一種GaAs基發(fā)光二極管及其制作方法
【專利摘要】一種GaAs基發(fā)光二極管及其制作方法，依次包括襯底，DBR反射層，N型半導體層，量子阱發(fā)光層，P型半導體層，過渡層和GaP電流擴展層，其特征在于：所述過渡層包括組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，所述GaP電流擴展層采用先高溫后低溫生長方式。過渡層能有效地將位錯線壓制在界面處；高溫GaP電流擴展層，與界面處理層相接，能更進一步地把延伸到界面層上的位錯線壓制在該高溫GaP電流擴展層中，為后續(xù)高質(zhì)量GaP電流擴展層生長提供良好的基礎(chǔ)。
【專利說明】
一種GaAs基發(fā)光二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電器件領(lǐng)域，尤其是一種GaAs基發(fā)光二極管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年，LED飛速發(fā)展，在市場上得到廣泛的應(yīng)用。在LED技術(shù)領(lǐng)域中，亮度提升一直是研究熱點，并取得突破性進展。在GaAs基LED中，主要有通過倒裝結(jié)構(gòu)、DBR反射結(jié)構(gòu)或提升電流注入密度等方法提升出光效率。例如:中國專利號201010260023.8中，針對亮度提升，提出了一種具有電流阻塞結(jié)構(gòu)的垂直發(fā)光二極管，在電極和圖形化的GaP窗口層之間形成以空氣為介質(zhì)的中空電流阻塞結(jié)構(gòu)，減少電流從電極底部擴展，更多電流從GaP窗口層四周擴展，提升外量子效率。
[0003]然而，在激烈市場競爭中，為了降低成本，需要不斷縮小芯片尺寸，當芯片尺寸小于7mil*7mil(芯片面積低于49mil2)，各種已知的提亮LED結(jié)構(gòu)會衍生出其它性能問題，尤其是抗高壓ESD性能明顯變差。雖然LED亮度得到提升，但是ESD性能變差，容易被擊穿，嚴重影響產(chǎn)品在市場上應(yīng)用。因此有必要針對ESD性能做研究和提升。
[0004]在GaAs基LED結(jié)構(gòu)中，GaP具有高面電導和高透明度的優(yōu)勢，被廣泛運用于電流擴展窗口。但缺點是GaP和GaAs之間的晶格失配度高達3.6%，在P型半導體層和GaP界面處產(chǎn)生高密度位錯。研究發(fā)現(xiàn)，GaP電流擴展層結(jié)晶質(zhì)量直接決定抗ESD性能。為了制備出高質(zhì)量GaP電流擴展層，人們也研究出各種方法，例如組分漸變方法。該方法已經(jīng)被廣泛運用，然而該結(jié)構(gòu)在小尺寸芯片下，ESD性能變得較差。研究發(fā)現(xiàn)，主要原因是采用該過渡方法，仍在界面處產(chǎn)生較多位錯線，位錯線延伸到GaP電流擴展層，影響結(jié)晶質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種GaAs基發(fā)光二極管及其制作方法，以提升發(fā)光二極管抗ESD性能。
[0006]本發(fā)明提供技術(shù)方案為:一種GaAs基發(fā)光二極管，依次包括襯底，DBR反射層，N型半導體層，量子阱發(fā)光層，P型半導體層，過渡層和GaP電流擴展層，其特征在于:所述過渡層包括組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，所述GaP電流擴展層包括依次形成高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層。
[0007]進一步地，首先在P型半導體層上外延一組分漸變薄層材料，然后生長一低溫低速GaP層，該層結(jié)晶質(zhì)量較差，目的在于更好壓制位錯線，再通入PH3對界面進行處理，對界面處形成的懸掛鍵進行鈍化，形成界面處理層，最后生長GaP電流擴展層。生長GaP電流擴展層時，首先生長一高溫GaP電流擴展層，通過在界面處理層后生長一高溫GaP電流擴展層，與界面處理層相接，能更進一步地將延伸到界面層上的位錯線壓制在該層中，為后續(xù)高質(zhì)量GaP電流擴展層的生長提供良好基礎(chǔ)。最后降溫生長所需GaP電流擴展層。
[0008]進一步地，所述P型半導體層，可選擇GaAs、AlxGayIm—x—yP、AlxIm—XP中一種，優(yōu)先選擇 Alxlm—χΡ，0<χ<1 ο
[0009]進一步地，所述組分漸變層材料采用(AlxGa1-x)yIm—yP，其中0<x<0.5，0.4<y<
1.0ο
[0010]進一步地，所述(AlxGa1-x)yIm—yP組分漸變層，X逐漸變小，y逐漸變大。
[0011]進一步地，所述組分漸變層，摻雜雜質(zhì)為Be、Mg、Zn、Cd、C中的一種，優(yōu)先選擇Mg，摻雜濃度介于I.5 X 118?4.0 X 1018cm-3。
[0012]進一步地，所述組分漸變層的厚度介于150-400nm。
[0013]進一步地，所述低溫低速GaP層是指在組分漸變層上生長一 GaP層。
[0014]進一步地，所述低溫低速GaP層，摻雜雜質(zhì)為Be、Mg、Zn、Cd、C中的一種，優(yōu)先選擇Mg，摻雜濃度介于I.5 X 118?4.0 X 1018cm—3。
