CN110137325B - 红外led器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外LED器件及其制备方法，所述红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层。整个红外LED器件除去了衬底，实现了器件的小型化；通过第一红外光外延层和第二红外光外延层形成两个发射中心并结合超晶格电子阻挡层提高了电子‑空穴的复合率，从而提升了红外LED器件的发光效率；通过反射层并结合粗化窗口层减少了红外光的吸收以及全反射现象，从而在实现小型化的同时提升了出光效率、减少了功率损耗、提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及红外LED器件技术领域，尤其涉及一种红外LED器件及其制备方法。
背景技术
虹膜识别技术作为一种人体生物识别技术，具有极高的精确性和安全性，被广泛认为是21世纪最具有发展前景的生物识别技术。虹膜识别技术的应用依赖于虹膜识别系统的发展，虹膜识别系统包括红外发射器件、红外摄像头以及虹膜识别算法等。随着LED的发展，特别是红外LED的快速发展，已经出现适合于虹膜识别的红外LED产品。目前，虹膜识别技术在很多领域的应用已经比较成熟，但还未广泛应用于手机、平板、笔记本电脑等移动终端设备，而这些移动终端设备作为当今人们进行信息交换最重要的载体，其信息保密和身份识别已经变得非常重要。
基于移动终端设备的虹膜识别红外LED器件要求体积小、光效高、功耗低、发光角度小、中心法向光强大等特点，由于器件体积较小，要满足中心法向光强大、器件的发光角度在20°～30°、峰值波长在810nm～830nm成为虹膜识别技术所要解决的一大难题。现有的虹膜识别红外LED器件无论是GaAs衬底结构还是Si衬底结构，其衬底对于810nm～830nm的光都具有很强烈的吸收损失，出光率低、功耗损失严重，因此不适用于基于移动终端设备的虹膜识别红外LED器件的需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种红外LED器件及其制备方法，能够实现器件小型化的同时提升出光效率。
本发明提出的具体技术方案为：提供一种红外LED器件，所述红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层。
进一步地，所述第一红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第一限制层、第一有源层、第一波导层、窗口层。
进一步地，所述第二红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第二限制层、第二有源层、第二波导层。
进一步地，所述第一有源层、第二有源层均为非对称耦合量子阱结构；所述非对称耦合量子阱结构包括交替生长的非对称耦合量子阱和过渡层。
进一步地，所述非对称耦合量子阱包括第一势垒层、第二势垒层及位于所述第一势垒层、第二势垒层之间的势阱层，所述第一势垒层为AlxGa1-xAs，所述势阱层为AlyGa1-yAs，所述第二势垒层为AlzGa1-zAs，所述过渡层的材质为AlxGa1-xAs。
进一步地，x为0.35～0.4、y为0.18～0.25、z为0.35～0.4。
进一步地，所述非对称耦合量子阱的数量为3个，3个所述非对称耦合量子阱中的势阱层的厚度依次减小。
进一步地，所述反射层为分布式布拉格反射镜。
进一步地，所述隧穿结包括重掺杂p型层和重掺杂n型层，所述重掺杂p型层位于所述第一红外光外延层与所述重掺杂n型层之间。
本发明还提供了一种红外LED器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长腐蚀阻挡层、反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层；
利用腐蚀液除去所述衬底与所述腐蚀阻挡层，以形成所述红外LED器件，所述腐蚀液对所述腐蚀阻挡层的腐蚀速率大于所述腐蚀液对所述衬底的腐蚀速率。
本发明提出的红外LED器件包括从下而上依次堆叠设置的反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层，整个红外LED器件除去了衬底，实现了器件的小型化；通过第一红外光外延层和第二红外光外延层形成两个发射中心并结合超晶格电子阻挡层提高了电子-空穴的复合率，从而提升了红外LED器件的发光效率；通过反射层并结合粗化窗口层减少了红外光的吸收以及全反射现象，从而在实现小型化的同时提升了出光效率、减少了功率损耗、提高了可靠性。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为红外LED器件的结构示意图；
