CN103500784B - 一种近红外发光二极管的外延结构、生长工艺及芯片工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近红外发光二极管的外延结构，在衬底层上依次生长第一型电流扩展层、第一型限制层、有源层、第二型限制层及第二型电流扩展层；第二型电流扩展层由第一组成部分及第二组成部分组成，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。本发明还公开所述近红外发光二极管的外延生长工艺。本发明采用该外延生长工艺形成具有漫反射作用的电流扩展层的外延结构，明显地提高了外量子效率，使得近红外发光二极管能达到更大功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种近红外发光二极管的外延结构、生长工艺及芯片含义工艺，尤其是指一种三五族砷磷化合物系红外发光二极管的外延结构、生长工艺及芯片工艺。
背景技术
近红外发光二极管具有低功耗、尺寸小和可靠性高等特性，被广泛应用于通信及遥感装置等技术领域。
现有技术中，近红外产品主要为采用液相外延法生长的以AlGaAs异质结为活性层的近红外发光二极管，所述方法生长的近红外二极管由于内量子效率较低，从而使得其在功率上难以突破，难以满足产品对近红外发光二极管大功率需求。
随着科技的发展，对近红外发光二极管功率的需求越来越高，制造大功率近红外发光二极管已成为发展趋势。采用金属有机化合物气相外延生长具有量子阱的外延结构能取得较高的内量子效率。因此，提升外量子效率成为提高近红外发光二极管发光功率的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近红外发光二极管的外延结构、生长工艺及芯片工艺，采用该外延生长工艺形成具有漫反射作用的电流扩展层的外延结构，明显地提高了外量子效率，使得近红外发光二极管能达到更大功率。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
一种近红外发光二极管的外延结构，在衬底层上依次生长第一型电流扩展层、第一型限制层、有源层、第二型限制层及第二型电流扩展层；第二型电流扩展层由第一组成部分及第二组成部分组成，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。
进一步，衬底层为GaAs衬底层。
进一步，在衬底层与第一型电流扩展层之间生长形成腐蚀截止层。
进一步，腐蚀截止层的材料为三五簇化合物，包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P和AlyGa1-yAs，其中，0≤x≤1,0≤y≤1。
进一步，有源层的材料为三五簇化合物，包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs。
进一步，第一型电流扩展层、第一型限制层、第二型限制层及第二型电流扩展层的材料为三五簇化合物，包括AlGaAs、AlGaInP。
进一步，第二型电流扩展层的第一组成部分的材料为AlxGa1-xAs（0.1≤x≤0.35），或者为（AlxGa1-x）0.5In0.5P（0≤x≤0.2）；第二型电流扩展层的第二组成部分的材料为AlyGa1-yAs（0.35＜y≤0.5），或者为（AlyGa1-y）0.5In0.5P（0.2＜y≤0.4）。
进一步，第二型电流扩展层第一组成部分的厚度为2-5μm；第二型电流扩展层第二组成部分的厚度为50-500nm，且满足（2k+1）λ/（4n），其中，k≥0的正整数，λ为有源层发光波长，n为第二组成部分材料的折射率。
一种近红外发光二极管的外延生长工艺，生长第二型电流扩展层的第二组成部分采用进入反应室的生长气流震荡方法，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。
进一步，生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流较生长第一组成部分减少或增加200-300sccm。
进一步，生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流的震荡的次数为2-4次，且每次间隔时间20秒-40秒。
进一步，生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启的瞬间引起的进入反应室的生长气流的震荡到进入反应室的生长气流的稳定之间的时间为0.4秒-0.8秒。
进一步，在生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间生长形成有停顿的界面。
进一步，生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间形成停顿的界面的停顿时间为5秒至30秒。
进一步，生长第二型电流扩展层的第二组成部分的进入反应室的生长气流较生长第一组成部分的进入反应室的生长气流减少或增加400-600sccm。
