CN115714154A - 一种不可见光发光二极管和发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种不可见光发光二极管和发光装置，所述不可见光发光二极管包括半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面包含依次堆叠的第一类型半导体层，有源层和第二类型半导体层；所述有源层包括依次堆叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层的材料为InxGa1‑xAs，所述量子垒层的材料为GaAs1‑yPy，其中0.2≤x≤0.3,0≤y≤0.05。本发明通过调整有源层中量子阱层和量子垒层的组分和厚度，可有效解决量子阱层和GaAs衬底之间的晶格失配大引起的压缩应变大，晶体质量差的问题，提升1050nm±50nm红外发光二极管的发光亮度和可靠性。

Description

一种不可见光发光二极管和发光装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及不可见光发光二极管及制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。红外发光二极管，由于其特定的波段，以及低功耗和高可靠性，被广泛应用于安全监控、穿戴式装置、空间通信、遥控、医疗器具、传感器用光源及夜间照明等领域。
目前主流红外LED产品为GaAs基红外LED，典型发光波长在1000nm以内，波长大于1000nm的GaAs基LED一直存在因其有源层和GaAs基板失配度过大导致的发光效率低及可靠性差的问题，目前1050nm±50nm的LED芯片市场需求有增量趋势，因此亟需解决1050nm±50nm LED的发光效率低和可靠性差问题。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提出一种不可见光发光二极管，所述不可见光发光二极管包括：半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层，有源层和第二类型半导体层；所述有源层包括交替堆叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层的材料为InxGa1-xAs，所述量子垒层的材料为GaAs1-yPy，其中0.2≤x≤0.3,0≤y≤0.05。
在一些可选的实施例中，所述量子阱层的厚度为95~115A；所述量子垒层的厚度为400~520A。
在一些可选的实施例中，所述有源层的周期数为3~15。
在一些可选的实施例中，所述第一类型半导体层包含第一覆盖层，所述第一覆盖层的材料为AlaGa1-aAs，其中a的范围为0.3~0.45。
在一些可选的实施例中，所述第一覆盖层的厚度为0.3~1um，所述掺杂浓度为3E+17~2E+18/cm3。
在一些可选的实施例中，所述第一类型半导体层包含第一窗口层，所述第一窗口层的材料为AlbGa1-bAs。其中b的范围为0~0.3；
在一些可选的实施例中，所述第一窗口层的厚度为0~10um，掺杂浓度为3E+17~2E+18/cm3。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管通过键合层键合在基板上。
在一些可选的实施例中，所述半导体外延叠层和基板之间含有反射层。
在一些可选的实施例中，所述不可见光发光二极管辐射1000~1100nm的不可见光。
本发明提出一种不可见光发光二极管，至少具有以下有益效果：
通过调整有源层中量子阱层和量子垒层的组分和厚度，可有效解决量子阱层和GaAs衬底之间的晶格失配大引起的压缩应变大，晶体质量差的问题，提升1050nm±50nm红外发光二极管的发光亮度和可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中所涉及的不可见光外延结构的侧面剖视图。
图2为实施例1中所涉及的不可见光发光二极管的侧面剖视图。
图3~4图为实施例2中所涉及的不可见光发光二极管的制备过程中的结构示意图。
图5为实施例3中所涉及的发光装置的结构示意图。
附图标记：生长衬底：100；缓冲层：101；蚀刻截止层：102；第一欧姆接触层：103；第一电流扩展层：104；第一覆盖层：105；有源层：106；第二覆盖层：107；第二电流扩展层：108；第二欧姆接触层：109；基板：200；键合层：201；镜面层：202；P型欧姆接触金属层：202a；介电材料层：202b；第一电极：203；第二电极：204；发光装置：300；发光二极管：1。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用了区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。
应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、“包括"时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、元件、和/或的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、元件、和/或它们的组合的存在或增加。
