专利名称：蓝宝石衬底的AlGaInP发光二极管外延片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种蓝宝石衬底的AlGalnP (铝镓铟磷)发光二极管(light emitting diode， LED)及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
不同颜色的发光二极管(LED)是由不同的材料体系制备的，对于黄色、橙色、红色LED， 现在性能最好的是利用AlGalnP材料作为发光层制备的。AlGalnP LED是在GaAs (砷化镓) 衬底上生长的，其外延材料结构由下至上依次为GaAs衬底、GaAs缓冲层、n型铝镓铟磷 [(AlxGai-x) 。.5In。.5P]下限制层、非掺杂铝镓铟磷[(AlxGai-J 。.5In。.5P/(AlyGai-y)。.5In。.5P](扭y)发 光区(也叫有源区)、p型铝镓铟磷[(AlxGa卜》。.5ln。.5P]上限制层和p型GaP (磷化镓)电流扩 展层。其制备过程如下
1. 在GaAs衬底上外延生长一层GaAs缓冲层；
2. 在GaAs缓冲层上生长与GaAs晶格匹配的n型铝镓铟磷[(Al,Ga卜J。.5ln。.5P]下限制层；
3. 在下限制层上生长非掺杂的铝镓铟磷[(AlxGa卜丄.5ln。.5P/(AlyGa卜y)。.5ln。.5P](扭y)发光 区(也叫有源区)；
4. 在发光区上生长p型铝镓铟磷[(Al,Gah)。.Jn。.5P]上限制层；
5. 在上限制层上生长p型GaP具有电流扩展和欧姆接触功能的顶层。 上述结构中由于GaAs衬底对可见光是吸收的，发光区产生的向下传播的光都被吸收，从
而发光效率很低，通常小于101m/W。为抑制上述问题，业界通常的做法是在GaAs缓冲层和 下限制层之间增加可以将向下传输的光反射到上表面的所谓布拉格反射层(DBR反射层)，其 一般由不同组份的铝镓砷[ALGa卜xAs/AlyGa卜yAs(扭y)]或铝镓铟磷 [(AlxGaJ^In^PAAlyGai—y)。.5In。.5P (x")]材料制备。通过利用布拉格反射层(DBR反射层) 结构，AlGalnP LED (铝镓铟磷发光二极管)发光效率提高到了 15~201m/W。
但布拉格反射层(DBR反射层)结构只能对特定角度范围内的光进行反射，为进一步提高 GaAs衬底上生长的铝镓铟磷发光二极管性能，业界还采用了更换衬底的所谓倒装结构LED技 术。其首先是在GaAs衬底上生长出铝镓铟磷发光二极管外延材料，然后将其P面粘接到带金 属反射镜的高热导率基板上(通常为Si)，然后用选择腐蚀方法将GaAs衬底腐蚀掉，再制作 上n电极和p电极，形成n电极在上、p电极在下的倒装结构LED。利用该技术制备的LED性 能有了大幅度的提高，其发光效率可以达到301m/W。但该方法工艺复杂，产品指标一致性不 好，且腐蚀过程产生大量含砷(As)的化学废液需要进一步处理，对环境保护不利。
由于蓝宝石(A1203)衬底是透明的，对可见光具有不吸收性，比利用砷化镓衬底外延生 长的铝镓铟磷发光二极管具有更高的提取效率，且可以避免更换吸光衬底的复杂工艺和环境 污染问题，具有明显的性能优势和环保优势。但是蓝宝石衬底上制备铝镓铟磷发光二极管的 最大难点是二者晶格类型不同，晶格常数差别大，热膨胀系数也有很大不同，因此业界尚无 利用蓝宝石衬底生长铝镓铟磷发光二极管的产品出现。
发明内容
本发明针对现有AlGalnP发光二极管存在的发光效率低的问题，提供一种发光效率高的蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片及其制备方法。
本发明的蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片，其外延结构由下至上依次为蓝宝石 衬底、低温GaP缓冲层、高温GaP缓冲层、GaP电流扩展及欧姆接触层、AlGalnP过渡和下限 制层、多量子阱AlGalnP有源区、AlGalnP上限制层和GaP电流扩展层。
上述蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤
(1) 库宝石衬底热处理将蓝宝石衬底放到M0CVD (金属有机化学气相沉积设备)生长 室内，氢气(H2)气氛下升温到700士50。C处理5分钟 20分钟；
(2) 低温GaP缓冲层生长将M0CVD设备生长室内的温度降低到550士50。C，然后通入三 甲基镓(TMGa)和磷烷(PHJ，生长厚度为15nm-25mn的低温GaP缓冲层，停止生长后，将 温度拉升到720±50°C退火3分钟~15分钟；
