一種高晶體質量紅外發光二極體的製作方法
2023-06-04 03:29:41 1
一種高晶體質量紅外發光二極體的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種高晶體質量紅外發光二極體，在襯底之上依次形成緩衝層、腐蝕截止層、歐姆接觸層、電流傳輸層、粗化層、第一型導電層、有源層及第二型導電層；有源層由多組的量子壘、降溫層及量子阱三層結構循環構成，降溫層位於量子壘與量子阱之間。本實用新型解決有源區的量子阱與其它外延層存在失配，引起的外延層晶體質量差的問題，提高紅外發光二極體量子效率。
【專利說明】一種高晶體質量紅外發光二極體
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及紅外發光二極體【技術領域】，尤其是指一種高晶體質量紅外發光二極體。
【背景技術】
[0002]紅外發光二極體由於具有功耗低、尺寸小和可靠性高等優點，廣泛應用於通信、遙感裝置等領域。
[0003]現有技術中，紅外發光二極體主要採用液相外延法生長的異質結作為有源層的紅外發光二極體，液相外延方法生長的紅外二極體的缺陷在於內量子效率較低，功率受到限制。
[0004]隨著對紅外發光二極體功率的需求越來越高，製造大功率紅外發光二極體已成為發展趨勢。採用金屬有機化合物氣相沉積法，外延生長具有量子阱結構的紅外發光二極體能取得較高的內量子效率。
[0005]然而，目前採用金屬有機化合物氣相沉積法製作具有倒置晶片結構的紅外發光二極體存在缺陷:一、量子阱材料與其它外延層材料存在失配，嚴重時會導致有源區的晶體質量變差；二、外延初期的磷化物切換到砷化物生長時，由於磷化物為含In化合物，界面如未處理好，會導致後續外延生長的晶體質量變差。兩種因素的存在影響紅外發光二極體量子效率的提升。因此，改善外延晶體質量，成為提高紅外發光二極體發光效率的一條途徑，本案由此產生。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於提供一種高晶體質量紅外發光二極體，以解決有源區的量子阱與其它外延層存在失配，引起的外延層晶體質量差的技術問題，提高紅外發光二極體發光效率。
[0007]為達成上述目的，本實用新型的解決方案為:
[0008]一種高晶體質量紅外發光二極體，在襯底之上依次形成緩衝層、腐蝕截止層、歐姆接觸層、電流傳輸層、粗化層、第一型導電層、有源層及第二型導電層；有源層由多組的量子壘、降溫層及量子阱三層結構循環構成，降溫層位於量子壘與量子阱之間。
[0009]進一步,所述降溫層的厚度為2_6nm。
[0010]進一步，所述降溫層為組分漸變降溫層，且有效組分由量子壘至量子阱方向逐漸降低。
[0011]進一步，所述組分漸變降溫層由AlGaAs材料構成，且Al組分的重量含量由量子壘至量子阱方向逐漸降低。
[0012]進一步，所述由AlGaAs材料構成的組分漸變降溫層，其中Al組分的重量含量小於
3% ο
[0013]進一步,所述量子壘由AlGaAs材料構成,其中Al組分的重量含量大於30%。Al組分高於30%具有較好的電子、空穴限制作用。
[0014]進一步，在有源層與第一型導電層之間形成第一溫度過渡層，而在有源層與第二型導電層之間形成第二溫度過渡層。
[0015]進一步，第一溫度過渡層的生長材料與第一型導電層的材料相同；第二溫度過渡層的生長材料與第二型導電層的材料相同；第一溫度過渡層及第二溫度過渡層由AlGaAs材料構成。
[0016]進一步，所述粗化層第一粗化層、第二粗化層、第三粗化層及第四粗化層構成；其中，第一粗化層的厚度為10-50nm;第二粗化層的厚度為100_150nm ;第三粗化層的厚度為150-250nm ;第四粗化層的厚度為500_800nm。
[0017]進一步，所述粗化層由AlGaAs材料構成；腐蝕截止層及電流傳輸層由(AlxGa1Ja5Ina5PM料構成，且 O 彡 x 彡 I。
