近紅外發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開近紅外發(fā)光二極管，在GaAs或AlGaAs襯底的頂部自下而上依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層及頂部第二型電流擴展層；在襯底的底部自下而上依次形成第一型隧穿結、第二型隧穿結、底部第二型電流擴展層、底部第二型限制層、底部有源層、底部第一型限制層及底部第一型電流擴展層；所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0×1019以上。本實用新型使得近紅外發(fā)光二極管的發(fā)光功率得到較大的提升，且其制造工藝較為簡單。
【專利說明】近紅外發(fā)光二極管
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及近紅外發(fā)光二極管。
【背景技術】
[0002]近紅外發(fā)光二極管由于低功耗、尺寸小和可靠性高而被廣泛應用于通信及遙感裝置等領域。
[0003]現(xiàn)有技術中，近紅外發(fā)光二極管主要采用液相外延法生長，且以AlGaAs異質結為活性層，所述方法生長的紅外二極管由于內量子效率較低。即便采用金屬有機化合物氣相外延法生長的具有量子阱結構的近紅外發(fā)光二極管，由于采用單個外延結構而顯得功率相對不聞。
[0004]隨著對近紅外發(fā)光二極管功率的需求越來越高，現(xiàn)有技術的近紅外發(fā)光二極管無法滿足功率要求，而采用金屬有機化合物氣相外延生長具有雙面量子阱的外延結構能獲得較大的功率，本案由此產生。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于提供近紅外發(fā)光二極管，從而獲得大功率的近紅外發(fā)光二極管，使得近紅外發(fā)光二極管的發(fā)光功率得到較大的提升。
[0006]為達成上述目的，本實用新型的解決方案為:
[0007]近紅外發(fā)光二極管，在GaAs或AlGaAs襯底的頂部自下而上依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層及頂部第二型電流擴展層；
[0008]在襯底的底部自下而上依次形成第一型隧穿結、第二型隧穿結、底部第二型電流擴展層、底部第二型限制層、底部有源層、底部第一型限制層及底部第一型電流擴展層；所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0XlO19 以上。
[0009]近紅外發(fā)光二極管，在GaAs或AlGaAs襯底的頂部自下而上依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層及頂部第二型電流擴展層；
[0010]在襯底的底部自下而上依次形成底部第一型電流擴展層、底部第一型限制層、底部有源層、底部第二型限制層、底部第二型電流擴展層、第二型隧穿結、第一型隧穿結及第一型電流傳輸層；所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0XlO19以上。
[0011]進一步，第一型隧穿結的材料為(AlxGah)a5Ina5PS五族化合物，O彡X彡0.1，且厚度為20-80nm ;第二型隧穿結的材料為AlyGai_yAs三五族化合物，O彡y彡0.2，且厚度為30_90nm。
[0012]進一步，AlGaAs, GaAs襯底為第一型摻雜，且摻雜濃度為1.0E+18以上。
[0013]進一步，第二型隧穿結由η層不同Al組分的AlGaAs材料層構成，且3彡η彡6。
[0014]進一步，第二型隧穿結的η層不同Al組分的AlyGai_yAs材料層由襯底往上生長方向呈Al組分含量遞增趨勢，且每一層Al組分含量遞增值為3% — 6%。
[0015]進一步，第二型隧穿結的η層不同Al組分的AlyGai_yAs材料層的厚度由襯底往上生長方向呈厚度減薄的趨勢，且每一層厚度變?yōu)樯弦粚雍穸鹊?0% — 60%。
[0016]進一步，第二型隧穿結的η層不同Al組分的AlyGai_yAs材料層之間間隔一個生長停頓區(qū)間，停頓時間為15 < t < 120。
[0017]進一步，生長停頓區(qū)間由襯底往上生長方向呈時間遞增趨勢，且每一個停頓區(qū)的時間為上一個停頓區(qū)時間的1.5—2倍。
[0018]進一步，生長停頓區(qū)間Mg的摻雜量由襯底往上生長方向呈遞增趨勢，且每一個停頓區(qū)Mg摻雜量比上一個停頓區(qū)Mg摻雜量的增加值為30%-60%。
