具有滤光结构的反极性红外LED外延片及其制备方法与流程

具有滤光结构的反极性红外led外延片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及led技术领域，具体涉及一种具有滤光结构的940nm反极性红外led外延片及其制备方法。


背景技术：

2.反极性红外led（lighting emitting diode, 发光二极管）是一种将电能转换为光能的发光器件，具有体积小、寿命长、亮度高、功耗低等特点，它常应用于遥控器、安防摄像头、光开关、红外遥感、医疗器具及红外照明等场景中。而安防监控设备通常需要一定的隐蔽性，现有的常规结构受材料带隙的影响，会有波长处于可见光的红光发出，在夜间不利于安防摄像头的隐蔽性。
3.目前国内的安防监控摄像头大多使用的是发光波长为940nm的反极性红外led，具有发光功率高、可靠性强等优点。在现有技术中，常规反极性红外led外延片的结构示意图如图1所示，自下而上依次包括n型gaas衬底1，n型gaas缓冲层2，腐蚀截止层3， n型欧姆接触层4，n型电极保护层5，n型电流扩展层6，n型限制层7，n面波导层8，多量子阱有源层9，p面波导层10，p型限制层11，p型电流扩展层12，p型窗口层13。但是使用该led仍然存在以下缺点：常规结构中，多量子阱有源层的量子垒和波导层一般为较薄的低al组分algaas材料，电子-空穴对容易在该处进行辐射复合发出红光，这对应用于安防监控摄像头的红外led来说不具有隐蔽性和保密性。此外，从能量角度考虑，相同的注入电能转换为光能的过程中，光子能量有一部分以可见光的形式发出，并没有形成红外光，这也导致了器件的效率偏低。
4.因此，研制出无可见光溢出的高效率940nm反极性红外led对于高隐蔽性的安防摄像头有重要意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有滤光结构的940nm反极性红外led外延片及其制备方法，通过在常规940nm反极性红外led双侧的电流扩展层和限制层之间引入滤光层和dbr（分布式布拉格反射镜）反射层，有效避免可见光波段的光线溢出，同时提高led器件的发光效率，制备得到的发光器件可应用于红外遥控、安防监控摄像头等领域。
6.本发明的第一目的是提供一种具有滤光结构的反极性红外led外延片，所述led外延片从n型gaas衬底开始生长外延层，由下往上依次生长n型gaas缓冲层、腐蚀截止层、n型欧姆接触层、n型电极保护层、n型电流扩展层、n面滤光层、n型dbr反射层、n型限制层、n面波导层、多量子阱有源层、p面波导层、p型限制层、p型dbr反射层、p面滤光层、p型电流扩展层、p型窗口层；与常规940nm反极性红外led外延结构相比，在所述n型电流扩展层和n型限制层之间依次插入n面滤光层和n型dbr反射层，在所述p型限制层和p型电流扩展层之间依次插入p型dbr反射层、p面滤光层；所述n型dbr反射层和p型dbr反射层的材料均为alas/gaas交替生长的周期性结
构，循环对数均为10对-15对，每个循环周期中alas的厚度为50nm-60nm，gaas的厚度为45nm-50nm；所述n面滤光层和p面滤光层材料均为gaas，其中n面gaas滤光层的厚度为2500nm-3500nm，p面gaas滤光层的厚度为1500nm-2000nm。
7.本技术方案中，通过在靠近发光区的p面和n面两侧都引入dbr结构，可以将多量子阱有源层产生的可见光反射回有源区内部，达到无可见光溢出的目的，保证作为安防监控的940nm反极性红外led产品的隐蔽性和保密性。同时，两侧的dbr结构将可见光反射回有源层后，根据光致发光原理，有源区吸收该部分短波长的光子能量，可以再次激发量子阱中红外波段的电子-空穴辐射复合，形成更多的红外发光，有效地提升了器件的发光效率。除此之外，在dbr结构的外侧引入了gaas滤光层之后，可以预防大电流工作时dbr结构对可见光的过滤不彻底，防止残余的可见光泄露，通过窄带隙的gaas材料可以将这部分泄露出的可见光吸收过滤，进一步地避免了可见光溢出，提升了器件工作的可靠性和稳定性。
8.进一步的，所述n型dbr反射层中，alas和gaas的掺杂材料均为si掺杂，掺杂浓度均为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
9.进一步的，所述p型dbr反射层中，alas和gaas的掺杂材料均为c掺杂，掺杂浓度均为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
。
10.进一步的，所述n面滤光层中gaas的掺杂材料为si掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
11.进一步的，所述p面滤光层中gaas的掺杂材料为c掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
12.进一步的，所述n型电流扩展层和p型电流扩展层材料均为al
x1
ga
1-x1
as，其中x1的取值范围为0.1-0.2；所述n型限制层和p型限制层的材料均为al
x2
ga
1-x2
as，其中x2的取值范围为0.2-0.4。
13.进一步的，所述n面波导层和p面波导层的材料均为al
x3
ga
1-x3
as，其中x3的取值范围为0.05-0.15，所述p型窗口层的材料为gap，厚度为200nm-400nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm-3-9
