CN101207172A - 一种倒梯形微结构高亮度发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种倒梯形微结构高亮度发光二极管及其制作方法，在GaAs衬底上生长发光二极管外延片由第一导电型接触电极、第一导电型欧姆接触层、第一导电型电流扩展层、第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层、第二导电型欧姆接触层堆叠而成；外延片中设有反光镜，反光镜依次由介质层，金属层和阻挡层层层积淀形成；永久性衬底是由基板衬底上是生长粘贴层、金属焊料层积淀在粘贴层上；金属电极淀积在永久性衬底底部；外延片以倒装方式叠置于基板衬底上并在真空下键合。在外延片中形成一种倒梯形结构，解决常规矩形结构中光的波导效应带来的光损失问题，并可大大提升取光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子半导体，特别是一种倒梯形微结构高亮度发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种冷光发光组件，发光二极管的优点在于体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性特佳，能够配合各种应用设备的轻、薄、及小型化的需求，因而广泛应用于照明、数码显示等领域。以磷化铝镓铟(AlGaInP)发光二极管为例，磷化铝镓铟为一四元素化合物半导体材料，适合用于制造高亮度红、橙、黄、及黄绿光发光二极管，其拥有高发光效率、并生长在与其晶格匹配的砷化镓(GaAs)衬底上。然而，由于砷化镓衬底具有吸光性，因此会吸收磷化铝镓铟发出的可见光，且其热传导性较差，因此限制了其在大电流工作时的发光效率。
如图1是传统的用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在GaAs衬底上外延生长的现有常规AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管100剖面结构示意图。此AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管结构包括n-GaAs衬底101，n-GaAs缓冲层102，n-AlInP下限制层(n-cladding layer)103，非掺杂的(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P MQW有源区104，p-AlInP上限制层(p-cladding layer)105，p型欧姆接触层106，底部平面金属接触108和上表面电极107。电子和空穴在有源区复合发光，发出的光是随机取向的。对于这种结构的发光二极管来说，有几种因素限制了光的提取效率：半导体材料和其周围煤质之间折射率差偏大导致的内部反射，金属电极的遮挡，GaAs衬底吸收等。这样，有源区发出的光射向上表面的光子有一定的几率能提取出来，而向下传播的光子大部分被GaAs衬底吸收。因此，即使有很高的内部量子效率，外部量子效率也仅有4～5％。
为了提高光的提取效率，把向下传播的光子和上表面反射回半导体材料内部的光子也能大部分提取出来，减少GaAs衬底的吸收，人们在GaAs衬底和有源区之间生长了布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflectors，DBRs)，以便把背面的光反射到芯片表面。图2是一现有带有高反射率DBR的AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管200剖面结构示意图。此AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管结构包括n-GaAs衬底201，n-GaAs缓冲层202，DBRs结构层203，n-AlInP下限制层(n-cladding layer)204，非掺杂的(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P MQW有源区205，p-AlInP上限制层(p-cladding layer)206，p型电流扩展层207，p型欧姆接触层208，底部平面金属接触210和上表面电极209。
也就是在图1结构的基础上在GaAs衬底和有源区之间生长了DBRs结构，在p型欧姆接触层下生长了电流扩展层也即窗口层来有效扩展电流，但因为实际的DBRs反射镜的反射率角带宽有限，只对接近法向入射的光反射率大，对此范围以外的光反射率急剧下降，所以不能有效的反射向吸收衬底GaAs传播的光，还是有相当部分的光被GaAs衬底吸收。
发明内容
