CN108091739A - 复合DBR结构AlGaInP发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种复合DBR结构AlGaInP发光二极管，其特征在于，其制备过程包括如下步骤：金属有机化学气相沉积系统以高纯氢气作为载气，以三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、砷烷、磷烷分别作为Ga、Al、In、As、P源，用乙硅烷、二茂镁分别作为N、P型掺杂剂。本发明采用三个反射中心波长的复合DBR反射效率更高，更大提升了AlGaInP LED的出光效率。对于更多反射中心波段的复合DBR对LED出光效率如何影响。
Description
技术领域
本发明涉及复合DBR结构AlGaInP发光二极管。
背景技术
以四元合金材料(AlxGa1-x)0.5In0.5P作为有源区的发光二极管(LED)具有较高的内量子效率，且与Ga As衬底晶格完全匹配，是制备LED的优选材料。目前影响AlGaInP LED性能的主要原因是外量子效率低，人们已研究各种方法提升Al Ga In P发光二极管的外量子效率，如采用分布式布拉格反射镜(DBR)、倒装结构、透明衬底、表面粗化、倒金字塔等。其中，采用DBR反射层，即在有源区与衬底之间生长由两种折射率高低不同的材料组成的周期性结构，每层厚度为λ/4n(λ为反射中心波长，n为对应波长的折射率)，可以将垂直射向衬底的光反射回去，减少GaAs衬底光吸收，提高出光效率。采用复合DBR，即由不同反射中心波长组合而成的结构，解决了传统DBR对大倾角入射光反射率小的问题，进一步提升出光效率。在复合DBR的研究中，已报道较多的是采用两个不同反射中心波长的复合DBR，虽然能反射出一定倾角的光，但未能充分的反射出更大倾角的光。为了能更充分把发射到衬底的光反射出去，减少衬底吸收，更大幅度提升了AlGaInP LED的出光效率，本文在此基础上进一步研究三个不同反射中心波长组合而成的复合DBR。
首先，采用MOCVD分别外延了单反射中心波长常规DBR、两个反射中心波长复合DBR和三个反射中心波长复合DBR，利用TEM、XRD表征结构、厚度和组分，利用白光反射谱表征反射谱强度和带宽。再在三种不同结构的DBR上外延出红光LED，制作成6.0mil*6.0mil尺寸芯片，研究不同结构DBR对Al Ga In P红光LED光电性能的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种复合DBR结构AlGaInP发光二极管。
根据上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种复合DBR结构AlGaInP发光二极管，其制备过程包括如下步骤：金属有机化学气相沉积系统以高纯氢气(H2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、砷烷(As H3)、磷烷(PH3)分别作为Ga、Al、In、As、P源，用乙硅烷(Si2H6)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
作为优选地，上述复合DBR结构AlGaInP发光二极管具体的制备步骤如下：在GaAs衬底上，首先通入AsH3，温度渐变7min上升至700℃，并稳定在700℃2min，反应室压力设定60Torr，对GaAs表面进行脱氧；然后在GaAs衬底上生长不同结构Al As/Al0.5Ga0.5As DBR层，通入Si作为掺杂剂；接着在DBR层上生长N-Cladding层，材料选取N-Al0.5In0.5P，在N-Clading上生长有源层，材料选取(Alx Ga1-x)0.5In0.5P多量子阱(MQW)；在有源层上生长P-Cladding，材料选取P-Al0.5In0.5P，通入Mg作为掺杂剂，最后在P-Cladding上生长电流扩展层GaP。
本发明采用外延片压焊和湿法剥离技术将Si(111)衬底上生长的GaN LED外延膜转移到新的Si衬底上，制作了垂直结构LE。该LED的光电性能与不采用外延片焊接技术而直接做成同侧结构的LED相比，具有更优越的电学性能，更高的光输出功率。垂直结构LED在20m A正向电流时，光输出功率为2.8mW，是相同芯片面积的同侧结构LED的3.7倍。垂直结构LED中的Ga N层受到更小的张应力,InGaN层受到更大的压应力。垂直结构LED的输出功率明显增加的原因，可能不是因为芯片内量子效率的提高，而是因为芯片外量子效率的提高。
附图说明
图1为LED结构示意图；
图2为样品的横截面TEM图；