除另有定义之外，本发明所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
实施例1
本实施例中提出一种发光二极管，通过调整有源层中量子阱层和量子垒层的组分和厚度，可有效解决量子阱层和GaAs衬底之间的晶格失配大引起的压缩应变大，晶体质量差的问题，提升1050nm红外发光二极管的发光亮度和可靠性。
图1为一较佳实施例的LED外延结构的示意图，所述LED外延结构包括：生长衬底100；半导体外延叠层，包含依次层叠于所述生长衬底100之上的第一电流扩展层104、第一覆盖层105、有源层106、第二覆盖层107、第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
具体地，参照图1，生长衬底100的材料包括但不限于GaAs，也可采用其他材料，例如GaP、InP等。在本实施例中以GaAs生长衬底100为例。可选地，在生长衬底100与第一电流扩展层104之间还依次设置有缓冲层101、蚀刻截止层102和欧姆接触层103；其中，由于缓冲层101的晶格质量相对生长衬底100晶格质量好，因而，在成长衬底100上生长缓冲层101有利于消除生长衬底100晶格缺陷对半导体外延叠层的影响；蚀刻截止层102用于后期步骤化学蚀刻的截止层，在一些可选的实施例中，蚀刻截止层102为n型刻蚀截止层102，材料为n-GaInP。为了便于生长衬底100的后续移除，较佳的设置较薄的蚀刻截止层102，其厚度控制在500nm以内，更优选的为200nm以内。在一些可选的实施例中，欧姆接触层103为GaAs，厚度范围为10~100nm，掺杂浓度为1~10E+18/cm3，优选为2E18/cm3，以实现更好的欧姆接触结果。
半导体外延叠层可以通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、外延生长(Epitaxy Growth Technology)和原子束沉积 (Atomic Layer Deposition，ALD)等方式形成在生长衬底100上。
半导体外延叠层为能够提供常规的如紫外、蓝、绿、黄、红、红外光等辐射的半导体材料，具体的可以是200~950nm的材料，如常见的氮化物，具体的如氮化镓基半导体外延叠层，氮化镓基外延叠层常见有掺杂铝、铟等元素，主要提供200~550nm波段的辐射；或者常见的铝镓铟磷基或铝镓砷基半导体外延叠层，主要提供550~950nm波段的辐射。本实施例中优选半导体外延叠层为铝镓砷基半导体外延叠层，1020~1080nm红外波段[WU1] 的辐射。
第一电流扩展层104起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在2000nm以上，10000nm以下。本实施例中，优选所述第一电流扩展层104的厚度为5000~9000nm，可保证电流得到均匀的扩展。所述第一电流扩展层104材料为AlbGa1-bAs，所述y的范围为0≤b≤0.25。所述第一电流扩展层104的掺杂浓度为1E+17~4E+18/cm3。
半导体外延叠层中的第一覆盖层105和第二覆盖层107分别具有不同的掺杂类型。于本实施例中，第一覆盖层105为提供电子的n型，第二覆盖层107为提供空穴的p型，可通过掺杂元素实现第一覆盖层105或第二覆盖层107具有n型或p型的掺杂类型。第一覆盖层105的能隙与第二覆盖层107能隙皆大于有源层106的能隙。第一覆盖层105可通过掺杂Si或者Te实现n型掺杂；第二覆盖层107可通过掺杂C或者Zn实现p型掺杂。本实施例中，第一覆盖层的材料为AlaGa1-aAs，其中a的范围为0.3~0.45。第一覆盖层的厚度为0.3~1um，所述掺杂浓度为3E+17~2E+18/cm3，以提供足够的电子。
有源层106为电子和空穴复合提供光辐射的区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，有源层106可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。有源层106包含量子阱层和量子垒层，其中量子垒层具有比量子阱层更大的带隙。通过调整有源层106中半导体材料的组成比，以期望辐射出不同波长的光。有源层106为提供电致发光辐射的材料层，如铝镓铟磷或铟镓砷，更优选的为铟镓砷，铟镓砷为单量子阱或者多量子阱。本实施例中，有源层106为多量子阱结构，有源层106的周期数为3~15，优选有源层106的周期数为5个以上。优选量子阱层材料为InxGa1-xAs，量子垒层的材料为GaAs1-yPy，其中0.2≤x≤0.3,0≤y≤0.05。量子阱层的厚度为95~115A；量子垒层的厚度为400~520A。本实施例中，InxGa1-xAs量子阱层厚度设定在95~115A，控制In组分x≤30%满足发光峰值波长在1000nm~1100nm，但在这种情况下InxGa1-xAs量子阱层和GaAs基板的失配度在1.4%~2.1%，如此大的失配度导致InxGa1-xAs量子阱层存在很大的压应力，严重影响发光二极管器件的发光效率和可靠性。基于上述技术问题，本专利在设定量子阱层的组分和厚度条件基础上，通过调制量子垒层的拉应变，从而减少有源层结构的整体应力。