专利名称：具有电子空穴双重限制的AlGaInP系LED及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种AlGalnP(铝镓铟磷)系LED(发光二极管)的结构及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
LED具有体积小、寿命长、功耗低等优点，其中GaAs衬底上制备的AIGalnP体系LED在黄绿、黄色、橙色和红色波段性能优越，目前广泛用于RGB三基色全彩显示屏、白色光源、交通信号灯、城市亮化工程、汽车灯具等领域具有广阔的应用前景。
目前，普通AIGalnP系LED芯片的结构如图1所示，自下而上包括下电极10、衬底9、缓冲层8、布拉格反射层7、下限制层6、有源区5、上限制层4、电流扩展层(GaP窗口层)3和上电极l，从电极注入电流后，电子和空穴在有源区5发生辐射复合，电能转化为光子从LED的上表面发射出来。这种结构的LED存在的主要问题有三个方面一是，由于目前的外延生长技术难以获得高掺杂、厚度较厚的电流扩展层3，导致电流扩展层3的横向电流扩展能力不强。因此，从上电极l注入的电流绝大部分汇集在上电极l的正下方。而P型电极一般为非透明电极，对应电极区域有源区辐射复合产生的光子大部分被吸收；二是，N面电子电流扩展能力较高，会使管芯侧面表面电子空穴比例增加，形成非辐射复合，这也会降低LED光效；此外，GaAs衬底对可见光是吸收的，虽然DBR的引入可以将大部分的下行光反射，但是由于其反射谱半宽较窄，对非垂直方向的光反射性能较差。根据能量守恒原理，上述问题导致的电能无法转化为光能的能量都会被材料吸收产生热量，会严重影响LED光效和寿命。 关于解决上电极1正下方电流密度较大的问题，有学者提出过在上限制层4和电流扩展层3之间制作电流阻挡层，如中国专利文献CN101388431公开了一种《电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法》，其结构包括上电极、电流扩展层、上限制
层、有源区、下限制层、缓冲层、衬底、下电极，还包括有位于上电极正下方的电流阻挡层，电流阻挡层的分布与上电极相对应，在上电极与电流扩展层之间设置有导电光增透层；并且电流阻挡层设置在导电光增透层或电流扩展层或上限制层或有源区里面，或相邻的两层、三层、四层的里面；其中电流阻挡层是通过后工艺实现的。该方法有效的阻挡了电流从上电极直接向下输运，增加电流的扩展，提高了发光效率。业界还有用二次外延技术制备电流阻挡层的方法，也就是一次外延到P型上限制层后外延一层N型薄层，或者生长完P型上限制层后，取出外延片，利用其他材料淀积技术生长上绝缘薄层，然后通过光刻工艺在上限制层4与电流扩展层3之间、电极对应区域下形成电流阻挡层区域，再把外延片放到MOCVD设备中第二次生长电流扩展层，二次外延完成后，在电流阻挡层对应的电流扩展层上制备上电极，以达到限制电流过度集中到电极下方的问题。该工艺具有复杂、成本高、成品率低。也有人通过离子注入的方法，在电流扩展层和接触层所构成的厚电流扩展层上进行离子注入或扩散形成阻挡层，此方法中的电流阻挡层厚度很难精确控制，其下方仍存有电流扩展，因而不能阻挡电流在电极下方的汇聚，且厚电流扩展层(8-50um)和离子注入及扩散工艺复杂，减少工艺可控性和可成品率，从而增加产品成本。
发明内容
本发明针对现有AlGalnP(铝镓铟磷)系LED的结构存在的发光效率低、光功率较小、热特性差等问题，提供一种发光效率和光提取效率同时得到提高的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED，能够显著改善芯片内部电流分布，使电流更多、更均匀的分布在出光区域内，同时可以提高管芯侧面的光输出，使LED的光效和寿命大幅度提高。本发明同时提供一种该具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED的制备方法。 本发明的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED，其芯片结构包括从上往下依次纵向层叠生长的上电极、ITO(氧化铟锡)导电透光层、GaP窗口层、上限制层、有源区、下限制层、布拉格反射层、缓冲层、衬底和下电极，其特征是GaP窗口层的厚度为500埃(A) IOOOO埃(A)，GaP窗口层上设有与上电极的形状和位置对应一致的腐蚀区域，该腐蚀区域深至上限制层的上表面，ITO导电透光层自GaP窗口层上的腐蚀区域直至上限制层的上表面，电极四周对应的布拉格反射层中制备有能够限制电子流动的氧化绝缘区。
