CN1227670A - 制造一种红外发射发光二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造一种红外发射发光二极管的方法，在这种方法中在一个优先由GaAs构成的半导体衬底(1)上被涂上一个层序列，它是由半导体衬底(1)一个第一个AIGaAs－覆盖层(2)，一个包含有GaAs和/或AlGaAs的活性层(3)和一个第二个AlGaAs－覆盖层(4)组成的，其中第一个AlGaAS－－覆盖层(2)和活性层(3)是用一种MOVPE－(金属组织气相外延)－法以及第二个AlGaAs－覆盖层(4)是用一种LPE－法制造的。此外在第二个AlGaAs－覆盖层上用一种LPE－(液相外延)－法沉积上一个厚度至少约为10μm的导电的、在红外光谱范围透光的耦合层(5)。

Description

制造一种红外发射发光二极管的方法
本发明涉及制造一种红外发射发光二极管的一种方法，在一个优先由GaAs构成的半导体衬底上，被涂上当发光二极管运行时能发射一个红外(IR)-射线束的活性层序列，此序列是由半导体衬底一个第一个AlGaAs-覆盖层，含有一个GaAs和/或AlGaAs的活性层和一个第二个AlGaAs-覆盖层构成。
发光二极管即光发射的二极管(LED)特别是在光通讯技术方面被用作为发射元件。按照所期望的发射光的波长使用不同的半导体系统，其各自作为基础的半导体材料也会由于其各自的技术问题而产生不同的制造方法。在波长约为400至800nm的可见光谱范围使用一种AlGaInP-合金系统，通过调整它的铝含量可以确定所期望的光波波长是在一个相对较宽的色谱范围之内。与之相区别的发光二极管，它具有在红外范围工作的较长的波长并且一般来说是以一种AlGaAs-系统为基础的，通过调整它的约为10％至30％典型范围内的铝含量发射光的波长可以达到上限约为800nm。本发明从事于制造一个以AlGaAs-系统为基础的红外-发光二极管。在迄今为止的红外-发光二极管中所有涂在GaAs-衬底上的层序列都是用LPE-(液相外延)-法制造的。用这种方法为了形成一个外延层将一个在一定温度下由所期望的添加材料组成的过饱和溶液与GaAs衬底晶体相接触，在随后的冷却过程中在衬底晶体上形成一个GaAs以及AlGaAs的外延层。用这种方法可以与相曲线相对应地生长成不同成分的单晶层。液相外延法具有相对大的成长率并且因而也适合于制造相对厚的外延层。恰恰当制造这里感兴趣的AlGaAs-系统的红外-发光二极管的层序列时被认为这是个缺点，用至今为止的方法沉积的，相对厚的AlGaAs-LPE-层承受机械应力并且因而导致外延-晶片承受弯曲，它们在以后的工序中是很难加工的。由于这个原因至今所使用的在半导体衬底上用最大晶片直径为二英寸的晶片组合制造红外发射发光二极管的方法是受到限制的。
在本发明的进一步的结构中红外发射发光二极管有一个所谓的耦合层以改善由发光二极管发射出光线的光学耦合效率。在这里光学耦合效率首先在很大的程度上由基础半导体材料的层结构所决定。如果原本的光产生是在一个薄的，综合成为活性层的被称为层上完成的，和例如如在双-异-层结构的发光二极管中包含一个所谓的活性区或者如在均质-pn-发光二极管中包含一个围绕pn-过渡区形成的光产生区，这样双面均具有一个低吸收率的覆盖层对于发射的波长可以明显地改善耦合效率。此外在制造层结构时必须涂上比在光产生区(活性层)相对厚的具有较大带宽的半导体层。当前制造这种结构只有用液相外延-法(LPE)或者用各种气相外延-法的组合而产生，其中后者光产生的结构一般是用MOVPE-法并且厚的耦合层是用VPE-法制造的。使用MOVPE-方法制造具有如此厚的耦合层的LED-结构的一个缺点是其沉积率相对比较低。为了制造厚度约大于10nm相对比较厚的窗层以及优先为GaAs的可以非常高地提高耦合效率的耦合层，至今是使用由MOVPE-法和VPE-法组合在一起的方法。依据本发明也应提供一种新的组合方法，用这种方法应能制造具有厚耦合层的LED-结构。但是在这里除了其它以外还有一个困难，不仅耦合层的成分而且耦合层的制造条件都将影响表面的效率，因为敏感的层结构的损坏程度(一个活性区的双-异-层，以及pn-过渡区)是由给定的参数所决定的。
