CN103715326B - 近红外发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开近红外发光二极管，在GaAs或AlGaAs衬底的顶部自下而上依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层及顶部第二型电流扩展层；在衬底的底部自上而下依次形成第一型隧穿结、第二型隧穿结、底部第二型电流扩展层、底部第二型限制层、底部有源层、底部第一型限制层及底部第一型电流扩展层；所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。本发明使得近红外发光二极管的发光功率得到较大的提升，且其制造工艺较为简单。
Description
技术领域
本发明涉及近红外发光二极管及其制造方法。
背景技术
近红外发光二极管由于低功耗、尺寸小和可靠性高而被广泛应用于通信及遥感装置等领域。
现有技术中，近红外发光二极管主要采用液相外延法生长，且以AlGaAs异质结为活性层，所述方法生长的红外二极管由于内量子效率较低。即便采用金属有机化合物气相外延法生长的具有量子阱结构的近红外发光二极管，由于采用单个外延结构而显得功率相对不高。
随着对近红外发光二极管功率的需求越来越高，现有技术的近红外发光二极管无法满足功率要求，而采用金属有机化合物气相外延生长具有双面量子阱的外延结构能获得较大的功率，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供近红外发光二极管及其制造方法，从而获得大功率的近红外发光二极管，使得近红外发光二极管的发光功率得到较大的提升。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
近红外发光二极管，在GaAs或AlGaAs衬底的顶部自下而上依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层及顶部第二型电流扩展层；
在衬底的底部自上而下依次形成第一型隧穿结、第二型隧穿结、底部第二型电流扩展层、底部第二型限制层、底部有源层、底部第一型限制层及底部第一型电流扩展层；所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。
近红外发光二极管，在GaAs或AlGaAs衬底的顶部自下而上依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层及顶部第二型电流扩展层；
在衬底的底部自上而下依次形成底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部有源层、底部第二型限制层、底部第二型电流扩展层、第二型隧穿结、第一型隧穿结及第一型电流传输层；所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。
进一步，第一型隧穿结的材料为(AlxGa1-x)0.5In0.5P三五族化合物，0≤x≤0.1，且厚度为20-80nm；第二型隧穿结的材料为AlyGa1-yAs三五族化合物，0≤y≤0.2，且厚度为30-90nm。
进一步，AlGaAs、GaAs衬底为第一型掺杂，且掺杂浓度为1.0E+18以上。
进一步，第二型隧穿结由n层不同Al组分的AlGaAs材料层构成， 且3≤n≤6。
进一步，第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层由衬底往上生长方向呈Al组分含量递增趋势，且每一层Al组分含量递增值为3%—6%。
进一步，第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层的厚度由衬底往上生长方向呈厚度减薄的趋势，且每一层厚度变为上一层厚度的40%—60%。
进一步，第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层之间间隔一个生长停顿区间，停顿时间为15≤t≤120。
进一步，生长停顿区间由衬底往上生长方向呈时间递增趋势，且每一个停顿区的时间为上一个停顿区时间的1.5—2倍。
进一步，生长停顿区间Mg的掺杂量由衬底往上生长方向呈递增趋势，且每一个停顿区Mg掺杂量比上一个停顿区Mg掺杂量的增加值为30%-60%。
进一步，顶部有源层及底部有源层的量子阱材料为AlGaInAs三五族化合物，且底部有源层禁带宽度比顶部有源层窄0～0.007eV；构成顶部有源层及底部有源层量子垒的材料为AlGaAs三五族化合物。
