CN110071210B - 红外led器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外LED器件及其制备方法，所述红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的导热基板、反射层及LED芯片层；所述LED芯片层包括红外层和光子晶体层，所述红外层位于所述光子晶体层与所述反射层之间；所述光子晶体层具有光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体。本发明提出的红外LED器件的LED芯片层包括红外层和光子晶体层，所述光子晶体层具有光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体，整个红外LED器件除去了衬底，从而实现了器件的小型化；通过所述导热基板能够大大提升整个器件的散热效率，通过所述多个光子晶体能够大大提升整个器件的出光效率，从而在实现小型化的同时提升了出光效率。

Description

红外LED器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外LED器件技术领域，尤其涉及一种红外LED器件及其制备方法。

背景技术

随着移动支付的需求崛起，人们对信息安全性的需求也不断提高。虹膜识别技术作为一种稳定可靠的生物识别技术，比指纹识别更方便，被认为是仅次于DNA识别的生物识别技术。基于虹膜红外识别技术的红外LED的结构研究也越来越普遍，目前，虹膜红外识别技术领域所面临的最大的挑战是如何将红外识别LED结构广泛应用于手机等小型移动终端设备中。由于手机等小型移动终端设备的结构限制，这就要求所设计的红外识别LED结构能够产生峰值波长在810nm-830nm的红外光且具有小型化、标准化、高能效等特点的紧凑结构。

因此，如何提供一种峰值波长在810nm-830nm且具有小型化、标准化、高能效等特点的红外识别LED结构成为虹膜红外识别技术领域急需解决的难题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种红外LED器件，能够实现器件小型化的同时提升出光效率。

本发明提出的具体技术方案为：提供一种红外LED器件，所述红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的导热基板、反射层及LED芯片层；所述LED芯片层包括红外层和光子晶体层，所述红外层位于所述光子晶体层与所述反射层之间；所述光子晶体层具有光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体。

进一步地，所述红外层包括第一红外光外延层、隧穿结、第二红外光外延层。

进一步地，所述第一红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的第一p型限制层、第一有源层、第一n型限制层、窗口层。

进一步地，所述第二红外光外延层包括从下而上依次堆叠设置的电子阻挡层、第二p型限制层、第二有源层、第二n型限制层。

进一步地，所述第一有源层、第二有源层均为非对称耦合量子阱结构；所述非对称耦合量子阱结构包括交替生长的非对称耦合量子阱和过渡层。

进一步地，所述非对称耦合量子阱包括第一势垒层、第二势垒层及位于所述第一势垒层、第二势垒层之间的势阱层，所述第一势垒层为Al_xGa_1-xAs，所述势阱层为Al_yGa_1-yAs，所述第二势垒层为Al_zGa_1-zAs，所述过渡层的材质为 Al_xGa_1-xAs。

进一步地，x为0.35～0.4、y为0.18～0.25、z为0.35～0.4。

进一步地，所述非对称耦合量子阱的数量为3个，3个所述非对称耦合量子阱中的势阱层的厚度依次减小。

进一步地，所述光子晶体的形状为圆孔，和/或所述光子晶体层的厚度为 200nm～300nm，所述光子晶体的深度为60nm～80nm，和/或所述光子晶体的孔径为30nm～80nm，任意相邻两个所述光子晶体之间的距离为200nm～500nm。

本发明还提供了一种红外LED器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长腐蚀阻挡层、LED芯片层、反射层，所述LED芯片层包括红外层和光子晶体材料层，所述光子晶体材料层位于所述腐蚀阻挡层与所述红外层之间；

将所述反射层与导热基板焊接；

利用腐蚀液除去所述衬底与所述腐蚀阻挡层，所述腐蚀液对所述腐蚀阻挡层的腐蚀速率大于所述腐蚀液对所述衬底的腐蚀速率；

对所述光子晶体材料层进行刻蚀形成具有光子晶体阵列的光子晶体层，以获得红外LED器件，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体。

本发明提出的红外LED器件包括导热基板、反射层及LED芯片层；所述LED 芯片层包括红外层和光子晶体层，所述光子晶体层具有光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体，整个红外LED器件除去了衬底，从而实现了器件的小型化；通过所述导热基板能够大大提升整个器件的散热效率，通过所述多个光子晶体能够大大提升整个器件的出光效率，从而在实现小型化的同时提升了出光效率。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为红外LED器件的结构示意图；

图2为红外LED器件的另一结构示意图；

图3为光子晶体层的结构示意图；

图4为非对称耦合量子阱结构的示意图；

图5a～5e为红外LED器件的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，相同的标号将始终被用于表示相同的元件。