[0015]進一步地，所述低溫低速GaP層，厚度介于400-1500nm。
[0016]進一步地，所述低溫低速GaP層形成后，采用PH3進行界面處理，形成界面處理層。
[0017]進一步地，所述界面處理層，生長時需關(guān)閉Ga源流量，保持PH3的流量不變，持續(xù)通入2min，且溫度漸變上升。
[0018]進一步地，所述GaP電流擴展層采用先高溫后低溫生長方式。
[0019]進一步地，所述高溫GaP電流擴展層的生長溫度比所述低溫GaP電流擴展層的生長溫度高20_100°C。
[0020]進一步地，所述高溫GaP電流擴展層的生長溫度介于750-790°C之間，厚度介于
0.2-1.0ym0
[0021]進一步地，所述低溫GaP電流擴展層的生長溫度介于690-730°C之間，厚度介于2-1Oum0
[0022]本發(fā)明還提供一種GaAs基發(fā)光二極管的制作方法:包括:提供一襯底，并在所述襯底上依次制作DBR反射層，N型半導體層，量子阱發(fā)光層，P型半導體層，過渡層和GaP電流擴展層，其特征在于:所述過渡層包括組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，GaP電流擴展層包括高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層，依次采用組分漸變、低溫低速GaP技術(shù)和界面處理技術(shù)制備組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，依次采用高溫和低溫方式制備高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層。
[0023]進一步地，所述襯底采用GaAs。
[0024]進一步地，所述DBR反射層，優(yōu)先選擇AlxGai—xAs/AlyGa1-yAs，0<x<I，0<y< I。
[0025]進一步地，所述N型半導體層采用GaAs、AlxGayIni—x—yP、AlxIn(ι—χ)Ρ，優(yōu)先選擇Α1χΙη(ι—χ)Ρ，0<χ<1 ο
[0026]進一步地，所述N型摻雜，摻雜雜質(zhì)為S1、Sn、S、Se、Te中的一種，優(yōu)先選擇Si摻雜。[0027 ] 進一步地，所述量子講發(fā)光層，選擇AlxGayIn1-X—yP，0<x<l，0<y<l。
[0028]進一步地，所述P型半導體層位于量子阱發(fā)光層上，摻雜雜質(zhì)為Be、Mg、Zn、Cd、C中的一種，優(yōu)先選擇Mg，摻雜濃度介于0.7 X 1018cm—3?1.5 X 1018cm—3。
[0029]進一步地，所述過渡層位于P型半導體之上。
[0030]進一步地，所述低溫低速GaP層生長溫度介于640-670°C之間，比P型半導體層溫度低20-60°C，生長速率介于3-10A/s。
[0031]進一步地，所述GaP電流擴展層采用先高溫后低溫生長方式。
[0032]進一步地，所述GaP電流擴展層位于過渡層之上。
[0033]進一步地，所述高溫GaP電流擴展層的生長溫度介于750-790°C之間，厚度介于0.2-1.0ym0
[0034]進一步地，所述低溫GaP電流擴展層的生長溫度介于690-730°C之間，厚度介于2-1Oum0
[0035]進一步地，所述GaP電流擴展層，整個生長速率介于25-40A/S之間。
[0036]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，至少包括以下技術(shù)效果:通過采用組分漸變、低溫低速GaP技術(shù)、界面處理技術(shù)結(jié)合制備過渡層結(jié)構(gòu)，采用高溫和低溫方式制備GaP電流擴展層。制備的過渡層，能有效地將位錯線壓制在界面處;制備高溫GaP電流擴展層，與界面處理層相接，能更進一步地把延伸到界面層上的位錯線壓制在該高溫GaP電流擴展層中，為后續(xù)高質(zhì)量GaP電流擴展層生長提供良好的基礎(chǔ)。該外延結(jié)構(gòu)的LED制備成小尺寸芯片后，抗ESD性能得到明顯的提升，解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LED在小尺寸條件下ESD性能較差問題。
【附圖說明】
[0037]附圖用來提供對本發(fā)明進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明實施例一起用于解釋本發(fā)明，不構(gòu)成本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0038]圖1為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)GaAs基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2本實施例1的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖3本實施例2的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ]圖4本實施例2的發(fā)光二極管溫度示意圖。
[0042]圖示說明:
100:襯底，110:DBR反射層，120:N型半導體層，130:量子阱發(fā)光層，140: P型半導體層，150:組分漸變層，160: GaP電流擴展層；
