本實用新型涉及一種黃光倒裝LED(發(fā)光二極管)的外延結構，屬于發(fā)光二極管的技術領域。

背景技術：

AlGaInP材料體系由日本研究人員在二十世紀八十年代中期首先提出，最初是被用來制造可見光的激光二極管(LD)，有源區(qū)均使用與GaAs襯底匹配的Ga_0.5In_0.5P材料,其對應的發(fā)光波長為650nm左右。研究發(fā)現(xiàn)在GaInP中引入Al組分可以進一步縮短發(fā)光波長，當Al含量超過0.53時AlGaInP將變?yōu)殚g接帶隙半導體，器件的發(fā)光效率急劇下降，因此AlGaInP材料一般只用來制備發(fā)光波長570nm以上的LED器件。經(jīng)過二十一世紀前后的發(fā)展，AlGaInP四元組分的LED器件設計與最初的相比發(fā)生了顯著的變化，器件設計多種多樣，并逐步成為信號指示、室內外照明的主力。

目前可見光區(qū)域的高亮LED主要使用AlGaInP材料體系，包括黃綠光LED、橙紅光LED、紅光LED及長波長紅光LED等，波長范圍(570，650)nm。其產品廣泛應用于室內外大屏幕顯示、交通信號燈、汽車尾燈、RGB高品質背光源等。

1994年采用MOCVD技術在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，將紅色和黃色雙異質結材料制成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構，紅光LED發(fā)光效率能達到73.7lm/W。

由于Ga_0.5In_0.5P與GaAs晶格匹配程度較高，而Al原子與Ga原子的半徑非常接近，因此(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P可以在GaAs襯底表面外延生長。對于我們的目標波長，AlGaInP材料體系在各方面均能滿足需求。與GaAs襯底匹配的AlGalnP材料系，通過外延生長調節(jié)Al組分的變化，可以實現(xiàn)從1.9eV至2.3eV的直接帶隙，對應的發(fā)光二極管波長為560nm到650nm，從而實現(xiàn)紅、橙、黃、綠色的多光色發(fā)光二極管。

量子阱作為半導體發(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結p-i-n結構，而后又發(fā)展產生了雙異質結有源層和多量子阱有源層。多量子阱結構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。多量子阱的結構設計，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，而其在生長平面內的運動仍然自由，因此量子阱材料也被稱為二維材料。紅黃光LED的量子阱有源區(qū)通常都很薄，厚度僅幾十到幾百nm，對應的單一量子阱結構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。

AlGaInP/AlGaInP多量子阱結構是比較常見的QW生長方式是利用不同的Al、Ga組分形 成帶隙差異，其中壘為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P非摻層，在MQW兩側有厚度相同的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P非摻層作為空間電荷區(qū)。有源區(qū)(AlxGa1-x)0.5In0.5P的直接帶隙變化范圍從1.9eV(x＝0)到2.23eV(x＝0.543)，對應的發(fā)光波長從650nm到550nm。而其最佳范圍為有源層(AlxGa1-x)0.5In0.5P的x值在0.2到0.43之間，對應的發(fā)光波長在橘紅到綠光。改變有源區(qū)的Al含量，發(fā)射波長可以在554-650nm之間調節(jié)。對應590nm的黃光LED，在阱中通入的Al流量，組份的細微波動都會引起發(fā)光波長偏離預期，因此(AlxGa1-x)yIn1-yP材料中x與y值的優(yōu)化與確定非常重要。

在生長(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP作為MQW材料時，如果y值不是0.5，則材料與GaAs襯底不匹配，此時會產生內部應力，隨著組份的不同表現(xiàn)出張應力或壓應力，其摩爾量與匹配值之差所占百分比稱為應變量。當y小于0.5時，Al和Ga的量不足，由于AlP和GaP的晶格常數(shù)比InP的晶格常數(shù)小，此時生長的材料會受到內部壓應力的影響，對應的應變稱為壓應變；當y大于0.5時，則為張應力，對應的應變稱為張應變。普通LED的有源區(qū)通常都很薄，但是黃光LED的能帶由于Al組分的比例較高，帶隙由直接帶隙逐步轉變成間接帶隙，內量子效率大幅下降，致使黃光波段LED產品亮度普遍較低。

中國專利文獻CN2016101795683公開的一種砷化鎵基底低亮度黃光發(fā)光二極管芯片及其制作方法。其技術特點為：在GaAs緩沖層與n型載流子限制層之間設有減反射層，同時在兩層p型載流子限制層之間設有p型反射吸收層。使用金屬有機化合物氣相沉積設備(MOCVD)將GaAs基片制備成具有低亮度黃光LED外延結構的低亮度黃光LED外延片，再將這種外延片經(jīng)過芯片工藝加工成獨立的LED芯片。其主要目的是不改變LED芯片外觀尺寸的前提下，降低四元系黃光LED法向光強。但是此種方法不適合在黃光倒裝LED結構中使用，其產品應用范圍無法滿足目前大規(guī)模LED亮化及高端大屏幕使用。

綜上所述，由于黃光LED的能帶Al組分的比例較高，帶隙由直接帶隙逐步轉變成間接帶隙，內量子效率大幅下降，致使黃光波段LED產品亮度普遍較低。因此通過優(yōu)化改善黃光應變量子阱有源層，增加空穴在有源層俘獲和電子空穴復合，提高內量子效率。同時通過優(yōu)化GaP的表面摻雜，實現(xiàn)梯度摻雜濃度，進一步提高外量子效率。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有黃光波段LED存在的亮度較低的不足，本實用新型提供一種具有較高內量子效率、亮度高的黃光倒裝LED外延結構。