进一步，生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启瞬间引起的反应室生长气流的震荡到反应室生长气流的稳定之间的时间为0.1秒至0.4秒。
一种近红外发光二极管芯片制作工艺，把上述外延结构通过倒置芯片工艺将顶部的第二型电流扩展层键合于Si基板上，且在Si基板与第二型电流扩展层之间形成金属反射镜；由此得到的芯片结构从下往上顺序变成Si基板、金属反射镜、第二型电流扩展层、第二型限制层、有源层、第一型限制层、第一型电流扩展层；在Si基板背面设置第一电极，且通过Si通孔连接第一电极与金属反射镜；在第一型电流扩展层设置第二电极。
本发明在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。有源层发出的大角度的光被形成于第一组成部分和第二组成部分之间具有漫反射效果的接触界面反射，增加了出光角度，能较有效地提高外量子效率，进而得到高功率的近红外发光二极管。
附图说明
图1是本发明第一实施例结构示意图；
图2是生长本发明第一实施例的外延结构所使用的外延工艺在生长第二型电流扩展层时注入反应室的生长气流与时间的关系曲线图。
图3是本发明第一实施例经过芯片工艺制作后所形成的近红外发光二极管芯片示意图。
图4是本发明第二实施例结构示意图；
图5是生长本发明第二实施例的外延结构所使用的外延工艺在生长第二型电流扩展层时注入反应室的生长气流与时间的关系曲线图。
图6是本发明第二实施例经过芯片工艺制作后所形成的近红外发光二极管芯片示意图。
标号说明
近红外发光二极管的外延结构第一实施例100
GaAs衬底11腐蚀截止层12
第一型电流扩展层13第一型限制层14
有源层15第二型限制层16
第二型电流扩展层17第一组成部分171
第二组成部分172Si基板18
第一电极191第二电极192
金属反射镜10
近红外发光二极管的外延结构第二实施例200
GaAs衬底21第一型电流扩展层22
第一型限制层23有源层24
第二型限制层25第二型电流扩展层26
第一组成部分261第二组成部分262
Si基板27第一电极281
第二电极282金属反射镜29。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
本发明公开一种近红外发光二极管的外延结构，在GaAs衬底层上依次生长第一型电流扩展层、第一型限制层、有源层、第二型限制层及第二型电流扩展层；第二型电流扩展层由第一组成部分及第二组成部分组成，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。
可以在衬底层与第一型电流扩展层之间生长形成腐蚀截止层，也可以不生长形成腐蚀截止层。腐蚀截止层的材料为三五簇化合物，包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P和AlyGa1-yAs，其中，0≤x≤1,0≤y≤1。
有源层的材料为三五簇化合物，包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs。
第一型电流扩展层、第一型限制层、第二型限制层及第二型电流扩展层的材料为三五簇化合物，包括AlGaAs、AlGaInP。
第二型电流扩展层的第一组成部分的材料为AlxGa1-xAs（0.1≤x≤0.35），或者为（AlxGa1-x）0.5In0.5P（0≤x≤0.2）；第二型电流扩展层的第二组成部分的材料为AlyGa1-yAs（0.35＜y≤0.5），或者为（AlyGa1-y）0.5In0.5P（0.2＜y≤0.4）。第二型电流扩展层第一组成部分的厚度为2-5μm；第二型电流扩展层第二组成部分的厚度为50-500nm，且满足（2k+1）λ/（4n），其中，k≥0的正整数，λ为有源层发光波长，n为第二组成部分材料的折射率。
本发明还公开所述一种近红外发光二极管的外延结构外延生长工艺，生长第二型电流扩展层的第二组成部分采用进入反应室的生长气流震荡方法，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面，即在第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间的界面上形成界面畸变，接触界面的平整度变差，从而具有漫反射效果。其中，第二型电流扩展层第一组成部分采用现有技术中常规外延工艺生长，此处不赘述。
生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流较生长第一组成部分减少或增加200-300sccm。生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流的震荡的次数为2-4次，且每次间隔时间20秒-40秒。生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启的瞬间引起的进入反应室的生长气流的震荡到进入反应室的生长气流的稳定之间的时间为0.4秒-0.8秒。
