高速調制發光二極管及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制造技術領域，具體涉及一種高速調制發光二極管及其制造方法。
【背景技術】
[0002]半導體照明亦稱固態照明，是指用固態發光器件作為光源的照明，包括發光二極管(Light Emitting D1de，LED)和有機發光二極管(Organic Light-Emitting D1de，OLED)。近年來，被譽為“綠色照明”的半導體照明技術發展迅猛，與傳統照明光源相比，LED不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環保，更具有調制性能好，響應靈敏度高等優點。利用LED的這種特性，使它能用作照明的同時，還可以把信號調制到LED可見光束上進行數據傳輸，實現一種新興的光無線通信技術，即可見光通信(Visible light communicat1n,VLC)技術。
[0003]LED的調制帶寬是指器件在加載調制信號時，能承載信號最大的頻帶寬度，一般定義為LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值得一半時的頻率定為LED的調制帶寬。LED的調制帶寬是可見光通信系統信道容量和傳輸速率的決定性因素，受到器件實際的調制深度、伏安特性等因素的多方面影響。一般來說，影響LED調制特性的因素主要取決于以下兩個方面:RC時間常數和載流子自發輻射壽命。
[0004]異質結雙極型晶體管(Heterojunct1n Bipolar Transistor，HBT)的基本原理是利用從發射區注入到基區的少子與基區的多子進行復合發光而不再是類似于傳統LED在空間電荷區復合發光。雖然HBT相較LED大幅提升了晶體管發光速度，但仍不能滿足可見光通信，所以急需改造發光器件的結構，從而提升發光器件響應的上限頻率，增加調制寬度。
【發明內容】
[0005]為了解決上述異質結雙極型晶體管存在上限頻率低無法滿足可見光通信需要的技術問題，本發明提供一種建立在HBT結構基礎上的高速調制發光二極管及其制造方法，在保留與傳統發光二極管相近的出光功率同時，大大提升了該發光器件的調制寬度。
[0006]本發明提供一種高速調制發光二極管，包括發光二極管芯片，所述發光二極管芯片包括襯底、發光外延結構、集電極、基極及發射極，所述發光外延結構包括依次疊設的緩沖層、第一 N型氮化鎵接觸層、氮化鎵耗盡層、P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一 P型銦鎵氮層、量子阱層、第二 P型銦鎵氮層、N型氮化鎵層、第二 N型氮化鎵接觸層和導電層，所述緩沖層疊設于所述襯底的外延生長面上，所述量子阱層為未摻雜的InQ.2GaQ.8N/InQ.Q5GaQ.95N量子阱層和沉積四周期濃度為5 X 117Cnf3的硅摻雜勢皇的銦鎵氮/氮化鎵量子阱層中的任意一種，所述集電極設于所述第一 N型氮化鎵接觸層，所述基極設于所述第二 P型銦鎵氮層，所述發射極設于所述導電層。
[0007]在本發明提供的高速調制發光二極管的一種較佳實施例中，所述第一P型銦鎵氮層和所述第二 P型銦鎵氮層均為重摻的P型InQ.Q5GaQ.95N基極，材料為重摻雜鎂雜質的銦鎵氮，摻雜濃度為3 X 1019cm—3。
[0008]本發明提供的高速調制發光二極管的一種較佳實施例中，所述襯底的材質為藍寶石，所述緩沖層、所述氮化鎵耗盡層和所述N型氮化鎵層的材料均為非故意摻雜氮化鎵，所述第一 N型氮化鎵接觸層和所述第二 N型氮化鎵接觸層的材料均為重摻雜硅雜質的氮化鎵，摻雜濃度為3X1017cm—3，所述P型鋁鎵氮電子阻擋層的材料為Al0.15GaQ.85N，所述導電層為氧化銦錫透明導電層。
[0009]在本發明提供的高速調制發光二極管的一種較佳實施例中，所述第一N型氮化鎵接觸層包括設于其表面的集電極接觸臺面，所述第二 P型銦鎵氮層包括設于其表面的基極接觸臺面。
[0010]在本發明提供的高速調制發光二極管的一種較佳實施例中，所述集電極設于所述集電極接觸臺面，所述基極設于所述基極接觸臺面。
[0011]本發明提供了上述高速調制發光二極管的制造方法，具體步驟如下:
[0012]步驟一、提供襯底，在所述襯底的外延生長面生長發光外延結構形成基片，其中所述發光外延結構包括依次疊設的緩沖層、第一 N型氮化鎵接觸層、氮化鎵耗盡層、P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一 P型銦鎵氮層、量子阱層、第二 P型銦鎵氮層、N型氮化鎵層、第二 N型氮化鎵接觸層和導電層，所述緩沖層疊設于所述襯底的外延生長面上，所述量子阱層為未摻雜的Im^Ga0.sN/In0.0sGaoiN量子阱層和沉積四周期濃度為5乂1017011—3的硅摻雜勢皇的銦鎵氮/氮化鎵量子阱層中的任意一種；
[0013]步驟二、通過蝕刻工藝處理步驟一中制備的帶發光外延結構的基片，通過刻蝕技術形成基極接觸臺面、集電極接觸臺面，再通過蒸鍍歐姆接觸電極設置基極、集電極及發射極，制成高速調制發光二極管。
[0014]在本發明提供的高速調制發光二極管的制造方法的一種較佳實施例中，所述步驟一包括以下步驟:
[0015]在襯底上依次生長緩沖層、第一N型氮化鎵接觸層、氮化鎵耗盡層、P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一P型銦鎵氮層、未摻雜的InQ.2GaQ.8N/In().()5Ga().95N量子講層、第二 P型銦鎵氮層、N型氮化鎵層、第二 N型氮化鎵接觸層和導電層，外延生長過程結束后，對外延結構進行700攝氏度左右的高溫退火激活P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一 P型銦鎵氮層和第二 P型銦鎵氮層。
[0016]在本發明提供的高速調制發光二極管的制造方法的一種較佳實施例中，所述步驟一包括以下步驟:
[0017]在襯底上依次生長緩沖層、第一N型氮化鎵接觸層、氮化鎵耗盡層、P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一P型銦鎵氮層、沉積四周期濃度為5 X 117Cnf3的硅摻雜勢皇的氮化銦鎵/氮化鎵量子阱層、第二 P型銦鎵氮層、N型氮化鎵層、第二 N型氮化鎵接觸層和導電層，外延生長過程結束后，對外延結構進行700攝氏度左右的高溫退火激活P型鋁鎵氮電子阻擋層、第一 P型銦鎵氮層和第二 P型銦鎵氮層。
[0018]在本發明提供的高速調制發光二極管的制造方法的一種較佳實施例中，所述步驟二具體包括以下步驟:
[0019]通過刻蝕工藝形成集電極接觸臺面:
[0020]將步驟一中處理得到的基片涂覆正膠形成掩膜版，再將該掩膜版進行第一次光亥IJ，去膠形成要刻的圖形，然后進行刻蝕工藝，以形成集電極接觸臺面；
[0021]通過刻蝕工藝形成基極電極接觸臺面:
[0022]將上一步驟處理得到的基片涂覆正膠形成掩膜版，再將該掩膜版進行第二次光亥IJ，去膠形成要刻的圖形，然后進行刻蝕工藝，以形成基極接觸臺面；
[0023]將上一步處理形成集電極接觸臺面和基極接觸臺面的基片上旋涂光刻膠，曝光后露出發射極接觸臺面，蒸鍍歐姆接觸電極，在所述導電層遠離所述第二 N型氮化鎵接觸層的表面形成發射極，在所述第二 P型銦鎵氮層遠離所量子阱層的表面形成基極，在所述第一 N型氮化鎵接觸層遠離所述緩沖層的表面形成集電極再涂抹光刻膠，并在集電極、基極和發射極處光刻顯影露出臺面，在各臺面處同時沉淀金屬。
[0024]本發明提供的高速調制發光二極管的工作原理是:在HBT的基礎上，利用從發射區注入到基區的少子與基區的多子進行復合發光，再在所述第一 P型銦鎵氮層和第二 P型銦鎵氮層的中間夾雜所述量子阱層使得渡越至基區的載流子在量子阱內復合發光，而沒有來得及復合的載流子則在所述集電極與所述基極所形成的電場下被掃走，只留下快速復合發光的載流子。
[0025]基區輻射復合的載流子壽命tb?Wb/2D，其中Wb為基區厚度，D為載流子在基區的擴散常數。理論計算可知τΒ只有不到一百皮秒的量級，使得發光器件的調制寬度可達GHz量級。在實際的器件操作當中，只有EB結(S卩E為發射極，B為基極，在它們的交界面形成空間電荷區稱為EB結)是正偏的，BC結(S卩B為基極，C為集電極，在它們的交界面形成空間電荷區稱為BC結)接在同一個電勢下，相當于BC結零偏。當器件輸入信號時，由于EB結是正偏，所以會有大量電子流向所述基極，并在基區內與和來自所述基極的空穴電流復合發光；同時由于零偏的BC結使得在BC界面沒有少子的積累，可以使得從所述發射極注入并且沒有來得及與空穴電流復合發光的