[0018]為達到製備高晶體質量的紅外發光二極體，需要採用如下外延生長步驟:
[0019]步驟一，在襯底上依次形成外延生長緩衝層、腐蝕截止層、歐姆接觸層及電流傳輸層；
[0020]步驟二，電流傳輸層生長結束後停頓I分鐘，且反應室壓力降低30mbar後開始生長粗化層；
[0021]步驟三，在粗化層之上外延生長第一型導電層；
[0022]步驟四，在第一型導電層上生長量子壘，量子壘採用Al組分較高的AlGaAs材料；
[0023]步驟五，在量子壘外延結束後，無需生長停頓，改變Al、Ga的生長流量，過渡到Al組分較低AlGaAs材料構成的組分漸變降溫層；在生長組分漸變降溫層時，生長溫度呈漸變式下降；
[0024]採用漸變式生長的方式過渡到Al組分較低的AlGaAs材料，為後續生長量子阱時通過直接開In源生長做過渡。由於有源層發的光是紅外波段，在獲得相同波長條件下，採用的AlGaInAs材料，Al組分越低，In含量會越少，材料匹配性越好，因此採用量子阱採用Al組分小於3%是較合適的範圍。組分漸變降溫層的厚度不可太厚，如果厚度偏厚會降低量子阱和量子壘的勢壘界面的陡峭程度，從而降低了量子壘的電子、空穴的限制作用；但厚度偏薄的情況下，外延生長時由於Al組分變化太快也會影響晶體質量。因此組分漸變降溫層採用厚度範圍在2-6nm區間比較合適。
[0025]步驟六，組分漸變降溫層生長完成時，降溫過程也完成，且生長無停頓，直接外延生長AlGaInAs量子阱層；採用無外延停頓生長可改善量子壘與量子阱之間的生長界面。
[0026]步驟七，量子阱生長結束後，暫停外延生長，反應室溫度回升，且溫度恢復到與量子壘生長溫度相同。
[0027]量子壘採用較高的溫度生長會得到較好的材料質量，暫停時間不宜過短，暫停時間過短會導致生長完成量子阱時，AlGaInAs材料的生長界面上In未完全併入，暫停時間的長短主要根據升溫的快慢，但也不可以偏長。
[0028]步驟八，繼續依次生長量子壘、組分漸變降溫層及量子阱，使得有源層由交替生長的多組量子壘、組分漸變降溫層、量子阱構成；
[0029]步驟九，在有源層上外延生長第二型導電層。
[0030]進一步，在第一型導電層上生長第一溫度過渡層，生長第一溫度過渡層時溫度呈漸變式下降，在第一溫度過渡層上生長量子壘；在有源區上生長第二溫度過渡層，第二溫度過渡層的生長溫度呈漸變式上升，溫度數值恢復到生長第一型導電層時的溫度數值；在第二溫度過渡層上外延生長第二型導電層。
[0031]進一步，生長第一溫度過渡層時，最高生長溫度與最低生長溫度的溫差範圍為15-300C ;生長第二溫度過渡層時，最高生長溫度與最低生長溫度的溫差範圍為15-30°c。
[0032]第一溫度過渡層的外延生長溫度呈漸變式下降，且降溫範圍為15_30°C。由於量子阱所用的材料適合採用較低的溫度外延生長，因此引入第一溫度過渡層提前降溫，可避免由於量子阱和量子壘之間的降溫幅度偏大，影響量子壘和量子阱的生長界面。
[0033]生長第二溫度過渡層時，溫差範圍為15_30°C，第二溫度過渡層的生長材料與之相鄰的第二型導電層的材料相同，生長溫度相對升高有利於第二型導電層獲得較好的晶體質量。
[0034]進一步，在電流傳輸層上依次生長四層粗化層，四層粗化層採用不同厚度且在不同反應室壓力的條件下壓變外延生長；
[0035]生長第一粗化層時，反應室壓力比正常生長壓力降低30_60mbar ；
[0036]生長第二粗化層時，反應室壓力從比正常生長壓力低30-60mbar提高至比正常生長壓力低20-40mbar，採用變壓生長，變壓數值為10_20mbar ；
[0037]生長第三粗化層時，反應室壓力從比正常生長壓力低20-40mbar提高至比正常生長壓力低10-20mbar，採用變壓生長，變壓數值為10_20mbar ；
[0038]生長第四粗化層時，反應室壓力從比正常生長壓力低10-20mbar提高至正常生長壓力，採用變壓生長，變壓數值為10-20mbar。