可以在生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间生长形成有停顿的界面。生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间形成停顿的界面的停顿时间为5秒至30秒。生长第二型电流扩展层的第二组成部分的进入反应室的生长气流较生长第一组成部分的进入反应室的生长气流减少或增加400-600sccm。生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启瞬间引起的反应室生长气流的震荡到反应室生长气流的稳定之间的时间为0.1秒至0.4秒。
本发明还公开一种近红外发光二极管芯片制作工艺，把本发明所述的外延结构通过倒置芯片工艺将顶部的第二型电流扩展层键合于Si基板上，且在Si基板与第二型电流扩展层之间形成金属反射镜。由此得到的芯片结构从下往上顺序变成Si基板、金属反射镜、第二型电流扩展层、第二型限制层、有源层、第一型限制层、第一型电流扩展层；在Si基板背面设置第一电极，且通过Si通孔连接第一电极与金属反射镜；在第一型电流扩展层设置第二电极。第二型电流扩展层由第一组成部分及第二组成部分组成，且在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。
经过倒置芯片工艺制作后，第二型电流扩展层会置于发光层的底部。有源层发出的大角度的光在传输到金属反射镜之前，会被第二型电流扩展层第二组成部分的漫反射界面反射，增加了出光角度，且经过多次反射的光也能得到漫反射层和金属反射镜的有效反射，能较有效地提高外量子效率，进而得到高功率的近红外发光二极管。
实施例一
如图1所示，本发明揭示的一种近红外发光二极管的外延结构第一实施例100，在GaAs衬底11上依次外延腐蚀截止层12、第一型电流扩展层13、第一型限制层14、有源层15、第二型限制层16、第二型电流扩展层17，第二型电流扩展层17由第一组成部分171和第二组成部分172构成。
其中，腐蚀截止层12为（Al0.1Ga0.9）0.5In0.5P材料构成；有源层15采用AlGaInAs/AlGaAs的量子阱结构，量子阱的对数为7对，发光波长为850nm；第一型电流扩展层13构成材料AlGaAs且厚度为10μm，第一型限制层14、第二型限制层16由AlGaAs材料构成，第二型电流扩展层第一组成部分171构成材料为Al0.1Ga0.9As三五族化合物且厚度为5μm，第二型电流扩展层第二组成部分172的构成材料为Al0.4Ga0.6As三五族化合物且厚度为64nm。
采用的外延工艺在生长第二型电流扩展层第一组成部分171的反应室压力为200mbar，且进入反应室的气流流量为17600sccm（标准毫升/分钟），生长完成第二型电流扩展层17的第一组成部分171之后，停止外延层生长10秒。在开始生长第二型电流扩展层17第二组成部分172的瞬间，通过控制MO源的出气阀门使得进入反应室的气流较生长第二型电流扩展层17的第一组成部分171时进入反应室的气流减少400sccm，即进入反应室的气流流量为17200sccm。生长第二型电流扩展层17的第二组成部分172的MO源的出气阀门在开启瞬间引起的反应室的生长气流震荡，从开始气流震荡到气流平衡的时间为0.2秒，其气流震荡曲线如图2所示。
完成外延结构后经过倒置芯片工艺制作：把第二型电流扩展层17键合于Si基板18上，通过打磨及腐蚀工艺把GaAs衬底层11及腐蚀截止层12去除掉，因此第一电流扩展层13会置于有源层15之上，而第二型电流扩展层17会置于发光层的底部，在Si基板18上设置第一电极191，而在第一型电流扩展层13设置第二电极192，可以在Si基板18与第二型电流扩展层17之间形成金属反射镜10，形成如图3所示的近红外发光二极管。
实施例二
如图4所示本发明揭示的一种近红外发光二极管的外延结构第二实施例200，在GaAs衬底21上依次外延第一型电流扩展层22、第一型限制层23、有源层24、第二型限制层25、第二型电流扩展层26，第二型电流扩展层26由第一组成部分261和第二组成部分262构成。
其中，有源层24采用AlGaInAs/AlGaAs的量子阱结构，量子阱的对数为3对，发光波长为850nm；第一型电流扩展层22构成材料为AlGaInP三五族化合物，且厚度为8.5μm，第一型限制层23、第二型限制层25由AlGaInP三五族化合物构成，第二型电流扩展层26第一组成部分261构成材料为（Al0.1Ga0.9）0.5In0.5P三五族化合物且厚度为4μm，第二型电流扩展层26第二组成部分262的构成材料为（Al0.3Ga0.7）0.5In0.5P三五族化合物，且厚度为128nm。
采用外延工艺在生长第二型电流扩展层26第一组成部分261的反应室压力为200mbar，且进入反应室的气流流量为17600sccm，生长完成第二型电流扩展层26第一组成部分261后，在开始生长第二型电流扩展层26第二组成部分262的瞬间，通过控制MO源的出气阀门，使得进入反应室的生长气流较生长第二型电流扩展层26第一组成部分261的进入反应室的生长气流减少200sccm，即进入反应室的气流流量为17400sccm。生长第二型电流扩展层26的第二组成部分262的MO源的出气阀门，在开启瞬间引起的进入反应室的生长气流的震荡至进入反应室的生长气流的平衡时间为0.4秒。生长第二型电流扩展层26第二组成部分262区间的第二次气流震荡时的进入反应室的生长气流增加200sccm，即进入反应室气流流量为17600sccm。生长第二型电流扩展层26的第二组成部分262的MO源的出气阀门，在开启瞬间引起的反应室的生长气流震荡，从开始气流震荡到气流平衡的时间为0.4秒，两次震荡之间的时间间隔为30秒，其气流震荡曲线如图5所示。
