一種黃光倒裝LED外延結構的製作方法

2024-04-01 15:46:05

本實用新型涉及一種黃光倒裝LED(發光二極體)的外延結構，屬於發光二極體的技術領域。

背景技術：

AlGaInP材料體系由日本研究人員在二十世紀八十年代中期首先提出，最初是被用來製造可見光的雷射二極體(LD)，有源區均使用與GaAs襯底匹配的Ga0.5In0.5P材料,其對應的發光波長為650nm左右。研究發現在GaInP中引入Al組分可以進一步縮短發光波長，當Al含量超過0.53時AlGaInP將變為間接帶隙半導體，器件的發光效率急劇下降，因此AlGaInP材料一般只用來製備發光波長570nm以上的LED器件。經過二十一世紀前後的發展，AlGaInP四元組分的LED器件設計與最初的相比發生了顯著的變化，器件設計多種多樣，並逐步成為信號指示、室內外照明的主力。

目前可見光區域的高亮LED主要使用AlGaInP材料體系，包括黃綠光LED、橙紅光LED、紅光LED及長波長紅光LED等，波長範圍(570，650)nm。其產品廣泛應用於室內外大屏幕顯示、交通信號燈、汽車尾燈、RGB高品質背光源等。

1994年採用MOCVD技術在GaAs襯底上成功外延。其後Craford等人又開發了GaP透明襯底技術，將紅色和黃色雙異質結材料製成LED，其發光效率提高到20lm/W，這就使LED的發光效率超過了白熾燈的15lm/W，之後又提高到40lm/W，近幾年由於採用多量子阱結構，紅光LED發光效率能達到73.7lm/W。

由於Ga0.5In0.5P與GaAs晶格匹配程度較高，而Al原子與Ga原子的半徑非常接近，因此(AlxGa1-x)0.5In0.5P可以在GaAs襯底表面外延生長。對於我們的目標波長，AlGaInP材料體系在各方面均能滿足需求。與GaAs襯底匹配的AlGalnP材料系，通過外延生長調節Al組分的變化，可以實現從1.9eV至2.3eV的直接帶隙，對應的發光二極體波長為560nm到650nm，從而實現紅、橙、黃、綠色的多光色發光二極體。

量子阱作為半導體發光二極體的核心，對LED亮度等參數影響顯著。最早的發光二極體通常採用雙異質結p-i-n結構，而後又發展產生了雙異質結有源層和多量子阱有源層。多量子阱結構能增強對載流子的限制作用，減小載流子的洩露，另一方面，對於鋁鎵銦磷發光二極體還可以利用量子尺寸效應在不增加Al組分的情況下得到較低的發射波長，從而實現較高的輻射效率及較高的亮度，同時減小光譜峰半高寬，並提高器件的可靠性。多量子阱的結構設計，首先要考慮的是能夠在儘量低的A1組分阱區材料下獲得特定的波長。在量子阱中，電子沿生長方向的運動受到限制，而其在生長平面內的運動仍然自由，因此量子阱材料也被稱為二維材料。紅黃光LED的量子阱有源區通常都很薄，厚度僅幾十到幾百nm，對應的單一量子阱結構的勢阱和勢壘的厚度僅有十幾nm，這對材料生長控制的各項工藝參數有很高的要求。

AlGaInP/AlGaInP多量子阱結構是比較常見的QW生長方式是利用不同的Al、Ga組分形 成帶隙差異，其中壘為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P非摻層，在MQW兩側有厚度相同的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P非摻層作為空間電荷區。有源區(AlxGa1-x)0.5In0.5P的直接帶隙變化範圍從1.9eV(x＝0)到2.23eV(x＝0.543)，對應的發光波長從650nm到550nm。而其最佳範圍為有源層(AlxGa1-x)0.5In0.5P的x值在0.2到0.43之間，對應的發光波長在橘紅到綠光。改變有源區的Al含量，發射波長可以在554-650nm之間調節。對應590nm的黃光LED，在阱中通入的Al流量，組份的細微波動都會引起發光波長偏離預期，因此(AlxGa1-x)yIn1-yP材料中x與y值的優化與確定非常重要。

