本實用新型涉及一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，屬于發(fā)光二極管的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

LED是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)的縮寫。

在部分半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，載流子復(fù)合時釋放的能量會以光的形式發(fā)射，把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。通過注入載流子形成發(fā)光復(fù)合，利用這種注入式電致發(fā)光原理制作的二極管就是發(fā)光二極管，通稱LED。

LED的發(fā)光效率和發(fā)光顏色取決于制作LED的材料和工藝，目前廣泛使用的顏色有紅、藍、綠、白、黃。由于LED工作電壓低(僅1.5～3V)，其亮度又能用電壓(或電流)調(diào)節(jié)，并且具有耐沖擊、抗振動、壽命長(10萬小時)的特點，被認為是降能耗節(jié)電的最佳實現(xiàn)途徑。資料顯示，LED光源比白熾燈節(jié)電87％、比熒光燈節(jié)電50％，而壽命比白熾燈長20～30倍、比熒光燈長10倍。另外，LED光源還具有體積小、環(huán)保、節(jié)能、壽命長、響應(yīng)快、安全、色彩豐富、可控等一系列獨特優(yōu)點。

1990年之前，半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究重點是AlGaAs材料，而由于AlGaAs材料的特性，其發(fā)光波長最短只能到680nm左右，出于對更短波長光源的迫切需要，使得人們紛紛把注意力轉(zhuǎn)向有更大帶隙的AlGaInP材料上去。

最先使用AlGaInP材料的是T.Suzuki等人，他們在1982年時研制了AlGaInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光器，他們發(fā)現(xiàn)Al_0.5In_0.5P/Ga_0.5In_0.5P/Al_0.5In_0.5P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光熒光強度是單層Ga_0.5In_0.5P的十倍。1991年，美國HP公司的Craford等人和日本東芝公司研制成功了AlGaInP發(fā)光二極管，并于1994年采用MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上成功外延。其后Craford等人又開發(fā)了GaP透明襯底技術(shù)，將紅色和黃色雙異質(zhì)結(jié)材料制成LED，其發(fā)光效率提高到20lm/W，這就使LED的發(fā)光效率超過了白熾燈的15lm/W，之后又提高到40lm/W，近幾年由于采用多量子阱結(jié)構(gòu)，紅光LED發(fā)光效率能達到73.7lm/W。而采用截頭錐體倒裝結(jié)構(gòu)技術(shù)，紅光LED發(fā)光效率能達到102lm/W，外量子效率提高了5-7倍。

量子阱作為半導(dǎo)體發(fā)光二極管的核心，對LED亮度等參數(shù)影響顯著。最早的發(fā)光二極管通常采用雙異質(zhì)結(jié)p-i-n結(jié)構(gòu)，而后又發(fā)展產(chǎn)生了雙異質(zhì)結(jié)有源層和多量子阱有源層。多量子阱結(jié)構(gòu)能增強對載流子的限制作用，減小載流子的泄露，另一方面，對于鋁鎵銦磷發(fā)光二極管還可以利用量子尺寸效應(yīng)在不增加Al組分的情況下得到較低的發(fā)射波長，從而實現(xiàn)較高的輻射效率及較高的亮度，同時減小光譜峰半高寬，并提高器件的可靠性。多量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要考慮的是能夠在盡量低的A1組分阱區(qū)材料下獲得特定的波長。在量子阱中，電子沿生長方向的運動受到限制，而其在生長平面內(nèi)的運動仍然自由，因此量子阱材料也被稱為二維材料。紅光LED的量子阱有源區(qū)通常都很薄，厚度僅幾十到幾百nm，對應(yīng)的單一量子阱結(jié)構(gòu)的勢阱和勢壘的厚度僅有十幾nm，這對材料生長控制的各項工藝參數(shù)有很高的要求。

目前LED的材料生長主要依靠MOCVD完成，典型的MOCVD設(shè)備由氣體、MO源輸運系統(tǒng)和反應(yīng)室，以及尾氣處理和控制系統(tǒng)構(gòu)成，氣體、MO源輸運系統(tǒng)的功能是向反應(yīng)室輸運各種經(jīng)過濃度和流量控制的反應(yīng)物，通常具有流量控制、壓力控制等功能。反應(yīng)室系統(tǒng)是MOCVD的核心部件，在反應(yīng)室內(nèi)，輸運系統(tǒng)提供的反應(yīng)物在高溫下裂解，并在襯底材料的表面發(fā)生反應(yīng)進行外延生長。反應(yīng)完后的剩余氣體和反應(yīng)殘余物，通過尾氣系統(tǒng)排出。而控制系統(tǒng)對流量、壓力、溫度和時間精確的控制貫穿外延生長的全過程。隨著反應(yīng)的進行，各類不同的反應(yīng)物在襯底表面外延出不同組分的材料，逐步實現(xiàn)實驗或生產(chǎn)需要的整體外延層結(jié)構(gòu)。

