CN102222742A - 一种量子阱发光管外延片及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术类，具体是一种量子阱发光管外延片及其生长方法，其特征在于：外延片至少包括：一层n型GaAs衬底；一层n型掺杂的GaAs缓冲层，一层n型掺杂的AlGaAs下限制层，一层非掺杂或少量n型掺杂或部分厚度n型掺杂的AlGaAs下波导层，一个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构，一层非掺杂或少量p型掺杂或部分厚度p型掺杂的AlGaAs上波导层，一层p型掺杂的AlGaAs上限制层，一层p型掺杂的GaAs欧姆接触层，外延片生长采用金属有机物化学汽相沉积方法制备。本发明外延片通过细微调整量子阱的厚度等条件来调整发光管的中心波长，将中心波长调节在800nm附近，产品可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光管领域，具体涉及一种量子阱发光管外延片及其生长方法，尤其是一种涉及中心波长在800nm±10nm波段的近红外半导体发光管用的AlGaInAs量子阱发光管外延片结构及生长方法。
背景技术
GaAs基的III-V族化合物半导体材料属于闪锌矿结构，直接带隙跃迁，在制作红外发光二极管(LED)、红外激光管(LD)等半导体光电器件、光电子集成电路方面有重要的应用。GaAs基的红外发光管在红外防盗、报警，自动计数、编码，生产安全保护、监控等方面也有很大的发展前景，国内需求量非常大。目前市场上的半导体发光管主要集中在可见光领域，红外发光管无论从研发角度还是生产角度，所占比例均较小。而且已有的红外发光管的波段仅限于850nm和940nm，在800nm附近还没有相关的文献报道和产品出售。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种采用单个或多个AlGaInAs应变量子阱做为发光区的GaAs基红外发光管用的量子阱发光管外延片及其生长方法，器件中心光光波长为800nm左右。
本发明采用以下技术方案：
本发明一种量子阱发光管外延片，至少包括：
层n型掺杂GaAs衬底；
一层n型掺杂的GaAs缓冲层，位于衬底之上；
一层n型掺杂的AlGaAs下限制层，位于缓冲层之上；
一层非掺杂或少量n型掺杂或部分厚度n型掺杂的AlGaAs下波导层，位于下限制层之上；
一个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构，位于下波导层之上；
一层非掺杂或少量p型掺杂或部分厚度p型掺杂的AlGaAs上波导层，位于量子阱结构之上；
一层p型掺杂的AlGaAs上限制层，位于上波导层之上；
一层p型掺杂的GaAs欧姆接触层，位于上限制层之上。
本发明上述量子阱结构若是多个，则量子垒材料与下波导层材料相同，但不掺杂，厚度可以与量子阱厚度相同也可以不同。
本发明外延片生长采用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法制备，生长室气压为1～100mbar；生长温度控制在700～750℃之间。
本发明金属源采用的是三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟，五族源为100％纯度的砷烷，掺杂源分别为二甲基锌(p型)和2％的硅烷(n型)。
本发明提供的这种红外光光管的发光区采用量子阱结构，可以是单量子阱也可以是多量子阱，由于量子阱的量子尺寸效应，基态能级不再位于导带底和价带顶，可以通过细微调整量子阱的厚度等条件来调整发光管的中心波长；
本发明提供的这种红外发光管的量子阱中加入了少量In替代了Al产生了压应变，可以起到抑制缺陷生长的作用，提高了器件的可靠性；
本发明提供的这种红外发光管的发光区在上、下限制层之间加入了上、下波导层，从而提高了发光区的体积，即可以减少由于限制层的掺杂对光子的损耗，也可以减少当入电流密度增加时载流子的泄露，从而减少了由此产生的光饱和效应；
本发明提供的这种红外发光管的上、下限制层的Al组分应比上、下波导层的Al组分高，从而使上、下限制层的折射率稍低于波导层的折射率，对光会产生限制作用，所以本外延片结构更适用于侧面红外发光管的制作，但不限于此。
附图说明
图1是本发明外延片结构示意图。
