專利名稱：AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片及其生長方法。
背景技術(shù)：
由于體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點，發(fā)光二極管自1968年問世以來，早已成為日常生活中不可或缺的光電元件。發(fā)光二極管的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，大致可分為可見光和不可見光波段，目前可見光波段普遍應(yīng)用生活中多種產(chǎn)品，如手機、PDA產(chǎn)品背光源、交通信號燈等。不可見光波段應(yīng)用在無線通訊中，如遙控器、感測器、通訊用的光源等。在可見光長波的發(fā)光波段，II1-V族磷化物(AlxGag)a5Ina5P材料是一種很好的選擇，有源區(qū)(AlxGa1Ja5Ina5P材料直接帶隙的變化范圍從1. 9eV(x = O)到2. 23eV(x =O. 543)，對應(yīng)的發(fā)射波長從650nm到550nm，覆蓋紅光到黃綠光。在此光譜范圍內(nèi)已經(jīng)基本取代了內(nèi)量子效率很低的間接帶隙材料GaP和GaAsP。AlGaInP獨特的材料特性，非常適合發(fā)展高亮度發(fā)光二極管。關(guān)于發(fā)光效率的提升，改善方法很多。例如生長GaP材料作為窗口層，提高電流擴展能力，其材料有很大的帶隙，對紅光到黃綠光波段無吸收，而且通過表面粗化技術(shù)提高發(fā)光二極管的出光效率；生長帶有布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，能有效的提升發(fā)光二極管的發(fā)光效率。DBR是由兩種折射率不同的材料組成的周期性結(jié)構(gòu)，每層厚度為1/4介質(zhì)波長。它可以將有源區(qū)向下發(fā)射的光反射到器件出光面，避免被GaAs襯底吸收，從而提高發(fā)光效率。帶DBR結(jié)構(gòu)的LED的優(yōu)勢是器件基本結(jié)構(gòu)一次外延形成，材料與襯底晶格匹配，反射率高，不影響器件的電學(xué)性能。M. R. Krames等人利用特殊的刀片工具，將AlGaInP LED制作成倒金字塔形狀，這種結(jié)構(gòu)可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)面發(fā)出，光有效的被提取出來，這種芯片鍵合到透明基板上，可以實現(xiàn)50%以上的外量子效率。為了減少GaAs襯底對光的吸收，K. Steubel采用wafer-bonding工藝,將AlGaInP LED與GaP鍵合，在GaAs襯底生長出外延結(jié)構(gòu)后，用選擇性化學(xué)腐蝕的方法去除N型GaAs襯底，并將剩余晶片鍵合到GaP基板上。也 可以鍵合到其它基板，如硅、銅等。這種結(jié)構(gòu)的特點是電流擴展性較好，無襯底吸收，芯片的出光效率較高，適合制作大功率器件。但此種工藝步驟較多，并且較復(fù)雜，在大規(guī)模生產(chǎn)中控制困難，影響器件的良品率。Shuqiang Li等人在藍寶石襯底上外延生長了 AlGaInP發(fā)光二極管。采用設(shè)計的磷化鎵緩沖層抑制藍寶石與AlGaInP材料晶格失配和熱失配的影響。但藍寶石襯底與外延層晶體結(jié)構(gòu)差異很大，很難避免外延層缺陷的產(chǎn)生，工藝較復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新穎的外延結(jié)構(gòu)，在GaP襯底上外延生長AlGaInP發(fā)光二極管外延片，通過一步外延生長的形式直接制成透明襯底結(jié)構(gòu)外延片，避免wafer-bonding工藝的復(fù)雜性，具體結(jié)構(gòu)見附圖1。通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其結(jié)構(gòu)自下而上包括N型GaP襯底、N型GaP緩沖層、N型GaxIrvxP緩沖層、N型AlInP層、未摻雜多量子阱層、未摻雜AlInP阻擋層、P型AlInP層、P型GaInP層、P型GaP層和P型GaAs覆蓋層，所述的N型GaxIrvxP緩沖層包括至少5層，各層厚度自下而上逐漸減小，各層固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)X自下而上逐漸減小，且O