本发明旨在提出一种倒梯形微结构高亮度发光二极管及其制作方法，以提高发光二极管芯片的取光效率，从而提高LED芯片的外量子效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：在GaAs衬底上生长发光二极管外延片，其由第一导电型欧姆接触电极、第一导电型欧姆接触层、第一导电型电流扩展层、第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层、第二导电型欧姆接触层堆叠而成；外延片中设有反光镜，反光镜依次由介质层，金属层和阻挡层层层积淀形成；永久性衬底是在基板上是淀积生长粘贴层、金属焊料层积淀在粘贴层上；金属电极淀积在永久性衬底底部；外延片以倒装方式叠置于永久衬底上，并在真空下键合。
一种倒梯形微结构高亮度发光二极管的制作方法，其特征在于：包括发光二极管外延片及永久性衬底的制作方法，制作步骤如下：
(1)用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片，依次包含第一导电型衬底、第一导电型缓冲层、第一导电型蚀刻截止层、第一导电型欧姆接触层、第一导电型电流扩展层、第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层和第二导电型欧姆接触层；
(2)在发光二极管外延片第二导电型欧姆接触层上做光罩形成图形，即采用干法蚀刻第二导电型欧姆接触层和第二导电型电流扩展层；然后湿法蚀刻第二导电型上限制层、非掺杂的有源区和第一导电型下限制层；最后去除残余的光阻；
(3)在前述外延片上淀积介质层，然后通过光罩形成图形，采用湿法蚀刻掉第二导电型欧姆接触层中央的介质层；最后去除残余的光阻；
(4)在前述有图案的介质层上淀积金属层，金属层和介质层联合作为反光镜；
(5)在前述金属层上淀积阻挡层，用于阻挡金属焊料与金属层之间的互扩散；
(6)制作永久性衬底，先在基板衬底上生长一层粘贴层；
(7)再在粘贴层上淀积金属焊料层；
(8)前述的制作好带有反光镜的外延片以倒装方式叠置于基板上，在真空下键合；
(9)在永久性衬底底部淀积金属电极；
(10)去掉发光二极管外延片第一导电型衬底、第一导电型缓冲层和第一导电型蚀刻截止层；
(11)在发光二极管外延片第一导电型欧姆接触层上淀积图形电极；
(12)以上述图形电极为掩膜湿法蚀刻第一导电型欧姆接触层；
(13)蚀刻台面；
(14)切割形成管芯。
外延片以倒装方式叠置于在永久性衬底上，其键合温度在200℃～500℃，键合压力在10～8000牛顿。
在本发明中，第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层和第二导电型欧姆接触层形成一种倒梯形结构；介质层和金属层联合作为反光镜；介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝的任一种组成；金属层为Au、AuBe、Ag、Al、Pt、Zn、Ti、Pb、Ni、AuZn的任一种组成；阻挡层为Ti/Pt、Cr/Pt、Ni/Pt、Ti/TiN、Ta/TaN的任一种组成；金属电极为Ti/Au、Cr/Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成；欧姆接触电极为AuGe、Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成。金属焊料层为In、Sn、AuSn、AuSi、PbSn、PbIn的任一种组成；粘贴层为Ti、Cr、Ni的任一种组成；基板衬底为Si、GaP、钼、钼铜、钨、钨铜、铬、铬铜的任一种组成。
本发明由第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层和第二导电型欧姆接触层形成一种倒梯形结构，解决常规矩形结构中光的波导效应带来的光损失问题，可大幅度提升取光效率。
附图说明
图1为现有常规AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管的剖面结构示意图；
图2为现有带有高反射率DBR的AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管的剖面结构示意图；
图3为本发明用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片的层状结构示意图；
图4为本发明永久性衬底的结构示意图；
图5为本发明结构示意图；
图6A为本发明具体实施例在二极管外延片上制作蚀刻道图形图；