(3) 高温GaP缓冲层生长在M0CVD设备生长室720士20。C下，利用三甲基镓(TMGa)和 磷垸(PH3)在低温GaP缓冲层上生长厚度为0. 3um lum的高温GaP缓冲层；
(4) GaP电流扩展及欧姆接触层生长在MOCVD设备生长室720士20。C下，利用三甲基镓 (TMGa)和磷烷(PH3)在高温GaP缓冲层上生长2 um 5 um厚的GaP电流扩展及欧姆接触
层；
(5) AlGalnP过渡和下限制层生长在MOCVD设备生长室720土20。C下，利用三甲基镓 (TMGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和磷烷(PH3)在GaP电流扩展及欧姆接触层
上生长厚度为0.5咖 1.0um的(AlxGah)yln卜yP过渡和下限制层，其中0^c，y《l;
(6) AlGalnP有源区生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓(TMGa)、三 甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和磷烷(PH3)在AlGalnP过渡和下限制层上生长多量子 阱(MQWs) AlGalnP有源区，AlGalnP有源区的阱垒组成为阱(ALGa卜J InP/垒(AlyGa卜》InP， 其中0《x《0.4， 0. 5SySl.0;
(7) AlGalnP上限制层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓(TMGa)、 三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和磷垸(PH3)在AlGalnP有源区上生长厚度为0. 5 um 1. Oum 的(ALGaJyln卜yP上限制层，其中(Kx，ySl;
(8) GaP电流扩展层生长在MOCVD设备生长室720土20。下利用三甲基镓(TMGa )和磷 烷(PH3)在AlGalnP上限制层上生长厚度为4 um ~15um的GaP电流扩展层。
本发明使用蓝宝石作为外延生长衬底，并使用磷化镓作为缓冲层，由于蓝宝石和磷化镓 材料对黄色至红色波段是透明的，因此不存在衬底光吸收问题，通过磷化镓缓冲层可以抑制 蓝宝石衬底和铝镓铟磷发光二极管材料之间晶格失配和热膨胀系数失配导致的材料生长缺 陷，从而可以大大提高LED的光输出能力。此外，制备过程不涉及砷化镓厚层材料的腐蚀， 不会产生含砷废液，减少了环境污染问题。
图1是本发明第一个是实施例的结构示意图。 图2是本发明第二个是实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片，为蓝宝石衬底，外延结构在蓝宝石衬底上由下至上依次为GaP缓冲层(包括低温GaP缓冲层和高温GaP缓冲 层两层组合)、n型GaP电流扩展和欧姆接触层、n型AlGalnP过渡和下限制层、多量子阱(MQWs) AlGalnP有源区、P型AlGalnP上限制层和P型电流扩展层。利用常规管芯制备技术在P型电 流扩展层上制作出P面电极(正极)，在n型GaP电流扩展和欧姆接触层上制作出N面电极(负 极)，使P面电极和N面电极同在上方。
上述蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤
(1) 蓝宝石衬底热处理将蓝宝石衬底放到金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长室 内，氢气(H2)气氛下升温到700土50。C处理5分钟 20分钟；
(2) 低温GaP缓冲层生长将MOCVD设备生长室内的温度降低到550土50。C，然后通入三 甲基镓(TMGa)和磷烷(PH3)生长厚度为20±5nm的低温磷化镓(GaP)缓冲层，停止生长后， 将温度拉升到720±50°C退火3分钟 15分钟；
(3) 高温GaP缓冲层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下，利用三甲基镓(TMGa)和 磷垸(P$)在低温GaP缓冲层上生长厚度为0. 3um lum的GaP高温缓冲层；
(4) n型GaP电流扩展及欧姆接触层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下，利用三甲 基镓(TMGa)、双硅烷(Si2H6)和磷烷(PH3)在高温GaP缓冲层上生长2 ura ~5 um厚的n型 GaP电流扩展及欧姆接触层；
