CN101540361A - 硅衬底上生长的铝镓铟磷led外延片及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片及其制备方法，该LED外延片采用硅衬底，在硅衬底上由下至上依次包括砷化镓低温缓冲层、砷化镓高温缓冲层、DBR反射层、铝镓铟磷下限制层、多量子阱发光区、铝镓铟磷上限制层、电流扩展层，其制备方法是直接用金属有机化学气相沉积设备按顺序逐层生长。本发明解决了硅衬底和铝镓铟磷发光层之间的热膨胀系数失配问题，在硅衬底上直接外延生长外延材料，由于硅的热导率(145.7W/m.K)是砷化镓衬底热导率(44W/m.K)的3.3倍，从而可以提高其大电流工作能力。

Description

硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode，LED)，特点使用硅片作为衬底直接外延生长高质量铝镓铟磷发光二极管，属于光电子技术领域。
背景技术
在黄绿、橙色、橙红色、黄色、红色谱段性能优越，其在RGB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。
在现有技术中，铝镓铟磷发光二极管(AlGaInP LED)都是在GaAs(砷化镓)衬底上外延生长制备的。利用GaAs衬底外延生长的铝镓铟磷发光二极管(AlGaInP LED)已实现产业化。但由于GaAs对可见光是吸收的，其热导率较小，芯片内部产生的热不能及时传导出去，导致芯片温度升高，降低内量子效率，造成此结构(GaAs衬底)的铝镓铟磷发光二极管(AlGaInPLED)只能在小功率范围内应用。
为提高铝镓铟磷发光二极管的高温工作特性和输出效率，业界也有人采用先在GaAs衬底上外延出AlGaInP发光二极管外延材料，然后将其P面粘接到带金属反射镜的高热导率的硅(Si)基板上，然后利用选择腐蚀技术将砷化镓衬底去掉来制备所谓的倒装结构LED。该方法可以使铝镓铟磷LED的效率得到很大提升，并可以制备大功率器件。但该方法工艺复杂，产品指标一致性不好，且腐蚀过程产生大量含As的化学废液需要进一步处理，对环境保护不利。
中国专利文献公开号CN1697205公开了一种《在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜及发光器件的方法》，它是在硅衬底上形成台面和沟槽组成的图形结构，沟槽两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜互不相连。在生长完发光器件的叠层薄膜后，在每个台面的薄膜上或硅衬底背面制备欧姆电极。然后沿着沟槽将衬底划开，就得到分离的发光芯片。
中国专利文献公开号CN101320775公开了一种《硅衬底LED的封装方法》，该方法包括：点胶，用混有荧光粉的透明胶体将LED芯片封装在反光杯内；烘烤固化，将点过胶的LED芯片置入固化炉中进行胶体固化成型，在进行所述烘烤固化时，先将点过胶的LED芯片倒置，再放入固化炉中进行胶体固化成型。该方法用来解决硅衬底LED芯片在不增加荧光粉用量的情况下，使荧光粉能够固化在发光芯片的上方位置，以充分利用荧光粉，让LED灯能够发出较好的白光效果。本发明适用以硅作为衬底的较厚LED芯片，具有成本更低、效果更好、工序更简单、次品率更低的优势特点。
从上述专利文献看，第一个专利文献是在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜，第二个专利文献提到的硅衬底LED，是在硅衬底蓝光或绿光LED。由于硅衬底和铝镓铟磷发光层之间存在约4％的晶格失配和很大的热膨胀系数失配，在硅衬底上生长的铝镓铟磷材料一般含有很高的位错密度。铝镓铟磷材料中的位错可以起到非辐射复合中心的作用，从而导致发光二极管的发光效率不高，因此尚没有在硅衬底上直接外延生长铝镓铟磷发光层并制备发光二极管的报道。
发明内容
本发明针对现有铝镓铟磷发光二极管技术存在的不足，提供一种发光效率高的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片，同时提供了其制备方法。
本发明的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片，采用硅衬底，在硅衬底上由下至上依次包括砷化镓低温缓冲层、砷化镓高温缓冲层、DBR反射层、铝镓铟磷下限制层、多量子阱发光区、铝镓铟磷上限制层和电流扩展层。
硅衬底的材料是N型硅材料、P型硅材料或者是半绝缘硅材料。
在砷化镓高温缓冲层和DBR反射层之间也可以设有砷化镓(GaAs)欧姆接触层。
上述LED芯片使用热导率为145.7W/m.K的硅衬底，其热导率是砷化镓衬底热导率(44W/m.K)的3.3倍，从而可以提高其大电流工作能力。
本发明的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)硅衬底准备：首先将硅衬底放到体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1混合后的洗液中去除有机物，然后放到体积比H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1∶1混合后的洗液中处理金属污染物，再放到体积比H2O∶HF＝50∶1的洗液中去除氧化物，最后用去离子水清洗后N2吹干；
(2)硅衬底热处理：将硅衬底放到金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长室内，H2气氛下升温到800±20℃处理10分钟；
