WO2014026528A1 - 超高亮度发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Definitions
- an ultra-high brightness light emitting diode comprising: a conductive substrate having two main surfaces; and a reflective layer formed on the first main surface of the conductive substrate; a p-GaP window layer formed on the reflective layer and having a thickness less than or equal to 2 um; a p-type confinement layer formed on the p-GaP window layer; and a light-emitting layer formed on the p-type confinement layer Above An n-type confinement layer is formed over the light-emitting layer; an n-electrode is formed over the n-type confinement layer; and a p-electrode is formed on the second main surface of the electrically conductive substrate.
- the following embodiment discloses an AlInGaP A quaternary light-emitting diode and a preparation method thereof, the structure comprising: a conductive substrate having positive and negative main surfaces; a reflective layer located on a front surface of the substrate; P-type GaP a window layer, located above the reflective layer, having a thickness less than or equal to 2 um for expanding current while avoiding scattering loss of light during conduction; a light emitting epitaxial layer located at the P-type GaP Above the window layer, the bottom-up is a p-type confinement layer, a light-emitting layer, and an n-type confinement layer.
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Abstract
一种超高亮度发光二极管及其制备方法，其解决了AlInGaP四元系LED结构中亮度与电性难以同时兼顾的问题。发光二极管，包括：导电基板（200），其具有两个主表面；反射层（210），形成于所述导电基板的第一主表面上；p-GaP窗口层（220），形成于所述反射层之上，其厚度小于或等2um；p型限制层（230），形成于所述p-GaP窗口层之上；发光层（240），形成于所述p型限制层之上；n型限制层（250），形成于所述发光层之上；n电极（260），形成于所述n型限制层之上；p电极（270），形成于所述导电基板的第二主表面上。
Description
本申请主张如下优先权：中国发明专利申请号 201210287977.7 ，题为 '
超高亮度发光二极管及其制备方法 ' ，于 2012 年 8 月 14日 提交。 上述申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
本发明涉及一种发光二极管及其制备方法，更具体地是一种 AlGaInP 四元系高亮度发光二极管及其制作方法。
近几年， AlGaInP 四元系高亮度发光二极（ light emitting diode, 简称 LED
）得到了广泛的应用，在各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。以（ AlxGa11-x ） 0.5 InP
材料作为有源区的 LED 具有较高的内量子效率。对于传统设计的 LED 来说，有很多因素限制它的外量子效率：内部的全反射、金属电极的阻挡、 GaAs
等半导体材料对光的吸收。这些 LED 生长在吸光衬底上，而最终有很大一部分光被衬底吸收。所以对于这种传统的 LED
结构而言，即使内部的光电转化效率很高，它的外量子效率也不会很高。当前有很多种方法来提高 LED
出光的提取效率，如加厚窗口层、表面粗化、透明衬底、倒金字塔结构等。
请参考附图 1 ，现有 AlInGaP 四元系 LED 结构中， GaP 外延层 120
