一种大功率红外光外延片的制作方法

本发明涉及激光器外延片制备，具体涉及一种大功率红外光外延片。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、在近年来，led在照明、交通显示、通信、背光灯领域占有重要地位，其中，红外led在近几年迅速发展，红外led属于近红外，随着安防监控领域的发展，近红外led的需求在逐步增多。虹膜识别、人脸识别、车用领域等等的发展，对红外光的功率要求逐渐提高。

3、目前国内的红外led大多数是中小功率，大功率的红外led主要为国外进口，因此，研发大功率红外led很有必要。在现有的led芯片外延结构中，gap与gaas存在较大失配，不容易生长出高质量的gap，呈现电流扩展效果差，透光性不好的现象，导致激光器功率下降。发光区量子阱目前结构大多使用ingaas/algaas，但ingaas与gaas存在应力较大问题，导致量子阱质量较差，功率不高。

4、为解决外延片应力影响，专利cn113224213b在n型algaas限制层与多量子阱层之间增加第一应力调整层，应力调整层包括第一algaasp层或包括第一algaasp/gainp超晶格，有助于解决外延片应力影响。该专利所使用的量子阱为多个周期交替生长的ingaas阱层和gaas垒层。另外，在n型限制层与多量子阱之间插入algaasp层或algaasp/gainp超晶格虽然有助于降低外外延片应力，但这种方式的应力调整层生长在量子阱之前，即先长张应力外延层，再长压应力量子阱，其张应力与压应力转变较大，多量子阱的前几对外延层质量不容易长好。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种大功率红外光外延片，不仅有效改善了p侧电流扩展，而且可以消除量子阱的应力，使激光器功率得到显著提升。为实现上述目的，本发明公开如下所示的技术方案。

2、一种大功率红外光外延片，其从下到上依次包括：衬底、缓冲层、腐蚀截至层、n侧欧姆接触层、n型粗化层、n型电流扩展层、n型限制层、波导层-量子阱结构、p型限制层、p型超晶格电流扩展层、接触层。其中，所述波导层-量子阱结构包括量子阱层及其上、下面上均设置的波导层，该量子阱层中的阱层、垒层材料分别为algainas、algaasp。

3、进一步地，所述波导层的材质为alx1ga1-x1as，其中，x1的取值范围0.2～0.3。可选地，所述波导层的厚度为100nm-300nm。

4、进一步地，所述阱层的厚度为5nm-7nm，垒层的厚度为6nm-8nm。可选地，所述量子阱层的对数根据波段在5对到10对之间任意可选。

5、进一步地，所述垒层材料为alx2ga1-x2asy1p1-y1，其中，x2的取值范围0.2～0.3，as/p比为3：1。

6、进一步地，所述p型超晶格电流扩展层的材质为alx3ga1-x3as/aly2ga1-y2aszp1-z，其中，x3的取值范围为0.1～0.2，y2的取值范围为0.2～0.3，as/p的比为5：1。

7、进一步地，所述p型超晶格电流扩展层中，alx3ga1-x3as层厚度为10nm-30nm，aly2ga1-y2aszp1-z层厚度与alx3ga1-x3as层的厚度保持一致。可选地，所述p型超晶格电流扩展层的周期数保持在10～15之间，此层结构保持张应力，失配度保持在-1500ppm～-2000ppm。

8、进一步地，所述p型超晶格电流扩展层中掺杂碳原子。可选地，所述碳掺杂量为1e18-3e18。

9、进一步地，所述缓冲层材质为gaas，厚度为50nm-200nm。

10、进一步地，所述腐蚀截至层材质为gainp，厚度为200nm-500nm。

11、进一步地，所述n侧欧姆接触层材质为gaas。优选地，所述n侧欧姆接触层中掺杂硅原子，可选地，所述硅掺杂量为1e18-3e18。可选地，所述n侧欧姆接触层的厚度为40nm-100nm。

12、进一步地，所述n型粗化层的材料为alx4ga1-x4as，其中，x4的取值范围0.2～0.4。优选地，所述n型粗化层中掺杂硅原子，可选地，所述硅掺杂量为7e17-1.5e18。可选地，所述n型粗化层的厚度为2um-4um。

13、进一步地，所述n型电流扩展层的材料为alx5ga1-x5as，x5的取值与所述n型粗化层的材质alx4ga1-x4as中的x4保持一致。优选地，所述n型电流扩展层中掺杂硅原子，可选地，所述硅掺杂量为1e18-2e18。

