红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管
阅读说明：本技术 红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管 (Infrared light-emitting diode epitaxial wafer, preparation method thereof and infrared light-emitting diode ) 是由 高文浩 冯彦斌 梁倩 吴超瑜 彭钰仁 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管,其中,所述红外发光二极管外延片包括依次层叠的：n型欧姆接触层、n型覆盖层、发光层、p型覆盖层、p型GaInP过渡层、p型Al-(x)Ga-((1-x))InP过渡层及p型GaP欧姆接触层,其中,所述p型Al-(x)Ga-((1-x))InP过渡层中x的取值范围满足0＜x≤0.7。本发明通过在红外发光二极管外延片中的p型GaInP过渡层和p型GaP欧姆接触层之间增加一层p型Al-(x)Ga-((1-x))InP材料,解决了p型GaInP过渡层和p型GaP欧姆接触层之间存在较多缺陷且带隙差大的问题,减少红外发光二极管中的电流阻塞,增强红外发光二极管抗静电能力,降低红外发光二极管的结温及使用电压,进而提升红外发光二极管的电光转换效率和发光亮度,并延长器件的使用寿命。(The invention provides an infrared light-emitting diode epitaxial wafer, a preparation method thereof and an infrared light-emitting diode, wherein the infrared light-emitting diode epitaxial wafer comprises the following components in sequential stacking: n-type ohmic contact layer, n-type cladding layer, light emitting layer, p-type cladding layer, p-type GaInP transition layer, and p-type Al x Ga (1‑x) InP transition layer and p-type GaP ohmic contact layer, wherein the p-type Al x Ga (1‑x) The value range of x in the InP transition layer is more than 0 and less than or equal to 0.7. The invention adds a layer of p-type Al between a p-type GaInP transition layer and a p-type GaP ohmic contact layer in an infrared light-emitting diode epitaxial wafer x Ga (1‑x) InP material, p-type GaInP transition layer and p-type GaInP transition layerThe problems of more defects and large band GaP difference exist between GaP ohmic contact layers, the current blocking in the infrared light-emitting diode is reduced, the antistatic capability of the infrared light-emitting diode is enhanced, the junction temperature and the service voltage of the infrared light-emitting diode are reduced, the electro-optic conversion efficiency and the luminous brightness of the infrared light-emitting diode are further improved, and the service life of the device is prolonged.)
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是涉及一种红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管。
背景技术
红外发光二极管通常由红外辐射效率高的材料(GaAs)制成PN结，是一种重要的发光器件，广泛应用于各种光电开关、遥控发射电路及车辆传感等领域。红外发光二极管外延片是制备红外发光二极管的基础结构，其结构示意图如图1所示，从下向上依次为：n型欧姆接触层1、n型窗口层2、n型覆盖层3、发光层4、p型覆盖层5、p型窗口层6、p型GaInP过渡层7及p型GaP欧姆接触层9。