×
10
19
cm-3
。
14.进一步的，所述多量子阱有源层为具有应变补偿的周期性非对称量子阱结构，周期数为4对-8对，发光区为非掺杂，其中量子阱层的材料为in
x4
ga
1-x4
as，单层阱的厚度为5nm-8nm，x4的取值范围为0.16-0.18；量子垒层的材料为(al
y1
ga
1-y1
)
0.5
as
0.5
p，厚度为20nm-30nm，y1的取值范围为0.16-0.30。
15.本发明的第二目的是提供一种具有滤光结构的反极性红外led外延片的制备方法，利用mocvd（金属有机化合物化学气相沉积）设备在n型gaas衬底上，依次生长n型gaas缓冲层、腐蚀截止层、n型欧姆接触层、n型电极保护层、n型电流扩展层、n面滤光层、n型dbr反射层、n型限制层、n面波导层、多量子阱有源层、p面波导层、p型限制层、p型dbr反射层、p面滤光层、p型电流扩展层、p型窗口层，生长结束后取出外延片。
16.进一步的，所述n型dbr反射层的生长步骤为：设定反应室温度为720℃
±
20℃，在n型电流扩展层上通入tmal、ash3，生长alas材料，生长速率为1nm/s-1.5nm/s，并采用sih4作为掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；然后关闭tmal，通入tmga，生长gaas材料，生长速率为1.5nm/s-2nm/s，掺杂剂为sih4，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
，其中alas和
gaas生长组合形成第一对n型dbr反射层，接着再循环生长9对-14对。
17.进一步的，所述p型dbr反射层的生长步骤为：设定反应室温度为690℃
±
20℃，在p型限制层上通入tmal、ash3，生长alas材料，生长速率为1nm/s-1.5nm/s，并采用ccl4作为掺杂剂，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
；然后关闭tmal，通入tmga，生长gaas材料，生长速率为1.5nm/s-2nm/s，掺杂剂为ccl4，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
，其中alas和gaas生长组合形成第一对p型dbr反射层，接着再循环生长9对-14对。
18.进一步的，所述n面滤光层的生长步骤为：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、ash，在n型电流扩展层上生长厚度为2500nm-3500nm的gaas材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；所述p面滤光层的生长步骤为：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、ash，生长厚度为1500nm-2000nm的gaas材料，采用ccl4作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果有：1.本发明通过在n型电流扩展层和n型限制层之间依次引入n面滤光层和n型dbr反射层，在p型限制层和p型电流扩展层之间依次引入p型dbr反射层和p面滤光层。该结构可以将有源区产生的可见光反射回去，避免了在工作状态下可见光波段的光线溢出，达到无红光曝出的效果，保证了作为安防监控的940nm反极性红外led的隐蔽性和保密性。
20.2.本发明p、n两侧的dbr反射层结构将可见光反射回有源区后，可以再次激发多量子阱中红外光的辐射复合，产生光致发光，形成更多的红外发光，有效地提升了led器件的发光效率。
21.3.本发明引入的gaas滤光层可以防止大电流工作时dbr结构对可见光的过滤不彻底，通过窄带隙的gaas材料将这部分泄露出的可见光吸收过滤，进一步地避免了可见光溢出，提升了940nm反极性红外led器件在多种工作条件下的可靠性和稳定性。
附图说明
22.图1为常规940nm反极性红外led外延片的结构示意图；图2为本发明具有滤光结构的940nm反极性红外led外延片的结构示意图。
23.示意图中标号说明：1.n型gaas衬底；2.n型gaas缓冲层；3.腐蚀截止层；4.n型欧姆接触层；5.n型电极保护层；6.n型电流扩展层；7.n型限制层；8.n面波导层；9.多量子阱有源层；10.p面波导层；11.p型限制层；12.p型电流扩展层；13.p型窗口层；14.n型dbr反射层；15.p型dbr反射层；16.n面滤光层；17.p面滤光层。
具体实施方式
24.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅
仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
26.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
27.请参阅图1和图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
28.本发明的一些实施例中提供一种具有滤光结构的940nm反极性红外led外延片，其结构示意图如图2所示，led外延片从n型gaas衬底1开始生长外延层，由下往上依次生长n型gaas缓冲层2、腐蚀截止层3、n型欧姆接触层4、n型电极保护层5、n型电流扩展层6、n面滤光层16、n型dbr反射层14、n型限制层7、n面波导层8、多量子阱有源层9、p面波导层10、p型限制层11、p型dbr反射层15、p面滤光层17、p型电流扩展层12、p型窗口层13。
