CN104300058B - 一种含掺杂宽势垒结构的黄绿光led - Google Patents
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Abstract
一种含掺杂宽势垒结构的黄绿光LED，属于光电子技术领域，包括在GaAs衬底的一面生长的缓冲层、布拉格反射层、第一限制层、非掺杂超晶格第一有源层、掺杂宽势垒结构层、非掺杂超晶格第二有源层、第二限制层、GaP窗口层，在GaP窗口层上设置有第一电极，在GaAs衬底的另一面设置有第二电极。本发明可提高有源区的空穴注入，提升电子空穴复合效率，从而较大地提高产品光效，提升2%～4%芯片合格率，因此，本发明能够大量生产发光波长560～580nm范围的高效率及高产出良率的黄绿光波段的LED。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及AlGaInP四元系LED生产技术领域。
背景技术
四元系AlGaInP黄绿光发光二极管广泛应用于信号指示、显示、交通指示、显示屏、汽车照明、特种照明等各个领域。四元AlGaInP材料随着波长的变短，有源层Al组分不断升高，Al原子与氧或碳原子结合导致材料产生严重的晶格缺陷，发光效率下降；另一方面黄绿光的能带由于Al组分的比例提高，能隙由直接能隙逐步转变成间接能隙，内量子效率进一步大幅下降，致使黄绿光波段LED产品光效较低；同时，利用有机金属气相沉积（MOCVD）技术生产时，由于载片盘边缘外延沉积效率差，外延片生长后边缘性能差，生产良率低，此类问题在工艺窗口更极限的黄绿光波段体现更为明显。
传统的AlGaInP四元系黄绿光LED，如图1，在GaAs衬底11上，自下而上依次生长为缓冲层12、布拉格反射层13、第一限制层14、非掺杂有源层15、第二限制层16和GaP窗口层17。此结构由于黄绿光波段自身的有源层材料能隙极限，难以得到高效的电子空穴复合效率，技术人员为提高电子空穴在有源层俘获，提高内量子效率，一般采用增加有源层超晶格对数，但是此类工艺提升亮度有限，且由于有源层厚度增加，PN结势垒电容降低，会使器件的ESD抗静电性能变差；同时该工艺由于窗口窄，生产时边缘由于外延沉积效率差，外延片边缘良率低的问题凸显。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种可提升产品合格率、保持发光效率的黄绿光LED。
本发明包括在GaAs衬底的一面生长的缓冲层、布拉格反射层、第一限制层、非掺杂超晶格第一有源层、掺杂宽势垒结构层、非掺杂超晶格第二有源层、第二限制层、GaP窗口层，在GaP窗口层上设置有第一电极，在GaAs衬底的另一面设置有第二电极。
本发明通过在有源层中加入掺杂宽势垒结构层可较大地改善传统结构的内量子效率低的问题，提高有源区的空穴注入，提升电子空穴复合效率，从而较大地提高产品光效，其亮度较传统结构可提升30%～50%，同时可提高产品工艺窗口，改善生产技术，提升2%～4%芯片合格率，因此，本发明能够大量生产发光波长560～580nm范围的高效率及高产出良率的黄绿光波段的LED。
本发明所述掺杂宽势垒结构层为AlYGa(1-Y)InP掺杂宽势垒层，其中，0.5<Y<1，掺杂元素为Zn或Mg。使用Zn或Mg掺杂可在有源区提供空穴，提高有源区电子与空穴复合，提高内量子效率，进一步的掺杂浓度越高提供的空穴越多，提升效果越大，但是有源区掺杂过多会减低器件使用寿命，所以本发明选择掺杂浓度范围为1E16-1E17之间。
所述掺杂宽势垒结构层的厚度d为30nm≤d≤300nm。厚度厚可提供更多的空穴，提高有源区电子与空穴复合，提高内量子效率，进一步的厚度厚外延片边缘外延沉积后材料质量工艺窗口增大，外延片边缘芯片产出良率高，但是掺杂宽势垒层厚度过厚边缘材料改善效应饱和无进一步提升作用，同时由于厚度增加有源区整体掺杂过多会减低器件使用寿命，另外该宽势垒结构层厚度过厚还会导致PN结势垒电容降低，器件ESD性能变差。
