CN206148463U - 一种高均匀性的红光led 外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高均匀性的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、AlGaAs缓冲层、GaAs缓冲层、AlGaAs/AlAs DBR、AlInP N限制层、AlGaInP N波导层、MQW量子阱有源层、AlGaInP P波导层、AlInP P限制层、GaP窗口层。本实用新型通过在生长GaAs缓冲层之前生长AlGaAs缓冲层，将表面氧化层通过AlGaAs缓冲层进行分解吸收，最大程度的减少了衬底表面氧化层对后续外延结构的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高均匀性的红光LED外延结构，属于发光二极管的技术领域。
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。
LED的发光效率和发光颜色取决于制作LED的材料和工艺，目前广泛使用的颜色有红、蓝、绿、白、黄。由于LED工作电压低(仅1.5～3V)，其亮度又能用电压(或电流)调节，并且具有耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)的特点，被认为是降能耗节电的最佳实现途径。资料显示，LED光源比白炽灯节电87％、比荧光灯节电50％，而寿命比白炽灯长20～30倍、比荧光灯长10倍。另外，LED光源还具有体积小、环保、节能、寿命长、响应快、安全、色彩丰富、可控等一系列独特优点。
1990年之前，半导体发光材料的研究重点是AlGaAs材料，而由于AlGaAs材料的特性，其发光波长最短只能到680nm左右，出于对更短波长光源的迫切需要，使得人们纷纷把注意力转向有更大带隙的AlGaInP材料上去。
最先使用AlGaInP材料的是T.Suzuki等人，他们在1982年时研制了AlGaInP双异质结构的激光器，他们发现Al0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P/Al0.5In0.5P双异质结构的光荧光强度是单层Ga0.5In0.5P的十倍。1991年，美国HP公司的Craford等人和日本东芝公司研制成功了AlGaInP发光二极管，并于1994年采用MOCVD技术在GaAs衬底上成功外延。其后Craford等人又开发了GaP透明衬底技术，将红色和黄色双异质结材料制成LED，其发光效率提高到20lm/W，这就使LED的发光效率超过了白炽灯的15lm/W，之后又提高到40lm/W，近几年由于采用多量子阱结构，红光LED发光效率能达到73.7lm/W。而采用截头锥体倒装结构技术，红光LED发光效率能达到102lm/W，外量子效率提高了5-7倍。
量子阱作为半导体发光二极管的核心，对LED亮度等参数影响显著。最早的发光二极管通常采用双异质结p-i-n结构，而后又发展产生了双异质结有源层和多量子阱有源层。多量子阱结构能增强对载流子的限制作用，减小载流子的泄露，另一方面，对于铝镓铟磷发光二极管还可以利用量子尺寸效应在不增加Al组分的情况下得到较低的发射波长，从而实现较高的辐射效率及较高的亮度，同时减小光谱峰半高宽，并提高器件的可靠性。多量子阱的结构设计，首先要考虑的是能够在尽量低的A1组分阱区材料下获得特定的波长。在量子阱中，电子沿生长方向的运动受到限制，而其在生长平面内的运动仍然自由，因此量子阱材料也被称为二维材料。红光LED的量子阱有源区通常都很薄，厚度仅几十到几百nm，对应的单一量子阱结构的势阱和势垒的厚度仅有十几nm，这对材料生长控制的各项工艺参数有很高的要求。
目前LED的材料生长主要依靠MOCVD完成，典型的MOCVD设备由气体、MO源输运系统和反应室，以及尾气处理和控制系统构成，气体、MO源输运系统的功能是向反应室输运各种经过浓度和流量控制的反应物，通常具有流量控制、压力控制等功能。反应室系统是MOCVD的核心部件，在反应室内，输运系统提供的反应物在高温下裂解，并在衬底材料的表面发生反应进行外延生长。反应完后的剩余气体和反应残余物，通过尾气系统排出。而控制系统对流量、压力、温度和时间精确的控制贯穿外延生长的全过程。随着反应的进行，各类不同的反应物在衬底表面外延出不同组分的材料，逐步实现实验或生产需要的整体外延层结构。
LED具有广泛的波长范围，也是未来发展清洁能源的有效手段之一，如何在现有手段提高单片产出率成为了现阶段工作的重点。目前的LED结构主要是在2寸或者4寸GaAs衬底上生长AlGaInP材料，来获得高亮度LED。虽然AlGaInP红光LED的研究已经取得很大的进展，一台MOCVD一炉可以实现3-60片的产量，但是受衬底表面氧化层和边缘外延材料沉积效率影响，以6.2mil管芯小于40mcd为例，目前LED外延片普遍在5％-15％，严重影响单片产出率，如何提高外延片边缘良率成为目前重点研究的方向。
中国专利CN104300058A公开了一种含掺杂宽势垒结构的黄绿光LED，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。本实用新型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。此实用新型主要利用掺杂宽势垒结构层来提高产品光效和芯片良率，但是没有提出解决外延生长过程中消除氧和碳的方式方法，对外延片边缘良率提高作用较小。
综上所述，由于红光LED生长环境对含氧化物极为敏感，氧含量过多会导致LED亮度和电压等各项光电参数达不到理想要求，无法满足更高生产标准。目前，在生产过程中由于衬底开封或者储存过程中与空气接触所导致GaAs衬底表层氧含量过高以及外延边缘沉积效应导致红光LED边缘小于40mcd部分变大，直接影响管芯产出良率。业内针对此种情况主要是通过在通入材料之前通过高温清洗进行，一般气体为H2和N2为主。气体清洗的好处是不另外新增结构，直接在生长前完成对衬底氧化层的处理。但是其弊端是无法消除表面氧化层对后续结构的影响，不能对边缘低亮部分(小于40mcd)进行有效的改善来提高管芯产出率。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种高均匀性的红光LED外延结构；
