CN105702822B - 一种砷化镓基高电压黄绿光发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种砷化镓基高电压黄绿光发光二极管芯片及其制作方法，属于光电子技术领域，特点是在p型载流子限制层上依次沉积形成GaP电阻层和GaP窗口层，形成的产品在p型载流子限制层和GaP窗口层之间还设置了GaP电阻层。本发明制作工艺简单、合理，制成的产品优质、稳定。在不牺牲产品可靠性的同时将串联电阻集成在LED芯片中，在20 mA工作电流条件下，7 mil ×7 mil尺寸LED芯片的工作电压可达2.35 V以上，可以直接使用与GaP基二元系高电压黄绿光LED兼容的驱动电路。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及AlGaInP四元系发光二极管（LED）技术领域。
背景技术
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，并将第一电极108制作于GaP窗口层107上。其GaP窗口层107的主要作用是提供横向电流扩展，提升LED芯片发光亮度。
在AlGaInP四元系LED得到大面积推广前，GaP基黄绿光LED 是使用最为广泛使用的LED芯片。其特点是亮度需求不高，同时有大量的成熟的、针对其光电参数的驱动电路及全套使用方案。相较三元系LED，如今的GaAs基AlGaInP四元系黄绿光LED芯片可靠性更好，生产规模大、边际成本更小。然而，由于使用了不同的半导体材料 、禁带宽度不同，传统的四元系黄光LED的工作电压通常在1.9 V到2.2 V，低于GaP基二元系LED的2.3 V至3.0 V。虽然传统AlGaInP四元系LED芯片可以通过串联分立电阻的方式匹配原有为GaP基二元系LED设计的驱动电路，但这种方案会提升封装难度、增加封装成本。因此， 传统的GaAs基AlGaInP四元系LED无法直接替代低亮度的GaP基二元系LED芯片。
发明内容
本发明旨在不改变LED芯片外观尺寸、不增加分立电阻、不牺牲器件可靠性的前提下，提供一种使用MOCVD制造砷化镓基AlGaInP四元系、集成串联电阻的、20 mA工作电压超过2.3 V的高电压黄绿光LED芯片方案，从而扩宽AlGaInP四元系LED芯片的应用范围。
本发明包括依次设置在n型GaAs基片一侧的n型GaAs缓冲层、n型Bragg反射镜层、n型载流子限制层、多量子阱有源区层、p型载流子限制层、GaP电阻层和GaP窗口层，在GaP窗口层上设置第一电极，在n型GaAs基片的另一侧设置第二电极.
本发明的特点是：在p型载流子限制层和GaP窗口层之间还设置了GaP电阻层。
所述GaP电阻层材料同时掺有镁元素和硅元素，其块体电阻率>9×10-3Ω⋅m。
本发明通过使用低载流子浓度n型GaAs基板，在芯片负极一侧增加串联电阻，该层紧贴封装底座、散热良好，串联电阻产生的热量不会对有源区产生影响；同时，通过补偿掺杂的GaP层增加正极的串联电阻，该层材料紧贴封装材料散热较好，同时GaP材料结合能比AlGaInP、禁带较宽、其光电特性和老化特性对温升不敏感。因此，本设计在不牺牲产品可靠性的同时将串联电阻集成在LED芯片中，在 20 mA工作电流条件下，7 mil ×7 mil尺寸LED芯片的工作电压可达2.35 V以上 ，可以直接使用与GaP基二元系高电压黄绿光LED兼容的驱动电路。
进一步地，本发明所述n型GaAs基片为室温下载流子浓度低于4×1017 cm-3的低载流子浓度n型GaAs基片。这种GaAs基片电阻率较高、可以提升整个器件的内阻，从而提升LED器件工作电压。同时， LED结构中GaAs基板靠近第二电极、散热良好，该设计对芯片工作温度及稳定性影响较小。
所述GaP窗口层材料中同时使用镁元素作为p型掺杂剂，使用硅元素作为n型掺杂剂。以使n型、p型掺杂剂相互补偿并呈现特定的深度分布，实现GaP材料电阻率大于 9 ×10-3Ω·m 。
另外，本发明还提出以上砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片的制作方法，包含以下步骤：
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，并于n型GaAs基片的一侧沉积形成n型GaAs缓冲层；
2）在GaAs 缓冲层之上沉积形成n型Bragg反射镜层；
3）在n型Bragg反射镜层上沉积形成 n型载流子限制层；
4）在n型载流子限制层上沉积形成多量子阱有源区层；
5）在多量子阱有源区层上沉积形成 p型载流子限制层；
6）在 p型载流子限制层上沉积形成GaP电阻层；
7）在GaP电阻层上沉积形成GaP窗口层；
8）在GaP窗口层上设置第一电极，在n型GaAs基片的另一侧设置第二电极。
本发明制作工艺简单、合理，制成的产品优质、稳定。
同时，所述n型GaAs基片为室温下载流子浓度低于4×1017 cm-3的低载流子浓度n型GaAs基片。
在步骤6）中，同时使用镁元素作为p型掺杂剂、硅元素作为n型掺杂剂。