研究发现AlGaAs结构和GaP结构之间带隙差很大，从而导致串联电阻相当高，电流在GaInP过渡层处拥挤，进一步导致操作电压非常高，从而严重降低器件电光转换效率，造成能源浪费。其次，电流拥挤会导致器件的抗静电能力大幅降低。另外，串联电阻的升高增加了器件的发热量，从而导致结温升高，降低器件的发光亮度和使用寿命。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种红外发光二极管外延片及其制备方法，用于解决现有技术中的红外发光二极管中的p型GaInP过渡层和p型GaP欧姆接触层之间存在较多缺陷且带隙差大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种红外发光二极管外延片，所述红外发光二极管外延片包括依次层叠的：n型欧姆接触层、n型覆盖层、发光层、p型覆盖层、p型GaInP过渡层、p型AlxGa(1-x)InP过渡层及p型GaP欧姆接触层，其中，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层中x的取值范围满足0＜x≤0.7。
可选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层中x的取值范围满足0＜x≤0.6。
可选地，所述n型欧姆接触层和所述n型覆盖层之间包括n型窗口层，所述p型覆盖层和所述p型GaInP过渡层之间包括p型窗口层。
可选地，所述n型欧姆接触层的材料为GaAs，所述n型窗口层的材料为n型掺杂的AlGaAs，所述n型覆盖层的材料为n型掺杂的AlGaAs，所述p型覆盖层的材料为p型掺杂的AlGaAs，所述p型窗口层的材料为p型掺杂的AlGaAs。
可选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层的厚度小于500nm。
可选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层中Al组分的含量沿所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层的生长方向呈渐变式增加。
进一步地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层包括三层所述p型AlxGa(1-x)InP子层，沿生长方向依次为Al0.15Ga0.85InP子层、Al0.35Ga0.65InP子层、Al0.55Ga0.45InP子层。
可选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层中的p型掺杂元素为Zn。
本发明提供一种红外发光二极管，所述红外发光二极管包括上述的红外发光二极管外延片。
本发明还提供一种红外发光二极管外延片的制备方法，所述红外发光二极管外延片的制备方法包括步骤：
1)提供一衬底；
2)在所述衬底上生长n型欧姆接触层；
3)在所述n型欧姆接触层上生长n型窗口层；
4)在所述n型窗口层上生长n型覆盖层；
5)在所述n型覆盖层上生长发光层；
6)在所述发光层上生长p型覆盖层；
7)在所述p型覆盖层上生长p型窗口层；
8)在所述p型窗口层上生长p型GaInP过渡层；
9)在所述p型GaInP过渡层上生长p型AlxGa(1-x)InP过渡层，x的取值范围满足0＜x≤0.7；
10)在所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层上生长p型GaP欧姆接触层。
可选地，在步骤9)中，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层在生长过程中，其中Al组分的含量呈渐变式增加。
进一步地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层在生长过程中，依次形成Al0.15Ga0.85InP子层、Al0.35Ga0.65InP子层、Al0.55Ga0.45InP子层。
如上所述，本发明的红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管，具有以下有益效果：在红外发光二极管外延片中的p型GaInP过渡层和p型GaP欧姆接触层之间增加一层P型AlxGa(1-x)InP材料，AlxGa(1-x)InP一方面可以起到晶格常数过渡作用，另一方面减少了GaInP和GaP之间带隙陡峭。因此，插入的AlxGa(1-x)InP层能够减少因界面失配而产生的大量缺陷，从而减少红外发光二极管中的电流阻塞，增强红外发光二极管抗静电能力，降低红外发光二极管的结温及使用电压，进而提升红外发光二极管的电光转换效率和发光亮度，并延长器件的使用寿命。
附图说明
图1显示为现有技术中的红外发光二极管外延片的结构示意图。
图2显示为本发明的一种红外发光二极管外延片的结构示意图。
图3显示为本发明的另一种红外发光二极管外延片的结构示意图。
图4显示为本发明的红外发光二极管外延片制备方法流程图。
元件标号说明
1 n型欧姆接触层
2 n型窗口层
3 n型覆盖层
4 发光层
41 InGaAs阱层
42 AlGaAs垒层
5 p型覆盖层
6 p型窗口层
7 p型GaInP过渡层
8 p型AlxGa(1-x)InP过渡层
9 p型GaP欧姆接触层
S1～S10 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