(5) n型铝镓铟磷(AlGalnP)过渡和下限制层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下 利用三甲基镓/三甲基铝/三甲基铟/双硅垸/磷烷(TMGa/TMAl/TMIn/SiA/PH3)在n型磷化镓
(GaP)电流扩展及欧姆接触层上生长厚度为0. 5 um ~1. Oum的铝镓铟磷[(Al,Ga卜Jyln卜yP]过 渡和下限制层，其中0^c，y《l;
(6) AlGalnP有源区生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓、三甲基铝、 三甲基铟和磷烷(TMGa/TMAl/TMIn/PH3)在AlGalnP过渡层和下限制层上生长多量子阱(MQWs) AlGalnP有源区，AlGalnP有源区的阱垒组成为阱(ALGa卜J InP/垒(AlyGa卜》InP，其中 OSx幼.4， 0.5^1.0;
(7) P型AlGalnP上限制层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓、三甲 基铝、三甲基铟、二茂镁和磷垸(TMGa/TMAl/TMIn/CP2Mg/PH3)在AlGalnP有源区上生长厚度 为0. 5 ura 1. Oum的P型(ALGa卜J ylm，P上限制层，其中0"， y《l;
(8) P型GaP电流扩展层生长在MOCVD设备生长室720土20。下利用三甲基镓、二茂镁 和磷烷(TMGa/CP2Mg/PH3)在AlGalnP上限制层上生长厚度为4 um ~15um的p型GaP电流扩展层。
利用LED管芯制备工艺(金属蒸镀、光刻、切割等)制作上N、 P电极，并经粘接、打线、 注胶、固化等工艺封装成LED器件。 实施例2
如图2所示，本实施例的蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片，其外延结构是在蓝 宝石衬底上由下至上依次为GaP缓冲层(包括低温GaP缓冲层和高温GaP缓冲层两层组合)、 P型GaP电流扩展和欧姆接触层、P型AlGalnP过渡和下限制层、多量子阱(MQWs) AlGalnP 有源区、n型AlGalnP上限制层、n型GaP电流扩展层(窗口层)。利用常规管芯制备技术在 n型电流扩展层上制作出N面电极(负极)，在P型GaP电流扩展和欧姆接触层上制作出P面电极(正极)，使P面电极和N面电极同在上方。
上述蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤
(1) 蓝宝石衬底热处理将蓝宝石衬底放到金属有机化学气相沉积(M0CVD)设备生长室 内，H2气氛下升温到700±50°C处理5分钟~20分钟；
(2) 低温GaP缓冲层生长将M0CVD设备生长室内的温度降低到550土50。C，然后通入TMGa 和PH3生长厚度为20土5nm的低温GaP缓冲层，停止生长后，将温度拉升到720士50。C退火3 分钟 15分钟；
(3) 高温GaP缓冲层生长在MOCVD设备生长室720士20。C下，利用三甲基镓和磷烷(TMGa 和PH3)在低温GaP缓冲层上生长厚度为0. 3um lum的GaP高温缓冲层；
(4) P型GaP电流扩展及欧姆接触层生长在MOCVD设备生长室720土20。C下，利用三甲 基镓/二茂镁/磷垸(TMGa/CP2Mg/PH3)在高温GaP缓冲层上生长2 um ~5 um厚的GaP电流扩 展及欧姆接触层；
(5) P型AlGalnP过渡和下限制层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓 /三甲基铝/三甲基铟/二茂镁/磷垸(TMGa/TMAl/TMIn/CP2Mg/PH3)在N型GaP电流扩展及欧姆 接触层上生长厚度为0.5 um L0um的(ALGan)ylm-yP过渡和下限制层，其中0《x，y^l;
(6) AlGalnP有源区生长在MOCVD设备生长室720士20。C下利用三甲基镓/三甲基铝/三 甲基铟/磷烷(TMGa/TMAl/TMIn/PH3)在AlGalnP过渡层和下限制层上生长多量子阱(MQWs) AlGalnP有源区，AlGalnP有源区的阱垒组成为阱(ALGa卜x) InP/垒(Al,Ga卜y) InP，其中 OSx幼.4， 0.5^1.0;
(7) n型AlGalnP上限制层生长在MOCVD设备生长室720±20°C下利用三甲基镓/三甲 基铝/三甲基铟/双硅烷/磷垸(TMGa/TMAl/TMIn/Si2H6/PH3)在AlGalnP有源区上生长厚度为 0. 5 um ~1. Oum的n型(AlxGai-x) Jm—yP上限制层，其中(Kx, y^l;