图2为非对称耦合量子阱结构的示意图；
图3a～3c为红外LED器件的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，相同的标号将始终被用于表示相同的元件。
参照图1，本实施例中的红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的反射层1、第一红外光外延层2、隧穿结3、第二红外光外延层4、超晶格电子阻挡层5及粗化窗口层6。
具体地，反射层1位于红外LED器件的底部，其用于将入射至其上的红外光进行反射，从而减少了红外光的吸收以及全反射现象，在实现小型化的同时提升了整个红外LED器件的出光效率。第一红外光外延层2和第二红外光外延层4产生的红外光的波长均在810nm～830nm之间，隧穿结3用于将第一红外光外延层2和第二红外光外延层4进行串联。为了提升某一波段的出光效率，可以使得第一红外光外延层2和第二红外光外延层4的产生的红外光的波长相同；为了增加本实施例中红外LED器件覆盖的波段范围，可以使得第一红外光外延层2和第二红外光外延层4的产生的红外光的波长范围部分重叠或者不重叠。
第一红外光外延层2包括从下而上依次堆叠设置的第一限制层21、第一有源层22、第一波导层23、窗口层24。第一限制层21、第一有源层22、第一波导层23形成一个pn结，用于产生波长在810nm～830nm之间的红外光。窗口层24起到通光层及保护第一有源层22的作用。
第二红外光外延层4包括从下而上依次堆叠设置的第二限制层41、第二有源层42、第二波导层43。第二限制层41、第二有源层42、第二波导层43形成另一个pn结，用于产生波长在810nm～830nm之间的红外光。其中，隧穿结3通过上述两个pn结可以获得极低偏压下的高电导，从而实现两个pn结之间近乎无损耗的电学连接及两个pn结之间的p型和n型的反转。
参照图2，第一有源层22、第二有源层42均为非对称耦合量子阱结构。非对称耦合量子阱结构包括交替生长的非对称耦合量子阱和过渡层100。过渡层100用于减小相邻两个非对称耦合量子阱之间的应力，避免相邻两个非对称耦合量子阱之间的隧穿效应。
非对称耦合量子阱包括第一势垒层101、势阱层102、第二势垒层103，势阱层103位于第一势垒层101、第二势垒层103之间。第一势垒层101为AlxGa1-xAs，势阱层102为AlyGa1- yAs，第二势垒层103为AlzGa1-zAs，即非对称耦合量子阱的结构为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs。其中，过渡层100的材质为AlxGa1-xAs。
本实施例中x的取值范围为0.35～0.4，x的取值可以为0.35、0.37、0.4；y的取值范围为0.18～0.25，y的取值可以为0.18、0.2、0.25；z的取值范围为0.35～0.4，z的取值可以为0.35、0.36、0.4。
本实施例中非对称耦合量子阱的数量为3个，过渡层100的数量也为3个，非对称耦合量子阱与过渡层100交替排列(如图2所示)，即非对称耦合量子阱结构为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs。本实施例中x的取值为0.35，z的取值也为0.35，则非对称耦合量子阱结构为Al0.35Ga0.65As/AlyGa1-yAs/Al0.35Ga0.65As+Al0.35Ga0.65As+Al0.35Ga0.65As/AlyGa1-yAs/Al0.35Ga0.65As+Al0.35Ga0.65As+Al0.35Ga0.65As/AlyGa1-yAs/Al0.35Ga0.65As+Al0.35Ga0.65As。
本实施例中3个非对称耦合量子阱中的势阱层102的厚度依次减小。较佳地，AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs结构中每一层的厚度的取值范围分别为4.5nm～5.5nm、3nm～4nm、4.5nm～5.5nm、15nm～20nm、4.5nm～5.5nm、2.5nm～3.5nm、4.5nm～5.5nm、15nm～20nm、4.5nm～5.5nm、2nm～3nm、4.5nm～5.5nm、15nm～20nm。例如，AlxGa1- xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs+AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/AlzGa1-zAs+AlxGa1-xAs结构中每一层的厚度可以分别为5nm、3.5nm、5nm、15nm、5nm、3nm、5nm、15nm、5nm、2.5nm、5nm、15nm。