现有文献（《半导体激光器》清华大学出版社）中提出解决该类问题思路需要将量子垒厚度设置在临界厚度10nm以内，通过调整GaAs1-yPy材料的As、P比例从而达到有源层结构整体应力平衡目的，实际按照这个思路解决问题的过程中发现无法得到预期结果，有源层结构依然存在大量的缺陷，宏观上表现为半导体外延叠层的表面粗糙。通过实验及进一步研究分析，得出在量子阱内部压应力较大情况下，量子垒在临界厚度内无法实现应力完全补偿的结论，因此本实施例设计出了厚度远大于临界厚度的量子垒结构，量子垒厚度在400~520A范围内，并通过调整量子垒层GaAs1-yPy材料的y范围在0~0.05，得到了外观良好的有源层结构，有效解决量子阱层和GaAs衬底之间的晶格失配大引起的垒晶质量差的问题，提升了1050nm±50nm红外发光二极管的发光效率和可靠性。
第二电流扩展层108起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度优选所述第二电流扩展层108的厚度为0~3000nm，可保证电流得到均匀的扩展。所述第二电流扩展层108材料为AlyGa1-yAs，所述y的范围为0≤y≤0.25。所述第二电流扩展层108为p型掺杂，其掺杂浓度为1E+17~4E+18/cm3。
第二欧姆接触层109为与第二电极204形成欧姆接触，优选材料为GaP，掺杂浓度为5E18/cm3，更优选为1E19/cm3以上，以实现更好的欧姆接触。所示第二欧姆接触层109的厚度优选为30nm以上，100nm以下。本实施例中，优选所述第二欧姆接触层109的厚度为50nm。
图2显示了一种不可见光发光二极管的示意图，所述不可见光发光二极管采用图1所示的外延结构，所述不可见光发光二极管包含一基板200，所述半导体外延叠层通过键合层201键合至基板200上，所述半导体外延叠层包括在所述基板200上依次层叠的第二欧姆接触层109，第二电流扩展层108，第二覆盖层107，有源层106，第一覆盖105，第一电流扩展层104和第一欧姆接触层103。
所述基板200为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅或者金属基板，所述金属基板优选为铜、钨或者钼基板。为了能够以充分的机械强度支撑半导体外延叠层，基板200的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向半导体外延叠层键合后对基板200的机械加工，优选基板200的厚度不超过300μm。本实施例中，优选基板200为硅基板。
第一欧姆接触层103上设置有第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103之间形成欧姆接触，以实现电流流通。第一欧姆接触层103仅保留第一电极203垂直下方的部分。第一电流扩展层104在水平方向上包括两个部分，即包括位于第一电极203下方的部分P1，未位于第一电极203下方的部分P2被暴露定义为出光面。第一电流扩展层104的出光面可以环绕第一电极203形成。出光面进一步通过蚀刻工艺形成图形面或粗化面，其中图形面可以是蚀刻获得图形。粗化面可具有规则的表面结构或者任意的不规则的表面微纳米结构，粗化表面或图形表面实质上为发光层的光能够更加容易的逃逸出去，提高出光效率。优选地，出光面为粗化面，粗化形成的表面结构的高度差(或者高低差)低于1微米，优选地为10~30nm。
第一电流扩展层104包括仅位于第一电极500下方的部分P1的第二表面，由于被第一电极203保护而不会被粗化。第一电流扩展层104的粗化面的水平高度由于粗化工艺实质上相对于位于第一电极203下方的第二表面（界面）的水平高度更低。
具体的，如图2所示，于本实施例中，第一电流扩展层104包括位于第一电极203下方的部分P1以及不位于第一电极203下方的部分P2，第一电流扩展层104在电极覆盖的部分P1具有第一厚度t1，未被第一电极覆盖的第一电流扩展层104具有第二厚度t2。优选地，第一厚度t1为1.5~2.5微米，第二厚度t2为0.5~1.5μm。P1部分的厚度t1大于P2部分的厚度t2。较佳的，第一厚度t1大于第二厚度t2至少0.3μm。
半导体外延叠层与基板200之间可设置镜面层202，镜面层202包括P型欧姆接触金属层201a和介电材料层201b，两者配合一方面与第二欧姆接触层110形成欧姆接触，另一方面用于将有源层106发出的光束反射至第一电流扩展层104的出光面或者半导体外延叠层的侧壁进行出光。
所述不可见光发光二极管还包含第二电极204。在一些实施例中，所述第二电极204位于所述基板200的背面。或者设置的第二电极204位于在基板200上，与半导体外延叠层同侧。
所述第一电极203和第二电极204包括透明导电材料和或金属材料。透明导电材料包括透明导电层，如ITO或IZO，金属材料包括GeAuNi、AuGe、AuZn、Au、Al、Pt、Ti中至少一种。
本实施例通过调整有源层中量子阱层和量子垒层的组分和厚度，可有效解决量子阱层和GaAs衬底之间的晶格失配大引起的压缩应变大，外延晶体质量差的问题，提升1050nm±50nm红外发光二极管的发光效率和可靠性。
实施例2
下面结合制造方法对本发明之高亮度不可见光发光二极管进行详细说明。
