CN111725365B - 一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法 - Google Patents

一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法，属于光电子领域。本发明的LED由下至上包括GaAs衬底、GaAs低温缓冲层、Blagg反射镜层、AlInP下限制层、多量子阱发光区、AlInP上限制层、AlxGa(1‑x)InP晶格过渡层、GaAs材料的隧道结和GaP窗口层，所述GaAs材料的隧道结由GaAs掺杂P型层、GaAs本征层和GaAs掺杂N型层形成。本发明在生长完毕AlInP上限制层后生长具有高电导几率的晶格匹配的GaAs材料的隧道结，再生长常规结构的LED材料，在不增加电压的前提下，达到发光效率叠加的效果，既能降低器件的成本，又能大幅度的提高量子效率。

Description

一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
LED自身具备体积小，重量轻，发热量少，耗电量小，寿命长，单色性好，响应速度快，环保，抗震性好等优点，因而被广泛应用于各个领域。随着技术的不断进步，人们生活理念的改变，四元系AlGaInP黄绿光发光二极管广泛应用于信号指示、交通指示、汽车照明、特种照明等各个领域。四元系AlGaInP材料随着波长的变短，有源层Al组分不断升高，Al原子与氧或碳原子结合导致材料产生严重的晶格缺陷，发光效率下降；另一方面黄绿光的能带由于Al组分的比例提高，能隙由直接能隙逐步转变成间接能隙，内量子效率进一步大幅下降，致使黄绿光波段LED产品光效较低；同时，利用有机金属气相沉积(MOCVD)技术生产时，由于载片盘边缘外延沉积效率差，外延片生长后边缘性能差，生产良率低，此类问题在工艺窗口更极限的黄绿光波段体现更为明显。
常规的LED结构，包括在GaAs衬底上由下至上依次包括GaAs低温缓冲层、Blagg反射镜层、AlInP下限制层、多量子阱发光区、AlInP上限制层和，p-GaP窗口层，在一定工作电压下，发光效率较低，因AlInP材料与GaP材料晶格不匹配，存在势垒差，形成异质结尖峰，在工作过程中产生较大的焦耳热而损失能力，且器件老化性能大大降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种GaAs基多结黄绿光LED及其制备方法，在生长完毕AlInP上限制层后生长具有高电导几率的晶格匹配的GaAs材料的隧道结，再生长常规结构的LED材料，在不增加电压的前提下，达到发光效率叠加的效果，既能降低器件的成本，又能大幅度的提高量子效率。
本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种GaAs基多结黄绿光LED，由下至上包括GaAs衬底、GaAs低温缓冲层、Blagg反射镜层、AlInP下限制层、多量子阱发光区、AlInP上限制层、AlxGa(1-x)InP晶格过渡层、GaAs材料的隧道结，重复生长Blagg反射镜层至AlxGa(1-x)InP晶格过渡层，最后生长GaP窗口层。
优选的，所述GaAs材料的隧道结由GaAs掺杂P型层、GaAs本征层和GaAs掺杂N型层形成。
另一方面，本发明提供一种上述GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，包括如下步骤：
1)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到750±20℃烘烤40分钟，并通入AsH3，去除所述GaAs衬底表面水氧完成表面热处理，并为步骤2)做准备；
2)将温度缓降到700±20℃，降温时间为60秒到120秒，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长厚度为0.2-2um的GaAs低温缓冲层；
3)温度保持在700±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在步骤2)生长的GaAs低温缓冲层上生长Bragg反射镜层，Bragg反射镜层为AlGaAs或AlAs；
4)温度降至650±20℃，在步骤3)生长的Bragg反射镜层上生长n型AlInP下限制层；
5)保持温度在650±20℃，在步骤4)的AlInP下限制层上生长阱AlxGa(1-x)InP/垒AlxGa(1-x)InP多量子阱发光区，其中0≤x≤1；
6)保持温度在650±20℃，在步骤(5)生成的多量子阱发光区上生长p型AlInP上限制层；
7)将温度拉升到750±20℃，在步骤6生长的AlInP上限制层上生长AlxGa(1-x)InP晶格过渡层，其中0≤x；目的为抑制AlInP/GaAs异质结尖峰，尤其是在价带内。增强空穴注入，工作电压降低，在大电流注入时，由于焦耳热的减少，带晶格过渡层的会有更高的发光效率。
8)关闭TMAl、TMGa、TMIn的入口阀，仅通入PH3，温度下降至515±20℃，降温时间为300秒至450秒，目的为去除系统中的PH3氛围，使环境为AsH3环境，为后续长晶创造氛围。