200:襯底，210: DBR反射層，220: N型半導體層，230:量子阱發(fā)光層，240: P型半導體層，250:過渡層，251:組分漸變層，252:低溫低速GaP層，253:界面處理層，260: GaP電流擴展層。
[0043]300:襯底，310: DBR反射層，320: N型半導體層，330:量子阱發(fā)光層，340: P型半導體層，350:過渡層，351:組分漸變層，352:低溫低速GaP層，353:界面處理層，360: GaP電流擴展層，361:尚溫GaP電流擴展層，362:低溫GaP電流擴展層。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合示意圖對本發(fā)明進行詳細的描述，在進一步介紹本發(fā)明之前，應(yīng)當理解，由于可以對特定的實施例進行改造，因此，本發(fā)明并不限于下述的特定實施例。還應(yīng)當理解，由于本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定，因此所采用的實施例只是介紹性的，而不是限制性的。除非另有說明，否則這里所用的所有技術(shù)和科學用語與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所普遍理解的意義相同。
[0045]實施例1
如圖2所示，本實施例提供一種GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，包括以下工藝步驟:采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在襯底200上依次外延生長DBR反射層210、N型半導體層220、量子阱發(fā)光層230、P型半導體層240、過渡層250以及GaP電流擴展層260，其中過渡層250包括組分漸變層251、低溫低速GaP層252、界面處理層253，GaP電流擴展層260采用同一生長溫度。
[0046]本發(fā)明描述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，以高純氫氣(H2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)、砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)分別作為Ga、Al、In、As、P源，用硅烷(Si2H6)、二茂鎂(Cp2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。具體方法描述，如圖2所示:
使用GaAs襯底100。
[0047]在GaAs襯底表面脫氧，溫度選擇650-750度，優(yōu)先選擇700°C，通入AsH3。
[0048]在襯底上生長DBR反射層210，材料選擇AlxGa1-xAs/AlyGai—yAs，0<x彡 I，0<y< I。
[0049]在DBR反射層210上生長N型半導體層220，材料選擇Α1χΙη(1-χ)Ρ，0<χ<1，摻雜為Si0
[0050]在N型半導體層220之上生長量子阱發(fā)光層230，材料選擇AlxGayIm-x—yP，0<x<l，
0<y<lo
[0051 ] 在量子阱發(fā)光層230之上生長P型半導體層240，材料選擇AlxInu-χ)Ρ，0<χ<1，摻雜為Mg。
[0052]在P型半導體層240上生長組分漸變層251。首先，P型半導體層生長完后，溫度和壓力保持不變。溫度介于660-700°C之間，優(yōu)擇690°C，壓力介于60-100Torr，優(yōu)先選擇60Torr。通入Al、Ga，形成(AlslGa1-X1 )ylIm-ylP，接著Al流量逐漸變小，Ga流量逐漸變大，In流量逐漸變小，生長1.5min，形成(Alx2Ga1I2)y2Imi2P，整個過程流量采用漸變生長方式，選取0<x<
0.5，0.4<y<1.0，本實施例選擇xi=0.4，yi=0.5，X2=0.2，y2=0.8。由P型半導體層至組分漸變層時，摻雜Mg的流量需進行突變，摻雜濃度為2.5 X 1018cm—3，厚度約200nm。
[0053]接著在組分漸變層251上生長低溫低速GaP層252。停止通入Al，Ga、In，保持PH3的流量不變，通入另一路Ga源，將溫度突變降低300C，生長速率控制在5.0A/s，生長2.5min，厚度為750nm，摻雜Mg的流量再次突變至3.0 X 1018cm—3。
[0054]生長完低溫低速GaP層252之后，關(guān)閉Ga流量，保持PH3的流量持續(xù)2min，溫度漸變提升60 V，利于界面處理，形成界面處理層253，通過PH3對界面處理，鈍化界面處形成的懸掛鍵，為更好生長GaP型電流擴展層做好準備。
[0055]最后在界面處理層253上，生長GaP電流擴展層260。通入Ga源，提升Ga的流量，生長速率提升至30A/s，溫度保持720°C不變，生長出晶格質(zhì)量好的GaP電流窗口層。如圖2所示。
[0056]本實施例制作的GaAs基LED外延結(jié)構(gòu)，以4英寸外延片為例，經(jīng)電極制備，并切割成尺寸5.2mil*5.2mil的小尺寸芯片為評價，在8000V的條件下，ESD通過率高達80%，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED相比(8000V通過率僅40%)，明顯得到提升。研究說明，通過在該過渡層上，能生長出高質(zhì)量的GaP電流擴展層，提升抗ESD性能。
