红外发光二极管外延结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种红外发光二极管外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.发光二极管(led，light emitting diode)是一种半导体固体发光器件，具有结构简单、重量轻、无污染等优点，已广泛应用于数码，显示，照明及植物工程等多个领域，被称为环保、节能的绿色照明光源，蕴藏了巨大的商机。其中，红外发光二极管是一种重要的发光二极管，广泛应用于远程遥控，车辆传感，闭路电视等领域，红外发光二极管的外延结构则是用于制备红外发光二极管的基础结构。
3.在红外发光二极管的外延结构中，有源层(ingaas/algaas)存在压电场，此压电场是由于ingaas与algaas之间的晶格常数不同所致，通常把此现象称作量子限制stark效应。stark效应对发光二极管的发光效率具有很大的负作用，在有源层结构中，在内建极化电场的作用下，半导体的能带发生倾斜，电子-空穴对发生空间分离、波函数交叠量减少，会引起发光效率下降、发光峰(吸收边)红移等不良现象。
4.因此，有必要提供一种红外发光二极管外延结构及其制备方法来提高红外发光二极管的发光效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种红外发光二极管外延结构及其制备方法，以缓解有源层中的应力，提高红外发光二极管的发光效率。
6.为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种红外发光二极管外延结构，从下至上依次包括：位于衬底上的缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层、有源层、应力释放层以及第二型半导体层，所述应力释放层为组分渐变的结构层。
7.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述应力释放层包括依次层叠在所述有源层上的第一结构层和第二结构层，所述第一结构层中的p组分渐变，所述第二结构层中的al组分渐变。
8.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第一结构层中的p组分从所述有源层指向所述第二型半导体层方向降低；所述第二结构层中的al组分从所述有源层指向所述第二型半导体层方向降低。
9.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第一结构层中的al组分固定不变，且所述第一结构层中的al组分与所述第二结构层最靠近所述第一结构层处中的al组分的值相同。
10.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第二型半导体层包括依次层叠的第二型限制层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层。
11.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第二型限制层的al组分为m，
所述第一结构层的材质包括alzga
1-z
as
1-y
py，其中0≤y≤0.15，m≤z≤m 0.15，且所述第一结构层最靠近所述有源层处的p组分范围为0.05～0.15。
12.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第二型限制层的al组分为m，所述第二结构层为al
x
ga
1-x
as，其中m≤x≤m 0.15。
13.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第一结构层的厚度为5nm～25nm；所述第二结构层的厚度为5nm～25nm。
14.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述应力释放层的厚度为10nm～50nm。
15.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述应力释放层中掺杂c，且c的掺杂浓度为0.7e18cm-3
～5e18cm-3
。
16.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第一型半导体层包括依次层叠的第一型欧姆接触层、第一型电流扩展层以及第一型限制层。
17.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构中，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
18.为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种红外发光二极管外延结构的制备方法，包括以下步骤：
19.提供一衬底；
20.在所述衬底上依次生长缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层、有源层以及应力释放层，且所述应力释放层为组分渐变的结构层；
21.在所述应力释放层上生长第二型半导体层。
22.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述应力释放层包括依次层叠在所述有源层上的第一结构层和第二结构层，所述第一结构层中的p组分渐变，所述第二结构层中的al组分渐变。
23.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第一结构层中的p组分从所述有源层指向所述第二型半导体层方向降低；所述第二结构层中的al组分从所述有源层指向所述第二型半导体层方向降低。
