一种易于粗化的红光LED芯片结构及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种易于粗化的红光LED芯片结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP N限制层，AlGaInP N波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInPP波导层，AlInP P限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层。根据GaAs的化学性质，通过控制原材料，用三种不同的方式，覆盖一层易于腐蚀的GaAs外延结构，在既不破坏外延片基本结构，不影响内外量子效率的基础上，对后期管芯工艺减轻工作难度，比起普通的管芯粗化工艺来说，节省了一半左右的成本，并减少了高强度腐蚀对产品的影响，通过对外延生长GaP表面的生长处理，光效提高30%以上。

【技术实现步骤摘要】
一种易于粗化的红光LED芯片结构及制备方法
本专利技术涉及一种易于粗化的红光LED芯片结构及制备方法，属于发光二极管的

技术介绍
光是人类文明活动的源动力。自古以来太阳以光的形式抚育大地，地球上可以采集的能源中有99.98%是来源于太阳光。在人类文明的发展过程中，对光的追求经历了从太阳光到火光源，又从火光源到电光源的巨大转变。一八七九年十月十九日爱迪生制成世界上第一只白炽灯，标志着人类进入了电光源时代。一百多年来，又先后诞生了气体放电荧光灯和高压气体放电灯。最近三十年，电光源产品又跨出了三大步：六十年代，高压汞灯、卤钨灯和长弧汞灯得到突破，被称为第二代电光源；七十年代，第三代电光源高压钠灯低压钠灯、金属卤化物灯以及高频放电灯出现，其中高压钠灯是高强度气体放电灯的一种，其光效是自炽灯的7倍。在各种照明领域广泛使用。如今据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。半导体PN结发光现象的发现，导致了发光LED的产生与发展。LED的发展其实可追溯到上世纪二十年代，法国科学O.W.Lossow在研究SiC检波器时，首先观察到了这种发光现象。由于当时在材料制备、器件工艺技术上的限制，这一重要发现没有被迅速利用。直至20世纪60年代初，随着Ⅲ-Ⅴ族材料与器件工艺的进步，人们终于研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二极管，并被GE公司大量生产用作仪器表指示。此后由于GaAs、GaP等材料研究与器件工艺的进一步发展，除深红色的LED外，包括橙、黄、黄绿等各种色光的LED器件也大量涌现于市场。出于多种原因，GaP、GaAsP等LED器件的发光效率很低，光强通常在10mcd以下，只能用作室内显示之用。跟随着半导体材料及器件工艺的进步，特别是MOCVD等外延工艺的日益成熟，至上世纪九十年代初，日本日亚化学公司（Nichia）与美国的克雷（Cree）公司通过MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上成功生长了具有器件结构的GaN基LED外延片，并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光LED器件。超高亮LED的第二个特征是发光波长的扩展，InGaAlP器件的出现使发光波段向短波扩展到570nm的黄绿光区域，而GaN基器件更使发光长短扩至绿、蓝、紫波段，并逐步向宽波段的光色扩展。LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途以及不可替代的优势：一、体积小，LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻；二、耗电量低，LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A，这就是说，它消耗的电能不超过0.1W；三、使用寿命长，LED光源固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上；四、高亮度、低热量，LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多；五、环保，环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用；六、坚固耐用，LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的；七、高节能：节能能源无污染即为环保，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上；八、多变幻，LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。虽然LED具有以上这么多的优点，并在技术的发展带动下，越来越受到人们的青睐，但是，受现有技术的影响，LED还有不可忽视的缺点存在。首先，对其制约最大的就是成本问题，任何新兴事物在发展的最初阶段都会因为价格的昂贵而受到制约，高昂的成本也决定了其在市场上的高端地位，而使人们望而却步；其次，受现有技术的影响，内外量子效率不高也成为制约发光亮度的一个重要因素。但是这些因素在任何事物的发展初期都会出现，随着技术的成熟，这些问题都会迎刃而解。LED具有如此广泛的波长范围，又有如此强大的优势，如何在现有的结构不断成熟的基础上不断的提高LED的发光效率成为了现阶段工作的重点。现有的LED结构主要是在GaAs衬底上生长AlGaInP材料，来获得高效量子效率，来获得高亮度LED。尽管AlGaInP红光LED的研究已经取得很大的进展，内量子效率已经可以达到90%以上，但是还有许多问题有待进一步研究探索。以GaP为出光窗口层的的AlGaInP红光LED由于受到自身材料特性的限制，空气和GaP的折射率差异导致界面对光线的全反射作用使很多的光线无法全部逸出器件，又由于器件的P电极是不透明的金属电极，会将射向电极的光反射回LED内部。而反射回内部的光被重新热吸收掉又会引起器件温度上升导致内量子效率降低等等问题。所以器件的电流扩展和P电极分布对器件的发光又起着关键作用。由于目前的LED结构已经逐渐完善，也就导致了现有的LED内量子效率在逐步提高的基础上已经很难再做出很大的改进，主要的工作重心就是在管芯工艺的基础上不断优化，并主要利用后期的粗化工艺对亮度进行进一步的提升。目前应用较广的粗化方法主要是利用电化学的方法对表面的GaP层进行腐蚀，来扩大表面的面积，从而提高亮度。中国专利CN101656284公开了一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法。该方法包括以下步骤：(1)按常规利用MOCVD的方法在GaAs衬底上依次外延生长N型接触层、多量子阱有源区和P型接触层；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的ITO薄膜；(3)将覆盖有ITO的外延片浸入浓盐酸中1分钟，腐蚀掉部分ITO，残留的为颗粒状的ITO；(4)用残留的ITO颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残留的ITO。采用此方法可比普通制作方法提高发光效率30%以上，但是此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本方面较常规LED工艺明显提高。此外，也没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏，并且此方法需要使用浓盐酸，由于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操作人员造成一定损害，并且对技术操作人员有一定的要求。中国专利CN101656285，名称：利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法。包括以下步骤：(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球与P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种易于粗化的红光LED芯片结构，其特征在于，该芯片结构包括由下而上依次设置的GaAs衬底、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窗口层和GaAsP/GaAs粗化层。