[0039]本文所述正常生長壓力是指量子阱等外延層的生長壓力，範圍為70-100mbar。
[0040]由於電流傳輸層為含銦的磷化物材料，在此之上外延生長AlGaAs材料，容易導致銦元素擴散至AlGaAs材料引起生長界面變差，所述依次生長四層粗化層，四層粗化層採用不同厚度且在不同反應室壓力的條件下壓變外延生長工藝有效解決該問題。
[0041]進一步，組分漸變降溫層的外延生長溫度的差值範圍為10_40°C。在外延生長組分漸變降溫層時，生長溫度呈漸變式下降，且降溫範圍在10-40°C區間。採用生長溫度的下降，是因為構成量子阱的AlGaInAs材料含有In元素，在較低溫度條件下生長可促進In源在AlGaInAs材料外延生長時的併入效率，減少In源過多的吸附在AlGaInAs材料生長面上懸浮而導致的生長界面惡化。
[0042]進一步,量子講結束生長後,外延生長暫停的時間範圍為2_5s。
[0043]採用上述方案後，本實用新型有源層由多組的量子壘、降溫層及量子阱三層結構循環構成，降溫層位於量子壘與量子阱之間，有效解決有源區的量子阱與其它外延層存在失配，引起的外延層晶體質量差的技術問題，提高紅外發光二極體發光效率。
[0044]同時，在有源層與第一型導電層之間形成第一溫度過渡層，而在有源層與第二型導電層之間形成第二溫度過渡層，進一步解決有源區的量子阱與其它外延層存在失配，弓丨起的外延層晶體質量差的技術問題，提高紅外發光二極體發光效率。
[0045]所述粗化層由第一粗化層、第二粗化層、第三粗化層及第四粗化層構成，解決磷化物生長切換到砷化物生長容易導致晶體質量下降技術問題。
[0046]所述高晶體質量紅外發光二極體的製作方法，解決生長有源區由於採用的量子阱構成材料與其它外延層存在失配，引起的外延層晶體質量差，而導致紅外發光二極體的內量子效率不高，且與理論值偏差較大的問題。通過在有源區生長時，採用有源層由交替生長的多組量子壘、組分漸變降溫層、量子阱構成的外延結構、生長溫度梯度、生長過程控制、生長界面等外延生長工藝，解決了外延生長時量子魚與量子講、量子講與量子魚由於材料失配及生長界面惡化而引起的外延層晶體質量變差的問題。通過改善有源區晶體質量，提高了發光二極體的內量子發光效率，使得紅外發光二極體的內量子效率與理論值接近。
[0047]在第一型導電層上生長第一溫度過渡層，在有源區上生長第二溫度過渡層，進一步解決了外延生長時量子壘與量子阱、量子阱與量子壘由於材料失配及生長界面惡化而引起的外延層晶體質量變差的問題。
[0048]同時，通過在電流傳輸層上依次生長四層粗化層，四層粗化層採用不同厚度且在不同反應室壓力的條件下壓變外延生長；解決磷化物生長切換到砷化物生長容易導致晶體質量下降技術問題，即通過磷化物生長切換到砷化物生長採用界面停頓處理、低壓形核及變壓生長，改善在磷化物上生長砷化物的晶體質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049]圖1為本實用新型實施例一的外延結構示意圖；
[0050]圖2為本實用新型實施例一的生長壓力隨生長厚度(生長時間)的變化曲線；
[0051]圖3為本實用新型實施例一生長過程的溫度曲線及停頓、材料組分變化情況示意圖；
[0052]圖4為本實用新型實施例一的外延生長反射率曲線對比其它外延生長技術的外延生長反射率曲線截圖；
[0053]圖5為本實用新型實施例二的生長的外延結構示意圖；
[0054]圖6為本實用新型實施例二的生長壓力隨生長厚度(生長時間)的變化曲線；
[0055]圖7為本實用新型實施例二生長過程的溫度曲線及停頓、材料組分變化情況示意圖。
[0056]標號說明
[0057]襯底I緩衝層2
[0058]腐蝕截止層3歐姆接觸層4
[0059]電流傳輸層5粗化層6
[0060]第一粗化層61第二粗化層62
