CN112736172B - 一种具有应变预置层结构的近红外led及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有应变预置层结构的近红外LED及其制作方法，该近红外LED的外延片从衬底由下往上依次生长有N‑GaAs缓冲层、N‑GaInP腐蚀截止层、N‑GaAs接触层、N‑GaInP电极强化层、N‑AlxGa1‑xAs电流扩展层、N‑AlxGa1‑xAs限制层、N‑GaxIn1‑xP应变预置层、第一AlxGa1‑xAs Space层、有源层、第二AlxGa1‑xAs Space层、P‑AlxGa1‑xAs限制层、P‑AlxGa1‑xAs电流扩展层、P‑过渡层和P‑GaP接触层。本发明通过在传统结构中的N‑AlxGa1‑xAs限制层和第一AlxGa1‑xAs Space层之间插入一层N‑GaxIn1‑xP应变预置层，将第一AlxGa1‑xAs Space层的应变状态调为张应变，进而在一定程度上平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高了有源区的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体是涉及一种具有应变预置层结构的近红外LED及其制作方法。
背景技术
随着时代的发展，近红外光源从光通信领域逐渐开始应用于消费行业，比如在遥控、识别、检测感应等方面的应用越来越广泛。特别是随着人脸识别、3D成像、眼动追踪等新技术在手机和各种智能移动终端平台上的应用更是极大地推动了红外光源的普及。另外国家为了维护社会治安，打击违反犯罪，近些年也在大力推动建立天网监控系统，市场对安防监控设备的需求也在日益增加，这都将极大促进近红外LED的发展，同时对其性能也有着越来越高的要求。
传统外延结构：GaAs衬底、N-GaAs缓冲层、N-GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、N-GaInP电极强化层、N-AlxGa1-xAs电流扩展层、N-AlxGa1-xAs限制层、第一AlxGa1-xAsSpace层、有源层、第二AlxGa1-xAs Space层、P-AlxGa1-xAs限制层、P-AlxGa1-xAs电流扩展层、P-过渡层和P-GaP接触层。
近红外LED由于其InGaAs量子阱的In组分较高，采用传统结构生长时由于量子阱压应变偏大容易导致失配，出现高密度的位错缺陷或者裂纹，严重影响LED的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有应变预置层结构的近红外LED及其制作方法，该方法通过在传统结构中的N-AlxGa1-xAs限制层和第一AlxGa1-xAs Space层之间插入一层N-GaxIn1-xP应变预置层，将第一AlxGa1-xAs Space层的应变状态调为张应变，进而在一定程度上平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高有源区的晶体质量。
本发明通过下述技术方案实现一种具有应变预置层结构的近红外LED，包括外延片，所述外延片上由下而上依次为衬底、N-GaAs缓冲层、N-GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、N-GaInP电极强化层、N-AlxGa1-xAs电流扩展层、N-AlxGa1-xAs限制层、第一AlxGa1-xAsSpace层、有源层、第二AlxGa1-xAs Space层、P-AlxGa1-xAs限制层、P-AlxGa1-xAs电流扩展层、P-过渡层和P-GaP接触层，在所述N-AlxGa1-xAs限制层和第一AlxGa1-xAs Space层之间插有一层N-GaxIn1-xP应变预置层。
本技术方案在N-AlxGa1-xAs限制层和第一AlxGa1-xAs Space层之间插入一层N型GaxIn1-xP应变预置层，在其上生长的第一AlxGa1-xAs Space层会受到N-GaxIn1-xP应变预置层的作用而处于张应变状态，其在一定程度上可平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高有源区的晶体质量。
本发明还提供一种具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，包括以下步骤：
S1.提供一衬底；
S2.在步骤S1所述衬底由下到上依次生长GaAs缓冲层、N-GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、N-GaInP电极强化层、N-AlxGa1-xAs电流扩展层和N-AlxGa1-xAs限制层；
S3.在步骤S2所述N-AlxGa1-xAs限制层上生长一层N-GaxIn1-xP应变预置层；
S4.在步骤S3所述N-GaxIn1-xP应变预置层上生长第一AlxGa1-xAs Space层；
S5.在步骤S4所述第一AlxGa1-xAs Space层上生长有源层；
S6.在步骤S5所述有源层上生长第二AlxGa1-xAs Space层；
S7.在步骤S6所述第二AlxGa1-xAs Space层上生长一层P-AlxGa1-xAs限制层；
S8.在步骤S7所述P-AlxGa1-xAs限制层上生长一层P-AlxGa1-xAs电流扩展层；
S9.在步骤S8所述P-AlxGa1-xAs电流扩展层上生长一层P-过渡层；
S10.在步骤S9所述P-过渡层上生长一层P-GaP接触层。