进一步，构成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部第二型限制层、顶部第二型电流扩展层、底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部第二型限制层及底部第二型电流扩展层的材料为AlGaAs或AlGaInP三五族化合物。
进一步，在顶部第二型电流扩展层上依次形成第一保护层及第二保护层；其材料为三五族化合物，包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P及AlyGa1-yAs；其中，第一保护层的Al组分为0.5≤x≤1, 0.5≤y≤1，第二保护层的Al组分为0≤x≤0.2, 0≤y≤0.2；第一保护层的厚度为50～200nm，第二保护层的厚度为1～20μm；顶部第二型电流扩展层的材料为磷化物材料体系，对应地，第一保护层及第二保护层的材料为砷化物材料体系；顶部第二型电流扩展层的材料为砷化物材料体系，对应地，第一保护层及二保护层的材料为磷化物材料体系。
近红外发光二极管制造方法，包括以下步骤：
一，在衬底的一侧采用金属有机化合物气相外延生长依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层、顶部第二型电流扩展层、第一保护层及第二保护层；
二，对衬底的另一侧进行腐蚀减薄、抛光、清洗，抛光后的衬底及第一次外延层的厚度为160～180μm；
三，在衬底的另一侧自上而下依次形成第一型隧穿结、第二型隧穿结、底部第二型电流扩展层、底部第二型限制层、底部有源层、底部第一型限制层及底部第一型电流扩展层；或者在衬底的另一侧自上而下依次形成底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部有源层、底部第二型限制层、底部第二型电流扩展层、第二型隧穿结、第一型隧穿结及第一型电流传输层；
四，采用湿法腐蚀去除第一保护层及第二保护层；
五，在底部外延结构上表面经过蒸镀工艺形成金属反射镜及第一电极；
六，在顶部外延结构上表面经过光刻、蚀刻、蒸镀等电极工艺后形成第二电极。
进一步，第二型隧穿结由n层不同Al组分的AlGaAs材料层构成， 且3≤n≤6；生长每层不同Al组分AlGaAs材料层的生长温度相比量子阱的生长温度降低20-40摄氏度，且每层不同Al组分AlGaAs材料层的生长温度都相同；第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层之间间隔一个生长停顿区间，停顿时间为15≤t≤120；每个生长停顿区间的区间温度为变温，变温趋势为先增加在区间中间的温度最大值后降低，且各个生长停顿区间的区间温度最大值相同，温度最大值较量子阱的生长温度升高15-30摄氏度。
采用上述方案后，本发明在在衬底顶部及底部形成红外发光二极管外延结构，且在衬底的底部形成由第一型隧穿结及第二型隧穿结组成的隧穿结，所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。因此，本发明近红外发光二极管的发光功率得到较大的提升，且其制造工艺较为简单。
附图说明
图1是本发明第一实施例近红外发光二极管第一次外延结构示意图；
图2是本发明第一实施例近红外发光二极管第二次外延结构示意图；
图3是本发明第一实施例近红外发光二极管的隧穿结外延结构示意图；
图4是本发明第一实施例近红外发光二极管的第二隧穿结生长工艺中Mg的掺杂数值曲线图；
图5是本发明第一实施例近红外发光二极管的第二隧穿结生长工艺中温度的变温曲线图；
图6是本发明第一实施例近红外发光二极管芯片结构示意图；
图7是本发明第二实施例近红外发光二极管第一次外延结构示意图；
图8是本发明第二实施例近红外发光二极管第二次外延结构示意图；
图9是本发明第二实施例近红外发光二极管的隧穿结外延结构示意图；
图10是本发明第二实施例近红外发光二极管的第二隧穿结生长工艺中Mg的掺杂数值曲线；
图11是本发明第二实施例近红外发光二极管的第二隧穿结生长工艺中温度的变温曲线；
图12是本发明第二实施例近红外发光二极管芯片结构示意图。
标号说明
衬底1
顶部第一型电流扩展层11
顶部第一型限制层12
顶部有源层13
顶部第二型限制层14
顶部第二型电流扩展层15
第一保护层16
第二保护层17
第一型隧穿结18
第二型隧穿结19
底部第二型电流扩展层110
底部第二型限制层111
底部有源层112
底部第一型限制层113
底部第一型电流扩展层114
金属反射镜115
第一电极116
第二电极117
衬底2
顶部第一型电流扩展层21
顶部第一型限制层22
顶部有源层23
顶部第二型限制层24
顶部第二型电流扩展层25
第一保护层26
第二保护层27
底部第一型电流扩展层28
底部第一型限制层29
底部有源层210
底部第二型限制层211
底部第二型电流扩展层212
第二型隧穿结213
