一种光疗用红光芯片的外延结构及制备方法与流程

本申请涉及发光二极管
技术领域：
和光医疗器械领域，更具体地说，它涉及一种光疗用红黄光芯片的外延结构及制备方法。
背景技术：
：光疗技术已经有上百年的发展历史，通常被用于治疗皮肤病。在光疗技术的发展过程中，可见光光疗、红外线光疗、紫外线光疗等光疗方法相继形成。理想的光疗仪应当具备以下特征(1)光的频率分布集中度高；(2)光照均匀。红黄光光疗属于可见光光疗的一种，红黄光对人体穿透能力强，疗效显著，因此在临床治疗的各领域中得到广泛的应用。目前，随着发光二极管技术的快速发展，发光二极管已经取代传统光源，成为红黄光光疗所使用的主要光源。发光二极管由pn结组成，当在发光二极管中通入电流时，来自n区的电子与来自p区的空穴在p区与n区的交界处复合，并释放能量发光。由于电子与空穴的复合具有随机性，因此与传统光疗光源相比，发光二极管具有较大的发光角度和较大的覆盖面积。针对上述中的相关技术，发明人认为，当使用发光二极管作为光疗仪的光源时，虽然发光二极管实现了较大的发光角度，但由于电子与空穴复合具有随机性，发光二极管发光的频率分布较为分散，导致半波宽较宽，出射光中有一部分并未对治疗起作用，难以达到较好的治疗效果。技术实现要素：为了改善红黄光发光二极管的半波宽较宽，难以达到较好的治疗效果的缺陷，本申请提供一种光疗用红黄光芯片的外延结构及制备方法。第一方面，本申请提供一种光疗用红黄光芯片的外延结构，采用如下的技术方案：一种光疗用红黄光芯片的外延结构，包括gaas衬底层以及依次设于gaas衬底层上的超辐射发光二级管区、隧道结和发光二极管区，所述超辐射发光二级管区包括第一波导层、第一量子阱层以及第二波导层，所述第一量子阱层设于第一波导层与第二波导层之间，且所述第二波导层位于第一波导层上方。通过采用上述技术方案，工作时，外加电流经过发光二极管区向下传播，依靠隧穿效应穿过隧道结，然后再经过发光二极管区，最终从衬底层离开。在电流的驱动下，电子与空穴在第一量子阱层内结合并发光。第一量子阱层发出的光受到第一波导层和第二波导层的约束，半波宽以及发光角度均减小，然后向上传播并穿过隧道结，最终与发光二极管区发出的光共同离开芯片。当超辐射发光二级管区发出的光与发光二极管区发出的光混合之后，虽然发光角度有所减小，但与单独设置超辐射发光二极管区的情况相比，发光角度仍然较大；与单独设置发光二极管区时相比，光的半波宽平均化，总体的半波宽减小，光的频率的分布更加集中，从而有利于提高治疗效果。优选的，所述发光二极管区包括依次设置于隧道结上方的n型gaas层、第二量子阱层以及p型gaas层。通过采用上述技术方案，当外加电流经过发光二极管区时，n型gaas层提供的电子与p型gaas层提供的空穴受到电流的驱动，在第二量子阱层内复合并发光。由于n型gaas层与p型gaas层仅起到提供载流子的作用，并不具备对光的约束效果，因此发光二极管区发出的光同时具有较大的半波宽和较大的发光角度。优选的，所述gaas衬底层与第一波导层之间设有第一反射层，所述隧道结与第二波导层之间设有第二反射层，所述第一反射层的反射率大于第二反射层的反射率。通过采用上述技术方案，超辐射发光二极管区发出的光在第一反射层与第二反射层之间持续进行反射。在反射过程中，第一反射层与第二反射层共同形成谐振腔，谐振腔对位于红黄光频率段的光起正反馈作用，使超辐射发光二极管区发出的光占比增加，从而减小了光的半波宽。由于第二反射层的反射率小于第一反射层的反射率，因此第二反射层处产生的折射光将向上传播，最终与发光二极管区的光汇合。优选的，所述第一反射层为第一dbr层，所述第二反射层为第二dbr层，所述第一dbr层与第二dbr层均由交替排列的gaas层与alas层组成。通过采用上述技术方案，光在通过gaas层与alas层时，由于gaas层与alas层之间形成带隙，带隙对光的频率具有选择作用，使得光的频率分布范围缩小，从而进一步减小了半波宽，增大了发光角度。选的，所述第一dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数为3-50，所述第二dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数为3-20，且所述第一dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数大于第二dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数。