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，遂图式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型态、数量、位置关系及比例可在实现本技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供一种红外发光二极管外延片，所述红外发光二极管外延片包括依次层叠的：n型欧姆接触层1、n型覆盖层3、发光层4、p型覆盖层5、p型GaInP过渡层7、p型AlxGa(1-x)InP过渡层8及p型GaP欧姆接触层9，其中，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中x(Al组分的含量)的取值范围满足0＜x≤0.7。优选地，AlxGa(1-x)InP中x的取值范围满足0＜x≤0.6。
由于所述p型GaInP过渡层7的禁带宽度为1.87ev，所述p型GaP欧姆接触层9的禁带宽度为2.26ev，两者之间带隙差较大，直接相互接触会因界面失配而产生大量缺陷，而所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的带隙范围为1.87ev～2.26ev之间，保证所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8可用于减少所述p型GaInP过渡层7和所述p型GaP欧姆接触层9之间的带隙陡峭，同时减少因界面失配而产生的大量缺陷。具体的，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中Al组分的含量从下向上是增加的，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8在所述p型GaInP过渡层7上能够良好地生长，保证所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8缺陷较少；所述p型GaP欧姆接触层9在所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8上也能够生长，并保证所述p型GaP欧姆接触层9缺陷较少。以此减小红外发光二极管中的串联电阻，减少电流阻塞，增强红外发光二极管抗静电能力，降低红外发光二极管的结温及使用电压，进而提升红外发光二极管的电光转换效率和发光亮度，并延长器件的使用寿命。
作为示例，如图3所示，所述n型欧姆接触层1和所述n型覆盖层3之间包括n型窗口层2，所述p型覆盖层5和所述p型GaInP过渡层7之间包括p型窗口层6。所述n型窗口层2和所述p型窗口层6在所述红外发光二极管外延片中起到电流扩展作用，有利于电流在外延片中的均匀分布。
作为示例，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的厚度小于500nm。优选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的厚度为90nm。
作为示例，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中Al组分的含量沿所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的生长方向呈渐变式增加。具体的，在所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中，Al组分的含量沿所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的生长方向从0渐变式增加到x，0＜x≤0.7。优选地，在所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中，Al组分的含量沿所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的生长方向从0渐变式增加到0.6。所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8可分为若干依次层叠的p型AlxGa(1-x)InP子层，优选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8包括三层所述p型AlxGa(1-x)InP子层，沿生长方向依次为Al0.15Ga0.85InP子层、Al0.35Ga0.65InP子层、Al0.55Ga0.45InP子层。优选地，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8的三子层的厚度均为30nm。
作为示例，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8中的p型掺杂元素为Zn，掺杂浓度优选为2.00E18。
作为示例，如图3所示，所述发光层4包括InGaAs阱层41和AlGaAs垒层42，所述AlGaAs垒层42生长在所述InGaAs阱层41上。
在本发明中，所述n型欧姆接触层1可使用GaAs，所述n型窗口层2可使用n型掺杂的AlGaAs，所述n型覆盖层3可使用n型掺杂的AlGaAs，所述n型窗口层2中的AlGaAs与所述n型覆盖层3中的AlGaAs的Al和Ga的相对比例不同；所述p型覆盖层5可使用p型掺杂的AlGaAs，所述p型窗口层6可使用p型掺杂的AlGaAs，所述p型覆盖层5中的AlGaAs与所述p型窗口层6中的AlGaAs的Al和Ga的相对比例不同。下列表格详细列举了图2所示红外发光二极管外延片结构中各层的主要材料及其相关参数的优选值。
