專利名稱：高效發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基本電氣元件中的一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，尤其是涉及一種制造高效率高亮度半導(dǎo)體發(fā)光二極管的技術(shù)。
近年來，隨著發(fā)光二極管應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對發(fā)光二極管的要求越來越高，特別是對發(fā)光二極管的亮度要求從一般的幾十毫燭光到高亮度幾百毫燭光甚至到超高亮度幾個燭光，并提出彩色顯示的要求。隨之而來的是新材料、新結(jié)構(gòu)及新的制造技術(shù)的發(fā)展。磷化鋁鎵銦(AlGaInP)四元系化合物混晶可以實現(xiàn)從紅光到綠光發(fā)光，并且用有機金屬氣相淀積法(MOCVD)可以實現(xiàn)以雙異質(zhì)結(jié)或多量子阱結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管器件“D.V Morgan等，ELECTRONICS LETTERS,Vol.29 No.22(1993),p.1991；HidetoSugawara等，Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.33(1994),pp.5784-5787”。但是由于AlGaInP材料作上限制層時電阻率很高，使得從上電極注入的電流集中在上電極下，發(fā)光區(qū)也集中在上電極下，所發(fā)射的光大部分被上電極反射或吸收，限制了發(fā)光二極管的發(fā)光效率和亮度。為了提高發(fā)光二極管的效率和亮度，有許多不同的改良結(jié)構(gòu)和技術(shù)被研究推出。改良的方式主要集中在以導(dǎo)電性較好的導(dǎo)電層連接在上限制層上，來增強電流的橫向擴展，或利用導(dǎo)電性反型層來阻擋電極下電流的注入。美國專利5,008,718提出在上限制層上生長高鋁組分的砷化鋁鎵(AlGaAs)電流擴展層，厚度在7微米以上，但高鋁組分的砷化鋁鎵相對砷化鎵(GaAs)有一定的晶格失配，給厚層的生長帶來一定困難，并且高鋁組分的砷化鋁鎵易于氧化使其導(dǎo)電性降低；中國專利CN1126376A提出以磷化鎵GaP材料為窗戶層通過透光導(dǎo)電薄膜燒結(jié)到磷化鋁鎵銦上限制層上；美國專利5,153,889提出在上電極下電流擴展層中生長一層與電流擴展層具有相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體結(jié)晶層，利用掩蔽腐蝕技術(shù)把上電極覆蓋區(qū)以外的相反導(dǎo)電類型的結(jié)晶層腐蝕掉，再進(jìn)行第二次生長較厚的電流擴展層。這些改良技術(shù)大大提高了發(fā)光二極管的效率和亮度，但其制造技術(shù)難度較大，成本較高。
本發(fā)明的目的在于提出一種利用金屬氣相淀積法，以氧化砷化鋁結(jié)晶層在上電極下形成高電阻率的電流阻擋區(qū)，減小出光面電極對出射光的吸收，并在砷化鋁鎵導(dǎo)電層中摻入少量的磷所組成的高效發(fā)光二極管及其制造方法，它可改善晶格的完整性和抑制生長過程中的氧化，提高其導(dǎo)電性，所以提高了發(fā)光效率，這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、制造技術(shù)可靠、成本較低的優(yōu)點，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案在于發(fā)光二極管器件的主體結(jié)構(gòu)是一個具有第一導(dǎo)電型的砷化鎵襯底，該襯底的背面有第一電極，又稱下電極；一個生長于該襯底上的第一導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層，又稱下限制層；一個生長于下限制層上的非故意摻雜的磷化鋁鎵銦單層(或多層量子阱結(jié)構(gòu)的)活型區(qū)(發(fā)光區(qū))；一個生長于該活性區(qū)上的第二導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層，又稱上限制層，一個具有第二導(dǎo)電型的砷化鋁鎵(AlGaAs)/砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層，并摻入少量磷；砷化鋁(AlAs)層可以是鋁組分變化的砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs),x值從0.8變化到1再變化到0.8；一個具有第二導(dǎo)電類型的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層，其上形成第二電極(又稱上電極)。利用光刻掩蔽化學(xué)腐蝕將夾層結(jié)構(gòu)中的砷化鋁結(jié)晶層暴露出來，通過氮氣攜帶的水汽對砷化鋁結(jié)晶層進(jìn)行氧化形成高電阻率電流阻擋區(qū)。
本發(fā)明的制造方法，有如下步驟；1)在具有第一導(dǎo)電型的砷化鎵襯底上，生長一層厚度在1-2微米之間的第一導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層(稱下限制層)；2)在下限制層上生長一個非故意摻雜的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)單層(或多層量子阱陷結(jié)構(gòu)活型區(qū)(發(fā)光區(qū))；3)在活型區(qū)上再生長一層具有第二導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層，稱上限制層；4)在磷化鋁鎵上限制層上接著生長一層具有第二導(dǎo)電型的砷化鋁鎵(AlGaAs/砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展區(qū)，并摻入少量的磷；