< X < I。本發(fā)明的一種優(yōu)選方案為所述的N型GaxIrvxP緩沖層包括5_12層，最底層為120nm厚，各層厚度自下而上逐漸遞減的幅度為10_20nm，各層固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)x自下而上遞減幅度為O. 05-0.1。本發(fā)明的最優(yōu)方案為所述的N型GaxIrvxP緩沖層包括5層，厚度自下而上依次為120nm、100nm、80nm、50nm、30nm，對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù) x 分別為 O. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5。所述的未摻雜多量子阱層材料為AlGaInP,阱壘厚度比為O. 7-0. 9，每個周期厚度為120-130 A，周期數(shù)為15-25。所述的未摻雜多量子阱的優(yōu)選方案為阱壘厚度比為O. 85，每個周期厚度為125 A，周期數(shù)為20。一種AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片的生長方法，包括以下步驟I)在GaP襯底上生長N型GaP緩沖層，摻雜劑為SiH4,生長溫度730-760度，生長速率為 4-6 A /s，厚度為 500nm，V/III 為 140-160。2)在N型GaP緩沖層上生長N型GaxIrvxP緩沖層，采用中斷生長方法，摻雜劑為SiH4，生長溫度70 0-710度，生長速率為3-5 A /s。3)在N型GaxIrvxP緩沖層上生長N型AlInP層，摻雜劑為SiH4，生長溫度700-710度，生長速率3-5 A /s，厚度為400-600nm。4)在N型AlInP層上生長未摻雜多量子阱層，采用中斷生長方法，生長溫度700-710度，生長速率3-5 A /S。5)在未摻雜多量子阱層上生長未摻雜AlInP阻擋層，生長溫度720-730度，生長速率 3-5 A /s，厚度為 500-1000 A06)在未摻雜Al InP阻擋層上生長P型Al InP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720-730度，生長速率3-5 A /s，厚度為700-1000nm。7)在P型AlInP層上生長P型GaInP過渡層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720-730度，生長速率3-5 A /s，厚度為100-200A。8)在P型GaInP過渡層上生長P型GaP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760-770度，生長速率為20-30 A /s，厚度為8-10um。9)在P型GaP層上生長P型GaAs覆蓋層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760-770度，生長速率為4-6 A /s，厚度為30-50nm。10)在H2環(huán)境下退火，退火溫度為650-700度，退火時間10_15min。本發(fā)明中采用GaxIrvxP緩沖層來減小晶格失配對外延層的影響，提高外延層的晶體質(zhì)量。并優(yōu)化了緩沖層生長工藝，包括生長速率、生長溫度、V/III比等。GaxIrvxP屬于II1-1I1-V型三元固溶體，當(dāng)O < X < O. 74為直接帶隙半導(dǎo)體，其晶格常數(shù)與組分的關(guān)系為&00 = 5. 8686-0. 4174x (又)，GaP的晶格常數(shù)為5. 45又?？梢钥闯鲭S著鎵組分x的增力口，晶格常數(shù)逐漸變小，當(dāng)X = I時，為GaP的晶格常數(shù)。若不考慮材料的熱膨脹系數(shù)差異對應(yīng)變的影響，在GaP襯底上外延生長GaxIrvxP吋，隨著鎵組分的減少，其失配度増大，并且均為壓應(yīng)變。根據(jù)臨界厚度理論，隨著應(yīng)變的増加，臨界厚度減少，可以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計每層GaxIrvxP的厚度，防止發(fā)生弛豫，產(chǎn)生位錯。本發(fā)明的優(yōu)點在干通過ー步外延生長的形式直接制作出透明襯底結(jié)構(gòu)外延片，避免現(xiàn)在生產(chǎn)中wafer-bondingエ藝的復(fù)雜性。和現(xiàn)在生產(chǎn)中吸收襯底結(jié)構(gòu)外延片對比，兩種結(jié)構(gòu)外延片制作的芯片，透明襯底結(jié)構(gòu)外延片制作的芯片光提取效率預(yù)計達到25-35%。


圖1 AlGaInP發(fā)光二極管外延片示意圖；圖2 —種5層GaxIrvxP緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖；其中1—N型GaP襯底；2—N型GaP緩沖層；3—N 型 GaxIrvxP 緩沖層；4—N 型 Al InP 層；

5—未摻雜多量子講層；6—未摻雜AlInP阻擋層；7— 型ム111^層；8—P 型 GaInP 層；9—P 型 GaP 層；10—P 型 GaAs 覆蓋層；31-Gaa9Ina ア緩沖層；32—6&。.81%孑緩沖層；33—Ga0.7In0.3P 緩沖層；34—Gaa6Ina4P 緩沖層；35—Gaa5Ina5P-沖層。