24.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第一结构层中的al组分固定不变，且所述第一结构层中的al组分与所述第二结构层最靠近所述第一结构层处中的al组分的值相同。
25.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第二型半导体层包括依次层叠的第二型限制层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层。
26.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第二型限制层的al组分为m，所述第一结构层的材质包括alzga
1-z
as
1-y
py，其中0≤y≤0.15，m≤z≤m 0.15，且所述第一结构层最靠近所述有源层处的p组分范围为0.05～0.15。
27.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第二型限制层的al组分为m，所述第二结构层为al
x
ga
1-x
as，其中m≤x≤m 0.15。
28.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第一结构层的厚度为5nm～25nm；所述第二结构层的厚度为5nm～25nm。
29.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述应力释放层的厚
度为10nm～50nm。
30.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述应力释放层中掺杂c，且c的掺杂浓度为0.7e18cm-3
～5e18cm-3
。
31.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第一型半导体层包括依次层叠的第一型欧姆接触层、第一型电流扩展层以及第一型限制层。
32.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
33.可选的，在所述的红外发光二极管外延结构的制备方法中，所述外延结构的制备工艺为mocvd工艺、分子束外延工艺、hvpe工艺、等离子体辅助化学气相沉积以及溅射法中的任意一种。
34.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
35.本发明采用在有源层和第二型半导体层之间增加组分渐变的应力释放层，能够缓解有源层中的应力，改善有源层的极化电场，而且可以改善有源层的表面形貌，进而提高红外发光二极管的发光效率。同时应力释放层的势垒逐渐降低可以有效的降低电压。
附图说明
36.图1是本发明一实施例的红外发光二极管外延结构的结构示意图；
37.图2是本发明一实施例的应力释放层的结构示意图；
38.图3是本发明一实施例的红外发光二极管外延结构的制备方法的流程图；
39.图1～3中，
40.10-衬底，201-缓冲层，202-腐蚀截止层，203-第一型欧姆接触层，204-第一型电流扩展层，205-第一型限制层，206-有源层，207-应力释放层，2071-第一结构层，2072-第二结构层，208-第二型限制层，209-第二型电流扩展层，210-第二型欧姆接触层。
具体实施方式
41.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的红外发光二极管外延结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
42.在对按照本发明的实施方式进行说明之前，事先对下述内容进行说明。首先，在本说明书中，仅标记为“gainp”时，表示ga、in的总和与p的化学组成比为1：1，ga与in的比率不固定的任意的化合物。仅标记为“algaas”时，表示al、ga的总和与as的化学组成比为1：1，al与ga的比率不固定的任意的化合物。另外，仅标记为“ingaas”时，表示ga、in的总和与as的化学组成比为1：1，ga与in的比率不固定的任意的化合物。
43.图1是本实施例的红外发光二极管外延结构的结构示意图。参阅图1，所述红外发光二极管外延结构从下至上依次包括：位于衬底10上缓冲层201、腐蚀截止层202、第一型半导体层、有源层206、应力释放层207以及第二型半导体层。
44.所述应力释放层207包括依次层叠在所述有源层206上的第一结构层2071和第二结构层2072，所述第一结构层2071中的p(磷)组分渐变，所述第二结构层2072中的al(铝)组
分渐变。所述第一结构层2071中的p组分沿所述第一结构层2071的生长方向(从所述有源层206指向所述第二型半导体层方向)降低；所述第二结构2072层中的al组分沿所述第二结构层2072的生长方向(从所述有源层206指向所述第二型半导体层方向)降低。
45.所述第一型半导体层从下至上依次包括：第一型欧姆接触层203、第一型电流扩展层204和第一型限制层205。
46.所述第二型半导体层从下至上依次包括：第二型限制层208、第二型电流扩展层209以及第二型欧姆接触层210。
47.所述第一型半导体层与所述第二型半导体层的极性相反，例如，所述第一型半导体层为n型半导体层，则对应的所述第二型半导体层为p型半导体层。相应的，所述n型半导体层包括依次堆叠的n型欧姆接触层、n型电流扩展层以及n型限制层。所述p型半导体层包括依次堆叠的p型限制层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层。
48.所述红外发光二极管外延结构的制备方法具体包括以下步骤：
49.步骤s1：提供一衬底10；
50.步骤s2：在所述衬底10上依次生长缓冲层201、腐蚀截止层202、第一型半导体层、有源层206和应力释放层207，其中，所述应力释放层207为组分渐变的结构层；