进一步的，上述方案中步骤S3中N-GaxIn1-xP应变预置层生成的方法包括以下过程：在步骤S2所述N-AlxGa1-xAs限制层生长结束时，停止通入三甲基Ga、三甲基Al和硅烷，控制反应室生长温度和压强；待反应室温度和压力稳定后停止通入AsH3气体，同时立即通入PH3气体，1s后立即通入三甲基Ga、三甲基铟和硅烷生长出N-GaxIn1-xP应变预置层。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层为掺Si的N型材料，厚度设置为50-300nm，掺入Si有利于Ga的替换。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层的载流子浓度为5E17-5E18cm-3。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层的In组分百分含量在53-57%之间。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层的生长温度为600-700℃。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层的压强为50mbar。
进一步的，上述方案中N-GaxIn1-xP应变预置层生长时间为2-10min。
作为优选方案，上述方案中有源层中量子阱的对数为2-6对。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：本发明主要从缓解量子阱中压应变、抑制位错和裂纹的产生、改善有源层晶体质量等方面着手，通过在传统结构中的N-AlxGa1-xAs限制层和第一AlxGa1-xAs Space层之间插入一层N-GaxIn1-xP应变预置层，将第一AlxGa1-xAs Space层的应变状态调为张应变，进而在一定程度上平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高有源区的晶体质量。
附图说明
图1是本发明具有应变预置层结构的近红外LED结构示意图；
图2是本发明具有应变预置层结构的近红外LED制作方法流程示意图。
示意图中标号说明：
200衬底；201N-GaxIn1-xP应变预置层；202第一AlxGa1-xAs Space层；203有源层；204第二AlxGa1-xAs Space层；205P-AlxGa1-xAs限制层；206P-AlxGa1-xAs电流扩展层；207P-过渡层；208P-GaP接触层；211GaAs缓冲层；221N-GaInP腐蚀截止层；231N-GaAs接触层；241N-GaInP电极强化层；251N-AlxGa1-xAs电流扩展层；261N-AlxGa1-xAs限制层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1至图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
图1为本发明具有应变预置层结构的近红外LED结构示意图，底层为衬底200，从衬底200上由下往上依次生长有N-GaAs缓冲层211、N-GaInP腐蚀截止层221、N-GaAs接触层231、N-GaInP电极强化层241、N-AlxGa1-xAs电流扩展层251、N-AlxGa1-xAs限制层261、N-GaxIn1-xP应变预置层201、第一AlxGa1-xAs Space层202、有源层203、第二AlxGa1-xAsSpace层204、P-AlxGa1-xAs限制层205、P-AlxGa1-xAs电流扩展层206、P-过渡层207和P-GaP接触层208。
本发明实施例中所述衬底200包括但不限于GaAs衬底。
本发明在N-AlxGa1-xAs限制层261和第一AlxGa1-xAs Space层202之间插入一层N型GaxIn1-xP应变预置层201，在其上生长的第二AlxGa1-xAs Space层204会受到N型GaxIn1-xP应变预置层201的作用而处于张应变状态，其在一定程度上可平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高有源区的晶体质量。
如图2所示，图2为本发明具有应变预置层结构的近红外LED制作方法流程示意图，本发明提供一种具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，包括以下步骤：
S1.提供一衬底200。
具体地，步骤S1可以包括：将放置在石墨盘中的GaAs衬底转运至反应室中，并加热反应室至600-750℃，反应室内压强降至50mbar，升温至400℃时，通AsH3保护衬底200免于热分解。
S2.在衬底200由下到上依次生长GaAs缓冲层211、N-GaInP腐蚀截止层221、N-GaAs接触层231、N-GaInP电极强化层241、N-AlxGa1-xAs电流扩展层251和N-AlxGa1-xAs限制层261。
具体地，步骤S2可以包括：将加热反应室温度升至600-750℃，反应室压强稳定在50mbar，在GaAs衬底上生长一层100-500nm GaAs缓冲层211；在GaAs缓冲层211上生长一层厚度100-500nm的N-GaInP腐蚀截止层221；在N-GaInP腐蚀截止层221上生长一层30-150nmN-GaAs接触层231；在N-GaAs接触层231生长一层30-100nm N-GaInP电极强化层241；在N-GaInP电极强化层241上生长一层3-10μm厚的N-AlxGa1-xAs电流扩展层251；在其上再生长一层200-500nm厚的N-AlxGa1-xAs限制层261。
S3.在N-AlxGa1-xAs限制层261上生长一层N-GaxIn1-xP应变预置层201。
具体地，步骤S3可以包括：当N-AlxGa1-xAs限制层261生长结束时，停止通入三甲基Ga、三甲基Al和硅烷，控制反应室温度在600-700℃左右，反应室压强稳定在50mbar。待反应室温度和压力稳定后停止通入AsH3气体，同时立即通入PH3气体，1s后立即通入三甲基Ga、三甲基铟和硅烷并生长出2-10min N-GaxIn1-xP应变预置层201，其厚度设置为50-300nm，In组分百分含量设置在53-57%之间。