图2是本发明采用的多量子阱结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1、2所示，一种中心波长为800nm附近，采用应变量子阱AlGaInAs做为发光区的半导体红外发光管的外延片，至少包括：
一层n型掺杂GaAs衬底10；
一层n型掺杂的GaAs缓冲层11，位于衬底之上；
一层n型掺杂的AlGaAs下限制层12，位于缓冲层之上；
一层非掺杂域少量n型掺杂或部分厚度n型掺杂的AlGaAs下波导层13，位于下限制层之上；
个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱141/142结构，位于下波导层之上；
一层非掺杂或少量p型掺杂或部分厚度p型掺杂的AlGaAs上波导层15，位于量子阱结构外延层之上；
一层p型掺杂的AlGaAs上限制层16，位于上波导层之上；
一层p型掺杂的GaAs欧姆接触层17，位于上限制层之上；
其中所述的n型掺杂GaAs衬底10，掺杂剂为Si，掺杂浓度L.0E18～4.0E18，电阻率为2.1E-3～2.6E-3(ohm.cm)，生长面方向为(100)面向<111>A偏2°，迁移率为2050～2350cm2/V.s，衬底厚度为325～375um，尺寸可选；
所述的n型掺杂的GaAs缓冲层11，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，掺杂剂为Si，厚度为200nm～400nm；
所述的n型掺杂的AlGaAs下限制层12，掺杂剂为Si，掺杂浓度1.0E18～40E18，厚度为1000nm～1500nm，Al组分为0.45；
所述的AlGaAs下波导层13和AlGaAs上波导层15，一般为非故意掺杂层，但为了增加导电性，利于载流子迁移，减少电阻可以采取少量掺杂或者部分掺杂，厚度为100nm～150nm，Al组分为0.25；
所述的p型掺杂的AlGaAs上限制层16，掺杂剂为Zn，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，厚度为1000nm～1500nm，Al组分为0.45；
所述的一个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱141/142结构，该结构位于上波导层15和下波导层13之间，该层不掺杂，可以只包含单量子阱141，如图1所示，也可以是量子阱为l41，量子垒为142的交替生长的多量子阱结构，如图2所示为三个量子阱结构示意图，量子阱141为AlGaInAs材料，Al组分为0.07，In组分为0.02，镓组分为0.91，厚度为9nm，量子垒为AlGaAs材料，Al组分为0.25，厚度为9nm；量子阱和量子垒的厚度和材料组分可以进行细微调整，从而使发光管的中心波长在800nm附近进行变化。
所述的p型掺杂的GaAs欧姆接触层17，为p型重掺杂区，掺杂浓度4E19，掺杂剂为Zn，厚度为200nm～300nm。
本发明采用MOCVD制备方法为：
步骤1：首先将装有GaAs衬底10的包装袋放入MOCVD设备的物品交换室中，对物品交换室进行多次充、抽气操作，带上设备上的橡胶手套，将衬底包装袋从物品交换室取出，然后将衬底从包装袋中取出放入设备反应室的石墨舟中；
步骤2：对反应室进行升温、降压，反应室温度稳定在720℃附近，压力为20mbar；
步骤3：在GaAs衬底10上开始进行n型GaAs缓冲层11的生长，打开三甲基镓，砷烷和硅烷的反应源阀门，利用经过钯管纯化的氢气将生长源分子带入反应室，在衬底上进行沉积。气体总流量为50L/min，2％的硅烷做为n型掺杂剂，n型GaAs缓冲层11的掺杂浓度为2×1018，厚度为400nm；
步骤4：在n型GaAs缓冲层11上继续生长n型AlGaAs下限制层12，金属有机源分别为三甲基铝三甲基镓，五族源为100％纯度的砷烷，掺杂剂为2％的硅烷，掺杂浓度为1×1018-2×1O18，厚度为1200nm，Al组分为0.45；
步骤5：依次生长AlGaAs下波导层13，此层为非故意掺杂层，关闭硅烷，生长厚度100nm，Al组分为0.25；
步骤6：保持反应室温度为720℃进行量子阱141层的生长，三族源为三甲基铝，三甲基镓，三甲基铟，五族源为100％纯度的砷烷，其厚度为9nm，Al组分为0.07，In组分为0.02，镓组分为0.91；
步骤7：关闭三甲基铟，继续生长AlGaAs上波导层15，厚度为100nm，Al组分为0.25；