图3为三种DBR的XRD曲线图和拟合曲线图；
图4为三种DBR的白光反射谱；
图5为三种DBR制备LED的轴向光强示意图。
具体实施方式
为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将对本发明作进一步的说明。
DBR材料选取高反射率Al As/Al0.5Ga0.5As组合，实验设计了三种总对数相同结构不同的DBR。样品1是常规DBR，反射中心波长在630nm，DBR对数34对；样品2是复合DBR，反射中心波长在630nm和680nm，对数分别为17对和17对；样品3是复合DBR，反射中心波长在630nm、680nm和730nm，对数分别为17对、10对和7对。每层厚度设计，可以根据理论公式H/4n计算得出，其中为反射中心波长，n为对应波长的折射率，在630nm波长对应的Al As折射率为3.14，Al0.5Ga0.5As的折射率为3.52。
复合DBR结构AlGaInP发光二极管，其制备过程包括如下步骤：金属有机化学气相沉积系统以高纯氢气(H2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、砷烷(As H3)、磷烷(PH3)分别作为Ga、Al、In、As、P源，用乙硅烷(Si2H6)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
具体方法描述如下：在GaAs衬底上，首先通入AsH3，温度渐变7min上升至700℃，并稳定在700℃2min，反应室压力设定60Torr，对GaAs表面进行脱氧；然后在GaAs衬底上生长不同结构Al As/Al0.5Ga0.5As DBR层，通入Si作为掺杂剂；接着在DBR层上生长N-Cladding层，材料选取N-Al0.5In0.5P，在N-Clading上生长有源层，材料选取(Alx Ga1-x)0.5In0.5P多量子阱(MQW)；在有源层上生长P-Cladding，材料选取P-Al0.5In0.5P，通入Mg作为掺杂剂，最后在P-Cladding上生长电流扩展层GaP。图1为制备的DBR和LED结构示意图。
复合DBR结构和反射谱分析
图2是样品3的横截面TEM图。从图中可以清晰看出DBR各层结构及厚度，层与层之间的界面清晰，说明外延的晶格质量较好。从TEM测量的厚度与理论计算结果基本一致，如表1所示。
表1三个样品的理论计算厚度、TEM测量厚度、XRD拟合厚度：
为了分析样品的晶体质量及Al Ga As的组分和厚度，我们测试三种样品的X射线衍射(XRD)，并结合衍射峰的拟合和动力学理论模拟出样品1的XRD图，如图3所示。图中除了清楚看到各样品的GaAs衬底峰，还可以看到多级卫星峰，这说明DBR的界面清晰，周期均匀，具有较好的晶格质量。根据拟合结果得出AlGaAs中Al的组分为0.49，样品1单波反射的常规DBR中，Al As厚度约Al Ga As厚度约 与理论计算和TEM测试结果基本一致。表1给出了理论计算、TEM、XRD拟合出的厚度。
Al GaIn P红光LED光电性能分析
采用这三种结构DBR外延了Al Ga In P红光LED，制备成6.0mil*6.0mil尺寸芯片，并测试轴向光强、输出光功率、电流-电压(I-V)曲线、发光角度。图5是分别用20m A电流测得轴向光强，样品1轴向光强为120.5mcd，主波长622.5nm(峰波长630.5nm)；样品2轴向光强为125.4mcd，主波长622.3nm(峰波长630.1nm)；样品3轴向光强为128.8mcd，主波长622.0nm(峰波长629.8nm)，三个样品的轴向光强相差较小。我们实验设计样品2和样品3反射主波长630nm的DBR对数仅17对，比样品1的34对少一半，但是轴向光强相差较小，主要是因为样品1在DBR对数逐渐增加至超过17对情况下，反射率开始趋于饱和状态，即使对数再增加至34对，反射率仅从95％提升至97％，对轴向光强贡献较小。反而采用复合DBR的样品2和样品3，轴向光强亮度变亮4.1％和6.9％，主要是因为轴向光强是在芯片未封装，轴向15°范围内测试，复合DBR对这范围内的反射光有贡献。
在20m A下，测得样品1制备LED的输出光功率是2.62m W，光效是13.45lm/W，外量子效率6.44％，样品2制备LED的输出光功率是3.18m W，光效是16.36lm/W，外量子效率7.76％，与样品1相比，输出光功率得到提升；样品3的输出光功率是3.54m W，光效是17.26lm/W，外量子效率8.77％，与样品1相比，输出光功率提升了35.1％，外量子效率提升2.33％，与样品2相比，输出光功率再提升11.3％，外量子效率提升1.01％，在20m A条件下测得各项光电参数如表2所示。输出光功率是在整个立体空间内用积分球测量，因而输出光功率大幅度提升能更好地说明复合DBR对光提取效率的改善作用。样品3比样品2提升幅度更大，进一步说明采用三个反射中心波长的复合DBR对大角度方向的反射率更高，更有利于LED亮度提升。本实验制备的LED，与马莉等人报道的，在8.0mil*8.0mi尺寸下，输出光功率3m W，外量子效率5.8％更高，LED性能更优。
