CN103050593A - AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种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Ga_xIn_1-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。

Description

AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法。 

背景技术

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，III-V族磷化物(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P材料是一种很好的选择，有源区(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P材料直接带隙的变化范围从1.9eV(x＝0)到2.23eV(x＝0.543)，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。 

发明内容

本发明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Ga_xIn_1-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，所述的N型Ga_xIn_1-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。 

本发明的一种优选方案为所述的N型Ga_xIn_1-xP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0.05-0.1。 

本发明的最优方案为所述的N型Ga_xIn_1-xP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0.9、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0.7-0.9，每个周期厚度为 

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0.85，每个周期厚度为 

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： 

1)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 

厚度为500nm，V/III为140-160。 

2)在N型GaP缓冲层上生长N型Ga_xIn_1-xP缓冲层，采用中断生长方法，掺杂剂为SiH₄，生长温度700-710度，生长速率为 

3)在N型Ga_xIn_1-xP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 

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 

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 

厚度为 

6)在未掺杂AlInP阻挡层上生长P型AlInP层，掺杂剂为Cp₂Mg，生长温度720-730度，生长速率 

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 

厚度为 

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 

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 

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。 

本发明中采用Ga_xIn_1-xP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。Ga_xIn_1-xP属于III-III-V型三元固溶体，当0＜x＜0.74为直接带隙半导体，其晶格常数与组分的关系为a(x)＝5.8686-0.4174x GaP的晶格常数为 

可以看出随着镓组分x的增加，晶格常数逐渐变小，当x＝1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Ga_xIn_1-xP时，随着镓组分的减少，其失配度增大，并且均为压应变。根据临界厚度理论，随着应变的增加，临界厚度减少，可以适当的设计每层Ga_xIn_1-xP的厚度，防止发生弛豫，产生位错。 

本发明的优点在于：通过一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工艺的复杂性。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 一种5层Ga_xIn_1-xP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Ga_xIn_1-xP缓冲层；      4--N型AlInP层； 

5--未掺杂多量子阱层；        6--未掺杂AlInP阻挡层； 

7--P型AlInP层；              8--P型GaInP层； 

9--P型GaP层；                10--P型GaAs覆盖层； 

31--Ga_0.9In_0.1P缓冲层；      32--Ga_0.8In_0.2P缓冲层； 

33--Ga_0.7In_0.3P缓冲层；      34--Ga_0.6In_0.4P缓冲层； 

35--Ga_0.5In_0.5P缓冲层。 

具体实施方式

实施例1 

参照附图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Ga_xIn_1-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，其中N型Ga_xIn_1-xP缓冲层分为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0.9、0.8、0.7、0.6、0.5。 

其中未掺杂多量子阱层材料为AlGaInP，阱垒厚度比为0.7，每个周期厚度为 

周期数为15。 

该外延片采用MOCVD法生长，步骤如下： 

1)在GaP衬底上生长N型GaP缓冲层，掺杂剂为SiH₄，生长温度730度，生长速率为 

厚度为500nm，V/III为140。 

高晶体质量GaP缓冲层是生长其它外延层的基础，若GaP缓冲层晶体质量差，会影响外延层的晶体质量。较高的生长温度利于PH₃的分解，有助于生长高晶体质量的GaP缓冲层。PH₃的流量为800sccm，TMGa的流量40sccm。 

2)在N型GaP缓冲层上生长N型Ga_xIn_1-xP缓冲层，掺杂剂为SiH₄，生长温度700度，生长速率为 

缓冲层共生长5层，每层厚度分别为120nm、100nm、80nm、50nm、30nm，对 应固态镓的摩尔系数x分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5。PH₃的流量为750sccm，TMGa的流量分别为110sccm、87sccm、56sccm、35sccm、20sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。为了精确控制每层厚度及组分并生长陡峭的界面，生长时TMGa_1和TMGa_2交替切换，并采用中断生长模式。 

3)在N型Ga_xIn_1-xP缓冲层上生长N型AlInP层，掺杂剂为SiH₄，生长温度700度，生长速率 

厚度为400nm。 

外延生长N型AlInP层，此层向有源区注入电子，也作为限制层将载流子限制在有源区。PH₃的流量为750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。 

4)在N型AlInP层上生长未掺杂多量子阱层，生长温度700度，生长速率 

外延生长未掺杂的有源区，PH₃的流量为750sccm。为了生长界面陡峭的有源区，采用阱垒中断生长模式。 

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度，生长速率 

厚度为 

外延生长未掺杂的AlInP阻挡层，生长温度提高了20度，提高AlInP晶体质量，PH₃的流量为750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。 

6)在未掺杂AlInP阻挡层上生长P型AlInP层，掺杂剂为Cp₂Mg，生长温度720度，生长速率 

厚度为700nm。 

外延生长P型AlInP，此层向有源区注入空穴，也作为限制层将载流子限制在有源区。PH₃的流量为750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。 

