本发明涉及一种黄光倒装led(发光二极管)的外延结构及其制备方法，属于发光二极管的技术领域。
背景技术：
algainp材料体系由日本研究人员在二十世纪八十年代中期首先提出，最初是被用来制造可见光的激光二极管(ld)，有源区均使用与gaas衬底匹配的ga0.5in0.5p材料,其对应的发光波长为650nm左右。研究发现在gainp中引入al组分可以进一步缩短发光波长，当al含量超过0.53时algainp将变为间接带隙半导体，器件的发光效率急剧下降，因此algainp材料一般只用来制备发光波长570nm以上的led器件。经过二十一世纪前后的发展，algainp四元组分的led器件设计与最初的相比发生了显著的变化，器件设计多种多样，并逐步成为信号指示、室内外照明的主力。
目前可见光区域的高亮led主要使用algainp材料体系，包括黄绿光led、橙红光led、红光led及长波长红光led等，波长范围(570，650)nm。其产品广泛应用于室内外大屏幕显示、交通信号灯、汽车尾灯、rgb高品质背光源等。
1994年采用mocvd技术在gaas衬底上成功外延。其后craford等人又开发了gap透明衬底技术，将红色和黄色双异质结材料制成led，其发光效率提高到20lm/w，这就使led的发光效率超过了白炽灯的15lm/w，之后又提高到40lm/w，近几年由于采用多量子阱结构，红光led发光效率能达到73.7lm/w。
由于ga0.5in0.5p与gaas晶格匹配程度较高，而al原子与ga原子的半径非常接近，因此(alxga1-x)0.5in0.5p可以在gaas衬底表面外延生长。对于我们的目标波长，algainp材料体系在各方面均能满足需求。与gaas衬底匹配的algalnp材料系，通过外延生长调节al组分的变化，可以实现从1.9ev至2.3ev的直接带隙，对应的发光二极管波长为560nm到650nm，从而实现红、橙、黄、绿色的多光色发光二极管。
量子阱作为半导体发光二极管的核心，对led亮度等参数影响显著。最早的发光二极管通常采用双异质结p-i-n结构，而后又发展产生了双异质结有源层和多量子阱有源层。多量子阱结构能增强对载流子的限制作用，减小载流子的泄露，另一方面，对于铝镓铟磷发光二极管还可以利用量子尺寸效应在不增加al组分的情况下得到较低的发射波长，从而实现较高的辐射效率及较高的亮度，同时减小光谱峰半高宽，并提高器件的可靠性。多量子阱的结构设计，首先要考虑的是能够在尽量低的a1组分阱区材料下获得特定的波长。在量子阱中，电子沿生长方向的运动受到限制，而其在生长平面内的运动仍然自由，因此量子阱材料也被称为二维材料。红黄光led的量子阱有源区通常都很薄，厚度仅几十到几百nm，对应的单一量子阱结构的势阱和势垒的厚度仅有十几nm，这对材料生长控制的各项工艺参数有很高的要求。
algainp/algainp多量子阱结构是比较常见的qw生长方式是利用不同的al、ga组分形成带隙差异，其中垒为(al0.7ga0.3)0.5in0.5p非掺层，在mqw两侧有厚度相同的(al0.7ga0.3)0.5in0.5p非掺层作为空间电荷区。有源区(alxga1-x)0.5in0.5p的直接带隙变化范围从1.9ev(x＝0)到2.23ev(x＝0.543)，对应的发光波长从650nm到550nm。而其最佳范围为有源层(alxga1-x)0.5in0.5p的x值在0.2到0.43之间，对应的发光波长在橘红到绿光。改变有源区的al含量，发射波长可以在554-650nm之间调节。对应590nm的黄光led，在阱中通入的al流量，组份的细微波动都会引起发光波长偏离预期，因此(alxga1-x)yin1-yp材料中x与y值的优化与确定非常重要。
在生长(alxga1-x)yin1-yp作为mqw材料时，如果y值不是0.5，则材料与gaas衬底不匹配，此时会产生内部应力，随着组份的不同表现出张应力或压应力，其摩尔量与匹配值之差所占百分比称为应变量。当y小于0.5时，al和ga的量不足，由于alp和gap的晶格常数比inp的晶格常数小，此时生长的材料会受到内部压应力的影响，对应的应变称为压应变；当y大于0.5时，则为张应力，对应的应变称为张应变。普通led的有源区通常都很薄，但是黄光led的能带由于al组分的比例较高，带隙由直接带隙逐步转变成间接带隙，内量子效率大幅下降，致使黄光波段led产品亮度普遍较低。
中国专利文献cn2016101795683公开的一种砷化镓基底低亮度黄光发光二极管芯片及其制作方法。其技术特点为：在gaas缓冲层与n型载流子限制层之间设有减反射层，同时在两层p型载流子限制层之间设有p型反射吸收层。使用金属有机化合物气相沉积设备(mocvd)将gaas基片制备成具有低亮度黄光led外延结构的低亮度黄光led外延片，再将这种外延片经过芯片工艺加工成独立的led芯片。其主要目的是不改变led芯片外观尺寸的前提下，降低四元系黄光led法向光强。但是此种方法不适合在黄光倒装led结构中使用，其产品应用范围无法满足目前大规模led亮化及高端大屏幕使用。
综上所述，由于黄光led的能带al组分的比例较高，带隙由直接带隙逐步转变成间接带隙，内量子效率大幅下降，致使黄光波段led产品亮度普遍较低。因此通过优化改善黄光应变量子阱有源层，增加空穴在有源层俘获和电子空穴复合，提高内量子效率。同时通过优化gap的表面掺杂，实现梯度掺杂浓度，进一步提高外量子效率。
技术实现要素：
针对现有黄光波段led存在的亮度较低的不足，本发明提供一种具有较高内量子效率、亮度高的黄光倒装led外延结构，同时提供一种该结构的制备方法。
本发明的黄光倒装led外延结构，采用以下技术方案：