(3)砷化镓低温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度降低到500±20℃，然后通入TMGa、Si2H6和AsH3，在硅衬底上生长厚度为15nm~25nm的砷化镓低温缓冲层；
(4)砷化镓高温缓冲层生长：再将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度拉升到720±20℃，继续通入TMGa、Si2H6和AsH3，在砷化镓低温缓冲层上生长厚度在0.3um~2um的砷化镓高温缓冲层；
(5)DBR反射层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，在砷化镓高温缓冲层上生长DBR反射层；DBR反射层是利用TMGa、TMAl、Si2H6和AsH3生长AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs的DBR或是利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3作为反应物生长的(AlxGa1-x)InP/(AlyGa1-y)InP DBR，其中x≠y；
(6)铝镓铟磷下限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3，在DBR反射层上生长(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
(7)多量子阱发光区生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn和PH3，在铝镓铟磷下限制层上生长阱(AlxGa1-x)InP/垒(AlyGa1-y)InP多量子阱有源区，其中x＜y；
(8)铝镓铟磷上限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn、CP2Mg和PH3，在多量子阱有源区上生长厚度为0.5um~1.0um的(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层，其中0≤x，y≤1；
(9)电流扩展层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、CP2Mg和PH3，在铝镓铟磷上限制层上生长厚度为4um~15um(AlxGa1-x)yIn1-yP电流扩展层，其中0≤x，y≤1。
生长出的外延片经清洗、电极蒸镀、光刻、锯片后形成具有N极(负极)、P极(正极)管芯，然后经粘接、打线、注胶、固化等常规工艺封装成LED器件。
本发明解决了硅衬底和铝镓铟磷发光层之间的热膨胀系数失配问题，在硅衬底上直接用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长铝镓铟磷发光二极管外延材料。由于硅的热导率(145.7W/m.K)是砷化镓衬底热导率(44W/m.K)的3.3倍，从而可以提高其大电流工作能力。此外，硅衬底的制备技术非常成熟，质量高，价格低，尺寸大，其比利用砷化镓衬底外延生长铝镓铟磷发光二极管具有更低的成本和批量竞争力。
附图说明
图1是N型Si衬底上的AlGaInP LED管芯结构示意图。
图2是P型Si衬底上的AlGaInP LED管芯结构示意图。
图3是半绝缘Si衬底上的带DBR反射层的AlGaInP LED管芯结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片中的硅衬底采用N型硅材料，在硅衬底上由下至上依次包括n型砷化镓缓冲层(砷化镓低温缓冲层和砷化镓高温缓冲层两层组合)、n型DBR反射层、n型铝镓铟磷下限制层、多量子阱(MQWs)发光区(有源区)、p型铝镓铟磷上限制层、p型电流扩展层(窗口层)，然后利用管芯制备技术制作出P面电极(正极)在上，N面电极(负极)在下的LED芯片。
上述硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)硅衬底准备：首先将硅衬底放到H2SO4和H2O2按体积比4∶1混合后的洗液中去除有机物，然后放到H2O、H2O2和HCl按体积比5∶1∶1混合后的洗液中处理金属污染物，再放到H2O和HF按体积比50∶1的洗液中去除氧化物，最后用去离子水清洗后N2吹干；
(2)硅衬底热处理：将硅衬底放到金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长室内，H2气氛下升温到800±20℃处理10分钟；
(3)n型砷化镓低温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度降低到500±20℃，然后通入TMGa/Si2H6/AsH3，在硅衬底上生长厚度为15nm~25nm的n型砷化镓低温缓冲层；
(4)n型砷化镓高温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度拉升到720±20℃，继续通入TMGa/Si2H6/AsH3，在砷化镓低温缓冲层上生长厚度在0.3um~2um的n型砷化镓高温缓冲层；
(5)n型DBR反射层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，在n型砷化镓高温缓冲层上生长n型DBR反射层；可以将向下传输的光反射到顶面的DBR反射层。DBR反射层可以是利用TMGa、TMAl、Si2H6和AsH3生长AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x≠y)的DBR，或是利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3作为反应物生长的(AlxGa1-x)InP/(AlyGa1-y)InP(x≠y)DBR；
