
33：管座
41、44：包覆层
42、43：未掺杂的波导层

Claims (28)

1.一种具有AlxGa(1-x)As层(0≤x≤1)的AlxGa(1-x)As衬底，所述AlxGa(1-x)As层具有主面和在所述主面相反侧的背面；所述AlxGa(1-x)As衬底的特征在于，
在所述AlxGa(1-x)As层中，所述背面中Al的组成比x大于所述主面中Al的组成比x。
2.如权利要求1所述的AlxGa(1-x)As衬底，其中：
所述AlxGa(1-x)As层含有多个层；以及
在从所述AlxGa(1-x)As层的背面侧的平面朝向其主面侧的平面的方向上，在所述多个层的各个层中Al的组成比x单调下降。
3.如权利要求1或2所述的AlxGa(1-x)As衬底，其中：设在所述AlxGa(1-x)As层厚度方向上的两个不同点的Al的组成比x之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则ΔAl/Δt大于0/μm。
4.如权利要求3所述的AlxGa(1-x)As衬底，其中ΔAl/Δt不大于6×10-2/μm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的AlxGa(1-x)As衬底，其中在所述AlxGa(1-x)As层的所述背面中Al的组成比x不小于0.12。
6.如权利要求1～5中任一项所述的AlxGa(1-x)As衬底，还包含与所述AlxGa(1-x)As层的所述背面接触的GaAs衬底。
7.一种红外LED用外延晶片，所述晶片包含：
权利要求1～5中任一项的AlxGa(1-x)As衬底；和
在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成的且包含有源层的外延层。
8.如权利要求7所述的红外LED用外延晶片，其中在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x。
9.如权利要求8所述的红外LED用外延晶片，其中：
所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层；且
所述缓冲层中Al的组成比x小于所述有源层中Al的组成比x。
10.如权利要求7所述的红外LED用外延晶片，其中：
所述外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层；且
所述缓冲层中Al的组成比x小于所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且小于所述有源层中Al的组成比x。
11.如权利要求7～10中任一项所述的红外LED用外延晶片，其中在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3。
12.如权利要求7～11中任一项所述的红外LED用外延晶片，其中在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2。
13.一种红外LED，其具有：
权利要求1～5中任一项的AlxGa(1-x)As衬底；
在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成的且包含有源层的外延层；
在所述外延层的表面上形成的第一电极；和
在所述AlxGa(1-x)As层的背面上形成的第二电极。
14.一种红外LED，其具有：
权利要求6的AlxGa(1-x)As衬底；
在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成的且包含有源层的外延层；
在所述外延层的表面上形成的第一电极；和
在所述GaAs衬底的背面上形成的第二电极。
15.一种制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，所述方法包括：
准备GaAs衬底的步骤；以及
通过LPE在所述GaAs衬底上生长具有主面和在所述主面相反侧的背面的AlxGa(1-x)As层(0≤x≤1)的步骤；其特征在于
在所述生长AlxGa(1-x)As层的步骤中，将所述AlxGa(1-x)As层生长为在所述背面中Al的组成比x大于在所述主面中Al的组成比x。
16.如权利要求15所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，其中在所述生长AlxGa(1-x)As层的步骤中，将AlxGa(1-x)As层生长为含有多个层，其中，Al的组成比x沿着自所述AlxGa(1-x)As层的背面侧的平面至其主面侧的平面的方向单调下降。
17.如权利要求15或16所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，其中设在所述AlxGa(1-x)As层的厚度方向上的两个不同点的Al的组成比x之差为ΔAl，并设所述两点之间的厚度差(μm)为Δt，则ΔAl/Δt大于0/μm。
18.如权利要求17所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，其中ΔAl/Δt不大于6×10-2/μm。
19.如权利要求15～18中任一项所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，其中在所述AlxGa(1-x)As层的所述背面中Al的组成比x不小于0.12。
20.如权利要求15～19中任一项所述的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法，还包括除去所述GaAs衬底的步骤。
21.一种制造红外LED用外延晶片的方法，所述方法包括：
通过权利要求15～20中任一项的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法制造AlxGa(1-x)As衬底的步骤；以及
通过OMVPE或分子式外延中的至少一种方法在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成含有有源层的外延层的步骤。
22.如权利要求21所述的制造红外LED用外延晶片的方法，其中在所述外延层的与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面中Al的组成比x大于在所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x。
23.如权利要求22所述的制造红外LED用外延晶片的方法，其中：
在所述形成外延层的步骤中，所形成的外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层；以及
所述缓冲层中Al的组成比x小于所述有源层中Al的组成比x。
24.如权利要求21所述的制造红外LED用外延晶片的方法，其中：
在所述形成外延层的步骤中，所形成的外延层还包含具有与所述AlxGa(1-x)As层接触的平面的缓冲层；以及
所述缓冲层中Al的组成比x小于所述AlxGa(1-x)As层的与所述外延层接触的平面中Al的组成比x，且小于所述有源层中Al的组成比x。
25.如权利要求21～24中任一项所述的制造红外LED用外延晶片的方法，其中在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处氧的峰值浓度不大于5×1020个原子/cm3。
26.如权利要求21～25中任一项所述的制造红外LED用外延晶片的方法，其中在所述AlxGa(1-x)As层与所述外延层之间的界面处氧的面密度不大于2.5×1015个原子/cm2。
27.一种制造红外LED的方法，所述方法包括：
通过权利要求15～19中任一项的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法制造AlxGa(1-x)As衬底的步骤；
通过OMVPE或分子式外延中的任一种方法在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成含有有源层的外延层以得到外延晶片的步骤；
在所述外延晶片的表面上形成第一电极的步骤；以及
在所述GaAs衬底的背面上形成第二电极的步骤。
28.一种制造红外LED的方法，所述方法包括：
通过权利要求20的制造AlxGa(1-x)As衬底的方法制造AlxGa(1-x)As衬底的步骤；
通过OMVPE或分子式外延中的任一种方法在所述AlxGa(1-x)As层的所述主面上形成含有有源层的外延层以得到外延晶片的步骤；
在所述外延晶片的表面上形成第一电极的步骤；以及
在所述AlxGa(1-x)As层的背面上形成第二电极的步骤。
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