CN101388430B - 一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管及其制造方法。N-GaAs衬底上外延的材料自下而上依次包括n-GaAs缓冲层、AlAs/AlxGa1-xAs或AlInP/(AlxGa1-x)yIn1-yP布拉格反射层、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层、Undoped-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层、p++AlxGa1-xAs和p-GaP组合电流扩展层，p++Al xGa1-xAs在下面为第一电流扩展层，p-GaP在上面为第二电流扩展层。此结构集GaP和AlxGa1-xAs材料的优点于一体，避免材料的氧化，保证电流扩展和器件的可靠性、稳定性。

Description

一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体器件的技术领域，与改良电流扩展层结构的高效发光二极管及其制造方法有关。
技术背景
发光二极管(LED)具有小体积、固体化、长寿命、低功耗的优点，是其它类型的显示器件难以比拟的。近几年来LED无论产量、还是产值都跃居半导体光电器件绝对优势地位，比起其它半导体材料总和还要多。
铝镓铟磷AlGaInP发光二极管LED在黄绿、橙色、橙红色、红色波段性能优越，其在RGB(三基色的光——红、绿和蓝)白色光源、全色显示、交通信号灯、城市亮化工程等领域具有广阔的应用前景。在砷化镓GaAs衬底上外延AlGaInP材料，可获得颜色覆盖范围从红色、橙色、黄色到黄绿波段的发光二极管。AIGaInP发光二极管的外延材料结构自下而上依次包括n-GaAs(砷化镓)缓冲层、AlAs(砷化铝)/AlxGa1-xAs(铝镓砷)或AlInP(铝铟磷)/(AlxGa1-x)yIn1-yP(铝镓铟磷)布拉格反射层、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP(铝镓铟磷)下限制层、Undoped(非掺杂)-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层和P型电流扩展层(磷化镓GaP或铝镓砷AlxGa1-xAs)，如图2所示。
电流扩展层的材料，一般选取宽带隙材料GaP或AlxGa1-xAs。GaP材料的化学稳定性好，具有高电导率和对AlGaInP发光波长全透明的特点，作为透光窗口能获得高的外量子效率，但GaP材料相对AlGaInP材料有很大的晶格失配，达到-3.6％，这种失配导致在界面形成的网状位错密度增加，不利于GaP材料在AlGaInP材料上的生长，界面处晶格质量差，电子迁移率低，不仅影响电流的扩展，而且容易导致器件的可靠性和稳定性问题。AlxGa1-xAs材料作为电流扩展层材料，本身与AlGaInP材料晶格匹配，能被P型重掺杂且载流子迁移率较高，但是AlxGa1-xAs材料由于含有铝组分，电流扩展层中铝容易与氧、水等反应而变质，影响器件的可靠性。
因此，对电流扩展层的材料进行研究、改良，实有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管及其制造方法，以集GaP和AlxGa1-xAs材料的优点于一体，避免材料的氧化，保证电流扩展和器件的可靠性、稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管，N-GaAs衬底上外延的材料自下而上依次包括n-GaAs缓冲层、AlAs/AlxGa1-xAs或AlInP/(AlxGa1-x)yIn1-yP布拉格反射层、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层、Undoped-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层、p++AlxGa1-xAs和p-GaP组合电流扩展层，p++AlxGa1-xAs在下面为第一电流扩展层，p-GaP在上面为第二电流扩展层。
所述p++AlxGa1-xAs第一电流扩展层厚度为5～500nm，p-GaP第二电流扩展层厚度为0.3～15μm(微米)。
所述p++AlxGa1-xAs第一电流扩展层中掺杂碳C元素，掺杂浓度大于1×1019，p-GaP第二电流扩展层中掺杂镁Mg或锌Zn或碳C元素，掺杂浓度为1×1018～1×1020。
所述含碳C元素的物质是四氯化碳CCl4、四溴化碳CBr4或其它在高温下分解可以产生碳原子的含碳元素的金属有机源。
一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管制造方法，在生长完AlGaInP材料层后，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，将III族有机源三甲基镓、三甲基铝和V族气态源砷烷同时通入反应腔体，让其在580～800℃的高温下发生分解，铝Al、镓Ga和砷As原子结合生成第一电流扩展层AlxGa1-xAs材料，通过控制三甲基镓、三甲基铝通入的摩尔流量来控制铝Al组分x，同时，通过输入含碳元素的物质形成P型掺杂材料；在AlxGa1-xAs结束后，系统气流切换为三甲基镓和磷烷，并通入镁Mg或锌Zn或碳C，在580～800℃的高温下分解沉淀形成第二电流扩展层GaP材料。
采用上述方案后，本发明因为将薄层作为第一电流扩展层，p++AlxGa1-xAs本身与AlGaInP材料晶格匹配，可以结合得极为密合，然后，将p-GaP第二电流扩展层生长在p++AlxGa1-xAs上，因此，受覆盖在上面的p-GaP第二电流扩展层保护，可有效防止p++AlxGa1-xAs材料中铝组分与氧、水等反应而变质，保证器件的可靠性，而且，此时p-GaP的生长较现有技术直接生长在p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层上更为容易，可以有良好的介面，从而获得良好的外延表面质量，大大提高生产的成品率，以及器件的可靠性和稳定性。
再则，本发明p++AlxGa1-xAs第一电流扩展层P型可重掺，如掺杂C(大于1×1020)，p-GaP第二电流扩展层中掺杂Mg或Zn或C元素(1×1018～1×1020)，使整个窗层结构的电流扩展良好，发光二极管的正向电压大大降低，电流的扩展效率得以增强。又因为C掺杂的扩散系数很小，性质稳定，大大提高了器件的可靠性和稳定性。
另外，p++AlxGa1-xAs材料依Al组分的大小禁带宽度可调，可进一步提高了AlGaInP发光二极管的出光效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是现有高效发光二极管的结构示意图。
具体实施例
如图1所示，本发明的改良电流扩展层的AlGaInP发光二极管在外延材料结构上与现有AlGaInP发光二极管类似。N-GaAs衬底10的外延材料依次为：n-GaAs缓冲层20、布拉格反射层30、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层40、Undoped-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区50、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层60、p++AlxGa1-xAs 70和p-GaP 80组合电流扩展层。
其中，布拉格反射层30为AlAs/AlxGa1-xAs或AlInP/(AlxGa1-x)yIn1-yP，0.35≤x≤0.7，周期为0～26个，n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层40中0.6≤x≤1，0.45≤y≤0.55，p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层60中0.6≤x≤1，0.45≤y≤0.55，Undoped-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区50为MQW(多量子肼)结构。不同之处在于p++AlxGa1-xAs 70和p-GaP 80组合电流扩展层，其中p++AlxGa1-xAs 70在下面为第一电流扩展层，0.35≤x≤0.7，碳掺杂浓度大于1×1019，厚度为5～500nm，p-GaP 80在上面为第二电流扩展层，掺杂镁或锌或碳元素，掺杂浓度为1×1018～1×1020，厚度为0.3～15μm。
本发明具体制造时，如现有技术一样，先在N-GaAs衬底10上依次生长n-GaAs缓冲层20、布拉格反射层30、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层40、Undoped-(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区50、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层60，在生长完AlGaInP材料层后，再采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，将III族有机源三甲基镓、三甲基铝和V族气态源砷烷同时通入反应腔体，让其在580～800℃的高温下发生分解，铝Al、镓Ga和砷As原子结合生成第一电流扩展层AlxGa1-xAs70材料，通过控制三甲基镓、三甲基铝通入的摩尔流量来控制铝Al组分x，同时，通过输入含碳元素的物质形成P型掺杂材料；薄层AlxGa1-xAs为20nm～300nm。在AlxGa1-xAs70结束后，系统气流切换为三甲基镓和磷烷，并通入镁Mg或锌Zn或碳C，在580～800℃的高温下分解沉淀形成第二电流扩展层GaP80材料。
外延材料生长完毕后，在GaP材料表面蒸镀AuBeAu或Ti/Au金属薄膜，制作良好的P面电极，然后将衬底材料减薄后蒸镀AuGe金属层制作背面电极，再将材料切割出一定尺寸的管芯产品，利用常规LED封装技术制作出成品LED器件。
表1是一组LED芯片的光电参数。
Figure G2008100720276D00051
表1中的各项LED参数均达到国际领先水平。由于采用了组合式电流扩展层，三个样品在保证高光强和1000小时(30mA)无光衰的同时，正向电压VF都≤2V，大大提高了LED的可靠性，稳定性。以上LED芯片均可达到高重复性，量产化，完全符合生产要求。