(6)n型铝镓铟磷下限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/Si2H6/PH3，在n型DBR反射层上生长n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
(7)多量子阱发光区生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/PH3在n型铝镓铟磷下限制层上生长阱(AlxGa1-x)yIn1-yP/垒(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x＜y≤1)多量子阱发光区；
(8)p型铝镓铟磷上限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/Cp2Mg/PH3，在多量子阱发光区上生长厚度为0.5um~1.0um的p型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层，其中0≤x，y≤1；
(9)p型电流扩展层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMIn、CP2Mg和PH3，在p型铝镓铟磷上限制层上生长厚度为4um~15um p型(AlxGa1-x)yIn1-yP电流扩展层(窗口层)，其中0≤x，y≤1；
生长出的外延材料经清洗、电极蒸镀、光刻、锯片后形成具有N(负极)、P(正极)管芯，然后经粘接、打线、注胶、固化等工艺封装成LED器件。
实施例2
如图2所示，本实施例的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片中的硅衬底采用P型硅材料，在硅衬底上由下至上依次包括p型砷化镓缓冲层(砷化镓低温缓冲层和砷化镓高温缓冲层两层组合)、p型DBR反射层、p型铝镓铟磷下限制层、多量子阱(MQWs)发光区(有源区)、n型铝镓铟磷上限制层、n型电流扩展层(窗口层)，然后利用管芯制备技术制作出N面电极(负极)在上，P面电极(正极)在下的LED芯片。
上述硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)按实施例1所述的过程进行硅衬底准备和热处理；
(2)p型砷化镓低温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度降低到500±20℃，然后通入TMGa/Cp2Mg/AsH3，在硅衬底上生长厚度为15nm~25nm的p型砷化镓低温缓冲层；
(3)p型砷化镓高温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度拉升到720±20℃，继续通入TMGa/Cp2Mg/AsH3，在砷化镓低温缓冲层上生长厚度在0.3um~2um的p型砷化镓高温缓冲层；
(4)p型DBR反射层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，在p型砷化镓高温缓冲层上生长p型DBR反射层；可以将向下传输的光反射到顶面的DBR反射层。DBR反射层可以是利用TMGa、TMAl、Si2H6和AsH3生长AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x≠y)的DBR，或是利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3作为反应物生长的(AlxGa1-x)InP/(AlyGa1-y)InP(x≠y)DBR。
(5)p型铝镓铟磷下限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/Cp2Mg/PH3在p型DBR反射层上生长n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
(6)多量子阱发光区生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/PH3，在p型铝镓铟磷下限制层上生长阱(AlxGa1-x)InP/垒(AlyGa1-y)InP(x＜y)多量子阱发光区；
(7)n型铝镓铟磷上限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/Si2H6/PH3，在多量子阱发光区上生长厚度为0.5um~1.0um的n型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层，其中0≤x，y≤1；
(8)n型电流扩展层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa/TMAl/TMIn/Si2H6/PH3，在n型铝镓铟磷上限制层上生长厚度为4um~15um n型(AlxGa1-x)yIn1-yP电流扩展层(窗口层)，其中0≤x，y≤1；
生长出的外延材料经清洗、电极蒸镀、光刻、锯片后形成具有N(负极)、P(正极)管芯，然后经粘接、打线、注胶、固化等工艺封装成LED器件。
实施例3
