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CN105742433B - 一种AlGaInP发光二极管 - Google Patents

一种AlGaInP发光二极管 Download PDF

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CN105742433B CN201610276669.2A CN201610276669A CN105742433B CN 105742433 B CN105742433 B CN 105742433B CN 201610276669 A CN201610276669 A CN 201610276669A CN 105742433 B CN105742433 B CN 105742433B
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Abstract

一种AlGaInP发光二极管，从下至上依次包括衬底，DBR反射层，N型半导体层，量子阱发光层，P型半导体层，过渡层和P型电流扩展层，所述DBR反射层采用多谱掺杂；所述P型半导体层包括与量子阱发光层相邻的第一P型半导体层以及与过渡层相邻的第二P型半导体层组成，所述第二P型半导体层的掺杂浓度小于所述第一P型半导体层。通过提升多谱DBR掺杂浓度有利于电流在DBR反射层中扩展，提升老化性能；通过降低与过渡层相邻段的P型半导体掺杂层，与过渡层形成浓度差，用于平衡过渡层掺杂，避免过渡层高掺杂在长时间老化中引入的非辐射复合增加，导致光衰，进一步提升老化性能。

Description

一种AlGaInP发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其是一种提升抗大电流老化性能的AlGaInP发光二极管。
背景技术
近几年，人们研究出各种方法来提升 AlGaInP系列发光二极管（英文为LightEmitting Diode，简称LED）的亮度，取得突破性进展，使得其在显示系统、照明系统、汽车系统等领域得到广泛应用。例如：中国专利号201210341574.6中提出至少有两个对应不同发射波长的布拉格反射层，扩大LED中反射波长的频宽，提升内量子效率。然而，在激烈的市场竞争中，为了降低成本，人们不断缩小芯片尺寸，却衍生出其它性能问题。当芯片面积缩小，比如芯片尺寸为7.0mil*7.0mil情况下，传统结构的LED在抗大电流老化性能明显变差，无法满足市场需求。因此，有必要在小尺寸芯片的大电流驱动情况下，对老化性能做研究和提升。
发明内容
本发明目的在于：提出一种AlGaInP发光二极管，以提升抗大电流老化性能。
本发明提供的技术方案包括：一种提升抗大电流老化性能的AlGaInP发光二极管，从下至上依次包括衬底，DBR反射层，N型半导体层，量子阱发光层，P型半导体层，过渡层和P型电流扩展层，所述DBR反射层采用多谱掺杂；所述P型半导体层包括与量子阱发光层相邻的第一P型半导体层以及与过渡层相邻的第二P型半导体层组成，所述第二P型半导体层的掺杂浓度小于所述第一P型半导体层。通过采用分段掺杂多谱DBR反射层，并提升DBR掺杂浓度；通过降低与过渡层相邻段的P型半导体掺杂层，形成一定厚度比和浓度比的分段P型半导体层。
经研究发现，在小尺寸的芯片下，DBR层的电流扩展变差是影响老化关键点，通过采用分段掺杂多谱DBR，可以使得在相同的电流密度下，DBR扩展效果更好。同时，在不影响电压的工艺窗口内，提升DBR的掺杂浓度，有利于电流更好扩展，明显的提升老化性能。另外，过渡层的掺杂浓度是影响老化的关键，传统方法通过降低过渡层的掺杂浓度改善老化，但降低掺杂后，会引起LED的电压VFavg变高。本发明通过降低与过渡层相邻段的P型半导体掺杂层，与过渡层形成浓度差，用于平衡过渡层掺杂，避免过渡层高掺杂在长时间老化中引入的非辐射复合增加，导致光衰；另通过保持与量子阱相邻段的P型半导体层掺杂浓度，控制电压，极大提升老化性能。
进一步地，所述衬底包括GaAs、GaP、Ge等适合外延生长的衬底。
进一步地，所述DBR反射层，采用多谱DBR，材料优选AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs，0＜x≤1，0＜y＜1。
