CN108878607A - 具有变形补偿层的红外线发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外线发光二极管及其制造方法，更详细地，涉及一种发光效率提高的红外线发光二极管及其制造方法。根据本发明的红外线发光二极管，其特征在于，包括：GaAs基板；第一型AlGaAs下部限制层，生长在所述基板上；InGaP变形补偿层，生长在所述第一型AlGaAs下部限制层上；活性层，包括生长在InGaP变形补偿层上的InGaAs量子阱；第二型AlGaAs上部限制层，生长在所述活性层上；窗口层；及电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外线发光二极管及其制造方法，更详细地，涉及一种发光效率提高的红外线发光二极管及其制造方法。
背景技术
具有940±10nm中心波长(以下，称为940nm中心波长)的红外线发光二极管在具有较高的晶格一致率和较高的成本降低(经济型)的砷化镓(GaAs)基板上，生长晶格常数几乎相同的n型铝镓砷(AlxGa1-xAs)物质和p型铝镓砷(AlxGa1-xAs)物质(0.1<x<0.7)，并且在n型物质和p型物质中间具有活性层，所述活性层包括无掺杂的GaAs量子势垒和铟砷化镓(InGaAs)量子阱，所述铟砷化镓量子阱的铟(In)含量被调节为10％以下，以使在这样的层(n型、p型或者量子势垒)上生长。通常活性层具有由InGaAs量子阱(quantum well)和GaAs量子势垒(quantum barrier)构成的多层结构。并且，为了使光效率最大化，在最上部生长3um以上的p型AlxGa1-xAs层作为电流扩散层。这种具有940nm中心波长的红外线发光二极管一般为了高品质的生长使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来制造。
但是，这种结构在用作活性层的量子阱的InGaAs的生长过程中，由于与GaAs层的晶格的不一致而发生变形，导致效率下降。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够改善具有940nm中心波长的红外线发光二极管的晶格不一致导致效率下降的方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种通过补偿具有940nm中心波长的红外线发光二极管的晶格不一致来改善效率的发光二极管。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的具有940nm中心波长的红外线发光二极管的特征在于，在下部限制层与活性层之间具有磷化镓铟(InGaP)补偿层。
本发明在理论上没有被限定，除了作为量子阱的InGaAs层以外的所有n型、p型、量子势垒及窗口层与GaAs基板物质的晶格常数几乎一致(例如，Al0.3Ga0.7As/GaAs：Δα/α≤400ppm；相对晶格常数的变化率)，但是GaAs与InGaAs层之间的晶格常数变形率具有较高的压缩变形(例如，In0.07Ga0.93As/GaAs：Δα/α≥6,000ppm；相对晶格常数的变化率)，因此，在与GaAs层晶格常数几乎一致的情况下，将变形补偿层(strain compensation layer)插入到InGaAs活性层下部，使在InGaAs活性层的生长过程中发生的压缩变形率最小化，从而改善发光二极管的活性层的效率，其中所述变形补偿层具有能够通过调节In和Ga之间的组成成分比率来补偿压缩变形率的拉伸变形率。
在本发明中，为了提高发光效率，所述InGaP变形补偿层优选为InxGa1-xP(0.44≤x≤0.47)，更优选为x＝0.47。
在本发明中，术语‘压缩变形’是指活性层具有相比GaAs基板的弧度秒(arcsec)更低的弧度秒。
在本发明中，术语‘拉伸变形’是指活性层具有相比GaAs基板的弧度秒更大的弧度秒。
在本发明中，具有940nm的中心波长的红外线发光二极管包括：GaAs基板；第一型AlGaAs下部限制层，生长在所述基板上；InGaP变形补偿层，生长在所述第一型AlGaAs下部限制层上；活性层，包括生长在InGaP变形补偿层上的InGaAs量子阱；第二型AlGaAs上部限制层，生长在所述活性层上；及p型窗口层，p型窗口层、GaAs基板的上表面及下表面分别具有上部电极和下部电极。
