CN109360880B - 一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料及其制备方法 - Google Patents
一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，自下而上依次包括N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、第一腐蚀阻挡层、第二腐蚀阻挡层、第一N型粗化层、第二N型粗化层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层。本发明还公开了一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料的制备方法。通过本发明可直接在第一N型粗化层上制备N电极，消除了欧姆接触层的光吸收问题，还可提高N电极的粘附性，简化N面出光AlGaInP LED薄膜芯片制备工艺，有效提高芯片指标并降低成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件领域，尤其是涉及一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片外延材料及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管(Light-Emitting Diodes，LED)已经在很多领域被广泛应用，被公认为下一代绿色照明光源。与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP材料可覆盖从560nm到650nm范围的可见光波长，是制备红色到黄绿色LED的优良材料。AlGaInP发光二极管在固态照明和显示领域中有着重要应用，例如全色彩屏幕显示器、汽车用灯、背光源、交通信号灯及日常照明灯等。
近年来，人们在AlGaInP发光二极管外延材料生长技术上取得了很大进步，其内量子效率可达到90％以上。但直接在GaAs衬底上生长的外延材料通过在衬底侧制备N电极、上表面制备P电极的LED芯片存在衬底吸收和全反射损耗这两大弊端，电光转换效率很低，一般小于10％。
为避免衬底吸收、抑制全反射损耗，提高电光转换效率，一种非常有效的办法是制备薄膜芯片。其采用在GaAs衬底上生长AlGaInP LED外延材料，然后P面向下键合到硅、锗、蓝宝石等其他具有光反射层的基板上，将GaAs衬底去除，然后在上表面制作N电极并进行表面粗化来减少光输出面的全反射损耗，业界称其为AlGaInP LED薄膜芯片。这种AlGaInPLED薄膜芯片可以大幅度提升LED的电光转换效率。
常规用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料结构如图1所示，其包括：N型GaAs衬底100、N型GaAs缓冲层101、腐蚀阻挡层102、N型欧姆接触层103、N型粗化层104、N型限制层105、N侧空间层106、多量子阱发光区107、P侧空间层108、P型限制层109、P型电流扩展层110、P型欧姆接触层111。
其中，N型欧姆接触层103都采用n+-GaAs材料。由于n+-GaAs材料对可见光是吸收的，在制备AlGaInP LED薄膜芯片时，必须将N电极对应区域以外的n+-GaAs材料去除，同时要确保N电极下方对应区域的n+-GaAs材料完整，不能出现侧钻腐蚀引起的电极脱落现象。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料及其制备方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，按外延生长先后顺序，自下而上依次包括N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、第一腐蚀阻挡层、第二腐蚀阻挡层、第一N型粗化层、第二N型粗化层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层；
第一N型粗化层采用的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV；
所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV。
其中，所述第一N型粗化层的厚度为50～1000nm，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3。
其中，所述第二N型粗化层的厚度为1500～5000nm，掺杂浓度为0.5～1E18cm-3。
其中，所述第一N型粗化层采用的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区中量子阱使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1±0.01eV。
其中，所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.15±0.03eV。
本发明还公开了一种制备用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料的制备方法，其特征在于：利用MOCVD设备在N型GaAs衬底上依次生长N型GaAs缓冲层、第一腐蚀阻挡层、第二腐蚀阻挡层、第一N型粗化层、第二N型粗化层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层；
其中，第一N型粗化层生长步骤为，高温反应室内，在第二腐蚀阻挡层上通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为50～1000nm的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料，(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3；
其中，第二N型粗化层生长步骤为，高温反应室内，在第一N型粗化层上通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为1500～5000nm的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料，材料禁带宽度比多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.5～1E18cm-3。
其中，所述第一N型粗化层采用(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1±0.01eV。
其中，所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.15±0.03eV。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：本发明的外延材料适合直接在第一N型粗化层上制备N电极，消除了业界普遍采用的n+-GaAs欧姆接触层的光吸收问题，同时可以提高N电极的粘附性，简化N面出光AlGaInP LED薄膜芯片制备工艺，在有效提高AlGaInP LED薄膜芯片指标的同时降低成本。
附图说明
图1为现有技术中用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料结构示意图。
图2为本发明中用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料结构示意图。
图示说明：图1中，100：N型GaAs衬底，101：N型GaAs缓冲层，102：腐蚀阻挡层，103：N型欧姆接触层，104：N型粗化层，105：N型限制层，106：N侧空间层，107：多量子阱发光区，108：P侧空间层，109：P型限制层，110：P型电流扩展层，111：P型欧姆接触层。
图2中，200：N型GaAs衬底，201：N型GaAs缓冲层，202：第一腐蚀阻挡层，203：第二腐蚀阻挡层，204A：第一N型粗化层，205B：第二N型粗化层，205：N型限制层，206：N侧空间层，207：多量子阱发光区，208：P侧空间层，209：P型限制层，210：P型电流扩展层，211：P型欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
图2为本发明的一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料结构示意图，按外延生长先后顺序，自下而上依次包括N型GaAs衬底200、N型GaAs缓冲层201、第一腐蚀阻挡层202、第二腐蚀阻挡层203、第一N型粗化层204A、第二N型粗化层204B、N型限制层205、N侧空间层206、多量子阱发光区207、P侧空间层208、P型限制层209、P型电流扩展层210以及P型欧姆接触层211。
第一N型粗化层204A采用的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y11P材料禁带宽度比多量子阱发光区207的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV，优选为0.1±0.01eV；第一N型粗化层204A厚度为50～1000nm；第一N型粗化层204A掺杂浓度为0.7～5E18cm-3。
