CN104681680B

CN104681680B - 一种易于粗化的红光led芯片结构及制备方法

Info

Publication number: CN104681680B
Application number: CN201310633836.0A
Authority: CN
Inventors: 张新; 李强; 吴德华; 于军
Original assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2018-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: CN104681680A

Abstract

本发明涉及一种易于粗化的红光LED芯片结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInP N波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInPP波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层。根据GaAs的化学性质，通过控制原材料，用三种不同的方式，覆盖一层易于腐蚀的GaAs外延结构，在既不破坏外延片基本结构，不影响内外量子效率的基础上，对后期管芯工艺减轻工作难度，比起普通的管芯粗化工艺来说，节省了一半左右的成本，并减少了高强度腐蚀对产品的影响，通过对外延生长GaP表面的生长处理，光效提高30%以上。

Description

一种易于粗化的红光LED芯片结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种易于粗化的红光LED芯片结构及制备方法，属于发光二极管的技术领域。

背景技术

光是人类文明活动的源动力。自古以来太阳以光的形式抚育大地，地球上可以采集的能源中有99.98%是来源于太阳光。在人类文明的发展过程中，对光的追求经历了从太阳光到火光源，又从火光源到电光源的巨大转变。一八七九年十月十九日爱迪生制成世界上第一只白炽灯，标志着人类进入了电光源时代。一百多年来，又先后诞生了气体放电荧光灯和高压气体放电灯。最近三十年，电光源产品又跨出了三大步：六十年代，高压汞灯、卤钨灯和长弧汞灯得到突破，被称为第二代电光源；七十年代，第三代电光源高压钠灯低压钠灯、金属卤化物灯以及高频放电灯出现，其中高压钠灯是高强度气体放电灯的一种，其光效是自炽灯的7倍。在各种照明领域广泛使用。如今据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。

半导体PN结发光现象的发现，导致了发光LED的产生与发展。

LED的发展其实可追溯到上世纪二十年代，法国科学O.W.Lossow在研究SiC检波器时，首先观察到了这种发光现象。由于当时在材料制备、器件工艺技术上的限制，这一重要发现没有被迅速利用。直至20世纪60年代初，随着Ⅲ-Ⅴ族材料与器件工艺的进步，人们终于研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二极管，并被GE公司大量生产用作仪器表指示。此后由于GaAs、GaP等材料研究与器件工艺的进一步发展，除深红色的LED外，包括橙、黄、黄绿等各种色光的LED器件也大量涌现于市场。出于多种原因，GaP、GaAsP等LED器件的发光效率很低，光强通常在10mcd以下，只能用作室内显示之用。

跟随着半导体材料及器件工艺的进步，特别是MOCVD等外延工艺的日益成熟，至上世纪九十年代初，日本日亚化学公司（Nichia）与美国的克雷（Cree）公司通过MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上成功生长了具有器件结构的GaN基LED外延片，并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光LED器件。超高亮LED的第二个特征是发光波长的扩展，InGaAlP器件的出现使发光波段向短波扩展到570nm的黄绿光区域，而GaN基器件更使发光长短扩至绿、蓝、紫波段，并逐步向宽波段的光色扩展。

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途以及不可替代的优势：一、体积小，LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻；二、耗电量低，LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A，这就是说，它消耗的电能不超过0.1W；三、使用寿命长，LED光源固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上；四、高亮度、低热量，LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多；五、环保，环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用；六、坚固耐用，LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的；七、高节能：节能能源无污染即为环保，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上；八、多变幻，LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

虽然LED具有以上这么多的优点，并在技术的发展带动下，越来越受到人们的青睐，但是，受现有技术的影响，LED还有不可忽视的缺点存在。首先，对其制约最大的就是成本问题，任何新兴事物在发展的最初阶段都会因为价格的昂贵而受到制约，高昂的成本也决定了其在市场上的高端地位，而使人们望而却步；其次，受现有技术的影响，内外量子效率不高也成为制约发光亮度的一个重要因素。但是这些因素在任何事物的发展初期都会出现，随着技术的成熟，这些问题都会迎刃而解。