第一型隧穿结214
底部第一型电流传输层215 金属反射镜216
第一电极217
第二电极218。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
参阅图1至图6所示，本发明揭示的近红外发光二极管第一实施例，如图1所示的近红外发光二极管的第一次外延结构，在AlGaAs衬底1的顶部第一次外延自下而上依次为顶部第一型电流扩展层11、顶部第一型限制层12、顶部有源层13、顶部第二型限制层14、顶部第二型电流扩展层15、第一保护层16及第二保护层17，该第一保护层16及第二保护层17组成保护层。
其中衬底1采用20%Al组分的AlGaAs，厚度为300μm，且为第一型掺杂，掺杂浓度为1.0E+18。顶部有源层13的量子阱采用AlGaInAs/AlGaAs的量子阱结构，顶部量子阱的对数为5对，发光波长为850nm。顶部第一型电流扩展层11的组成材料为Al0.2Ga0.8As且厚度为3μm。顶部第一型限制层12的组成材料为Al0.4Ga0.6As且厚度为500nm。顶部第二型限制层14的组成材料为Al0.4Ga0.6As且厚度为500nm。顶部第二型电流扩展层15的组成材料为Al0.2Ga0.8As且厚度为10μm。顶部第一型采用N型掺杂且掺杂源为Si，顶部第二型采用P型掺杂且掺杂源为Mg。第一保护层16组成材料为(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P且厚度为50nm，第二保护层17组成材料为Ga0.5In0.5P且厚度为1μm。
第一次外延结束后对AlGaAs衬底1的顶部进行腐蚀减薄、抛光、清洗；抛光后的衬底加上第一次外延层的厚度为165μm。接着在衬底背部的上表面第二次生长底部外延结构。
如图2所示的近红外发光二极管经过第二次外延后的外延结构，在AlGaAs衬底1的底部第二次外延自上而下依次为第一型隧穿结18、第二型隧穿结19、底部第二型电流扩展层110、底部第二型限制层111、底部有源层112、底部第一型限制层113、底部第一型电流扩展层114。
其中，底部有源层112的量子阱采用AlGaInAs/AlGaAs的量子阱结构，底部量子阱的对数为3对，发光波长为850nm。底部第二型电流扩展层110的组成材料为Al0.2Ga0.8As且厚度为3μm。底部第二型限制层111的组成材料为Al0.4Ga0.6As且厚度为500nm。底部第一型限制层113的组成材料为Al0.4Ga0.6As且厚度为500nm。底部第一型电流扩展层114的组成材料为Al0.2Ga0.8As且厚度为10μm。底部第一型采用N型掺杂且掺杂源为Si，底部第二型采用P型掺杂且掺杂源为Mg。
隧穿结由第一型隧穿结18及第二型隧穿结19组成，其中，构成第一型隧穿结18的材料为(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P，且厚度为50nm。第二型隧穿结19由4层不同Al组分的AlGaAs材料组成，如图3所示，由衬底1往上生长分别为：第一层第二型隧穿结单层19a为Al0.05Ga0.95As材料且厚度为28nm，第二层第二型隧穿结单层19b为Al0.07Ga0.93As材料且厚度为14nm，第三层第二型隧穿结单层19c为Al0.09Ga0.91As材料且厚度为7nm，第四层第二型隧穿结单层19d为Al0.11Ga0.89As材料且厚度为3.5nm。
如图4所示，生长四层第二型隧穿结单层之间都间隔着一个生长停顿区间，第一停顿时间为30s，第二停顿时间为45s，第三停顿时间为67.5s。三个停顿区间的Mg掺杂源继续通入，第一个停顿区Mg的掺杂量为400，第二个停顿区Mg的掺杂量为520，第三个停顿区Mg的掺杂量为676。
生长四层第二型隧穿结单层的生长温度都为560摄氏度，相比量子阱的生长温度590摄氏度降低了30摄氏度。三个生长停顿区间的区间温度都由刚停顿的560摄氏度升高至625摄氏度，变温曲线如图5所示。
通过两次外延生长工艺后，再对保护层进行腐蚀后，最终形成如图2所示本发明的近红外发光二极管外延结构。在底部外延结构上表面经过蒸镀工艺形成金属反射镜115及第一电极116。在顶部外延结构上表面经过光刻、蚀刻、蒸镀等电极工艺后形成第二电极117，即得到如图6所示的近红外发光二极管。
实施例二
参阅图7至图12所示，本发明揭示的近红外发光二极管第二实施例，如图7所示的近红外发光二极管的第一次外延结构，在GaAs衬底2的顶部第一次外延自下而上依次为顶部第一型电流扩展层21、顶部第一型限制层22、顶部有源层23、顶部第二型限制层24、顶部第二型电流扩展层25、第一保护层26及第二保护层27，该第一保护层26及第二保护层27组成保护层。