(8) n型GaP窗口层生长在MOCVD设备生长室720±20°下利用三甲基镓/二茂镁/磷烷 (TMGa/CP2Mg/PH3)在AlGalnP上限制层上生长厚度为4 um ~15um的n型GaP电流扩展层。 利用LED管芯制备工艺(金属蒸镀、光刻、切割等)制作上N、 P电极，并经粘接、打线、 注胶、固化等工艺封装成LED器件。
权利要求
1.一种蓝宝石衬底的AlGaInP发光二极管外延片，其特征是其外延结构由下至上依次为蓝宝石衬底、低温GaP缓冲层、高温GaP缓冲层、GaP电流扩展及欧姆接触层、AlGaInP过渡和下限制层、多量子阱AlGaInP有源区、AlGaInP上限制层和GaP电流扩展层。
2. —种权利要求1所述的蓝宝石衬底的AlGalnP发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤(1) 蓝宝石衬底热处理将蓝宝石衬底放到金属有机化学气相沉积设备生长室内，H2气 氛下升温到700土50。C处理5分钟~20分钟；(2) 低温GaP缓冲层生长将金属有机化学气相沉积设备生长室内的温度降低到 550土50。C，然后通入三甲基镓和磷垸，生长厚度为15nm-25nm的低温GaP缓冲层，停止生长 后，将温度拉升到720±50°C退火3分钟~15分钟；(3) 高温GaP缓冲层生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720士20。C下，利用三甲 基镓和磷垸在低温GaP缓冲层上生长厚度为0. 3um lum的GaP高温缓冲层；(4) GaP电流扩展及欧姆接触层生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720±20°C下， 利用TMGa和PH3在高温GaP缓冲层上生长2 um 5 um厚的GaP电流扩展及欧姆接触层；(5) AlGalnP过渡和下限制层生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720±20°C下， 利用三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟和磷垸在GaP电流扩展及欧姆接触层上生长厚度为0. 5 um 1.0咖的(AlxGa,丄In卜yP过渡和下限制层，其中0"，y^l;(6) AlGalnP有源区生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720±20°C下利用三甲基 镓、三甲基铝、三甲基铟和磷烷在AlGalnP过渡层和下限制层上生长多量子阱AlGalnP有源 区，AlGalnP有源区的阱垒组成为阱(AlxGan) InP/垒(AlyGa卜》InP，其中(Kx幼.4，0. 5《y^l. 0;(7) AlGalnP上限制层生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720±20°C下利用三甲 基镓、三甲基铝、三甲基铟和磷垸在AlGalnP有源区上生长厚度为0.5 um 1. Oum的 (AlxGa卜x)yln卜yP上限制层，其中0"，y《l;(8) GaP电流扩展层生长在金属有机化学气相沉积设备生长室720土20。下利用三甲基镓 和磷垸在AlGalnP上限制层上生长厚度为4 um 15um的GaP电流扩展层。
全文摘要
本发明提供了一种蓝宝石衬底的AlGaInP发光二极管外延片及其制备方法。该发光二极管的外延结构由下至上依次为蓝宝石衬底、低温GaP缓冲层、高温GaP缓冲层、GaP电流扩展及欧姆接触层、AlGaInP过渡层和下限制层、多量子阱AlGaInP有源区、AlGaInP上限制层和GaP电流扩展层。其制备方法是在蓝宝石衬底上依次逐层生长各外延层。本发明使用蓝宝石作为外延生长衬底，并使用磷化镓作为缓冲层，由于蓝宝石和磷化镓材料对黄色至红色波段是透明的，因此不存在衬底光吸收问题，通过磷化镓缓冲层可以抑制蓝宝石衬底和AlGaInP材料之间晶格失配和热膨胀系数失配导致的材料生长缺陷，从而可以大大提高发光二极管的光输出能力。
文档编号H01L33/00GK101540359SQ200910020390
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者军 于, 任忠祥, 振 卢, 吴作贵, 吴小强, 伟 夏, 新 张, 徐现刚, 李树强, 马光宇 申请人:山东华光光电子有限公司