进一步地，所述多谱DBR，反射波段分为三段，第一DBR反射层反射波段在700-750nm，第二DBR反射层反射波段在650-700nm，第三DBR反射层反射波段在600-650nm。
进一步地，所述多谱DBR，第一DBR反射层对数介于2-7对，第二DBR反射层对数介于6-12对，第三DBR反射层对数介于13-20对。
进一步地，所述多谱DBR，掺杂杂质为Si、Sn、S、Se、Te中的一种。
进一步地，所述多谱DBR，第一DBR反射层掺杂浓度介于7×1018~1×1020cm-3；第二DBR反射层掺杂浓度低于第一DBR反射层，掺杂浓度介于5×1018~1×1020cm-3；第三DBR反射层掺杂浓度低于第二DBR反射层，掺杂浓度介于2×1018~1×1020cm-3。
进一步地，N型半导体层采用GaAs、AlxGayIn1-x-yP、AlxIn(1-x)P，优选AlxIn(1-x)P，0＜x＜1。
进一步地，N型掺杂，掺杂杂质为Si、Sn、S、Se、Te中的一种。
进一步地，N型掺杂浓度介于0.5×1018~3.0×1018cm-3。
进一步地，量子阱发光层的材料选择AlxGayIn1-x-yP，0＜x＜1，0＜y＜1。
进一步地，P型半导体材料与N型半导体材料一致，优择AlxIn(1-x)P，0＜x＜1。
进一步地，P型掺杂的掺杂杂质为Be、Mg、Zn、Cd、C中的一种。
进一步地，分段P型半导体层，包括与量子阱相邻段的第一P型半导体层和与过渡层相邻段的第二P型半导体层。
进一步地，与量子阱相邻段的第一P型半导体层掺杂浓度为0.7×1018~1.5×1018cm-3。
进一步地，与量子阱相邻段的第一P型半导体层厚度介于0.3~1.0μm之间。
进一步地，与过渡层相邻段的第二P型半导体层掺杂浓度为0.28×1018~1.2×1018cm-3。
进一步地，与过渡层相邻段的第二P型半导体层厚度介于0.03~0.3μm之间。
进一步地，第二P型半导体层厚度为第一P型半导体层厚度的10%~30%。
进一步地，第二P型半导体层掺杂浓度为第一P型半导体层掺杂浓度40%~80%。
进一步地，过渡层采用AlxGayIn1-x-yP材料组分渐变生长，0<x<1，0<y<1，x+y<1。
进一步地，过渡层掺杂浓度介于1.5×1018~4.0×1018cm-3。
进一步地，P型电流扩展层采用GaP，掺杂采用Mg。
进一步地，P型电流扩展层的厚度介于2-10μm。
本发明相对于现有技术，至少包括以下技术效果：在LED结构中，采用分段掺杂多谱DBR可以有效提升电流扩展，提升老化性能；在不影响电压的工艺窗口内，提升DBR的掺杂浓度可以进一步提升老化性能。另外，通过降低与过渡层相邻段的P型半导体掺杂层，与过渡层形成浓度差，用于平衡过渡层掺杂，避免过渡层高掺杂在长时间老化中引入的非辐射复合增加，导致光衰；通过保持与量子阱相邻段的P型半导体层掺杂浓度，控制电压，极大提升可靠性能。本发明对于面积不超过50mil2的发光二极管，驱动电流大于或等于100mA的条件下，提升老化性能尤为明显。
附图说明
附图用来提供对本发明进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，不构成本发明限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为传统AlGaInP发光二极管结构示意图。
图2为本发明实施例1和例2中AlGaInP发光二极管结构示意图。
图3为本发明实施例3和例4中AlGaInP发光二极管结构示意图。
图示说明：100：衬底，110：DBR反射层，120：N型半导体层，130：量子阱发光层，140：P型半导体层，150：过渡层，160：P型电流扩展层；200：衬底，210：DBR反射层，211：第一DBR反射层，212：第二DBR反射层，213：第三DBR反射层，220：N型半导体层，230：量子阱发光层，240：P型半导体层，241：第一P型半导体层，242：第二P型半导体层，250：过渡层，260：P型电流扩展层，270：P电极，280：N电极。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种AlGaInP发光二极管，包括以下工艺步骤：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在衬底200上依次外延生长第一DBR反射层211，第二DBR反射层212，第三DBR反射层213，N型半导体层220，量子阱发光层230，P型半导体层240，过渡层250和P型电流扩展层260。