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度，生长速率 

厚度为 

外延生长P型GaInP过渡层，此层作为P型GaP与P型AlInP的过渡层，降低正向电压，提升老化。GaInP为张应变过渡层。 

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度，生长速率为 

厚度为8um。 

提高生长温度利于PH₃的分解，进而提高V/III比，PH₃的流量为800sccm。 

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度，生长速率为 

厚度为30nm。 

10)降低温度到650度在H₂环境下对外延片退火，退火时间为15min，退火结束后在H₂环境下降温至150度。 

实施例2 

AlGaInP四元系发光二极管外延片结构与实施例1中基本相同，不同之处在于： 

其中N型Ga_xIn_1-xP缓冲层分为12层，厚度自下而上依次为120nm、110nm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm，对应固态镓的摩尔系数x分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4。 

未掺杂多量子阱的阱垒厚度比为0.9，每个周期厚度为 

周期数为25。 

该外延片采用MOCVD法生长，步骤同实施例1基本相同，不同之处在于部分工艺参数的差异，具体区别如下： 

步骤1)中生长温度为760度，生长速率为 V/III为160。 

步骤2)中生长温度710度，生长速率为 

缓冲层共生长12层，每层厚度分别为120nm、110nm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm，对应固态镓的摩尔系数x分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4。PH3的流量为600sccm，TMGa的流量分别为125sccm、110sccm、100sccm、87sccm、70sccm、56sccm、45sccm、35sccm、28sccm、20sccm、18sccm、15sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。为了精确控制每层厚度及组分并生长陡峭的界面，生长时TMGa_1和TMGa_2交替切换，并采用中断生长模式。 

步骤3)中生长温度710度，生长速率 

厚度为600nm。 

步骤4)中生长温度710度，生长速率 

步骤5)中生长温度730度，生长速率 

厚度为 

步骤6)中生长温度730度，生长速率 

厚度为1000nm。 

步骤7)中生长温度730度，生长速率 

厚度为 

步骤8)中生长温度770度，生长速率为 厚度为10um。 

步骤9)中生长温度770度，生长速率为 

厚度为50nm。 

步骤10)中降低温度到700度在H₂环境下对外延片退火，退火时间为10min，退火结束后在H₂环境下降温至150度。 

实施例3 

AlGaInP四元系发光二极管外延片结构与实施例1中基本相同，不同之处在于： 

其中N型Ga_xIn_1-xP缓冲层分为6层，厚度自下而上依次为120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm，对应固态镓的摩尔系数x分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4。 

未掺杂多量子阱的阱垒厚度比为0.85，每个周期厚度为 

周期数为20。 

该外延片采用MOCVD法生长，步骤同实施例1基本相同，不同之处在于部分工艺参数的差异，具体区别如下： 

步骤1)中生长温度为745度，生长速率为 

V/III为150。 

步骤2)中生长温度706度，生长速率为 

缓冲层共生长6层，每层厚度分别为100nm、80nm、60nm、40nm、20nm 10nm，对应固态镓的摩尔系数x分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4。PH₃的流量为600sccm，TMGa的流量分别为110sccm、87sccm、56sccm、35sccm、20sccm、15sccm，TMIn_1的流量为300sccm，TMIn_2的流量为300sccm。为了精确控制每层厚度及组分并生长陡峭的界面，生长时TMGa_1和TMGa_2交替切换，并采用中断生长模式。 

步骤3)中生长温度706度，生长速率 

厚度为500nm。 

步骤4)中生长温度706度，生长速率 

步骤5)中生长温度726度，生长速率 

厚度为 

步骤6)中生长温度726度，生长速率 

厚度为850nm。 

步骤7)中生长温度726度，生长速率 

厚度为 

步骤8)中生长温度766度，生长速率为 

厚度为9um。 

步骤9)中生长温度766度，生长速率为 

厚度为40nm。 

步骤10)中降低温度到675度在H₂环境下对外延片退火，退火时间为12min， 退火结束后在H₂环境下降温至150度。 

Claims (6)

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Ga_xIn_1-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Ga_xIn_1-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。

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Ga_xIn_1-xP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0.05-0.1。

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Ga_xIn_1-xP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0.9、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0.7-0.9，每个周期厚度为周期数为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0.85，每个周期厚度为

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生长方法，包括以下步骤：

1)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

厚度为500nm，V/III为140-160；

2)在N型GaP缓冲层上生长N型Ga_xIn_1-xP缓冲层，采用中断生长方法，掺杂剂为SiH₄，生长温度700-710度，生长速率为

3)在N型Ga_xIn_1-xP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

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

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

厚度为

6)在未掺杂AlInP阻挡层上生长P型AlInP层，掺杂剂为Cp₂Mg，生长温度720-730度，生长速率厚度为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，生长速率厚度为

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

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。

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