TW201901986A - 具有應變補償層之紅外光發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關一種紅外光發光二極體及其製造方法,更特別的是一種具有改良的發光效率之紅外光發光二極體及其製造方法。根據本發明所提供的紅外光發光二極體,包含:砷化鎵(GaAs)基底;第一型砷化鋁鎵(AlGaAs)下限制層,其成長於GaAs基底上;磷化銦鎵(InGaP)應變補償層,其成長於第一型AlGaAs下限制層上;包含砷化銦鎵(InGaAs)量子阱的主動層,其成長於InGaP應變補償層上;第二型AlGaAs上限制層,其成長於主動層上;以及窗口層。

Description

具有應變補償層之紅外光發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種红外光發光二極體及其製造方法。更特別的是,本發明是有關於一種具有改良的發光效率之紅外光發光二極體及其製造方法。
一種紅外光發光二極體的中心波長為940±10奈米(nm)(以下稱為940奈米的中心波長),具有基本上為相同晶格常數的n型Alx Ga1-x As材料和p型Alx Ga1-x As材料(0.1< x<0.7)成長在砷化鎵(GaAs)基底上,其具有高程度的晶格匹配率和高程度的成本降低(經濟可行性),並且具有包括未摻雜的GaAs量子阻障層和砷化銦鎵(InGaAs)量子阱的主動層於成長的n型和p型材料之間,其中In的含量被調整為小於10%,以在這些層(n型和p型材料以及量子阻障層)上成長。通常來說,主動層是由InGaAs量子阱和GaAs量子阻障層構成的多結構(multi-structure)。另外,將作為電流擴散層的3微米(um)以上的p型Alx Ga1-x As層成長在最上部,以使光學效率最大化。這種具有940奈米的中心波長之红外光發光二極體通常是採用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)來製造,以用於高質量的成長。
然而,因為在成長過程中由於和GaAs層的晶格不匹配(lattice mismatch),而在用作主動層的量子阱的InGaAs中出現應變,使得這種結構會導致效率降低。
因此,鑑於上述問題,本發明的一個目的是提供一種方法,用以防止由具有中心波長為940奈米的紅外光發光二極體的晶格不匹配所引起的效率降低。
本發明的另一目的是提供一種具有改良的效率之發光二極體,藉由補償具有940奈米的中心波長之紅外光發光二極體的晶格不匹配來實現。
為了解決上述問題,具有中心波長為940奈米之紅外光發光二極體是在下限制層和主動層之間具有磷化銦鎵(InGaP)應變補償層。
儘管本發明在理論上不受限制,但是除了量子阱的砷化銦鎵(InGaAs)層之外的所有n型層、p型層、量子阻障層和窗口層的晶格常數幾乎對應於砷化鎵(GaAs)基底材料的晶格常數(例如,Al0.3 Ga0.7 As/GaAs:△α/α ≤ 400 ppm;相對於晶格常數的變化率),而GaAs層和InGaAs層之間的晶格常數變化率具有高的壓縮應變(例如,In0.07 Ga0.93 As/GaAs:△α/α ≥ 6,000 ppm;相對於晶格常數的變化率),藉由插入應變補償層於InGaAs主動層下方,使產生於InGaAs主動層之成長過程中的壓縮應變率最小化,而可將發光二極體的主動層的效率予以提昇,其中應變補償層的晶格常數幾乎與GaAs材料的晶格常數對應,且經由控制In和Ga之間的組成比例,應變補償層具有用以補償壓縮應變率的拉伸應變率。
在本發明中, InGaP應變補償層較佳為Inx Ga1-x P層(0.44 ≤ x ≤ 0.47),進一步較佳 x = 0.47,以提高發光效率。
在本發明中,術語“壓縮應變”意指主動層的弧秒(arcsec)比GaAs基底的弧秒低。
在本發明中,術語“拉伸應變”是指主動層的弧秒比GaAs基底的弧秒高。
在本發明中,中心波長為940奈米的紅外光發光二極體包括:砷化鎵(GaAs)基底;第一型砷化鋁鎵(AlGaAs)下限制層,其成長於GaAs基底上;磷化銦鎵(InGaP)應變補償層,其成長於第一型AlGaAs下限制層上;包含InGaAs量子阱的主動層,其成長於InGaP應變補償層上;第二型AlGaAs上限制層,其成長於主動層上;以及p型窗口層,並且在p型窗口層和GaAs基底的頂面和底面上分別具有上電極和下電極。
在本發明中,GaAs基底是其上生長有下限制層的基底,並且下電極可以形成在基底的底面上。在本發明的實施例中,GaAs基底的類型可以與第一型AlGaAs下限制層的類型相同,較佳為n型GaAs基底,且例如為,n型GaAs基底可以具有32.9弧秒值。