[0019]進一步，頂部有源層及底部有源層的量子阱材料為AlGaInAs三五族化合物，且底部有源層禁帶寬度比頂部有源層窄O?0.007eV ;構成頂部有源層及底部有源層量子壘的材料為AlGaAs三五族化合物。
[0020]進一步，構成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部第二型限制層、頂部第二型電流擴展層、底部第一型電流擴展層、底部第一型限制層、底部第二型限制層及底部第二型電流擴展層的材料為AlGaAs或AlGaInP三五族化合物。
[0021]進一步，在頂部第二型電流擴展層上依次形成第一保護層及第二保護層；其材料為三五族化合物，包括(AlxGa1Ja5Ina5P及AlyGai_yAs ;其中，第一保護層的Al組分為
0.5 ^ I, 0.5 ^ y ^ 1，第二保護層的Al組分為O彡X彡0.2，O ^ y ^ 0.2 ;第一保護層的厚度為50?200nm，第二保護層的厚度為I?20 μ m ;頂部第二型電流擴展層的材料為磷化物材料體系，對應地，第一保護層及第二保護層的材料為砷化物材料體系；頂部第二型電流擴展層的材料為砷化物材料體系，對應地，第一保護層及二保護層的材料為磷化物材料體系。
[0022]近紅外發(fā)光二極管制造方法，包括以下步驟:
[0023]一，在襯底的一側采用金屬有機化合物氣相外延生長依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層、頂部第二型電流擴展層、第一保護層及第二保護層；
[0024]二，對襯底的另一側進行腐蝕減薄、拋光、清洗，拋光后的襯底及第一次外延層的厚度為160?180μπι;
[0025]三，在襯底的另一側自下而上依次形成第一型隧穿結、第二型隧穿結、底部第二型電流擴展層、底部第二型限制層、底部有源層、底部第一型限制層及底部第一型電流擴展層；或者在襯底的另一側自下而上依次形成底部第一型電流擴展層、底部第一型限制層、底部有源層、底部第二型限制層、底部第二型電流擴展層、第二型隧穿結、第一型隧穿結及第一型電流傳輸層；
[0026]四，采用濕法腐蝕去除第一保護層及第二保護層；
[0027]五，在底部外延結構上表面經過蒸鍍工藝形成金屬反射鏡及第一電極；
[0028]六，在頂部外延結構上表面經過光刻、蝕刻、蒸鍍等電極工藝后形成第二電極。
[0029]進一步，第二型隧穿結由η層不同Al組分的AlGaAs材料層構成，且3 < η < 6 ;生長每層不同Al組分AlGaAs材料層的生長溫度相比量子阱的生長溫度降低20-40攝氏度，且每層不同Al組分AlGaAs材料層的生長溫度都相同；第二型隧穿結的η層不同Al組分的AlyGai_yAs材料層之間間隔一個生長停頓區(qū)間，停頓時間為15 < t < 120 ;每個生長停頓區(qū)間的區(qū)間溫度為變溫，變溫趨勢為先增加在區(qū)間中間的溫度最大值后降低，且各個生長停頓區(qū)間的區(qū)間溫度最大值相同，溫度最大值較量子阱的生長溫度升高15-30攝氏度。
[0030]采用上述方案后，本實用新型在在襯底頂部及底部形成紅外發(fā)光二極管外延結構，且在襯底的底部形成由第一型隧穿結及第二型隧穿結組成的隧穿結，所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0 X 119以上。因此，本實用新型近紅外發(fā)光二極管的發(fā)光功率得到較大的提升，且其制造工藝較為簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管第一次外延結構示意圖；
[0032]圖2是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管第二次外延結構示意圖；
[0033]圖3是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管的隧穿結外延結構示意圖；
[0034]圖4是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管的第二隧穿結生長工藝中Mg的摻雜數值曲線圖；
[0035]圖5是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管的第二隧穿結生長工藝中溫度的變溫曲線圖；
[0036]圖6是本實用新型第一實施例近紅外發(fā)光二極管芯片結構示意圖；
[0037]圖7是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管第一次外延結構示意圖；