29.在一些实施例中，所述腐蚀截止层和n型电极保护层的材料均为ga
0.5
in
0.5
p，厚度为80nm-100nm，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-3
×
10
18
cm-3
；n型欧姆接触层的材料为gaas，厚度为30nm-60nm，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-5
×
10
18
cm-3
。
30.在一些实施例中，所述n型电流扩展层和p型电流扩展层均为al
x1
ga
1-x1
as，x1的取值范围为0.1-0.2。其中，n型电流扩展层的厚度为6500nm-7500nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；p型电流扩展层的厚度为2000nm-3000nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
31.在一些实施例中，所述n面滤光层和p面滤光层均为gaas。其中，n面滤光层的厚度为2500nm-3500nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；p面滤光层的厚度为1500nm-2000nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
。
32.在一些实施例中，所述n型dbr反射层和p型dbr反射层的材料均为alas/gaas交替生长的周期性结构，循环对数均为10对-15对，每个循环周期中alas的厚度为50nm-60nm，gaas的厚度为45nm-50nm。
33.其中，n型dbr反射层的alas和gaas的掺杂浓度均为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；p型dbr反射层的alas和gaas的掺杂浓度均为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
。
34.在一些实施例中，所述n型限制层和p型限制层均为al
x2
ga
1-x2
as，其中，x2的取值范围为0.2-0.4，两者厚度均为400nm-500nm，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
。
35.在一些实施例中，所述n面波导层和p面波导层的材料均为al
x3
ga
1-x3
as，其中x3的取值范围为0.05-0.15，两者厚度均为5000nm-8000nm，且均为非掺杂。
36.在一些实施例中，所述多量子阱有源层为具有应变补偿的周期性非对称量子阱结构，周期数是4对-8对，发光区为非掺杂。其中，量子阱层的材料为in
x4
ga
1-x4
as，单层阱的厚度为5nm-8nm，x4的取值范围为0.16-0.18；量子垒层的材料为(al
y1
ga
1-y1
)
0.5
as
0.5
p，厚度为20-30nm，y1的取值范围为0.16-0.30。
37.在一些实施例中，所述的p型窗口层材料为gap，厚度为200nm-400nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm-3-9
×
10
19
cm-3
。
38.在一些实施例中，所述各n型外延层的掺杂材料均为si；所述的p型限制层、p型dbr反射层、p面滤光层和p型电流扩展层的掺杂材料均为c；所述的p型窗口层掺杂材料为mg。
39.本发明的又一实施例提供一种具有滤光结构的反极性红外led外延片的制备方法，具体包括以下步骤：（1）将mocvd反应室在纯h2气氛抽低压至50mbar，反应室温度升至400℃，随后将n型gaas衬底通过机械手中转仓传递到反应室中，然后快速升温至750℃，并在750℃下恒温维持10min-15min；（2）生长n型gaas缓冲层：将反应室温度设定为700
±
20℃，通入tmga、ash3，生长厚度为200nm-800nm的gaas缓冲层材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-3
×
10
18
cm-3
；（3）生长腐蚀截止层：将反应室温度设定为690
±
20℃，通入tmga、tmin、ph3，生长厚度为80nm-100nm的gainp材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-3
×
10
18
cm-3
；（4）生长n型欧姆接触层：将反应室温度设定为690
±
20℃，通入tmga、ash3，生长厚度为30nm-60nm的gaas材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-5
×
10
18
cm-3
；（5）生长n型电极保护层：将反应室温度设定为690
±
20℃，通入tmga、tmin、ph3，生长厚度为80nm-100nm的gainp材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3-3
×
10
18
cm-3
；（6）生长n型电流扩展层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为6500nm-7500nm的al
x1
ga