本實用新型的黃光倒裝LED外延結構，采用以下技術方案：

該黃光倒裝LED外延結構，包括由下而上依次設置的襯底、緩沖層、腐蝕阻擋層、歐姆接觸層、粗化層、N限制層、N波導層、量子阱有源層、P波導層、P限制層和窗口層，量子阱有源層的應變量為10％-35％，GaP窗口層之上依次設置第一梯度高摻層、第二梯度高摻層和第三梯度高摻層。

上述結構中，緩沖層與襯底實現(xiàn)完美的晶格匹配，避免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；腐蝕阻擋層既能用于能帶的過渡又能在后續(xù)管芯工藝中起到腐蝕阻擋的作用，為后續(xù)粗化做準備；歐姆接觸層在倒裝LED中制作N面電極，起到電流擴展的作用；表面粗化層，因為倒裝LED為N面出光，粗化層在后續(xù)工藝做表面粗化， 提高光輸出效率，增加外量子效率；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，提高復合發(fā)光效率，通過禁帶寬度來限制注入有源區(qū)的電子空穴對，并將其限制，從而提高電子空穴復合對數(shù)，另一個是作為一個重要的窗口，使有源層發(fā)出的光子極容易通過限制層，來提高LED的發(fā)光效率；波導層生長在有源層與限制層之間，主要是為了阻滯雜質擴散影響有源層的內量子效率，同時提高電子空穴復合幾率，有效防止電子空穴一處有源層，降低發(fā)光效率；大應變量子阱有源層一方面是增加對載流子的約束，提高內量子效率，另一方面是波導層的材料的量子尺寸效應使其在不改變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率，較寬的禁帶寬度，相對較高的載流子濃度。

本實用新型在黃光倒裝LED中創(chuàng)造性的運用GaP梯度高摻層，第一二三梯度高摻層通過控制溫度梯度降溫，實現(xiàn)摻雜逐級提高，得到更高的載流子濃度,提高外量子效率。

所述襯底厚度為250-375μm；所述緩沖層的厚度為0.2-0.5μm；所述腐蝕阻擋層的厚度為0.1-0.8μm；所述歐姆接觸層的厚度為0.02-0.1μm；所述粗化層厚度為1-3.5μm；所述限制層的厚度為0.5-1μm；所述N波導層的厚度為0.15-0.5μm。

所述量子阱有源層的厚度為0.05-0.8μm。所述波導層的厚度為0.15-0.5μm。所述限制層的厚度為0.5-1μm。所述窗口層的厚度為2-10μm。所述第一梯度高摻層厚度為0.01-0.05μm。所述第二梯度高摻層厚度為0.01-0.05μm。所述第三梯度高摻層，厚度為0.01-0.05μm。

本實用新型通過使用大應變多量子阱有源層，增加空穴在有源層俘獲，有效提高電子空穴復合,得到較高的內量子效率。同時在GaP歐姆接觸層之上，通過控制溫度實現(xiàn)三步梯度降溫，得到第一二三高摻層,增加有效的外量子效率，實現(xiàn)26*26mil芯片19000mcd以上，進一步拓展了高亮度黃光LED的應用范圍。

附圖說明

圖1為本實用新型黃光倒裝LED外延結構的示意圖。

圖中：1、襯底，2、緩沖層，3、腐蝕阻擋層，4、歐姆接觸層，5、粗化層，6、N限制層，7、N波導層，8、大應變量子阱有源層，9、P波導層，10、P限制層，11、窗口層，12、第一梯度高摻層，13、第二梯度高摻層，14、第三梯度高摻層。

具體實施方式

如圖1所示。本實用新型的黃光倒裝LED外延結構，包括由下而上依次設置的GaAs襯底1、GaAs緩沖層2、GaInP腐蝕阻擋層3、GaAs歐姆接觸層4、AlGaInP粗化層5、AlInP限制層6、AlGaInP N波導層7、大應變量子阱有源層8、AlGaInP P波導層9、AlInP P限制層10、GaP窗口層11、第一梯度高摻層12、第二梯度高摻層13和第三梯度高摻層14。第一梯度高摻層12、第二梯度高摻層13和第三梯度高摻層的材料均為GaP。

GaAs襯底1厚度為250-375μm。GaAs緩沖層2的厚度為0.2-0.5μm，載流子濃度為1E17cm^-3～5E18cm^-3。GaInP腐蝕阻擋層3的厚度為0.1-0.8μm，載流子濃度為1E17cm^-3～5E18cm^-3。GaAs歐姆接觸層4的厚度為0.02-0.1μm，載流子濃度為1E17cm^-3～5E18cm^-3。AlxGa1-xInP表面粗化層5的厚度為1-3.5μm，載流子濃度為1E17cm^-3～5E18cm^-3,其中x為0.1-0.8。AlInP N限制層6的厚度為0.5-1μm，載流子濃度為5E17cm^-3～5E18cm^-3。AlGaInP N 波導層7的厚度為0.15-0.5μm，不摻雜。AlyGa1-yInP量子阱有源層8的厚度為0.05-0.8μm，不摻雜，其中Y為0.01-0.5，應變量為10％-35％。AlGaInP P波導層9的厚度為0.15-0.5μm，不摻雜。AlInP P限制層10的厚度為0.5-1μm，載流子濃度為1E18cm^-3～5E18cm^-3。GaP窗口層11的厚度為2-10μm，載流子濃度1E19cm^-3～1E20cm^-3。第一梯度高摻層12的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為1E19cm^-3～5E19cm^-3。第二梯度高摻層13的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為1E19cm^-3～1E20cm^-3。第三梯度高摻層14的厚度為0.01-0.05μm，載流子濃度為5E19cm^-3～5E20cm^-3。

上述黃光倒裝LED外延結構的制備方法，利用金屬有機化學氣相沉積法。