[0038]圖8是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管第二次外延結構示意圖；
[0039]圖9是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管的隧穿結外延結構示意圖；
[0040]圖10是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管的第二隧穿結生長工藝中Mg的摻雜數值曲線；
[0041]圖11是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管的第二隧穿結生長工藝中溫度的變溫曲線；
[0042]圖12是本實用新型第二實施例近紅外發(fā)光二極管芯片結構示意圖。
[0043]標號說明
[0044]襯底I
[0045]頂部第一型電流擴展層11頂部第一型限制層12
[0046]頂部有源層13頂部第二型限制層14
[0047]頂部第二型電流擴展層15第一保護層16
[0048]第二保護層17第一型隧穿結18
[0049]第二型隧穿結19底部第二型電流擴展層110
[0050]底部第二型限制層111底部有源層112
[0051]底部第一型限制層113底部第一型電流擴展層114
[0052]金屬反射鏡115第一電極116
[0053]第二電極117
[0054]襯底2
[0055]頂部第一型電流擴展層21頂部第一型限制層22
[0056]頂部有源層23頂部第二型限制層24
[0057]頂部第二型電流擴展層25第一保護層26
[0058]第二保護層27底部第一型電流擴展層28
[0059]底部第一型限制層29底部有源層210
[0060]底部第二型限制層211底部第二型電流擴展層212
[0061]第二型隧穿結213第一型隧穿結214
[0062]底部第一型電流傳輸層215金屬反射鏡216
[0063]第一電極217第二電極218。
【具體實施方式】
[0064]以下結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0065]實施例一
[0066]參閱圖1至圖6所示，本實用新型揭示的近紅外發(fā)光二極管第一實施例，如圖1所示的近紅外發(fā)光二極管的第一次外延結構，在AlGaAs襯底I的頂部第一次外延自下而上依次為頂部第一型電流擴展層U、頂部第一型限制層12、頂部有源層13、頂部第二型限制層14、頂部第二型電流擴展層15、第一保護層16及第二保護層17，該第一保護層16及第二保護層17組成保護層。
[0067]其中襯底I采用20%A1組分的AlGaAs，厚度為300 μ m,且為第一型摻雜，摻雜濃度為1.0E+18。頂部有源層13的量子講米用AlGalnAs/AlGaAs的量子講結構，頂部量子講的對數為5對,發(fā)光波長為850nm。頂部第一型電流擴展層11的組成材料為Ala2Gaa8As且厚度為3μηι。頂部第一型限制層12的組成材料為Ala4Gaa6As且厚度為500nm。頂部第二型限制層14的組成材料為Ala4Gaa6As且厚度為500nm。頂部第二型電流擴展層15的組成材料為Ala2Gaa8As且厚度為ΙΟμπι。頂部第一型采用N型摻雜且摻雜源為Si，頂部第二型采用P型摻雜且摻雜源為Mg。第一保護層16組成材料為(Ala6Gaa4)a5Ina5P且厚度為50nm，第二保護層17組成材料為Gaa5Ina5P且厚度為I μ m。
[0068]第一次外延結束后對AlGaAs襯底I的頂部進行腐蝕減薄、拋光、清洗；拋光后的襯底加上第一次外延層的厚度為165 μ m。接著在襯底背部的上表面第二次生長底部外延結構。
[0069]如圖2所示的近紅外發(fā)光二極管經過第二次外延后的外延結構，在AlGaAs襯底I的底部第二次外延自下而上依次為第一型隧穿結18、第二型隧穿結19、底部第二型電流擴展層110、底部第二型限制層111、底部有源層112、底部第一型限制層113、底部第一型電流擴展層114。
[0070]其中，底部有源層112的量子阱采用AlGalnAs/AlGaAs的量子阱結構，底部量子阱的對數為3對，發(fā)光波長為850nm。底部第二型電流擴展層110的組成材料為Ala2Gaa8As且厚度為3 μ m。底部第二型限制層111的組成材料為Ala4Gaa6As且厚度為500nm。底部第一型限制層113的組成材料為Ala4Gaa6As且厚度為500nm。底部第一型電流擴展層114的組成材料為Ala2Gaa8As且厚度為ΙΟμπι。底部第一型采用N型摻雜且摻雜源為Si，底部第二型采用P型摻雜且摻雜源為Mg。