具体地，反射层1为分布式布拉格反射镜(DBR)，其包括周期性交替生长的AlAs层和GaAs层，较佳地，AlAs层和GaAs层交替生长的周期数为18～23，AlAs层和GaAs层的厚度均为202.5nm～207.5nm，例如，AlAs层和GaAs层交替生长的周期数可以为18、20、23，AlAs层和GaAs层的厚度均可以为202.5nm、204nm、205nm、206.5nm、207.5nm。
本实施例中第一限制层21、第二限制层41的材质均为n型AlaGa1-aAs、厚度为1000nm～2000nm、掺杂浓度为4╳1018cm-3～6╳1018cm-3，a的取值范围为0.3～0.56，例如，a的取值可以为0.3、0.4、0.5、0.56，第一限制层21、第二限制层41的厚度均可以为1000nm、1200nm、1500nm、1800nm、2000nm，第一限制层21、第二限制层41的掺杂浓度均可以为4╳1018cm-3、4.5╳1018cm-3、5╳1018cm-3、6╳1018cm-3。
第一波导层23、第二波导层43的材质均为p型AlbGa1-bAs、厚度均为1000nm～2000nm、掺杂浓度均为5╳1018cm-3～2╳1019cm-3，b的取值范围为0.3～0.56，例如，b的取值可以为0.3、0.4、0.5、0.56，第一波导层23、第二波导层43的厚度均可以为1000nm、1200nm、1500nm、1800nm、2000nm，第一波导层23、第二波导层43的掺杂浓度均可以为5╳1018cm-3、8╳1018cm-3、1╳1019cm-3、2╳1019cm-3。
窗口层24的材质为p型AlcGa1-cAs、厚度为30nm～100nm，c的取值范围为0.5～0.6，例如，c可以为0.55，即窗口层24的结构为Al0.55Ga0.45As，窗口层24的厚度可以为30nm、50nm、65nm、80nm、100nm。
本实施例中的隧穿结3由重掺杂p型层和重掺杂n型层组成，其中，重掺杂n型层位于重掺杂p型层与第二限制层41之间，重掺杂p型层、重掺杂n型层的材质均为GaAs，隧穿结3的厚度为30nm～70nm，重掺杂p型层的掺杂浓度为1╳1019cm-3～3╳1019cm-3，重掺杂n型层的掺杂浓度为0.8╳1019cm-3～2╳1019cm-3。例如，隧穿结3的厚度可以为30nm、35nm、45nm、60nm、70nm，重掺杂p型层的掺杂浓度可以为1╳1019cm-3、1.5╳1019cm-3、2╳1019cm-3、3╳1019cm-3，重掺杂n型层的掺杂浓度可以为0.8╳1019cm-3、1╳1019cm-3、1.5╳1019cm-3、2╳1019cm-3。
超晶格电子阻挡层5包括周期性交替生长的p型AldGa1-dAs层和GaAs层，较佳地，p型AlGaAs层和GaAs层交替生长的周期数为4～6，d的取值范围为0.45～0.65，p型AldGa1-dAs层和GaAs层的厚度均为2.5nm～4nm，p型AldGa1-dAs层的掺杂浓度为0.5╳1019cm-3～2╳1019cm-3，例如，p型AlGaAs层和GaAs层交替生长的周期数可以为4、5、6，本实施例中的p型AlGaAs层和GaAs层交替生长的周期数为5，d的取值可以为0.45、0.55、0.65，p型AldGa1-dAs层和GaAs层的厚度均可以为2.5nm、3nm、4nm，p型AldGa1-dAs层的掺杂浓度可以为0.5╳1019cm-3、1╳1019cm-3、2╳1019cm-3。
粗化窗口层6的材质为p型AleGa1-eAs、厚度为30nm～100nm，e的取值范围为0.5～0.6，例如，e可以为0.55，即粗化窗口层6的结构为Al0.55Ga0.45As，粗化窗口层6的厚度可以为30nm、50nm、65nm、80nm、100nm。
本实施例中的红外LED器件不包括衬底，从而实现了器件的小型化；通过第一红外光外延层2和第二红外光外延层4形成两个发射中心并结合超晶格电子阻挡层5提高了电子-空穴的复合率，从而提升了红外LED器件的发光效率；通过反射层1并结合粗化窗口层6减少了红外光的吸收以及全反射现象，从而在实现小型化的同时提升了出光效率、减少了功率损耗、提高了可靠性。