布拉格反射层中包含易于氧化的AlxGai—xAs/AlAs结构材料，其中0 < x < 0. 7。
上限制层为p型掺杂的铝镓铟磷(AlxGai—xInP， x > 0. 7)材料，其掺杂浓度为lX1017cm—3 lX1018m—3。 GaP窗口层的掺杂浓度为IX 1018m—3 5X 1019cm—3。 上述LED芯片中ITO导电透光层直接与上限制层的上表面形成肖特基接触，而此区域以外的区域为欧姆接触，肖特基接触区形成了电流阻挡作用，从而既可以将从电极注入的电流很容易的扩展到电极的周围区域，又可以阻止P型上电极正下方的电流直接往下流动。上述电流阻挡机构没有使用N型或类似Si(^的绝缘层，不需要二次外延工艺，工艺简单；另外，GaP窗口层的厚度比常规LED薄很多(常规LED芯片中GaP窗口层的厚度一般为8um-10um)，使用的ITO导电层电流电流扩展能力强、且一次可以大面积蒸镀，从而提高了外延工艺的生长效率，节约了成本。 布拉格反射层包含有易于氧化的高Al组分的AlAs层，采用侧向氧化技术可以将易氧化层变为非导电状态的A1203，其可以对电子流动路径产生约束，避免侧面非辐射复合，同时AlxGai—xAs/Al203比AlxGai—xAs/AlAs布拉格结构具有更宽的光谱反射半宽，可以提高管芯侧面的光输出，从而提高了光输出效率。 本发明的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED的制备方法，包括以下步骤
(1)外延材料生长按现有AlGalnP系LED芯片的常规制备方法在砷化镓(GaAs)n型衬底上，用MOCVD(金属化学有机气相沉积)方法依次外延生长GaAs缓冲层、布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层和GaP窗口层。其中，上限制层为p型掺杂的铝镓铟磷(AlxGai—xInP， x > 0. 7)材料，布拉格反射层为AlxGai—xAs/AlAs (铝镓砷/铝砷)材料(其中
0 < X < 0. 7); (2)刻蚀电流阻挡区域将制得的外延片按常规方法进行清洗并甩胶以保护上表面(GaP窗口层一面)，然后采用常规的腐蚀方法在上表面光刻并腐蚀出要做阻挡层的区域，控制腐蚀深度至上限制层，而且该区域与上电极的形状和位置对应一致，去胶并清洗；
(3)蒸镀ITO透明导电膜利用ITO镀膜设备在外延片上表面蒸ITO(氧化铟锡)
4透明导电膜； (4)上、下电极制备采用电子束蒸发台在外延片上表面蒸发一层AuBe金属层，并光刻出所需形状和位置的上电极，将衬底减薄至150um-200um，然后在减薄的衬底下表面蒸发一层AuGeNi形成下电极； (5)氧化采用侧向氧化法将布拉格反射层四周部分区域的AlAs氧化为A1203绝缘层，布拉格反射层的四周形成氧化绝缘区。 (6)管芯分离和封装将氧化后的外延片利用管芯切割机将芯片分离，然后利用常规LED封装工艺制备出LED器件。 本发明采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在外延生长中一次性完成各外延结构的生长，能够轻易的将厚度控制到埃(A)的精度，较用电子束蒸发或CVD方法有更好精度。通过ITO透明导电膜与上限制层之间的肖特基接触形成电流阻挡，与以往制备N型或绝缘层做电流阻挡层工艺相比，本发明工艺简单，重复性高，且成本低，对于产业化生产具有现实意义。另外，通过侧向氧化布拉格反射层技术实现了电子流动限制，并提高了管芯的侧向出光能力。
