CN104167474B - 一种高晶体质量红外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高晶体质量红外发光二极管，在衬底之上依次形成缓冲层、腐蚀截止层、欧姆接触层、电流传输层、粗化层、第一型导电层、有源层及第二型导电层；有源层由多组的量子垒、降温层及量子阱三层结构循环构成，降温层位于量子垒与量子阱之间。本发明解决有源区的量子阱与其它外延层存在失配，引起的外延层晶体质量差的问题，提高红外发光二极管量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及红外发光二极管技术领域，尤其是指一种高晶体质量红外发光二极管。
背景技术
红外发光二极管由于具有功耗低、尺寸小和可靠性高等优点，广泛应用于通信、遥感装置等领域。
现有技术中，红外发光二极管主要采用液相外延法生长的异质结作为有源层的红外发光二极管，液相外延方法生长的红外二极管的缺陷在于内量子效率较低，功率受到限制。
随着对红外发光二极管功率的需求越来越高，制造大功率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沉积法，外延生长具有量子阱结构的红外发光二极管能取得较高的内量子效率。
然而，目前采用金属有机化合物气相沉积法制作具有倒置芯片结构的红外发光二极管存在缺陷：一、量子阱材料与其它外延层材料存在失配，严重时会导致有源区的晶体质量变差；二、外延初期的磷化物切换到砷化物生长时，由于磷化物为含In化合物，界面如未处理好，会导致后续外延生长的晶体质量变差。两种因素的存在影响红外发光二极管量子效率的提升。因此，改善外延晶体质量，成为提高红外发光二极管发光效率的一条途径，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高晶体质量红外发光二极管，以解决有源区的量子阱与其它外延层存在失配，引起的外延层晶体质量差的技术问题，提高红外发光二极管发光效率。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
一种高晶体质量红外发光二极管，在衬底之上依次形成缓冲层、腐蚀截止层、欧姆接触层、电流传输层、粗化层、第一型导电层、有源层及第二型导电层；有源层由多组的量子垒、降温层及量子阱三层结构循环构成，降温层位于量子垒与量子阱之间。
进一步，所述降温层的厚度为2-6nm。
进一步，所述降温层为组分渐变降温层，且有效组分由量子垒至量子阱方向逐渐降低。
进一步，所述组分渐变降温层由AlGaAs材料构成，且Al组分的重量含量由量子垒至量子阱方向逐渐降低。
进一步，所述由AlGaAs材料构成的组分渐变降温层，其中Al组分的重量含量小于3%。
进一步，所述量子垒由AlGaAs材料构成，其中Al组分的重量含量大于30%。Al组分高于30%具有较好的电子、空穴限制作用。
进一步，在有源层与第一型导电层之间形成第一温度过渡层，而在有源层与第二型导电层之间形成第二温度过渡层。
进一步，第一温度过渡层的生长材料与第一型导电层的材料相同；第二温度过渡层的生长材料与第二型导电层的材料相同；第一温度过渡层及第二温度过渡由AlGaAs材料构成。
进一步，所述粗化层第一粗化层、第二粗化层、第三粗化层及第四粗化层构成；其中，第一粗化层的厚度为10-50nm；第二粗化层的厚度为100-150nm；第三粗化层的厚度为150-250nm；第四粗化层的厚度为500-800nm。
进一步，所述粗化层由AlGaAs材料构成；腐蚀截止层及电流传输层由(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料构成，且0≤x≤1。
为达到制备高晶体质量的红外发光二极管，需要采用如下外延生长步骤：
步骤一，在衬底上依次形成外延生长缓冲层、腐蚀截止层、欧姆接触层及电流传输层；
步骤二，电流传输层生长结束后停顿1分钟，且反应室压力降低30mbar后开始生长粗化层；
步骤三，在粗化层之上外延生长第一型导电层；
步骤四，在第一型导电层上生长量子垒，量子垒采用Al组分较高的AlGaAs材料；
步骤五，在量子垒外延结束后，无需生长停顿，改变Al、Ga的生长流量，过渡到Al组分较低AlGaAs材料构成的组分渐变降温层；在生长组分渐变降温层时，生长温度呈渐变式下降；