首先，提供一个外延结构，如图1所示，其具体包括：提供一个生长衬底100，优选地为砷化镓，生长衬底100上通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层，半导体外延叠层包括依次层叠在生长衬底100表面的缓冲层101以及蚀刻截止层102，用于移除外延生长衬底100，然后生长第一欧姆接触层103，第一电流扩展层104，第一覆盖层105，有源层106，第二覆盖层107，第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
接着，将半导体外延叠层转移至基板200上，去除生长衬底100，获得如图3所示的结构，具体的包含如下步骤：在第二欧姆接触层109制作镜面层202，其包括P型欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第二欧姆接触层109形成欧姆接触，另一方面用于反射有源层射向下方的光线；提供基板200，在基板200上设置金属键合层201，将基板201与镜面层202进行键合，并去除生长衬底100，生长衬底100为砷化镓的情况下，可采用湿法蚀刻工艺移除，直至露出第一欧姆接触层103。
接着，如图4所示，第一欧姆接触层103上形成第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103形成良好的欧姆接触，在基板200的背面侧形成第二电极204，借此在第一电极203和第二电极204以及半导体外延叠层之间可以通过传导电流。
然后，形成掩膜覆盖在第一电极203上，第一电极203周围的第一欧姆接触层103被暴露；进行蚀刻工艺，蚀刻去除第一电极203周围的第一欧姆接触层103，使非位于第一电极109下方的欧姆接触层103被完全移除，同时暴露第一电流扩展层104，接着蚀刻第一电流扩展层104，以形成图形化或粗化面，形成如图2所示的结构。欧姆接触层的去除工艺以及第一电流扩展层104进行粗化处理可以是同一步骤或者多个步骤的湿法蚀刻工艺，湿法蚀刻的溶液可以是酸性溶液，如盐酸、硫酸或者氢氟酸或者柠檬酸，或者其它任何较佳的化学试剂。
最后，根据尺寸需要通过蚀刻、劈裂等工艺获得单元化的不可见光发光二极管。
实施例3
本实施例提供一种发光装置300，请参考图5，发光装置300包括如前述任意实施例的多个阵列排布的发光二极管，在图5中用放大显示的示意方式显示了一部分发光二极管1。
本实施例中，所述发光装置300可为传感器用光源，在无线耳机、智能穿戴等领域被广泛选用。
由于具有前述各实施例的发光二极管，发光装置300具有前述各实施例发光二极管带来的优点。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (11)

1.不可见光发光二极管，其特征在于：
所述不可见光发光二极管包括：
半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层，有源层和第二类型半导体层；
所述有源层包括交替堆叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层的材料为InxGa1-xAs，所述量子垒层的材料为GaAs1-yPy，其中0.2≤x≤0.3,0≤y≤0.05。
2.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述量子阱层的厚度为95~115A；所述量子垒层的厚度为400~520A。
3.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述有源层的周期数为3~15。
4.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述第一类型半导体层包含第一覆盖层，所述第一覆盖层的材料为AlaGa1-aAs，其中a的范围为0.3~0.45。
5.根据权利要求4所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述第一覆盖层的厚度为0.3~1μm，所述掺杂浓度为3E+17~2E+18/cm3。
6.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述第一类型半导体层包含第一电流扩展层，所述第一电流扩展层的材料为AlbGa1-bAs，其中b的范围为0~0.3。
7.根据权利要求6所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述第一电流扩展层的厚度为0~10μm，掺杂浓度为3E+17~2E+18/cm3。
8.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述发光二极管通过键合层键合在基板上。
9.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述半导体外延叠层和基板之间含有反射层。
10.根据权利要求1所述的不可见光发光二极管，其特征在于：所述不可见光发光二极管辐射1000~1100nm的不可见光。
11.发光装置，其特征在于：所述发光装置包括权利要求1~10所述的不可见光发光二极管。
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