通过采用上述技术方案，由于第一dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数大于第二dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数，因此第一dbr层的反射率高于第二dbr层的反射率。gaas层与alas层交替排列的周期数越大，第一dbr层与第二dbr层的反射率越高，对超辐射发光二极管区发出的光的正反馈作用越强，超辐射发光二极管区发出的光占比增加，因此减小了半波宽，增大了发光角度。当gaas层与alas层交替排列的周期数过大时，由于光在第一dbr层与第二dbr层中发生反射和折射的次数过多，且折射光和反射光之间的干涉加强，因此会使半波宽增大，发光角度减小。优选的，所述p型gaas层上方还设有p型gaas接触层，所述p型gaas接触层的掺杂浓度大于p型gaas层的掺杂浓度。通过采用上述技术方案，在芯片中引入外加电流时，需要在芯片p型gaas层上方沉积金属。由于p型gaas接触层的掺杂浓度大于p型gaas层的掺杂浓度，因此形成了掺杂浓度的过渡区，改善了p型gaas层与金属片之间的欧姆接触性能，降低了金属与芯片之间的电阻，使外加电压集中在芯片内部，从而改善了发光效果。优选的，所述p型gaas接触层的掺杂浓度范围是1e18-1e22/cm3。通过采用上述技术方案，p型gaas接触层的掺杂浓度越大，p型gaas层与金属片之间的欧姆接触性能越好，因此随着p型gaas接触层的掺杂浓度增大，发光效果逐步改善，同时进一步减小了半波宽，增大了发光角度。但当p型gaas接触层的掺杂浓度过大时反而对芯片发光造成影响。优选的，所述第二dbr层与第二波导层之间设有电子阻挡层。通过采用上述技术方案，当外加电流通过芯片时，电子阻挡层对电子进行阻挡，使得电流均匀分散在芯片的横截面上，减少了由于电流的分布不均匀而使芯片内各处的载流子分布密度出现差异的可能，从而增大了发光角度，减小了半波宽。优选的，所述电子阻挡层由p型algaas层组成，所述电子阻挡层的厚度在30-200nm之间。通过采用上述技术方案，电子阻挡层的厚度越大，电流分布的均匀性越好，芯片的发光效果越好，同时还能使发光角度增大，半波宽减小。当电子阻挡层的厚度过大时，由于对电子的阻挡能力过强，导致电流减弱，对芯片的发光效果造成影响，并导致发光角度减小，半波宽增大。第二方面，本申请提供一种光疗用红黄光芯片的外延结构的制备方法，包括以下步骤：(1)在gaas衬底层上交替沉积gaas层以及alas层，得到第一dbr层；(2)在第一dbr层上沉积algaas层，得到第一波导层；(3)在第一波导层上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第一量子阱层；(4)在第一量子阱层上沉积p型ingaas层，得到第二波导层；(5)在第二波导层上沉积p型algaas层，得到电子阻挡层；(6)在电子阻挡层上交替沉积gaas层和alas层，得到第二dbr层；(7)在第二dbr层上交替沉积gaas层和algaas层，得到隧道结；(8)在隧道结上沉积n型gaas层；(9)在n型gaas层上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第二量子阱层；(10)在第二量子阱层上沉积p型gaas层；(11)在p型gaas层上沉积p型gaas接触层，得到光疗用红黄光芯片的外延结构。通过采用上述技术方案，使用依次沉积的方法自下而上叠加新层，最终得到了光疗用红黄光芯片的外延结构。综上所述，本申请具有以下有益效果：1、本申请采用第一波导层和第二波导层限制超辐射发光二级管区发光的半波宽，并且通过隧道结将超辐射发光二级管区与发光二极管区结合，与单独设置发光二极管区的情况相比，芯片发出的光具有半波宽窄的优点，因此有利于提高治疗效果。