步骤8：打开p 型掺杂剂的源二甲基锌，进行AlGaAs上限制层16的生长，此层为p型掺杂层，掺杂浓度为1×1018-2×1018，厚度为1500nmAl组分为0.45；
步骤9：然后关闭三甲基铝反应源，将反应室温度降低到650℃左右，进行p型GaAs欧姆接触层17的生长，该层为重掺杂区，掺杂浓度为4×1018，厚度为300nm；
步骤10：关闭所有的反应源，将反应室的温度降低，对所生长的外延片进行退火，关闭所有载气，通入氮气保护，使反应室的压力上升到1个大气压，完成外延片的生长。
Claims (10)
1.一种量子阱发光管外延片，其特征在于，它至少包括：
一层n型掺杂GaAs衬底；
一层n型掺杂的GaAs缓冲层，位于衬底之上；
一层n型掺杂的AlGaAs下限制层，位于缓冲层之上；
一层非掺杂或少量n型掺杂或部分厚度n型掺杂的AlGaAs下波导层，位于下限制层之上；
一个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构，位于下波导层之上；
一层非掺杂或少量p型掺杂或部分厚度p型掺杂的AlGaAs上波导层，位于量子阱结构之上；
一层p型掺杂的AlGaAs上限制层，位于上波导层之上；
一层p型掺杂的GaAs欧姆接触层，位于上限制层之上。
2.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的n型GaAs衬底，掺杂剂为Si，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，电阻率为2.1E-3～2.6E-3(ohm.cm)，生长面方向为(100)面向<111>A偏2°，迁移率为2050～2350cm2/V.s，衬底厚度为325～375um。
3.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的n型掺杂的GaAs缓冲层，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，掺杂剂为Si，厚度为200nm～400nm。
4.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的n型掺杂的AlGaAs下限制层，掺杂剂为Si，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，厚度为1000nm～1500nm，Al组分为0.35～0.55。
5.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的AlGaAs下波导层和AlGaAs上波导层，为非故意掺杂层，为了增加导电性，利于载流子迁移，减少电阻可以采取少量掺杂或者部分掺杂，厚度为100nm～150nm，Al组分为0.25～0.45。
6.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所
述其中所述的p型掺杂的AlGaAs上限制层，掺杂剂为Zn，掺杂浓度1.0E18～4.0E18，厚度为1000nm～1500nm，Al组分为0.35～0.55。
7.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的一个或多个非掺杂的AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构，为是量子阱与量子垒交替生长的多量子阱结构。
8.根据权利要求1中所述的量子阱发光管外延片，其特征在于：量子阱为AlGaInAs材料，Al组分为0.07，In组分为0.02，镓组分为0.91，厚度为9nm，量子垒为AlGaAs材料，Al组分为＜0.25，厚度为9nm。
9.根据权利要求1中所述量子阱发光管外延片，其特征在于：所述的p型掺杂的GaAs欧姆接触层，为p型重掺杂区，掺杂浓度4E19，掺杂剂为Zn，厚度为200nm～300nm。
10.一种量子阱发光管外延片生长方法，其特征在于：采用金属有机物化学汽相沉积方法制备，生长室气压为10～100mbar；生长温度控制在700～750℃之间，金属源采用的是三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟，五族源为100％纯度的砷烷，掺杂源分别为p型二甲基锌和n型2％的硅烷。
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