在本發明中,AlGaAs下限制層的類型較佳採用與下GaAs基底相同的類型,且較佳為具有與n型基底基本上相同程度的弧秒值,即,±0.5的 n型基底的弧秒值。在一個較佳實施例中,可以控制Al和Ga之間的比率,使得AlGaAs可以具有基本上與n型基底相同程度的弧秒值。例如,AlGaAs可以表示為Alx Ga1-x As,且x可以是0.3。
在本發明中,主動層可以是InGaAs量子阱層和GaAs量子阻障層交替堆疊的多層主動層。
在本發明的一個實施例中,InGaAs主動層可以採用Inx Ga1-x As層中的0.07 ≤ x ≤ 0.08的範圍,以發出具有940奈米的中心波長的光,且此範圍可以根據厚度來略微控制。
在本發明的較佳實施例中,多層主動層可以是兩對或更多對,較佳為三對或更多對,更佳為四對或更多對,並且較佳為五對的InGaAs量子阱層和GaAs量子阻障層。
在本發明中,上限制層AlGaAs可以表示為Alx Ga1-x As,且x可以為0.3。
在本發明的一個方面中,乃提供了一種發光二極體,其包括:基底;下限制層;應變主動層;上限制層;以及窗口層,其中在下限制層和主動層之間進一步設置應變補償層,用於補償主動層的應變。
在本發明的一個方面中,也提供了一種發光二極體的製造方法,其包括:基底;下限制層;應變主動層;上限制層;以及窗口層,其中用於補償主動層的應變之應變補償層成長在下限制層上,且主動層成長在應變補償層上。
在本發明中,較佳是針對壓縮應變主動層來形成拉伸應變補償層,並且針對拉伸應變主動層來形成壓縮應變補償層,從而可以提高發光二極體的效率。
在以下說明中,將透過實施例來詳細描述本發明。
第1圖顯示採用由MOCVD系統所製造的Inx Gal-x P應變補償層的940奈米紅外光發光二極體的結構示意圖。
如第1圖所示,940奈米紅外光發光二極體構成下n型GaAs基底8;Al0.3 Ga0.7 As的n型限制層7,其成長於n型GaAs基底上;Inx Ga1-x P的應變補償層6,其成長於n型限制層7上;以及主動層10,其藉由GaAs量子阻障層5和In0.07 Ga0.93 As量子阱4交替成長五次於應變補償層6上所形成。Al0.3 Ga0.7 As的p型限制層3成長在主動層10上,並且Al0.2 Ga0.8 As的窗口層2成長5微米(㎛)的厚度於p型限制層3上,用於紅外光發光二極體的電流擴散和放電錐狀面積擴張(discharge cone area expansion)的效應。AuGeNi的下電極9形成在GaAs基底8下方,且AuZn的上電極1形成在窗口層2上。
第2圖顯示對於Inx Ga1-x P應變補償層、In0.07 Ga0.93 As量子阱層、Al0.3 Ga0.7 As的n型限制層和GaAs基底執行XRD的結果。所有層在GaAs基底上成長為單層,並通過ω-2θ掃描和測量。發光二極體層是在GaAs基底上成長(32.9弧秒),當它們相對於GaAs基底在更低的弧光方向上移動時具有壓縮應變,且當它們沿著更高的弧光方向移動時具有拉伸應變。在In0.07 Ga0.93 As用作940奈米二極體發光量子阱的情況下,其為32.55弧秒,並證實相對於GaAs基底(32.9弧秒)具有相當高的壓縮應變(△α/α ≥ 6,000ppm;相對於晶格常數的變化率)。Al0.3 Ga0.7 As用作n型限制層為32.85弧秒,並證實具有與GaAs幾乎相同的特性(△α/α ≤ 400ppm;相對於晶格常數的變化率)。在Inx Ga1-x P層用於補償In0.07 Ga0.93 As的高壓縮應變的層的情況下,證實Inx Ga1-x P層顯示出各種應變特性,其根據In的比率相對於GaAs基底(32.9弧秒)而具有從壓縮應變(32.82弧秒)特性到拉伸應變(33.0、33.2和33.32弧秒)特性。此外,在此實驗中證實,採用Inx Ga1-x P層的壓縮應變和拉伸應變的特性可以補償具有高壓縮應變的In0.07 Ga0.93 As的量子阱的應變特性。