本发明描述的AlGaInP发光二极管的制作工艺，以高纯氢气（H2）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）分别作为Ga、Al、In、As、P源，用硅烷（Si2H6）、二茂镁（Cp2Mg）分别作为N、P 型掺杂剂。具体方法描述如下：
提供一GaAs衬底。
在GaAs衬底表面脱氧，温度选择650-750度，优先选择700度，通入AsH3。
在衬底上生长多谱DBR 反射层，材料选择AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs，0＜x≤1，0＜y＜1，x=0，y=0.5。
先生长第一DBR反射层211，反射波长为720nm，对数优选6对，掺杂浓度2.0×1019cm-3；接着再生长第二DBR反射层212，反射波长为670nm，对数优选10对，掺杂浓度1.0×1019cm-3；最后生长第三DBR反射层213，反射波长为630nm，对数优选14对，掺杂浓度6.0×1018cm-3。
在第三DBR反射层213之上生长N型半导体层220，材料优先选择AlxIn(1-x)P，0＜x＜1，掺杂为Si。
在N型半导体层220之上生长量子阱发光层230。发光层材料选择AlxGayIn1-x-yP，0＜x＜1，0＜y＜1。
在量子阱发光层230之上生长P型半导体层240，掺杂浓度为1.0×1018cm-3，厚度优选0.65μm。
在P型半导体层240上生长过渡层250，过渡层采用AlxGayIn1-x-yP材料，各组分渐变生长，0 <x<1，0 <y<1，x+y<1。
在过渡层250上生长P型电流扩展层260，采用GaP，厚度介于2-10μm，优选5μm。
新型AlGaInP结构LED，在制备P型电极270和 N型电极280后，以5.8mil*5.8mil的小尺寸芯片为评价，在100mA，50℃的高温下，长期老化光衰值可控在负8%之内。与传统结构（负20%以上）相比，性能得到提升。
实施例2
如图2所示，本实施例2区别于实施例1在于，提升多谱DBR掺杂浓度，将三段DBR掺杂浓度分别提升20%。即：第一DBR反射层211的掺杂浓度2.4×1019 cm-3，第二DBR反射层212的掺杂浓度1.2×1019cm-3，第三DBR反射层213的掺杂浓度7.2×1018 cm-3，其余结构保持不变。
新型AlGaInP结构LED，制备P型电极270和N型电极280后，以5.8mil*5.8mil的小尺寸芯片为评价，在100mA，50℃的高温下，长期老化光衰值可控在负5%之内。由此可见，通过提升DBR掺杂浓度，可以明显提升小尺寸芯片抗大电流性能。但并非DBR掺杂越高越好，较高的掺杂引起杂质，引起串联电阻增加，电压VFavg会升高。DBR掺杂浓度控制在1×1020cm-3以内。
实施例3
本实施例3区别于实施例2在于，在实施例2基础上降低与过渡层相邻的第二P型半导体层的掺杂浓度，制备出分段掺杂P型半导体层。如图3所示，在230 量子阱发光层之上生长P型半导体层，优选AlxIn(1-x)P。将生长温度调至670度，反应室的压力设定60Torr，掺杂选择Mg。生长与量子阱发光层相邻的第一P型半导体层241时，需通入Cp2Mg，并保持流量设定不变，持续通入10min，掺杂浓度为1.0×1018cm-3，生长厚度约0.5μm。接着生长与过渡层相邻的第二P型半导体层242时，需采用1min渐变方式将Mg流量降低20%，然后稳定生长3min，保持掺杂浓度为0.8×1018cm-3。厚度约0.15μm，为第一P型半导体层的30%。这样制备出分段掺杂P型半导体层结构。
新型AlGaInP结构LED，制备P型电极270和N型电极280后，以尺寸5.8mil*5.8mil的小尺寸芯片为评价，在100mA，50℃的高温下，长期老化光衰值可控在负3%之内。说明通过降低与过渡层相邻的P型半导体层掺杂浓度，有效提升抗大电流老化性能。
实施例4
本实施例4区别于实施例3在于：与量子阱相邻的第一P型半导体层生长时间加长，与过渡层相邻第二P型半导体层生长时间缩短，以优化厚度比。第二P型半导体层掺杂流量设定值降低为第一P型半导体层的50%，约0.5×1018cm-3，以优化掺杂比。