LED具有如此广泛的波长范围，又有如此强大的优势，如何在现有的结构不断成熟的基础上不断的提高LED的发光效率成为了现阶段工作的重点。现有的LED结构主要是在GaAs衬底上生长AlGaInP材料，来获得高效量子效率，来获得高亮度LED。尽管AlGaInP红光LED的研究已经取得很大的进展，内量子效率已经可以达到90%以上，但是还有许多问题有待进一步研究探索。以GaP为出光窗口层的的AlGaInP红光LED由于受到自身材料特性的限制，空气和GaP的折射率差异导致界面对光线的全反射作用使很多的光线无法全部逸出器件，又由于器件的P电极是不透明的金属电极，会将射向电极的光反射回LED内部。而反射回内部的光被重新热吸收掉又会引起器件温度上升导致内量子效率降低等等问题。所以器件的电流扩展和P电极分布对器件的发光又起着关键作用。由于目前的LED结构已经逐渐完善，也就导致了现有的LED内量子效率在逐步提高的基础上已经很难再做出很大的改进，主要的工作重心就是在管芯工艺的基础上不断优化，并主要利用后期的粗化工艺对亮度进行进一步的提升。目前应用较广的粗化方法主要是利用电化学的方法对表面的GaP层进行腐蚀，来扩大表面的面积，从而提高亮度。

中国专利CN101656284公开了一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法。该方法包括以下步骤：(1)按常规利用MOCVD的方法在GaAs衬底上依次外延生长N型接触层、多量子阱有源区和P型接触层；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的ITO薄膜；(3)将覆盖有ITO的外延片浸入浓盐酸中1分钟，腐蚀掉部分ITO，残留的为颗粒状的ITO；(4)用残留的ITO颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残留的ITO。采用此方法可比普通制作方法提高发光效率30%以上，但是此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本方面较常规LED工艺明显提高。此外，也没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏，并且此方法需要使用浓盐酸，由于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操作人员造成一定损害，并且对技术操作人员有一定的要求。

中国专利CN101656285，名称：利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法。包括以下步骤：(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉P S球，在PS球与P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结构保留在P型接触层上；(5)用形成的氧化物作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(6)腐蚀掉残留的氧化物。采用此方法也可以大大提高发光亮度30%以上，并且比起第一种方法危险性减小，但是需要利用PS微球作为掩膜，步骤较一般的粗化方法繁琐，成本较高且难以保证获得较大面积的均匀粗化结构，重复可靠性不高。

中国专利CN102280536A，名称：一种光辅助红光LED的磷化镓窗口层湿法粗化的方法。该方法利用氢氟酸与氧化剂的混合溶液借助光辐照，无需掩膜即可腐蚀磷化镓窗口层并得到锥状结构阵列，实现红光LED的表面粗化。腐蚀产生的锥状结构尺寸与高度可以通过控制腐蚀时间以及腐蚀液的浓度进行控制。本发明可有效提高红光LED芯片光提取效率一倍以上，但是GaP腐蚀存在一定难度，对腐蚀液有一定要求，并且在原有结构基础上腐蚀对操作人员具有提出了更高的要求，难免对器件产生一定程度上的影响。

综上所述，在现有的红光LED结构的基础上进行粗化而提高LED发光效率的方法基本都是在后期的管芯工艺方面不断进行优化，工艺复杂，对管芯制作工艺的要求较高，而且会随管芯工艺参数的变化而变化，从而再次影响了粗化后的发光效率，也导致了亮度波动较大，对产品性能以及产品的稳定性产生了较大的影响。伴随着LED行业的蓬勃发展，对成本控制以及工艺简单可靠性提出了更高的要求，且易于与现代LED工艺结合，对产品性能无影响，以上发明均在一定程度上受到了一定的限制。根据现有技术，在正常外延结构基础上，如对GaP层进行粗化腐蚀，容易对外延结构本身性质造成影响，且会减弱GaP的厚度，从而在一定程度上减弱了管芯的亮度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种易于粗化的红光LED芯片结构。本发明根据GaAsP/GaAs的固有性质，对比GaP层的耐腐蚀性，提出了优化生长结构的方法，利用GaAs保护层，从而很好的保护了GaP的基本厚度与特性，不会对外延片的初始性质造成影响，最大程度的保护了外延片，从而提高亮度达到30%以上。