完成外延结构后经过倒置芯片工艺制作：把第二型电流扩展层26键合于Si基板27上，通过打磨及腐蚀工艺把GaAs衬底层21去除掉，因此第一电流扩展层22变成置于有源层24之上，而第二型电流扩展层26置于发光层的底部。在Si基板27上设置第一电极281，而在第一型电流扩展层22上设置第二电极282，可以在Si基板27与第二型电流扩展层26之间形成金属反射镜29，形成如图6所示本的近红外发光二极管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (8)
1.一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：在衬底层上依次生长第一型电流扩展层、第一型限制层、有源层、第二型限制层及第二型电流扩展层；第二型电流扩展层由第一组成部分及采用进入反应室的生长气流震荡方法生长的第二组成部分组成，在第一组成部分和第二组成部分之间形成具有漫反射效果的接触界面。
2.如权利要求1所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：衬底层为GaAs衬底层；在衬底层与第一型电流扩展层之间生长形成腐蚀截止层。
3.如权利要求2所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：腐蚀截止层的材料为三五簇化合物，包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P和AlyGa1-yAs，其中，0≤x≤1,0≤y≤1。
4.如权利要求1所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：有源层的材料为三五簇化合物，包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs；第一型电流扩展层、第一型限制层、第二型限制层及第二型电流扩展层的材料为三五簇化合物，包括AlGaAs、AlGaInP。
5.如权利要求1所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：第二型电流扩展层的第一组成部分的材料为AlxGa1-xAs，其中0.1≤x≤0.35，或者为（AlxGa1-x）0.5In0.5P，其中0≤x≤0.2；第二型电流扩展层的第二组成部分的材料为AlyGa1-yAs，其中0.35＜y≤0.5，或者为（AlyGa1-y）0.5In0.5P，其中0.2＜y≤0.4；第二型电流扩展层第一组成部分的厚度为2-5μm；第二型电流扩展层第二组成部分的厚度为50-500nm，且满足（2k+1）λ/（4n），其中，k≥0的正整数，λ为有源层发光波长，n为第二组成部分材料的折射率。
6.如权利要求1所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流较生长第一组成部分减少或增加200-300sccm；生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间以及在生长第二组成部分区间，进入反应室的生长气流的震荡的次数为2-4次，且每次间隔时间20秒-40秒；生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启的瞬间引起的进入反应室的生长气流的震荡到进入反应室的生长气流的稳定之间的时间为0.4秒-0.8秒。
7.如权利要求1所述的一种近红外发光二极管的外延结构，其特征在于：在生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间生长形成有停顿的界面；生长第二型电流扩展层的第一组成部分和第二组成部分之间形成停顿的界面的停顿时间为5秒至30秒；生长第二型电流扩展层的第二组成部分的进入反应室的生长气流较生长第一组成部分的进入反应室的生长气流减少或增加400-600sccm；生长第二型电流扩展层的第二组成部分的MO源的出气阀门，在开启瞬间引起的反应室生长气流的震荡到反应室生长气流的稳定之间的时间为0.1秒至0.4秒。
8.一种近红外发光二极管芯片制作工艺，其特征在于：把权利要求1至7任一项所述的外延结构通过倒置芯片工艺将顶部的第二型电流扩展层键合于Si基板上，且在Si基板与第二型电流扩展层之间形成金属反射镜；由此得到的芯片结构从下往上顺序变成Si基板、金属反射镜、第二型电流扩展层、第二型限制层、有源层、第一型限制层、第一型电流扩展层；在Si基板背面设置第一电极，且通过Si通孔连接第一电极与金属反射镜；在第一型电流扩展层设置第二电极。
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