[0071]隧穿結由第一型隧穿結18及第二型隧穿結19組成，其中，構成第一型隧穿結18的材料為(AlaiGaa9)a5Ina5P,且厚度為50nm。第二型隧穿結19由4層不同Al組分的AlGaAs材料組成，如圖3所示，由襯底I往上生長分別為:第一層第二型隧穿結單層19a為Alatl5Gaa95As材料且厚度為28nm，第二層第二型隧穿結單層19b為Alatl7Gaa93As材料且厚度為14醒，第三層第二型隧穿結單層19c為Alatl9Gaa91As材料且厚度為7nm，第四層第二型隧穿結單層19d為AlanGaa89As材料且厚度為3.5nm。
[0072]如圖4所示，生長四層第二型隧穿結單層之間都間隔著一個生長停頓區(qū)間，第一停頓時間為30s，第二停頓時間為45s，第三停頓時間為67.5s。三個停頓區(qū)間的Mg摻雜源繼續(xù)通入，第一個停頓區(qū)Mg的摻雜量為400，第二個停頓區(qū)Mg的摻雜量為520，第三個停頓區(qū)Mg的摻雜量為676。
[0073]生長四層第二型隧穿結單層的生長溫度都為560攝氏度，相比量子阱的生長溫度590攝氏度降低了 30攝氏度。三個生長停頓區(qū)間的區(qū)間溫度都由剛停頓的560攝氏度升高至625攝氏度，變溫曲線如圖5所示。
[0074]通過兩次外延生長工藝后，再對保護層進行腐蝕后，最終形成如圖2所示本實用新型的近紅外發(fā)光二極管外延結構。在底部外延結構上表面經過蒸鍍工藝形成金屬反射鏡115及第一電極116。在頂部外延結構上表面經過光刻、蝕刻、蒸鍍等電極工藝后形成第二電極117，即得到如圖6所示的近紅外發(fā)光二極管。
[0075]實施例二
[0076]參閱圖7至圖12所示，本實用新型揭示的近紅外發(fā)光二極管第二實施例，如圖7所示的近紅外發(fā)光二極管的第一次外延結構，在GaAs襯底2的頂部第一次外延自下而上依次為頂部第一型電流擴展層21、頂部第一型限制層22、頂部有源層23、頂部第二型限制層24、頂部第二型電流擴展層25、第一保護層26及第二保護層27，該第一保護層26及第二保護層27組成保護層。
[0077]其中，襯底2采用厚度為300μπι且為第一型摻雜，摻雜濃度為1.0E+18。頂部有源層24的量子阱采用GalnAs/AlGaAs的量子阱結構，頂部量子阱的對數為3對，發(fā)光波長為940nm。頂部第一型電流擴展層21的組成材料為GaAs且厚度為900nm。頂部第一型限制層22的組成材料為Alai5Gaa85As且厚度為400nm。頂部第二型限制層24的組成材料為Al0.15Ga0.85As且厚度為400nm。頂部第二型電流擴展層25的組成材料為GaAs且厚度為7 μ m。第一保護層26組成材料為(Ala6Gaa4)a5Ina5P且厚度為90nm，第二保護層27組成材料為Ga0 5In0 5P 且厚度為 1.2 μ m。
[0078]第一次外延結束后對GaAs襯底2的頂部進行腐蝕減薄、拋光、清洗；拋光后的襯底加上第一次外延層的厚度為160 μ m。接著在襯底底部的上表面第二次生長底部外延結構。
[0079]如圖8所示的近紅外發(fā)光二極管經過第二次外延后的外延結構，在GaAs襯底2的底部第二次外延自下而上依次為底部第一型電流擴展層28、底部第一型限制層29、底部有源層210、底部第二型限制層211、底部第二型電流擴展層212、第二型隧穿結213、第一型隧穿結214、底部第一型電流傳輸層215。
[0080]其中，底部有源層210的量子講米用GalnAs/AlGaAs的量子講結構，底部量子講的對數為3對，發(fā)光波長為940nm。底部第一型電流擴展層28的組成材料為GaAs且厚度為900nm。底部第一型限制層29的組成材料為Alai5Gaa85As且厚度為400nm。底部第二型限制層211的組成材料為Alai5Gaa85As且厚度為400nm。底部第二型電流擴展層212的組成材料為GaAs且厚度為5 μ m。底部第一型電流傳輸層215的組成材料為GaAs且厚度為2 μ m。底部第一型采用N型摻雜且摻雜源為Si，底部第二型采用P型摻雜且摻雜源為Mg。
[0081]隧穿結由第二型隧穿結213及第一型隧穿結214組成，其中，構成第一型隧穿結214的材料為(AlaiGaa9)a5Ina5P且厚度為50nm。第二型隧穿結213由3層不同Al組分的AlGaAs材料組成，如圖9所示，由襯底2往上生長分別為:第一層第二型隧穿結單層213a為GaAs材料且厚度為36nm，第二層第二型隧穿結單層213b為Alatl4Gaa96As材料且厚度為18nm,第三層第二型隧穿結單層213c為Alatl8Gaa92As材料且厚度為9nm。