第3圖顯示採用具有第2圖中獲得的各種應變特性(壓縮應變和拉伸應變)的Inx Ga1-x P層的940奈米紅外光發光二極體的主動層的光致發光(PL)特性。基本的940奈米紅外光發光二極體的主動層(MQW w/o InGaP)顯示0.1的光強度。採用具有壓縮應變(具有In0.5 Ga0.5 P的MQW)的Inx Ga1-x P層的940奈米紅外光發光二極體的主動層顯示出更低的光強度為約0.09的特性。相反地,採用具有拉伸應變的Inx Ga1-x P層(0.44 < x < 0.47)的940奈米紅外光發光二極體的主動層顯示出相對高的光強度為約0.13和0.11的特性,並且在一些x值小於0.41(x < 0.41)的情況下顯示出明顯降低的光強度為0.06。根據此結果可知,在滿足拉伸應變的規定條件之情況下,Inx Ga1-x P應變補償層是從提高940奈米紅外光發光二極體的In0.07 Ga0.93 As主動層的效率方面來考慮的有效方法之一。
第4圖顯示採用根據本發明所提供的Inx Ga1-x P應變補償層的940奈米紅外光發光二極體的光學特性的示意圖。採用的Inx Ga1-x P應變補償層的x值為0.5、0.47、0.44和0.41,應變補償層具有根據x值的壓縮應變和拉伸應變兩者的特性。對於所提供的紅外光發光二極體,在施加高達約60毫安培(mA)的電流值下,測量電流-電壓(I-V)和電流-光(I-L)的值。
如第4圖所示,施加Inx Ga1-x P層(x = 0.5)的壓縮應變的發光二極體顯示出比未施加壓縮應變的發光二極體(w/o InGaP)低的發光特性,而這樣的結果表明,添加到In0.07 Ga0.93 As層的高度壓縮應變中的壓縮應變具有負面影響。由施加Inx Ga1-x P層的拉伸應變(0.44 < x < 0.47)的發光二極體證實了顯著改善的發光特性,並且在x = 0.47時,效率增加約25%和約5%。 另外,當施加具有更高拉伸應變的Inx Ga1-x P層(x = 0.41)時,證實了效率突然降低(約-22%)的現象。
根據本發明,藉由採用具有高程度的晶格匹配率和高程度的成本降低之GaAs基底,根據中心波長為940奈米的紅外光發光二極體的應變問題可以被解決,並且因此提供了具有改進的發光效率之紅外光二極體。
對於本領域內的技術人員顯而易見的是,可以在不脫離本發明的範圍或精神的情況下,皆可以對本發明進行各種修改和變化。鑑於上述內容,凡落入本發明申請範圍所述之均等變化或修飾,均應涵蓋於本發明中。
1‧‧‧上電極
2‧‧‧窗口層
3‧‧‧P型限制層
4‧‧‧量子阱
5‧‧‧量子阻障層
6‧‧‧應變補償層
7‧‧‧N型限制層
8‧‧‧基底
9‧‧‧下電極
10‧‧‧主動層
第1圖顯示採用由MOCVD系統所製造的Inx Gal-x P應變補償層的940奈米紅外光發光二極體的結構示意圖。 第2圖顯示對於Inx Ga1-x P應變補償層、In0.07 Ga0.93 As量子阱層、Al0.3 Ga0.7 As層的n型限制層和GaAs基底執行XRD的結果。 第3圖顯示採用具有第2圖中獲得的拉伸應變特性的Inx Ga1-x P層的940奈米紅外光發光二極體的主動層的光致發光(PL)特性。 第4圖顯示採用根據本發明的Inx Ga1-x P應變補償層的940奈米紅外光發光二極體的光學特性的示意圖。

Claims (8)

  1. 一種紅外光發光二極體,包含: 一砷化鎵(GaAs)基底; 一第一型砷化鋁鎵(AlGaAs)下限制層,成長於該GaAs基底上; 一磷化銦鎵(InGaP)應變補償層,成長於該第一型AlGaAs下限制層上; 一主動層,包括一砷化銦鎵(InGaAs)量子阱,並成長於該InGaP應變補償層上; 一第二型AlGaAs上限制層,成長於該主動層上; 一窗口層;以及 一電極。
  2. 如請求項1所述之紅外光發光二極體,其中該紅外發光二極體的中心波長為940奈米(nm)。
  3. 如請求項2所述之紅外光發光二極體,其中InGaP應變補償層係具有一拉伸應變率的補償層。
  4. 如請求項1或2所述之紅外光發光二極體,其中該InGaP應變補償層係Inx Ga1-x P層,且0.44 ≤ x ≤ 0.47。
  5. 如請求項1或2所述之紅外光發光二極體,其中該InGaP應變補償層係Inx Ga1-x P層,且x = 0.47。
  6. 如請求項1或2所述之紅外光發光二極體,其中該主動層係由一InGaAs層和一GaAs層交替堆疊所形成。
  7. 一種紅外光發光二極體,包含: 一基底; 一下限制層; 一應變主動層; 一上限制層;以及 一窗口層; 其中,一應變補償層係用於補償該主動層的應變,並設置於該下限制層和該主動層之間。
  8. 一種紅外光發光二極體的製造方法,包含: 一基底; 一下限制層; 一應變主動層; 一上限制層;以及 一窗口層; 其中,用於補償該主動層的應變之一應變補償層係成長於該下限制層上,且該主動層係成長於該應變補償層上。
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