CN104112800A - 一种采用复合dbr提高亮度的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管及其制备方法，涉及发光二极管的外延技术领域。在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层。其制备方法是：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上至下而上依次外延生长各层。本发明的优点是：采用复合DBR来减少衬底对有源区下面的光的吸收，既能反射小角度入射光又能反射大角度入射光，进而提高发光二极管器件的亮度。该发光二级管的制备工艺简单、易于实施，便于推广应用。

Description

一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于发光二极管的外延技术领域，特别是一种采用复合DBR来提高器件亮度的发光二极管，涉及发光二极管亮度提高和制备方法。

背景技术

近年来,高亮度的四元系AlGaInP发光二极管具有耗电低、发光效率高、寿命长、体积小、成本低等特点，因此在照明以及光纤通信系统中有着广泛的用途。选择直接带隙的材料可以实现器件的高亮度发光，而材料的带隙直接决定直接带隙材料发光二极管的发光颜色。AlGaInP材料可与GaAs衬底晶格匹配且随Al组分的变化，直接带隙从1.9cV可变化到2.3cv，波长从560nm到650nm，进而实现从红色到绿色发光。对于AlGaInP发光二极管发光效率的提高，方法有很多。最常用的方法有在外延层的顶端再生长一厚层P型电流扩展层GaP,电流扩展层可以将载流子引到电极以外，从而使大部分的光能够避开不透明的电极对光的反射和内部再次吸收。同时可以利用表面粗化技术对GaP表面进行处理，进而使得光从高折射率的窗口层材料GaP顺利入射到低折射率的空气中，抑制全反射现象，降低出射光的大量损失。一般为了达到良好的电流扩展作用，通常要生长很厚的电流扩展层,增加了整个工艺的时间和复杂性,进而增加生产成本。采用倒装结构、透明衬底、倒金字塔结构等方法也有利于LED亮度的提高，但这些方法仍然存在工艺复杂，成本高等问题。此外，生长布拉格反射层(DBR)来提高器件亮度。DBR是两种折射率不同材料周期交替生长的层状结构，在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率。DBR结构可直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次加工处理，简化了器件的制作工艺。LED器件有源区发光是在整个空间立体角内发光，传统DBR只对垂直入射和小角度入射的光波产生大的反射，而对大倾斜角入射光的反射很小，因此大部分的发光穿过DBR被GaAs衬底吸收。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种采用复合DBR来提高器件亮度的发光二极管，简化LED器件的制作工艺，并降低器件的制作成本。

本发明的技术方案：

一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管，所述发光二极管的结构为：在n-GaAs衬底上由下至上外延生长有n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层，p面电极；其中，所述复合式布拉格反射器的结构由上下两个部分组成，两部分的材料相同，结构不同。

上部DBR由AlAs/Al_xGa_1-xAs(0.2<x<0.6)周期性交替生长形成,属于常规DBR，根据LED器件发光颜色的不同，设计不同波长的DBR：如LED所发光中心波长为λ₀，上部DBR按中心波长λ₀设计，每层材料厚度为(n为所选材料的折射率)；下部DBR由AlAs/Al_xGa_1-xAs(0.2<x<0.6)周期性交替生长形成，根据上部DBR波长及厚度设计下部DBR，方法如下：(1)下部DBR每层厚度设计为(λ为下部DBR设计波长且λ＞λ₀)。(2)设计成渐变式DBR，所述渐变为线性渐变或抛物线渐变。

本发明进一步提供一种采用复合DBR来提高器件亮度的发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以n-GaAs衬底作为基板；

2)在上述基板上采用金属有机化学气相沉积的方法一次沉积n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层；

3)在GaP窗口层上制作P型电极。

本发明的技术分析：

该发光二极管采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上至下而上依次外延生长各层。采用复合DBR来减少衬底对有源区下面的光的吸收，进而提高发光二极管器件的亮度。提供了一种既能提高发光二极管的亮度又能降低器件制作成本的较为简单实用的方法。该发光二级管的制备工艺简单、易于实施，便于推广应用。

本发明的优点和积极效果如下：

采用MOCVD的方法制备发光二极管外延片，在n-GaAs衬底与n-InAlP限制层之间插入复合DBR来提高器件亮度，与只有单一DBR的LED器件相比，亮度得到极大的提高。该LED的制备方法工艺简单、易于实施，便于推广应用。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

附图1为该发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

实施例：

一种采用复合DBR来提高器件亮度的发光二极管及其制备方法，包括以下步骤：

1)以n-GaAs衬底作为基板；

2)在上述基板上采用金属有机化学气相沉积的方法一次沉积n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层；

3)上述复合DBR，由上下两部分组成，两部分材料都为AlAs/Al_xGa_1-xAs(0.2<x<0.6)。首先外延生长下部DBR：(1)第m层AlAs材料和第m层Al_xGa_1-xAs材料的厚度分别为：

$d_m=\frac{\mathrm{\&lambda;}{d}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0},d_m=\frac{\mathrm{\&lambda;}{d}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}.---\left(1\right)$

λ为下部DBR设计波长，λ₀为器件有源区发光之中心波长,d₁和d₂分别为上部DBR的每层AlAs材料和每层Al_xGa_1-xAs材料的厚度，λ＞λ₀。

(2)渐变式DBR的第m层AlAs材料和第m层Al_xGa_1-xAs材料的厚度分别为：

$d_m=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m}{{4n}_1},d_m=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m}{{4n}_2}---\left(2\right);$

λ_m＝λ₀(1+t)或λ_m＝λ₀(1+t²)    (3)；

式(2)-(3)中：λ₀为器件有源区发光之中心波长，n₁和n₂分别为AlAs材料和Al_xGa_1-xAs材料的折射率，t为正数，且t根据λ_m的不同而取不同的值，m为正整数；

然后外延生长上部DBR，上部DBR的每层AlAs材料和每层Al_xGa_1-xAs材料的厚度分别为：

$d_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{{4n}_1},d_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{{4n}_2}---\left(4\right);$

式(4)中：λ₀为器件有源区发光之中心波长，n₁和n₂分别为AlAs材料和Al_xGa_1-xAs材料的折射率。

3)在GaP窗口层上制作P型电极。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的结构为：在n-GaAs衬底上由下至上外延生长有n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层，p面电极；其中，所述复合式布拉格反射器的结构由上下两个部分组成，两部分的材料相同，结构不同。

2.根据权利要求1所述的一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管，其特征在于：上部DBR由AlAs/Al_xGa_1-xAs(0.2<x<0.6)周期性交替生长形成，属于常规DBR，根据LED器件发光颜色的不同，设计不同波长的DBR：假设LED所发光中心波长为λ₀，上部DBR按中心波长λ₀设计，每层材料厚度为其中n为所选材料的折射率；下部DBR由AlAs/Al_xGa_1-xAs(0.2<x<0.6)周期性交替生长形成，设计方法如下：(1)每层厚度为(λ为下部DBR设计波长且λ＞λ₀)；(2)设计成渐变式DBR。

3.根据权利要求2所述的一种采用复合DBR提高亮度的发光二极管，其特征在于：所述渐变为线性渐变或抛物线渐变。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的采用复合DBR提高亮度的发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以n-GaAs衬底作为基板；

2)在上述基板上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法一次沉积n-GaAs缓冲层，n-Al_xGa_1-xAs渐变层，复合式布拉格反射器(DBR)，n-InAlP限制层，(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P有源层，p-InAlP限制层，p-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P过渡层，p-GaP窗口层；

3)在GaP窗口层上制作P型电极。