[0057]實施例2
本實施例區(qū)別于實施例1在于:GaP電流擴展層采用先高溫后低溫方式制備。在界面處理層生長完之后，將溫度突變上升生長一層高溫GaP，再突變降溫至所需GaP電流擴展層生長溫度進行生長。
[0058]如圖3和4所示，采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在襯底300上依次外延生長DBR反射層310、N型半導體層320、量子阱發(fā)光層330、P型半導體層340、過渡層350以及GaP電流擴展層360 ο其中過渡層350包括組分漸變層351、低溫低速GaP層352、界面處理層353。GaP電流擴展層包括高溫GaP電流擴展層361和低溫GaP電流擴展層362。
[0059]在界面處理層353上，首先生長高溫GaP電流擴展層361。溫度由720°C突變提升50V至770 0C，并通入Ga源，提升Ga的流量，生長速率提升至30A/s，生長3min，厚度約0.54ym，接著突變降低至720°C，再生長所需GaP電流窗口層。生長時間28min，生長厚度約5μπι。
[0060]本實施例制作的GaAs基LED外延結(jié)構(gòu)，以4英寸外延片為例，經(jīng)電極制備，并切割成尺寸5.2mil*5.2mil的小尺寸芯片為評價，在8000V的條件下，ESD通過率高達90%，與實施例1相比，進一步提升ESD性能。可見在生長所需的GaP電流擴展層之前，生長一高溫GaP電流擴展層，可以更加有效提升ESD性能。藉由生長該高溫GaP電流擴展層，更能有效將位錯線壓制，有利于生長高質(zhì)量的GaP電流擴展層。
[0061]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種GaAs基發(fā)光二極管，依次包括襯底，DBR反射層，N型半導體層，量子阱發(fā)光層，P型半導體層，過渡層和GaP電流擴展層，其特征在于:所述過渡層包括組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，所述GaP電流擴展層包括依次形成高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基發(fā)光二極管，其特征在于:所述低溫低速GaP層形成后，采用PH3進行界面處理，形成界面處理層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基發(fā)光二極管，其特征在于:所述高溫GaP電流擴展層的生長厚度介于0.2-1μηι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs基發(fā)光二極管，其特征在于:所述低溫GaP電流擴展層的生長厚度介于2-10μηι。5.一種GaAs基發(fā)光二極管的制作方法:包括:提供一襯底，并在所述襯底上依次制作DBR反射層，N型半導體層，量子阱發(fā)光層，P型半導體層，過渡層和GaP電流擴展層，其特征在于:所述過渡層包括組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，GaP電流擴展層包括高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層，依次采用組分漸變技術(shù)、低溫低速GaP技術(shù)和界面處理技術(shù)制備組分漸變層、低溫低速GaP層和界面處理層，依次采用高溫和低溫方式制備高溫GaP電流擴展層和低溫GaP電流擴展層。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述低溫低速GaP層的生長溫度介于640-670 °C之間，比P型半導體層溫度低20-60 °C，壓力介于60-1OOTorr，生長速率介于3-lOA/s。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述界面處理層在形成過程中，溫度漸變上升。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述高溫GaP電流擴展層的生長溫度比所述低溫GaP電流擴展層的生長溫度高20-100°C。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述高溫GaP電流擴展層的生長溫度介于750-790 °C之間。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAs基發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述低溫GaP電流擴展層的生長溫度介于690-730°C之間。
【文檔編號】H01L33/00GK105914265SQ201610291711
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】鄭元宇, 鄭建森, 伍明躍, 周啟倫, 邱財華, 羅宵, 林峰, 李水清, 吳超瑜, 蔡坤煌
【申請人】廈門市三安光電科技有限公司