在本发明中，所述GaAs基板为下部限制层生长的基板，在基板的下表面可以形成有下部电极。在发明的实施例中，所述GaAs基板可以与第一型AlGaAs下部限制层是相同的型，优选为n型GaAs基板。例如，所述n型GaAs基板可以具有32.9弧度秒值。
在本发明中，所述AlGaAs下部限制层优选使用与GaAs基板相同的型，优选具有与n型基板实际相同的水平的弧度秒值，即，n型基板的弧度秒值±0.5。在优选实施例中，AlGaAs可以调节Al和Ga的比率，使得其具有与n型基板实际相同的水平的弧度秒值。例如，AlGaAs可以表示为AlxGa1-xAs，其中x可以是0.3。
在本发明中，所述活性层可以是由InGaAs量子阱层与GaAs量子势垒层交替堆叠的多层活性层。
在本发明的实施例中，为了所述InGaAs活性层发射940nm的中心波长，InxGa1-xAs中可以使用0.07≤x≤0.08的范围，并且可以根据厚度进行略微的调整。
在本发明的优选实施例中，所述多层活性层中，InGaAs量子阱层和GaAs量子势垒层可以为两对以上，优选为三对以上，更优选为四对以上，优选为五对。
在本发明中，所述上部限制层AlGaAs可以表示为AlxGa1-xAs，x可以是0.3。
根据本发明的一个方面，提供一种发光二极管，其为包括基板、下部限制层、变形活性层、上部限制层及窗口层的发光二极管，其特征在于，在下部限制层与活性层之间具有用于补偿活性层的变形的变形补偿层。
根据本发明的一个方面，提供一种发光二极管的制造方法，其为包括基板、下部限制层、变形活性层、上部限制层及窗口层的发光二极管的制造方法，其特征在于，在下部限制层上生长用于补偿活性层的变形的变形补偿层，在所述变形补偿层上生长活性层。
在本发明中，为了提高发光二极管的效率，优选对压缩变形的所述活性层形成拉伸变形的补偿层，对拉伸变形的活性层形成压缩变形的补偿层。
(三)有益效果
本发明提供了一种红外线二极管，该红外线二极管解决了使用具有较高的晶格一致率和较高的成本降低(经济型)的砷化镓(GaAs)基板的940nm中心波长的红外线发光二极管的变形导致的问题，并且由此提高了发光效率。
附图说明
图1示意性地示出通过MOCVD系统制造的适用InxGa1-xP变形补偿层的940nm红外线发光二极管结构。
图2表示对InxGa1-xP变形补偿层、In0.07Ga0.93As量子阱层、n型限制层Al0.3Ga0.7As及GaAs基板进行X射线衍射(XRD)的结果。
图3是表示图2中获得的适用具有拉伸变形特性的InxGa1-xP的940nm红外线发光二极管的活性层的光致发光(photoluminescence，PL)特性的图。
图4是表示本发明的适用InxGa1-xP变形补偿层的940nm红外线发光二极管的光学特性的曲线图。
附图说明标记
1：上部电极
2：窗口层
3：p型限制层
4：量子阱
5：量子势垒
6：变形补偿层
7：n型限制层
8：基板
9：下部电极
10：活性层
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明进行详细说明。
图1示出通过MOCVD系统制造的适用InxGa1-xP变形补偿层的940nm红外线发光二极管结构。
如图1所示，940nm红外线发光二极管的结构如下：下部的n型GaAs基板8、在n型GaAs基板上生长的由Al0.3Ga0.7As构成的n型限制层7、在所述n型限制层7上生长的由InxGa1-xP构成的变形补偿层6、在所述变形补偿层6上通过由GaAs构成的量子势垒5和由In0.07Ga0.93As构成的量子阱4交替生长五次来构成活性层10，在所述活性层10上生长由Al0.3Ga0.7As构成的p型限制层3，为了红外线发光二极管的电流扩散效果和发射锥形区域扩大效果，在所述p型限制层3上生长5μm厚度的由Al0.2Ga0.8As构成的窗口层2。在n型GaAs基板8的下部形成由金锗镍(AuGeNi)构成的下部电极9，在窗口层2上形成由AuZn构成的上部电极1。
