CN101714600B - 倒装铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的倒装铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法，在永久衬底依次外延生成粘结层、反射镜、p型导电窗口层、p型铝镓铟磷基限制层、材料为铝镓铟磷的有源层、n型铝镓铟磷基限制层、材料为砷化镓的n型接触外延层；材料为铝镓铟磷的粗化外延层形成于n型接触外延层的部分区域，n扩展电极形成于n型接触外延层的部分区域上，n焊盘形成于粗化外延层上并与n型扩展电极形成电学接触，p电极形成在永久衬底的背面。在上述结构引入可粗化外延层，湿法蚀刻可粗化外延层并利用n型接触外延层作为化学蚀刻停止层，避免纵向过蚀刻对发光层的损伤；n型欧姆接触的形成是在化学蚀刻粗化工艺之后以避免被蚀刻而出现剥落问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光芯片，尤其是倒装铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法。
背景技术
目前高亮度铝镓铟磷(AlGaInP)基发光二极管的应用广泛，已从传统领域的显示、指示、按键背光、灯饰等逐渐拓展到汽车尾灯、背光源等高端领域的应用上。对应In组分为0.5，(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料的晶格常数与GaAs衬底可以严格匹配，通过调节Al和Ga组分，(AlxGa1-x)0.5In0.5P可以发出红、橙、黄、黄绿光(波长650～560nm)。由于受材料本身和衬底的局限，传统AlGaInP基LED的外量子效率只有不到5％，一方面，AlGaInP材料本身折射率较高(n＝3.5)，导致严重的内部全反射，另一方面，衬底GaAs是吸光材料。为了提高发光效率，产业界突破材料及衬底方面的限制，纷纷推出了倒装铝镓铟磷基发光二极管产品，其主要的制作方法包括用倒装工艺，将发光外延片与永久衬底键合或粘贴，然后将吸光的GaAs衬底去除，并加以金属全方位反射镜。
图1、图2显示了一种现有的倒装铝镓铟磷基发光二极管芯片，图1是芯片的截面示意图(沿AA’切线方向)，其结构包含一硅衬底200，硅衬底200有上下两个主表面，其上表面依次堆叠一焊料层202、一反射镜201、一p-GaP窗口层107、一p-AlGaInP限制层106、一多量子阱(MQW)有源层105、一粗化n-AlGaInP限制层104A，一n-GaAs接触层103位于粗化n-AlGaInP限制层104A的部分区域之上，一n扩展电极204位于n-GaAs接触层103之上，一n焊盘205位于粗化n-AlGaInP限制层104A的另一部分区域之上且与n扩展电极形成电学接触(见附图2芯片俯视图)，一p电极203形成于硅衬底200的下表面。在上述的倒装芯片结构中，粗化n-AlGaInP限制层104A的目的是为了抑制全反射和提高取光效率；n扩展电极204和n-GaAs接触层103形成欧姆接触，而n焊盘205和粗化n-AlGaInP限制层104A之间形成的是肖特基接触，这样设计的目的一方面使得电流可以更均匀的注入有源层，另一方面可以抑制挡光的焊盘下部有源层的发光。形成粗化n-AlGaInP限制层104A的方法一般采用化学蚀刻粗化，例如盐酸、溴水等溶液可以通过一定的晶向蚀刻AlGaInP基材料并形成纹理化的表面。为了获得较佳的粗化效果以提高取光效率，必须持续足够的蚀刻时间，然而，长时间的化学蚀刻粗化不可避免的会带来横向钻蚀和纵向过蚀刻的问题，并由此引发一系列工艺异常，严重的情况如：横向钻蚀会造成n扩展电极204和n-GaAs接触层一同剥落，并导致工作电压升高；另外，由于n-AlGaInP限制层的厚度一般只有几个微米，纵向过蚀刻会导致n-AlGaInP限制层厚度过薄而引起电流扩展不开，更为严重的情况则是侵蚀损伤有源层，当然可以通过加厚n-AlGaInP限制层以提高蚀刻的工艺窗口，但这会增加制造成本。总而言之，现有的倒装铝镓铟磷基发光二极管制作工艺中存在化学蚀刻粗化工艺窗口和粗化效果之间的矛盾
发明内容
为解决现有倒装铝镓铟磷基发光二极管制作过程中存在的粗化工艺窗口和粗化效果之间的矛盾，避免出现横向钻蚀、纵向过蚀刻和由此引发的一系列工艺异常问题，本发明旨在提供一种倒装铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
倒装铝镓铟磷基发光二极管，其特征是：
一永久衬底；
一粘结层形成于永久衬底之上；
一反射镜形成于粘结层之上；
一p型导电窗口层形成于反射镜之上；