采用渐变式生长的方式过渡到Al组分较低的AlGaAs材料，为后续生长量子阱时通过直接开In源生长做过渡。由于有源层发的光是红外波段，在获得相同波长条件下，采用的AlGaInAs材料，Al组分越低，In含量会越少，材料匹配性越好，因此采用量子阱采用Al组分小于3%是较合适的范围。组分渐变降温层的厚度不可太厚，如果厚度偏厚会降低量子阱和量子垒的势垒界面的陡峭程度，从而降低了量子垒的电子、空穴的限制作用；但厚度偏薄的情况下，外延生长时由于Al组分变化太快也会影响晶体质量。因此组分渐变降温层采用厚度范围在2-6nm区间比较合适。
步骤六，组分渐变降温层生长完成时，降温过程也完成，且生长无停顿，直接外延生长AlGaInAs量子阱层；采用无外延停顿生长可改善量子垒与量子阱之间的生长界面。
步骤七，量子阱生长结束后，暂停外延生长，反应室温度回升，且温度恢复到与量子垒生长温度相同。
量子垒采用较高的温度生长会得到较好的材料质量，暂停时间不宜过短，暂停时间过短会导致生长完成量子阱时，AlGaInAs材料的生长界面上In未完全并入，暂停时间的长短主要根据升温的快慢，但也不可以偏长。
步骤八，继续依次生长量子垒、组分渐变降温层及量子阱，使得有源层由交替生长的多组量子垒、组分渐变降温层、量子阱构成；
步骤九，在有源层上外延生长第二型导电层。
进一步，在第一型导电层上生长第一温度过渡层，生长第一温度过渡层时温度呈渐变式下降，在第一温度过渡层上生长量子垒；在有源区上生长第二温度过渡层，第二温度过渡层的生长温度呈渐变式上升，温度数值恢复到生长第一型导电层时的温度数值；在第二温度过渡层上外延生长第二型导电层。
进一步，生长第一温度过渡层时，最高生长温度与最低生长温度的温差范围为15-30℃；生长第二温度过渡层时，最高生长温度与最低生长温度的温差范围为15-30℃。
第一温度过渡层的外延生长温度呈渐变式下降，且降温范围为15-30℃。由于量子阱所用的材料适合采用较低的温度外延生长，因此引入第一温度过渡层提前降温，可避免由于量子阱和量子垒之间的降温幅度偏大，影响量子垒和量子阱的生长界面。
生长第二温度过渡层时，温差范围为15-30℃，第二温度过渡层的生长材料与之相邻的第二型导电层的材料相同，生长温度相对升高有利于第二型导电层获得较好的晶体质量。
进一步，在电流传输层上依次生长四层粗化层，四层粗化层采用不同厚度且在不同反应室压力的条件下压变外延生长；
生长第一粗化层时，反应室压力比正常生长压力降低30-60mbar；
生长第二粗化层时，反应室压力从比正常生长压力低30-60mbar提高至比正常生长压力低20-40mbar，采用变压生长，变压数值为10-20mbar；
生长第三粗化层时，反应室压力从比正常生长压力低20-40mbar提高至比正常生长压力低10-20mbar，采用变压生长，变压数值为10-20mbar；
生长第四粗化层时，反应室压力从比正常生长压力低10-20mbar提高至正常生长压力，采用变压生长，变压数值为10-20mbar。
本文所述正常生长压力是指量子阱等外延层的生长压力，范围为70-100mbar。
由于电流传输层为含铟的磷化物材料，在此之上外延生长AlGaAs材料，容易导致铟元素扩散至AlGaAs材料引起生长界面变差，所述依次生长四层粗化层，四层粗化层采用不同厚度且在不同反应室压力的条件下压变外延生长工艺有效解决该问题。
进一步，组分渐变降温层的外延生长温度的差值范围为10-40℃。在外延生长组分渐变降温层时，生长温度呈渐变式下降，且降温范围在10-40℃区间。采用生长温度的下降，是因为构成量子阱的AlGaInAs材料含有In元素，在较低温度条件下生长可促进In源在AlGaInAs材料外延生长时的并入效率，减少In源过多的吸附在AlGaInAs材料生长面上悬浮而导致的生长界面恶化。
进一步，量子阱结束生长后，外延生长暂停的时间范围为2-5s。
采用上述方案后，本发明有源层由多组的量子垒、降温层及量子阱三层结构循环构成，降温层位于量子垒与量子阱之间，有效解决有源区的量子阱与其它外延层存在失配，引起的外延层晶体质量差的技术问题，提高红外发光二极管发光效率。
同时，在有源层与第一型导电层之间形成第一温度过渡层，而在有源层与第二型导电层之间形成第二温度过渡层，进一步解决有源区的量子阱与其它外延层存在失配，引起的外延层晶体质量差的技术问题，提高红外发光二极管发光效率。