5)在擴展層上再生長一層具有第二導(dǎo)電類型的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層；6)在材料生長完成后，利用光刻掩蔽化學(xué)腐蝕方法從材料表面將夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層中的砷化鋁結(jié)晶層暴露出來，形成氧化窗口；7)通過氮氣攜帶的水汽，在350℃到500℃的條件下，對砷化鋁結(jié)晶進(jìn)行氧化形成局部的高電阻率的電流阻擋區(qū)；8)利用真空蒸鍍技術(shù)或其他電極制備技術(shù)在材料上下表面分別形成相應(yīng)導(dǎo)電類型的金屬電極。
由于本發(fā)明在上電極下形成高電阻率的電流阻擋區(qū)，有電流注入的發(fā)光區(qū)被限制在上電極覆蓋面以外的區(qū)域，減小了上電極的吸收。提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率，特別是在小電流的情況下，電流也能擴展到上電極以外的區(qū)域，大大改善了小電流下的發(fā)光特性。由于砷化鋁與砷化鋁鎵在水汽中的氧化速度差別很大，一般在100∶1以上，并且對作為歐姆接觸層的GaAs不氧化，所以該方案是可行的。本發(fā)明在砷化鋁鎵電流擴展層中摻入少量的磷，磷在砷化鋁鎵中可以減小高鋁組分的砷化鋁鎵與砷化鎵的晶格失配，對生長較厚的砷化鋁鎵的質(zhì)量有較大的改善，并且在生長過程中磷的摻入對高鋁組分的砷化鋁鎵的氧化有抑制作用，提高了砷化鋁鎵的導(dǎo)電性。本發(fā)明采用了組分緩變的砷化鋁鎵(AlGaAs)/砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)夾層結(jié)構(gòu)，減緩了砷化鋁氧化后形成的應(yīng)力，使結(jié)晶層能承受管芯制備中切割和壓焊的沖擊。本發(fā)明各結(jié)晶層利用技術(shù)成熟的有機金屬氣相淀積法(MOCVD)形成的。因此本發(fā)明具有實用價值。


圖1為發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)的剖面圖下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明的較佳具體實施例，如圖1所示，本發(fā)明的發(fā)光二極管是在具有第一導(dǎo)電型(負(fù)電性n型、正電性p型)的砷化鎵襯底11上，相繼生長一個第一導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P限制層12(又稱下限制層),x≥0.7，厚度1-2微米；一個非故意摻雜的磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x≤0.4)單層(或多層量子阱結(jié)構(gòu)(Alx1Ga1-x1)0.5In0.5P/(Alx2Ga1-x2)0.5In0.5P,0≤x1≤0.4,0.4≤x2≤0.6)的活型區(qū)13，厚度在0.1-1微米之間；一個具有第二導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)0.5In0.5P限制層14(又稱上限制層),x≥0.7，厚度1-2微米；一個具有第二導(dǎo)電型的砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)/砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層15、16、17,0.7≤x≤0.8并摻入少量磷，磷的克分子含量在0.1％-2％之間，厚度大于5微米，砷化鋁(AlAs)層可以是鋁組分變化的砷化鋁鎵混晶，從該層的一側(cè)到另一側(cè)，(AlxGa1-xAs),x從0.8增加到1再減小到0.8，其中的變化可以是線性的，也可以是拋物線關(guān)系，厚度在0.01-0.2微米之間，決定砷化鋁層位置的15層(AlxGa1-xAs)的厚度在0.1到1微米之間；一個具有第二導(dǎo)電類型的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層18。利用光刻掩蔽化學(xué)腐蝕將夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層中的砷化鋁結(jié)晶層暴露出來，形成氧化窗口1A，腐蝕液可以是磷酸過氧化氫水的混合物，比例在1∶1∶5-1∶1∶20之間，窗口可以是圓形的或方形或其他圖形的，其直徑或邊長或橫向尺寸在5-15微米之間，腐蝕深度在砷化鋁層與發(fā)光區(qū)之間。通過氮氣攜帶的水汽(將氮氣通過80℃左右的水)在350℃到500℃的條件下對砷化鋁結(jié)晶層進(jìn)行氧化形成局部的高電阻率電流阻擋區(qū)1B。利用真空蒸鍍技術(shù)在結(jié)晶片上下表面分別形成相應(yīng)導(dǎo)電類型的金屬電極10、19。
綜上所述，本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)簡單、制造技術(shù)可靠、成本較低的具有實用價值的新的高效半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制造技術(shù)。
權(quán)利要求
