CN1149685C - 一种用氧化锌作为高亮度发光二极管芯片窗口层的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子技术领域。本发明的主要内容利用金属有机化合物气相淀积法(MOCVD)外延生长二极管材料时，在上限制层生长结束后，继续用MOCVD外延生长工艺进行N型掺杂氧化锌薄膜的低温生长，取代磷化镓作为发光二极管窗口层，控制窗口层厚度为≤2μm。它解决了现有技术存在的工艺复杂，生长周期长，成本高的缺点。本发明具有生长工艺简单，生长周期短，成本低的优点。用氧化锌作为LED窗口层，可使窗口层在直流电流浸入时，具有更佳的电流扩展和透光效果。

Description

一种用氧化锌作为高亮度发光二极管芯片窗口层的生长方法
(一)技术领域
本发明涉及一种氧化锌(ZnO)作为高亮度发光二极管的生长方法，属光电子技术领域。
(二)背景技术
1992年，日本东芝公司首次研制出带有布拉格反射层和电流隔离层的高亮度AlGaInP绿色发光二极管(LED)，该发光二极管573nm时的外部量子效率为0.7％，发光强度为2坎德拉。在双异质结与衬底GaAs之间加布拉格反射层，可使射向衬底的光再反射回去，从而提高发光效率。
1994年，美国惠普公司又开发出带有磷化镓(GaP)透明衬底的AlGaInP发光二极管，这种发光二极管的发光效率在560～650nm波段超过当时其它结构的发光二极管。在20mA直流注入条件下，604nm的发光效率高达41.51m/W。该发光二极管芯片结构的独特之处在于将原来的GaAs衬底进行选择性腐蚀，并选用磷化镓透明衬底加以取代。然而电流扩展层仍采用气相淀积方法生长的50μm的磷化镓材料。
当今发光二极管技术的发展趋势是向高亮度、短波长、长寿命、低成本方面发展。发光二极管管芯结构设计的一个重要方面是减少管芯对辐射光子的再吸收，以及充分利用有源层辐射复合产生的光子。发光二极管窗口层结构设计是直接影响其发光效率的一个重要部分，发光二极管由于采用了量子阱结构，布拉格结构，阻挡层以及势垒层等新型结构设计，其光电性能已大幅度提高，然而至今仍保留了厚窗口层结构。因此，现有技术仍存在着生长工艺复杂、周期长、成本高、生产效率低等缺点。
(三)发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术的不足，降低发光二极管芯片窗口层的厚度，而提出了一种用氧化锌作为高亮度发光二极管芯片窗口层的生长方法。本发明的主要内容是按下列步骤进行的：
(1)在结束上限制层生长后，将样品放入ZnO专用MOCVD设备中，控制生长温度为350～370℃，反应源二乙基锌的流量为12～25ml/min，或二甲基锌流量为1～5ml/min，反应源四氢呋喃流量为100ml/min，N型掺杂源三甲基铝流量为3～15ml/min，将反应源二乙基锌或二甲基锌和四氢呋喃，以及掺杂源三甲基铝由放空线转入生长线生长40～60分钟N型掺杂氧化锌(ZnO)材料作为窗口层，而后
(2)将反应源二乙基锌或二甲基锌和四氢呋喃以及掺杂源三甲基铝由生长线转入放空线，同时将生长温度降至20℃，二乙基锌的流量降至2ml/min，或二甲基锌的流量调至0～1ml/min，反应源四氢呋喃流量降至50ml/min，N型掺杂源三甲基铝的流量降至0ml/min，至此，氧化锌窗口层的生长结束，氧化锌窗口层的厚度≤2μm。
利用双光束分光光度计对ZnO薄膜，在可见光波段的光透过率进行测试，结果ZnO薄膜在可见光波段的光透过率超过80％，根据对样片伏安特性测量，可知ZnO窗口层与下限制层之间由于遂穿效应的产生而形成正向导通。可见，采用1～2μm厚的ZnO材料替代GaP，可使窗口层在直流电流注入时，具有更佳的电流扩展和透光效果。利用范德堡(Vander Pauw)方法测量ZnO薄膜的电子性质，其薄膜电阻率为10-3Ω/cm数量级，表明导电性能良好，其载流子浓度1019～1020/cm-3。
本发明具有生长工艺简单、生长周期短、成本低、生产率高等优点。
(四)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
在结束上限制层生长后，将样品放入ZnO专用MOCVD设备中，按以下步骤进行ZnO窗口层的生长：
控制生长温度为350℃，反应源二乙基锌(DEZ)流量为12ml/min，反应源四氢呋喃(THF)流量为100ml/min，N型掺杂源三甲基铝(TMA)流量为5ml/min，将反应源DEZ和THF，以及掺杂源TMA由放空线(VENT)转入生长线(RUN)生长40分钟N型掺杂ZnO材料作为窗口层；结束生长时，立即将反应源DEZ和THF，以及掺杂源TMA由RUN线转入VENT线，同时将生长温度由350℃调至20℃，DEZ流量调至2ml/min，THF流量调至50ml/min，三甲基铝(TMA)流量为0ml/min，至此ZnO窗口层外延生长结束，窗口层厚度≤2μm。
实施例2：
在结束上限制层生长后，将样品放入ZnO专用MOCVD设备中，按以下步骤进行ZnO窗口层的生长：
控制生长温度为370℃，反应源DEZ流量为25ml/min，反应源THF流量为100ml/min，N型掺杂源TMA流量为3ml/min，将反应源DEZ和THF，以及掺杂源TMA由放空线(VENT)转入生长线(RUN)生长60分钟N型掺杂ZnO材料作为窗口层；结束生长时，立即将反应源DEZ和THF，以及掺杂源TMA由RUN线转入VENT线，同时将生长温度由370℃调至20℃，DEZ流量调至2ml/min，THF流量调至50ml/min，TMA流量为0ml/min，至此ZnO窗口层外延生长结束，窗口层厚度≤2μm。

Claims (1)

1.一种用氧化锌作为高亮度发光二极管芯片窗口层的生长方法，其布拉格反射层、下限制层、有源层、上限制层均按已有工艺由计算机控制生长，其特征是在结束上限制层生长后，将样品放入ZnO专用MOCVD设备中，按以下步骤进行氧化锌窗口层的生长：
(1)控制生长温度为350～370℃，反应源二乙基锌的流量为12～25ml/min，或二甲基锌流量为1～5ml/min，反应源四氢呋喃流量为100ml/min，N型掺杂源三甲基铝流量为3～5ml/min，将反应源二乙基锌或二甲基锌和四氢呋喃，以及掺杂源三甲基铝由放空线转入生长线生长40～60分钟N型掺杂ZnO材料作为窗口层，而后
(2)将反应源二乙基锌或二甲基锌和四氢呋喃以及掺杂源三甲基铝由生长线转入放空线，同时将生长温度降至20℃，二乙基锌的流量降至2ml/min，或二甲基锌的流量调至0～1ml/min，反应源四氢呋喃流量降至50ml/min，N型掺杂源三甲基铝的流量降至0ml/min，至此，氧化锌窗口层生长结束，氧化锌窗口层的厚度≤2μm。
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