CN105679896B - 一种砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
一种砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片及其制作方法，属于光电子技术领域，在制作中，GaAs缓冲层与n型载流子限制层之间设有减反射层，同时在两层p型载流子限制层之间设有p型反射吸收层。使用金属有机化合物气相沉积设备（MOCVD）将GaAs基片制备成具有低亮度黄光LED外延结构的低亮度黄光LED外延片，再将这种外延片经过芯片工艺加工成独立的LED芯片。本发明产品在不降低可靠性，不改变LED芯片外观尺寸的前提下，降低了四元系黄光LED法向光强，以利于扩宽AlGaInP四元系LED芯片的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及到AlGaInP四元系发光二极管（LED）技术领域。
技术背景
如今的消费电子设备如智能手机、计算机中大量用到的彩色LED指示灯。因其对亮度的需求不高，这些指示灯经常采用GaP基的二、三元系低亮度LED芯片，其特征是工作条件下法向光强通常在0.1 mcd至10 mcd。相较三元系LED，GaAs基AlGaInP四元系LED的可靠性更高，生产规模大、边际成本更小。然而，传统的四元系黄光LED法向光强通常在15 mcd及至以上，这种亮度较高的LED芯片用在上述指示灯应用，会带来造成漏光等现象而降低产品外观特质，同时过高的光强甚至对使用者健康不利。虽然降低工作电压、电流可以降低四元系LED的工作时的亮度，但这需要更换LED的驱动电路，对消费电子的生产带来了额外的成本负担。因而传统的GaAs基AlGaInP四元系LED无法直接替代低亮度的三元系LED芯片。
如图1展示了传统的正装AlGaInP四元系黄光LED的结构，即在GaAs基板101上，自下而上依次生长为缓冲层102、Bragg反射镜层103、n型限制层104、多量子阱有源区层105、p型限制层106和GaP窗口层107，在GaP窗口层107上设置第一电极108。多量子阱的有源区结构，有助于减小注入的载流子的溢出，提升LED的内量子效率。光子在有源区层105产生，其中一部分会射向基板101一侧；传统结构中Bragg反射镜层103可以降低衬底对这一部分光的吸收，因此提升了LED芯片的外量子效率以及发光效率。
通常，通过调整传统正装AlGaInP四元系黄光LED外延结构可以降低其发光光强。例如，减薄n型限制层14、p型限制层16的厚度、降低其掺杂可以降低四元系LED芯片的发光光强；但这种方案可能带来‘闸流体’现象，即不规则的IV特，同时这种方案的设计会引起芯片产品抗受静电击穿能力下降。
减小芯片尺寸、增大电极面积也是降低芯片亮度的有效方法。然而， 变更芯片设计通常需要芯片使用者更改封装设计甚至更换封装设备，提升封装企业的成本，降低了这种方案了的产品的应用情景。
发明内容
本发明目的在于在不降低可靠性，不改变LED芯片外观尺寸的前提下，提供一种MOCVD制造砷化镓基AlGaInP四元系低亮度黄光LED芯片方案，以扩宽AlGaInP四元系LED芯片的应用范围。
本发明包括依次设置在砷化镓基板一侧的缓冲层、n型减反射层、n型载流子限制层、双异质结有源区层、第 一p型限制层、p型吸收层、第二p型限制层和GaP窗口层，第一电极设置在GaP窗口层上，第二电极设置在砷化镓基板的另一侧。
本发明的结构特点是：GaAs缓冲层与n型载流子限制层之间设有减反射层，同时在两层p型载流子限制层之间设有p型反射吸收层。使用金属有机化合物气相沉积设备（MOCVD）将GaAs基片制备成具有低亮度黄光LED外延结构的低亮度黄光LED外延片，再将这种外延片经过芯片工艺加工成独立的LED芯片。本发明产品在不降低可靠性，不改变LED芯片外观尺寸的前提下，降低了四元系黄光LED法向光强，以利于扩宽AlGaInP四元系LED芯片的应用范围。
进一步地，本发明n型减反射层的成分为AlxGa1-xAs，其中 0.1≤X≤1。在Ga As材料与AlInP材料中间插入AlGaAs材料有助于提升外延结构质量。同时，选择Al组分较低的AlGaAs材料可以尽量降低GaAs/AlGaAs界面势垒对载流子输运的影响。