LED具有廣泛的波長范圍，也是未來發(fā)展清潔能源的有效手段之一，如何在現(xiàn)有手段提高單片產(chǎn)出率成為了現(xiàn)階段工作的重點。目前的LED結(jié)構(gòu)主要是在2寸或者4寸GaAs襯底上生長AlGaInP材料，來獲得高亮度LED。雖然AlGaInP紅光LED的研究已經(jīng)取得很大的進展，一臺MOCVD一爐可以實現(xiàn)3-60片的產(chǎn)量，但是受襯底表面氧化層和邊緣外延材料沉積效率影響，以6.2mil管芯小于40mcd為例，目前LED外延片普遍在5％-15％，嚴(yán)重影響單片產(chǎn)出率，如何提高外延片邊緣良率成為目前重點研究的方向。

中國專利CN104300058A公開了一種含摻雜寬勢壘結(jié)構(gòu)的黃綠光LED，包括在GaAs襯底的一面生長的緩沖層、布拉格反射層、第一限制層、非摻雜超晶格第一有源層、摻雜寬勢壘結(jié)構(gòu)層、非摻雜超晶格第二有源層、第二限制層、GaP窗口層，在GaP窗口層上設(shè)置有第一電極，在GaAs襯底的另一面設(shè)置有第二電極。本實用新型可提高有源區(qū)的空穴注入，提升電子空穴復(fù)合效率，從而較大地提高產(chǎn)品光效，提升2％～4％芯片合格率。此實用新型主要利用摻雜寬勢壘結(jié)構(gòu)層來提高產(chǎn)品光效和芯片良率，但是沒有提出解決外延生長過程中消除氧和碳的方式方法，對外延片邊緣良率提高作用較小。

綜上所述，由于紅光LED生長環(huán)境對含氧化物極為敏感，氧含量過多會導(dǎo)致LED亮度和電壓等各項光電參數(shù)達不到理想要求，無法滿足更高生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。目前，在生產(chǎn)過程中由于襯底開封或者儲存過程中與空氣接觸所導(dǎo)致GaAs襯底表層氧含量過高以及外延邊緣沉積效應(yīng)導(dǎo)致紅光LED邊緣小于40mcd部分變大，直接影響管芯產(chǎn)出良率。業(yè)內(nèi)針對此種情況主要是通過在通入材料之前通過高溫清洗進行，一般氣體為H₂和N₂為主。氣體清洗的好處是不另外新增結(jié)構(gòu)，直接在生長前完成對襯底氧化層的處理。但是其弊端是無法消除表面氧化層對后續(xù)結(jié)構(gòu)的影響，不能對邊緣低亮部分(小于40mcd)進行有效的改善來提高管芯產(chǎn)出率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)；

根據(jù)GaAs襯底表面高氧層，本實用新型紅光LED外延結(jié)構(gòu)加入AlGaAs緩沖層，消除GaAs襯底表面氧化層對外延生長質(zhì)量的影響，減少外延過程中氧和碳對邊緣亮度影響，降低外延片邊緣沉積效應(yīng)。以邊緣小于40mcd芯粒為例，由原來占芯粒總量的7％以上降低至2％以內(nèi)，極大提高了亮度均勻性和管芯成品良率。

術(shù)語解釋

三五族比:在單位時間內(nèi)同時進入外延反應(yīng)室的三族元素摩爾量與五族元素摩爾量比值。

單片產(chǎn)出率:單片外延片產(chǎn)出大于40mcd管芯的占總管芯量的比例。

本實用新型的技術(shù)方案為：

一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，包括由下而上依次設(shè)置的GaAs襯底、AlGaAs緩沖層、GaAs緩沖層、AlGaAs/AlAs DBR、AlInP N限制層、AlGaInP N波導(dǎo)層、MQW量子阱有源層、AlGaInP P波導(dǎo)層、AlInP P限制層、GaP窗口層。