在生長(AlxGa1-x)yIn1-yP作為MQW材料時，如果y值不是0.5，則材料與GaAs襯底不匹配，此時會產生內部應力，隨著組份的不同表現出張應力或壓應力，其摩爾量與匹配值之差所佔百分比稱為應變量。當y小於0.5時，Al和Ga的量不足，由於AlP和GaP的晶格常數比InP的晶格常數小，此時生長的材料會受到內部壓應力的影響，對應的應變稱為壓應變；當y大於0.5時，則為張應力，對應的應變稱為張應變。普通LED的有源區通常都很薄，但是黃光LED的能帶由於Al組分的比例較高，帶隙由直接帶隙逐步轉變成間接帶隙，內量子效率大幅下降，致使黃光波段LED產品亮度普遍較低。

中國專利文獻CN2016101795683公開的一種砷化鎵基底低亮度黃光發光二極體晶片及其製作方法。其技術特點為：在GaAs緩衝層與n型載流子限制層之間設有減反射層，同時在兩層p型載流子限制層之間設有p型反射吸收層。使用金屬有機化合物氣相沉積設備(MOCVD)將GaAs基片製備成具有低亮度黃光LED外延結構的低亮度黃光LED外延片，再將這種外延片經過晶片工藝加工成獨立的LED晶片。其主要目的是不改變LED晶片外觀尺寸的前提下，降低四元系黃光LED法向光強。但是此種方法不適合在黃光倒裝LED結構中使用，其產品應用範圍無法滿足目前大規模LED亮化及高端大屏幕使用。

綜上所述，由於黃光LED的能帶Al組分的比例較高，帶隙由直接帶隙逐步轉變成間接帶隙，內量子效率大幅下降，致使黃光波段LED產品亮度普遍較低。因此通過優化改善黃光應變量子阱有源層，增加空穴在有源層俘獲和電子空穴複合，提高內量子效率。同時通過優化GaP的表面摻雜，實現梯度摻雜濃度，進一步提高外量子效率。

技術實現要素：

針對現有黃光波段LED存在的亮度較低的不足，本實用新型提供一種具有較高內量子效率、亮度高的黃光倒裝LED外延結構。

本實用新型的黃光倒裝LED外延結構，採用以下技術方案：

該黃光倒裝LED外延結構，包括由下而上依次設置的襯底、緩衝層、腐蝕阻擋層、歐姆接觸層、粗化層、N限制層、N波導層、量子阱有源層、P波導層、P限制層和窗口層，量子阱有源層的應變量為10％-35％，GaP窗口層之上依次設置第一梯度高摻層、第二梯度高摻層和第三梯度高摻層。

上述結構中，緩衝層與襯底實現完美的晶格匹配，避免襯底表面與新生長材料帶來的缺陷與位錯，並為下一步生長提供了新鮮的界面；腐蝕阻擋層既能用於能帶的過渡又能在後續管芯工藝中起到腐蝕阻擋的作用，為後續粗化做準備；歐姆接觸層在倒裝LED中製作N面電極，起到電流擴展的作用；表面粗化層，因為倒裝LED為N面出光，粗化層在後續工藝做表面粗化， 提高光輸出效率，增加外量子效率；限制層主要有兩個作用，一個是限制少數載流子不溢出有源層，提高複合發光效率，通過禁帶寬度來限制注入有源區的電子空穴對，並將其限制，從而提高電子空穴複合對數，另一個是作為一個重要的窗口，使有源層發出的光子極容易通過限制層，來提高LED的發光效率；波導層生長在有源層與限制層之間，主要是為了阻滯雜質擴散影響有源層的內量子效率，同時提高電子空穴複合機率，有效防止電子空穴一處有源層，降低發光效率；大應變量子阱有源層一方面是增加對載流子的約束，提高內量子效率，另一方面是波導層的材料的量子尺寸效應使其在不改變Al組分的情況下，獲得較短的波長，從而獲得較高的出光效率和發光亮度；電流擴展層會具有較高的電導率，較寬的禁帶寬度，相對較高的載流子濃度。