[0061]第三粗化層63第四粗化層64
[0062]第一型導電層7第一溫度過渡層8
[0063]有源層9量子壘91
[0064]組分漸變降溫層92 量子阱93
[0065]第二溫度過渡層10 第二型導電層11。
【具體實施方式】
[0066]以下結合附圖及具體實施例對本實用新型做詳細描述。
[0067]實施例一
[0068]參閱圖1至圖4所示，本實用新型揭示的一種高晶體質量紅外發光二極體，由襯底I至下而上依次為生長緩衝層2、腐蝕截止層3、歐姆接觸層4、電流傳輸層5、粗化層6、第一型導電層7、第一溫度過渡層8、有源層9、第二溫度過渡層10及第二型導電層11。
[0069]粗化層6由四部分組成，分別為第一粗化層61、第二粗化層62、第三粗化層63、第四粗化層64。
[0070]有源層9由七組量子壘91、組分漸變降溫層92及量子阱93交替構成。
[0071]為達到製備高晶體質量的紅外發光二極體，需要採用如下外延生長步驟:
[0072]1、採用反應室壓力lOOmbar，生長溫度650°C條件下，在GaAs襯底I上依次外延生長緩衝層2、腐蝕截止層3、歐姆接觸層4、電流傳輸層5。緩衝層3、歐姆接觸層4採用GaAs材料；腐蝕截止層3及電流傳輸層5採用Gaa5Ina5P材料，且O < x < I。
[0073]2、在電流傳輸層5生長結束後，生長停頓I分鐘且反應室壓力降低60mbar，接著開始生長粗化層6，粗化層6採用AlGaAs材料，具體生長壓力隨生長厚度(生長時間)的變化曲線如圖2所示。
[0074]3、粗化層6採用四層不同厚度且在不同反應室壓力的條件下壓變外延生長。
[0075]生長第一粗化層61時,採用反應室壓力40mbar,且外延厚度為50nm。
[0076]生長第二粗化層62時，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從40mbar提高6Ombar外延變壓生長50nm ;反應室壓力在60mbar外延生長lOOnm。
[0077]生產第三粗化層63時，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從60mbar提高8Ombar外延變壓生長50nm ;反應室壓力在80mbar外延生長200nm。
[0078]生長第四粗化層64，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從SOmbar提高10mbar外延變壓生長50nm ;反應室壓力在10mbar外延生長500nm。
[0079]4、在粗化層6之上外延生長第一型導電層7，第一型導電層7採用AlGaAs材料。
[0080]5、在第一型導電層7上生長第一溫度過渡層8，第一溫度過渡層8的生長材料與之相鄰的第一型導電層7的AlGaAs材料相同。生長第一溫度過渡層9時溫度呈漸變式下降，且降溫幅度為20°C。
[0081]6、在第一溫度過渡層8上生長量子壘91，量子壘91的材料採用高Al組分的AlGaAs 材料，且 Al 組分為 40% 的 Al0.4Ga0.6As。
[0082]7、在量子壘91外延結束之後，無需生長停頓，改變Al、Ga的生長流量，直接過渡到低Al組分材料Alatl2Gaa98As的組分漸變降溫層92。組分漸變降溫層92構成材料的Al組分是漸變生長。組分漸變降溫層92的厚度採用4nm。
[0083]8、在生長組分漸變降溫層92的時候，生長溫度呈漸變式的下降，且降溫大小為30。。。
[0084]9、待降溫完成且生長組分漸變降溫層92剛好生長完成，無需生長停頓，直接外延生長Alatl2Gaa93Inatl5As量子講93外延層。
[0085]10、量子阱93生長完成後，暫停外延生長，暫停時間採用3s ;且反應室溫度回升至生長量子壘時的溫度大小。
[0086]11、外延交替生長7組的量子壘91、組分漸變降溫層92及量子阱93，生長暫停並回溫，且每組的外延生長工藝如上所述循環。具體生長過程的溫度曲線、停頓、材料組分變化情況如圖3所示。
