[发明专利]一种砷化镓基高电压黄绿光发光二极管芯片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及AlGaInP四元系发光二极管（LED）技术领域。

背景技术

图1展示了传统的正装AlGaInP四元系黄光LED的结构，即在GaAs基板101上，自下而上依次生长为缓冲层102、Bragg反射镜层103、n型限制层104、多量子阱有源区层105、p型限制层106和GaP窗口层107，并将第一电极108制作于GaP窗口层107上。其GaP窗口层107的主要作用是提供横向电流扩展，提升LED芯片发光亮度。

在AlGaInP四元系LED得到大面积推广前，GaP基黄绿光LED 是使用最为广泛使用的LED芯片。其特点是亮度需求不高，同时有大量的成熟的、针对其光电参数的驱动电路及全套使用方案。相较三元系LED，如今的GaAs基AlGaInP四元系黄绿光LED芯片可靠性更好，生产规模大、边际成本更小。然而，由于使用了不同的半导体材料 、禁带宽度不同，传统的四元系黄光LED的工作电压通常在1.9 V到2.2 V，低于GaP基二元系LED的2.3 V至3.0 V。虽然传统AlGaInP四元系LED芯片可以通过串联分立电阻的方式匹配原有为GaP基二元系LED设计的驱动电路，但这种方案会提升封装难度、增加封装成本。因此， 传统的GaAs基AlGaInP四元系LED无法直接替代低亮度的GaP基二元系LED芯片。

发明内容

本发明旨在不改变LED芯片外观尺寸、不增加分立电阻、不牺牲器件可靠性的前提下，提供一种使用MOCVD制造砷化镓基AlGaInP四元系、集成串联电阻的、20 mA工作电压超过2.3 V的高电压黄绿光LED芯片方案，从而扩宽AlGaInP四元系LED芯片的应用范围。

本发明包括依次设置在n型GaAs基片一侧的n型GaAs缓冲层、n型Bragg反射镜层、n型载流子限制层、多量子阱有源区层、p型载流子限制层、GaP电阻层和GaP窗口层，在GaP窗口层上设置第一电极，在n型GaAs基片的另一侧设置第二电极.

本发明的特点是：在p型载流子限制层和GaP窗口层之间还设置了GaP电阻层。

所述GaP电阻层材料同时掺有镁元素和硅元素，其块体电阻率>9×10^-3Ω⋅m。

本发明通过使用低载流子浓度n型GaAs基板，在芯片负极一侧增加串联电阻，该层紧贴封装底座、散热良好，串联电阻产生的热量不会对有源区产生影响；同时，通过补偿掺杂的GaP层增加正极的串联电阻，该层材料紧贴封装材料散热较好，同时GaP材料结合能比AlGaInP、禁带较宽、其光电特性和老化特性对温升不敏感。因此，本设计在不牺牲产品可靠性的同时将串联电阻集成在LED芯片中，在 20 mA工作电流条件下，7 mil ×7 mil尺寸LED芯片的工作电压可达2.35 V以上 ，可以直接使用与GaP基二元系高电压黄绿光LED兼容的驱动电路。

进一步地，本发明所述n型GaAs基片为室温下载流子浓度低于4×10¹⁷ cm^-3的低载流子浓度n型GaAs基片。这种GaAs基片电阻率较高、可以提升整个器件的内阻，从而提升LED器件工作电压。同时， LED结构中GaAs基板靠近第二电极、散热良好，该设计对芯片工作温度及稳定性影响较小。

所述GaP窗口层材料中同时使用镁元素作为p型掺杂剂，使用硅元素作为n型掺杂剂。以使n型、p型掺杂剂相互补偿并呈现特定的深度分布，实现GaP材料电阻率大于 9 ×10^-3Ω·m 。

另外，本发明还提出以上砷化镓基底高电压黄绿光发光二极管芯片的制作方法，包含以下步骤：

1）将n型GaAs基片置于MOCVD系统中的反应腔体中，加热至600℃～700℃，去除基片表面的钝化层，并于n型GaAs基片的一侧沉积形成n型GaAs缓冲层；

2）在GaAs 缓冲层之上沉积形成n型Bragg反射镜层；

3）在n型Bragg反射镜层上沉积形成 n型载流子限制层；

4）在n型载流子限制层上沉积形成多量子阱有源区层；

5）在多量子阱有源区层上沉积形成 p型载流子限制层；