1-x1
as材料，其中x1的取值范围为0.1-0.2，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；（7）生长n面滤光层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、ash，在n型电流扩展层上生长厚度为2500nm-3500nm的gaas材料，采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；（8）生长n型dbr反射层：将反应室温度设定为720℃
±
20℃，通入tmal和ash3，生长厚度为50nm-60nm 的alas材料，然后断开tmal，同时通入tmga，生长厚度为45nm-50nm的gaas材料。上述alas/gaas为第一周期，共需要重复生长该组合10对-15对。n型dbr反射层的材料均采用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度均为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；（9）生长n型限制层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为400nm-500nm的al
x2
ga
1-x2
as材料，其中x2的取值范围为0.2-0.4，用sih4作为n型掺杂剂，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
；（10）生长n面波导层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为5000nm-8000nm的al
x3
ga
1-x3
as材料，其中x3的取值范围为0.05-0.15，该层为非掺杂；（11）生长多量子阱有源层：将反应室温度设定为670℃
±
20℃，通入tmga、tmal、tmin、ash3、ph3，生长阱、垒分别为in
x4
ga
1-x4
as、(al
y1
ga
1-y1
)
0.5
as
0.5
p的多量子阱材料，单层阱的厚度是5nm-8nm，其中x4的取值范围为0.16-0.18，单层垒的厚度是20nm-30nm，y1的取值范围为0.16-0.30，周期数是4对-8对，发光区为非掺杂；
（12）生长p面波导层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为5000nm-8000nm的al
x3
ga
1-x3
as材料，其中x3的取值范围为0.05-0.15，该层为非掺杂；（13）生长p型限制层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为400nm-500nm的al
x2
ga
1-x2
as材料，其中x2的取值范围为0.2-0.4，用ccl4作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
；（14）生长p型dbr反射层：将反应室温度设定为680℃
±
20℃，通入tmal和ash3，生长厚度为50nm-60nm的alas材料，然后断开tmal，同时通入tmga，生长厚度为45nm-50nm的gaas材料。上述alas/gaas为第一周期，共需要重复生长该组合10对-15对，p型dbr反射层的材料均采用ccl4作为p型掺杂剂，掺杂浓度均为1.5
×
10
18
cm-3-2.5
×
10
18
cm-3
；（15）生长p面滤光层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、ash，生长厚度为1500nm-2000nm的gaas材料，采用ccl4作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；（16）生长p型电流扩展层：将反应室温度设定为690℃
±
20℃，通入tmga、tmal、ash3，生长厚度为2000nm-3000nm的al
x1
ga
1-x1
as材料，其中x1的取值范围为0.1-0.2，采用ccl4作为p型掺杂剂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3-2
×
10
18
cm-3
；（17）生长p型窗口层：将反应室温度设定为650
±
20℃，通入tmga、ph3，生长厚度为200nm-400nm的gap材料，采用cp2mg作为p型掺杂剂，掺杂浓度为5
×
10
19
cm-3-9
×
10
19
cm-3
；（18）取片：生长结束后将mocvd反应室温度降低至110℃，然后压力调整至1000mbar，打开反应室，取出外延片。
40.综上所述，本发明通过在发光区的p面和n面两侧引入dbr结构，将有源区产生的可见光反射回有源区内部，达到无可见光溢出的目的，保证了作为安防摄像头的940nm反极性红外led产品的隐蔽性和安全性。同时，两侧的dbr结构将可见光反射回有源区后，可再次激发量子阱中红外波段的辐射复合，形成更多的红外发光，有效地提升了器件的发光效率。此外，在两侧dbr结构外引入了gaas滤光层可防止大电流工作下dbr结构对可见光的过滤不彻底，通过窄带隙的gaas材料可以将这部分泄露出的可见光吸收过滤，进一步地避免了可见光溢出，提升了器件工作的可靠性和稳定性。
41.最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。