S4.在N-GaxIn1-xP应变预置层201上生长第一AlxGa1-xAs Space层202。
具体地，步骤S4可以包括：控制反应室温度在600-750℃，反应室压强稳定在50mbar，AsH3流量设为300-600sccm。
S5.在第一AlxGa1-xAs Space层202上生长有源层203。
具体地，步骤S5可以包括：控制反应室温度在600-700℃，反应室压强稳定在50mbar，AsH3流量设为300-600sccm，量子阱的对数设置为2-6对。
S6.在有源层203上生长第二AlxGa1-xAs Space层204。
S7.在第二AlxGa1-xAs Space层204上生长P-AlxGa1-xAs限制层205。
S8.在P-AlxGa1-xAs限制层205上生长P-AlxGa1-xAs电流扩展层206。
S9.在P-AlxGa1-xAs电流扩展层206上生长P-过渡层207。
S10.在P-过渡层207上生长P-GaP接触层208。
具体地，步骤S10可以包括：控制反应室温度在550-650℃，反应室压强稳定在50mbar，PH3流量设为100-400sccm，Mg掺杂的有效量为100-500sccm。
综上所述，本发明通过在N-AlxGa1-xAs限制层261和第一AlxGa1-xAs Space层202之间插入一层N-GaxIn1-xP应变预置层201，将第一AlxGa1-xAs Space层202的应变状态调为张应变，进而在一定程度上平衡InGaAs量子阱的压应变，抑制位错和裂纹的产生，提高有源区的晶体质量。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。。
Claims (10)
1.一种具有应变预置层结构的近红外LED，包括外延片，其特征在于，所述外延片上由下而上依次为衬底、N-GaAs缓冲层、N-GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、N-GaInP电极强化层、N-AlxGa1-xAs电流扩展层、N-AlxGa1-xAs限制层、第一AlxGa1-xAs Space层、有源层、第二AlxGa1-xAs Space层、P-AlxGa1-xAs限制层、P-AlxGa1-xAs电流扩展层、P-过渡层和P-GaP接触层；
所述N-AlxGa1-xAs限制层和所述第一AlxGa1-xAs Space层之间插有一层N-GaxIn1-xP应变预置层。
2.根据权利要求1所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提供一衬底；
S2.在步骤S1所述衬底由下而上依次生长GaAs缓冲层、N-GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、N-GaInP电极强化层、N-AlxGa1-xAs电流扩展层和N-AlxGa1-xAs限制层；
S3.在步骤S2所述N-AlxGa1-xAs限制层上生长一层N-GaxIn1-xP应变预置层；
S4.在步骤S3所述N-GaxIn1-xP应变预置层上生长第一AlxGa1-xAs Space层；
S5.在步骤S4所述第一AlxGa1-xAs Space层上生长有源层；
S6.在步骤S5所述有源层上生长第二AlxGa1-xAs Space层；
S7.在步骤S6所述第二AlxGa1-xAs Space层上生长一层P-AlxGa1-xAs限制层；
S8.在步骤S7所述P-AlxGa1-xAs限制层上生长一层P-AlxGa1-xAs电流扩展层；
S9.在步骤S8所述P-AlxGa1-xAs电流扩展层上生长一层P-过渡层；
S10.在步骤S9所述P-过渡层上生长一层P-GaP接触层。
3.根据权利要求2所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中N-GaxIn1-xP应变预置层生成的方法包括以下过程：在步骤S2所述N-AlxGa1-xAs限制层生长结束时，停止通入三甲基Ga、三甲基Al和硅烷，控制反应室生长温度和压强；待反应室温度和压力稳定后停止通入AsH3气体，同时立即通入PH3气体，1s后立即通入三甲基Ga、三甲基铟和硅烷生长出所述N-GaxIn1-xP应变预置层。
4.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层为掺Si的N型材料，厚度设置为50-300nm。
5.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层的载流子浓度为5E17-5E18cm-3。
6.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层的In组分百分含量在53-57%之间。
7.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层的生长温度为600-700℃。
8.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层的压强为50mbar。
9.根据权利要求3所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述N-GaxIn1-xP应变预置层生长时间为2-10min。
10.根据权利要求2-9任一项所述的具有应变预置层结构的近红外LED的制作方法，其特征在于，所述有源层中量子阱的对数为2-6对。
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