为光逃脱窗口层，同时也作为电流扩散传导的电流扩散层，在金属镜面键合结构配合吸光式基板中，若 n 侧面为出光面，理论上 GaP 外延层 120
厚度越厚对光逃脱及电流传导帮助越大。但在实务上，光借由镜面反射的传导路径却是越短越好，避免光在传导过程中散射损失，但 GaP
外延层作为欧姆接触层，当其厚度较薄的情况下又会面临电性问题。
本发明提供了一种超高亮度发光二极管及其制备方法，其解决了上述 AlInGaP 四元系 LED
结构中亮度与电性难以同时兼顾的问题。
本发明解决前述问题的技术方案为：一种超高亮度发光二极管，包括：导电基板，其具有两个主表面；反射层，形成于所述导电基板的第一主表面上；
p-GaP 窗口层，形成于所述反射层之上，其厚度小于或等 2um ； p 型限制层，形成于所述 p-GaP 窗口层之上；发光层，形成于所述 p 型限制层之上；
n 型限制层，形成于所述发光层之上； n 电极，形成于所述 n 型限制层之上； p 电极，形成于所述导电基板的第二主表面上。
优选地，所述导电基板的材料可选用 Si 、 Ge 或 GaAs 等半导体材料，可也选用 Cu 、 Mo 、 W
、 CuW 等金属。所述发光二极管还包括 n 电极和 p 电极，其中 n 电极形成于所述 n 型限制层之上， p 电极形成于所述导电基板的背面；所述 p 型
GaP 窗口层为 C 元素掺杂以达到阻绝金属扩散效果，其掺杂浓度大于 1 × 1018cm-3 。
前述超高亮度发光二极管的制作方法，包括步骤：提供一生长衬底，在其上依次外延生长 n 型限制层、发光层和 p
型限制层，构成发光外延层；在发光外延层上沉积一 p 型 GaP 窗口层，其厚度小于或等于 2um ；在 p 型 GaP
窗口层上形成反射层；提供一基板，基板与反射层粘接；移除基板。
在上述制作方法中，还包括分别在 n 型限制层和基板背面上制作 n 、 p 电极。在本发明的优选实施例中，所述
p 型 GaP 窗口层为 C 元素掺杂，其掺杂浓度大于 1 × 1018cm-3 ，可通过在 p 型 GaP
窗口层外延生长过程通过输入含 C 元素的物质引入 C 杂质，也可以在高浓度 C 掺杂的生长环境下，低温外延生长，从而获得结构性高浓度 C 掺杂 GaP
窗口层。
本发明公开的超高亮度发光二极，使用金属镜面键合结构搭配吸光式基板，以 n 侧面为出光面， GaP
窗口层很薄（小于 2um ），减少光散射损失。采用本发明获得的发光二极管，光型较为集中，特别适合指向性光源应用。进一步地在 GaP 窗口层中加入高浓度的 C
掺杂，达到阻绝金属扩散效果，可解决高温熔合后漏电问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图 1 为传统 AlInGaP 四元系发光二极管的结构示意图，其窗口层的厚度大于 5um 。
图 2 为本发明所述的 AlInGaP 四元系发光二极管的结构示意图，其窗口层的厚度小于 2um 。
图中各标号表示：
100 ， 200 ：基板； 110 ， 210 ： P 型反射镜； 120 ， 220 ： P-GaN
窗口层； 130 ， 230 ： p 型限制层； 140 ， 240 ：发光层； 150 ， 250 ： n 型限制层； 160 ， 260 ： n 电极；
170 ， 270 ： p 电极。
下面将结合示意图对本发明的 LED
器件结构及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
以下实施例公开了一种 AlInGaP
四元系发光二极管及其制备方法，其结构包括：具有正、反两主表面的导电基板；反射层，位于所述基板的正表面之上； P 型 GaP
窗口层，位于所述反射层之上，其厚度小于或等于 2um ，用于扩展电流的同时避免光在传导过程中的散射损失；发光外延层，位于所述 P 型 GaP
窗口层之上，其至下而上为 p 型限制层、发光层、 n 型限制层。使用金属镜面键合结构搭配吸光式基板，以 n 侧面为出光面， GaP 窗口层很薄（小于 2um
），减少光散射损失。采用本发明获得的发光二极管，光型较为集中，适合指向性光源应用。
下面结合实施例和附图对本发明的具体实施方式做更详细的说明。
如图 2 所示，四元系发光二极管结构，包括：基板 200 ， p 型反射镜 210 ， p-GaP 窗口层
220 ， p 型限制层 230 ，发光层 240 ， n 型限制层 250 ， n 电极 260 和 p 电极。
基板 200 为吸光式导电基板，一般为高导电与高导热材料，可可选用 Si 、 Ge 或 GaAs
等半导体材料，可也选用 Cu 、 Mo 、 W 、 CuW 等金属。 P 型反射镜 210 位于基板 200 上，其可为金属反射层或 DBR
，如选用金属反射层，材料可为金 (Au) 、铝 (Al) 、银 (Ag) 、铬 (Cr) 或镍 (Ni) 。在基板 200 与反射镜 210
之间通常设置有金属接合层，材料可为铅锡合金 (PbSn) 、金锗合金 (AuGe) 、金铍合金 (AuBe) 、金锡合金 (AuSn) 、锡、铟 (In)
或钯铟合金 (PdIn) 等。 p-GaP 窗口层 220 位于 p 型反射镜 210 上。 p-GaP 窗口层 220 的厚度很薄，一般为 2um
以下，较佳的为 1um ，当厚度减薄以后，可以有效减少光散射损失，其发光器件的光型较为集中。在本发明的一个优选实施例中， p-GaP 窗口层 220 采用 C
元素掺杂，达到阻绝金属扩散效果，从而解决漏电问题。进一步地，为了保证欧姆接触， C 元素掺杂的掺杂浓度大于 1 ×