根据GaAs衬底表面高氧层，本实用新型红光LED外延结构加入AlGaAs缓冲层，消除GaAs衬底表面氧化层对外延生长质量的影响，减少外延过程中氧和碳对边缘亮度影响，降低外延片边缘沉积效应。以边缘小于40mcd芯粒为例，由原来占芯粒总量的7％以上降低至2％以内，极大提高了亮度均匀性和管芯成品良率。
术语解释
三五族比:在单位时间内同时进入外延反应室的三族元素摩尔量与五族元素摩尔量比值。
单片产出率:单片外延片产出大于40mcd管芯的占总管芯量的比例。
本实用新型的技术方案为：
一种高均匀性的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、AlGaAs缓冲层、GaAs缓冲层、AlGaAs/AlAs DBR、AlInP N限制层、AlGaInP N波导层、MQW量子阱有源层、AlGaInP P波导层、AlInP P限制层、GaP窗口层。
AlGaAs缓冲层用于消除GaAs衬底表面氧化层对外延生长质量的影响，提高外延生长质量；GaAs缓冲层用于和GaAs衬底实现完美的晶格匹配，避免GaAs衬底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；AlGaAs/AlAs 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MQW量子阱有源层射向GaAs衬底的光反射并从顶部射出，从而大大提高出光率，并且AlGaAs/AlAs DBR4与GaAs衬底匹配度较高，具有较高的反射率，对器件的电化学特性影响较小；AlInP N限制层及AlInP P限制层主要有两个作用，一个是限制少数载流子不溢出有源层，提高复合发光效率，通过禁带宽度来限制注入MQW量子阱有源层的电子空穴对，并将其限制，从而提高电子空穴复合对数，另一个是作为一个重要的窗口，使MQW量子阱有源层发出的光子极容易通过AlInP N限制层及AlInP P限制层，来提高LED的发光效率；AlGaInP波导层生长在有源层与限制层之间，主要是为了阻滞杂质扩散影响有源层的内量子效率，同时提高电子空穴复合几率，有效防止电子空穴一处有源层，降低发光效率；MQW量子阱有源层一方面是增加对载流子的约束，提高内量子效率，另一方面是AlGaInP P波导层的材料的量子尺寸效应使其在不改变Al组分的情况下，获得较短的波长，从而获得较高的出光效率和发光亮度；电流扩展层会具有较高的电导率，较宽的禁带宽度，相对较高的载流子浓度。
根据本实用新型优选的，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.1-0.8μm。
此处设计的优势在于，所述AlGaAs缓冲层的厚度配合载流子浓度实现GaAs衬底与GaAs缓冲层的电压过渡，并且完成去除衬底表层水氧的作用。
进一步优选，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.2-0.8μm。
最优选的，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.5μm。
根据本实用新型优选的，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm；所述AlGaAs/AlAs DBR为8-30对AlGaAs/AlAs DBR；每一个AlGaAs/AlAs DBR生长循环周期为一对AlGaAs/AlAs DBR，所述AlGaAs/AlAs DBR对数可根据生长要求亮度；所述AlInP N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MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm；所述AlGaInP P波导层的厚度为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。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型通过在生长GaAs缓冲层之前生长AlGaAs缓冲层，将表面氧化层通过AlGaAs缓冲层进行分解吸收，最大程度的减少了衬底表面氧化层对后续外延结构的影响，本实用新型所述红光LED外延结构使得外延片边缘良率提升5％-7％以上。
附图说明
图1为本实用新型一种高均匀性的红光LED外延结构的示意图；
1、GaAs衬底，2、AlGaAs缓冲层，3、GaAs缓冲层，4、AlGaAs/AlAs DBR，5、AlInP N限制层，6、AlGaInP N波导层，7、MQW量子阱有源层，8、AlGaIn P波导层，9、AlInP P限制层，10、GaP窗口层；
图2为现有的红光LED结构的晶圆图；
图3为实施例3所述红光LED结构的晶圆图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种高均匀性的红光LED外延结构，如图1所示，包括由下而上依次设置的GaAs衬底1、AlGaAs缓冲层2、GaAs缓冲层3、AlGaAs/AlAs DBR4、AlInP N限制层5、AlGaInP N波导层6、MQW量子阱有源层7、AlGaInP P波导层8、AlInP P限制层9、GaP窗口层10。
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；GaAs缓冲层3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；AlGaAs/AlAs DBR4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MQW量子阱有源层7射向GaAs衬底1的光反射并从顶部射出，从而大大提高出光率，并且AlGaAs/AlAsDBR4与GaAs衬底1匹配度较高，具有较高的反射率，对器件的电化学特性影响较小；AlInP N限制层5及AlInP P限制层9主要有两个作用，一个是限制少数载流子不溢出有源层，提高复合发光效率，通过禁带宽度来限制注入MQW量子阱有源层7的电子空穴对，并将其限制，从而提高电子空穴复合对数，另一个是作为一个重要的窗口，使MQW量子阱有源层7发出的光子极容易通过AlInP N限制层5及AlInP P限制层9，来提高LED的发光效率；AlGaInP波导层生长在有源层与限制层之间，主要是为了阻滞杂质扩散影响有源层的内量子效率，同时提高电子空穴复合几率，有效防止电子空穴一处有源层，降低发光效率；MQW量子阱有源层7一方面是增加对载流子的约束，提高内量子效率，另一方面是AlGaInP P波导层8的材料的量子尺寸效应使其在不改变Al组分的情况下，获得较短的波长，从而获得较高的出光效率和发光亮度；电流扩展层会具有较高的电导率，较宽的禁带宽度，相对较高的载流子浓度。