本发明还提供一种易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法。利用该方法所制备出的红光LED外延结构，规避了以现有制备方法提出的一系列缺点，更为重要的是，利用该方法所粗化出的红光LED外延结构使得光转化效率提升30%以上。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种易于粗化的红光LED芯片结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInP N波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInPP波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层。

根据本发明优选的，如上述易于粗化的红光LED芯片结构，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为8-30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；每一个AlGaAs/AlAs DBR生长循环周期为一对DBR，根据该周期的顺序在生长时交替生长设置的周期次数，所述AlGaAs/AlAs DBR对数可根据生长要求亮度，配合GaP厚度进行修改；所述AlInP N限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5E17cm^-3～8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，不掺杂；所述AlGaInPP波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为3-10μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度总共为0.7-2μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3。

根据本发明优选的，如上述易于粗化的红光LED芯片结构，所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5-1μm，GaAs层的厚度为0.2-1μm。

一种易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，包括制备易于粗化的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInPN波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInP P波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层；本发明此处设计的优点在于：其中，GaAs缓冲层是用于和GaAs衬底实现完美的晶格匹配，避免GaAs衬底表面与新生长材料带来的缺陷与位错，并为下一步生长提供了新鲜的界面；AlGaAs/AlAs DBR组成复合布拉格反射层，作用是利用两种折射率不同的材料组成的周期性层状结构将有源层射向衬底的光反射并从顶部射出，从而大大提高出光率，并且DBR与GaAs匹配度较高，具有较高的反射率，对器件的电化学特性影响较小；N、P-AlInP限制层主要有两个作用，一个是限制少数载流子不溢出有源层，提高复合发光效率，通过禁带宽度来限制注入有源区的电子空穴对，并将其限制，从而提高电子空穴复合对数，另一个是作为一个重要的窗口，使有源层发出的光子极容易通过限制层，来提高LED的发光效率；AlGaInP波导层生长在有源层与限制层之间，主要是为了阻滞杂质扩散影响有源层的内量子效率，同时提高电子空穴复合几率，有效防止电子空穴一处有源层，降低发光效率；有源层一方面是增加对载流子的约束，提高内量子效率，另一方面是AlGaInP波导层的材料的量子尺寸效应使其在不改变Al组分的情况下，获得较短的波长，从而获得较高的出光效率和发光亮度；电流扩展层会具有较高的电导率，较宽的禁带宽度，相对较高的载流子浓度；GaAsP/GaAs粗化层则是采用相对于GaP层来说易于腐蚀的材料，更加方便后期管芯工艺粗化，增大粗化面积，生长的GaAs材料相对于GaP材料来说，抗腐蚀性相对较弱，从而对腐蚀的要求方面更加简单，也使得腐蚀工艺更加简单，但是由于GaAs材料对光的吸收性，使得最上层若是覆盖该层GaAs，会影响出光效率，从而选择GaAsP材料作为过渡，通过生长程序控制P的材料比例，可控制GaAsP对光的吸收在最弱的域值范围，而不影响出光效率，在管芯腐蚀工艺中腐蚀掉表层GaAs，并对GaAsP层进行一定的粗化，间接保护GaP层，又不影响出光效率，增大了粗化面积，提升粗化效率从而达到提高亮度的目的；

如上述易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，包括如下步骤：

1）将GaAs衬底放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层0.2-0.5μm厚的GaAs缓冲层，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

2）在GaAs缓冲层上面于650-800℃的温度下生长AlGaAs/AlAs DBR：调整生长厚度生长反射630nm光谱的8-30对AlGaAs/AlAs DBR；用来反射大部分的光子，其载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

3）在650-800℃的温度范围内，继续生长一层0.5-1μm厚的AlInP材料作为AlInP N限制层，载流子浓度5E17cm^-3～8E17cm^-3；

4）继续在AlInP N限制层上生长，在650-800℃范围内，生长一层AlGaInP N波导层，厚度在0.15-0.5μm，不掺杂；

5）在650-800℃的温度条件下，生长一层MQW量子阱有源层，材料是AlGaInP，厚度在0.05-0.5μm，不掺杂；

6）在650-800℃的条件下，在MQW量子阱有源层上面继续生长AlGaInP P波导层，厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；