非掺杂超晶格第一有源层、非掺杂超晶格第二有源层分别为AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP有源层，0.3≤X≤0.35，0.6≤Y≤0.7，周期厚度为1 nm～15nm，周期对数为2-120对。非掺杂有源层可俘获电子，形成高效的复合发光层，同时由于有源层无杂质掺杂可进一步提升器件使用寿命。取值根据产品实际波长调整，Y取值小等于0.7目的为保证超晶格结构能带差，保证有源区复合效率。如Y值如小于0.5，会直接带隙会吸收有源区发光，使产品光效低；如Y值越高，势垒越高，产品电压高，器件性能差。本发明“周期厚度”是指单对有源层材料AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP的厚度。如周期厚度过厚，则量子效应变差，发光效率变低，同时有源区整体厚度增加，PN结势垒电容降低，器件ESD性能变差。通常对数越多可以有效提升器件的饱和电流及内量子效率，但可能带来ESD性能下降问题，对数越多，则复合效率越高；对数少，则复合效率低。但是对数太多量子复合效率饱和无增强作用，同时伴随对数增加，有源区整体厚度增加，PN结势垒电容降低，器件ESD性能变差。所以本发明选用2～120对。
非掺杂超晶格第一有源层、非掺杂超晶格第二有源层的主发光波长为570±10nm，以保证发出光谱分布波段为560-580nm的黄绿光。
附图说明
图1为传统黄绿光LED的结构示意图。
图2为本发明实施例1和实施例2的黄绿光LED的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一、生产工艺步骤：
1、将N-GaAs衬底21置于MOCVD反应腔体内，加热至600℃～700℃，去除衬底表面氧化层，并生长GaAs缓冲层22。
2、在GaAs 缓冲层22上生长一层布拉格反射层23。
3、在布拉格反射层23上生长N型限制层24。
4、在N型限制层24上生长非掺杂超晶格第一有源层25：以AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP为材料，其中，X取值0.3，Y取值0.7，周期厚度10nm，对数30对。
5、在第一有源层25上以AlYGa(1-Y)InP为材料，掺以同种导电类型杂质，生长宽势垒结构层26。
本实施例中，Y取值0.7，厚度80nm，掺杂元素为Zn，掺杂浓度5E16。
6、以AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP为材料，在掺杂宽势垒结构层26上进行非掺杂超晶格第二有源层27的生长，其中，X取值0.3，Y取值0.7，周期厚度10nm，对数30对。
7、在第二有源层27上生长P-AlInP限制层28。
8、 P-AlInP限制层28上生长GaP窗口层29。
9、在GaP窗口层29上制出第一电极30，在N-GaAs衬底21的背面制出第二电极31。
二、产品结构分析：
如图2所示，采用以上工艺制成的黄绿光LED包括衬底21，衬底21分为第一表面和第二表面。在衬底21的第一表面之上，自下而上为缓冲层22、布拉格反射层23、N型限制层24、非掺杂超晶格第一有源层25、掺杂宽势垒结构层26、非掺杂超晶格第二有源层27、P型限制层28和GaP窗口层29。
第一电极30形成于窗口层29之上；第二电极31形成于衬底21的第二表面之上。
三、将评价尺寸为7.0×7.0mil的四元系发光二极管器件结构的光电特性列于表1。
表1
| VF / V | LOP / mcd | WLD / nm | Yield | |
| No.1 | 2.06 | 67.2 | 570.2 | 87.78 |
| No.2 | 2.07 | 64.9 | 569.8 | 88.90 |
| No.3 | 2.05 | 61.9 | 569.6 | 89.92 |
| No.4 | 2.06 | 62.6 | 569.7 | 89.54 |
| 平均值 | 2.06 | 64.1 | 569.9 | 89.03 |
如表1所示，在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为569.9nm的黄绿色光，正向流过20毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.06V，法向光强64.1mcd，芯片良率89.03%；
