本发明专利技术提供了一种AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法。采用金属有机物化学气相沉积在GaP衬底上外延生长AlGaInP四元系半导体发光二极管，采用特殊设计的GaxIn1-xP缓冲层来减小晶格失配对外延层的影响，优化设计生长各层的工艺参数，提高晶体质量和有源区的内量子效率，进而提高发光效率。采用此结构的外延层通过一次外延生长形成透明衬底结构发光二极管，避免了后续复杂的wafer-bonding芯片工艺。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体
，尤其涉及一种。
技术介绍
由于体积小、寿命长、驱动电压低等优点，发光二极管自1968年问世以来，早已成为日常生活中不可或缺的光电元件。发光二极管的应用相当广泛，大致可分为可见光和不可见光波段，目前可见光波段普遍应用生活中多种产品，如手机、PDA产品背光源、交通信号灯等。不可见光波段应用在无线通讯中，如遥控器、感测器、通讯用的光源等。在可见光长波的发光波段，II1-V族磷化物(AlxGag)a5Ina5P材料是一种很好的选择，有源区(AlxGa1Ja5Ina5P材料直接带隙的变化范围从1. 9eV(x = O)到2. 23eV(x =O. 543)，对应的发射波长从650nm到550nm，覆盖红光到黄绿光。在此光谱范围内已经基本取代了内量子效率很低的间接带隙材料GaP和GaAsP。AlGaInP独特的材料特性，非常适合发展高亮度发光二极管。关于发光效率的提升，改善方法很多。例如生长GaP材料作为窗口层，提高电流扩展能力，其材料有很大的带隙，对红光到黄绿光波段无吸收，而且通过表面粗化技术提高发光二极管的出光效率；生长带有布拉格反射镜结构的发光二极管，能有效的提升发光二极管的发光效率。DBR是由两种折射率不同的材料组成的周期性结构，每层厚度为1/4介质波长。它可以将有源区向下发射的光反射到器件出光面，避免被GaAs衬底吸收，从而提高发光效率。带DBR结构的LED的优势是器件基本结构一次外延形成，材料与衬底晶格匹配，反射率高，不影响器件的电学性能。M. R. Krames等人利用特殊的刀片工具，将AlGaInP LED制作成倒金字塔形状，这种结构可以使内部反射的光从侧面发出，光有效的被提取出来，这种芯片键合到透明基板上，可以实现50%以上的外量子效率。为了减少GaAs衬底对光的吸收，K. Steubel采用wafer-bonding工艺,将AlGaInP LED与GaP键合，在GaAs衬底生长出外延结构后，用选择性化学腐蚀的方法去除N型GaAs衬底，并将剩余晶片键合到GaP基板上。也 可以键合到其它基板，如硅、铜等。这种结构的特点是电流扩展性较好，无衬底吸收，芯片的出光效率较高，适合制作大功率器件。但此种工艺步骤较多，并且较复杂，在大规模生产中控制困难，影响器件的良品率。Shuqiang Li等人在蓝宝石衬底上外延生长了 AlGaInP发光二极管。采用设计的磷化镓缓冲层抑制蓝宝石与AlGaInP材料晶格失配和热失配的影响。但蓝宝石衬底与外延层晶体结构差异很大，很难避免外延层缺陷的产生，工艺较复杂，不适合大规模生产。
技术实现思路
本专利技术提出了一种新颖的外延结构，在GaP衬底上外延生长AlGaInP发光二极管外延片，通过一步外延生长的形式直接制成透明衬底结构外延片，避免wafer-bonding工艺的复杂性，具体结构见附图1。通过以下技术方案来实现AlGaInP四元系发光二极管外延片，其结构自下而上包括N型GaP衬底、N型GaP缓冲层、N型GaxIrvxP缓冲层、N型AlInP层、未掺杂多量子阱层、未掺杂AlInP阻挡层、P型AlInP层、P型GaInP层、P型GaP层和P型GaAs覆盖层，所述的N型GaxIrvxP缓冲层包括至少5层，各层厚度自下而上逐渐减小，各层固态镓的摩尔系数X自下而上逐渐减小，且O< X < I。本专利技术的一种优选方案为所述的N型GaxIrvxP缓冲层包括5_12层，最底层为120nm厚，各层厚度自下而上逐渐递减的幅度为10_20nm，各层固态镓的摩尔系数x自下而上递减幅度为O. 05-0.1。本专利技术的最优方案为所述的N型GaxIrvxP缓冲层包括5层，厚度自下而上依次为120nm、100nm、80nm、50nm、30nm，对应固态镓的摩尔系数 x 分别为 O. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5。所述的未掺杂多量子阱层材料为AlGaInP,阱垒厚度比为O. 7-0. 9，每个周期厚度为120-130 A，周期数为15-25。所述的未掺杂多量子阱的优选方案为阱垒厚度比为O. 85，每个周期厚度为125 A，周期数为20。一种AlGaInP四元系发光二极管外延片的生长方法，包括以下步骤I)在GaP衬底上生长N型GaP缓冲层，掺杂剂为SiH4,生长温度730-760度，生长速率为 4-6 A /s，厚度为 500nm，V/III 为 140-160。2)在N型GaP缓冲层上生长N型GaxIrvxP缓冲层，采用中断生长方法，掺杂剂为SiH4，生长温度70 0-710度，生长速率为3-5 A /s。