9)关闭PH3的入口阀，仅通入AsH3，继续保持温度515±20℃，目的为去除系统中的PH3氛围，使环境为AsH3环境，为后续长晶创造氛围；
10)通入TMGa、CBr4，在步骤的7)生长的晶格过渡层上生长GaAs掺杂P型层；
11)关闭TMGa、CBr4的入口阀，将温度提高至700±20℃，再通入TMGa，生长GaAs本征层；
12)保持温度700±20℃，通入Si2H6，生长GaAs掺杂N型层；
本发明的步骤10)～步骤12)，生长GaAs隧道节，利用多子隧道效应工作，使噪音降低，隧道节用重掺杂的简并半导体制成，使隧道二极管的工作温度范围增大。不受电子渡越时间限制，可以在极高的频率下工作。
13)重复步骤3)～步骤7)；
14)将温度拉升到800±20℃，在步骤13)的基础上生长p型GaP窗口层；
15)外延材料生长完毕后，在GaP材料表面蒸镀AuBeAu或Ti/Au金属薄膜，制作P面电极，然后将衬底材料减薄后蒸镀AuGe金属层制作背面电极，再将材料切割出一定尺寸的管芯产品，利用常规LED封装技术制作出成品LED器件。
优选的，所述GaAs基LED的制备过程中，MOCVD设备的压力为50-200mbar。
优选的，所述GaAs低温缓冲层、Bragg反射镜层、AlInP下限制层的N型掺杂源为Si2H6；所述AlInP上限制层和AlxGa(1-x)InP晶格过渡层的掺杂源均为Cp2Mg，GaAs掺杂P型层的掺杂源为CBr4，P-GaP窗口层的P型掺杂源为Cp2Mg或CBr4。
优选的，所述H2的流量为8000－50000sccm(sccm表示每分钟标准毫升)；所述TMGa的纯度为99.9999％，所述TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；所述TMIn的纯度为99.9999％，所述TMIn的恒温槽的温度为15±5℃；所述TMAl的纯度为99.9999％，所述TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；所述AsH3的纯度为99.9999％；所述Si2H6的纯度为99.9999％；所述Cp2Mg的纯度为99.9999％，所述Cp2Mg的恒温槽的温度为0-25℃，所述CBr4的恒温槽的温度为0-10℃。
优选的，步骤2)中，GaAs低温缓冲层的厚度为100-1000nm，Si2H6的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤2)中GaAs低温缓冲层的厚度为100nm，Si2H6的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
优选的，所述步骤3)的循环对数为10-50对，AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3，AlAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤3)中Bragg反射镜层的循环对数为35对，AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/cm3，AlAs的掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
优选的，所述步骤4)中AlInP下限制层的厚度为0.5-3um，Si2H6的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤4)中AlInP下限制层的厚度为2um，Si2H6的掺杂浓度为8E17个原子/cm3。
优选的，所述步骤5)中多量子阱发光区的厚度为0.1-0.3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤5)的多量子阱发光区的厚度为0.1um，掺杂浓度为1.5E18个原子/cm3。
优选的，所述步骤6)中AlInP上限制层的厚度为0.1-3um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤6)中AlInP上限制层的厚度为1um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
优选的，所述步骤7)中的x为0.3-0.5，晶格过渡层的厚度为0.01-0.5um，Cp2Mg的掺杂浓度为5E18-1E19个原子/cm3；
特别优选的，所述步骤7)的x为0.35，晶格过渡层的厚度为0.3um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E19个原子/cm3。
优选的，所述步骤10)中GaAs掺杂P型层的厚度为0.01-1um，CBr4的掺杂浓度为5E19-5E20个原子/cm3；
特别优选的，步骤10)中GaAs掺杂P型层的厚度为0.15um，CBr4的掺杂浓度为1E20个原子/cm3；
优选的，步骤11)中GaAs本征层的厚度为0.01-1um；
特别优选的，步骤11)中GaAs本征层的厚度为0.15um。
优选的，步骤12)中GaAs掺杂N型层的厚度为0.01-1um，掺杂浓度为5E17-5E19个原子/cm3；