51.步骤s3：在所述应力释放层207上生长第二型半导体层。
52.所述红外发光二极管外延结构的制备工艺为金属有机化合物化学气相沉积(mocvd)工艺、分子束外延(mbe)工艺或超高真空化学气相沉积(uhvcvd)中的任意一种，优选为mocvd工艺。以下具体实施例中以mocvd工艺为例进行说明。
53.在步骤s1中，所述衬底10优选为gaas(砷化镓)衬底，也可以为si(硅)衬底，但不限于此。
54.在步骤s2中，在所述衬底10上生长缓冲层201。所述缓冲层201，最大限度的消除衬底10的表面缺陷对红外发光二极管外延结构的影响，减少红外发光二极管外延结构出现缺陷和位错，并为下一步生长提供了平整的界面。所述缓冲层201的材质优选为gaas，但不限于此。所述缓冲层201中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
55.所述缓冲层201的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长100nm～300nm厚度的缓冲层201。优选地，生长150nm厚度的缓冲层201。
56.在生长所述缓冲层201之后，在所述缓冲层201上生长腐蚀截止层202。所述腐蚀截止层202的材质优选为gainp，但不限于此。所述腐蚀截止层202中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
57.所述腐蚀截止层202的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长100nm～300nm厚度的腐蚀截止层202。优选地，生长150nm厚度的腐蚀截止层202。
58.在生长所述腐蚀截止层202之后，在所述腐蚀截止层202上生长第一型半导体层。所述第一型半导体层从下至上依次包括第一型欧姆接触层203、第一型电流扩展层204和第一型限制层205。
59.因此，在生长所述腐蚀截止层202之后，在所述腐蚀截止层202上生长所述第一型欧姆接触层203。所述第一型欧姆接触层203的材质可以为ingaas或gaas，优选为gaas，但不
限于此。所述第一型欧姆接触层201中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、碲(te)中的一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
60.所述第一型欧姆接触层203的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长20nm～150nm厚度的第一型欧姆接触层203。优选地，生长50nm厚度的第一型欧姆接触层203。
61.在生长所述第一型欧姆接触层203之后，在所述第一型欧姆接触层203上生长所述第一型电流扩展层204。所述第一型电流扩展层204的材质可以为algaas，但不限于此。所述第一型电流扩展层204中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si，且si的掺杂浓度优选为0.7e18cm-3
～5e18cm-3
。
62.所述第一型电流扩展层204的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长1.5μm～8μm厚度的第一型电流扩展层204。优选地，生长6μm厚度的第一型电流扩展层204。
63.在生长所述第一型电流扩展层204之后，在所述第一型电流扩展层204上生长所述第一型限制层205。所述第一型限制层205的材质优选为algaas，但不限于此。所述第一型限制层205中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
64.所述第一型限制层205的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长200nm～1000nm厚度的第一型限制层205。优选地，生长500nm厚度的第一型限制层205。
65.在生长所述第一型限制层205之后，在所述第一型限制层205上生长有源层206。所述有源层206材质优选为ingaas/algaas，优选为多量子阱结构，即所述有源层206优选为量子阱和量子垒组成的周期性结构，且所述有源层206的周期数优选为6～30，即所述有源层206优选具有6～30对量子阱和量子垒。所述有源层206的厚度为50nm～2000nm，优选为900nm。
66.所述有源层206的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长6～30个周期的有源层206。例如，生长12个周期的有源层206。
67.在生长所述有源层206之后，在所述有源层206上生长应力释放层207。所述应力释放层207包括依次层叠的第一结构层2071和第二结构层2072。
68.所述第二限制层208的al组分为m，所述第一结构层2071的材质优选为alzga
1-z
as
1-y
py，其中0≤y≤0.15，m≤z≤m 0.15，且所述第一结构层2071中的p组分的初始值(即所述第一结构层2071最靠近所述有源层206处的p组分)范围优选为0.05～0.15。所述第一结构层2071中的p组分沿所述第一结构层2071的生长方向(从所述有源层206指向所述第二型半导体层方向)降低，例如所述第一结构层2071中p组分沿所述第一结构层2071的生长方向由0.05渐变至0。而所述第一结构层2071中的al组分固定不变，且所述第一结构层2071中的al组分优选与所述第二结构层2072中的al组分的初始值(即所述第二结构层2072最靠近所述第一结构层2071处的al组分的值)相同。例如，所述第一结构层2071中的al组分为0.55，所述第二结构层2072中的al组分沿所述第二结构层2072的生长方向由0.55渐变至0.45。所述第一结构层2071的厚度优选为5nm～25nm。
