高效发光二极管及其制造方法

1.一种高效发光二极管，它包括有衬底、下限制层、活型区、上限制 层、扩展区和欧姆接触层；其特征在于：其中在具有第一导电型的砷化镓衬 底上，用化学气相淀积方法先生长厚度在1-2微米之间的第一导电型的磷 化铝镓铟限制层；然后生长厚度在0.1-1微米之间的一个非故意掺杂的磷 化铝镓铟单层或多层量子阱结构活型区；再生长厚度在1-2微米之间的具 有第二导电型的磷化铝镓铟上限制层；接着生长厚度大于5微米的具有第二 导电型的砷化铝镓/砷化铝/砷化铝镓夹层结构的电流扩展层，并掺入少量 磷；最后生长一个具有第二导电类型的砷化镓欧姆接触层；在上述各层生长 完成后，利用光刻掩蔽化学腐蚀方法从最后生长的欧姆接触层上表面将夹层 结构的电流扩展层中的砷化铝结晶层暴露出来，形成氧化窗口，最后利用真 空蒸镀技术在最后生长的欧姆接触层上下表面分别形成相应导电类型的金 属电极。
2.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其特征在于：砷化铝及砷 化铝镓结晶层位于作为电流扩散层的砷化铝镓结晶层之间，其厚度在 0.01-0.2微米之间。
3.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其特征在于：砷化铝及砷 化铝镓结晶层可以掺有一定量的磷，磷的克分子含量在0.1％-2％之间。
4.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其特征在于：所说的砷化 铝镓的夹层结构掺有一定的磷，磷的克分子含量在0.5％-2％之间。
5.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其特征在于：所说的砷化 铝，其结晶层通过氮气携带的水汽在350℃-500℃温度下氧化形成的。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所说的氧化形成 的氧化窗口，它是通过光刻化学腐蚀形成的，该方法所用的腐蚀液可以是磷 酸∶过氧化氢∶水的混合物，其比例为1∶1∶5-1∶1∶20之间。
7.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其特征在于：所说的氧化 窗口，它为圆形或方形，或其它图形，其直径或边长在5-15微米之间，深 度达到砷化铝结晶层处或砷化铝结晶层下发光区上的某个位置。
8.一种按权利要求1所说的高效发光二极管的制造方法，其特征在于， 它有如下步骤：
1)在其有第一导电型的砷化镓衬底上，生长一层厚度在1-2微米之间 的第一导电型的磷化铝镓铟限制层；
2)在限制层上生长一个非故意掺杂的磷化铝镓铟单层，或多层量子阱 结构活型区；
3)在活型区上再生长一层具有第二导电型的磷化铝镓铟限制层；
4)在磷化铝镓铟限制层上接着生长一层具有第二导电型的砷化铝镓砷 化铝/砷化铝镓夹层结构的电流扩展区，并掺入少量的磷；
5)在扩展层上再生长一层具有第二导电类型的砷化镓欧姆接触层；
6)在材料生长完成后，利用光刻掩蔽化学腐蚀方法从材料表面将夹层 结构的电流扩展层中的砷化铝结晶层暴露出来，形成氧化窗口；
7)通过氮气携带的水汽，在350℃到500℃的条件下，对砷化铝结晶进 行氧化形成局部的高电阻率的电流阻挡区；
8)利用真空蒸镀技术在最后生长的欧姆接触层上下表面分别形成相应 导电类型的金属电极。