具體實施例方式實施例1參照附圖1，AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其結(jié)構(gòu)自下而上包括N型GaP襯底、N型GaP緩沖層、N型GaxIrvxP緩沖層、N型AlInP層、未摻雜多量子阱層、未摻雜AlInP阻擋層、P型AlInP層、P型GaInP層、P型GaP層和P型GaAs覆蓋層，其中N型GaxIrvxP緩沖層分為5層，厚度自下而上依次為120nm、100nm、80nm、50nm、30nm,對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù) X 分別為 0. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5。其中未摻雜多量子阱層材料為AlGaInP,阱壘厚度比為0.7，每個周期厚度為120A，周期數(shù)為15。該外延片采用MOCVD法生長，步驟如下I)在GaP襯底上生長N型GaP緩沖層，摻雜劑為SiH4,生長溫度730度，生長速率為 4A /S，厚度為 500nm, V/III 為 140。高晶體質(zhì)量GaP緩沖層是生長其它外延層的基礎(chǔ)，若GaP緩沖層晶體質(zhì)量差，會影響外延層的晶體質(zhì)量。較高的生長溫度利于PH3的分解，有助于生長高晶體質(zhì)量的GaP緩沖層。PH3的流量為800sccm, TMGa的流量40sccm。2)在N型GaP緩沖層上生長N型GaxIrvxP緩沖層，摻雜劑為SiH4，生長溫度700度，生長速率為3 A /S。緩沖層共生長5層，每層厚度分別為120nm、100nm、80nm、50nm、30nm，對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)X分別為0. 9、0. 8、0. 7、0. 6、0. 5。PH3的流量為750sccm,TMGa的流量分別為 110sccm、87sccm、56sccm、35sccm、20sccm, TMIn_l 的流量為 300sccm, TMIn_2 的流量為300sCCm。為了精確控制每層厚度及組分并生長陡峭的界面，生長時TMGa_l和TMGa_2交替切換，并采用中斷生長模式。3)在N型GaxIrvxP緩沖層上生長N型AlInP層，摻雜劑為SiH4，生長溫度700度，生長速率3 A /S，厚度為400nm。外延生長N型AlInP層，此層向有源區(qū)注入電子，也作為限制層將載流子限制在有源區(qū)。PH3的流量為750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_l的流量為300sccm，TMIn_2的流量為 300sccm。4)在N型AlInP層上生長未摻雜多量子阱層，生長溫度700度，生長速率
3A /so外延生長未摻雜的有源區(qū)，PH3的流量為750SCCm。為了生長界面陡峭的有源區(qū)，采用阱壘中斷生長模式。5)在未摻雜多量子阱層上生長未摻雜AlInP阻擋層，生長溫度720度，生長速率3A /S，厚度為 500Ao外延生長未摻雜的AlInP阻擋層，生長溫度提高了 20度，提高AlInP晶體質(zhì)量，PH3的流量為750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_l的流量為300sccm，TMIn_2的流量為300sccmo6)在未摻雜AlInP阻擋層上生長P型AlInP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720度，生長速率3 A /S，厚度為700nm。

外延生長P型AllnP，此層向有源區(qū)注入空穴，也作為限制層將載流子限制在有源區(qū)。PH3的流量為750sccm，TMAl的流量81sccm，TMIn_l的流量為300sccm，TMIn_2的流量為 300sccmo7)在P型AlInP層上生長P型GaInP過渡層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720度，生長速率3A /S，厚度為100A。外延生長P型GaInP過渡層，此層作為P型GaP與P型AlInP的過渡層，降低正向電壓，提升老化。GaInP為張應(yīng)變過渡層。8)在P型GaInP過渡層上生長P型GaP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760度，生長速率為20A /s，厚度為8um。提高生長溫度利于PH3的分解，進而提高V/III比，PH3的流量為800SCCm。9)在P型GaP層上生長P型GaAs覆蓋層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760度，生長速率為4A /S，厚度為30nm。10)降低溫度到650度在H2環(huán)境下對外延片退火，退火時間為15min，退火結(jié)束后在H2環(huán)境下降溫至150度。實施例2AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)與實施例1中基本相同，不同之處在于其中N型GaxIrvxP緩沖層分為12層，厚度自下而上依次為120nm、llOnm、lOOnm、90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、IOnm,對應(yīng)固態(tài)嫁的摩爾系數(shù) x 分別為0. 95、0. 9、0. 85、0. 8、0. 75、0. 7、0. 65、0. 6、0. 55、0. 5、0. 45、0. 4。未摻雜多量子阱的阱壘厚度比為0. 9，每個周期厚度為130A，周期數(shù)為25。