AlGaAs缓冲层2的厚度为0.1μm，GaAs衬底1厚度为250μm；GaAs缓冲层3的厚度为0.2μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括8对AlGaAs/AlAs DBR4；每一个AlGaAs/AlAs DBR4生长循环周期为一对AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4对数可根据生长要求亮度；AlInP N限制层5的厚度为0.5μm，AlGaInP N波导层6的厚度为0.15μm；MQW量子阱有源层7的厚度为0.05μm；AlGaInP P波导层8的厚度为0.15μm；AlInP P限制层9的厚度为0.5μm；GaP窗口层10的厚度为3μm。
实施例2
实施例1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其区别在于，
AlGaAs缓冲层2的厚度为0.8μm。GaAs衬底1厚度为375μm；GaAs缓冲层3的厚度为0.5μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括30对AlGaAs/AlAs DBR4；每一个AlGaAs/AlAs DBR4生长循环周期为一对AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4对数可根据生长要求亮度；AlInP N限制层5的厚度为1μm；AlGaInP N波导层6的厚度为0.5μm；MQW量子阱有源层7的厚度为0.5μm；AlGaInP P波导层8的厚度为0.5μm；AlInP P限制层9的厚度为1μm；GaP窗口层10的厚度为10μm。
实施例3
实施例1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其区别在于，
AlGaAs缓冲层2的厚度为0.5μm。GaAs衬底1厚度为310μm；GaAs缓冲层3的厚度为0.4μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括15对AlGaAs/AlAs DBR4，载流子浓度为6E17cm-3；每一个AlGaAs/AlAs DBR4生长循环周期为一对AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4对数可根据生长要求亮度；AlInP N限制层5的厚度为0.7μm；AlGaInP N波导层6的厚度为0.3μm；MQW量子阱有源层7的厚度为0.3μm；AlGaInP P波导层8的厚度为0.3μm；AlInP P限制层9的厚度为0.7μm；GaP窗口层10的厚度为7μm。
实施例3LED结构的晶圆图如图3所示；
对比例
现有的红光LED结构的晶圆图如图2所示，实施例3LED结构的晶圆图如图3所示，以40mcd边缘亮度比例作为对比标准，以6.2mil*6.2mil管芯(0.00025cm2)为例，2寸外延片面积为20.09cm2，即理论上产出为8100颗；现有的红光LED结构小于40mcd占比为7.8％的管芯数量约为6318颗；图3的红光LED结构低于40mcd占比为1.2％的管芯数量约为912颗；以2寸外延片计算，减少不良芯粒约为5406颗。单片产出提高约为5406颗，增加7％左右。
通过对大量管芯参数统计比较得出，在现有的红光LED结构生长的边缘低于40mcd占比保持在5％-10％左右，导致产品良率低成本增加，而在对外延结构进行优化后，外延片边缘效应明显降低，40mcd以下占比由原来的7％以上降低至目前的2％以内，产品良率提高5％-7％左右。
Claims (5)
1.一种高均匀性的红光LED外延结构，其特征在于，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、AlGaAs缓冲层、GaAs缓冲层、AlGaAs/AlAs DBR、AlInP N限制层、AlGaInP N波导层、MQW量子阱有源层、AlGaInP P波导层、AlInP P限制层、GaP窗口层。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其特征在于，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.1-0.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其特征在于，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.2-0.8μm。
4.根据权利要求1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其特征在于，所述AlGaAs缓冲层的厚度为0.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种高均匀性的红光LED外延结构，其特征在于，所述GaAs衬底厚度为250-375μm；所述GaAs缓冲层的厚度为0.2-0.5μm；所述AlInP N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MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm；所述AlGaInP P波导层的厚度为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。
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