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为本发明的GaAs基AlGaInP四元系高电压黄绿光芯片剖视图。
具体实施方式
一、外延片及芯片生产工艺步骤：
1、将室温下载流子浓度低于4×1017 cm-3的低载流子浓度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基片的一侧生长一定厚度的、掺有硅元素的n型GaAs缓冲层。
2、在GaAs 缓冲层上生长Bragg反射镜层。
3、在减反射层上沉积 n型载流子限制层。
4、在n型载流子限制层上沉积多量子阱有源区层。
5、在多量子阱有源区层上沉积 p型载流子限制层。
6、在p型载流子限制层上生长一定厚度的GaP电阻层，同时添加Mg作为p型掺杂剂、Si作为n型掺杂剂， 并呈现特定的深度分布，增加GaP层材料电阻率。
7、在GaP电阻层上沉积GaP窗口层。
8、在n型GaAs基片的另一侧制作第二电极。
以上使用金属有机化合物气相沉积设备（MOCVD）将GaAs基片制备成具有高电压黄绿光LED外延结构的高电压黄绿光LED外延片。
8、通过金属蒸镀、退火、光刻、湿法腐蚀、研磨、刀片切割等标准AlGaInP四元系LED芯片生产工艺将以上GaP基四元系AlGaInP外延片加工成独立的高电压黄绿光LED芯片。
二、芯片结构分析：
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、Bragg反射镜层203、n型载流子限制层204、多量子阱有源区层205、p型限制层206、GaP电阻层207和GaP窗口层208。第一电极209形成于GaP窗口层208之上，第二电极209形成于GaAs基板201的第二表面之上。
三、评价尺寸为7.0×7.0 mil2四元系高电压黄绿光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 | 2.39 | 45.3 | 569.8 |
| #2 | 2.40 | 45.2 | 569.9 |
| #3 | 2.38 | 45.4 | 569.9 |
| #4 | 2.40 | 45.3 | 569.6 |
| 平均值 | 2.39 | 45.3 | 569.8 |
由上表可见：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569.8 nm的黄绿光，正向流过20 mA电流时的正向电压平均值为2.39 V，法向光强均值为45.3 mcd。
Claims (7)
1.一种砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片，其特征在于：包括依次设置在n型GaAs基片一侧的n型GaAs缓冲层、n型Bragg反射镜层、n型载流子限制层、多量子阱有源区层、p型载流子限制层、GaP电阻层和GaP窗口层，在GaP窗口层下方设置GaP电阻层。
2.根据权利要求1所述砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片，其特征在于：所述n型GaAs基片为室温下载流子浓度低于4×1017 cm-3的低载流子浓度n型GaAs基片。
3.根据权利要求1或2所述砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片，其特征在于：所述GaP电阻层材料中同时使用镁元素作为p型掺杂剂、硅元素作为n型掺杂剂，GaP电阻层材料的块体电阻率>9×10-3Ω⋅m。
4.如根据权利要求1所述的砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片的制作方法，包含以下步骤：
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，并于n型GaAs基片的一侧沉积形成n型GaAs缓冲层；
2）在GaAs 缓冲层之上沉积形成n型Bragg反射镜层；
3）在n型Bragg反射镜层上沉积形成 n型载流子限制层；
4）在n型载流子限制层上沉积形成多量子阱有源区层；
5）在多量子阱有源区层上沉积形成 p型载流子限制层；
6）在 p型载流子限制层上沉积形成GaP电阻层；
7） 在GaP电阻层之上沉积形成GaP窗口层；
8）在GaP窗口层上设置第一电极，在n型GaAs基片的另一侧设置第二电极。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于所述n型GaAs基片为室温下载流子浓度低于4×1017 cm-3的低载流子浓度n型GaAs基片。
6.根据权利要求4或5所述的制作方法，其特征在于在步骤6）中，同时使用镁元素和硅元素作为掺杂剂。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于在步骤6）中，GaP电阻层材料的块体电阻率>9×10-3Ω⋅m。
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