CN113889559A - 一种高亮度近红外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高亮度近红外发光二极管及其制备方法，该发光二极管包括自下到上依次设置有N型欧姆接触层、介质膜窗口层、制备好的外延片、P型欧姆接触层和P型电极，所述介质膜窗口层上设置有窗口层图案。在n型GaAs衬底和N型欧姆接触层之间设置介质膜形成的介质膜窗口层，介质膜窗口层中无介质膜处可以与n‑GaAs衬底实现良好的欧姆接触，有介质膜处可以阻挡金属与n‑GaAs衬底融合，减少光的吸收，介质膜和N型欧姆接触层可以进一步形成ODR提升反射率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高亮度近红外发光二极管及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近红外发光二极管是一种将电能转换为光能的近红外发光器件，它具有体积小、功耗低、指向性好等一系列优点，广泛用于遥控、逗测、光隔离、光开关、光电控制、目标跟踪等系统。
对于波长900nm-1000nm的近红外发光二极管，由于GaAs衬底在此波段具有较高的透过率，采用传统的正装工艺即可完成制作。但由于N面金属在经过高温合金后，会与n型GaAs融合，导致有源层产生的光被吸收，影响了发光功率。为解决此问题，一种有效的技术措施为对N面金属图形化，通过光刻工艺将整面金属做成点金，减少对光的吸收。但是其腐蚀掉金属的区域是通过导电胶与封装支架接触，由于支架反射率低，对发光功率有一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高亮度近红外发光二极管及其制备方法。
1.LPE：Liquid Phase Epitaxy，液相外延，是在固体衬底表面从过冷饱和溶液中析出囤相物质生长半导体单晶薄膜的方法。
2.MOCVD：也叫做MOVPE，金属有机化学气相沉积系统，MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
3.ODR：Omni-directional reflector，全方位反光镜。
本发明的技术方案为：
一种高亮度近红外发光二极管，包括自下到上依次设置有N型欧姆接触层、介质膜窗口层、制备好的外延片、P型欧姆接触层和P型电极，所述介质膜窗口层上设置有窗口层图案。
在外延片的衬底面蒸镀介质膜窗口层，并在介质膜窗口层上制备图形，并制备N型欧姆接触层，介质膜窗口层可以阻挡N型欧姆接触层与制备好的外延片的衬底融合，以免融合导致反射率会降低，同时介质膜窗口层和N型欧姆接触层可以进一步形成ODR提升反射率。
根据本发明优选的，所述介质膜窗口层上的图案为均匀设置的圆形。
根据本发明优选的，所述圆形的直径为20-60μm；优选的，圆形的直径为40μm。
根据本发明优选的，所述圆形之间的距离为40-100μm；优选的，周期为70μm。
根据本发明优选的，介质膜窗口层上图案面积与介质膜窗口层总面积的比例为30％-80％；优选的，介质膜窗口层上图案面积与介质膜窗口层总面积的比例为55％。
根据本发明优选的，所述介质膜窗口层的材质为SiO2膜、TiO2膜、Al2O3膜中任一种，或者由高折射率介质膜和低折射率介质膜交替生长的多层膜系，高折射率介质膜为TiO2膜和Al2O3膜，所述低折射率膜为SiO2膜，所述膜系包括2-5对交替生长的高折射率介质膜和低折射率介质膜。
根据本发明优选的，所述N型欧姆接触层为Au与AuGeNi合金组成的膜系或者Au与AuGe合金组成的膜系。
根据本发明优选的，所述外延片为采用LPE或MOCVD生长的三元外延片或者四元外延片；
三元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n-GaAs窗口层、发光层、p-GaAs窗口层或p-AlGaAs窗口层；
四元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n型欧姆接触层、n型窗口层、n型限制层、InxGaAs/AlyGaAsP量子阱、p型限制层、p型窗口层，0＜x＜1，0＜y＜1。通过调节InxGaAs/AlyGaAsP中x、y比例可获得不同波长。
根据本发明优选的，P型电极为Cr、Ti、Pd、Pt、Al和Au中的至少两种金属组成的金属复合电极。
根据本发明优选的，所述P型欧姆接触层的材质为ITO、ZnO、石墨烯、AuBe中任一种。
上述高亮度近红外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在制备好的外延片的表面，通过电子束蒸镀、光刻制备P型欧姆接触层；
(2)在P型欧姆接触层的表面，通过光刻、剥离制备P型电极；
(3)将外延片的衬底减薄，并在衬底上蒸镀绝缘介质膜窗口层；
(4)通过光刻、腐蚀介质膜窗口层，在介质膜窗口层上形成窗口层图案；
(5)在步骤(4)制备的介质膜窗口层的表面，通过电子束蒸镀设备蒸镀N型欧姆接触层，再在加热炉中进行合金化处理；
(6)将步骤(5)制备的晶片进行全切、粗化，得到高亮度近红外发光二极管。