由US 5,233,204以及由K.H.Huang,et.al.Appl.Phys.Lett.61(9),31.8月1992,1045-1047页中得知制造波长为555至620nm的可见光谱范围的发光二极管是用一种AlGaInP-合金系统为基础的。这种发光二极管包括一个层序列，它是由一个GaAs-衬底，一个第一个AlGaInP-覆盖层为n-型，一个AlGaInP为n-型的活性区和一个第二个AlGaInP-覆盖层为p-型所组成。两个覆盖层每个的厚度约为800nm，活性区的厚度约为500nm。第一个AlGaInP-覆盖层，活性区，和第二个AlGaInP-覆盖层是用一种MOCVD-(金属组织化学汽沉积)-法制造的。而且也得知，在第二个AlGaInP-覆盖层之上是由一个用一种VPE-(气相外延)-法制造的厚度至少为15μm的GaP、AlGaAs和GaAsP透光的耦合层构成的。在这里耦合层是通过减少侧面发射的光数量和通过减少由光吸收衬底吸收的光数量以增大发光二极管的有效光辐射。为此耦合层具有一个至少为0.06×发光二极管宽度的厚度。此时耦合层的光折射指数被这样选择，即由全反射角决定的，在发光二极管内吸收的光部分被减少。
本发明的基本任务是，提供一种制造一种用一个GaAs-半导体衬底和一个以AlGaAs-系统为基础的层序列的红外发射发光二极管的方法，在这里即使在相对比较厚的AlGaAs-层沉积时也可以减少所产生的机械应力，并且因而也适用于毫无问题地大量制造直径大于2英寸的晶片组合的发光二极管。
此任务是通过在权利要求1中叙述的方法解决的。
本发明方法的有利的进一步发展和结构形式是从属权利要求2至9的内容。
本发明的内容为：第一个AlGaAs-覆盖层和活性区是用一种MOVPE-(金属组织气相外延)-法以及第二个AlGaAs-覆盖层是用一种LPE-(液相外延)-法制造的。依照本发明用MOVPE和LPE的组合方法在制造一种以AlGaAs-系统为基础的红外发射发光二极管时与至今使用的方法比较具有以下优点：
为了得到一个最佳的光学结构匹配，它对于一个好的放电载体的活动性和外延层的高寿命是重要的，对于机械应力来说特别危险的第一个AlGaAs-覆盖层和活性层是用一种MOVPE-法制造的，这时所用的金属是在优先用三氯镓作为气相载体在低汽压的气相内传送的。此时沉积发生在GaAs-晶体熔点以下很多的地方，因此由外延-系统产生的不洁物的侵入明显地被阻止。当由覆盖层和活性区构成的活性层结构的总厚度很典型的大约为10μm时，用MOVPE-法提供的沉积率还足够高。为了制作第二个AlGaAs-覆盖层选择了LPE-法，这种方法比较简单和便宜并且提供较高的沉积率，因此特别适用于层厚比较大时。用这种方法制造的外延-晶片比起按照至今已知的方法制造的外延-晶片具有一个非常小的弯曲。
为了制造厚度约大于10μm的相对厚的窗层以及耦合层或者甚至厚度约大于70μm的由自身支撑的耦合层时在第二个覆盖层上应给于发明原理以下建议，对于第一个覆盖层和活性层用MO-气相外延，对于第二个覆盖层和耦合层用液相外延的组合方法，它提供了一种新的，能很好的实现制造所期望的红外发射发光二极管的方法，此时对于液相沉积特别使用了这样一种LPE-变型方法，这种方法给光产生层结构带来一个尽可能小的热负荷，即例如一种温差-LPE-法。通过后序的腐蚀以及溶解掉被GaAs吸收的衬底将能达到，用这种方法制造的IP-发光二极管具有一个特别高的耦合效率。
本发明进一步的特点、优点和目的将借助附图的结构示例进行如下描述。如：
附图1按照本发明的一个第一个实施例的一个IR-发光二极管的一个截面简图；