[0087]12、在有源區9上生長第二溫度過渡層10，第二溫度過渡層10外延溫度呈漸變式上升，溫度大小恢復到與生長第一型導電層7的溫度相同；生長第二溫度過渡層10時，溫差採用20°C。第二溫度過渡層10的生長材料與之相鄰的第二型導電層11的AlGaAs材料相同。
[0088]13、在第二溫度過渡層10上外延生長第二型導電層11，第二型導電層11由AlGaAs材料組成。
[0089]如圖4所示，上方曲線a為採用以上實施例一的外延工藝的生長過程檢測到的反射率曲線圖，下方曲線b為其它外延工藝及方法的生長過程檢測到的反射率曲線圖。對比圖4的上方曲線a和下方曲線b截圖，可以明顯看出上方曲線a的反射率一直穩定在某一數值，而下方曲線b的反射率在開始生長有源區時反射率就變低，且長完有源區後數值逐漸明顯下降。說明採用本實用新型的外延工藝在生長完有源層之後晶體質量並沒有變差，而未採用本實用新型技術的外延工藝在生長有源層時晶體質量開始變差，且有源層及後續生長的外延層的晶體質量變差越來越明顯。
[0090]實施例二
[0091]實施例二與實施例一的區別在於:有源層9由六組量子壘91、組分漸變降溫層92及量子阱93交替構成，而實施例一為七組。
[0092]如圖5所示，一種紅外發光二極體，由襯底I至下而上依次為生長緩衝層2、腐蝕截止層3、歐姆接觸層4、電流傳輸層5、粗化層6、第一型導電層7、第一溫度過渡層8、有源層9、第二溫度過渡層10、第二型導電層11。
[0093]粗化層6由四部分組成，分別為第一粗化層61、第二粗化層62、第三粗化層63、第四粗化層64 ;有源層9由六組量子壘91、組分漸變降溫層92及量子阱93交替構成。
[0094]為達到製備高晶體質量的紅外發光二極體，需要採用如下外延生長步驟:
[0095]1、採用反應室壓力70mbar，生長溫度620°C條件下，在GaAs襯底I上依次外延生長緩衝層2、腐蝕截止層3、歐姆接觸層4、電流傳輸層5。緩衝層2、歐姆接觸層4採用GaAs材料；腐蝕截止層3及電流傳輸層5採用(Ala5Gaa5)a5Ina5P材料。
[0096]2、在電流傳輸層5生長結束後，生長停頓I分鐘且反應室壓力降低40mbar，接著開始生長粗化層6，粗化層6採用AlGaAs材料。具體生長壓力隨生長厚度(生長時間)的變化曲線如圖6所示。
[0097]3、粗化層6採用四層不同厚度且在不同反應室壓力的條件下壓變外延生長。生長第一粗化層61時，採用反應室壓力30mbar，且外延厚度為40nm。生長第二粗化層62時，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從30mbar提高40mbar外延變壓生長30nm ;反應室壓力在40mbar外延生長70nm。生長第三粗化層63是，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從40mbar提高50mbar外延變壓生長30nm ;反應室壓力在50mbar外延生長170nm。生長第四粗化層64時，反應室壓力採用變壓生長，反應室壓力從50mbar提高70mbar外延變壓生長60nm ;反應室壓力在70mbar外延生長700nm。
[0098]4、在粗化層6之上外延生長第一型導電層7，第一型導電層7採用AlGaAs材料。
[0099]5、在第一型導電層7上生長第一溫度過渡層8，第一溫度過渡層8的生長材料與之相鄰的第一型導電層7的AlGaAs材料相同。生長第一溫度過渡層8時溫度呈漸變式下降，且降溫幅度為25°C。
[0100]6、在第一溫度過渡層8上生長量子壘91，量子壘91的材料採用高Al組分的AlGaAs 材料，且 Al 組分為 35% 的 Al0.35Ga0.65As。