7）在650-800℃的条件下，生长AlInP P限制层，厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

8）在650-830℃的条件下，生长GaP窗口层，厚度为3-10μm，载流子浓度为1E19cm^-3～5E19cm^-3；

9）在450-830℃范围内生长GaAsP/GaAs粗化层，GaAsP/GaAs粗化层的厚度为0.7-2μm，载流子浓度为1E19cm^-3～5E19cm^-3。

根据本发明优选的，步骤9）中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

通过在GaP窗口层生长完成后，保持通入原材料成分不变缓慢通入AsH₃，使材料在GaP窗口层上生成GaAsP层，其厚度为0.5-1μm；通过控制AsH₃与PH₃的流量，增加AsH₃的量减少PH₃的量，使外延层结构逐渐由GaAsP变化为GaAs层，保证GaAs层厚度在0.2-1μm。

在GaP窗口层生长完成后，将PH₃气体用量突降至生长GaAsP所需用量，并且AsH₃气体也直接升至所需用量，从而使GaP层突变为GaAsP层，并保证GaAsP层在0.5-1μm，然后转化为生长GaAs层，其厚度为0.2-1μm。

通过控制气体流量，使外延结构在渐变的基础上实现突变，在GaP窗口层生长完成后，即先生长0.5-1μm厚度的GaAsP，再突变为GaAs层，并控制生长0.2-1μm。

通过三种不同的生长方式，可以实现在GaP层上覆盖一层GaAs层的预期目的，从而减轻后期管芯工艺粗化难度，进而提升LED管芯亮度。

根据本发明优选的，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为8-30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；每一个AlGaAs/AlAs DBR生长循环周期为一对DBR，根据该周期的顺序在生长时交替生长设置的周期次数，所述AlGaAs/AlAs DBR对数可根据生长要求亮度，配合GaP厚度进行修改；所述AlInP N限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5E17cm^-3～8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述AlInPP限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为3-10μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度总共为0.7-2μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3。

根据本发明优选的，所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5-1μm，GaAs层的厚度为0.2-1μm。

本发明的有益效果：

本发明重点在于对现有的红光LED结构针对后期管芯粗化GaP层困难的特点进行一定程度的完善，根据GaP与GaAs化学结构中能带与价键结合方式的不同，决定了GaAs结构相比GaP结构易于接受各种腐蚀液腐蚀的特点，来对外延结构进行一定程度的优化，通过对外延生长GaP表面的生长处理，在不影响原有性质的基础上，使得光效提高了30%以上，并减小了后期管芯工艺在粗化腐蚀时的难度，使得对表面腐蚀工作更加易于掌握，降低了管芯工艺的波动性，成本比起普通的管芯粗化工艺来说低一半左右，在降低粗化成本的基础上，不会对外延片本来的发光效率产生影响，间接对管芯亮度有了进一步提升。

附图说明

图1为本发明所述易于粗化的红光LED芯片结构的示意图；

图中，1、GaAs衬底，2、GaAs缓冲层，3、AlAs/AlGaAs DBR，4、AlInP N限制层，5、AlGaInP N波导层，6、AlGaInP量子阱有源层，7、AlGaIn P波导层，8、AlIn P限制层，9、GaP窗口层，10、GaAsP/GaAs粗化层。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。

一种易于粗化的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底1、GaAs缓冲层2，AlGaAs/AlAs DBR3，AlInP N限制层4，AlGaInP N波导层5，MQW量子阱有源层6，AlGaInP P波导层7，AlInP P限制层8，GaP窗口层9和GaAsP/GaAs粗化层10。

所述GaAs衬底1厚度为250μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2μm，载流子浓度为1E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为8对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为0.5μm，载流子浓度为5E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.15μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为3μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度为1.5μm，GaAsP/GaAs粗化层的载流子浓度1E19cm^-3。所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5μm，GaAs层的厚度为1μm。

利用上述的外延片所制备的易于粗化的红光LED芯片结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底1、GaAs缓冲层2，AlGaAs/AlAs DBR3，AlInP N限制层4，AlGaInP N波导层5，MQW量子阱有源层6，AlGaInP P波导层7，AlInP P限制层8，GaP窗口层9和GaAsP/GaAs粗化层10。

