CN108767075A - 一种带优化反射层的黄绿光led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构及其制备方法，自下而上依次设置的GaAs衬底、AlGaAs缓冲层、GaAsP缓冲层、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ、AlInP/AlGaInP DBR层、N‑AlInP限制层、AlGaInP N波导层、AlGaInP量子阱有源层、AlGaIn P波导层、AlIn P限制层以及GaP窗口处，通过由AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ、AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ以及AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ形成的AlGaAsP/AlAsP 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，通过微量的介入有效降低反射层内部应力，具有较高的反射率，并且实现二极管长时间通电可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构及其制备方法。
背景技术
LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的缩写。
在部分半导体材料的PN结中，载流子复合时释放的能量会以光的形式发射，把电能直接转换为光能。通过注入载流子形成发光复合，利用这种注入式电致发光原理制作的二极管就是发光二极管，通称LED。红光LED中的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。
由于目前红光LED的内量子效率已经接近90％，进一步提高LED外量子效率成为主要技术研发方向。目前国内主要通过生长电流扩展层GaP来提高黄绿光出光效率，目的是将载流子引到电极以外，从而使有源区发出的光避开不透明的电极对光的反射和内部吸收。但是这样需要生长比较厚的电流扩展层，增加了工艺复杂性和成本。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。复合DBR结构在缓冲层之后直接生长，对应有源区波长进行反射，从而降低工艺制作的复杂性，并实现多波长的反射。目前国内普遍使用AlGaAs/AlAs作为复合DBR的材料，因为与GaAs衬底有比较好的晶格匹配，但是AlGaAs/AlAs在室温下仍然存在1％的晶格失配，因此通过降低交替层叠的AlGaAs/AlAs材料应力，可以形成具有较高反射率和无内应力的反射层，并且实现长时间发光二极管供电时，发光特性不劣化。
中国专利CN104300058A公开了一种含掺杂宽势垒结构的黄绿光LED的制作方法。包括在GaAs衬底的一面生长的缓冲层、布拉格反射层、第一限制层、非掺杂超晶格第一有源层、掺杂宽势垒结构层、非掺杂超晶格第二有源层、第二限制层、GaP窗口层，在GaP窗口层上设置有第一电极，在GaAs衬底的另一面设置有第二电极。本发明可提高有源区的空穴注入，提升电子空穴复合效率，从而较大地提高产品光效，提升2％～4％芯片合格率。此发明主要利用掺杂宽势垒结构层来提高产品光效和芯片良率，但是其DBR材料为AlGaAs/AlAs，没有提出更好的材料组成减少反射层内部应力。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种提高外量子效率增加出光亮度，实现发光二极管长时间通电可靠性的带优化反射层的黄绿光LED外延结构及其制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaAs衬底、AlGaAs缓冲层、GaAsP缓冲层、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ、AlInP/AlGaInP DBR层、N-AlInP限制层、AlGaInP N波导层、AlGaInP量子阱有源层、AlGaIn P波导层、AlIn P限制层以及GaP窗口处，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ的波长大于AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ的波长，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ的波长大于AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ的波长。
进一步的，上述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ的波长为600nm，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ的波长为580nm，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ的波长为570nm。
一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层材料为AlnGa1-nAs的AlnGa1缓冲层，其中n的取值为≤0.99，载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3；
b)保持300-800℃的温度，关闭Al源，通入PH3，在AlnGa1缓冲层上生长一层GaAsP缓冲层；
c)将温度调整至700-500℃，通入PH3,调整生长厚度生长反射600nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ，其中x取值为≤0.5；
d)将温度调整至650-700℃，通入PH3，生长反射580nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ，其中x取值为≤0.5；
e)将温度调整至600-650℃，通入PH3，生长反射570nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ，其中x取值为≤0.5；
f)将温度调整至600-750℃，在AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ生长一层AlInP/AlGaInPDBR层；
g)将温度保持600-750℃，在AlInP/AlGaInP DBR层生长一层AlInP材料作为N限制层的AlInP N限制层(8)；
h)将温度保持600-750℃，在AlInP N限制层上生长一层AlGaInP N波导层，不掺杂；
i)将温度保持600-750℃，在AlGaInP N波导层上生长一层材料为AlGaInP的AlGaInP量子阱有源层，不掺杂；
g)将温度保持600-750℃，在AlGaInP量子阱有源层上生长AlGaInP P波导层，不掺杂；
k)将温度保持600-750℃，在AlGaInP P波导层(11)上生长AlInP P限制层(12)；
l)将温度调整至650-830℃，在AlInP P限制层上生长GaP窗口层。
进一步的，上述GaAs衬底的厚度为250-375μm，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.1-0.8μm，所述GaAsP缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，所述AlInP/AlGaInP DBR层的厚度为0.05-0.2μm，所述N-AlInP限制层的厚度为0.5-1μm，所述AlGaInP N波导层的厚度为0.15-0.5μm，所述AlGaInP量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，所述AlGaInP P波导层额厚度为0.15-0.5μm，所述AlInP P限制层的厚度为0.5-1μm，所述GaP窗口层的厚度为3-10μm。