1．一種高效發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于它包括有襯底、下限制層、活型區(qū)(發(fā)光區(qū))、上限制層、擴展區(qū)和歐姆接觸層；其中在具有第一導(dǎo)電型的砷化鎵襯底上，用化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法先生長厚度在1-2微米之間的第一導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層；然后生長厚度在0.1-1微米之間的一個非故意摻雜的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)單層或多層量子阱結(jié)構(gòu)活型區(qū)(發(fā)光區(qū))；再生長厚度在1-2微米之間的具有第二導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)上限制層；接著生長厚度大于5微米的具有第二導(dǎo)電型的砷化鋁鎵(AlGaAs)/砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層，并摻入少量磷；最后生長一個具有第二導(dǎo)電類型的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層。在材料生長完成后，利用光刻掩蔽化學(xué)腐蝕方法從材料上表面將夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層中的砷化鋁結(jié)晶層暴露出來，形成氧化窗口，最后利用真空蒸鍍技術(shù)在材料上下表面分別形成相應(yīng)導(dǎo)電類型的金屬電極。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效發(fā)光二極管，其特征在于砷化鋁及砷化鋁鎵結(jié)晶層位于作為電流擴散層的砷化鋁鎵(AlGaAs)結(jié)晶層之間，其厚度在0.01-0.2微米之間。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效發(fā)光二極管，其特征在于砷化鋁及砷化鋁鎵結(jié)晶層可以摻有一定量的磷，磷的克分子含量在0.1％-2％之間。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效發(fā)光二極管，其特征在于所說的砷化鋁鎵，其混晶層摻有一定的磷，磷的克分子含量在0.5％-2％之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效發(fā)光二極管，其特征在于所說的砷化鋁(AlAs)，其結(jié)晶層通過氮氣攜帶的水汽在350℃-500℃溫度下氧化形成的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管及其制造方法，其特征在于所說的阻擋區(qū)，它是通過光刻化學(xué)腐蝕的氧化窗口氧化形成的，該腐蝕液可以是磷酸過氧化氫水的混合物，其比例為1∶1∶5-1∶1∶20之間。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效發(fā)光二極管，其特征在于所說的氧化窗口，它為圓形或方形，或其它圖形，其直徑或邊長在5-15微米之間，深度達(dá)到砷化鋁結(jié)晶層處或砷化鋁結(jié)晶層下發(fā)光區(qū)上的某個位置。
8．一種按權(quán)利要求1所說的高效發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，它有如下步驟1)在其有第一導(dǎo)電型的砷化鎵襯底上，生長一層厚度在1-2微米之間的第一導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層；2)在限制層上生長一個非故意摻雜的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)單層，或多層量子阱結(jié)構(gòu)(發(fā)光區(qū))活型區(qū)；3)在活型區(qū)上再生長一層具有第二導(dǎo)電型的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層；4)在磷化鋁鎵銦(AlGaInP)限制層上接著生長一層具有第二導(dǎo)電型的砷化鋁鎵(AlGaAs)砷化鋁(AlAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展區(qū)，并摻入少量的磷；5)在擴展層上再生長一層具有第二導(dǎo)電類型的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層；6)在材料生長完成后，利用光刻掩蔽化學(xué)腐蝕方法從材料表面將夾層結(jié)構(gòu)的電流擴展層中的砷化鋁結(jié)晶層暴露出來，形成氧化窗口；7)通過氮氣攜帶的水汽，在350℃到500℃的條件下，對砷化鋁結(jié)晶進(jìn)行氧化形成局部的高電阻率的電流阻擋區(qū)；8)利用真空蒸鍍技術(shù)在材料上下表面分別形成相應(yīng)導(dǎo)電類型的金屬電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及基本電氣元件中的一種半導(dǎo)體及其器件方法。它主要是通過減小發(fā)光二極管發(fā)光側(cè)電極對光的吸收,利用金屬氣相淀積法制造的高效發(fā)光二極管,它包括有襯底、下限制層、活型區(qū)、上限制層、擴展層、歐姆接觸層,其中磷化鋁鎵銦(AlGaInP)混晶層12、13、14形成雙異質(zhì)結(jié)或多量子阱發(fā)光區(qū),各結(jié)晶層是用有機金屬氣相淀積法連續(xù)形成的。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制造技術(shù)可靠、以及成本低,因此具有實用性。
文檔編號H01L33/00GK1222769SQ98100008
公開日1999年7月14日 申請日期1998年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月6日
發(fā)明者王國宏, 馬驍宇, 曹青, 王樹堂, 李玉璋, 陳良惠 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所