一p型铝镓铟磷基限制层形成于p型导电窗口层之上；
一有源层，其材料为铝镓铟磷，形成于p型铝镓铟磷基限制层之上；
一n型铝镓铟磷基限制层形成于有源层之上；
一n型接触外延层，其材料为砷化镓，形成于n型铝镓铟磷基限制层之上；
一粗化外延层，其材料为铝镓铟磷或者铝铟磷，形成于n型接触外延层的部分区域之上；
一n扩展电极形成于n型接触外延层的另一部分区域之上；
一n焊盘形成于粗化外延层之上，并与n型扩展电极形成电学接触；
一p电极形成永久衬底的背面。
上述倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
1)提供一临时衬底，在其上依次外延生长缓冲层、可粗化外延层、n型接触外延层、n型铝镓铟磷基限制层、有源层、p型铝镓铟磷基限制层、p型导电窗口层，形成外延片，并且，所述可粗化外延层材料为铝镓铟磷或者铝铟磷，所述n型接触外延层材料为砷化镓，所述有源层材料为铝镓铟磷；
2)在上述外延片的p型导电窗口层之上制作一反射镜；
3)提供一永久衬底，将其与上述外延片通过粘结层进行粘合，并使得反射镜和粘结层接触；
4)去除临时衬底和缓冲层，暴露出可粗化外延层；
5)采用湿法蚀刻方式对可粗化外延层进行化学处理以形成粗化外延层；
6)蚀刻部分区域的粗化外延层并暴露出其下的n型接触外延层；
7)在上述暴露的n型接触外延层之上制作n扩展电极；
8)在粗化外延层上制作n焊盘并与使其与n扩展电极形成电学接触；
9)在永久衬底背面制作p电极。
在本发明的制作方法中，通过步骤1)在外延结构中引入可粗化外延层，使得步骤5)中湿法蚀刻的对象是可粗化外延层，而不是n型铝镓铟磷基限制层，同时利用介于可粗化外延层和n型铝镓铟磷基限制层之间的n型接触外延层(即n-GaAs)可以起到化学蚀刻停止层的作用，如此，即可以避免纵向过蚀刻对包括n型铝镓铟磷基限制层和有源层在内的发光层的损伤。另一方面，经过步骤5)、6)、7)，即在粗化外延层形成之后，通过蚀刻部分区域的粗化外延层，并于其中制作n扩展电极，使得n扩展电极与n型接触外延层形成欧姆接触。这样一来，由n扩展电极和n型接触外延层组成的n型欧姆接触的形成是在化学蚀刻粗化工艺之后，就不会被蚀刻而出现剥落问题。
本发明中永久衬底材料选自Ge、Si、GaP、GaAs或InP，永久衬底材料也可选自Cu、Ni、Mo、Co或前述的任意组合之一；临时材料选自GaAs、GaP、Ge或Si；粘结层材料选自Au、Ag、Sn、In、Pt、Ni、Ti或前述的任意组合之一，粘结层材料也可选自AuSn、InAu、AuSi、AuGe、AuBe、AgSn、AgSnCu或前述的任意组合之一；反射镜材料选自Ag、Al、Pt、Pd、Au、AuBe、AuZn或由前述的任一物质与透明氧化物所形成的叠层结构材料之一；n扩展电极材料选自Ge、Au、Ni或前述的任意组合之一；为了获得良好的欧姆接触，n型接触外延层的掺杂浓度大于1×1018cm-3，为了减少GaAs吸光，n型接触外延层的厚度小于500埃；湿法蚀刻可粗化外延层的蚀刻液选自HCl、HBr、HI、Br2、I2或者前述的任意组合之一。
本发明有效地解决了现有倒装铝镓铟磷基发光二极管制作工艺中的化学蚀刻粗化工艺窗口和粗化效果的矛盾，提高了化学蚀刻粗化的工艺窗口，并有效防止横向钻蚀和纵向过蚀刻所引发的一系列工艺异常问题。
附图说明
图1是现有的倒装AlGaInP基发光二极管结构截面图；
图2是现有的倒装AlGaInP基发光二极管结构俯视图；
图3是本发明优选实施例的一种倒装铝镓铟磷基发光二极管结构截面图；
图4a～4f是本发明优选实施例的一种倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作过程的截面示意图。
图中的附图标识如下：
100：GaAs衬底
101：缓冲层
102：可粗化n-AlGaInP层
102A：粗化n-AlGaInP层
103：n-GaAs接触层
104：n-AlGaInP限制层
104A：粗化n-AlGaInP限制层
105：多量子阱(MQW)有源层
106：p-AlGaInP限制层
107：p-GaP窗口层
200：Si衬底
201：反射镜
202：Au:Sn焊料层
203：p电极
204：n扩展电极
205：n焊盘
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所示的一种倒装铝镓铟磷基发光二极管结构，包含硅衬底200、Au:Sn焊料层202、反射镜201、p-GaP窗口层107、p-AlGaInP限制层106、多量子阱有源层105、n-AlGaInP限制层104、n-GaAs接触层103、粗化n-AlGaInP层102A、p电极203、n扩展电极204和n焊盘205。