图1是现有AlGalnP系LED芯片的结构示意图。 图2是本发明AlGalnP系LED芯片的结构示意图。 图3是本发明铝镓铟磷(AlGalnP) LED的外延片的结构示意图。 图4是形成电流阻挡区的示意图。 图5是具有电流阻挡区结构的发光二极管的电流扩展示意图。
图6是本发明发光二极管电流扩展示意图。 其中l、上电极，2、IT0导电透光层，3、GaP窗口层，4、上限制层，5、有源区，6、下限制层，7、布拉格反射层，8、缓冲层，9、衬底，10下电极，11、电流阻挡区，12、氧化绝缘区。
具体实施例方式
本发明的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED，其芯片的结构如图2所示，自上而下包括上电极1、 ITO导电透光层2、 GaP窗口层3、上限制层4、有源区5、下限制层6、布拉格反射层7、缓冲层8、衬底9和下电极10。 GaP窗口层3上设有与上电极1的形状和位置对应一致的腐蚀区域，该腐蚀区域深至上限制层4的上表面，IT0导电透光层2自GaP窗口层3上的腐蚀区域直至上限制层4的上表面，形成肖特基接触，形成了电流阻挡区11。 IT0导电透光层2的最大载流子浓度达到1021cm—3数量级，其厚度为1000埃(A) 10000埃(A)。上限制层4为p型掺杂的铝镓铟磷(AlxGai—xlnP， x > 0. 7)材料，其掺杂浓度为lX1017cm—3 lX1018cm—3。 GaP窗口层3的厚度为500A IOOOOA，其掺杂浓度为1 X 1018cm—3 5X 1019cm—3。布拉格反射层7中包含易于氧化的AlxGai—xAs/AlAs结构材料，其中0 < x < 0. 7，铝砷为易氧化层，铝镓砷为不易氧化层，氧化层比不易氧化层有大得多的氧化速度。布拉格反射层的四周区域设有氧化绝缘区12。
上述具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED的制备方法如下
(1)在与铝镓铟磷(AlGalnP)匹配的砷化镓(GaAs)材料形成的n型衬底9上，用金属化学有机气相沉积(M0CVD)方法依次外延生长缓冲层8、布拉格反射层7、下限制层6、 有源区5、上限制层4和GaP窗口层3，得到了铝镓铟磷(AlGalnP)LED的外延片，如图3所示。 各外延层的生长温度、生长气氛、生长压力等参数均相同，布拉格反射层7为铝 镓砷/铝砷(AlxGai—xAs/A1As)材料，x可控制在0. 40 ;上限制层4厚度为6000埃(A ) 10000埃(A )，掺杂浓度在7 9 X 1017cm—3 ;GaP窗口层3的厚度为500A 10000A，掺杂浓 度在1 5X1019cm—3。 (2)通过常规办法将外延片进行清洗并甩胶以保护上表面，然后在上表面对应上 电极1的位置处，通过光刻将薄层GaP窗口层3相应区域的GaP腐蚀掉，控制腐蚀深度至上 限制层4，而且该区域与上电极1 一致，去胶并清洗。 (3)采用ITO镀膜设备在外延片上表面蒸IT0(氧化铟锡)透明导电膜，其厚度为 1000 10000A。 对应电极位置处，ITO透明导电膜与上限制层材料形成肖特基势垒，从而可以形成 如图4所示的电流阻挡区11。 (4)采用电子束蒸发台在ITO透明导电膜上表面蒸发一层AuBe金属层，并光刻出 所需形状和位置的上电极，将衬底减薄至150um 200um，然后在减薄的衬底下表面蒸发一 层AuGeNi形成下电极，完成了上、下电极的制作。 图5给出了具有电流阻挡区11结构的发光二极管的电流扩展示意图，既可以将从 电极注入的电流很自然的扩展到电极的周围，又可以阻止P型上电极1正下方的电流直接 往下流动。 (5)采用侧向氧化法将布拉格反射层四周部分区域的AlAs氧化为A1203绝缘层， 布拉格反射层的四周形成氧化绝缘区。 图6给出了本发明制备的LED芯片的电流扩展示意图，在布拉格反射层7的四周 形成氧化绝缘区12。 (6)将氧化后的外延片利用管芯切割机将芯片分离，然后利用常规LED封装工艺 制备出LED器件。