实施例2、

如实施例1一种易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，包括如下步骤：

1）将GaAs衬底1放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层0.2μm厚的GaAs缓冲层，载流子浓度为1E18cm^-3；

2）在GaAs缓冲层上面于650-800℃的温度下生长AlGaAs/AlAs DBR：调整生长厚度生长反射630nm光谱的AlGaAs/AlAs DBR；用来反射大部分的光子，其载流子浓度为1E18cm^-3；

3）在650-800℃的温度范围内，继续生长一层0.5μm厚的AlInP材料作为AlInP N限制层，载流子浓度5E17cm^-3；

4）继续在AlInP N限制层上生长，在650-800℃范围内，生长一层AlGaInP N波导层，厚度在0.15μm，不掺杂；

5）在650-800℃的温度条件下，生长一层MQW量子阱有源层，材料是AlGaInP，厚度在0.05μm，不掺杂；

6）在650-800℃的条件下，在MQW量子阱有源层上面继续生长AlGaInP P波导层，厚度为0.15μm，不掺杂；

7）在650-800℃的条件下，生长AlInP P限制层，厚度为0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3；

8）在650-830℃的条件下，生长GaP窗口层，厚度为3μm，载流子浓度为1E19cm^-3；

9）在450-830℃范围内生长GaAsP/GaAs粗化层，GaAsP/GaAs粗化层的厚度为1.5μm，载流子浓度为1E19cm^-3。

步骤9）中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

通过在GaP窗口层生长完成后，保持通入原材料成分不变缓慢通入AsH₃，使材料在GaP窗口层上生成GaAsP层，其厚度为0.5μm；通过控制AsH₃与PH₃的流量，增加AsH₃的量减少PH₃的量，使外延层结构逐渐由GaAsP变化为GaAs层，保证GaAs层厚度在1μm。

实施例3、

如实施例2所述易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其区别在于，步骤9）中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

在GaP窗口层生长完成后，将PH₃气体用量突降至生长GaAsP所需用量，并且AsH₃气体也直接升至所需用量，从而使GaP层突变为GaAsP层，并保证GaAsP层在1μm，然后转化为生长GaAs层，其厚度为1μm。

实施例4、

如实施例2、3所述易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其区别在于，步骤9）中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

通过控制气体流量，使外延结构在渐变的基础上实现突变，在GaP窗口层生长完成后，即先生长1.5μm厚度的GaAsP，再突变为GaAs层，并控制生长0.2μm。

实施例5、

如实施例1所述易于粗化的红光LED外延结构，其区别在于，所述GaAs衬底1厚度为375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.5μm，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为1μm，载流子浓度为8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为1μm，载流子浓度为5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为10μm，载流子浓度5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度为2μm，GaAsP/GaAs粗化层的载流子浓度5E19cm^-3。所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为1.5μm，GaAs层的厚度为0.5μm。

利用上述外延结构制备的所述易于粗化的红光LED芯片结构，如实施例1所述所述易于粗化的红光LED芯片结构，其区别在于，所述GaAs衬底1厚度为375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.5μm，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为1μm，载流子浓度为8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述AlGaInPP波导层的厚度为0.5μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为1μm，载流子浓度为5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为10μm，载流子浓度5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度为2μm，GaAsP/GaAs粗化层的载流子浓度5E19cm^-3。所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为1.5μm，GaAs层的厚度为0.5μm。

实施例6、

如实施例1所述易于粗化的红光LED外延结构，其区别在于，所述GaAs衬底1厚度为320μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.4μm，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为26对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为0.8μm，载流子浓度为5E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.3μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.2μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.4μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.7μm，载流子浓度为1E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为6μm，载流子浓度5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度为0.9μm，GaAsP/GaAs粗化层的载流子浓度1E19cm^-3。所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5μm，GaAs层的厚度为0.4μm。