AlGaAs緩沖層用于消除GaAs襯底表面氧化層對外延生長質(zhì)量的影響，提高外延生長質(zhì)量；GaAs緩沖層用于和GaAs襯底實現(xiàn)完美的晶格匹配，避免GaAs襯底表面與新生長材料帶來的缺陷與位錯，并為下一步生長提供了新鮮的界面；AlGaAs/AlAs DBR組成復(fù)合布拉格反射層，作用是利用兩種折射率不同的材料組成的周期性層狀結(jié)構(gòu)將MQW量子阱有源層射向GaAs襯底的光反射并從頂部射出，從而大大提高出光率，并且AlGaAs/AlAs DBR4與GaAs襯底匹配度較高，具有較高的反射率，對器件的電化學(xué)特性影響較小；AlInP N限制層及AlInP P限制層主要有兩個作用，一個是限制少數(shù)載流子不溢出有源層，提高復(fù)合發(fā)光效率，通過禁帶寬度來限制注入MQW量子阱有源層的電子空穴對，并將其限制，從而提高電子空穴復(fù)合對數(shù)，另一個是作為一個重要的窗口，使MQW量子阱有源層發(fā)出的光子極容易通過AlInP N限制層及AlInP P限制層，來提高LED的發(fā)光效率；AlGaInP波導(dǎo)層生長在有源層與限制層之間，主要是為了阻滯雜質(zhì)擴散影響有源層的內(nèi)量子效率，同時提高電子空穴復(fù)合幾率，有效防止電子空穴一處有源層，降低發(fā)光效率；MQW量子阱有源層一方面是增加對載流子的約束，提高內(nèi)量子效率，另一方面是AlGaInP P波導(dǎo)層的材料的量子尺寸效應(yīng)使其在不改變Al組分的情況下，獲得較短的波長，從而獲得較高的出光效率和發(fā)光亮度；電流擴展層會具有較高的電導(dǎo)率，較寬的禁帶寬度，相對較高的載流子濃度。

根據(jù)本實用新型優(yōu)選的，所述AlGaAs緩沖層的厚度為0.1-0.8μm。

此處設(shè)計的優(yōu)勢在于，所述AlGaAs緩沖層的厚度配合載流子濃度實現(xiàn)GaAs襯底與GaAs緩沖層的電壓過渡，并且完成去除襯底表層水氧的作用。

進一步優(yōu)選，所述AlGaAs緩沖層的厚度為0.2-0.8μm。

最優(yōu)選的，所述AlGaAs緩沖層的厚度為0.5μm。

根據(jù)本實用新型優(yōu)選的，所述GaAs襯底厚度為250-375μm；所述GaAs緩沖層的厚度為0.2-0.5μm；所述AlGaAs/AlAs DBR為8-30對AlGaAs/AlAs DBR；每一個AlGaAs/AlAs DBR生長循環(huán)周期為一對AlGaAs/AlAs DBR，所述AlGaAs/AlAs DBR對數(shù)可根據(jù)生長要求亮度；所述AlInP N限制層的厚度為0.5-1μm；所述AlGaInP N波導(dǎo)層的厚度為0.15-0.5μm；所述MQW量子阱有源層的厚度為0.05-0.5μm；所述AlGaInP P波導(dǎo)層的厚度為0.15-0.5μm；所述AlInP P限制層的厚度為0.5-1μm；所述GaP窗口層的厚度為3-10μm。

本實用新型的有益效果為：

1、本實用新型通過在生長GaAs緩沖層之前生長AlGaAs緩沖層，將表面氧化層通過AlGaAs緩沖層進行分解吸收，最大程度的減少了襯底表面氧化層對后續(xù)外延結(jié)構(gòu)的影響，本實用新型所述紅光LED外延結(jié)構(gòu)使得外延片邊緣良率提升5％-7％以上。

附圖說明

圖1為本實用新型一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖；

1、GaAs襯底，2、AlGaAs緩沖層，3、GaAs緩沖層，4、AlGaAs/AlAs DBR，5、AlInP N限制層，6、AlGaInP N波導(dǎo)層，7、MQW量子阱有源層，8、AlGaIn P波導(dǎo)層，9、AlInP P限制層，10、GaP窗口層；

圖2為現(xiàn)有的紅光LED結(jié)構(gòu)的晶圓圖；

圖3為實施例3所述紅光LED結(jié)構(gòu)的晶圓圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本實用新型作進一步限定，但不限于此。

實施例1

一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括由下而上依次設(shè)置的GaAs襯底1、AlGaAs緩沖層2、GaAs緩沖層3、AlGaAs/AlAs DBR4、AlInP N限制層5、AlGaInP N波導(dǎo)層6、MQW量子阱有源層7、AlGaInP P波導(dǎo)層8、AlInP P限制層9、GaP窗口層10。