权利要求
一种具有电子空穴双重限制的AlGaInP系LED，其芯片结构包括从上往下依次纵向层叠生长的上电极、氧化铟锡导电透光层、GaP窗口层、上限制层、有源区、下限制层、布拉格反射层、缓冲层、衬底和下电极，其特征是GaP窗口层的厚度为500埃～10000埃，GaP窗口层上设有与上电极的形状和位置对应一致的腐蚀区域，该腐蚀区域深至上限制层的上表面，ITO导电透光层自GaP窗口层上的腐蚀区域直至上限制层的上表面，电极四周对应的布拉格反射层中制备有能够限制电子流动的氧化绝缘区。
2. 根据权利要求l所述的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED，其特征是所述布拉格反射层中包含易于氧化的AlxGai—xAs/AlAs结构材料，其中0 < x < 0. 7。
3. 根据权利要求1所述的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED，其特征是所述上限制层为P型掺杂的铝镓铟磷材料AlxGa卜xInP， x > 0. 7，其掺杂浓度为lX1017cm—3 lX1018cm—3。
4. 根据权利要求1所述的具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED,其特征是所述GaP窗口层的掺杂浓度为IX 1018cm—3 5X 1019cm—3。
5. —种权利要求1所述具有电子空穴双重限制的AlGalnP系LED的制备方法，其特征是，包括以下步骤(1) 外延材料生长按现有AlGalnP系LED芯片的常规制备方法在砷化镓n型衬底上，用MOCVD(金属化学有机气相沉积)方法依次外延生长GaAs缓冲层、布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层和GaP窗口层，其中，上限制层为p型掺杂的铝镓铟磷材料xInP， x > 0. 7，布拉格反射层为AlxGai—xAs/AlAs材料，其中0 < x < 0. 7 ;(2) 刻蚀电流阻挡区域将制得的外延片按常规方法进行清洗并甩胶以保护上表面，然后采用常规的腐蚀方法在上表面光刻并腐蚀出要做阻挡层的区域，控制腐蚀深度至上限制层，而且该区域与上电极1的形状和位置对应一致，去胶并清洗；(3) 蒸镀ITO透明导电膜利用ITO镀膜设备在外延片上表面蒸氧化铟锡透明导电膜，其厚度为iooo ±矣 10000 ±矣；(4) 上、下电极制备采用电子束蒸发台在外延片上表面蒸发一层AuBe金属层，并光刻出所需形状和位置的上电极，将衬底减薄至150um-200um，然后在减薄的衬底下表面蒸发一层AuGeNi形成下电极；(5) 氧化采用侧向氧化法将布拉格反射层四周部分区域的AlAs氧化为Al203绝缘层，布拉格反射层的四周形成氧化绝缘区；(6) 管芯分离和封装将氧化后的外延片利用管芯切割机将芯片分离，然后利用常规LED封装工艺制备出LED器件。
全文摘要
本发明提供了一种具有电子空穴双重限制的AlGaInP系LED及其制备方法。该LED的芯片结构从上往下依次纵向层叠生长的上电极、ITO导电透光层、GaP窗口层、上限制层、有源区、下限制层、布拉格反射层、缓冲层、衬底和下电极，ITO导电透光层自GaP窗口层直至上限制层的上表面，布拉格反射层的两侧设有氧化绝缘区。其制备方法包括(1)外延材料生长，(2)刻蚀电流阻挡区域，(3)蒸镀ITO透明导电膜，(4)上、下电极制作，(5)氧化，(6)管芯分离和封装。本发明通过ITO透明导电膜与上限制层形成肖特基接触，从而形成电流阻挡层，工艺简单，重复性高，且成本低，从而提高了LED的发光效率和光提取效率。
文档编号H01L33/14GK101771122SQ20101001134
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者吴作贵, 张新, 徐现刚, 李树强 申请人:山东华光光电子有限公司