如图3所示，本实施例的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片中的硅衬底采用半绝缘硅材料，在硅衬底1上由下至上依次包括砷化镓缓冲层(砷化镓低温缓冲层和砷化镓高温缓冲层两层组合)、n型砷化镓欧姆接触层、n型DBR反射层、n型铝镓铟磷下限制层、多量子阱(MQWs)发光区(有源区)、p型铝镓铟磷上限制层、p型电流扩展层(窗口层)，然后利用管芯制备技术制作出P面电极(正极)和N面电极(负极)同在上方的LED芯片。
上述硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)按实施例1所述的过程进行硅衬底准备和热处理；
(2)按实施例1所述的过程进行砷化镓低温缓冲层和砷化镓高温缓冲层生长；
(3)n型砷化镓欧姆接触层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度拉升到720±20℃，利用TMGa/Si2H6/AsH3在砷化镓高温缓冲层上生长厚度在2um~5um的n型砷化镓欧姆接触层；
(4)按实施例1的步骤(5)至(9)所述的过程生长n型DBR反射层、n型铝镓铟磷下限制层、多量子阱发光区、p型铝镓铟磷上限制层和p型电流扩展层；
生长出的外延材料经清洗、电极蒸镀、光刻、锯片后形成具有N(负极)、P(正极)管芯，然后经粘接、打线、注胶、固化等工艺封装成LED器件。

Claims (4)

1.一种硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片，其特征是：采用硅衬底，在硅衬底上由下至上依次包括砷化镓低温缓冲层、砷化镓高温缓冲层、DBR反射层、铝镓铟磷下限制层、多量子阱发光区、铝镓铟磷上限制层、电流扩展层。
2.根据权利要求1所述的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片，其特征是：所述硅衬底的材料是N型硅材料、P型硅材料或者是半绝缘硅材料。
3.根据权利要求1所述的硅衬底上生长的铝镓铟磷LED外延片，其特征是：所述在砷化镓高温缓冲层和DBR反射层之间设有砷化镓欧姆接触层。
4.一种权利要求1所述硅衬底上外延生长的铝镓铟磷发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)硅衬底准备：首先将硅衬底放到体积比H2SO4∶H2O2＝4∶1混合后的洗液中去除有机物，然后放到体积比H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1∶1混合后的洗液中处理金属污染物，再放到体积比H2O∶HF＝50∶1的洗液中去除氧化物，最后用去离子水清洗后N2吹干；
(2)硅衬底热处理：将硅衬底放到金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长室内，H2气氛下升温到800±20℃处理10分钟；
(3)砷化镓低温缓冲层生长：将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度降低到500±20℃，然后通入TMGa、Si2H6和AsH3，在硅衬底上生长厚度为15nm~25nm的砷化镓低温缓冲层；
(4)砷化镓高温缓冲层生长：再将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度拉升到720±20℃，继续通入TMGa、Si2H6和AsH3，在砷化镓低温缓冲层上生长厚度在0.3um~2um的砷化镓高温缓冲层；
(5)DBR反射层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，在砷化镓高温缓冲层上生长DBR反射层；DBR反射层是利用TMGa、TMAl、Si2H6和AsH3生长AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs的DBR或是利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3作为反应物生长的(AlxGa1-x)InP/(AlyGa1-y)InP DBR，其中x≠y；
(6)铝镓铟磷下限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn、Si2H6和PH3，在DBR反射层上生长(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
(7)多量子阱发光区生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn和PH3，在铝镓铟磷下限制层上生长阱(AlxGa1-x)InP/垒(AlyGa1-y)InP多量子阱有源区，其中x＜y；
(8)铝镓铟磷上限制层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、TMAl、TMIn、CP2Mg和PH3，在多量子阱有源区上生长厚度为0.5um~1.0um的(A1xGa1-x)yIn1-yP上限制层，其中0≤x，y≤1；
(9)电流扩展层生长：保持金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度在720±20℃，利用TMGa、CP2Mg和PH3，在铝镓铟磷上限制层上生长厚度为4um~15um(AlxGa1-x)yIn1-yP电流扩展层，其中0≤x，y≤1。
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