该黄光倒装led外延结构，包括由下而上依次设置的gaas衬底、gaas缓冲层、gainp腐蚀阻挡层、gaas欧姆接触层、algainp粗化层、alinpn限制层，algainpn波导层、量子阱有源层、algainpp波导层、alinpp限制层和gap窗口层，量子阱有源层为alyga1-yinp大应变量子阱有源层，y为0.01-0.5，应变量为10％-35％，在gap窗口层之上依次设置第一梯度高掺层、第二梯度高掺层和第三梯度高掺层。
上述结构中，gaas缓冲层与gaas衬底实现完美的晶格匹配，避免gaas衬底表面与新生长材料带来的缺陷与位错，并为下一步生长提供了新鲜的界面；gainp腐蚀阻挡层既能用于能带的过渡又能在后续管芯工艺中起到腐蚀阻挡的作用，为后续粗化做准备；gaas欧姆接触层在倒装led中制作n面电极，起到电流扩展的作用；algainp表面粗化层，因为倒装led为n面出光，粗化层在后续工艺做表面粗化，提高光输出效率，增加外量子效率；n、p-alinp限制层主要有两个作用，一个是限制少数载流子不溢出有源层，提高复合发光效率，通过禁带宽度来限制注入有源区的电子空穴对，并将其限制，从而提高电子空穴复合对数，另一个是作为一个重要的窗口，使有源层发出的光子极容易通过限制层，来提高led的发光效率；algainp波导层生长在有源层与限制层之间，主要是为了阻滞杂质扩散影响有源层的内量子效率，同时提高电子空穴复合几率，有效防止电子空穴一处有源层，降低发光效率；大应变量子阱有源层一方面是增加对载流子的约束，提高内量子效率，另一方面是algainp波导层的材料的量子尺寸效应使其在不改变al组分的情况下，获得较短的波长，从而获得较高的出光效率和发光亮度；电流扩展层会具有较高的电导率，较宽的禁带宽度，相对较高的载流子浓度。
本发明在黄光倒装led中创造性的运用gap梯度高掺层，第一二三梯度高掺层通过控制温度梯度降温，实现掺杂逐级提高，得到更高的载流子浓度,提高外量子效率。
所述gaas衬底厚度为250-375μm。
所述gaas缓冲层的厚度为0.2-0.5μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。
所述gainp腐蚀阻挡层的厚度为0.1-0.8μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。
所述gaas欧姆接触层的厚度为0.02-0.1um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。
所述algainp粗化层为alxga1-xinp，x为0.1-0.8，厚度为1-3.5um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。
所述alinpn限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3。
所述algainpn波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂。
所述alyga1-yinp大应变量子阱有源层的厚度为0.05-0.8μm，不掺杂,y为0.01-0.5，应变量为10％-35％。所述algainpp波导层的厚度为0.15-0.5μm，不掺杂。
所述alinpp限制层的厚度为0.5-1μm，载流子浓度为1e18cm-3～5e18cm-3。
所述gap窗口层的厚度为2-10μm，载流子浓度1e19cm-3～1e20cm-3。
所述第一梯度高掺层的材料为gap，厚度为0.01-0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3。
所述第二梯度高掺层的材料为gap，厚度为0.01-0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3。
所述第三梯度高掺层的材料为gap，厚度为0.01-0.05μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
上述黄光倒装led外延结构的制备方法，利用金属有机化学气相沉积法，包括如下步骤：
(1)将gaas衬底放入反应室，在300-800℃生长一层0.2-0.5μm厚的gaas缓冲层，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(2)保持温度，生长一层0.1-0.8um的gainp腐蚀阻挡层，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(3)在650-800℃的温度下生长gaas欧姆接触层，厚度为0.02-0.1um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(4)保持温度，生长厚度为1-3.5um的alxga1-xinp表面粗化层，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3，其中x为0.1-0.8；
(5)继续在alxga1-xinp表面粗化层生长alinpn限制层，厚度为0.5-1μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；
(6)继续在alinpn限制层上生长，在650-800℃范围内，生长一层algainpn波导层，厚度在0.15-0.5μm，不掺杂；