1018cm-3 。 P 型限制层 230 位于 p-GaP 窗口层 220 上方，材料可为 p 型
AlxGa1-xIn P 。发光层 240 位于 p 型限制层上，可为多重量子阱结构 (Multiple
Quantum Well ； MQW) 。 N 型限制层 250 位于发光层 240 上方，材料可为
AlxGa1-xIn P 。在 n 型限制层 250 可设置 n 型接触层，其材料可为 n 型砷化镓 (GaAs)
、 n 型磷化镓砷 (GaAsP) 、或 n 型磷化铝镓铟 (AlGaInP) 。 N 电极 260 位于 n 型限制层之上， p 电极 270 位于导电基板
200 的背面。
前述高亮度发光二极管可以通过下面方法制备获得。
制作发光二极管元件时，先提供生长衬底，接着可利用例如外延生长方式直接于生长衬底的表面上生长 N 型限制层
250 。在本发明的一实施例中，可选择性地于生长衬底的表面上先形成 N 型接触层，再于 N 型接触层 104 上外延生长 n
型限制层，以提升元件的电性品质。在本发明的另一实施例中，更可选择性地先于生长衬底的表面上沉积蚀刻终止层，再于蚀刻终止层上依序外延生长 n 型接触层 104 与
n 型限制层，以利后续生长衬底的移除工序的进行。接下来，利用外延生长方式于 n 型限制层 250 上生长发光层 240 ，其中发光层 240
可例如为多重量子阱结构 (Multiple Quantum Well ， MQW) 。再利用例如外延生长方式，于发光层 240 上生长 p 型限制层 230
。随后，在高浓度 C 掺杂的生长环境下，在 p 型限制层 230 上低温外延生长结构性高浓度 C 掺杂 GaP 窗口层 220 ，厚度为 1um
，其掺杂浓度大于 1 × 1018cm-3 。在本发明的一个优选实施例中，利用有机金属化学气相沉积 (Metal
Organic Chemical Vapor Deposition ； MOCVD) 方式形成 p-GaP 窗口层 220
。具体工艺如下：将有机镓源和磷源通入反应室，让其在 650 ～ 750
℃的高温下发生分解，在衬底片表面发生反应生成磷化镓材料，在磷化镓材料生成过程中通过输入含碳元素的物质引入碳杂质。含碳元素的物质可以采用 CCl
4 、 CBr 4 或含碳元素的金属有机源。
外延发光层长完毕后，在掺 C 的 P-GaP 窗口层 220 的表面上制作反射镜 210
。接下来，可利用接合层，将发光外延结构贴合至导电基板 200 上。进行导电基板 200 的粘结步骤时，可先将接合层涂布在发光外延结构的反射镜 210
上，再将导电基板 200 粘结在接合层上。在另一实施例中，进行导电基板 200 的粘结步骤时，也可先将接合层 122
涂布在导电基板的一表面上，再将接合层涂布在发光外延结构的反射镜 210 上，而完成导电基板 1
与发光外延结构的接合。接着，利用例如化学蚀刻法或研磨法移除生长衬底，暴露出 n 型限制层 250 。最后，分别在导电基板 200 的背面和 n 型限制层
250 制作 p 、 n 电极。
Claims (10)
- 超高亮度发光二极管，包括： 导电基板，其具有正、反两主表面； 反射层，位于所述基板的正表面之上； P型GaP窗口层，位于所述反射层之上，其厚度小于或等于2um，用于扩展电流的同时避免光在传导过程中的散射损失； 发光外延层，位于所述P型GaP窗口层之上，其至下而上为p型限制层、发光层、n型限制层。
- 根据权利要求2所述的超高亮度发光二极管，其特征在于，还包括：n电极，形成于所述n型限制层之上；p电极，形成于所述导电基板的背面。
- 根据权利要求1所述的超高亮度发光二极管，其特征在于：所述p型GaP窗口层为C元素掺杂。
- 根据权利要求3所述的超高亮度发光二极管，其特征在于：所述C元素掺杂的p型GaP窗口层达到阻绝金属扩散效果。
- 根据权利要求3所述的超高亮度发光二极管，其特征在于：所述p型GaP窗口层的C元素掺杂浓度大于1×1018cm-3。
- 超高亮度发光二极管的制备方法，包括步骤： 提供一生长衬底，在其上依次外延生长n型限制层、发光层和p型限制层，构成发光外延层； 在发光外延层上沉积一p型GaP窗口层，其厚度小于或等于2um，使得起到扩展电流作用的同时避免光在传导过程中的散射损失； 在p型GaP窗口层上形成反射层； 提供一导电基板，基板与反射层粘接； 移除所述生长衬底。
- 根据权利要求6所述的超高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：还包括分别在n型限制层和基板背面上制作n、p电极。
- 根据权利要求6所述的超高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：所述p型GaP窗口层为C元素掺杂，其掺杂浓度大于1×1018cm-3。
- 根据权利要求8所述的超高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：在p型GaP窗口层外延生长过程通过输入含C元素的物质引入C杂质。
- 根据权利要求8所述的超高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：在高浓度C掺杂的生长环境下，低温外延生长获得结构性高浓度C掺杂GaP窗口层。
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