特别优选的，步骤12)中GaAs掺杂N型层的厚度为0.1um，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
优选的，步骤14)中GaP窗口层的厚度为1-15um，掺杂浓度为5E18-1E20个原子/cm3；
特别优选的，步骤14)中GaP窗口层的厚度为8um，掺杂浓度为8E19个原子/cm3。
本发明的有益效果为：
1、本发明的结构中，在GaAs衬底上生长出了与AlInP和GaAs之间具有中间带隙的晶格匹配的AlxGa(1-x)InP晶格过渡层，通过引入AlxGa(1-x)InP晶格过渡层减少了由于AlInP与GaAs界面的宽带不连续使得电压降低，具有较高的光电转换效率，并因降低电压而提高器件的可靠性和寿命。
2、本发明增加GaAs掺杂P型层、GaAs本征层和GaAs掺杂N型层形成隧道节，电子迁移率高，通过隧道结连接，利用多子隧道效应工作，使噪音降低，隧道节用重掺杂的简并半导体制成，使隧道二极管的工作温度范围增大。不受电子渡越时间限制，注入的载流子在第一个有源区复合发光后，经反向隧道节隧穿到下一个有源区的导带，从而在第二个有源区中再次复合发光。相同的注入电流下，光输出功率成倍增加，可以在较小的电流下获得较大的输出功率，减少了焦耳热的产生，可以在极高的频率下工作，保证电流扩展和光学特性，提高了器件的可靠性、稳定性。
3、本发明在传统LED结构基础上，在生长完毕AlInP上限制层后生长具有高电导几率的晶格匹配的GaAs材料的隧道结，再生长常规结构的LED材料，在不增加电压的前提下，达到发光效率叠加的效果，既能降低器件的成本，又能大幅度的提高量子效率。
附图说明
图1为本发明的GaAs基多结黄绿光LED的结构示意图；
其中：1-GaAs衬底，2-GaAs低温缓冲层，3-Blagg反射镜层，4-AlInP下限制层，5-多量子阱发光区，6-AlInP上限制层，7-AlxGa(1-x)InP晶格过渡层，8-GaP窗口层。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种GaAs基多结黄绿光LED，如图1所示，由下至上包括GaAs衬底1、GaAs低温缓冲层2、Blagg反射镜层3、AlInP下限制层4、多量子阱发光区5、AlInP上限制层6、AlxGa(1-x)InP晶格过渡层7、GaAs材料的隧道结，重复生长Blagg反射镜层3至AlxGa(1-x)InP晶格过渡层7，最后生长GaP窗口层8。
实施例2：
一种GaAs基多结黄绿光LED，结构如实施例1所示，所不同的是，GaAs材料的隧道结由GaAs掺杂P型层、GaAs本征层和GaAs掺杂N型层形成。
实施例3：
一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，包括如下步骤：
1)将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到750±20℃烘烤40分钟，并通入AsH3，去除GaAs衬底1表面水氧完成表面热处理，并为步骤2)做准备；
2)将温度缓降到700±20℃，降温时间为80秒，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长厚度为0.5um的GaAs低温缓冲层2；
3)温度保持在700±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在步骤2)生长的GaAs低温缓冲层2上生长Bragg反射镜层3，Bragg反射镜层3为AlGaAs；
4)温度降至650±20℃，在步骤3)生长的Bragg反射镜层3上生长n型AlInP下限制层4；
5)保持温度在650±20℃，在步骤4)的AlInP下限制层4上生长阱AlxGa(1-x)InP/垒AlxGa(1-x)InP多量子阱发光区5，其中0≤x≤1；
6)保持温度在650±20℃，在步骤(5)生成的多量子阱发光区5上生长p型AlInP上限制层6；
7)将温度拉升到750±20℃，在步骤6生长的AlInP上限制层6上生长AlxGa(1-x)InP晶格过渡层7，其中0≤x；目的为抑制AlInP/GaAs异质结尖峰，尤其是在价带内，增强空穴注入，工作电压降低，在大电流注入时，由于焦耳热的减少，带晶格过渡层的会有更高的发光效率；
8)关闭TMAl、TMGa、TMIn的入口阀，仅通入PH3，温度下降至515±20℃，降温时间为350秒，目的为去除系统中的PH3氛围，使环境为AsH3环境，为后续长晶创造氛围；
9)关闭PH3的入口阀，仅通入AsH3，继续保持温度515±20℃，目的为去除系统中的PH3氛围，使环境为AsH3环境，为后续长晶创造氛围；
10)通入TMGa、CBr4，在步骤的7)生长的晶格过渡层上生长GaAs掺杂P型层；
11)关闭TMGa、CBr4的入口阀，将温度提高至700±20℃，再通入TMGa，生长GaAs本征层；
12)保持温度700±20℃，通入Si2H6，生长GaAs掺杂N型层；
本发明的步骤10)～步骤12)，生长GaAs隧道节，利用多子隧道效应工作，使噪音降低，隧道节用重掺杂的简并半导体制成，使隧道二极管的工作温度范围增大，不受电子渡越时间限制，可以在极高的频率下工作。