所述粗化层由第一粗化层、第二粗化层、第三粗化层及第四粗化层构成，解决磷化物生长切换到砷化物生长容易导致晶体质量下降技术问题。
所述高晶体质量红外发光二极管的制作方法，解决生长有源区由于采用的量子阱构成材料与其它外延层存在失配，引起的外延层晶体质量差，而导致红外发光二极管的内量子效率不高，且与理论值偏差较大的问题。通过在有源区生长时，采用有源层由交替生长的多组量子垒、组分渐变降温层、量子阱构成的外延结构、生长温度梯度、生长过程控制、生长界面等外延生长工艺，解决了外延生长时量子垒与量子阱、量子阱与量子垒由于材料失配及生长界面恶化而引起的外延层晶体质量变差的问题。通过改善有源区晶体质量，提高了发光二极管的内量子发光效率，使得红外发光二极管的内量子效率与理论值接近。
在第一型导电层上生长第一温度过渡层，在有源区上生长第二温度过渡层，进一步解决了外延生长时量子垒与量子阱、量子阱与量子垒由于材料失配及生长界面恶化而引起的外延层晶体质量变差的问题。
同时，通过在电流传输层上依次生长四层粗化层，四层粗化层采用不同厚度且在不同反应室压力的条件下压变外延生长；解决磷化物生长切换到砷化物生长容易导致晶体质量下降技术问题，即通过磷化物生长切换到砷化物生长采用界面停顿处理、低压形核及变压生长，改善在磷化物上生长砷化物的晶体质量。
附图说明
图1为本发明实施例一的外延结构示意图；
图2为本发明实施例一的生长压力随生长厚度（生长时间）的变化曲线；
图3为本发明实施例一生长过程的温度曲线及停顿、材料组分变化情况示意图；
图4为本发明实施例一的外延生长反射率曲线对比其它外延生长技术的外延生长反射率曲线截图；
图5为本发明实施例二的生长的外延结构示意图；
图6为本发明实施例二的生长压力随生长厚度（生长时间）的变化曲线；
图7为本发明实施例二生长过程的温度曲线及停顿、材料组分变化情况示意图。
标号说明
衬底1 缓冲层2
腐蚀截止层3 欧姆接触层4
电流传输层5 粗化层6
第一粗化层61 第二粗化层62
第三粗化层63 第四粗化层64
第一型导电层7 第一温度过渡层8
有源层9 量子垒91
组分渐变降温层92 量子阱93
第二温度过渡层10 第二型导电层11。
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。
实施例一
参阅图1至图4所示，本发明揭示的一种高晶体质量红外发光二极管，由衬底1至下而上依次为生长缓冲层2、腐蚀截止层3、欧姆接触层4、电流传输层5、粗化层6、第一型导电层7、第一温度过渡层8、有源层9、第二温度过渡层10及第二型导电层11。
粗化层6由四部分组成，分别为第一粗化层61、第二粗化层62、第三粗化层63、第四粗化层64。
有源层9由七组量子垒91、组分渐变降温层92及量子阱93交替构成。
为达到制备高晶体质量的红外发光二极管，需要采用如下外延生长步骤：
1、采用反应室压力100mbar，生长温度650℃条件下，在GaAs衬底1上依次外延生长缓冲层2、腐蚀截止层3、欧姆接触层4、电流传输层5。缓冲层3、欧姆接触层4采用GaAs材料；腐蚀截止层3及电流传输层5采用Ga0.5In0.5P材料，且0≤x≤1。
2、在电流传输层5生长结束后，生长停顿1分钟且反应室压力降低60mbar，接着开始生长粗化层6，粗化层6采用AlGaAs材料，具体生长压力随生长厚度（生长时间）的变化曲线如图2所示。
3、粗化层6采用四层不同厚度且在不同反应室压力的条件下压变外延生长。
生长第一粗化层61时，采用反应室压力40mbar，且外延厚度为50nm。
生长第二粗化层62时，反应室压力采用变压生长，反应室压力从40mbar提高60mbar外延变压生长50nm；反应室压力在60mbar外延生长100nm。
生产第三粗化层63时，反应室压力采用变压生长，反应室压力从60mbar提高80mbar外延变压生长50nm；反应室压力在80mbar外延生长200nm。
生长第四粗化层64，反应室压力采用变压生长，反应室压力从80mbar提高100mbar外延变压生长50nm；反应室压力在100mbar外延生长500nm。
4、在粗化层6之上外延生长第一型导电层7，第一型导电层7采用AlGaAs材料。
5、在第一型导电层7上生长第一温度过渡层8，第一温度过渡层8的生长材料与之相邻的第一型导电层7的AlGaAs材料相同。生长第一温度过渡层9时温度呈渐变式下降，且降温幅度为20℃。