进一步的，上述步骤b)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤c)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤d)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤e)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤f)中流子浓度5E17cm-3-1E18cm-3，步骤k)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤l)中载流子浓度为1E19cm-3-9E19cm-3。
进一步的，上述步骤b)中PH3流量为0.1-100cc，步骤c)中PH3流量为0.1-100cc，步骤d)中PH3流量为0.1-100cc，步骤e)中PH3流量为0.1-100cc。
本发明的有益效果是：通过由AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ、AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ以及AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ形成的AlGaAsP/AlAsP 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，通过微量PH3的介入有效降低反射层内部应力，具有较高的反射率，并且实现二极管长时间通电可靠性。
附图说明
图1为本发明的带优化反射层的黄光LED外延结构的示意图；
图中，1.GaAs衬底2.AlGaAs缓冲层3.GaAsP缓冲层4.AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ5.AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ6.AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ7.AlInP/AlGaInP DBR层8.AlInP N限制层9.AlGaInP N波导层10.AlGaInP量子阱有源层11.AlGaIn P波导层12.AlIn P限制层13.GaP窗口层。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaAs衬底1、AlGaAs缓冲层2、GaAsP缓冲层3、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ4、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ5、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ6、AlInP/AlGaInP DBR层7、N-AlInP限制层8、AlGaInP N波导层9、AlGaInP量子阱有源层10、AlGaIn P波导层11、AlIn P限制层12以及GaP窗口处13，AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ4的波长大于AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ5的波长，AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ5的波长大于AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ6的波长。AlGaAs缓冲层2用于消除GaAs衬底1表面氧化层对外延生长质量的影响，提高外延生长质量，GaAsP缓冲层2是用于和GaAs衬底1实现完美的晶格匹配，避免GaAs衬底1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。由AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ4、AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ5以及AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ6形成的AlGaAsP/AlAsP 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，通过微量PH3的介入有效降低反射层内部应力，具有较高的反射率，并且实现二极管长时间通电可靠性。
实施例1：
优选的，AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ4的波长为600nm，AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ5的波长为580nm，AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ6的波长为570nm。
本发明还涉及一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底1放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层材料为AlnGa1-nAs的AlnGa1缓冲层2，其中n的取值为≤0.99，载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3；
b)保持300-800℃的温度，关闭Al源，通入PH3，在AlnGa1缓冲层2上生长一层GaAsP缓冲层3；
c)将温度调整至700-500℃，通入PH3,调整生长厚度生长反射600nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ4，其中x取值为≤0.5；
d)将温度调整至650-700℃，通入PH3，生长反射580nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ5，其中x取值为≤0.5；
e)将温度调整至600-650℃，通入PH3，生长反射570nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ6，其中x取值为≤0.5；
f)将温度调整至600-750℃，在AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ6生长一层AlInP/AlGaInPDBR层7；
g)将温度保持600-750℃，在AlInP/AlGaInP DBR层7生长一层AlInP材料作为N限制层的AlInP N限制层8；
h)将温度保持600-750℃，在AlInP N限制层8上生长一层AlGaInP N波导层9，不掺杂；
i)将温度保持600-750℃，在AlGaInP N波导层9上生长一层材料为AlGaInP的AlGaInP量子阱有源层10，不掺杂；
g)将温度保持600-750℃，在AlGaInP量子阱有源层10上生长AlGaInP P波导层11，不掺杂；
k)将温度保持600-750℃，在AlGaInP P波导层11上生长AlInP P限制层12；
l)将温度调整至650-830℃，在AlInP P限制层12上生长GaP窗口层13。
通过采用在阶梯温度模式下生长由AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ4、AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ5以及AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ6形成的AlGaAsP/AlAsP DBR组成复合布拉格反射层，通过PH3的介入有效降低反射层内部应力，提高外量子效率增加出光亮度，实现发光二极管长时间通电可靠性，同时在初始生长时利用AlGaAs缓冲层2去除水氧，解决黄绿光多铝生长光电参数不稳定难题。通过以上制备方法生长的黄绿光LED发光亮度比使用AlGaAs/AlAs复合DBR生长的黄绿光亮度高20％；在室温25℃，50％湿度下通电200小时后亮度是原来的75％，而常规AlGaAs/AlAs复合DBR生长的亮度在同样条件下是原来的60％，说明通过本发明生长的黄绿光LED老化特性和高效反射率都有明显提高。
