[发明专利]AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种AlGaInP四元系发光二极管外延片及其生长方法。 

背景技术

由于体积小、寿命长、驱动电压低等优点，发光二极管自1968年问世以来，早已成为日常生活中不可或缺的光电元件。发光二极管的应用相当广泛，大致可分为可见光和不可见光波段，目前可见光波段普遍应用生活中多种产品，如手机、PDA产品背光源、交通信号灯等。不可见光波段应用在无线通讯中，如遥控器、感测器、通讯用的光源等。 

在可见光长波的发光波段，III-V族磷化物(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P材料是一种很好的选择，有源区(Al_XGa_1-X)_0.5In_0.5P材料直接带隙的变化范围从1.9eV(x＝0)到2.23eV(x＝0.543)，对应的发射波长从650nm到550nm，覆盖红光到黄绿光。在此光谱范围内已经基本取代了内量子效率很低的间接带隙材料GaP和GaAsP。AlGaInP独特的材料特性，非常适合发展高亮度发光二极管。关于发光效率的提升，改善方法很多。例如：生长GaP材料作为窗口层，提高电流扩展能力，其材料有很大的带隙，对红光到黄绿光波段无吸收，而且通过表面粗化技术提高发光二极管的出光效率；生长带有布拉格反射镜结构的发光二极管，能有效的提升发光二极管的发光效率。DBR是由两种折射率不同的材料组成的周期性结构，每层厚度为1/4介质波长。它可以将有源区向下发射的光反射到器件出光面，避免被GaAs衬底吸收，从而提高发光效率。带DBR结构的LED的优势是器件基本结构一次外延形成，材料与衬底晶格匹配，反射率高，不影响器件的电学性能。M.R.Krames等人利用特殊的刀片工具，将AlGaInP LED制作成倒金字塔形状，这种结构可以使内部反射的光从侧面发出，光有效的被提取出来，这种芯片键合到透明基板上，可以实现50％以上的外量子效率。为了减少GaAs衬底对光的吸收，K.Steubel采用wafer-bonding工艺，将AlGaInP LED与GaP键合，在GaAs衬底生长出外延结构后，用选择性化学腐蚀的方法去除N型GaAs衬底，并将剩余晶片键合到GaP基板上。也可以键合到其它基板，如硅、铜等。这种结构的特点是电流扩展性较好，无衬底吸收，芯片的出光效率较高，适合 制作大功率器件。但此种工艺步骤较多，并且较复杂，在大规模生产中控制困难，影响器件的良品率。Shuqiang Li等人在蓝宝石衬底上外延生长了AlGaInP发光二极管。采用设计的磷化镓缓冲层抑制蓝宝石与AlGaInP材料晶格失配和热失配的影响。但蓝宝石衬底与外延层晶体结构差异很大，很难避免外延层缺陷的产生，工艺较复杂，不适合大规模生产。 

发明内容

本发明提出了一种新颖的外延结构，在GaP衬底上外延生长AlGaInP发光二极管外延片，通过一步外延生长的形式直接制成透明衬底结构外延片，避免wafer-bonding工艺的复杂性，具体结构见附图1。通过以下技术方案来实现： 

AlGaInP四元系发光二极管外延片，其结构自下而上包括N型GaP衬底、N型GaP缓冲层、N型Ga_xIn_1-xP缓冲层、N型AlInP层、未掺杂多量子阱层、未掺杂AlInP阻挡层、P型AlInP层、P型GaInP层、P型GaP层和P型GaAs覆盖层，所述的N型Ga_xIn_1-xP缓冲层包括至少5层，各层厚度自下而上逐渐减小，各层固态镓的摩尔系数x自下而上逐渐减小，且0＜x＜1。 

本发明的一种优选方案为所述的N型Ga_xIn_1-xP缓冲层包括5-12层，最底层为120nm厚，各层厚度自下而上逐渐递减的幅度为10-20nm，各层固态镓的摩尔系数x自下而上递减幅度为0.05-0.1。 

本发明的最优方案为所述的N型Ga_xIn_1-xP缓冲层包括5层，厚度自下而上依次为120nm、100nm、80nm、50nm、30nm，对应固态镓的摩尔系数x分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5。 

所述的未掺杂多量子阱层材料为AlGaInP，阱垒厚度比为0.7-0.9，每个周期厚度为 周期数为15-25。 

所述的未掺杂多量子阱的优选方案为阱垒厚度比为0.85，每个周期厚度为 周期数为20。