6、在第一温度过渡层8上生长量子垒91，量子垒91的材料采用高Al组分的AlGaAs材料，且Al组分为40%的Al0.4Ga0.6As。
7、在量子垒91外延结束之后，无需生长停顿，改变Al、Ga的生长流量，直接过渡到低Al组分材料Al0.02Ga0.98As的组分渐变降温层92。组分渐变降温层92构成材料的Al组分是渐变生长。组分渐变降温层92的厚度采用4nm。
8、在生长组分渐变降温层92的时候，生长温度呈渐变式的下降，且降温大小为30℃。
9、待降温完成且生长组分渐变降温层92刚好生长完成，无需生长停顿，直接外延生长Al0.02Ga0.93In0.05As量子阱93外延层。
10、量子阱93生长完成后，暂停外延生长，暂停时间采用3s；且反应室温度回升至生长量子垒时的温度大小。
11、外延交替生长7组的量子垒91、组分渐变降温层92及量子阱93，生长暂停并回温，且每组的外延生长工艺如上所述循环。具体生长过程的温度曲线、停顿、材料组分变化情况如图3所示。
12、在有源区9上生长第二温度过渡层10，第二温度过渡层10外延温度呈渐变式上升，温度大小恢复到与生长第一型导电层7的温度相同；生长第二温度过渡层10时，温差采用20℃。第二温度过渡层10的生长材料与之相邻的第二型导电层11的AlGaAs材料相同。
13、在第二温度过渡层10上外延生长第二型导电层11，第二型导电层11由AlGaAs材料组成。
如图4所示，上方曲线a为采用以上实施例一的外延工艺的生长过程检测到的反射率曲线图，下方曲线b为其它外延工艺及方法的生长过程检测到的反射率曲线图。对比图4的上方曲线a和下方曲线b截图，可以明显看出上方曲线a的反射率一直稳定在某一数值，而下方曲线b的反射率在开始生长有源区时反射率就变低，且长完有源区后数值逐渐明显下降。说明采用本发明的外延工艺在生长完有源层之后晶体质量并没有变差，而未采用本发明技术的外延工艺在生长有源层时晶体质量开始变差，且有源层及后续生长的外延层的晶体质量变差越来越明显。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于：有源层9由六组量子垒91、组分渐变降温层92及量子阱93交替构成，而实施例一为七组。
如图5所示，一种红外发光二极管，由衬底1至下而上依次为生长缓冲层2、腐蚀截止层3、欧姆接触层4、电流传输层5、粗化层6、第一型导电层7、第一温度过渡层8、有源层9、第二温度过渡层10、第二型导电层11。
粗化层6由四部分组成，分别为第一粗化层61、第二粗化层62、第三粗化层63、第四粗化层64；有源层9由六组量子垒91、组分渐变降温层92及量子阱93交替构成。
为达到制备高晶体质量的红外发光二极管，需要采用如下外延生长步骤：
1、采用反应室压力70mbar，生长温度620℃条件下，在GaAs衬底1上依次外延生长缓冲层2、腐蚀截止层3、欧姆接触层4、电流传输层5。缓冲层2、欧姆接触层4采用GaAs材料；腐蚀截止层3及电流传输层5采用(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P材料。
2、在电流传输层5生长结束后，生长停顿1分钟且反应室压力降低40mbar，接着开始生长粗化层6，粗化层6采用AlGaAs材料。具体生长压力随生长厚度（生长时间）的变化曲线如图6所示。
3、粗化层6采用四层不同厚度且在不同反应室压力的条件下压变外延生长。生长第一粗化层61时，采用反应室压力30mbar，且外延厚度为40nm。生长第二粗化层62时，反应室压力采用变压生长，反应室压力从30mbar提高40mbar外延变压生长30nm；反应室压力在40mbar外延生长70nm。生长第三粗化层63是，反应室压力采用变压生长，反应室压力从40mbar提高50mbar外延变压生长30nm；反应室压力在50mbar外延生长170nm。生长第四粗化层64时，反应室压力采用变压生长，反应室压力从50mbar提高70mbar外延变压生长60nm；反应室压力在70mbar外延生长700nm。
4、在粗化层6之上外延生长第一型导电层7，第一型导电层7采用AlGaAs材料。
5、在第一型导电层7上生长第一温度过渡层8，第一温度过渡层8的生长材料与之相邻的第一型导电层7的AlGaAs材料相同。生长第一温度过渡层8时温度呈渐变式下降，且降温幅度为25℃。