功能
材料
厚度(nm)
掺杂浓度
能带宽度(ev)
P型欧姆接触层
GaP:C
50
1.00E19
2.26
P型过渡层2
(Al<sub>0.34</sub>Ga<sub>0.66</sub>)<sub>0.46</sub>In<sub>0.54</sub>P:Zn
90
2.00E18
2.06
P型过渡层1
Ga<sub>0.46</sub>In<sub>0.54</sub>P:Zn
30
2.00E18
1.87
P型窗口层
Al<sub>0.25</sub>Ga<sub>0.75</sub>As:C
3000
5.00E17
1.74
P型覆盖层
Al<sub>0.45</sub>Ga<sub>0.55</sub>As:C
400
1.00E18
1.98
发光层之垒层
Al<sub>0.25</sub>Ga<sub>0.75</sub>As
25
-
1.74
发光层之阱层
InGaAs
6
-
1.29
N型覆盖层
Al<sub>0.45</sub>Ga<sub>0.55</sub>As:Te
400
1.00E18
1.98
N型窗口层
Al<sub>0.25</sub>Ga<sub>0.75</sub>As:Te
7000
5.00E17
1.74
N型欧姆接触层
GaAs:Si
60
2.00E18
1.42
需要说明的是，上述表格中除所述发光层4外的各层材料均进行了掺杂，掺杂元素表示在各层主要材料的化学式后。另外，过渡层作用是实现晶格常数的过渡，本发明是在所述p型GaInP过渡层7和所述p型GaP欧姆接触层9之间又增加了(AlxGa(1-x))yIn(1-y)P过渡层，减少层间应力，不影响器件性能。P型过渡层2的(AlxGa(1-x))yIn(1-y)P中的y值会随着P型掺杂浓度及类型变化而进行变化，随着(AlxGa(1-x))yIn(1-y)P的生长，y值随之变化，该变化能够确保(AlxGa(1-x))yIn(1-y)P的晶格常数往GaP的晶格常数方向变化，优选的，发明人通过xrd测试确认(Al0.34Ga0.66)0.46In0.54P材料的衍射峰在GaAs衬底层衍射峰右侧300arcsec的位置。采用本实施例的红外发光二极管外延片上可在测试电流为350mA时，使器件的顺向电压相对现有器件降低0.02V左右。
本发明的红外发光二极管包括如上所述的红外发光二极管外延片。
本发明还提供一种红外发光二极管外延片的制备方法，该制备方法可用于制备上述所述的红外发光二极管外延片，其所能达到的有益效果，可请参见上述描述，以下不再赘述。如图4所示，该制备方法包括步骤：
1)提供一衬底(用于外延生长)；
2)在所述衬底上生长n型欧姆接触层；
3)在所述n型欧姆接触层上生长n型窗口层；
4)在所述n型窗口层上生长n型覆盖层；
5)在所述n型覆盖层上生长发光层；
6)在所述发光层上生长p型覆盖层；
7)在所述p型覆盖层上生长p型窗口层；
8)在所述p型窗口层上生长p型GaInP过渡层；
9)在所述p型GaInP过渡层上生长p型AlxGa(1-x)InP过渡层，x的取值范围满足0＜x≤0.7；
10)在所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层上生长p型GaP欧姆接触层。
需要说明的是，所述n型窗口层和所述p型窗口层需要配合芯片制程工艺，例如通过对窗口层进行粗化，从而提升光萃取效率，提升器件性能。
作为示例，在上述步骤5)中，所述发光层4包括InGaAs阱层41和AlGaAs垒层42，在所述n型AlGaAs覆盖层3上生长所述InGaAs阱层41，在所述InGaAs阱层41上生长所述AlGaAs垒层42。
作为示例，在步骤9)中，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层8在生长过程中，其中Al组分的含量可以呈渐变式增加。具体渐变方式已在上文论述，在此不再赘述。
本发明的红外发光二极管的制备方法包括如上所述的红外发光二极管外延片的制备方法。
综上所述，本发明提供一种红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管，其中，所述红外发光二极管外延片包括依次层叠的：n型欧姆接触层、n型覆盖层、发光层、p型覆盖层、p型GaInP过渡层、p型AlxGa(1-x)InP过渡层及p型GaP欧姆接触层，其中，所述p型AlxGa(1-x)InP过渡层中x(Al组分的含量)的取值范围满足0＜x≤0.7。本发明的红外发光二极管外延片及其制备方法和红外发光二极管具有以下有益效果：在红外发光二极管外延片中的p型GaInP过渡层和p型GaP欧姆接触层之间增加一层P型AlxGa(1-x)InP材料，AlxGa(1-x)InP一方面可以起到晶格常数过渡作用，另一方面减少了GaInP和GaP之间带隙陡峭。因此，插入的AlxGa(1-x)InP层能够减少因界面失配而产生的大量缺陷，从而减少红外发光二极管中的电流阻塞，增强红外发光二极管抗静电能力，降低红外发光二极管的结温及使用电压，进而提升红外发光二极管的电光转换效率和发光亮度，并延长器件的使用寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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