其中，衬底2采用厚度为300μm且为第一型掺杂，掺杂浓度为1.0E+18。顶部有源层24的量子阱采用GaInAs/AlGaAs的量子阱结构，顶部量子阱的对数为3对，发光波长为940nm。顶部第一型电流扩展层21的组成材料为GaAs且厚度为900nm。顶部第一型限制层22的组成材料为Al0.15Ga0.85As且厚度为400nm。顶部第二型限制层24的组成材料为Al0.15Ga0.85As且厚度为400nm。顶部第二型电流扩展层25的组成材料为GaAs且厚度为7μm。第一保护层26组成材料为(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P且厚度为90nm，第二保护层27组成材料为Ga0.5In0.5P且厚度为1.2μm。
第一次外延结束后对GaAs衬底2的顶部进行腐蚀减薄、抛光、清洗；抛光后的衬底加上第一次外延层的厚度为160μm。接着在衬底底部的上表面第二次生长底部外延结构。
如图8所示的近红外发光二极管经过第二次外延后的外延结构，在GaAs衬底2的底部第二次外延自上而下依次为底部第一型电流扩展层28、底部第一型限制层29、底部有源层210、底部第二型限制层211、底部第二型电流扩展层212、第二型隧穿结213、第一型隧穿结214、底部第一型电流传输层215。
其中，底部有源层210的量子阱采用GaInAs/AlGaAs的量子阱结构，底部量子阱的对数为3对，发光波长为940nm。底部第一型电流扩展层28的组成材料为GaAs且厚度为900nm。底部第一型限制层29的组成材料为Al0.15Ga0.85As且厚度为400nm。底部第二型限制层211的组成材料为Al0.15Ga0.85As且厚度为400nm。底部第二型电流扩展层212的组成材料为GaAs且厚度为5μm。底部第一型电流传输层215的组成材料为GaAs且厚度为2μm。底部第一型采用N型掺杂且掺杂源为Si，底部第二型采用P型掺杂且掺杂源为Mg。
隧穿结由第二型隧穿结213及第一型隧穿结214组成，其中，构成第一型隧穿结214的材料为(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P且厚度为50nm。第二型隧穿结213由3层不同Al组分的AlGaAs材料组成，如图9所示，由衬底2往上生长分别为：第一层第二型隧穿结单层213a为GaAs材料且厚度为36nm，第二层第二型隧穿结单层213b为Al0.04Ga0.96As材料且厚度为18nm，第三层第二型隧穿结单层213c为Al0.08Ga0.92As材料且厚度为9nm。
生长三层第二型隧穿结单层之间都间隔着一个生长停顿区间，第一停顿时间为60s，第二停顿时间为90s。两个停顿区间的Mg掺杂源继续通入，第一个停顿区Mg的掺杂量为460，第二个停顿区Mg的掺杂量为690，Mg的掺杂数值曲线如图10所示。
生长四层第二型隧穿结单层的生长温度都为550摄氏度，相比量子阱的生长温度590摄氏度降低了30摄氏度。三个生长停顿区间的区间温度都由刚停顿的560摄氏度升高至620摄氏度，变温曲线如图11所示。
通过两次外延生长工艺后，再对保护层进行腐蚀。在底部外延结构上表面经过蒸镀工艺形成金属反射镜216及第一电极217。在顶部外延结构上表面经过光刻、蚀刻、蒸镀等电极工艺后形成第二电极218，即得到如图12所示的近红外发光二极管。
本发明外延结构及其生长工艺能有效地把Mg掺杂浓度提高至2.0×1019以上，达到第二型隧穿结所需要的重掺杂浓度。第二型隧穿结采用Mg掺杂源替代传统的C掺杂，解决了C掺杂会导致发光二极管的外延工艺的碳污染的问题。
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 (10)
1.近红外发光二极管，其特征在于：在GaAs或AlGaAs衬底的顶部自下而上依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层及顶部第二型电流扩展层；
在衬底的底部自上而下依次形成第一型隧穿结、第二型隧穿结、底部第二型电流扩展层、底部第二型限制层、底部有源层、底部第一型限制层及底部第一型电流扩展层；所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。
2.近红外发光二极管，其特征在于：在GaAs或AlGaAs衬底的顶部自下而上依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层及顶部第二型电流扩展层；
在衬底的底部自上而下依次形成底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部有源层、底部第二型限制层、底部第二型电流扩展层、第二型隧穿结、第一型隧穿结及第一型电流传输层；所述第二型隧穿结采用多层膜的外延结构，第二型隧穿结的掺杂源为Mg，且掺杂浓度为2.0×1019以上。