(7)在650-800℃的温度条件下，生长大应变量子阱有源层，材料是alyga1-yinp，对数为10-150，厚度在0.05-0.8μm，不掺杂，其中y为0.01-0.5，应变量为10％-35％；；
(8)在650-800℃的条件下，在大应变量子阱有源层上面继续生长algainpp波导层，厚度为0.15-0.5μm，不掺杂；
(9)在650-800℃的条件下，生长alinpp限制层，厚度为0.5-1μm，其载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；
(10)在650-830℃的条件下，生长gap欧姆接触层，厚度为3-10μm，载流子浓度为5e18cm-3～5e19cm-3；
(11)在600-750℃的条件下，生长第一梯度高掺层，厚度为0.01-0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3；
(12)在550-700℃的条件下，生长第二梯度高掺层，厚度为0.01-0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3；
(13)在450-600℃的条件下，生长第三梯度高掺层，厚度为0.01-0.03μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
以上步骤(1)-(5)中使用的掺杂源为si4h6和si2h4的一种；6-8步骤中不掺杂；8-13步骤中使用的掺杂源为cp2mg；
在制备的黄光倒装led外延片后，经过金属蒸镀、光刻电极、键合等管芯后工艺制作n、p电极，形成26mil*26mil尺寸的管芯。
本发明通过使用大应变多量子阱有源层，增加空穴在有源层俘获，有效提高电子空穴复合,得到较高的内量子效率。同时在gap欧姆接触层之上，通过控制温度实现三步梯度降温，得到第一二三高掺层,增加有效的外量子效率，实现26*26mil芯片19000mcd以上，进一步拓展了高亮度黄光led的应用范围。
附图说明
图1为本发明黄光倒装led外延结构的示意图。
图中：1、gaas衬底，2、gaas缓冲层，3、gainp腐蚀阻挡层，4、gaas欧姆接触层，5、algainp粗化层，6、alinpn限制层，7、algainpn波导层，8、大应变量子阱有源层，9、algainp波导层，10、alinp限制层，11、gap窗口层，12、第一梯度高掺层，13、第二梯度高掺层，14、第三梯度高掺层。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示。本发明的黄光倒装led外延结构，包括由下而上依次设置的gaas衬底1、gaas缓冲层2、gainp腐蚀阻挡层3、gaas欧姆接触层4、algainp粗化层5、alinp限制层6、algainp波导层7、大应变量子阱有源层8、algainpp波导层9、alinpp限制层10、gap窗口层11、第一梯度高掺层12、第二梯度高掺层13和第三梯度高掺层14。第一梯度高掺层12、第二梯度高掺层13和第三梯度高掺层的材料均为gap，
gaas衬底1厚度为250μm。gaas缓冲层2的厚度为0.5μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gainp腐蚀阻挡层3的厚度为0.4μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gaas欧姆接触层4的厚度为0.02μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。alxga1-xinp表面粗化层5的厚度为1μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3,其中x为0.1-0.8。alinpn限制层6的厚度为1μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3。algainpn波导层7的厚度为0.35μm，不掺杂。alyga1-yinp应变量子阱有源层8的厚度为0.8μm，不掺杂，其中y为0.01-0.5，应变量为10％-35％。algainpp波导层9的厚度为0.15μm，不掺杂。alinpp限制层10的厚度为1μm，载流子浓度为1e18cm-3～5e18cm-3。gap窗口层11的厚度为10μm，载流子浓度1e19cm-3～1e20cm-3。第一梯度高掺层12的厚度为0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3。第二梯度高掺层13的厚度为0.01μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3。第三梯度高掺层14的厚度为0.03μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
上述黄光倒装led外延结构的制备方法，利用金属有机化学气相沉积法，包括如下步骤：
(1)将gaas衬底1放入反应室，在300-800℃生长一层0.5μm厚的gaas缓冲层2，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(2)保持温度，生长一层0.4μm的gainp腐蚀阻挡层3，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(3)在650-800℃的温度下生长gaas欧姆接触层4，厚度为0.02um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3；