14、进一步地，所述n型电流扩展层的厚度为3um-5um，且所述n型粗化层与n型电流扩展层总体厚度保持在6～9um之间。

15、进一步地，所述n型限制层的材料为alx6ga1-x6as，其中，x6的取值范围0.35～0.5。优选地，所述n型限制层中掺杂硅原子，可选地，所述硅掺杂量为1e18-2e18。可选地，所述n型限制层的厚度为100nm-600nm。

16、进一步地，所述p型限制层的材料为alx7ga1-x7as，其中，x7的取值范围0.35～0.5。优选地，所述p型限制层中掺杂碳原子，可选地，所述碳掺杂量为1e18-2e18。可选地，所述p型限制层的厚度为100nm-300nm。

17、进一步地，所述接触层的材料为gap。优选地，所述接触层中掺杂碳原子，可选地，所述碳掺杂量为1e20～2e20。可选地，所述接触层的厚度为30nm-50nm。

18、与现有技术相比，本发明至少具有以下方面的有益效果：

19、本发明大功率红外外延结构利用相反应力的量子阱algainas/algaasp加上张应力的algaas/algaasp超晶格电流扩展层实现了应力消除，提升了外延结构的红外光发射功率。具体地：

20、(1)本发明利用量子阱材料的变换与p型超晶格电流扩展层材料的变换，消除了应力对外延片的影响，提升了光功率的同时，显著提升了外延结构性能的稳定性，这是因为这种结构使量子阱层的压应力变小，而使垒层拥有张应力，一张一压抵消部分应力。

21、(2)本发明在p型限制层与接触层之间插入一层algaas/algaasp超晶格，即在p侧插入algaas/algaasp超晶格结构代替传统gap作为电流扩展层，不仅不存在较大失配的问题，使得电流扩展更加均匀与流畅，实现电流扩展层质量偏低问题，提升了电流扩展能力，从而使得光功率大大提升，而且超晶格结构可以消除剩余应力，进一步提升外延片的功率。

技术特征：

1.一种大功率红外光外延片，其特征在于，所述外延片的结构层从下到上依次包括：衬底、缓冲层、腐蚀截至层、n侧欧姆接触层、n型粗化层、n型电流扩展层、n型限制层、波导层-量子阱结构、p型限制层、p型超晶格电流扩展层、接触层；其中，所述波导层-量子阱结构包括量子阱层及其上、下面上均设置的波导层，该量子阱层中的阱层、垒层材料分别为algainas、algaasp。

2.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述垒层材料为alx2ga1-x2asy1p1-y1，其中，x2的取值范围0.2～0.3，as/p比为3：1。

3.根据权利要求2所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述波导层的材质为alx1ga1-x1as，其中，x1的取值范围0.2～0.3；优选地，所述波导层的厚度为100nm-300nm。

4.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述p型超晶格电流扩展层的材质为alx3ga1-x3as/aly2ga1-y2aszp1-z，其中，x3的取值范围为0.1～0.2，y2的取值范围为0.2～0.3，as/p的比为5：1。

5.根据权利要求4所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述p型超晶格电流扩展层中掺杂碳原子；优选地，所述碳掺杂量为1e18-3e18。

6.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述n型粗化层的材料为alx4ga1-x4as，其中，x4的取值范围0.2～0.4；

7.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述n型电流扩展层的材料为alx5ga1-x5as，x5的取值与所述n型粗化层的材质alx4ga1-x4as中的x4保持一致；

8.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述n型限制层的材料为alx6ga1-x6as，其中，x6的取值范围0.35～0.5；

9.根据权利要求1所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述p型限制层的材料为alx7ga1-x7as，其中，x7的取值范围0.35～0.5；

10.根据权利要求1-9任一项所述的大功率红外光外延片，其特征在于，所述缓冲层材质为gaas，厚度为50nm-200nm；

技术总结
本发明涉及激光器外延片制备技术领域，具体公开一种大功率红外光外延片。所述外延片的结构层从下到上依次包括：衬底、缓冲层、腐蚀截至层、N侧欧姆接触层、N型粗化层、N型电流扩展层、N型限制层、波导层‑量子阱结构、P型限制层、P型超晶格电流扩展层、接触层；其中，所述波导层‑量子阱结构包括量子阱层及其上、下面上均设置的波导层，该量子阱层中的阱层、垒层材料分别为AlGaInAs、AlGaAsP。本发明大功率红外外延结构利用相反应力的量子阱AlGaInAs/AlGaAsP加上张应力的AlGaAs/AlGaAsP超晶格电流扩展层实现了应力消除，提升了外延结构的红外光发射功率。

技术研发人员：邓桃,于军,张新
受保护的技术使用者：山东华光光电子股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17