[0082]生長三層第二型隧穿結單層之間都間隔著一個生長停頓區(qū)間，第一停頓時間為60s，第二停頓時間為90s。兩個停頓區(qū)間的Mg摻雜源繼續(xù)通入，第一個停頓區(qū)Mg的摻雜量為460，第二個停頓區(qū)Mg的摻雜量為690，Mg的摻雜數值曲線如圖10所示。
[0083]生長四層第二型隧穿結單層的生長溫度都為550攝氏度，相比量子阱的生長溫度590攝氏度降低了 30攝氏度。三個生長停頓區(qū)間的區(qū)間溫度都由剛停頓的560攝氏度升高至620攝氏度，變溫曲線如圖11所示。
[0084]通過兩次外延生長工藝后，再對保護層進行腐蝕。在底部外延結構上表面經過蒸鍍工藝形成金屬反射鏡216及第一電極217。在頂部外延結構上表面經過光刻、蝕刻、蒸鍍等電極工藝后形成第二電極218，即得到如圖12所示的近紅外發(fā)光二極管。
[0085]本實用新型外延結構及其生長工藝能有效地把Mg摻雜濃度提高至2.0XlO19以上，達到第二型隧穿結所需要的重摻雜濃度。第二型隧穿結采用Mg摻雜源替代傳統(tǒng)的C摻雜，解決了 C摻雜會導致發(fā)光二極管的外延工藝的碳污染的問題。
[0086]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并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，均落入本案的保護范圍。
【權利要求】
1.近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:在GaAs或AlGaAs襯底的頂部自下而上依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層及頂部第二型電流擴展層； 在襯底的底部自下而上依次形成第一型隧穿結、第二型隧穿結、底部第二型電流擴展層、底部第二型限制層、底部有源層、底部第一型限制層及底部第一型電流擴展層；所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0X 119以上。
2.近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:在GaAs或AlGaAs襯底的頂部自下而上依次形成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部有源層、頂部第二型限制層及頂部第二型電流擴展層； 在襯底的底部自下而上依次形成底部第一型電流擴展層、底部第一型限制層、底部有源層、底部第二型限制層、底部第二型電流擴展層、第二型隧穿結、第一型隧穿結及第一型電流傳輸層；所述第二型隧穿結采用多層膜的外延結構，第二型隧穿結的摻雜源為Mg，且摻雜濃度為2.0 X 119以上。
3.如權利要求1或2所述的近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:第一型隧穿結的材料為(AlxGah)a5Ina5PS五族化合物，O ^ x ^ 0.1，且厚度為20_80nm ;第二型隧穿結的材料為AlyGa1^yAs三五族化合物，O ^ y ^ 0.2，且厚度為30_90nm。
4.如權利要求1或2所述的近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:AlGaAs、GaAs襯底為第一型摻雜，且摻雜濃度為1.0E+18以上。
5.如權利要求1或2所述的近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:頂部有源層及底部有源層的量子阱材料為AlGaInAs三五族化合物，且底部有源層禁帶寬度比頂部有源層窄O?0.007eV ;構成頂部有源層及底部有源層量子壘的材料為AlGaAs三五族化合物。
6.如權利要求1或2所述的近紅外發(fā)光二極管，其特征在于:構成頂部第一型電流擴展層、頂部第一型限制層、頂部第二型限制層、頂部第二型電流擴展層、底部第一型電流擴展層、底部第一型限制層、底部第二型限制層及底部第二型電流擴展層的材料為AlGaAs或AlGaInP三五族化合物。
【文檔編號】H01L33/06GK204011467SQ201420021293
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權日:2014年1月14日
【發(fā)明者】林志偉, 陳凱軒, 蔡建九, 張永, 林志園, 堯剛, 姜偉 申請人:廈門乾照光電股份有限公司