本发明属于基本电气元件中的一种半导体器件及其制造方法，尤其 是涉及一种制造高效率高亮度半导体发光二极管的技术。\n近年来，随着发光二极管应用领域的拓展，对发光二极管的要求越来 越高，特别是对发光二极管的亮度要求从一般的几十毫烛光到高亮度几百毫 烛光甚至到超高亮度几个烛光，并提出彩色显示的要求。随之而来的是新材 料、新结构及新的制造技术的发展。磷化铝镓铟(AlGaInP)四元系化合物 混晶可以实现从红光到绿光发光，并且用有机金属气相淀积法(MOCVD)可 以实现以双异质结或多量子阱结构为基础的发光二极管器件“D.V Morgan 等，ELECTRONICS LETTERS，Vol.29 No.22(1993)，p.1991；Hideto Sugawara 等，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.33(1994)，pp.5784-5787”。但是由于AlGaInP材料作上限制层时电阻率很高，使得从上电极注入的电流集中在上电极下， 发光区也集中在上电极下，所发射的光大部分被上电极反射或吸收，限制了 发光二极管的发光效率和亮度。为了提高发光二极管的效率和亮度，有许多 不同的改良结构和技术被研究推出。改良的方式主要集中在以导电性较好的 导电层连接在上限制层上，来增强电流的横向扩展，或利用导电性反型层来 阻挡电极下电流的注入。美国专利5,008,718提出在上限制层上生长高 铝组分的砷化铝镓(AlGaAs)电流扩展层，厚度在7微米以上，但高铝组 分的砷化铝镓相对砷化镓(GaAs)有一定的晶格失配，给厚层的生长带来一 定困难，并且高铝组分的砷化铝镓易于氧化使其导电性降低；中国专利 CN1126376A提出以磷化镓GaP材料为窗户层通过透光导电薄膜烧结到磷化 铝镓铟上限制层上；美国专利5,153,889提出在上电极下电流扩展层中 生长一层与电流扩展层具有相反导电类型的半导体结晶层，利用掩蔽腐蚀技 术把上电极覆盖区以外的相反导电类型的结晶层腐蚀掉，再进行第二次生长 较厚的电流扩展层。这些改良技术大大提高了发光二极管的效率和亮度，但 其制造技术难度较大，成本较高。\n本发明的目的在于提出一种利用金属气相淀积法，以氧化砷化铝结晶 层在上电极下形成高电阻率的电流阻挡区，减小出光面电极对出射光的吸 收，并在砷化铝镓导电层中掺入少量的磷所组成的高效发光二极管及其制造 方法，它可改善晶格的完整性和抑制生长过程中的氧化，提高其导电性，所 以提高了发光效率，这种方法具有结构简单、制造技术可靠、成本较低的优 点，从而解决了现有技术所存在的问题。\n本发明的技术方案在于：\n本发明一种高效发光二极管，它包括有衬底、下限制层、活型区、上限 制层、扩展区和欧姆接触层；其特征在于：其中在具有第一导电型的砷化镓 衬底上，用化学气相淀积方法先生长厚度在1-2微米之间的第一导电型的 磷化铝镓铟限制层；然后生长厚度在0.1-1微米之间的一个非故意掺杂的 磷化铝镓铟单层或多层量子阱结构活型区；再生长厚度在1-2微米之间的 具有第二导电型的磷化铝镓铟上限制层；接着生长厚度大于5微米的具有第 二导电型的砷化铝镓/砷化铝/砷化铝镓夹层结构的电流扩展层，并掺入少量 磷；最后生长一个具有第二导电类型的砷化镓欧姆接触层；在上述各层生长 完成后，利用光刻掩蔽化学腐蚀方法从最后生长的欧姆接触层上表面将夹层 结构的电流扩展层中的砷化铝结晶层暴露出来，形成氧化窗口，最后利用真 空蒸镀技术在最后生长的欧姆接触层上下表面分别形成相应导电类型的金 属电极。\n砷化铝及砷化铝镓结晶层位于作为电流扩散层的砷化铝镓结晶层之 间，其厚度在0.01-0.2微米之间。\n砷化铝及砷化铝镓结晶层可以掺有一定量的磷，磷的克分子含量在0.1 ％-2％之间。\n所说的砷化铝镓，其夹层结构掺有一定的磷，磷的克分子含量在0.5％ -2％之间。\n所说的砷化铝的结晶层通过氮气携带的水汽在350℃-500℃温度下氧 化形成的。\n所说的氧化形成的氧化窗口，它是通过光刻化学腐蚀形成的，该方法所 用的腐蚀液可以是磷酸∶过氧化氢∶水的混合物，其比例为1∶1∶5-1∶1∶ 20之间。\n所说的氧化窗口，它为圆形或方形，或其它图形，其直径或边长在5- 15微米之间，深度达到砷化铝结晶层处或砷化铝结晶层下发光区上的某个 位置。