13)重复步骤3)～步骤7)；
14)将温度拉升到800±20℃，在步骤13)的基础上生长p型GaP窗口层8；
15)外延材料生长完毕后，在GaP材料表面蒸镀AuBeAu或Ti/Au金属薄膜，制作P面电极，然后将衬底材料减薄后蒸镀AuGe金属层制作背面电极，再将材料切割出一定尺寸的管芯产品，利用常规LED封装技术制作出成品LED器件。
实施例4：
一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，GaAs基LED的制备过程中，MOCVD设备的压力为100mbar。
实施例5：
一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，GaAs低温缓冲层2、Bragg反射镜层3、AlInP下限制层4的N型掺杂源为Si2H6；AlInP上限制层6和AlxGa(1-x)InP晶格过渡层7的掺杂源均为Cp2Mg，GaAs掺杂P型层的掺杂源为CBr4，P-GaP窗口层8的P型掺杂源为Cp2Mg或CBr4。
实施例6：
一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，H2的流量为10000sccm；TMGa的纯度为99.9999％，TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；TMIn的纯度为99.9999％，TMIn的恒温槽的温度为15±5℃；TMAl的纯度为99.9999％，TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；AsH3的纯度为99.9999％；Si2H6的纯度为99.9999％；Cp2Mg的纯度为99.9999％，Cp2Mg的恒温槽的温度为0-25℃，CBr4的恒温槽的温度为0-10℃。
实施例7：
一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，GaAs低温缓冲层2的厚度为100nm，Si2H6的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
步骤3)中Bragg反射镜层3的循环对数为35对，AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/cm3，AlAs的掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
步骤4)中AlInP下限制层4的厚度为2um，Si2H6的掺杂浓度为8E17个原子/cm3；
步骤5)的多量子阱发光区5的厚度为0.1um，掺杂浓度为1.5E18个原子/cm3；
步骤6)中AlInP上限制层6的厚度为1um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
步骤7)的x为0.35，晶格过渡层的厚度为0.3um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E19个原子/cm3；
步骤10)中GaAs掺杂P型层的厚度为0.15um，CBr4的掺杂浓度为1E20个原子/cm3；
步骤11)中GaAs本征层的厚度为0.15um；
步骤12)中GaAs掺杂N型层的厚度为0.1um，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
步骤14)中GaP窗口层8的厚度为8um，掺杂浓度为8E19个原子/cm3。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，该LED由下至上包括GaAs衬底、GaAs低温缓冲层、Blagg反射镜层、AlInP下限制层、多量子阱发光区、AlInP上限制层、AlxGa（1-x）InP晶格过渡层、GaAs材料的隧道结和GaP窗口层；
所述GaAs材料的隧道结由GaAs掺杂P型层、GaAs本征层和GaAs掺杂N型层形成；
制备方法包括如下步骤：
1）将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到750±20℃烘烤40分钟，并通入AsH3，去除所述GaAs衬底表面水氧完成表面热处理；
2）将温度缓降到700±20℃，降温时间为60秒到120秒，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长厚度为0.2-2um的GaAs低温缓冲层；
3）温度保持在700±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在步骤2）的GaAs低温缓冲层上生长的GaAs低温缓冲层上生长Bragg反射镜层，Bragg反射镜层为AlGaAs或AlAs；
4）温度降至650±20℃，在步骤3）的Bragg反射镜层上生长的Bragg反射镜层上生长n型AlInP下限制层；
5）保持温度在650±20℃，在步骤4）的AlInP下限制层上生长阱AlxGa(1-x)InP/垒AlxGa(1-x)InP多量子阱发光区，其中0≤x≤1；