3)在N型GaxIrvxP缓冲层上生长N型AlInP层，掺杂剂为SiH4，生长温度700-710度，生长速率3-5 A /s，厚度为400-600nm。4)在N型AlInP层上生长未掺杂多量子阱层，采用中断生长方法，生长温度700-710度，生长速率3-5 A /S。5)在未掺杂多量子阱层上生长未掺杂AlInP阻挡层，生长温度720-730度，生长速率 3-5 A /s，厚度为 500-1000 A06)在未掺杂Al InP阻挡层上生长P型Al InP层，掺杂剂为Cp2Mg,生长温度720-730度，生长速率3-5 A /s，厚度为700-1000nm。7)在P型AlInP层上生长P型GaInP过渡层，掺杂剂为Cp2Mg,生长温度720-730度，生长速率3-5 A /s，厚度为100-200A。8)在P型GaInP过渡层上生长P型GaP层，掺杂剂为Cp2Mg,生长温度760-770度，生长速率为20-30 A /s，厚度为8-10um。9)在P型GaP层上生长P型GaAs覆盖层，掺杂剂为Cp2Mg,生长温度760-770度，生长速率为4-6 A /s，厚度为30-50nm。10)在H2环境下退火，退火温度为650-700度，退火时间10_15min。本专利技术中采用GaxIrvxP缓冲层来减小晶格失配对外延层的影响，提高外延层的晶体质量。并优化了缓冲层生长工艺，包括生长速率、生长温度、V/III比等。GaxIrvxP属于II1-1I1-V型三元固溶体，当O < X < O. 74为直接带隙半导体，其晶格常数与组分的关系为&00 = 5. 8686-0. 4174x (又)，GaP的晶格常数为5. 45又。可以看出随着镓组分x的增力口，晶格常数逐渐变小，当X = I时，为GaP的晶格常数。若不考虑材料的热膨胀系数差异对应变的影响，在GaP衬底上外延生长GaxIrvxP吋，随着镓组分的減少，其失配度増大，并且均为压应变。根据临界厚度理论，随着应变的増加，临界厚度減少，可以适当的设计每层GaxIrvxP的厚度，防止发生弛豫，产生位错。本专利技术的优点在干通过ー步外延生长的形式直接制作出透明衬底结构外延片，避免现在生产中wafer-bondingエ艺的复杂性。和现在生产中吸收衬底结构外延片对比，两种结构外延片制作的芯片，透明衬底结构外延片制作的芯片光提取效率预计达到25-35%。附图说明图1 AlGaInP发光二极管外延片示意图；图2 —种5层GaxIrvxP缓冲层结构示意图；其中1—N型GaP衬底；2—N型GaP缓冲层；3—N 型 Gax本文档来自技高网...
【技术保护点】
AlGaInP四元系发光二极管外延片，其结构自下而上包括N型GaP衬底、N型GaP缓冲层、N型GaxIn1?xP缓冲层、N型AlInP层、未掺杂多量子阱层、未掺杂AlInP阻挡层、P型AlInP层、P型GaInP层、P型GaP层和P型GaAs覆盖层，其特征在于，所述的N型GaxIn1?xP缓冲层包括至少5层，各层厚度自下而上逐渐减小，各层固态镓的摩尔系数x自下而上逐渐减小，且0＜x＜1。
【技术特征摘要】
1.AlGaInP四元系发光二极管外延片，其结构自下而上包括N型GaP衬底、N型GaP缓冲层、N型GaxIrvxP缓冲层、N型AlInP层、未掺杂多量子阱层、未掺杂AlInP阻挡层、P型AlInP层、P型GaInP层、P型GaP层和P型GaAs覆盖层，其特征在于，所述的N型GaxIrvxP缓冲层包括至少5层，各层厚度自下而上逐渐减小，各层固态镓的摩尔系数X自下而上逐渐减小，且O < X < I。2.如权利要求1所述的AlGaInP四元系发光二极管外延片，其特征在于，所述的N型GaxIrvxP缓冲层包括5_12层，最底层为120nm厚，各层厚度自下而上逐渐递减的幅度为10-20nm，各层固态镓的摩尔系数x自下而上递减幅度为O. 05-0.1。3.如权利要求1所述的AlGaInP四元系发光二极管外延片，其特征在于，所述的N型6&!￡1111_!^缓冲层包括5层，厚度自下而上依次为12011111、10011111、8011111、5011111、3011111，对应固态镓的摩尔系数X分别为O. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5。4.如权利要求1、2或3所述的AlGaInP四元系发光二极管外延片，其特征在于，所述的未掺杂多量子阱层材料为AlGaInP,阱垒厚度比为O. 7-0. 9，每个周期厚度为120-130 A,周期数为15-25。5.如权利要求4所述的AlGaInP四元系发光二极管外延片，其特征在于，所述的未掺杂多量子阱的阱垒厚度比为O. 85，每个周期厚度为125 A，周期数为20。6.一种如权利要求1所述AlGaInP四元系发光二极管外延片的...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖志国，邢振远，李彤，武胜利，任朝花，
申请(专利权)人：大连美明外延片科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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