69.所述有源层206中量子阱的材质为ingaas，晶格偏大(相对于gaas)，而且富in，而第一结构层2071的algaasp是富ga的，可以缓解有源层206的应力，改善有源层206的极化电场，达到有效调制有源层206应力的目的，改善有源层206的表面形貌，提高发光二极管的发
光效率。
70.所述第二结构层2072的厚度优选为5nm～25nm。所述第二结构层2072的材质优选为al
x
ga
1-x
as，其中m≤x≤m 0.15。所述第二结构层2072中的al组分沿所述第二结构层2072的生长方向(从所述有源层206指向所述第二型半导体层方向)降低，例如所述第二结构层2072中al组分沿所述第二结构层2072的生长方向由z渐变至m。再例如，所述第二结构层2072中al组分沿所述第二结构层2072的生长方向由z渐变至m 0.1。由于所述第二结构层2072中的al组分的初始值优选与所述第一结构层2071中的al组分相同，因此，所述第二结构层2072中的al组分优选沿所述第二结构层2072的生长方向从z逐渐降低，以使应力释放层207(具体是第二结构层2072)至所述第二型限制层208的势垒是渐变降低的，可以有效的降低电压。
71.所述第一结构层2071中的p组分渐变的方式包括线性渐变、非线性渐变变化方式中的一种或任意组合。所述第二结构层2072中的al组分渐变的方式包括线性渐变、非线性渐变变化方式中的一种或任意组合。具体的，所述线性渐变包括从所述第一结构层2071向所述第二结构层2072方向，从高p组分线性渐变至无p组分；从所述第二结构层2072向所述第二型限制层208方向，从高al组分线性渐变至低al组分。非线性渐变例如先渐变然后平稳，或者为先渐变然后平稳再渐变的方式，或者为抛物线式渐变等。在一个优选的实施例中，第一结构层2071中p组分线性渐变递减至0，第二结构层2072中al组分从所述第二结构层2072向所述第二型限制层208方向从0.55到0.45线性渐变递减。
72.所述应力释放层207中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为碳(c)、镁(mg)、锌(zn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为c，且c的掺杂浓度为0.7e18cm-3
～5e18cm-3
。所述应力释放层207的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长10nm～50nm厚度的应力释放层207。优选地，生长20nm厚度的应力释放层207，包括10nm的第一结构层2071和10nm的第二结构层2072。
73.在所述应力释放层207上生长第二型限制层208。所述第二型限制层208用于提供空穴。而且所述第一型限制层205和所述第二型限制层208作为限制层主要有两个作用，一方面是限制少数载流子不溢出有源层206，提高复合发光效率；另一方面是作为一个重要的窗口，使有源层206发出的光子极容易通过限制层，来提高发光二极管的发光效率。
74.所述第二型限制层208的材质优选为almga
1-m
as，但不限于此。所述第二型限制层208的al组分为m，且0.85≥m≥0，具体的m值根据工艺要求设定即可。所述第二型限制层208中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为碳(c)、镁(mg)、锌(zn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为mg。
75.所述第二型限制层208的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长200nm～1500nm厚度的第二型限制层208。优选地，生长600nm厚度的第二型限制层208。
76.在生长所述第二型限制层208之后，在所述第二型限制层208上生长第二型电流扩展层209。所述第二型电流扩展层209的材质优选为algaas，但不限于此。所述第二型电流扩展层209中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(mg)、锌(zn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为mg。
77.所述第二型电流扩展层209的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长200nm～3000nm厚度的第二型电流扩展层209。优选地，生长1200nm厚度的第二型电流扩展层209。
78.在生长所述第二型电流扩展层209之后，在所述第二型电流扩展层209上生长所述第二型欧姆接触层210。所述第二型欧姆接触层210用于与金属电极形成欧姆接触。所述第二型欧姆接触层210的材质优选为gap，但不限于此。所述第二型欧姆接触层210中可以掺杂碳(c)。
79.所述第二型欧姆接触层210的生长优选为在mocvd生长炉的反应室内生长20nm～100nm厚度的第二型欧姆接触层210。优选地，生长50nm厚度的第二型欧姆接触层210。
80.本发明通过在有源层和第二型半导体层之间增加应力释放层，能够缓解有源层中的应力，改善有源层的极化电场，而且可以改善有源层的表面形貌，进而提高发光二极管的发光效率。同时应力释放层的势垒逐渐降低可以有效的降低电压。
81.此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
82.而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材质、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。