2、本申请中在gaas衬底层与第一波导层之间设第一反射层，在隧道结与第二波导层之间设有第二反射层，第一反射层与第二反射层共同形成谐振腔，对超辐射发光二级管区发出的光进行了正反馈，使红黄光的占比增加，减小了光的半波宽，增大了发光角度。3、本申请中在p型gaas层上方设置p型gaas接触层，且令p型gaas接触层的掺杂浓度大于p型gaas层的掺杂浓度，从而改善了p型gaas与金属之间的欧姆接触性能，使外加电压集中于芯片内部，从而提高了芯片的发光效果。4、本申请的方法，通过依次沉积的方法，在gaas衬底层的基础上依次得到超辐射发光二级管区、隧道结以及发光二极管区，最终成功制备了光疗用红黄光芯片的外延结构。附图说明图1是本申请实施例一种光疗用红黄光芯片的外延结构的整体结构示意图。附图标记：1、gaas衬底层；2、第一反射层；3、第一波导层；4、第一量子阱层；5、第二波导层；6、电子阻挡层；7、第二反射层；8、隧道结；9、n型gaas层；10、第二量子阱层；11、p型gaas层；12、p型gaas接触层。具体实施方式实施例本申请实施例中，掺杂浓度指半导体材料中每立方厘米的掺杂原子个数，单位为/cm3；周期数指在交替排列的层结构中，相邻两层所构成的重复单元在整体结构中重复的次数。实施例1本申请实施例公开了一种光疗用红黄光芯片的外延结构，参照图1，光疗用红黄光芯片的外延结构包括gaas衬底层1、超辐射发光二级管区、隧道结8和发光二极管区。超辐射发光二级管区设于衬底层上方，隧道结8设于超辐射发光二级管区上方，发光二极管区设于隧道结8上方。超辐射发光二级管区包括第一波导层3、第一量子阱层4以及第二波导层5，第一波导层3设于gaas衬底层1上方，第一量子阱层4设于第一波导层3上方，第二波导层5设于第一量子阱层4上方。发光二极管区包括n型gaas层9、第二量子阱层10以及p型gaas层11，n型gaas层9设于隧道结8上方，第二量子阱层10设于n型gaas层9上方，p型gaas层11设于第二量子阱层10上方。本申请实施例还公开了一种光疗用红黄光芯片的外延结构的制备方法，其中，生产设备选用北方微电子有限公司生产的itopsa330型磁控溅射镀膜设备,制备方法如下：(1)将gaas衬底层1放入加工腔，然后对加工腔抽真空，然后将温度升至750℃，再以150cm3/min的速率向加工腔内通入氦气，直到气压稳定。然后，在gaas衬底层1上沉积algaas层，得到第一波导层3；(2)在第一波导层3上交替沉积ingaas层和gaas层，交替沉积之后得到第一量子阱层4；(3)在第一量子阱层4上沉积p型ingaas层，得到第二波导层5；(4)在第二波导层5上交替沉积gaas层和algaas层，交替沉积之后得到隧道结8；(5)在隧道结8上沉积n型gaas层9；(6)在n型gaas层9上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第二量子阱层10；(7)在第二量子阱层10上沉积p型gaas层11，得到光疗用红黄光芯片的外延结构。实施例2-11以下以实施例2为例进行说明。实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于，gaas衬底层1与第一波导层3之间设有第一反射层2，隧道结8与第二波导层5之间设有第二反射层7。第一反射层2为第一dbr层，第二反射层7为第二dbr层，第一dbr层由交替排列30个周期的gaas层与alas层组成，第二dbr层由交替排列3个周期的gaas层与alas层组成。本实施例的制备方法如下：(1)将gaas衬底层1放入加工腔，然后对加工腔抽真空，然后将温度升至750℃，再以150cm3/min的速率向加工腔内通入氦气，直到气压稳定。然后，在gaas衬底层1上交替沉积gaas层以及alas层，交替沉积30个周期之后得到第一dbr层；(2)在第一dbr层上沉积algaas层，得到第一波导层3；(3)在第一波导层3上交替沉积ingaas层和gaas层，交替沉积之后得到第一量子阱层4；(4)在第一量子阱层4上沉积p型ingaas层，得到第二波导层5；(5)在电子阻挡层6上交替沉积gaas层和alas层，交替沉积3个周期之后得到第二dbr层；(6)在第二dbr层上交替沉积gaas层和algaas层，交替沉积之后得到隧道结8；(7)在隧道结8上沉积n型gaas层9；(8)在n型gaas层9上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第二量子阱层10，得到光疗用红黄光芯片的外延结构。