实施例1：
优选的，GaAs衬底1的厚度为250-375μm，AlGaAs缓冲层2的厚度为0.1-0.8μm，GaAsP缓冲层3的厚度为0.2-0.5μm，AlInP/AlGaInP DBR层7的厚度为0.05-0.2μm，N-AlInP限制层8的厚度为0.5-1μm，AlGaInP N波导层9的厚度为0.15-0.5μm，AlGaInP量子阱有源层10的厚度为0.05-0.5μm，AlGaInP P波导层11额厚度为0.15-0.5μm，AlInP P限制层12的厚度为0.5-1μm，GaP窗口层13的厚度为3-10μm。
实施例2：
优选的，步骤b)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤c)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤d)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤e)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤f)中流子浓度5E17cm-3-1E18cm-3，步骤k)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤l)中载流子浓度为1E19cm-3-9E19cm-3。
实施例3：
优选的，步骤b)中PH3流量为0.1-100cc，步骤c)中PH3流量为0.1-100cc，步骤d)中PH3流量为0.1-100cc，步骤e)中PH3流量为0.1-100cc。
Claims (6)
1.一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构，其特征在于，包括自下而上依次设置的GaAs衬底(1)、AlGaAs缓冲层(2)、GaAsP缓冲层(3)、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ(4)、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ(5)、AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ(6)、AlInP/AlGaInP DBR层(7)、N-AlInP限制层(8)、AlGaInP N波导层(9)、AlGaInP量子阱有源层(10)、AlGaIn P波导层(11)、AlIn P限制层(12)以及GaP窗口处(13)，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ(4)的波长大于AlGaAsP/AlAsPDBR层Ⅱ(5)的波长，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ(5)的波长大于AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ(6)的波长。
2.根据权利要求1所述的带优化反射层的黄绿光LED外延结构，其特征在于：所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅰ(4)的波长为600nm，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅱ(5)的波长为580nm，所述AlGaAsP/AlAsP DBR层Ⅲ(6)的波长为570nm。
3.一种带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底(1)放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层材料为AlnGa1-nAs的AlnGa1缓冲层(2)，其中n的取值为≤0.99，载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3；
b)保持300-800℃的温度，关闭Al源，通入PH3，在AlnGa1缓冲层(2)上生长一层GaAsP缓冲层(3)；
c)将温度调整至700-500℃，通入PH3,调整生长厚度生长反射600nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅰ(4)，其中x取值为≤0.5；
d)将温度调整至650-700℃，通入PH3，生长反射580nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅱ(5)，其中x取值为≤0.5；
e)将温度调整至600-650℃，通入PH3，生长反射570nm光谱的1-30对材料为AlxGa1-xAsP/AlAsP DBR的AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ(6)，其中x取值为≤0.5；
f)将温度调整至600-750℃，在AlAsP/AlGaAsP DBR层Ⅲ(6)生长一层AlInP/AlGaInPDBR层(7)；
g)将温度保持600-750℃，在AlInP/AlGaInP DBR层(7)生长一层AlInP材料作为N限制层的AlInP N限制层(8)；
h)将温度保持600-750℃，在AlInP N限制层(8)上生长一层AlGaInP N波导层(9)，不掺杂；
i)将温度保持600-750℃，在AlGaInP N波导层(9)上生长一层材料为AlGaInP的AlGaInP量子阱有源层(10)，不掺杂；
g)将温度保持600-750℃，在AlGaInP量子阱有源层(10)上生长AlGaInP P波导层(11)，不掺杂；
k)将温度保持600-750℃，在AlGaInP P波导层(11)上生长AlInP P限制层(12)；
l)将温度调整至650-830℃，在AlInP P限制层(12)上生长GaP窗口层(13)。
4.根据权利要求1所述的带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述GaAs衬底(1)的厚度为250-375μm，所述AlGaAs缓冲层(2)的厚度为0.1-0.8μm，所述GaAsP缓冲层(3)的厚度为0.2-0.5μm，所述AlInP/AlGaInP DBR层(7)的厚度为0.05-0.2μm，所述N-AlInP限制层(8)的厚度为0.5-1μm，所述AlGaInP N波导层(9)的厚度为0.15-0.5μm，所述AlGaInP量子阱有源层(10)的厚度为0.05-0.5μm，所述AlGaInP P波导层(11)额厚度为0.15-0.5μm，所述AlInP P限制层(12)的厚度为0.5-1μm，所述GaP窗口层(13)的厚度为3-10μm。
5.根据权利要求1所述的带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤b)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤c)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤d)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤e)中载流子浓度为1E17cm-3-5E18cm-3，步骤f)中流子浓度5E17cm-3-1E18cm-3，步骤k)中载流子浓度为1E18cm-3-5E18cm-3，步骤l)中载流子浓度为1E19cm-3-9E19cm-3。
6.根据权利要求1所述的带优化反射层的黄绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤b)中PH3流量为0.1-100cc，步骤c)中PH3流量为0.1-100cc，步骤d)中PH3流量为0.1-100cc，步骤e)中PH3流量为0.1-100cc。
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