AlGaAs緩沖層2用于消除GaAs襯底1表面氧化層對外延生長質(zhì)量的影響，提高外延生長質(zhì)量；GaAs緩沖層3用于和GaAs襯底1實現(xiàn)完美的晶格匹配，避免GaAs襯底1表面與新生長材料帶來的缺陷與位錯，并為下一步生長提供了新鮮的界面；AlGaAs/AlAs DBR4組成復(fù)合布拉格反射層，作用是利用兩種折射率不同的材料組成的周期性層狀結(jié)構(gòu)將MQW量子阱有源層7射向GaAs襯底1的光反射并從頂部射出，從而大大提高出光率，并且AlGaAs/AlAs DBR4與GaAs襯底1匹配度較高，具有較高的反射率，對器件的電化學(xué)特性影響較?。籄lInP N限制層5及AlInP P限制層9主要有兩個作用，一個是限制少數(shù)載流子不溢出有源層，提高復(fù)合發(fā)光效率，通過禁帶寬度來限制注入MQW量子阱有源層7的電子空穴對，并將其限制，從而提高電子空穴復(fù)合對數(shù)，另一個是作為一個重要的窗口，使MQW量子阱有源層7發(fā)出的光子極容易通過AlInP N限制層5及AlInP P限制層9，來提高LED的發(fā)光效率；AlGaInP波導(dǎo)層生長在有源層與限制層之間，主要是為了阻滯雜質(zhì)擴散影響有源層的內(nèi)量子效率，同時提高電子空穴復(fù)合幾率，有效防止電子空穴一處有源層，降低發(fā)光效率；MQW量子阱有源層7一方面是增加對載流子的約束，提高內(nèi)量子效率，另一方面是AlGaInP P波導(dǎo)層8的材料的量子尺寸效應(yīng)使其在不改變Al組分的情況下，獲得較短的波長，從而獲得較高的出光效率和發(fā)光亮度；電流擴展層會具有較高的電導(dǎo)率，較寬的禁帶寬度，相對較高的載流子濃度。

AlGaAs緩沖層2的厚度為0.1μm，GaAs襯底1厚度為250μm；GaAs緩沖層3的厚度為0.2μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括8對AlGaAs/AlAs DBR4；每一個AlGaAs/AlAs DBR4生長循環(huán)周期為一對AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4對數(shù)可根據(jù)生長要求亮度；AlInP N限制層5的厚度為0.5μm，AlGaInP N波導(dǎo)層6的厚度為0.15μm；MQW量子阱有源層7的厚度為0.05μm；AlGaInP P波導(dǎo)層8的厚度為0.15μm；AlInP P限制層9的厚度為0.5μm；GaP窗口層10的厚度為3μm。

實施例2

實施例1所述的一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，

AlGaAs緩沖層2的厚度為0.8μm。GaAs襯底1厚度為375μm；GaAs緩沖層3的厚度為0.5μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括30對AlGaAs/AlAs DBR4；每一個AlGaAs/AlAs DBR4生長循環(huán)周期為一對AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4對數(shù)可根據(jù)生長要求亮度；AlInP N限制層5的厚度為1μm；AlGaInP N波導(dǎo)層6的厚度為0.5μm；MQW量子阱有源層7的厚度為0.5μm；AlGaInP P波導(dǎo)層8的厚度為0.5μm；AlInP P限制層9的厚度為1μm；GaP窗口層10的厚度為10μm。

實施例3

實施例1所述的一種高均勻性的紅光LED外延結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，

AlGaAs緩沖層2的厚度為0.5μm。GaAs襯底1厚度為310μm；GaAs緩沖層3的厚度為0.4μm；AlGaAs/AlAs DBR4包括15對AlGaAs/AlAs DBR4，載流子濃度為6E17cm^-3；每一個AlGaAs/AlAs DBR4生長循環(huán)周期為一對AlGaAs/AlAs DBR4，AlGaAs/AlAs DBR4對數(shù)可根據(jù)生長要求亮度；AlInP N限制層5的厚度為0.7μm；AlGaInP N波導(dǎo)層6的厚度為0.3μm；MQW量子阱有源層7的厚度為0.3μm；AlGaInP P波導(dǎo)層8的厚度為0.3μm；AlInP P限制層9的厚度為0.7μm；GaP窗口層10的厚度為7μm。

實施例3LED結(jié)構(gòu)的晶圓圖如圖3所示；

對比例

現(xiàn)有的紅光LED結(jié)構(gòu)的晶圓圖如圖2所示，實施例3LED結(jié)構(gòu)的晶圓圖如圖3所示，以40mcd邊緣亮度比例作為對比標(biāo)準(zhǔn)，以6.2mil*6.2mil管芯(0.00025cm²)為例，2寸外延片面積為20.09cm²，即理論上產(chǎn)出為8100顆；現(xiàn)有的紅光LED結(jié)構(gòu)小于40mcd占比為7.8％的管芯數(shù)量約為6318顆；圖3的紅光LED結(jié)構(gòu)低于40mcd占比為1.2％的管芯數(shù)量約為912顆；以2寸外延片計算，減少不良芯粒約為5406顆。單片產(chǎn)出提高約為5406顆，增加7％左右。

通過對大量管芯參數(shù)統(tǒng)計比較得出，在現(xiàn)有的紅光LED結(jié)構(gòu)生長的邊緣低于40mcd占比保持在5％-10％左右，導(dǎo)致產(chǎn)品良率低成本增加，而在對外延結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，外延片邊緣效應(yīng)明顯降低，40mcd以下占比由原來的7％以上降低至目前的2％以內(nèi)，產(chǎn)品良率提高5％-7％左右。