如表1所示，实施例2-6的主要区别在于第一dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数不同，实施例4、实施例7-11的主要区别在于第二dbr层中gaas层与alas层交替排列的周期数不同。表1实施例12-16以下以实施例12为例进行说明。实施例12本实施例与实施例9的不同之处在于，p型gaas层11上方还设有p型gaas接触层12，p型gaas接触层12的掺杂浓度大于p型gaas层11的掺杂浓度，其中p型gaas层11的掺杂浓度为1e16/cm3，p型gaas接触层12的掺杂浓度为1e18/cm3。本实施例的制备方法如下：(1)将gaas衬底层1放入加工腔，然后对加工腔抽真空，然后将温度升至750℃，再以150cm3/min的速率向加工腔内通入氦气，直到气压稳定。然后，在gaas衬底层1上交替沉积gaas层以及alas层，交替沉积之后得到第一dbr层；(2)在第一dbr层上沉积algaas层，得到第一波导层3；(3)在第一波导层3上交替沉积ingaas层和gaas层，交替沉积之后得到第一量子阱层4；(4)在第一量子阱层4上沉积p型ingaas层，得到第二波导层5；(5)在第二波导层5上交替沉积gaas层和alas层，交替沉积之后得到第二dbr层；(6)在第二dbr层上交替沉积gaas层和algaas层，交替沉积之后得到隧道结8；(7)在隧道结8上沉积n型gaas层9；(8)在n型gaas层9上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第二量子阱层10；(9)在p型gaas层11上沉积p型gaas接触层12，得到光疗用红黄光芯片的外延结构。如表2所示，实施例12-16的区别主要在于p型gaas接触层12的掺杂浓度不同。表2样本p型gaas接触层的掺杂浓度/cm3实施例121e18实施例131e19实施例141e20实施例151e21实施例161e22实施例17-20以下以实施例17为例进行说明。实施例17本实施例与实施例14的不同之处在于，第二dbr层与第二波导层5之间设有电子阻挡层6，电子阻挡层6设为p型algaas层，电子阻挡层6的厚度为30nm。本实施例的制备方法如下：(1)将gaas衬底层1放入加工腔，然后对加工腔抽真空，然后将温度升至750℃，再以150cm3/min的速率向加工腔内通入氦气，直到气压稳定。然后，在gaas衬底层1上交替沉积gaas层以及alas层，交替沉积之后得到第一dbr层；(2)在第一dbr层上沉积algaas层，得到第一波导层3；(3)在第一波导层3上交替沉积ingaas层和gaas层，交替沉积之后得到第一量子阱层4；(4)在第一量子阱层4上沉积p型ingaas层，得到第二波导层5；(5)在第二波导层5上沉积p型algaas层，得到电子阻挡层6；(6)在电子阻挡层6上交替沉积gaas层和alas层，交替沉积之后得到第二dbr层；(7)在第二dbr层上交替沉积gaas层和algaas层，交替沉积之后得到隧道结8；(8)在隧道结8上沉积n型gaas层9；(9)在n型gaas层9上交替沉积ingaas层和gaas层，得到第二量子阱层10；(10)在p型gaas层11上沉积p型gaas接触层12，得到光疗用红黄光芯片的外延结构。如表3所示，实施例17-20的区别主要在于电子阻挡层的厚度不同。表3样本电子阻挡层的厚度/nm实施例1730实施例1880实施例19150实施例20200对比例对比例1本对比例与实施例2对比，不同之处在于，第一反射层为第一银反射涂层，第二反射层为第二银反射涂层。对比例2本对比例与实施例1对比，不同之处在于，不包括隧道结8。对比例3本对比例与实施例1对比，不同之处在于，不包括超辐射发光二极管区。对比例4本对比例与实施例1对比，不同之处在于，不包括发光二极管区。