【技术特征摘要】
1.一种易于粗化的红光LED芯片结构，其特征在于，该芯片结构包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAsDBR，AlInPN限制层，AlGaInPN波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInPP波导层，AlInPP限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层；所述GaAsP/GaAs粗化层包括过渡生长的GaAsP层和GaAs层，其中GaAsP层的厚度为0.5-1μm，GaAs层的厚度为0.2-1μm。2.根据权利要求1所述的易于粗化的红光LED芯片结构，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，载流子浓度为1E18cm-3～5E18cm-3；所述AlGaAs/AlAsDBR为8-30对AlGaAs/AlAsDBR，载流子浓度为1E18cm-3～5E18cm-3；所述AlInPN限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5E17cm-3～8E17cm-3；所述AlGaInPN波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述MQW量子阱有源层的厚度为0.05-0.5μm，不掺杂；所述AlGaInPP波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；所述AlInPP限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1E18cm-3～5E18cm-3；GaP窗口层的厚度为3-10μm，载流子浓度1E19cm-3～5E19cm-3；GaAsP/GaAs粗化层的厚度总共为0.7-2μm，载流子浓度1E19cm-3～5E19cm-3。3.一种如权利要求1所述的易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，其特征在于，该方法包括制备易于粗化的红光LED外延结构，包括由下而上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAsDBR，AlInPN限制层，AlGaInPN波导层，MQW量子阱有源层，AlGaInPP波导层，AlInPP限制层，GaP窗口层和GaAsP/GaAs粗化层；如上述易于粗化的红光LED芯片结构的制备方法，包括如下步骤：1)将GaAs衬底放入反应室，在300-800℃的温度范围内生长一层0.2-0.5μm厚的GaAs缓冲层，载流子浓度为1E18cm-3～5E18cm-3；2)在GaAs缓冲层上面于650-800℃的温度下生长AlGaAs/AlAsDBR：调整生长厚度生长反射630nm光谱的8-30对AlGaAs/AlAsDBR；其载流子浓度为1E18cm-3～5E18cm-3；3)在650-800℃的温度范围内，继续生长一层0.5-1μm厚的AlInP材料作为AlInPN限制层，载流子浓度5E17cm-3～8E17cm-3；4)继续在AlInPN限制层上生长，在650-800℃范围内，生长一层AlGaInPN波导层，厚度在0.15-0.5μm，不掺杂；5)在650-800℃的温度条件下，生长一层MQW量子阱有源层，材料是AlGaInP，厚度在0.05-0.5μm，不掺杂；6)在650-800℃的条件下，在MQW量子阱有源层上面继续生长AlGaInPP波导层，厚度为0.15-0...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新，李强，吴德华，于军，
申请(专利权)人：山东华光光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37