图6B为本发明具体实施例在二极管外延片上制作接触点图形图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图3～图5所示的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，在GaAs衬底上生长发光二极管外延片300，其由第一导电型欧姆接触电极505、第一导电型欧姆接触层304、第一导电型电流扩展层305、第一导电型下限制层306、非掺杂的有源区307、第二导电型上限制层308、第二导电型电流扩展层309、第二导电型欧姆接触层310堆叠而成。外延片中设有反光镜，反光镜依次由介质层501，金属层502和阻挡层503层层积淀形成，介质层501为二氧化硅、氮化硅、氧化铝的任一种组成，金属层502为Au、AuBe、Ag、Al、Pt、Zn、Ti、Pb、Ni、AuZn的任一种组成，阻挡层503为Ti/Pt、Cr/Pt、Ni/Pt、Ti/TiN、Ta/TaN的任一种组成；金属电极504为Ti/Au、Cr/Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成；欧姆接触电极505为AuGe、Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成。永久性衬底400是由基板衬底401上是生长粘贴层402、金属焊料层403积淀在粘贴层402上；金属焊料层403为In、Sn、AuSn、AuSi、PbSn、PbIn的任一种组成；粘贴层402为Ti、Cr、Ni的任一种组成；基板衬底401为Si、GaP、钼、钼铜、钨、钨铜、铬、铬铜的任一种组成。金属电极504淀积在永久性衬底400底部；外延片300以倒装方式叠置于基板衬底401上，并在真空下键合形成本发明的发光二极管结构。
上述一种倒梯形微结构高亮度发光二极管的制作方法，包括发光二极管外延片及永久性衬底的制作方法，制作步骤如下：
第1步骤：用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片300，依次包含第一导电型衬底301、第一导电型缓冲层302、第一导电型蚀刻截止层303、第一导电型欧姆接触层304、第一导电型电流扩展层305、第一导电型下限制层306、非掺杂的有源区307、第二导电型上限制层308、第二导电型电流扩展层309和第二导电型欧姆接触层310；
第2步骤：在发光二极管外延片300第二导电型欧姆接触层310上做光罩形成图形，即采用干法蚀刻第二导电型欧姆接触层310和第二导电型电流扩展层309；然后湿法蚀刻第二导电型上限制层308、非掺杂的有源区307和第一导电型下限制层306；最后去除残余的光阻；
第3步骤：在前述外延片上淀积介质层501，然后通过光罩形成图形，采用湿法蚀刻掉第二导电型欧姆接触层中央的介质层；最后去除残余的光阻；
第4步骤：在前述有图案的介质层上淀积金属层502，金属层和介质层联合作为反光镜；
第5步骤：在前述金属层上淀积阻挡层503，用于阻挡金属焊料与金属层之间的互扩散；
第6步骤：制作永久性衬底400，先在基板衬底401上生长一层粘贴层402；
第7步骤：再在粘贴层402上淀积金属焊料层403；
第8步：前述的制作好带有反光镜的外延片300以倒装方式叠置于基板上，在真空下键合；
第9步骤：在永久性衬底400底部淀积金属电极504；
第10步骤：去掉发光二极管外延片300第一导电型衬底301、第一导电型缓冲层302和第一导电型蚀刻截止层303；
第11步骤：在发光二极管外延片300第一导电型欧姆接触层304上淀积图形电极505；
第12步骤：以上述图形电极505为掩膜湿法蚀刻第一导电型欧姆接触层304；
第13步骤：蚀刻台面；
第14步骤：切割形成管芯。
以上述步骤对于具体发光二极管的制作进行说明，首先在发光二极管外延片上制作蚀刻道图形(见图6A)，图6A中格子阴影部分为蚀刻道区域，该蚀刻道区域无光阻保护，采用干法蚀刻(RIE)第二导电型欧姆接触层重掺p-GaP和第二导电型电流扩展层低掺p-GaP，然后湿法蚀刻第二导电型上限制层p-AlInP，非掺杂的有源区，第一导电型下限制层n-AlInP，去除残留的光阻。在上述外延片上淀积0.1～1.0μm SiO2介质层，然后制作接触点图形(见图6B)，其中全黑阴影部分为无光阻保护，然后采用缓冲HF酸(BOE)蚀刻该部分的SiO2介质层，去除残留的光阻。在前述介质层上淀积0.1～1.0μm Au，在450℃～550℃下熔合，然后淀积上Cr/Pt，其中Cr厚度在0.1～1.0μm，Pt厚度在0.1～1.0μm。
在200μm厚Si片上淀积0.1～0.5μm Cr做为粘贴层，然后淀积上一层3μm以上AuSn合金做为金属焊料层。
把上述制作好的外延片倒扣在上述制作好的Si片上，放入键合机台键合，键合温度在200℃～500℃，键合压力在10～8000牛顿。在键合好的样品中Si片底部淀积Cr/Au，其中Cr厚度为0.1～1.0μm，Au厚度为0.1～2.0μm；然后采用NH4OH和H2O2配比溶液去除GaAs衬底及缓冲层n-GaAs，再用HCl和H2O配比溶液去除蚀刻截止层GaInP，然后在第一导电型欧姆接触层n-GaAs上淀积图形电极，以上述图形电极为掩膜湿法蚀刻第一导电型欧姆接触层n-GaAs，然后在350℃～450℃下熔合，使图形电极和第一导电欧姆接触层形成良好的欧姆接触；最后蚀刻台面，切割形成管芯。