参照图1、图2，本实施例中的红外LED器件包括从下至上依次堆叠设置的导热基板1、反射层2及LED芯片层3。LED芯片层3包括红外层31和光子晶体层 32，红外层31位于光子晶体层32与反射层2之间。光子晶体层32具有光子晶体阵列，光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体320。

导热基板1的材质为铜，其用于将LED芯片层3产生的热量散发出去，以提升整个红外LED器件的散热效果。当然，导热基板1的材质不限为铜，也可以采用其他导热率较高的材质。

反射层2位于导热基板1与LED芯片层3之间，其用于将LED芯片层3产生的热量传递至导热基板1以及用于将LED芯片层3入射到其上的光进行反射，以提升 LED芯片层3的出光效率。由于金具有较好的导热率和反射率，因此，本实施例中的反射层2的材质为金，当然，反射层2的材质也可以选为其他具有较好导热率和反射率的材质，例如，银或铜。

红外层31用于产生波长在810nm～830nm之间的红外光，光子晶体层32具有多个光子晶体320，通过光子晶体320可以提升红外层31的出光效率。光子晶体层32的材质为n型Al_dGa_1-dAs，其中，d的取值范围为0.35～0.61，例如，d的取值可以为0.35、0.45、0.5、0.61。

参照图3，较佳地，光子晶体320的形状为圆孔，光子晶体层32的厚度为200 nm～300nm，例如，光子晶体层32的厚度可以为200nm、240nm、270nm、300 nm，光子晶体320的深度小于光子晶体层32的厚度，光子晶体320的深度为60 nm～80nm，例如，光子晶体320的深度可以为60nm、70nm、80nm。光子晶体 320的孔径为30nm～80nm，例如，光子晶体320的孔径可以为30nm、50nm、70 nm、80nm。本实施例中的多个光子晶体320之间等间距排列，即任意相邻两个光子晶体320之间的间距相等。其中，任意相邻两个光子晶体320之间的距离为 200nm～500nm，例如，任意相邻两个光子晶体320之间的距离可以为200nm、 300nm、350nm、400nm、500nm。当然，本实施例中的光子晶体320的形状也可以根据实际需要来选择其他形状，光子晶体320的深度、孔径以及任意相邻两个光子晶体320之间的间距也可以实际需要进行调整。

红外层31包括第一红外光外延层31a、隧穿结31b、第二红外光外延层31c。第一红外光外延层31a和第二红外光外延层31c产生的红外光的波长均在810 nm～830nm之间，隧穿结31b用于将第一红外光外延层31a和第二红外光外延层 31c进行串联。为了提升某一波段的出光效率，可以使得第一红外光外延层31a 和第二红外光外延层31c的产生的红外光的波长相同；为了增加本实施例中红外 LED器件覆盖的波段范围，可以使得第一红外光外延层31a和第二红外光外延层 31c的产生的红外光的波长范围部分重叠或者不重叠。

第一红外光外延层31a包括从下而上依次堆叠设置的第一p型限制层100、第一有源层101、第一n型限制层102、窗口层103。第一p型限制层100、第一有源层101、第一n型限制层102形成一个pn结，用于产生波长在810nm～830nm之间的红外光。窗口层103起到通光层及保护第一有源层101的作用。

第二红外光外延层31c包括从下而上依次堆叠设置的电子阻挡层110、第二p 型限制层111、第二有源层112、第二n型限制层113。第二p型限制层111、第二有源层112、第二n型限制层113形成另一个pn结，用于产生波长在810nm～830nm 之间的红外光。电子阻挡层110用于提高第二红外光外延层31c的内量子效率。其中，隧穿结31b通过上述两个pn结可以获得极低偏压下的高电导，从而实现两个pn结之间近乎无损耗的电学连接及两个pn结之间的p型和n型的反转。

参照图4，第一有源层101、第二有源层112均为非对称耦合量子阱结构。非对称耦合量子阱结构包括交替生长的非对称耦合量子阱和过渡层120。非对称耦合量子阱包括第一势垒层121、势阱层122、第二势垒层123，势阱层122位于第一势垒层121、第二势垒层123之间。第一势垒层121为Al_xGa_1-xAs，势阱层122为 Al_yGa_1-yAs，第二势垒层123为Al_zGa_1-zAs，过渡层120的材质为Al_xGa_1-xAs，即非对称耦合量子阱的结构为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs。