本實用新型在黃光倒裝LED中創造性的運用GaP梯度高摻層，第一二三梯度高摻層通過控制溫度梯度降溫，實現摻雜逐級提高，得到更高的載流子濃度,提高外量子效率。

所述襯底厚度為250-375μm；所述緩衝層的厚度為0.2-0.5μm；所述腐蝕阻擋層的厚度為0.1-0.8μm；所述歐姆接觸層的厚度為0.02-0.1μm；所述粗化層厚度為1-3.5μm；所述限制層的厚度為0.5-1μm；所述N波導層的厚度為0.15-0.5μm。

所述量子阱有源層的厚度為0.05-0.8μm。所述波導層的厚度為0.15-0.5μm。所述限制層的厚度為0.5-1μm。所述窗口層的厚度為2-10μm。所述第一梯度高摻層厚度為0.01-0.05μm。所述第二梯度高摻層厚度為0.01-0.05μm。所述第三梯度高摻層，厚度為0.01-0.05μm。

本實用新型通過使用大應變多量子阱有源層，增加空穴在有源層俘獲，有效提高電子空穴複合,得到較高的內量子效率。同時在GaP歐姆接觸層之上，通過控制溫度實現三步梯度降溫，得到第一二三高摻層,增加有效的外量子效率，實現26*26mil晶片19000mcd以上，進一步拓展了高亮度黃光LED的應用範圍。

附圖說明

圖1為本實用新型黃光倒裝LED外延結構的示意圖。

圖中：1、襯底，2、緩衝層，3、腐蝕阻擋層，4、歐姆接觸層，5、粗化層，6、N限制層，7、N波導層，8、大應變量子阱有源層，9、P波導層，10、P限制層，11、窗口層，12、第一梯度高摻層，13、第二梯度高摻層，14、第三梯度高摻層。

具體實施方式

如圖1所示。本實用新型的黃光倒裝LED外延結構，包括由下而上依次設置的GaAs襯底1、GaAs緩衝層2、GaInP腐蝕阻擋層3、GaAs歐姆接觸層4、AlGaInP粗化層5、AlInP限制層6、AlGaInP N波導層7、大應變量子阱有源層8、AlGaInP P波導層9、AlInP P限制層10、GaP窗口層11、第一梯度高摻層12、第二梯度高摻層13和第三梯度高摻層14。第一梯度高摻層12、第二梯度高摻層13和第三梯度高摻層的材料均為GaP。

GaAs襯底1厚度為250-375μm。GaAs緩衝層2的厚度為0.2-0.5μm，載流子濃度為1E17cm-3～5E18cm-3。GaInP腐蝕阻擋層3的厚度為0.1-0.8μm，載流子濃度為1E17cm-3～5E18cm-3。GaAs歐姆接觸層4的厚度為0.02-0.1μm，載流子濃度為1E17cm-3～5E18cm-3。AlxGa1-xInP表面粗化層5的厚度為1-3.5μm，載流子濃度為1E17cm-3～5E18cm-3,其中x為0.1-0.8。AlInP N限制層6的厚度為0.5-1μm，載流子濃度為5E17cm-3～5E18cm-3。AlGaInP N 波導層7的厚度為0.15-0.5μm，不摻雜。AlyGa1-yInP量子阱有源層8的厚度為0.05-0.8μm，不摻雜，其中Y為0.01-0.5，應變量為10％-35％。AlGaInP P波導層9的厚度為0.15-0.5μm，不摻雜。AlInP P限制層10的厚度為0.5-1μm，載流子濃度為1E18cm-3～5E18cm-3。GaP窗口層11的厚度為2-10μm，載流子濃度1E19cm-3～1E20cm-3。第一梯度高摻層12的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為1E19cm-3～5E19cm-3。第二梯度高摻層13的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為1E19cm-3～1E20cm-3。第三梯度高摻層14的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為5E19cm-3～5E20cm-3。

上述黃光倒裝LED外延結構的製備方法，利用金屬有機化學氣相沉積法。