專利名稱：高亮度發光二極管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管，特別是指一種磷化鋁鎵銦組成的高亮度發光二極管。
磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP四元素化合物是一晶格常數與一砷化鎵(GaAs)基片相匹配的直接能帶隙半導體。這種化合物在波長560nm至650nm之間的發光合效率非常高，因此非常適合用來制造發光波長從紅色到黃綠色光的發光二極管。
圖1表示一常用的磷化鋁鎵銦發光二極管的剖面示意圖，這種二極管有一n型砷化鎵基片100，一n型磷化鋁鎵銦下限制層101，一不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層102，以及一P型的磷化鋁鎵銦上限制層103。由于P型的磷化鋁鎵銦摻入雜質濃度難以提高，此一上限制層的電阻也因而甚高，使得在由面金屬導電極注入的電流無法擴散至晶粒邊緣。所以在上電極下方工作層所發出的光大都被不透明的電極吸收掉了，這種發光二極管的發光強度也因此都不高。
為了促進電流的擴散，美國第5,008,718號專利采用了一種高能帶隙的磷化鎵透明窗層，利用此窗層的低電阻來使電流能均勻地流散入工作層。雖然這種窗層含有高雜質的P型磷化鎵材料，但由于電洞的移動率低，因此電阻值大約只比上限制層小一級次，所以此窗層的厚度必須相當厚，才足以改善電流的流散。
高厚度的透明窗層不但不易成長，而且成本亦高，為了減低窗層的厚度，美國第5,359,209號專利公開了含兩層材料的窗層結構，其中包含一低能帶隙含高雜質的P型砷化鎵層和一高能帶隙的磷化鎵層。高雜質的P型砷化鎵具有非常低的電阻值，其電阻大約比上限制層小于二級次。
含兩層材料的窗層結構，因為有高雜質的P型砷化鎵層的低電阻，所以整個窗層結構的電阻值也大為降低，使得整個窗層的厚度也得以減小。但是因為加入了高雜質的P砷化鎵層，也使得這種發光二極管發光強度因為不透明的砷化鎵層而降低了幾個百分點。
本發明的目的在于提供一種高亮度的發光二極管以及降低成長二極管的時間來改善上述常用二極管的缺點。為了達到這一目的，本發明在上限制層中加了一層很薄的高電阻層。
本發明的高亮度發光二極管包含一導電性的砷化鎵基片，一帶第一導電性的磷化鋁鎵銦下限制層，一不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層或多重量子阱結構，以及帶第二導電性的磷化鋁鎵銦的上限制層結構。所述的帶第二導電性的磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制層結構包含三層，其中和工作層相鄰的為與砷化鎵基片及工作層都可以晶格相匹配的磷化鋁鎵銦層磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中y＝0.51。
所述第二導電性的上限制層結構的中層為很薄但電阻很高的磷化鋁鎵銦半導體化合物層，其組成可以是(AlxGa1-x)yIn1-yP的半導體化合物中鋁成份X近于1，銦成份1-y近于0，其雜質含量非常小或是不摻雜質。為便于成長上電極，該上限制層結構的上層為高能帶隙及高導電層，其組成可以是(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中鋁成份X近于0，而銦成份1-y也近于0。因為有了一中層高電阻層，注入的電流被迫均勻分布在上限制層結構的上層，然后再通過中間層及下層而進入工作層，所以整個工作層可以均勻發光而使本發明的高亮度發光二極管的發光強度增強。
圖1為常用磷化鋁鎵銦發光二極管的剖面示意圖；圖2為本發明的磷化鋁鎵銦高亮度發光二極管的第一種結構的剖面示意圖；圖3為本發明的磷化鋁鎵銦高亮度發光二極管的第二種結構的剖面示意圖。
參照圖2和圖3，本發明的高亮度發光二極管包含一帶導電性的砷化鎵基片200，在該基片上成長帶第一導電性的磷化鋁鎵銦下限制層201，在下限制層上的是一磷化鋁鎵銦工作層202或者是磷化鎵銦的多重量子阱結構302，量子阱結構302是由量子阱層3021以及障壁層3022交替疊組而成，其結構如圖2所示。
本發明的發光層亦即工作層是由(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中X可以是從0到0.4，其值決定于發光的波長。如果X為0.15時，其發出光的波長約610nm，在此工作層上方是帶第二導電性的磷化鋁鎵銦上限制結構203。本發明的上限制層是具有三層材質的結構，其中最下層與發光層相接觸的一層是由(AlxGa1-x)yIn1-yP組成的磷化鋁鎵銦層2031，該層的晶格常數與砷化鎵相匹配以免產生位錯，其中鋁的成分從0.7到1以達到較好的電子限制效應。中間層是一很薄的高電阻層2032，可以利用很多不同的方式來形成此層，譬如磷化鋁鎵或磷化鋁含有低濃度雜質，而厚度大約200埃的高電阻層3032都是適當的中間層。