随着电流上升，输出光功率逐渐增加，当电流增加到95m A时，输出功率达到饱和，样品1最大功率为9.19m W，样品2为10.35m W，样品3为11.96m W，可见样品3的输出光功率最高。三种结构DBR制备的LED的饱和电流一致，为95m A，这说明采用复合DBR不会对LED器件电学性能产生影响。
三种DBR制备LED的发光角显示，样品1发光角度109.27°，样品2是119.37°，样品3是128.36°，可见复合DBR制备LED的发光角度更大，样品3比样品2更大，说明了采用三个反射中心波长的DBR反射出更大入射角的光。
结论
设计了以AlAs/Al0.5Ga0.5As组合为材料，具有三个反射中心波长的复合DBR结构，TEM和XRD表征了具有良好的外延结构和晶格质量，白光反射谱表征了具有更高的反射强度和更宽的带宽。采用该结构的复合DBR外延了AlGaInP红光LED，并制备成6.0mil*6.0mil小尺寸芯片，在20m A下测得LED的输出光功率是3.54mW，光效是17.26lm/W，外量子效率8.77％，相比常规DBR制备LED的输出光功率提升了35.1％，外量子效率提升2.33％；相比两个反射中心波长复合DBR制备LED的光输出功率提升了11.3％，外量子效率提升1.01％。说明采用三个反射中心波长的复合DBR反射效率更高，更大提升了AlGaInP LED的出光效率。对于更多反射中心波段的复合DBR对LED出光效率如何影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (2)
1.一种复合DBR结构AlGaInP发光二极管，其特征在于，其制备过程包括如下步骤：金属有机化学气相沉积系统以高纯氢气作为载气，以三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、砷烷、磷烷分别作为Ga、Al、In、As、P源，用乙硅烷、二茂镁分别作为N、P型掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的复合DBR结构AlGaInP发光二极管，其特征在于，具体的制备步骤如下：在GaAs衬底上，首先通入AsH3，温度渐变7min上升至700℃，并稳定在700℃2min，反应室压力设定60Torr，对GaAs表面进行脱氧；然后在GaAs衬底上生长不同结构Al As/Al0.5Ga0.5As DBR层，通入Si作为掺杂剂；接着在DBR层上生长N-Cladding层，材料选取N-Al0.5In0.5P，在N-Clading上生长有源层，材料选取(AlxGa1-x)0.5In0.5P多量子阱；在有源层上生长P-Cladding，材料选取P-Al0.5In0.5P，通入Mg作为掺杂剂，最后在P-Cladding上生长电流扩展层GaP。
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| CN108767075A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-06 | 山东浪潮华光光电子股份有限公司 | 一种带优化反射层的黄绿光led外延结构及其制备方法 |
| CN108767075B (zh) * | 2018-06-26 | 2019-09-06 | 山东浪潮华光光电子股份有限公司 | 一种带优化反射层的黄绿光led外延结构及其制备方法 |
| CN110190514A (zh) * | 2019-06-04 | 2019-08-30 | 厦门乾照半导体科技有限公司 | 一种vcsel芯片制备方法 |
| CN110190514B (zh) * | 2019-06-04 | 2020-03-24 | 厦门乾照半导体科技有限公司 | 一种vcsel芯片制备方法 |
| CN112909139A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-04 | 扬州乾照光电有限公司 | 一种基于dbr结构的led芯片及其制备方法 |
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