(4)保持温度，生长厚度为1μm的alxga1-xinp表面粗化层5，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3，其中x为0.1-0.8；
(5)继续在algainp表面粗化层5上生长alinpn限制层6，厚度为1μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；
(6)继续在alinpn限制层上6生长，在650-800℃范围内，生长一层algainpn波导层7，厚度在0.35，不掺杂；
(7)在650-800℃的温度条件下，生长应变量子阱有源层8，材料是alyga1-yinp，对数为10-150，厚度在0.8μm，不掺杂，其中y为0.01-0.5，应变量为10％-35％；
(8)在650-800℃的条件下，在应变量子阱有源层8上面继续生长algainpp波导层9，厚度为0.15μm，不掺杂；
(9)在650-800℃的条件下，生长alinpp限制层10，厚度为1μm，其载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；
(10)在650-830℃的条件下，生长gap欧姆接触层11，厚度为10μm，载流子浓度为5e18cm-3～5e19cm-3；
(11)在600-750℃的条件下，生长第一梯度高掺层12，厚度为0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3；
(12)在550-700℃的条件下，生长第二梯度高掺层13，厚度为0.01μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3；
(13)在450-600℃的条件下，生长第三梯度高掺层14，厚度为0.03μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
实施例2
本实施例中，gaas衬底1厚度为375μm。gaas缓冲层2的厚度为0.35μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gainp腐蚀阻挡层3的厚度为0.1μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gaas欧姆接触层4的厚度为0.06um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。alxga1-xinp表面粗化层5的厚度为3.5um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3,其中x为0.1-0.8。alinpn限制层6的厚度为0.75μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3。algainpn波导层7的厚度为0.15μm，不掺杂。alyga1-yinp应变量子阱有源层8的厚度为0.05μm，不掺杂，其中y为0.1-0.8，应变量为10％-35％；。algainpp波导层9的厚度为0.5μm，不掺杂。alinpp限制层10的厚度为0.75μm，载流子浓度为1e18cm-3～5e18cm-3。gap窗口层11的厚度为3μm，载流子浓度1e19cm-3～1e20cm-3。第一梯度高掺层12的厚度为0.03μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3。第二梯度高掺层13的厚度为0.03μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3。第三梯度高掺层14的厚度为0.05μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
制备方法与实施例1一致。
实施例3
本实施例中，gaas衬底1厚度为300μm。gaas缓冲层2的厚度为0.2μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gainp腐蚀阻挡层3的厚度为0.8μm，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。gaas欧姆接触层4的厚度为0.1um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3。alxga1-xinp表面粗化层5的厚度为2.5um，载流子浓度为1e17cm-3～5e18cm-3,其中x为0.1-0.8。alinpn限制层6的厚度为0.5μm，载流子浓度为5e17cm-3～5e18cm-3。algainpn波导层7的厚度为0.5μm，不掺杂。alyga1-yinp应变量子阱有源层8的厚度为0.45μm，不掺杂，其中y为0.01-0.5，应变量为10％-35％；algainpp波导层9的厚度为0.35μm，不掺杂。alinpp限制层10的厚度为0.5μm，载流子浓度为1e18cm-3～5e18cm-3。gap窗口层11的厚度为7μm，载流子浓度1e19cm-3～1e20cm-3。第一梯度高掺层12的厚度为0.01μm，载流子浓度为1e19cm-3～5e19cm-3。第二梯度高掺层13的厚度为0.05μm，载流子浓度为1e19cm-3～1e20cm-3。第三梯度高掺层14的厚度为0.01μm，载流子浓度为5e19cm-3～5e20cm-3。
制备方法与实施例1一致。