6、在第一温度过渡层8上生长量子垒91，量子垒91的材料采用高Al组分的AlGaAs材料，且Al组分为35%的Al0.35Ga0.65As。
7、在量子垒91外延结束之后，无需生长停顿，改变Al、Ga的生长流量，直接过渡到低Al组分材料Al0.03Ga0.97As的组分渐变降温层92。组分渐变降温层92构成材料的Al组分是渐变生长。组分渐变降温层92的厚度采用3nm。
8、在生长组分渐变降温层92的时候，生长温度呈渐变式的下降，且降温大小为15℃。
9、待降温完成且生长组分渐变降温层92刚好生长完成，无需生长停顿，直接外延生长Al0.028Ga0.922In0.05As量子阱93外延层。
10、量子阱93生长完成后，暂停外延生长，暂停时间采用2s；且反应室温度回升至生长量子垒91时的温度大小。
11、外延交替生长六组的量子垒91、组分渐变降温层92及量子阱93，生长暂停并回温，且每组的外延生长工艺如上所述循环。具体生长过程的温度曲线、停顿、材料组分变化情况如图7所示。
12、在有源区9上生长第二温度过渡层10，第二温度过渡层10外延温度呈渐变式上升，温度大小恢复到与生长第一型导电层7的温度相同；生长第二温度过渡层10时，温差采用20℃。第二温度过渡层10的生长材料与之相邻的第二型导电层11的AlGaAs材料相同。
13、在第二温度过渡层10上外延生长第二型导电层11，第二型导电层11由AlGaAs材料组成。
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 (9)
1.一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：在衬底之上依次形成缓冲层、腐蚀截止层、欧姆接触层、电流传输层、粗化层、第一型导电层、有源层及第二型导电层；有源层由多组的量子垒、降温层及量子阱三层结构循环构成，降温层位于量子垒与量子阱之间；所述粗化层由第一粗化层、第二粗化层、第三粗化层及第四粗化层构成；其中，第一粗化层的厚度为10-50nm；第二粗化层的厚度为100-150nm；第三粗化层的厚度为150-250nm；第四粗化层的厚度为500-800nm。
2.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述降温层的厚度为2-6nm。
3.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述降温层为组分渐变降温层，且有效组分由量子垒至量子阱方向逐渐降低。
4.如权利要求3所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述组分渐变降温层构成材料包括AlGaAs三五族化合物，且Al组分的重量含量由量子垒至量子阱方向逐渐降低。
5.如权利要求3所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述构成组分渐变降温层材料的AlGaAs的Al组分含量小于3%。
6.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述量子垒构成材料包括AlGaAs三五族化合物，且Al组分的重量含量大于30%。
7.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：在有源层与第一型导电层之间形成第一温度过渡层，而在有源层与第二型导电层之间形成第二温度过渡层。
8.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：第一温度过渡层的生长材料与第一型导电层的材料相同；第二温度过渡层的生长材料与第二型导电层的材料相同；第一温度过渡层及第二温度过渡由AlGaAs材料构成。
9.如权利要求1所述的一种高晶体质量红外发光二极管，其特征在于：所述粗化层的构成材料包括AlGaAs三五族化合物；腐蚀截止层及电流传输层的构成材料包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P三五族化合物，且0≤x≤1。
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