带电流调整层的AlGaInP系LED芯片及其制备方法

摘要

本发明提供了一种带电流调整层的AlGaInP系LED芯片及其制备方法。该LED芯片自下而上包括下电极、衬底、布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层、电流扩展层和上电极，在上限制层和电流扩展层之间设有电流调整层，电流调整层上设有与上电极形状和位置对应一致的电流阻挡区。制备方法包括步骤：(1)在衬底上依次外延生长各层，制得外延片；(2)通过湿氧化在电流调整层的湿氧化孔位置处形成电流阻挡区；(3)在外延片上光刻出所需形状和位置的上电极，在减薄的衬底下表面形成下电极。本发明在外延生长中一次性完成电流调整层和电流扩展层，有效的减小甚至完全阻止上电极正下方的电流输运，提高了LED的发光效率和光提取效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种AlGaInP(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

发射红光或黄光的高亮度AlGaInP系的LED具有体积小、寿命长、功耗低等优点，在RGB白色光源、全色显示、交通信号灯、城市亮化工程等领域具有广阔的应用前景。

目前，普通AlGaInP系LED芯片的结构如图1所示，自下而上包括下电极2、衬底3、布拉格反射层4、下限制层5、有源区6、上限制层7、电流扩展层8和上电极1，从上电极1注入电流，电子和空穴在有源区辐射复合发光，产生的光子从LED的上表面发射出来。这种结构的LED存在的主要问题是：从上电极1注入的电流通过电流扩展层8横向扩展而流经有源区6辐射复合产生光子。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8，导致电流扩展层8的横向电流扩展能力不强。因此，从上电极1注入的电流绝大部分汇集在上电极1的正下方。而P型电极一般为非透明电极，对应电极区域在有源区辐射复合产生的光子，不但不能发射到体外，而且在体内被吸收并产生大量的热，严重影响LED性能的进一步提高。因此，对于此结构的LED，存在发光效率低、光功率较小、热特性差等问题，影响了发光二极管的寿命。

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7和电流扩展层8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的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。电流阻挡层的制作方法一般是采用二次外延的办法，即先生长部分GaP电流扩展层，取出外延片在对应电极的GaP处进行刻蚀，然后在GaP电流扩展层上蒸SiO₂绝缘层(即电流阻挡层)，去除电极外的SiO₂绝缘层；再放到外延炉中生长全部GaP电流扩展层，故称为二次外延，也就是先通过光刻等工艺在上限制层7与电流扩展层8之间制备好电流阻挡层之后，再外延生长电流扩展层，并在电流扩展层上方制备上电极，该工艺复杂、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。

中国专利文献CN1655369公开了《一种高效发光二极管的结构及其制备方法》，根据该发明，发光二极管结构中至少有一层易氧化的III-V半导体结构。在发光二极管制备过程中通过对此易氧化的III-V半导体结构氧化，在发光二极管侧面形成不导电的载流子阻挡层，以减少载流子在发光二极管侧面复合，提高发光二极管效率。但是该文献只描述了侧向氧化，且未提及氧化后的绝缘层与电极相对应来作为电流阻挡层，不能解决上电极正下方电流密度较大的问题。

发明内容

本发明针对现有带电流阻挡层的AlGaInP系LED存在的电流阻挡层厚度难以精确控制、制备工艺复杂、阻挡电流效果差的问题，提供一种能够彻底阻挡电流从上电极直接向下输运、增加电流的扩展，发光效率高的带电流调整层的AlGaInP系LED芯片，同时提供一种该带电流调整层的AlGaInP系LED芯片的制备方法。

本发明的带电流调整层的AlGaInP系LED芯片自下而上包括下电极、衬底、布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层、电流扩展层和上电极，在上限制层和电流扩展层之间设有电流调整层，电流扩展层和电流调整层形成复合窗口层，该电流调整层采用易氧化材料高铝含量的铝镓砷(Al_xGa_1-xAs)材料，铝的摩尔量大于80％而小于100％(0.8＜x＜1)，电流调整层上设有绝缘的三氧化二铝电流阻挡区，且电流阻挡区与上电极形状和位置对应一致。

所述上电极的形状可以是圆形、回形、星形、条形等任意形状。

所述电流阻挡区的尺寸可以等于、大于或小于上电极的尺寸。

上述电流调整层的引入带来了两个作用，一是增加了出光的角度，使得有源区产生的光子更多的能够发射到体外，二是经过化学腐蚀和氧化后在电流调整层表面形成绝缘的三氧化二铝电流阻挡区，阻止了电流向上电极正下方流动，减小了电流损耗，减小了热量的产生，这样一来，就可以大大降低电流扩展层的厚度，从而降低成本。

本发明的带电流调整层的AlGaInP系LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)按现有AlGaInP系LED芯片的常规制备方法在由能够与AlGaInP匹配的砷化镓(GaAs)材料形成的n型衬底上，用MOCVD(金属化学有机气相沉积)方法依次外延生长布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层、电流调整层和电流扩展层，制得AlGaInP发光二极管的外延片；该电流调整层为铝镓砷Al_xGa_1-xAs材料，铝的摩尔量大于80％而小于100％(0.8＜x＜1)，由于铝镓砷Al_xGa_1-xAs材料的晶格常数与GaAs相同，所以电流调整层的生长温度、生长气氛、生长压力与上限制层均相同，具体过程是在MOCVD设备生长室720±20℃、40-50Torr压力、氢气(H₂)气氛下利用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和砷烷(AsH₃)在上限制层上生长厚度为0.5um-1.0um的Al_xGa_1-xAs电流调整层，其中0.8＜x＜1；