图2表示对InxGa1-xP变形补偿层、In0.07Ga0.93As量子阱层、n型限制层Al0.3Ga0.7As层及GaAs基板的XRD分析结果。所有层在GaAs基板上生长为单一层，通过omega-2theta进行扫描并测量。发光二极管的层生长在GaAs基板(32.9弧度秒)上，并且以GaAs基板为基准，向更低的弧度秒方向移动时，具有压缩变形(compressive strain)，向更高的弧度秒方向移动时，具有拉伸变形(tensile strain)。并且已确认用作940nm二极管光发射量子阱的In0.07Ga0.93As具有32.55弧度秒，对于GaAs标准(32.9弧度秒)具有相当高的压缩变形(Δα/α≥6000ppm；晶格常数对比变化率)。并且已确认用作n-限制层的Al0.3Ga0.7As具有32.85弧度秒，具有与GaAs几乎相同的特性(Δα/α≤400ppm；晶格常数对比变化率)。并且已确认为了补偿In0.07Ga0.93As的较高的压缩变形而使用的InxGa1-xP层根据In的比率对于GaAs标准表现出从压缩变形(32.82弧度秒)特性到拉伸变形(33.0、33.2、33.32)特性的各种变形特性。并且，在本实验中确认，可以使用具有压缩和拉伸变形特性的InxGa1-xP补偿具有较高的压缩变形的量子阱In0.07Ga0.93As的变形特性。
图3是表示图2中获得的适用具有各种变形特性(压缩变形及拉伸特性)的InxGa1- xP的940nm红外线发光二极管的活性层的PL特性的图。基本的940nm红外线发光二极管的活性层(多量子阱(MQW)，w/o InGaP)表现出0.1的光强度。适用具有压缩变形的InxGa1-xP的940nm红外线发光二极管的活性层(MQW with In0.5Ga0.5P)表现出约为0.09的更低的光强度特性。另一方面，适用具有拉伸变形的InxGa1-xP(0.44<x<0.47)的940nm红外线发光二极管的活性层表现出相对高的约为0.13和0.11的光强度特性，在部分x<0.41的情况下表现出大大降低的0.06的光强度特性。基于这种结果，可知当满足对于拉伸变形的预定条件时，InxGa1-xP变形补偿层是对940nm红外线发光二极管的In0.07Ga0.93As活性层的效率增加方面的有效方法之一。
图4表示本发明中开发的适用InxGa1-xP变形补偿层的940nm红外线发光二极管的光学特性。所适用的InxGa1-xP变形补偿层的x值为0.5、0.47、0.44及0.41，根据x值具有压缩变形和拉伸变形特性。开发的红外线发光二极管在施加至约60mA的电流值下测量电流-电压(I-V)和电流-光(I-L)值。
如图4所示，适用具有压缩变形的InxGa1-xP(x＝0.5)的发光二极管的发光特性低于未适用的发光二极管(w/o InGaP)的特性，这种结果表示追加的压缩变形对具有较高的压缩变形的In0.07Ga0.93As产生不利的影响。并且已确认适用具有拉伸变形的InxGa1-xP(0.44<x<0.47)的发光二极的发光特性大大改善，在25％和x＝0.47效率增加约5％。并且已确认适用具有更高的拉伸变形的InxGa1-xP(x＝0.41)时出现效率急剧下降的现象。
Claims (8)
1.一种红外线发光二极管，其特征在于，包括：
GaAs基板；
第一型AlGaAs下部限制层，生长在所述基板上；
InGaP变形补偿层，生长在所述第一型AlGaAs下部限制层上；
活性层，包括生长在InGaP变形补偿层上的InGaAs量子阱；
第二型AlGaAs上部限制层，生长在所述活性层上；
窗口层；及
电极。
2.根据权利要求1所述的红外线发光二极管，其特征在于，
所述红外线发光二极管具有940nm的中心波长。
3.根据权利要求1或2所述的红外线发光二极管，其特征在于，
所述InGaP变形补偿层是具有拉伸变形率的补偿层。
4.根据权利要求1或2所述的红外线发光二极管，其特征在于，
所述InGaP变形补偿层为InxGa1-xP，且0.44≤x≤0.47。
5.根据权利要求1或2所述的红外线发光二极管，其特征在于，
所述InGaP变形补偿层为InxGa1-xP，且x＝0.47。
6.根据权利要求1或2所述的红外线发光二极管，其特征在于，
所述活性层为InGaAs层与GaAs层交替堆叠。
7.一种发光二极管，其为包括基板、下部限制层、变形活性层、上部限制层及窗口层的发光二极管，其特征在于，
在下部限制层与活性层之间具有用于补偿活性层的变形的变形补偿层。
8.一种发光二极管的制造方法，其为包括基板、下部限制层、变形活性层、上部限制层及窗口层的发光二极管的制造方法，其特征在于，
在下部限制层上生长用于补偿活性层的变形的变形补偿层，在所述变形补偿层上生长活性层。
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