参照图3a～3c，本实施例还提供了一种红外LED器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：
S1、提供一衬底10，如图3a所示；
S2、在衬底10上依次生长腐蚀阻挡层20、反射层1、第一红外光外延层2、隧穿结3、第二红外光外延层4、超晶格电子阻挡层5及粗化窗口层6，如图3b所示；
S3、利用腐蚀液除去衬底10与腐蚀阻挡层20，形成红外LED器件，其中，腐蚀液对腐蚀阻挡层20的腐蚀速率大于腐蚀液对衬底10的腐蚀速率，如图3c所示。
在步骤S1中，衬底10的材质为GaAs，其厚度为0.5μm～1μm，例如，衬底10的厚度为0.5μm、0.7μm、1μm。
在步骤S2中，利用分子束外延技术在衬底10上依次生长腐蚀阻挡层20、反射层1、第一限制层21、第一有源层22、第一波导层23、窗口层24、隧穿结3、第二限制层41、第二有源层42、第二波导层43、超晶格电子阻挡层5及粗化窗口层6。其中，腐蚀阻挡层20的材质为AlAs，其厚度为0.5μm～1μm，例如，腐蚀阻挡层20的厚度为0.5μm、0.7μm、1μm。采用delta掺杂技术对隧穿结3进行掺杂，掺杂杂质为Si，通过采用delta掺杂技术能够使杂质只分布于掺杂区，避免杂质向两边扩散，从而创建一个高V/III比的生长环境，大幅提升了Si杂质的浓度，提高隧穿结3的隧穿电流密度。
在步骤S3中，利用腐蚀液对衬底10和腐蚀阻挡层20的腐蚀速率的差异来去除衬底10和腐蚀阻挡层20，其中，腐蚀液对腐蚀阻挡层20的腐蚀速率大于腐蚀液对衬底10的腐蚀速率。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (4)
1.一种红外LED器件，其特征在于，包括从下至上依次堆叠设置的反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层，所述第一红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第一限制层、第一有源层、第一波导层、窗口层，所述第二红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第二限制层、第二有源层、第二波导层；所述第二波导层的材质为p型AlbGa1-bAs，所述超晶格电子阻挡层包括周期性交替生长的p型AldGa1-dAs层和GaAs层，所述粗化窗口层的材质为p型AleGa1-eAs；所述第一有源层、第二有源层均为非对称耦合量子阱结构；所述非对称耦合量子阱结构包括交替生长的非对称耦合量子阱和过渡层；所述非对称耦合量子阱包括第一势垒层、第二势垒层及位于所述第一势垒层、第二势垒层之间的势阱层，所述第一势垒层为AlxGa1-xAs，所述势阱层为AlyGa1-yAs，所述第二势垒层为AlzGa1-zAs，所述过渡层的材质为AlxGa1-xAs；所述非对称耦合量子阱的数量为3个，3个所述非对称耦合量子阱中的势阱层的厚度依次减小，其中，b为0.3～0.56，d为0.45～0.65，e为0.5～0.6，x为0.35~0.4、y为0.18~0.25、z为0.35~0.4。
2.根据权利要求1所述的红外LED器件，其特征在于，所述反射层为分布式布拉格反射镜。
3.根据权利要求2所述的红外LED器件，其特征在于，所述隧穿结包括重掺杂p型层和重掺杂n型层，所述重掺杂p型层位于所述第一红外光外延层与所述重掺杂n型层之间。
4.一种红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长腐蚀阻挡层、反射层、第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层、超晶格电子阻挡层及粗化窗口层，所述第二红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第二限制层、第二有源层、第二波导层；所述第二波导层的材质为p型AlbGa1-bAs，所述超晶格电子阻挡层包括周期性交替生长的p型AldGa1-dAs层和GaAs层，所述粗化窗口层的材质为p型AleGa1-eAs，其中，b为0.3～0.56，d为0.45～0.65，e为0.5～0.6；
利用腐蚀液除去所述衬底与所述腐蚀阻挡层，以形成所述红外LED器件，所述腐蚀液对所述腐蚀阻挡层的腐蚀速率大于所述腐蚀液对所述衬底的腐蚀速率。
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