根据本发明优选的，步骤(5)中，合金化处理的温度为360-420℃，处理时间为7-10min。
本发明的有益效果为：
1.本提供的高亮度近红外发光二极管，在n型GaAs衬底和N型欧姆接触层之间设置介质膜形成的介质膜窗口层，介质膜窗口层中无介质膜处可以与n-GaAs衬底实现良好的欧姆接触，有介质膜处可以阻挡金属与n-GaAs衬底融合，减少光的吸收，介质膜和N型欧姆接触层可以进一步形成ODR提升反射率。
2.本发明制备的介质膜在红外波段反射率最高达到70％-75％，同时提升近红外发光二极管的亮度，在20mA下，发光功率为7.8mW。
附图说明
图1是实施例1提供的高亮度近红外发光二极管芯片的结构示意图。
图2是实施例1中介质膜窗口层上图案的示意图。
图3是实施例1、3中介质膜窗口层的反射率示意图。
图4是实施例2中介质膜窗口层的反射率示意图。
1、外延片，2、P型欧姆接触层，3、P型电极，4、介质膜窗口层，5、N型欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种高亮度近红外发光二极管，如图1所示，包括自下到上依次设置有N型欧姆接触层5、介质膜窗口层4、制备好的外延片1、P型欧姆接触层2和P型电极3，所述介质膜窗口层4上设置有窗口层图案。
本发明中，制备好的外延片1为MOCVD生长的四元红外外延片，四元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n型窗口层、n型限制层、In0.1GaAs/Al0.2GaAsP量子阱、p型限制层、p型窗口层，其峰值波长为940nm；
N型欧姆接触层5的膜系为Au/AuGeNi/Au。
所述介质膜窗口层4上的图案为均匀设置的圆形。圆形的直径为20μm。圆形之间的距离为40μm。
介质膜窗口层4上图案面积与介质膜窗口层4总面积的比例为30％。
介质膜窗口层4为SiO2膜，厚度根据kλ/4n确定，其中k为1、3、5……，λ为外延片1反射光的峰值波长，n为介质膜的折射率，本实施例中厚度为1500埃。反射率曲线如图3所示；横坐标为波长，纵坐标为反射率。采用单层介质膜时，在红外波段的反射率为30％-35％，比封装支架反射率高20％。
P型欧姆接触层2的材质为ITO，厚度为1800埃。
P型电极3的电极为CrTiAl金属复合电极。
在外延片1的衬底面蒸镀介质膜窗口层4，并在介质膜窗口层4上制备图形，并制备N型欧姆接触层5，介质膜窗口层4可以阻挡N型欧姆接触层5与制备好的外延片1的衬底融合，以免融合导致反射率会降低，同时介质膜窗口层4和N型欧姆接触层5可以进一步形成ODR提升反射率。
实施例2
根据实施例1提供的一种高亮度近红外发光二极管，区别之处在于：
如图2所示，圆孔处无介质膜，圆形的直径为40μm。圆形之间的距离为70μm。
介质膜窗口层4上图案面积与介质膜窗口层4总面积的比例为55％。
介质膜窗口层4为交替蒸镀SiO2/TiO2，每层厚度根据kλ/4n确定，其中k为1、3、5……，λ为外延片1反射光的峰值波长，n为介质膜的折射率，本实施例蒸镀3对SiO2/TiO2，SiO2厚度取500埃，TiO2厚度取270埃，反射率曲线如图4所示，横坐标为波长，纵坐标为反射率。采用3对SiO2/TiO2时，红外波段反射率可达70％-75％，比单层介质膜高40％。
实施例3
根据实施例1提供的一种高亮度近红外发光二极管，区别之处在于：
本实施例中，外延片1为LPE生长的三元红外外延片，三元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n-GaAs窗口层、发光层、p-GaAs窗口层或p-AlGaAs窗口层其峰值波长为940nm；
圆形的直径为60μm。窗口层图案的周期为100μm。
介质膜窗口层4上图案面积与介质膜窗口层4总面积的比例为80％。
N型欧姆接触层5的材质Au/AuBe/Au；
衬底的厚度为200um，介质膜窗口层4为TiO2膜，厚度根据kλ/4n确定，其中k为1、3、5……，λ为外延片1反射光的峰值波长，n为介质膜的折射率，本例厚度取1700埃。反射率曲线如图3所示；采用单层介质膜时，在红外波段的反射率为30％-35％，比封装支架反射率高20％。
实施例4
实施例1或2提供的一种高亮度近红外发光二极管的制备方法，步骤包括：
(1)在制备好的外延片1的表面，通过电子束蒸镀、光刻制备P型欧姆接触层2；然后在加热炉420℃进行合金化处理10min；
(2)在P型欧姆接触层2的表面，通过光刻、剥离制备P型电极3；
(3)将外延片1的衬底减薄，并在衬底上蒸镀绝缘介质膜窗口层4；
(4)通过光刻、腐蚀介质膜窗口层4，在介质膜窗口层4上形成窗口层图案；
(5)在步骤(4)制备的介质膜窗口层4的表面，通过电子束蒸镀设备蒸镀N型欧姆接触层5，再在加热炉360℃进行合金化处理10min；
(6)将步骤(5)制备的晶片进行全切、粗化，得到高亮度近红外发光二极管。切割后芯片的尺寸为185um×185um。
对制备得到的高亮度近红外发光二极管进行测试，在20mA下，实施例1的高亮度近红外发光二极管的发光功率为6.4mW。实施例2的高亮度近红外发光二极管的发光功率为7.8mW。
实施例5