(2)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(电流扩展层一面)，然后在上表面光刻并腐蚀(采用常规的腐蚀方法)出待用的湿氧化孔，湿氧化孔的位置和形状与所要制作的上电极的位置和形状相一致，控制湿氧化孔的腐蚀深度至电流调整层，将腐蚀好湿氧化孔的外延片置于管式加热炉中，控制炉温在350℃-550℃，使流速为1L/min-3L/min的氮气(N₂)通入90℃以上的热水中携带水蒸气后再通入管式加热炉中，氮气(N₂)携带水蒸气后的混合气体的温度达到80℃-100℃，通过控制氧化时间在电流调整层的湿氧化孔位置处形成厚度为20um-40um的绝缘三氧化二铝(Al₂O₃)电流阻挡区，将湿氧化后的外延片从管式加热炉中取出，去胶并清洗；

电流调整层为AlxGa1-xAs材料，容易进行湿氧化；电流扩展层为GaP材料，不易氧化。本发明是将各外延层一次性生长完，然后在对应电极的正下方依次腐蚀GaP电流扩展层和Al_xGa_1-xAs电流调整层，制备出待湿氧化用的小孔，然后侧向湿氧化Al_xGa_1-xAs为Al₂O₃绝缘层，从而形成电流阻挡区。

(3)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-170um，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。

将做好的外延片解理成0.3mm×0.3mm的管芯，压焊在管座上，LED器件制备完毕。

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电流调整层和电流扩展层的复合窗口层结构的生长，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，同时由于铝镓砷可用化学腐蚀方法直接去除，避免了使用干法刻蚀电子束蒸发或CVD生长的繁琐工艺。通过化学腐蚀和氧化后形成绝缘的三氧化二铝电流阻挡区，从而有效的减小甚至完全阻止上电极正下方的电流输运，而改为电流向上电极周围的导电窗口层的横向输运扩展，提高了LED的发光效率和光提取效率。

附图说明

图1是现有常规发光二极管的结构示意图。

图2是本发明第一个实施例的结构示意图。

图3是本发明第二个实施例的电极图形示意图。

图4是本发明第二个实施例的结构剖面图。

图5是本发明第二个实施例的结构立体图。

其中：1、上电极，2、下电极，3、衬底，4、布拉格反射层，5、下限制层，6、有源区，7、上限制层，8、电流扩展层，9、复合窗口层，10、电流调整层，11、电流阻挡区。

具体实施方式

实施例1

本实施例的带电流调整层的AlGaInP系LED芯片的结构如图2所示，自下而上包括下电极2、衬底3、布拉格反射层4、下限制层5、有源区6、上限制层7、电流调整层10、电流扩展层8和上电极1，电流扩展层8和电流调整层10形成复合窗口层9，电流调整层10采用易氧化材料高铝含量的铝镓砷(Al_xGa_1-xAs)材料，铝的摩尔量大于80％而小于100％(0.8＜x＜1)，电流调整层10经化学腐蚀和氧化后形成的绝缘三氧化二铝电流阻挡区11，且电流阻挡区11与上电极1的形状和位置对应一致。本实施例中上电极1的形状为圆形。

本实施例的LED芯片的制备方法如下：

(1)在与铝镓铟磷(AlGaInP)匹配的砷化镓(GaAs)材料形成的n型衬底3上，用金属化学有机气相沉积(MOCVD)方法依次外延生长布拉格反射层4、下限制层5、有源区6、上限制层7、电流调整层10(其中Al含量为98％)和电流扩展层8，得到了铝镓铟磷(AlGaInP)LED的外延片；

电流调整层10为铝镓砷Al_xGa_1-xAs材料，铝的摩尔量可控制在98％，电流调整层10的生长温度、生长气氛、生长压力等参数与上限制层均相同，具体过程是在MOCVD设备生长室720±20℃、40-50Torr压力、氢气(H₂)气氛下利用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和砷烷(AsH₃)在上限制层上生长厚度为0.5um-1.0um的电流调整层。

(2)再通过常规办法将外延片进行清洗并甩胶以保护上表面，然后在上表面光刻并腐蚀出待用的湿氧化孔，该湿氧化孔的位置和形状与所要制作的圆形上电极1的位置和形状相对应，利用水汽侧向氧化法形成电流阻挡区11，控制炉温在350℃-550℃，向管式加热炉中通入氮气(N₂)和水汽(H₂O)混合气体，混合气体的温度为80℃-100℃，先将流速为1L/min-3L/min的氮气(N₂)通入90℃以上的热水中，氮气(N₂)携带水蒸气后混合气体的再通入管式加热炉中，通过控制氧化时间在电流调整层的湿氧化孔位置处形成厚20um-40um的绝缘三氧化二铝(Al₂O₃)电流阻挡区11。将湿氧化后的外延片从管式加热炉中取出，去胶并清洗。电流阻挡区11是从外延片中心与上电极1对应位置处腐蚀一圆孔，然后以圆孔为中心向周围侧向氧化形成。电流阻挡区11的尺寸可以与上电极的尺寸相同，也可以不相同。

(3)接下来，在外延片表面蒸发一层AuBe金属层，并光刻出圆形上电极1，将衬底减薄至150um-170um，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成下电极2，完成了上、下电极的制作。

将做好的外延片解理成0.3mm×0.3mm的管芯，压焊在管座上，LED器件制备完毕。

实施例2

本实施例的带电流调整层的AlGaInP系LED芯片的结构如图4和图5所示，与实施例1的不同之处是上电极1的形状为如图3所示的回形。

本实施例的制备方法与实施例1一致，只是步骤(2)中腐蚀的湿氧化孔的形状为回形，电流阻挡区11是从外延片侧面向中心氧化形成。

本发明中上电极1的形状也可以是星形、条形等其他任意形状，在制备过程中腐蚀的湿氧化孔的形状也要与这些形状一致。