本实施例中x的取值范围为0.35～0.4、y的取值范围为0.18～0.25、z的取值范围为0.35～0.4。例如，x的取值可以为0.35、0.37、0.4，y的取值可以为0.18、0.2、 0.25，z的取值可以为0.35、0.36、0.4。

本实施例中非对称耦合量子阱的数量为3个，过渡层120的数量与非对称耦合量子阱的数量相同，即非对称耦合量子阱结构为 Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs+Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+ Al_xGa_1-xAs+Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_{1- x}As，其中，3个非对称耦合量子阱中的势阱层122的厚度依次减小。较佳地，Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs /Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs+Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs+Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs结构中每一层的厚度的取值范围分别为3.5 nm～4.5nm、2.5nm～3.5nm、3.5nm～4.5nm、25nm～30nm、3.5nm～4.5nm、1.5 nm～2.5nm、3.5nm～4.5nm、25nm～30nm、3.5nm～4.5nm、1nm～2nm、3.5nm～4.5 nm、25nm～30nm。本实施例中Al_xGa_{1- x}As/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs+Al_x Ga_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_xGa_1-xAs+Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_zGa_1-zAs+Al_x Ga_1-xAs结构中每一层的厚度分别为4nm、3nm、4nm、25nm、4nm、2nm、4nm、 25nm、4nm、1.5nm、4nm、25nm。

本实施例中第一p型限制层100的材质为p型Al_aGa_1-aAs、厚度为800nm～1600 nm、掺杂浓度为1╳10¹⁹cm^-3～3╳10¹⁹cm^-3，a的取值范围为0.35～0.61，例如，a的取值可以为0.35、0.45、0.5、0.61，第一p型限制层100的厚度可以为800nm、1000 nm、1300nm、1600nm，第一p型限制层100的掺杂浓度可以为1╳10¹⁹cm^-3、2╳ 10¹⁹cm^-3、3╳10¹⁹cm^-3。第一n型限制层102的材质为n型Al_bGa_1-bAs、厚度为800 nm～1600nm、掺杂浓度为3╳10¹⁸cm^-3～7╳10¹⁸cm^-3，b的取值范围为0.35～0.61，例如，b的取值可以为0.35、0.45、0.5、0.61，第一n型限制层102的厚度可以为800 nm、1000nm、1300nm、1600nm，第一n型限制层102的掺杂浓度可以为3╳10¹⁸cm^-3、5╳10¹⁸cm^-3、7╳10¹⁸cm^-3。窗口层103的材质为n型Al_cGa_dAs、厚度为20 nm～70nm，c的取值范围为0.3～0.4，d的取值范围为0.4～0.5，本实施例中c的取值为0.35，d的取值为0.45，即窗口层103的结构为Al_0.35Ga_0.45As，窗口层103的厚度可以为20nm、30nm、45nm、60nm、70nm。

本实施例中的隧穿结31b由p型GaAs层和n型GaAs层组成，p型GaAs层位于n 型GaAs层与电子阻挡层110之间，隧穿结31b的厚度为20nm～80nm，p型GaAs 层的掺杂浓度为0.5╳10¹⁹cm^-3～3.5╳10¹⁹cm^-3，n型GaAs层的掺杂浓度为0.5╳ 10¹⁹cm^-3～2.5╳10¹⁹cm^-3。例如，隧穿结31b的厚度可以为20nm、25nm、35nm、 50nm、70nm、80nm，p型GaAs层的掺杂浓度可以为0.5╳10¹⁹cm^-3、1╳10¹⁹cm^-3、 2╳10¹⁹cm^-3、3.5╳10¹⁹cm^-3，n型GaAs层的掺杂浓度可以为0.5╳10¹⁹cm^-3、1╳ 10¹⁹cm^-3、2╳10¹⁹cm^-3、2.5╳10¹⁹cm^-3。