一般說來，磷化鋁鎵銦半導體化合物的電阻在鋁成分增高和雜質濃度降低時會隨著增加，所以(AlxGa1-x)yIn1-yP組成的材料中鋁成分高而銦成分低并含有低濃度的雜質即可為這中間層的良好選擇，該電阻層2032的成分最好是0.7≤X≤1.0和0.9≤y≤1.0而組成的(AlxGa1-x)yIn1-yP。
該中間層最佳厚度為0.005μm到0.1μm，其中的組成并不一定要固定，例如用磷化鋁鎵銦的超晶格結構如AlP/GaP或是AlGaP/GaP或磷化鋁鎵銦的漸變組成，成分由(AlxGa1-x)0.51In0.49P漸變到AlGaP或AlP的材質都可以用來做為中間薄層的高電阻層2302。
上層則是以(AlxGa1-x)yIn1-yP高能帶隙低電阻為材質的導電接觸層2033，其中X趨近于0而0.7≤y≤1。此一導電接觸層2033的必要條件是必須有比工作層更高的能帶隙以免吸收光線。除此之外，其雜質的濃度必須高而電阻值必須低以利具有高導電率磷化鋁鎵銦半導體化合物的形成，如果鋁成分較低則較容易加入雜質以增高該層的載子濃度，最好成分是磷化鋁鎵銦(AlxGa1-x)yIn1-yP中含有小于10％的鋁。然而，為避免吸收光，銦的成分必須小于30％。
因為該上限制層結構中含有一高電阻層2032的中間層和低電阻導電接觸層2033的上層，從上面接觸電極注入的電流被迫均勻流散在上導電接觸層2033然后經過中間高電阻層2032和下層磷化鋁鎵銦層2031再到發光層。在加入了這一中間高電阻層2032之后，此一高能帶隙低電阻的上導電接觸層2033厚度比常用的薄，其厚度大約0.5μm至10μm。加入該高電阻層2032所造成的缺點只是正向偏壓略為增加而已。
本發明的高亮度發光二極管發光強度便大為增加，以下舉出幾個實際實驗的實施例。實施例1本發明的高亮度二極管結構如圖2、圖3所示成長在一n型砷化鎵基片200上，其成長是以向[111]方向偏差2°，并含雜質濃度1×1018cm-3。n型砷化鎵基片200的厚度大約350μm，先在上面成長一雜質濃度1×1018cm-3的n型砷化鎵緩沖層，再將1μm厚度帶n型導電性的磷化鋁鎵銦下限制層201成長在緩沖層上。
在n型磷化鋁鎵銦下限制層201的上方系以不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層202形成的發光層。該不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層202可為不摻雜質的多重量子阱結構302(如圖3所示)，其結構包含多層磷化鋁鎵銦(AlGa)InP量子阱層3021及多層磷化鋁鎵銦(AlGa)InP障壁層3022交替疊組而成。
不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層202或多重量子阱結構302的上方為P型磷化鋁鎵銦(AlGa)InP上限制層結構203，其中包含1μm的P型磷化鋁鎵銦層2031或磷化鋁鎵銦層，200埃的磷化鋁鎵或磷化鋁鎵銦高電阻層2032以及5μm的高雜質的P型磷化鋁鎵銦或磷化鋁鎵(In0.1Ga0.9P)的導電接觸層2033。
為了便于比較，實驗中也準備了一個常用的發光二極管，本發明和常用的二極管都能通以20mA的電流。比較結果發現本發明的發光二極管的電流流散極為良好，而且從晶粒上發散的光極為均勻。本發明的二極管發光強度在590nm至615nm之間大約65mcd，而傳統式的二極管則只有40mcd，而本發明的二極管的正向偏壓大約為2.2伏特，比常用的高約0.2伏特。
本發明的高亮度發光二極管，如果在砷化鎵基片與工作層中加入分散式布拉格反射器來反射本來就會被基片吸收的光，那么發光強度則又可以增加，以下是一實驗例子。實施例2將本發明二極管結構成長在n型的砷化鎵基片300上，其成長方向是以[111]方向偏差2°，并含有雜質濃度1×1018cm-3。砷化鎵基片的厚度大約為350μm，在其上先長一n型砷化鎵緩沖層，該緩沖層的濃度1×1018cm-3。
一包含十二組的AlAs/GaAs分散式布拉格反射器成長在GaAs的緩沖層上，再將約1μm的n型AlInP下限制層成長在分散布拉格反射器上。該n型下限制層上方為不摻雜質的磷化鋁鎵銦的多重量子阱結構302做發光層，所述多層量子阱結構302包含多層的磷化鋁鎵銦量子層3021及磷化鋁鎵銦障壁層3022交替疊組而成。
在多重量子阱結構302的上方是P型的磷化鋁鎵銦3031上限制層結構，該結構包含1μm的P型磷化鋁鎵銦層3031，三組GaP/AlP超晶體結構用來作為高電阻層3032，以及一5μm的高雜質的磷化鋁鎵銦或磷化鋁鎵(In0.1Ga0.9P)導電接觸層3033。以兩種不同厚度的超晶體結構其厚度分別為45埃以及80埃。所產生的兩種磷化鋁鎵銦發光二極管亮度都是95mcd，而有45埃厚度的超晶格結構的正向電壓為2.15伏特有80埃厚度的超晶格結構的正向電壓為3.3伏特。