Claims (7)
1.一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：在GaAs衬底上生长发光二极管外延片(300)，其由第一导电型欧姆接触电极(505)、第一导电型欧姆接触层(304)、第一导电型电流扩展层(305)、第一导电型下限制层(306)、非掺杂的有源区(307)、第二导电型上限制层(308)、第二导电型电流扩展层(309)、第二导电型欧姆接触层(310)堆叠而成；外延片(300)中设有反光镜，反光镜依次由介质层(501)，金属层(502)和阻挡层(503)层层积淀形成；永久性衬底(400)是由基板衬底(401)上是生长粘贴层(402)、金属焊料层(403)积淀在粘贴层(402)上；金属电极(504)淀积在永久性衬底(400)底部；外延片(300)以倒装方式叠置于基板衬底(401)上，并在真空下键合。
2.根据权利要求1所述的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：第一导电型下限制层、非掺杂的有源区、第二导电型上限制层、第二导电型电流扩展层和第二导电型欧姆接触层形成一种倒梯形结构；
3.根据权利要求1或2所述的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：介质层(501)为二氧化硅、氮化硅、氧化铝的任一种组成；金属层(502)为Au、AuBe、Ag、Al、Pt、Zn、Ti、Pb、Ni、AuZn的任一种组成；阻挡层(503)为Ti/Pt、Cr/Pt、Ni/Pt、Ti/TiN、Ta/TaN的任一种组成；
4.根据权利要求1所述的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：金属电极(504)为Ti/Au、Cr/Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成；欧姆接触电极(505)为AuGe、Au、AuGe/Ni/Au的任一种组成。
5.根据权利要求1所述的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管，其特征在于：所述的金属焊料层(403)为In、Sn、AuSn、AuSi、PbSn、PbIn的任一种组成；粘贴层(402)为Ti、Cr、Ni的任一种组成；基板衬底(401)为Si、GaP、钼、钼铜、钨、钨铜、铬、铬铜的任一种组成。
6.一种倒梯形微结构高亮度发光二极管的制作方法，其特征在于：包括发光二极管外延片及永久性衬底的制作方法，制作步骤如下：
(1)用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片(300)，依次包含第一导电型衬底(301)、第一导电型缓冲层(302)、第一导电型蚀刻截止层(303)、第一导电型欧姆接触层(304)、第一导电型电流扩展层(305)、第一导电型下限制层(306)、非掺杂的有源区(307)、第二导电型上限制层(308)、第二导电型电流扩展层(309)和第二导电型欧姆接触层(310)；
(2)在发光二极管外延片(300)第二导电型欧姆接触层(310)上做光罩形成位，即采用干法蚀刻第二导电型欧姆接触层(310)和第二导电型电流扩展层(309)；然后湿法蚀刻第二导电型上限制层(308)、非掺杂的有源区(307)和第一导电型下限制层(306)；最后去除残余的光阻；
(3)在前述外延片上淀积介质层(501)，然后通过光罩形成图形，采用湿法蚀刻掉第二导电型欧姆接触层中央的介质层；最后去除残余的光阻；
(4)在前述有图案的介质层上淀积金属层(502)，金属层和介质层联合作为反光镜；
(5)在前述金属层上淀积阻挡层(503)，用于阻挡金属焊料与金属层之间的互扩散；
(6)制作永久性衬底(400)，先在基板衬底(401)上生长一层粘贴层(402)；
(7)再在粘贴层(402)上淀积金属焊料层(403)；
(8)前述的制作好带有反光镜的外延片(300)以倒装方式叠置于基板上，在真空下键合；
(9)在永久性衬底(400)底部淀积金属电极(504)；
(10)去掉发光二极管外延片(300)第一导电型衬底(301)、第一导电型缓冲层(302)和第一导电型蚀刻截止层(303)；
(11)在发光二极管外延片(300)第一导电型欧姆接触层(304)上淀积图形电极505；
(12)以上述图形电极(505)为掩膜湿法蚀刻第一导电型欧姆接触层(304)；
(13)蚀刻台面；
(14)切割形成管芯。
7.根据权利要求6所述的一种倒梯形微结构高亮度发光二极管的制作方法，其特征在于：外延片(300)以倒装方式叠置于在永久性衬底(400)上，其键合温度在200℃～500℃，键合压力在10～8000牛顿。
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