Claims (5)

1.一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管，其特征在于：N-GaAs衬底上外延的材料自下而上依次包括n-GaAs缓冲层、AlAs/AlxGa1-xAs或AlInP/(AlxGa1-x)yIn1-yP布拉格反射层、n-(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层、非掺杂(AlxGa1-x)yIn1-yP有源区、p-(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层、p++AlxGa1-xAs和p-GaP组合电流扩展层，p++AlxGa1-xAs在下面为第一电流扩展层，p-GaP在上面为第二电流扩展层，其中，AlxGa1-xAs的x取值范围是0.35≤x≤0.7，(AlxGa1-x)yIn1-yP的x取值范围是0.6≤x≤1，y取值范围是0.45≤y≤0.55。
2.如权利要求1所述一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管，其特征在于：所述p++AlxGa1-xAs第一电流扩展层厚度为5～500nm，p-GaP第二电流扩展层厚度为0.3～15μm。
3.如权利要求1所述一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管，其特征在于：所述p++AlxGa1-xAs第一电流扩展层中掺杂碳C元素，掺杂浓度大于1×1019，p-GaP第二电流扩展层中掺杂镁Mg或锌Zn或碳C元素，掺杂浓度为1×1018～1×1020。
4.如权利要求3所述一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管，其特征在于：所述含碳C元素的物质是四氯化碳CCl4、四溴化碳CBr4或含碳元素的金属有机源。
5.一种改良电流扩展层结构的高效发光二极管制造方法，其特征在于：在生长完AlGaInP材料层后，采用金属有机物化学气相沉积技术，将III族有机源三甲基镓、三甲基铝和V族气态源砷烷同时通入反应腔体，让其在580～800℃的高温下发生分解，铝Al、镓Ga和砷As原子结合生成第一电流扩展层AlxGa1-xAs材料，通过控制三甲基镓、三甲基铝通入的摩尔流量来控制铝Al组分x，0.35≤x≤0.7，同时，通过输入含碳元素的物质形成P型掺杂材料；在AlxGa1-xAs结束后，系统气流切换为三甲基镓和磷烷，并通入镁Mg或锌Zn或碳C，在580～800℃的高温下分解沉淀形成第二电流扩展层GaP材料。
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Granted publication date: 20100609

License type: Exclusive License

Open date: 20090318

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Address after: 361100 Fujian Xiamen torch high tech Zone (Xiangan) Industrial Zone, No. 259-269, Xiang Tian Road.

Patentee after: Xiamen Changelight Co., Ltd.

Address before: 361000 108A, Chuang Chuang, torch high tech Zone, Xiamen, Fujian

Patentee before: Xiamen Changelight Co., Ltd.