对比例5本对比例与实施例1对比，不同之处在于，将第一波导层3替换为n型gaas层9，第二波导层5替换为p型gaas层11。对比例6本对比例与实施例12相比，不同之处在于，p型gaas接触层的掺杂浓度为1e17/cm3。对比例7本对比例与实施例16相比，不同之处在于，p型gaas接触层的掺杂浓度为1e23/cm3。对比例8本对比例与实施例19相比，不同之处在于，电子阻挡层为厚度150nm的p型algan层。性能检测试验发光角度按照《gbt13740-1992激光辐射发散角测试方法》进行测定。半波宽按照《sjt11394-2009半导体发光二极管测试方法》进行测定。检测方法/试验方法表4以下结合表3提供的检测数据，详细说明本申请结合实施例2和对比例1并结合表4可以看出，对比例1中，由于银反射涂层的反射以漫反射为主，且银反射涂层对光具有吸收作用，因此实施例2与对比例1相比具有更大的发光角度和更小的半波宽。结合实施例1和对比例2并结合表4可以看出，对比例2中，由于未设置隧道结8，电流难以通过芯片，因此发光角度较小，半波宽较大。而实施例1中，通过隧道结8的设置，载流子利用隧穿效应即可穿过势垒，因此实施例1与对比例2相比发光角度较大，半波宽较小。结合实施例1和对比例3并结合表4可以看出，对比例3中，由于未设置超辐射发光二级管区，因此以发光二极管区发光为主，半波宽以及发光角度均较大。与对比例3相比，实施例1中通过第一量子阱层4与第二量子阱层10的协同作用进行发光，因此实施例1与对比例3相比，半波宽和发光角度均较小。结合实施例1和对比例4并结合表4可以看出，对比例4中，由于未设置发光二级管区，因此以超辐射发光二级管区发光为主，半波宽以及发光角度均较小。与对比例4相比，实施例1中，第一量子阱层4与第二量子阱层10共同发光，与对比例4相比，实施例1的发光角度较大，且半波宽较大。结合实施例1和对比例5并结合表4可以看出，对比例5中，由于将第一波导层3替换为n型gaas层9，第二波导层5替换为p型gaas层11，因此第一量子阱层4中发出的光未受到约束，使得对比例5与实施例1相比，半波宽和发光角度均较大。结合对比例6和实施例12-16可以看出，对比例6中，由于p型gaas接触层的掺杂浓度小于1e18/cm3，因此对比例6中的半波宽大于实施例12-16中任一实施例的半波宽，发光角度小于实施例12-16中任一实施例的发光角度。结合对比例7和实施例12-16可以看出，对比例7中，由于p型gaas接触层的掺杂浓度大于1e22/cm3，因此对比例7中的半波宽大于实施例12-16中任一实施例的半波宽，发光角度小于实施例12-16中任一实施例的发光角度。结合对比例8和实施例19可以看出，对比例8中，由于电子阻挡层为厚度150nm的p型algan层，因此对比例8的发光角度小于实施例19的发光角度，半波宽大于实施例19的半波宽。结合实施例2-11并结合表4可以看出，当gaas层与alas层交替排列的周期数较小时，由于反射率低，对反射光的正反馈不足，因此发光强度较低，且此时以发光二极管区发光为主，因此发光角度和半波宽均较大。当gaas层与alas层交替排列的周期数过大时，由于光在第一dbr层与第二dbr层中发生反射和折射的次数过多，且折射光和反射光之间的干涉加强，因此会使半波宽增大，发光角度减小。实施例9中，gaas层与alas层交替排列的周期数适中，发光二极管区与超辐射发光二极管区的发光能力接近，半波宽窄且发光角度大。结合实施例12-16并结合表4可以看出，随着p型gaas接触层12的掺杂浓度增大，p型gaas层与金属片之间的欧姆接触性能提高，半波宽减小，发光角度增大。当p型gaas接触层12的掺杂浓度过大时，电流难以在芯片中分散均匀，且半波宽过大，发光角度过小。实施例14中，p型gaas接触层12的掺杂难度适中，同时具备较大的发光角度与较小的半波宽。结合实施例17-20并结合表4可以看出，随着电子阻挡层6的厚度增大，电流分布的均匀性提高，因此发光角度增大，半波宽减小。当电子阻挡层6的厚度过大时，电流减弱，且半波宽过大，发光角度过小。实施例17中，电子阻挡层6的厚度适中，芯片具有较小的半波宽和较大的发光角度。本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。当前第1页12