該外延片采用MOCVD法生長，步驟同實施例1基本相同，不同之處在于部分エ藝參數(shù)的差異，具體區(qū)別如下步驟I)中生長溫度為760度，生長速率為6 A /s，V/III為160。步驟2)中生長溫度710度，生長速率為5 A /S。緩沖層共生長12層，姆層厚度分別為120nm、llOnm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm，對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù) x 分別為 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 的流量為 600sccm, TMGa 的流量分別為 I25seem、I10seem、100sccm、87sccm、70sccm、56sccm、45sccm、35sccm、28sccm、20sccm、18sccm> 15sccm, TMIn_l的流量為300sccm, TMIn_2的流量為300sccm。為了精確控制姆層厚度及組分并生長陡峭的界面，生長時TMGa_l和TMGa_2交替切換，并采用中斷生長模式。步驟3)中生長溫度710度，生長速率5 A /S，厚度為600nm。步驟4)中生長溫度710度，生長速率5 A /S。步驟5)中生長溫度730度，生長速率5 A /S，厚度為1000 A。步驟6)中生長溫度730度，生長速率5A /S，厚度為lOOOnm。步驟7)中生長溫度730度，生長速率5A /s，厚度為200A。步驟8)中生長溫度770度，生長速率為30A /S，厚度為10um。步驟9)中生長溫度770度，生長速率為6A /S，厚度為50nm。步驟10)中降低溫度到700度在H2環(huán)境下對外延片退火，退火時間為lOmin，退火結(jié)束后在H2環(huán)境下降溫至150度。實施例3AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)與實施例1中基本相同，不同之處在于其中N型GaxIrvxP緩沖層分為6層，厚度自下而上依次為120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm，對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù) X 分別為 0. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5,0. 4。未摻雜多量子阱的阱壘厚度比為0. 85，每個周期厚度為125A，周期數(shù)為20。該外延片采用MOCVD法生長，步驟同實施例1基本相同，不同之處在于部分エ藝參數(shù)的差異，具體區(qū)別如下步驟I)中生長溫度為745度，生長速率為5A /s，V/III為150。步驟2)中生長溫度706度，生長速率為4A /S。緩沖層共生長6層，姆層厚度分別為100nm、80nm、60nm、40nm、20nm IOnm,對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)X分別為0. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5,0. 4。PH3的流量為600sccm，TMGa的流量分別為 110sccm、87sccm、56sccm、35sccm、20sccm、15sccm, TMIn_l 的流量為 300sccm, TMIn_2的流量為300sCCm。為了精確控制每層厚度及組分并生長陡峭的界面，生長時TMGa_l和TMGa_2交替切換，并采用中斷生長模式。步驟3)中生長溫度706度，生長速率4A /S，厚度為500nm。步驟4)中生長溫度706度，生長速率4A /S。步驟5)中生長溫度726度，生 長速率4A /s，厚度為750A。步驟6)中生長溫度726度，生長速率4A /s，厚度為850nm。步驟7)中生長溫度726度，生長速率4A /s，厚度為150A。
步驟8)中生長溫度766度，生長速率為25A /s，厚度為9um。步驟9)中生長溫度766度，生長速率為5A /s，厚度為40nm。步驟10)中降低溫度到675度在H2環(huán)境下對外延片退火，退火時間為12min，退火結(jié)束后在H2環(huán)境下降溫至1 50度。
權(quán)利要求