实施例3提供的一种高亮度近红外发光二极管的制备方法，包括：
(1)通过电子束蒸镀在上述外延片1表面制备一层金属膜，膜系为Au/AuBe/Au由于此膜系不透光，因此需要通过光刻、腐蚀去除发光区域金属；
(2)在上述金属表面通过光刻、剥离工艺形成P型电极3，电极结构为CrTiAu；
(3)将外延片1的衬底减薄，并在衬底上蒸镀绝缘介质膜窗口层4；
(4)通过光刻、腐蚀介质膜窗口层4，在介质膜窗口层4上形成窗口层图案；
(5)在步骤(4)制备的介质膜窗口层4的表面，通过电子束蒸镀设备蒸镀N型欧姆接触层5，再在加热炉420℃进行合金化处理7min；
(6)将步骤(5)制备的晶片进行全切、粗化，得到高亮度近红外发光二极管。
切割后芯片的尺寸为185um×185um。
对制备得到的高亮度近红外发光二极管进行测试，在20mA下，发光功率为5.1mW。
对比例1
根据实施例1提供的近红外发光二极管，区别之处在于，N面未设置介质膜窗口层4，直接蒸镀N型欧姆接触层5，并根据实施例4提供的方法进行制备。
在本对比例中，芯片本身未提供反射率，封装支架可提供20％反射率。
切割后芯片的尺寸为185um×185um。对制备得到的高亮度近红外发光二极管进行测试，在20mA下，发光功率为5.5mW。
针对四元外延片制备的高亮度近红外发光二极管，在20mA下，实施例1的高亮度近红外发光二极管，在红外波段的反射率为30％-35％的发光功率为6.4mW。实施例2的高亮度近红外发光二极管，在红外波段反射率可达70％-75％，发光功率为7.8mW。通过对比可知，本发明提供的高亮度近红外发光二极管能够有效提供反射率，增加LED的发光功率。
Claims (10)
1.一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，包括自下到上依次设置有N型欧姆接触层、介质膜窗口层、制备好的外延片、P型欧姆接触层和P型电极，所述介质膜窗口层上设置有窗口层图案。
2.根据权利要求1所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述介质膜窗口层上的图案为均匀设置的圆形。
3.根据权利要求2所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述圆形的直径为20-60μm。
4.根据权利要求2所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述圆形之间的距离为40-100μm。
5.根据权利要求2所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，介质膜窗口层上图案面积与介质膜窗口层总面积的比例为30％-80％。
6.根据权利要求1所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述介质膜窗口层的材质为SiO2膜、TiO2膜、Al2O3膜中任一种，或者由高折射率介质膜和低折射率介质膜交替生长的多层膜系，高折射率介质膜为TiO2膜和Al2O3膜，所述低折射率膜为SiO2膜，所述膜系包括2-5对交替生长的高折射率介质膜和低折射率介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述N型欧姆接触层为Au与AuGeNi合金组成的膜系或者Au与AuGe合金组成的膜系。
8.根据权利要求1所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，所述外延片为采用LPE或MOCVD生长的三元外延片或者四元外延片；
三元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n-GaAs窗口层、发光层、p-GaAs窗口层或p-AlGaAs窗口层；
四元外延片包括自下而上依次为n-GaAs衬底、n型欧姆接触层、n型窗口层、n型限制层、InxGaAs/AlyGaAsP量子阱、p型限制层、p型窗口层，0＜x＜1，0＜y＜1。
9.根据权利要求1所述的一种高亮度近红外发光二极管，其特征在于，P型电极为Cr、Ti、Pd、Pt、Al和Au中的至少两种金属组成的金属复合电极。
10.如权利要求1-9任一项所述的高亮度近红外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在制备好的外延片的表面，通过电子束蒸镀、光刻制备P型欧姆接触层；
(2)在P型欧姆接触层的表面，通过光刻、剥离制备P型电极；
(3)将外延片的衬底减薄，并在衬底上蒸镀绝缘介质膜窗口层；
(4)通过光刻、腐蚀介质膜窗口层，在介质膜窗口层上形成窗口层图案；
(5)在步骤(4)制备的介质膜窗口层的表面，通过电子束蒸镀设备蒸镀N型欧姆接触层，再在加热炉中进行合金化处理；
(6)将步骤(5)制备的晶片进行全切、粗化，得到高亮度近红外发光二极管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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