P型半导体是在量子阱发光层之上。将生长温度调至670度，反应室压力设定60Torr，掺杂选择Mg。生长第一P型半导体层时，需通入Cp2Mg，并保持流量设定不变，持续通入12min，掺杂浓度为1.0×1018cm-3，生长厚度约0.6μm。生长第二P型半导体层时，需采用1min渐变方式将Mg流量降低50%，然后稳定生长1.8min，保持掺杂浓度为0.5×1018cm-3。厚度约0.09μm，为第一P型半导体层的15%。制备出较优性能的分段P型半导体结构。
本实施例4在实施例3进一步优化了分段P型掺杂层结构，在掺杂浓度比和厚度比上做了进一步的优化。实施例4更大幅度降低与过渡层相邻的第二P型半导体层掺杂，会使老化性能更优，同时通过增加第一P型半导体层的厚度和缩短第二P型半导体层的厚度，来保证电压VFavg稳定。通过优化该厚度比和掺杂比方案，能更好提升抗大电流老化性能，极大提升LED可靠性。
新型AlGaInP结构LED，制备P型电极270和N型电极280后，以5.8mil*5.8mil的小尺寸芯片为评价，在100mA电流，50℃的高温下，长期老化光衰值可控在负1.5%之内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种AlGaInP发光二极管，从下至上依次包括衬底，DBR反射层，N型半导体层，量子阱发光层，P型半导体层，过渡层和P型电流扩展层，其特征在于：所述DBR反射层采用多谱掺杂，包括第一DBR反射层，第二DBR反射层，第三DBR反射层，第一DBR反射层掺杂浓度高于第二DBR反射层，第二DBR反射层掺杂浓度高于第三DBR反射层；所述P型半导体层包括与量子阱发光层相邻的第一P型半导体层以及与过渡层相邻的第二P型半导体层组成，所述第二P型半导体层的掺杂浓度小于所述第一P型半导体层。
2.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的面积不超过50mil2，驱动电流大于等于100mA的条件下，以提升老化性能。
3.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第三DBR反射层掺杂浓度介于2×1018~1×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第一DBR反射层反射波段在700-750nm，第二DBR反射层反射波段在650-700nm，第三DBR反射层反射波段在600-650nm。
5.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第一DBR反射层对数介于2-7对，第二DBR反射层对数介于6-12对，第三DBR反射层对数介于13-20对。
6.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第二P型半导体层的掺杂浓度为所述第一P型半导体层的掺杂浓度的40%~80%。
7.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第一P型半导体层的掺杂浓度为0.7×1018~1.5×1018cm-3，第二P型半导体层的掺杂浓度为0.28×1018~1.2×1018cm-3。
8.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第二P型半导体层的厚度为所述第一P型半导体层的厚度的10%~30%。
9.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述第一P型半导体层的厚度介于0.3-1.0μm之间，第二P型半导体层的厚度介于0.03-0.3μm之间。
10.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述过渡层的掺杂浓度介于1.5×1018~4.0×1018cm-3。
11.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管，其特征在于：所述过渡层采用AlxGayIn1-x-yP材料，各组分渐变生长，0 <x<1，0<y<1，x+y<1。
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