1.AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其結(jié)構(gòu)自下而上包括N型GaP襯底、N型GaP緩沖層、N型GaxIrvxP緩沖層、N型AlInP層、未摻雜多量子阱層、未摻雜AlInP阻擋層、P型AlInP層、P型GaInP層、P型GaP層和P型GaAs覆蓋層，其特征在于，所述的N型GaxIrvxP緩沖層包括至少5層，各層厚度自下而上逐漸減小，各層固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)X自下而上逐漸減小，且O < X < I。
2.如權(quán)利要求1所述的AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述的N型GaxIrvxP緩沖層包括5_12層，最底層為120nm厚，各層厚度自下而上逐漸遞減的幅度為10-20nm，各層固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)x自下而上遞減幅度為O. 05-0.1。
3.如權(quán)利要求1所述的AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述的N型6&!￡1111_!^緩沖層包括5層，厚度自下而上依次為12011111、10011111、8011111、5011111、3011111，對應(yīng)固態(tài)鎵的摩爾系數(shù)X分別為O. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述的未摻雜多量子阱層材料為AlGaInP,阱壘厚度比為O. 7-0. 9，每個周期厚度為120-130 A,周期數(shù)為15-25。
5.如權(quán)利要求4所述的AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述的未摻雜多量子阱的阱壘厚度比為O. 85，每個周期厚度為125 A，周期數(shù)為20。
6.一種如權(quán)利要求1所述AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片的生長方法，包括以下步驟1)在GaP襯底上生長N型GaP緩沖層，摻雜劑為SiH4,生長溫度730-760度，生長速率為4-6 A /s,厚度為 500nm, V/III 為 140-160 ；2)在N型GaP緩沖層上生長N型GaxIrvxP緩沖層，采用中斷生長方法，摻雜劑為SiH4,生長溫度700-710度，生長速率為3-5 A /S;3)在N型GaxIrvxP緩沖層上生長N型AlInP層，摻雜劑為SiH4,生長溫度700-710度，生長速率3-5 A /S，厚度為400-600nm;4)在N型AlInP層上生長未摻雜多量子阱層，采用中斷生長方法，生長溫度700-710度，生長速率3-5 A /S；5)在未摻雜多量子阱層上生長未摻雜AlInP阻擋層，生長溫度720-730度，生長速率3-5 A /s，厚度為500-1000 A；6)在未摻雜AlInP阻擋層上生長P型Al InP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720-730度，生長速率3-5 A /s,厚度為700-1000nm;7)在P型AlInP層上生長P型GaInP過渡層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度720-730度，生長速率3-5 A /S，厚度為100-200A;8)在P型GaInP過渡層上生長P型GaP層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760-770度，生長速率為20-30 A /S，厚度為8-10um;9)在P型GaP層上生長P型GaAs覆蓋層，摻雜劑為Cp2Mg,生長溫度760-770度，生長速率為4-6 A /s,厚度為30-50nm;10)在H2環(huán)境下退火，退火溫度為650-700度，退火時間10-15min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種AlGaInP四元系發(fā)光二極管外延片及其生長方法。采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積在GaP襯底上外延生長AlGaInP四元系半導(dǎo)體發(fā)光二極管，采用特殊設(shè)計的GaxIn1-xP緩沖層來減小晶格失配對外延層的影響，優(yōu)化設(shè)計生長各層的工藝參數(shù)，提高晶體質(zhì)量和有源區(qū)的內(nèi)量子效率，進而提高發(fā)光效率。采用此結(jié)構(gòu)的外延層通過一次外延生長形成透明襯底結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，避免了后續(xù)復(fù)雜的wafer-bonding芯片工藝。
文檔編號H01L33/00GK103050593SQ201110315620
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者肖志國, 邢振遠, 李彤, 武勝利, 任朝花 申請人:大連美明外延片科技有限公司