n型减反射层的厚度d 符合以下关系： n(λ)· d = N · λ /2；其中λ 为外延片的电致发光中心波长， n(λ)为该层材料对波长为 λ的光的折射率，N为 正整数，且1≤N≤10。使用符合以上厚度关系的AlGaAs材料可以降低GaAs/AlInP界面处的反射率，有利于有源区发光被GaAs基板吸收。
p型吸收层的成分为(Al x Ga1-x )0.5In0.5P，其中0＜X≤0.6，厚度为10 nm～500 nm。将该层材料的成分参数X控制在0＜X≤0.6，可以对LED芯片正面发光产生吸收，p型吸收层通过调整该层材料的厚度可将LED芯片的发光强度控制在合理的范围内。
p型吸收层材料中掺有镁元素或锌元素，室温下p型载流子浓度＞1×1018/ cm3，以保证LED芯片的良好电学特性。
本发明的另一目是提出以上产品的制作方法。
本发明制作方法包括以下步骤：
1）将n型GaAs基片置于MOCVD系统中的反应腔体中，加热至600℃～700℃，去除基片表面的钝化层，并在n型GaAs基片的一面生长形成n型GaAs缓冲层；
2）在n型GaAs缓冲层之上沉积形成n型减反射层；
3）在n型减反射层上沉积形成 n型载流子限制层；
4）在n型载流子限制层上沉积形成有源区层；
5）在有源区层上沉积形成第一 p型载流子限制层；
6）在第一 p型载流子限制层上沉积形成p型吸收层吸收层；
7）在p型吸收层吸收层上沉积形成第二p型载流子限制层；
8）在第二p型载流子限制层上生长形成GaP窗口层；
9）分别在GaP窗口层上制作第一电极，在n型GaAs基片的另一面制作第二电极。
以上工艺简单、合理，方便生产，形成的产品稳定性好，良品率高。
另外，在步骤2）中，采用AlxGa1-xAs为材料进行沉积，其中，0.1≤X≤1，沉积的n型减反射层的厚度d 符合以下关系： n(λ)· d = N · λ /2；其中λ 为外延片的电致发光中心波长， n(λ)为该层材料对波长为 λ的光的折射率，N为 正整数，且1≤N≤10。
在步骤6）中，以(Al x Ga1-x )0.5In0.5P为材料，并掺有镁元素或锌元素进行沉积，其中，0＜X≤0.6，室温下p型载流子浓度＞1×1018/ cm3。沉积的p型吸收层的厚度为10 nm～500 nm。
附图说明
图1为传统GaAs基AlGaInP四元系黄光LED芯片结构剖视图。
图2为本发明低亮度GaAs基AlGaInP四元系芯片剖视图。
具体实施方式
一、外延片及芯片生产工艺步骤：
1、将n型GaAs基片置于MOCVD系统中的反应腔体中，加热至600℃～700℃，去除基片表面的钝化层，并在n型GaAs基片的一个侧面生长形成一定厚度的、掺有硅元素的n型GaAs缓冲层。
2、在GaAs 缓冲层上采用AlxGa1-xAs为材料进行沉积，其中，0.1≤X≤1，沉积的n型减反射层的厚度d 符合以下关系： n(λ)· d = N · λ /2；其中λ 为外延片的电致发光中心波长， n(λ)为该层材料对波长为 λ的光的折射率，N为 正整数，且1≤N≤10。
3、在减反射层上沉积形成 n型载流子限制层。
4、在n型载流子限制层上沉积形成双异质结有源区层。
5、在有源区层上沉积形成第一 p型载流子限制层。
6、在第一 p型载流子限制层上以(Al x Ga1-x )0.5In0.5P为材料，并掺有镁元素或锌元素进行沉积，其中，0＜X≤0.6，室温下p型载流子浓度＞1×1018/ cm3。沉积的p型吸收层的厚度为10 nm～500 nm。
7、在p型吸收层吸收层上沉积形成第二p型载流子限制层。
8、在第二p型载流子限制层上沉积形成一定厚度的GaP窗口层。
9、通过金属真空蒸镀的方法，在GaP窗口层上制作出第一电极，在n型GaAs基片的另一侧面制作出第二电极。
再经过退火、光刻、湿法腐蚀、研磨、刀片切割等标准芯片生产工艺将以上GaP基四元系AlGaInP外延片加工成独立的低亮度黄光LED芯片。
二、芯片产品结构分析：
如图2所示为采用以上工艺制成的低亮度LED芯片，其中 GaAs基板201包括第一表面和第二表面，从基板201的第一表面自下而上为缓冲层202、n型减反射层203、n型载流子限制层204、双异质结有源区层205、p型限制层I 207、p型吸收层206、p型限制层II 208和GaP窗口层209。第一电极210形成于GaP窗口层209之上，第二电极211形成于GaAs基板201的第二表面之上。