其中Si衬底200作为永久衬底，并有上、下两个主表面；Au:Sn焊料层202作为粘结层形成于其上表面，Au∶Sn比例为80∶20；反射镜201形成于Au:Sn焊料层202之上，其材料为ITO/Ag双层结构；p-GaP窗口层107形成于反射镜201之上；p-AlGaInP限制层106形成于p-GaP窗口层107之上；多量子阱有源层105形成于p-AlGaInP限制层106之上，其材料为AlGaInP；n-AlGaInP限制层104形成于多量子阱有源层105之上；n-GaAs接触层103形成于n-AlGaInP限制层104之上，其厚度优选100埃，掺杂浓度优选1×1019cm-3以上；粗化n-AlGaInP层102A形成于n-GaAs接触层103的部分区域之上；n扩展电极204形成于n-GaAs接触层103的另一部分区域之上，其材料为AuGe/Ni/Au；n焊盘205形成于粗化n-AlGaInP层102A之上，其材料为Cr/Pt/Au，并且其与n型扩展电极204形成电学连接；p电极203形成Si衬底200的下表面，其材料为Ti/Ni/Au。
上述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法步骤如下：
如图4a所示，在一GaAs衬底100上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)依次外延生长缓冲层101、可粗化n-AlGaInP层102、n-GaAs接触层103、n-AlGaInP限制层104、MQW有源层105、p-AlGaInP限制层106和p-GaP窗口层107，其中n-GaAs接触层103的厚度优选100埃，掺杂浓度优选1×1019cm-3以上。
如图4b所示，在p-GaP窗口层107上蒸镀一反射镜201，材料为ITO/Ag，厚度为20/200nm，反射镜201同时也起到与p-GaP层107形成欧姆接触的作用；在反射镜201上蒸镀一1微米厚的AuSn合金作为焊料层202。
如图4c所示，取一Si衬底200作为永久衬底，将完成上述步骤的发光二极管外延片倒装在Si衬底200上，并在300℃温度、800kg压力条件下实现两者共晶键合。
如图4d所示，采用氨水和双氧水混合溶液完全去除GaAs衬底100和缓冲层101，接着采用盐酸、磷酸和水的混合溶液化学湿法蚀刻可粗化n-AlGaInP层102并形成粗化n-AlGaInP层102A。
如图4e所示，采用以光刻胶为掩膜，采用HCl溶液蚀刻部分区域的粗化n-AlGaInP层102A以暴露出其下方的n-GaAs接触层103。
如图4f所示，在暴露的n-GaAs接触层103上制作n扩展电极204，电极材料选用AuGe/Ni/Au，厚度200/50/500nm，将其在400℃氮气氛围中进行熔合，使得n扩展电极204和n-GaAs接触层103形成良好的欧姆接触；在粗化n-AlGaInP层102A的中央局部区域上制作n焊盘205，焊盘为圆形，直径100微米，材料为Cr/Pt/Au，厚度50/50/1500nm，n焊盘205同时与n扩展电极204形成电学连接；在Si衬底200的下表面制作p电极203，电极材料选用Ti/Ni/Au，厚度50/50/500nm。
本发明的倒装铝镓铟磷基发光二极管通过引入专门用于粗化工艺的可粗化n-AlGaInP层102，避免了常规粗化工艺中n-AlGaInP限制层104和有源层105被纵向过蚀刻的可能性；另外由于将化学蚀刻粗化工艺调整至n扩展电极204制作形成之前，避免了常规粗化工艺中n扩展电极204和n-GaAs接触层103被横向钻蚀的可能性。综合两者，本发明的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法对于化学蚀刻粗化工艺具有较大的工艺窗口，同时可以根据需要获得最佳的粗化效果。
Claims (18)
1.倒装铝镓铟磷基发光二极管，其特征是：
一永久衬底；
一粘结层形成于永久衬底之上；
一反射镜形成于粘结层之上；
一p型导电窗口层形成于反射镜之上；
一p型铝镓铟磷基限制层形成于p型导电窗口层之上；
一有源层，其材料为铝镓铟磷，形成于p型铝镓铟磷基限制层之上；
一n型铝镓铟磷基限制层形成于有源层之上；
一n型接触外延层，其材料为砷化镓，形成于n型铝镓铟磷基限制层之上；
一粗化外延层，其材料为铝镓铟磷或者铝铟磷，形成于n型接触外延层的部分区域之上；
一n扩展电极形成于n型接触外延层的另一部分区域之上；
一n焊盘形成于粗化外延层之上，并与n型扩展电极形成电学接触；
一p电极形成永久衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的永久衬底材料选自Ge、Si、GaP、GaAs或InP。
