红外线量子点发光二极体的结构与制作方法

摘要

一款近红外光发光元件，将量子点发光二极体的波长设计约1μm，由电子激发光谱(EL)特性可看出波长随温度变化很小为0.22 nm/K，而半高宽(FWHM)变化为0.04 nm/K以下，详细叙述一个量子点发光元件对温度特性变化(温度范围从20 K到300 K)。本发明的长晶结构，以自我形成(self-assembly)的方式成长InAs/GaAs量子点，且在此时将砷挡板关起，并使用Stranski-Kranov的模式，就是先一层接着一层成长，再变成岛状(island)结构，本元件结构是利用固态分子磊晶设备(solid-source MBE)所长成。量测温度由绝对温度从20 K升至到300 K中，负偏压为-0.5 V时，暗电流从84 pA增加到13 nA，理想因子值n(ideality factor)，在温度20 K时，n约为14(穿隧电流造成)，到温度100 K~240K时，n约为2(为生成与复合(G-R)电流所主导)，一直到n约为1.3(主要为扩散电流机制)，说明经由所设计磊晶结构让此发光二极体有极低的暗电流。于发光频谱分析中，可观察到本发明的特点是在非常大的温度变化范围之下，波长位移和半高宽增加只有0.22 nm/K和0.04 nm/K。此结果和具有复杂设计共振腔结构(resonant cavity)的LED与特殊设计表面多层介电多工光电滤波器发光LED的性能差不多，且大范围温度稳定性甚至比一般发光LED还要优异。

主权项

1.一种成长量子点层之磊晶方法,以此法用于成长量子点发射光波元件,其步骤包含:a)提供矽掺杂(Si-doped)-半导体基板;b)于该半导体基板上进行磊晶成长N-型半导体缓冲层结构;c)于该N-型半导体缓冲层结构上再成长N-型半导体覆盖层(Cap Layer);d)于该N-型半导体覆盖层上再成长未掺杂(Undoped)半导体量子井(Quantum well)层;e)于该未掺杂半导体量子井层上磊晶量子点层,当成长量子点层时将五族元素挡板关掉;f)于该量子点层上成长未掺杂的半导体空间层(Spacerlayer),此时再将五族元素挡板开启;g)于该未掺杂的半导体空间层上再成长P-型半导体阻挡层(barrierlayer);h)于该成长P-型半导体阻挡层上成长P-型半导体结构,而得致该量子点发射光波元件。2.如申请专利范围第1项所述一种成长量子点层之磊晶方法,在成长量子点层时,将五族元素(砷、锑或磷)挡板关掉,使用成长腔(Growth chamber)内背景五族元素浓度来成长,因此在量子点发射光波元件架构中,仅在成长量子点层时将五族元素挡板关掉,遂使用成长腔内背景五族元素浓度来成长此量子点,而成长其他半导体层时均打开其五族元素挡板之磊晶方法。3.一种量子点发射光波元件,包含:-矽掺杂-砷化镓基板;-N-型半导体缓冲层结构位于该基板之上;-N-型半导体覆盖层位于该N-型半导体缓冲层结构之上;-未掺杂半导体量子井层位于该N-型半导体覆盖层之上;-量子点层位于该未掺杂半导体量子井层之上;-未掺杂的半导体空间层位在该量子点层之上;-P-型阻挡层位于该未掺杂的半导体空间层之上;-P-型半导体结构位于该P-型半导体阻挡层之上。4.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该基板之材料为矽掺杂-砷化镓半导体晶圆。5.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该N-型半导体缓冲层结构成长温度范围为580℃至615℃之间;矽掺杂浓度范围约为11018cm-3至51019cm-3之间,而厚度约为500至2000nm之间。6.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该N-型半导体覆盖层成长温度范围为610℃至650℃之间;而矽掺杂浓度范围约为11018cm-3至51018cm-3之间厚度约为200至800nm之间;其材料为AlxGa1-xAs所组成,0.3≦X≦0.7。7.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该未掺杂半导体量子井层成长温度范围为580℃至615℃之间,其材料为未掺杂之GaAs/AlxGa1-xAs,周期数约为2至10个;每周期GaAs厚度介于3nm至7nm之间;AlxGa1-xAs厚度介于0.3 nm至0.7nm之间,0.3≦X≦0.7。8.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该量子点层成长温度范围为470℃至520℃之间,其材料为未掺杂之砷化铟(镓)或锑化铟(镓)量子点;其量子点原子层平均厚度约为2ML(Mono-layer)到5ML之间;而周期数约为3至10个之间;其量子点成长速率约为0.05ML/sec至0.5ML/sec之间。9.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该半导体空间层成长温度范围为470℃至520℃之间,其材料为未掺杂之砷化(铝)镓;其平均厚度约为到10nm至40nm之间;均匀覆盖于该未掺杂之量子点层之上;而周期数约为3至10个之间。10.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该未掺杂半导体阻挡层成长温度范围为610℃至650℃之间,而铍(Be)掺杂浓度范围约为11018cm-3至11019cm-3之间,而厚度约为300至700nm之间;其材料为AlxGa1-xAs所组成,0.3≦X≦0.7。11.如申请专利范围第3项所述之量子点发射光波元件,其中该P-型半导体结构成长温度范围为580℃至615℃之间;铍(Be)掺杂浓度范围约为51018cm-3至51019cm-3之间,而厚度约为300至1000nm之间。图式简单说明:第1图长晶结构示意图第2图量子点发光二极体制程步骤示意图第3图变温光谱量测系统第4图元件变温(10K~300K)频谱曲线图