三、评价尺寸为7.0×7.0 mil四元系LED器件的光电特性列于下表：
| 样品编号 | VF (V, @20mA) | LOP (mcd, @20mA) | WLD(nm, @20mA) |
| #1 | 2.14 | 1.3 | 590.1 |
| #2 | 2.16 | 1.2 | 590.2 |
| #3 | 2.13 | 1.4 | 590.1 |
| #4 | 2.15 | 1.3 | 590.1 |
| 平均值 | 2.15 | 1.3 | 590.1 |
如上表所示，在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为590.1 nm的黄光，正向流过20毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.15 V，法向光强均值为1.3 mcd。
Claims (8)
1.一种砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片，包括依次设置在砷化镓基板一侧的缓冲层、n型减反射层、n型载流子限制层、双异质结有源区层、第 一p型限制层、p型吸收层、第二p型限制层和GaP窗口层，第一电极设置在GaP窗口层上，第二电极设置在砷化镓基板的另一侧。
2.根据权利要求1中所述的砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片，其特征在于n型减反射层的成分为AlxGa1-xAs，其中 0.1≤X≤1。
3.根据权利要求2中所述的砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片，其特征在于n型减反射层的厚度d 符合以下关系： n(λ)· d = N · λ /2；
其中λ 为外延片的电致发光中心波长， n(λ)为该层材料对波长为 λ的光的折射率，N为 正整数，且1≤N≤10。
4.根据权利要求1中所述的砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片，其特征在于p型吸收层的成分为(Al x Ga1-x )0.5In0.5P，其中0＜X≤0.6，并且p型吸收层材料中掺有镁元素或锌元素。
5.根据权利要求4中所述的砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片，其特征在于p型吸收层的厚度为10 nm～500 nm。
6.如权利要求1所述的砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片的生产方法，包括以下步骤：
1）将n型GaAs基片置于MOCVD系统中的反应腔体中，加热至600℃～700℃，去除基片表面的钝化层，并在n型GaAs基片的一面生长形成n型GaAs缓冲层；
2）在n型GaAs缓冲层之上沉积形成n型减反射层；
3）在n型减反射层上沉积形成 n型载流子限制层；
4）在n型载流子限制层上沉积形成有源区层；
5）在有源区层上沉积形成第一 p型载流子限制层；
6）在第一 p型载流子限制层上沉积形成p型吸收层吸收层；
7）在p型吸收层吸收层上沉积形成第二p型载流子限制层；
8）在第二p型载流子限制层上生长形成GaP窗口层；
9）分别在GaP窗口层上制作第一电极，在n型GaAs基片的另一面制作第二电极。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其持征在于在步骤2）中，采用AlxGa1-xAs为材料进行沉积，其中，0.1≤X≤1，沉积的n型减反射层的厚度d 符合以下关系： n(λ)· d = N · λ/2；其中λ 为外延片的电致发光中心波长， n(λ)为该层材料对波长为 λ的光的折射率，N为正整数，且1≤N≤10。
8.根据权利要求6所述的生产方法，其持征在于在步骤6）中，以(Al x Ga1-x )0.5In0.5P为材料，并掺有镁元素或锌元素进行沉积，其中，0＜X≤0.6，室温下p型载流子浓度＞1×1018/cm3，沉积的p型吸收层的厚度为10 nm～500 nm。
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