[0101]7、在量子壘91外延結束之後，無需生長停頓，改變Al、Ga的生長流量，直接過渡到低Al組分材料Alatl3Gaa97As的組分漸變降溫層92。組分漸變降溫層92構成材料的Al組分是漸變生長。組分漸變降溫層92的厚度採用3nm。
[0102]8、在生長組分漸變降溫層92的時候，生長溫度呈漸變式的下降，且降溫大小為15。。。
[0103]9、待降溫完成且生長組分漸變降溫層92剛好生長完成，無需生長停頓，直接外延生長Alatl28Gaa 922Inatl5As量子講93外延層。
[0104]10、量子阱93生長完成後，暫停外延生長，暫停時間採用2s;且反應室溫度回升至生長量子壘91時的溫度大小。
[0105]11、外延交替生長六組的量子壘91、組分漸變降溫層92及量子阱93，生長暫停並回溫，且每組的外延生長工藝如上所述循環。具體生長過程的溫度曲線、停頓、材料組分變化情況如圖7所示。
[0106]12、在有源區9上生長第二溫度過渡層10，第二溫度過渡層10外延溫度呈漸變式上升，溫度大小恢復到與生長第一型導電層7的溫度相同；生長第二溫度過渡層10時，溫差採用20°C。第二溫度過渡層10的生長材料與之相鄰的第二型導電層11的AlGaAs材料相同。
[0107]13、在第二溫度過渡層10上外延生長第二型導電層11，第二型導電層11由AlGaAs材料組成。
[0108]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並非對本案設計的限制，凡依本案的設計關鍵所做的等同變化，均落入本案的保護範圍。
【權利要求】
1.一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:在襯底之上依次形成緩衝層、腐蝕截止層、歐姆接觸層、電流傳輸層、粗化層、第一型導電層、有源層及第二型導電層；有源層由多組的量子壘、降溫層及量子阱三層結構循環構成，降溫層位於量子壘與量子阱之間。
2.如權利要求1所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:所述降溫層的厚度為2-6nm。
3.如權利要求1所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:所述降溫層為組分漸變降溫層，且有效組分由量子壘至量子阱方向逐漸降低。
4.如權利要求3所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:所述組分漸變降溫層構成材料包括AlGaAs三五族化合物，且Al組分的重量含量由量子壘至量子阱方向逐漸降低。
5.如權利要求1所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:在有源層與第一型導電層之間形成第一溫度過渡層，而在有源層與第二型導電層之間形成第二溫度過渡層。
6.如權利要求1所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:第一溫度過渡層的生長材料與第一型導電層的材料相同；第二溫度過渡層的生長材料與第二型導電層的材料相同；第一溫度過渡層及第二溫度過渡層由AlGaAs材料構成。
7.如權利要求1所述的一種高晶體質量紅外發光二極體，其特徵在於:所述粗化層由第一粗化層、第二粗化層、第三粗化層及第四粗化層構成；其中，第一粗化層的厚度為10-50nm ;第二粗化層的厚度為100_150nm ;第三粗化層的厚度為150_250nm ;第四粗化層的厚度為 500-800nm。
【文檔編號】H01L33/06GK204144300SQ201420449810
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】林志偉, 陳凱軒, 白繼鋒, 楊凱, 卓祥景, 張永, 姜偉, 蔡建九, 劉碧霞 申請人:廈門乾照光電股份有限公司