\n本发明一种按权利要求1所说的高效发光二极管的制造方法，其特征在 于，它有如下步骤：\n1)在其有第一导电型的砷化镓衬底上，生长一层厚度在1-2微米之间 的第一导电型的磷化铝镓铟限制层；\n2)在限制层上生长一个非故意掺杂的磷化铝镓铟单层，或多层量子阱 结构活型区；\n3)在活型区上再生长一层具有第二导电型的磷化铝镓铟限制层；\n4)在磷化铝镓铟限制层上接着生长一层具有第二导电型的砷化铝镓砷 化铝/砷化铝镓夹层结构的电流扩展区，并掺入少量的磷；\n5)在扩展层上再生长一层具有第二导电类型的砷化镓欧姆接触层；  \n6)在材料生长完成后，利用光刻掩蔽化学腐蚀方法从材料表面将夹层 结构的电流扩展层中的砷化铝结晶层暴露出来，形成氧化窗口；\n7)通过氮气携带的水汽，在350℃到500℃的条件下，对砷化铝结晶进 行氧化形成局部的高电阻率的电流阻挡区；\n8)利用真空蒸镀技术在最后生长的欧姆接触层上下表面分别形成相应 导电类型的金属电极。\n由于本发明在上电极下形成高电阻率的电流阻挡区，有电流注入的发光 区被限制在上电极覆盖面以外的区域，减小了上电极的吸收。提高了发光二 极管的发光效率，特别是在小电流的情况下，电流也能扩展到上电极以外的 区域，大大改善了小电流下的发光特性。由于砷化铝与砷化铝镓在水汽中的 氧化速度差别很大，一般在100∶1以上，并且对作为欧姆接触层的GaAs不 氧化，所以该方案是可行的。本发明在砷化铝镓电流扩展层中掺入少量的 磷，磷在砷化铝镓中可以减小高铝组分的砷化铝镓与砷化镓的晶格失配，对 生长较厚的砷化铝镓的质量有较大的改善，并且在生长过程中磷的掺入对高 铝组分的砷化铝镓的氧化有抑制作用，提高了砷化铝镓的导电性。本发明采 用了组分缓变的砷化铝镓(AlGaAs)/砷化铝(AlAs)/砷化铝镓(AlGaAs) 夹层结构，减缓了砷化铝氧化后形成的应力，使结晶层能承受管芯制备中切 割和压焊的冲击。本发明各结晶层利用技术成熟的有机金属气相淀积法 (MOCVD)形成的。因此本发明具有实用价值。\n图1为发光二极管器件结构的剖面图\n下面结合附图来进一步说明本发明的较佳具体实施例，如图1所示，本 发明的发光二极管是在具有第一导电型(负电性n型、正电性p型)的砷化 镓衬底11上，相继生长一个第一导电型的磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P限制 层12(又称下限制层)，x≥0.7，厚度1-2微米；一个非故意掺杂的磷化铝 镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x≤0.4)单层(或多层量子阱结构 (Alx1Ga1-x1)0.5In0.5P/(Alx2Ga1-x2)0.5In0.5P，0≤x≤0.4，0.4≤x2≤0.6)的活型区13，厚 度在0.1-1微米之间；一个具有第二导电型的磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P限制层14(又称上限制层)，x≥0.7，厚度1-2微米；一个具有第二导电型 的砷化铝镓(AlxGa1-xAs)/砷化铝(AlAs)/砷化铝镓(AlxGa1-xAs)夹层结 构的电流扩展层15、16、17，0.7≤x≤0.8并掺入少量磷，磷的克分子含量在 0.1％-2％之间，厚度大于5微米，砷化铝(AlAs)层可以是铝组分变化 的砷化铝镓混晶，从该层的一侧到另一侧，(AlxGa1-xAs)，x从0.8增加到 1再减小到0.8，其中的变化可以是线性的，也可以是抛物线关系，厚度在 0.01-0.2微米之间，决定砷化铝层位置的15层(AlxGa1-xAs)的厚度在0.1 到1微米之间；一个具有第二导电类型的砷化镓(GaAs)欧姆接触层18。 利用光刻掩蔽化学腐蚀将夹层结构的电流扩展层中的砷化铝结晶层暴露出 来，形成氧化窗口1A，腐蚀液可以是磷酸∶过氧化氢∶水的混合物，比例 在1∶1∶5-1∶1∶20之间，窗口可以是圆形的或方形或其他图形的，其 直径或边长或横向尺寸在5-15微米之间，腐蚀深度在砷化铝层与发光区之 间。通过氮气携带的水汽(将氮气通过80℃左右的水)在350℃到500℃的 条件下对砷化铝结晶层进行氧化形成局部的高电阻率电流阻挡区1B。利用 真空蒸镀技术在结晶片上下表面分别形成相应导电类型的金属电极10、 19。\n综上所述，本发明提出一种结构简单、制造技术可靠、成本较低的具有 实用价值的新的高效半导体发光二极管及其制造技术。