附图2按照本发明的一个第二个实施例的一个IR-发光二极管的一个截面简图；和
附图3按照本发明的一个第三个实施例的一个IR-发光二极管的一个截面简图。
在附图1中表示的一个按照本发明方法制造的红外发射发光二极管的实施例包括一个GaAs半导体衬底，在其上涂上一层当发光二极管运行时发射一束IR-射线的活性层序列，它是由半导体衬底1一个第一层x=0.35的AlxGa1-xAs-覆盖层2，一个活性层3和一个第二层x=0.35的AlxGa1-xAs-覆盖层4组成。按照附图1实施例的活性层3表示了发射波长约为830nmIR-射线的一个AlGaAs-双-异结构；另外活性层3也可以由一种均质-pn-过渡区构成。在附图1中表示的层结构特别适合于制造特别快的红外发射发光二极管。
第一个AlxGa1-xAs-覆盖层2和活性层3是用一种MOVPE-(金属组织气相外延)-法制造的，而第二个AlxGa1-xAs-覆盖层4是用一种LPE-(液相外延)-法制造的。
在附图2表示的实施例中在第二个AlxGa1-xAs-覆盖层4上附加沉积了一个x=0.2-0.4的AlxGa1-xAs-耦合层5，这个AlxGa1-xAs-耦合层5是用一种LPE-(液相外延)-法沉积的并且其总厚度约为10μm至50μm。符号6和7是导电的电极连接，在附图1的图中为了简单起见被省略了。
在附图3的实施例中AlxGa1-xAs-耦合层5是由一个厚度至少约为50μm的自支撑层组成。并且光吸收衬底1是用腐蚀或者类似的溶解法被溶解掉了。在这个实施例中自支撑耦合层5作为透光的衬底，它支撑着由2、3、4以及6、7层组成的结构。
在附图2和3中表示的实施例特别适用于制造特别亮的红外发射发光二极管。
                            符号表
1    半导体衬底
2    第一个AlxGa1-xAs-覆盖层
3    活性层
4    第二个AlxGa1-xAs-覆盖层
5    AlxGa1-xAs-耦合层
6,7  导电的电极连接

Claims (9)

1．制造一种红外发射发光二极管的方法，在一个优先由GaAs构成的半导体衬底(1)上涂上一层当发光二极管运行时发射一束红外射线的活性层，其从半导体衬底(1)出发由一个第一个AlGaAs-覆盖层(2)，一个含有GaAs和/或AlGaAs的活性层(3)和一个第二个AlGaAs-覆盖层组成，其特征在于，第一个AlGaAs-覆盖层(2)和活性层(3)是由一种MOYPE-(金属组织气相外延)-法并且第二个AlGaAs-覆盖层(4)是由一种LPE-(液相外延)-法制成的。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于，第一个AlGaAs-覆盖层(2)和/或第二个AlGaAs-覆盖层(4)的每个的Al-含量约为10％至约为35％。
3．按照权利要求1或2的方法，其特征在于，如果晶片的直径大于2英寸时，可以实现大量制造晶片组合的红外发射发光二极管。
4．按照权利要求1至3之一的方法，其特征在于，在第二个AlGaAs-覆盖层(4)上用一种LPE-(液相外延)-法涂上一层导电的、在红外光谱范围透光的厚度至少约为10μm的耦合层(5)。
5．按照权利要求4的方法，其特征在于，耦合层(5)被构成为自支撑的并且其厚度至少约为50μm。
6．按照权利要求5的方法，其特征在于，优先由GaAs构成的半导体衬底(1)在自支撑耦合层(5)制造后被去掉。
7．按照权利要求5或6的方法，其特征在于，耦合层(5)是由优先约为20％至约为35％的Al-含量的AlGaAs构成。
8．按照权利要求5至7之一的方法，其特征在于，耦合层(5)是由多个LPE-单工序制造而成。
9．按照权利要求4至8的方法，其特征在于，耦合层(5)是用一种温差-LPE-法制造的。
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