3.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的永久衬底材料选自Cu、Ni、Mo、Co或前述的任意组合之一。
4.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的粘结层材料选自Au、Ag、Sn、In、Pt、Ni、Ti或前述的任意组合之一。
5.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的粘结层材料选自AuSn、InAu、AuSi、AuGe、AuBe、AgSn、AgSnCu或前述的任意组合之一。
6.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的反射镜材料选自 Ag、Al、Pt、Pd、Au、AuBe、AuZn或由前述的任一物质与透明氧化物所形成的叠层结构材料之一。
7.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的n型接触外延层的掺杂浓度大于1×1018cm-3，n型接触外延层的厚度小于500埃。
8.根据权利要求1所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管，其中的n扩展电极材料选自Ge、Au、Ni或前述的任意组合之一。
9.倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
1)提供一临时衬底，在其上依次外延生长缓冲层、可粗化外延层、n型接触外延层、n型铝镓铟磷基限制层、有源层、p型铝镓铟磷基限制层、p型导电窗口层，形成外延片，并且，所述可粗化外延层材料为铝镓铟磷或者铝铟磷，所述n型接触外延层材料为砷化镓，所述有源层材料为铝镓铟磷；
2)在上述外延片的p型导电窗口层之上制作一反射镜；
3)提供一永久衬底，将其与上述外延片通过粘结层进行粘合，并使得反射镜和粘结层接触；
4)去除临时衬底和缓冲层，暴露出可粗化外延层；
5)采用湿法蚀刻方式对可粗化外延层进行化学处理以形成粗化外延层；
6)蚀刻部分区域的粗化外延层并暴露出其下的n型接触外延层；
7)在上述暴露的n型接触外延层之上制作n扩展电极；
8)在粗化外延层上制作n焊盘并与使其与n扩展电极形成电学接触；
9)在永久衬底背面制作p电极。
10.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的临时材料选自GaAs、GaP、Ge或Si。
11.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，n型接触外延层GaAs的掺杂浓度大于1×1018cm-3，n型接触外延层的厚度小于500埃。
12.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，反射镜材料选自Ag、Al、Pt、Pd、Au、AuBe、AuZn或由前述的任一物质与透明氧化物所形成的叠层结构材料之一。
13.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的永久衬底材料选自Ge、Si、GaP、GaAs或InP。
14.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的永久衬底材料选自Cu、Ni、Mo、Co或前述的任意组合之一。
15.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的粘结层材料选自Au、Ag、Sn、In、Pt、Ni、Ti或前述的任意组合之一。
16.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的粘结层材料选自AuSn、InAu、AuSi、AuGe、AuBe、AgSn、AgSnCu或前述的任意组合之一。
17.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中湿法蚀刻可粗化外延层的蚀刻液选自HCl、HBr、HI、Br2、I2或者前述的任意组合之一。
18.如权利要求9所述的倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的n扩展电极材料选自Ge、Au、Ni或者前述的任意组合之一。
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