綜合所述，本發明的高亮度發光二極管因為上限制層結構中加了一很薄的高電阻層而使得發光強度增加了1.5到2倍，唯一的不足只是正向偏壓稍微提高了。然而本發明只需要一次MOVPE的成長，而且上面高能帶隙的導電接觸層厚度可以減少，所以本發明具有容易成長以及降低成本的優點。
權利要求
1.一種高亮度發光二極管，其特征在于它包含一帶導電性的半導體基片；一形成于該基片上帶第一導電性的磷化鋁鎵銦下限制層；一形成于該下限制層之上，不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層；以及一上限制層結構，包含成長在所述工作層上，晶格常數與所述基片匹配的第一層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦層；成長在所述第一層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦層之上，具有相當小的厚度以及低雜質濃度和高電阻的第二層導電性的磷化鋁鎵銦層；成長在上述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦層之上，含(A1xGa1-x)yIn1-yP并帶第二導電性的高能帶隙高導電性磷化鋁鎵銦層，其中0≤x≤0.1而0.7≤y≤1。
2.根據權利要求1所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述半導體基片含有砷化鎵。
3.根據權利要求1所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二帶第二導電性的磷化鋁鎵銦包含(AlsGa1-s)tIn1-tP半導體材料，而0.7≤s≤1以及0.9≤t≤1。
4.根據權利要求1所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性性的磷化鋁鎵銦包含(AlGa)InP的超晶格結構。
5.根據權利要求1所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦包含一有漸變組成的(AlGa)InP。
6.根據權利要求1所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦的厚度是從0.005μm至0.1μm。
7.一種高亮度發光二極管，其特征在于它包含一帶導電性的半導體基片；一形成于該基片上帶第一導電性的磷化鋁鎵銦下限制層；一形成于該下限制層之上，不摻雜質的磷化鋁鎵銦多重量子阱結構，所述多重量子阱結構包括多層的(AlGa)InP量子阱層和(ALGa)InP障壁層交替疊組而成；一上限制層結構，包含成長在所述工作層上，晶格常數與所述基片匹配的第一層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦層；成長在所述第一層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦之上，具有相當小的厚度以及低雜質濃度和高電阻的第二層導電性的磷化鋁鎵銦層；成長在所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦層之上，含(AlxGa1-x)yIn1-yP并帶第二導電性的高能帶隙高導電性磷化鋁鎵銦層，其中0≤x≤0.1而0.7≤y≤1。
8.根據權利要求7所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述半導體基片含有砷化鎵。
9.根據權利要求7所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二帶第二導電性的磷化鋁鎵銦包含(AlsGa1-s)tIn1-tP半導體材料，而0.7≤s≤1以及0.9≤t≤1。
10.根據權利要求7所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦包含(AlGa)InP的超晶格結構。
11.根據權利要求7所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦包含一有漸變組成的(AlGa)InP。
12.根據權利要求7所述的高亮度發光二極管，其特征在于所述第二層帶第二導電性的磷化鋁鎵銦的厚度是從0.005μm至0.1μm。
全文摘要
一種高亮度發光二極管包含具有一導電性的半導體基片,一具有第一導電性的下限制層,一不摻雜質的磷化鋁鎵銦工作層或多重量子阱結構,以及帶第二導電性的上限制層結構。此上限制層結構包含四元素半導體材料磷化鋁鎵銦(Al
文檔編號H01L33/00GK1248799SQ98119349
公開日2000年3月29日 申請日期1998年9月21日 優先權日1998年9月21日
發明者張盼梓, 陳澤澎, 杜全成 申請人:國聯光電科技股份有限公司