6）保持温度在650±20℃，在步骤（5）生成的多量子阱发光区上生长p型AlInP上限制层；
7）将温度拉升到750±20℃，在步骤6生长的AlInP上限制层上生长AlxGa（1-x）InP晶格过渡层，其中0≤x；
8）关闭TMAl、TMGa、TMIn的入口阀，仅通入PH3，温度下降至515±20℃；
9）关闭PH3的入口阀，仅通入AsH3，继续保持温度515±20℃，降温时间为300秒至450秒；
10）通入TMGa、CBr4，在步骤的7）生长的晶格过渡层上生长GaAs掺杂P型层；
11）关闭TMGa、CBr4的入口阀，将温度提高至700±20℃，再通入TMGa，生长GaAs本征层；
12）保持温度700±20℃，通入Si2H6，生长GaAs掺杂N型层；
13）重复步骤3）~步骤7）；
14）将温度拉升到800±20℃，在步骤13）的基础上生长p型GaP窗口层；
15）外延材料生长完毕后，在GaP材料表面蒸镀AuBeAu或Ti/Au金属薄膜，制作P面电极，然后将衬底材料减薄后蒸镀AuGe金属层制作背面电极，再将材料切割出管芯产品，制作出成品LED器件。
2.根据权利要求1所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，所述GaAs基LED的制备过程中，MOCVD设备的压力为50-200mbar；
所述GaAs低温缓冲层、Bragg反射镜层、AlInP下限制层的N型掺杂源为Si2H6；所述AlInP上限制层和AlxGa（1-x）InP晶格过渡层的掺杂源均为Cp2Mg，GaAs掺杂P型层的掺杂源为CBr4，P-GaP窗口层的P型掺杂源为Cp2Mg或CBr4。
3.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，所述H2的流量为8000－50000sccm；所述TMGa的纯度为99.9999%，所述TMGa的恒温槽的温度为（-5）~15℃；所述TMIn的纯度为99.9999%，所述TMIn的恒温槽的温度为15℃±5℃；所述TMAl的纯度为99.9999%，所述TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；所述AsH3的纯度为99.9999%；所述Si2H6的纯度为99.9999%；所述Cp2Mg的纯度为99.9999%，所述Cp2Mg的恒温槽的温度为0-25℃，所述CBr4的恒温槽的温度为0-10℃。
4.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述步骤2）的GaAs低温缓冲层厚度为100-1000nm，Si2H6的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；
所述步骤3）的循环对数为10-50对，AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3，AlAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。
5.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中AlInP下限制层的厚度为0.5-3um，Si2H6的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
所述步骤5）中多量子阱发光区的厚度为0.1-0.3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3。
6.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，所述步骤6）中AlInP上限制层的厚度为0.1-3um，Cp2Mg的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
所述步骤7）中的x为0.3-0.5，晶格过渡层的厚度为0.01-0.5um，Cp2Mg的掺杂浓度为5E18-1E19个原子/cm3。
7.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，所述步骤10）中GaAs掺杂P型层的厚度为0.01-1um，CBr4的掺杂浓度为5E19-5E20个原子/cm3。
8.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，步骤11）中GaAs本征层的厚度为0.01-1um。
9.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，步骤12）中GaAs掺杂N型层的厚度为0.01-1um，掺杂浓度为5E17-5E19个原子/cm3。
10.根据权利要求2所述的GaAs基多结黄绿光LED的制备方法，其特征在于，步骤14）中GaP窗口层的厚度为1-15um，掺杂浓度为5E18-1E20个原子/cm3。
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