第二N型粗化层204B采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比多量子阱发光区207的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV，优选为0.15±0.03eV；第二N型粗化层204B厚度为1500～5000nm；第二N型粗化层204B掺杂浓度为0.5～1E18cm-3。
本发明外延材料的制备方法具体步骤如下：
1)N型GaAs衬底200热处理：将N型GaAs衬底放到MOCVD设备生长室内，H2气氛下升温到700±50℃处理5～20分钟；
2)N型GaAs缓冲层201生长：将温度降低到680±40℃，然后通入TMGa和AsH3生长厚度为0.3～1μm范围的GaAs材料，并利用Si作为n型掺杂，掺杂浓度为5～20E17cm-3；
3)第一腐蚀阻挡层202生长：反应室温度升高到680±40℃，通入TMGa、TMIn、PH3作为反应物，生长50～500nm厚度的Ga0.5In0.5P材料，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.5～2E18cm-3；
4)第二腐蚀阻挡层203生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa和AsH3生长厚度为50～1000nm的GaAs材料，利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.5～2E18cm-3；
5)第一N型粗化层204A生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为50～1000nm的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料，材料禁带宽度比多量子阱发光区207量子阱使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV，优选为0.1±0.01eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3；
6)第二N型粗化层204B生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为1500～5000nm的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料，材料禁带宽度比多量子阱发光区207量子阱使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV，优选为0.15±0.03eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.5～1E18cm-3；
7)N型限制层205生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.5～2.0μm的(Alx3Ga1-x3)y3In1-y3P材料，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为1～4E18cm-3；
8)N侧空间层206生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2～0.5μm的(Alx4Ga1-x4)y4In1-y4P材料，非故意掺杂；
9)多量子阱发光区207生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长阱、垒分别为(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P、(Alx6Ga1-x6)y6In1-y6P材料的多量子阱发光区207，阱和垒的单层厚度为3～10nm，周期数为10～30对，非故意掺杂；
10)P侧空间层208生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2～0.5μm的(Alx7Ga1-x7)y7In1-y7P材料，非故意掺杂；
11)P型限制层209生长：反应室温度680±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.3～1um的(AlxsGa1-x8)y8In1-y8P材料，并利用Mg作为p型掺杂，掺杂浓度为0.5～2E18cm-3；
12)P型电流扩展210生长：反应室温度760±50℃下通入TMGa、PH3生长厚度为0.5～5μm的GaP材料，并利用Mg作为p型掺杂元素，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3；
13)P型欧姆接触层层211生长：反应室温度760±50℃下通入TMGa、PH3生长厚度为50～1000nm的GaP材料，并利用Mg或C作为p型掺杂元素，掺杂浓度为5～20E18cm-3；
14)取料：将MOCVD反应室温度降低，并升高压力，打开反应室，取出外延材料。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，其特征在于：按外延生长先后顺序，自下而上依次包括N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、第一腐蚀阻挡层、第二腐蚀阻挡层、第一N型粗化层、第二N型粗化层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层；
所述第一N型粗化层采用的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV；
所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV。
2.根据权利要求1所述的用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，其特征在于：所述第一N型粗化层的厚度为50～1000nm，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3。
3.根据权利要求1所述的用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，其特征在于：所述第二N型粗化层的厚度为1500～5000nm，掺杂浓度为0.5～1E18cm-3。
4.根据权利要求1所述的用于N面出光AlGalnP LED薄膜芯片的外延材料，其特征在于：所述第一N型粗化层采用的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区中量子阱使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1±0.01eV。
5.根据权利要求1所述的用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料，其特征在于：所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.15±0.03eV。
6.一种制备权利要求1-5任一所述的用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料的制备方法，其特征在于：利用MOCVD设备在N型GaAs衬底上依次生长N型GaAs缓冲层、第一腐蚀阻挡层、第二腐蚀阻挡层、第一N型粗化层、第二N型粗化层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层；
其中，所述第一N型粗化层生长步骤为，高温反应室内，在第二腐蚀阻挡层上通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为50～1000nm的(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料，(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.06～0.15eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.7～5E18cm-3；
其中，所述第二N型粗化层生长步骤为，高温反应室内，在第一N型粗化层上通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为1500～5000nm的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料，材料禁带宽度比多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1～0.35eV，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.5～1E18cm-3。
7.根据权利要求6所述的用于N面出光AIGaInP LED薄膜芯片的外延材料的制备方法，其特征在于：所述第一N型粗化层采用(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.1±0.01eV。
8.根据权利要求6所述的用于N面出光AlGaInP LED薄膜芯片的外延材料的制备方法，其特征在于：所述第二N型粗化层采用的(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P材料禁带宽度比所述多量子阱发光区的量子阱中使用的(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P材料禁带宽度大0.15±0.03eV。
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