电子阻挡层110的材质为p型Al_eGa_1-eAs、厚度为30nm～100nm、掺杂浓度为 1.5╳10¹⁹cm^-3～2.5╳10¹⁹cm^-3，e的取值范围为0.5～0.6，本实施例中e的取值为0.55，即电子阻挡层110的结构为Al_0.55Ga_0.45As。电子阻挡层110的厚度可以为30nm、 40nm、60nm、75nm、90nm、100nm，电子阻挡层110的掺杂浓度可以为1╳ 10¹⁹cm^-3、2╳10¹⁹cm^-3、3╳10¹⁹cm^-3，本实施例中电子阻挡层110的掺杂浓度可以为2╳10¹⁹cm^-3。第二p型限制层111的材质为p型Al_cGa_{1- c}As、厚度为800nm～1600 nm、掺杂浓度为1╳10¹⁹cm^-3～3╳10¹⁹cm^-3，c的取值范围为0.35～0.61，例如，c的取值可以为0.35、0.45、0.5、0.61，第二p型限制层111的厚度可以为800nm、1000 nm、1300nm、1600nm，第二p型限制层111的掺杂浓度可以为1╳10¹⁹cm^-3、2╳ 10¹⁹cm^-3、3╳10¹⁹cm^-3。第二n型限制层112的材质为n型Al_dGa_1-dAs、厚度为800 nm～1600nm、掺杂浓度为3╳10¹⁸cm^-3～7╳10¹⁸cm^-3，d的取值范围为0.35～0.61，例如，d的取值可以为0.35、0.45、0.5、0.61，第二n型限制层112的厚度可以为800 nm、1000nm、1300nm、1600nm，第二n型限制层112的掺杂浓度可以为3╳ 10¹⁸cm^-3、5╳10¹⁸cm^-3、7╳10¹⁸cm^-3。

本实施例中的红外LED器件不包括衬底，从而实现了器件的小型化；在红外层31上设置光子晶体层32，光子晶体层32包括多个光子晶体320，通过多个光子晶体320大大提升了整个器件的出光效率；通过将LED芯片层3倒置在导热基板1 上，通过导热基板1大大提升了整个器件的散热效率；此外，通过在LED芯片层 3与导热基板1之间设置具有高反射率的反射层2，进一步提升了整个器件的出光效率，整个红外LED器件结构紧凑，从而在实现小型化的同时提升了出光效率。

参照图5a～5e本实施例还提供了一种红外LED器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：

S1、提供一衬底10，如图5a所示；

S2、在衬底10上依次生长腐蚀阻挡层20、LED芯片层3、反射层2，LED芯片层3包括红外层31和光子晶体材料层30，光子晶体材料层30位于腐蚀阻挡层20 与红外层31之间，如图5b所示；

S3、将反射层2与导热基板1焊接，如图5c所示；

S4、利用腐蚀液除去衬底10与腐蚀阻挡层20，腐蚀液对腐蚀阻挡层20的腐蚀速率大于腐蚀液对衬底10的腐蚀速率，如图5d所示；

S5、对光子晶体材料层30进行刻蚀形成具有光子晶体阵列的光子晶体层32，以获得红外LED器件，光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体320，如图5e 所示。

在步骤S1中，衬底10的材质为GaAs，其厚度为0.5μm～1μm，例如，衬底 10的厚度可以为0.5μm、0.7μm、1μm。

在步骤S2中，利用分子束外延技术在衬底10上依次生长腐蚀阻挡层20、光子晶体材料层30、第二n型限制层113、第二有源层112、第二p型限制层111、电子阻挡层110、隧穿结31b、窗口层103、第一n型限制层102、第一有源层101、第一p型限制层100，第一p型限制层100上蒸镀一层金属薄膜，以形成反射层2。其中，腐蚀阻挡层20的材质为AlAs，其厚度为0.5μm～1μm，例如，腐蚀阻挡层 20的厚度可以为0.5μm、0.7μm、1μm。

在步骤S3中，将步骤S2中的结构倒置在导热基板1上并通过焊接的方式将反射层2与导热基板1进行连接。

在步骤S4中，利用腐蚀液对衬底10和腐蚀阻挡层20的腐蚀速率的差异来去除衬底10和腐蚀阻挡层20，其中，腐蚀液对腐蚀阻挡层20的腐蚀速率大于腐蚀液对衬底10的腐蚀速率。

在步骤S5中，采用反应离子刻蚀技术对光子晶体材料层30进行刻蚀获得具有光子晶体阵列的光子晶体层32，光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体 320。具体地，以SiO₂为模板，以CH₄/H₂为刻蚀气体来对光子晶体材料层30进行刻蚀。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长腐蚀阻挡层、LED芯片层、反射层，所述LED芯片层包括红外层和光子晶体材料层，所述光子晶体材料层位于所述腐蚀阻挡层与所述红外层之间；

将所述反射层与导热基板焊接；

利用腐蚀液除去所述衬底与所述腐蚀阻挡层，所述腐蚀液对所述腐蚀阻挡层的腐蚀速率大于所述腐蚀液对所述衬底的腐蚀速率；

对所述光子晶体材料层进行刻蚀形成具有光子晶体阵列的光子晶体层，以获得红外LED器件，所述光子晶体阵列包括阵列排布的多个光子晶体。

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