利用上述的外延结构制备的易于粗化的红光LED芯片结构，如实施例1所述易于粗化的红光LED芯片结构，其区别在于，所述GaAs衬底1厚度为320μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.4μm，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为26对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为5E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为0.8μm，载流子浓度为5E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.3μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.2μm，不掺杂；所述AlGaInPP波导层的厚度为0.4μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.7μm，载流子浓度为1E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为6μm，载流子浓度5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度为0.9μm，GaAsP/GaAs粗化层的载流子浓度1E19cm^-3。所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5μm，GaAs层的厚度为0.4μm。

对比例1：

根据对不同工艺的外延片进行管芯工艺制作，并对大量数据进行分析比较，发现粗化工艺对芯片亮度的影响如下：

通过对大量管芯参数统计比较得出，在正常结构基础上的粗化，对管芯亮度能够提升5-10mcd左右，已经对产品亮度有一定的影响，而在对外延结构进行优化后，生长GaAsP/GaAs后，再次对管芯工艺进行制作，同样对大量参数进行统计比较，能够看出结果提高30%左右。

对比例2：

在对外延结构进行优化后，采取新的外延结构进行外延生长，采取湿法氧化的方法进行粗化，采用盐酸与双氧水为腐蚀液，对不同厚度的粗化层进行腐蚀比较，得出结论：1、在腐蚀厚度不变的情况下，新结构的外延片腐蚀时间缩短一半左右，并且亮度增加；2、在保证腐蚀液不变的情况下，腐蚀的时间随着生长厚度的变化而变化，过薄时腐蚀时间会大大缩短，但是亮度效果受到影响，不能够起到预期的提升亮度的效果，过厚时又增加了腐蚀时间，不能提升腐蚀效率，只有在粗化层GaAsP/GaAs达到0.7-2μm的合适厚度，才能够达到两者兼顾的效果。

通过两次实验比较，也充分验证了GaAsP/GaAs粗化层的可行性，以及对结果的有利影响。

Claims

1.一种易于粗化的红光LED芯片结构，其特征在于，该芯片结构包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInP N波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInP P波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层；

所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5-1μm，GaAs层的厚度为0.2-1μm。

2.根据权利要求1所述的易于粗化的红光LED芯片结构，其特征在于，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为8-30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述

AlInP N限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5E17cm^-3～8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为3-10μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度总共为0.7-2μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3。

3.一种如权利要求1所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，该方法包括制备易于粗化的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInP N波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInP P波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层；

1)将GaAs衬底放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层0.2-0.5μm厚的GaAs缓冲层，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

2)在GaAs缓冲层上面于650-800℃的温度下生长AlGaAs/AlAs DBR：调整生长厚度生长反射630nm光谱的8-30对AlGaAs/AlAs DBR；其载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

3)在650-800℃的温度范围内，继续生长一层0.5-1μm厚的AlInP材料作为AlInP N限制层，载流子浓度5E17cm^-3～8E17cm^-3；

4)继续在AlInP N限制层上生长，在650-800℃范围内，生长一层AlGaInP N波导层，厚度在0.15-0.5μm，不掺杂；

5)在650-800℃的温度条件下，生长一层MQW量子阱有源层，材料是AlGaInP，厚度在0.05-0.5μm，不掺杂；

6)在650-800℃的条件下，在MQW量子阱有源层上面继续生长AlGaInP P波导层，厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；

7)在650-800℃的条件下，生长AlInP P限制层，厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；

8)在650-830℃的条件下，生长GaP窗口层，厚度为3-10μm，载流子浓度为1E19cm^-3～5E19cm^-3；

9)在450-830℃范围内生长GaAsP/GaAs粗化层，GaAsP/GaAs粗化层的厚度为0.7-2μm，载流子浓度为1E19cm^-3～5E19cm^-3。

4.根据权利要求3所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

5.根据权利要求4所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

6.根据权利要求3所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中所述生长GaAsP/GaAs粗化层的方法为：

7.根据权利要求3所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述AlGaAs/AlAs DBR为8-30对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；所述AlInP N限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5E17cm^-3～8E17cm^-3；所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，不掺杂；所述AlGaInP P波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述AlInP P限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm^-3～5E18cm^-3；GaP窗口层的厚度为3-10μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度总共为0.7-2μm，载流子浓度1E19cm^-3～5E19cm^-3。

8.根据权利要求3所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5-1μm，GaAs层的厚度为0.2-1μm。