3.如权利要求1或2所述的近红外发光二极管，其特征在于：第一型隧穿结的材料为(AlxGa1-x)0.5In0.5P，0≤x≤0.1，且厚度为20-80nm；第二型隧穿结的材料为AlyGa1-yAs，0≤y≤0.2，且厚度为30-90nm；AlGaAs、GaAs衬底为第一型掺杂，且掺杂浓度为1.0E+18以上。
4.如权利要求1或2所述的近红外发光二极管，其特征在于：第二型隧穿结由n层不同Al组分的AlGaAs材料层构成，
且3≤n≤6。
5.如权利要求4所述的近红外发光二极管，其特征在于：第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层由衬底往上生长方向呈Al组分含量递增趋势，且每一层Al组分含量递增值为3%—6%；第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层的厚度由衬底往上生长方向呈厚度减薄的趋势，且每一层厚度变为上一层厚度的40%—60%。
6.如权利要求4所述的近红外发光二极管，其特征在于：第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层之间间隔一个生长停顿区间，停顿时间为15≤t≤120；生长停顿区间由衬底往上生长方向呈时间递增趋势，且每一个停顿区的时间为上一个停顿区时间的1.5—2倍；生长停顿区间Mg的掺杂量由衬底往上生长方向呈递增趋势，且每一个停顿区Mg掺杂量比上一个停顿区Mg掺杂量的增加值为30%-60%。
7.如权利要求1或2所述的近红外发光二极管，其特征在于：顶部有源层及底部有源层的量子阱材料为AlGaInAs，且底部有源层禁带宽度比顶部有源层窄0～0.007eV；构成顶部有源层及底部有源层量子垒的材料为AlGaAs；构成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部第二型限制层、顶部第二型电流扩展层、底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部第二型限制层及底部第二型电流扩展层的材料为AlGaAs或AlGaInP。
8.如权利要求1或2所述的近红外发光二极管，其特征在于：在顶部第二型电流扩展层上依次形成第一保护层及第二保护层；其材料为(AlxGa1-x)0.5In0.5P或AlyGa1-yAs；其中，第一保护层的Al组分为0.5≤x≤1, 0.5≤y≤1，第二保护层的Al组分为0≤x≤0.2, 0≤y≤0.2；第一保护层的厚度为50～200nm，第二保护层的厚度为1～20μm；顶部第二型电流扩展层的材料为磷化物材料体系，对应地，第一保护层及第二保护层的材料为砷化物材料体系；顶部第二型电流扩展层的材料为砷化物材料体系，对应地，第一保护层及二保护层的材料为磷化物材料体系。
9.近红外发光二极管制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
一，在衬底的一侧采用金属有机化合物气相外延生长依次形成顶部第一型电流扩展层、顶部第一型限制层、顶部有源层、顶部第二型限制层、顶部第二型电流扩展层、第一保护层及第二保护层；
二，对衬底的另一侧进行腐蚀减薄、抛光、清洗，抛光后的衬底及第一次外延层的厚度为160～180μm；
三，在衬底的另一侧自上而下依次形成第一型隧穿结、第二型隧穿结、底部第二型电流扩展层、底部第二型限制层、底部有源层、底部第一型限制层及底部第一型电流扩展层；或者在衬底的另一侧自上而下依次形成底部第一型电流扩展层、底部第一型限制层、底部有源层、底部第二型限制层、底部第二型电流扩展层、第二型隧穿结、第一型隧穿结及第一型电流传输层；
四，采用湿法腐蚀去除第一保护层及第二保护层；
五，在底部外延结构上表面经过蒸镀工艺形成金属反射镜及第一电极；
六，在顶部外延结构上表面经过包括光刻、蚀刻、蒸镀电极工艺后形成第二电极。
10.如权利要求9所述的近红外发光二极管制造方法，其特征在于：第二型隧穿结由n层不同Al组分的AlGaAs材料层构成， 且3≤n≤6；生长每层不同Al组分AlGaAs材料层的生长温度相比量子阱的生长温度降低20-40摄氏度，且每层不同Al组分AlGaAs材料层的生长温度都相同；第二型隧穿结的n层不同Al组分的AlyGa1-yAs材料层之间间隔一个生长停顿区间，停顿时间为15≤t≤120；每个生长停顿区间的区间温度为变温，变温趋势为先增加在区间中间的温度最大值后降低，且各个生长停顿区间的区间温度最大值相同，温度最大值较量子阱的生长温度升高15-30摄氏度。
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