实施例2
一、生产工艺步骤：
1、将N-GaAs衬底21置于MOCVD反应腔体内，加热至600℃～700℃，去除衬底表面氧化层，并生长GaAs缓冲层22。
2、在GaAs 缓冲层22上生长一层布拉格反射层23。
3、在布拉格反射层23上生长N型限制层24。
4、在N型限制层24上生长非掺杂超晶格第一有源层25：以AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP为材料，其中，X取值0.35，Y取值0.6，周期厚度10nm，对数30对。
5、在第一有源层25上以AlYGa(1-Y)InP为材料，掺以同种导电类型杂质，生长宽势垒结构层26。
本实施例中，Y取值0.6，厚度150nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度5E16。
6、以AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP为材料，在掺杂宽势垒结构层26进行非掺杂超晶格第二有源层27的生长，其中，X取值0.35，Y取值0.6，周期厚度10nm，对数60对。
7、在第二有源层27上生长P-AlInP限制层28。
8、 P-AlInP限制层28上生长GaP窗口层29。
9、在GaP窗口层29上制出第一电极30，在N-GaAs衬底21的背面制出第二电极31。
二、产品结构分析：
如图2所示，采用以上工艺制成的黄绿光LED包括衬底21，衬底21分为第一表面和第二表面。在衬底21的第一表面之上，自下而上为缓冲层22、布拉格反射层23、N型限制层24、非掺杂超晶格第一有源层25、掺杂宽势垒结构层26、非掺杂超晶格第二有源层27、P型限制层28和GaP窗口层29。
第一电极30形成于窗口层29之上；第二电极31形成于衬底21的第二表面之上。
三、将评价尺寸为7.0×7.0mil的四元系发光二极管器件结构的光电特性列于表2。
表2
| VF / V | LOP / mcd | WLD / nm | Yield | |
| No.1 | 2.08 | 71.7 | 570.8 | 91.07 |
| No.2 | 2.09 | 69.9 | 570.1 | 90.85 |
| No.3 | 2.08 | 70.7 | 570.6 | 92.28 |
| No.4 | 2.10 | 72.5 | 570.8 | 91.16 |
| 平均值 | 2.09 | 71.2 | 570.6 | 91.3 |
如表2所示，在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为570.6nm的黄绿色光，正向流过20毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.09V，法向光强71.2mcd，芯片良率91.3%。
Claims (2)
1.一种掺杂宽势垒结构的黄绿光LED，包括在GaAs衬底的一面生长的缓冲层、布拉格反射层、第一限制层、非掺杂超晶格第一有源层、第二限制层、GaP窗口层，在GaP窗口层上设置有第一电极，在GaAs衬底的另一面设置有第二电极；其特征在于：在非掺杂超晶格第一有源层和第二限制层之间生长掺杂宽势垒结构层和非掺杂超晶格第二有源层；
所述掺杂宽势垒结构层为AlYGa(1-Y)InP掺杂宽势垒层，其中，0.5<Y<1，掺杂元素为Zn或Mg，掺杂浓度为1E16-1E17；
非掺杂超晶格第一有源层、非掺杂超晶格第二有源层分别为AlXGa(1-X)InP/AlYGa(1-Y)InP有源层，0.3≤X≤0.35，0.6≤Y≤0.7，周期厚度为1 nm～15nm，周期对数为2-120对；
非掺杂超晶格第一有源层、非掺杂超晶格第二有源层的主发光波长为570±10nm。
2.根据权利要求1所述的黄绿光LED，其特征在于：所述掺杂宽势垒结构层的厚度d为30nm≤d≤300nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |