CN101807649A - 具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法 - Google Patents
具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法，在常规铝镓铟磷基发光二极管的基础上，通过键合和衬底去除，将一粗化的n型铝镓铟磷基外延层引入并结合到原有发光二极管结构中，第一外延片就是常规铝镓铟磷基发光二极管，制作第二外延片提供可粗化外延层，为了使可粗化外延层结合到第一外延片的第一键合窗口层表面，在两者之间提供第二键合窗口层，并通过高温高压条件下直接键合方式，将第一键合窗口层和第二键合窗口层结合形成键合，本发明成功地将湿法粗化n型铝镓铟磷基外延层应用于常规铝镓铟磷基发光二极管，大幅度提升了取光效率；与倒装铝镓铟磷基发光二极管相比，本发明的制作工艺简单且不存在焊线坑洞问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝镓铟磷基发光二极管及其制造方法，尤其是一种可以提高取光效率的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法。
背景技术
随着市场需求和技术进步等多方面的推动，红黄光铝镓铟磷基发光二极管已经广泛应用于显示屏、指示灯、数码产品、背光源等不同领域。传统的铝镓铟磷基发光二极管由于受到材料本身的限制，发光效率的提升出现瓶颈，已经逐渐无法满足高端应用的要求，因此目前急需在现有的技术水平上大幅提高光效。发光二极管的光效主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。由于发光半导体材料的折射率与空气或者封装材料(如环氧树脂)的差异较大，因此在芯片内部存在严重的全反射，大部分的光被限制在芯片内部并最终被吸收，这极大限制了芯片的取光效率。为了抑制全反射从而提高芯片取光效率，诸如表面粗化、光子晶体、高折射率介质层等方法被运用到芯片结构当中并得到较好的效果。这其中，表面粗化由于制作相对简单、成本较低且效率提升幅度较高是目前常用的取光提升工艺。表面粗化按照蚀刻的方式可以分为化学湿法粗化和干法蚀刻粗化。对于常规的铝镓铟磷基发光二极管，其表面是p型磷化镓键合窗口层，磷化镓的化学性质较为稳定，一般的化学湿法无法进行蚀刻粗化，而干法蚀刻会导致表面损伤影响电学性能，所以表面粗化工艺难于应用在常规的铝镓铟磷基发光二极管。相比于磷化镓，铝镓铟磷基外延材料更容易被化学湿法蚀刻，更为特别的是，在靠生长衬底的一侧的n型铝镓铟磷可以通过一定的湿法蚀刻得到极佳的粗化形貌从而大幅提升取光效率，但其只能应用于基于衬底转移的倒装铝镓铟磷基发光二极管结，然而倒装铝镓铟磷基发光二极管的制作工艺复杂，且发光外延层经过键合转移存在焊线坑洞等隐患。
发明内容
为解决上述问题，本发明的旨在提供一种具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管及其制作方法，在常规铝镓铟磷基发光二极管芯片结构的基础上，通过直接键合和衬底去除，引入并结合一表面粗化的n型铝镓铟磷基外延层，从而大幅度提升铝镓铟磷发光二极管芯片的取光效率。
本发明解决其技术问题所采用结构技术方案是，具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管，其特征在于：
一永久衬底，其具有两个主表面，即第一主表面和第二主表面；
一缓冲层形成于永久衬底的第一主表面之上；
一n型铝镓铟磷基外延层位于缓冲层之上；
一有源层位于n型铝镓铟磷基外延层之上；
一p型铝镓铟磷基外延层位于有源层之上；
一第一键合窗口层位于p型铝镓铟磷基外延层之上，其材料为p型磷化镓；
一第二键合窗口层位于第一键合窗口层的上，其材料为p型磷化镓；
一粗化外延层位于第二键合窗口层的部分区域之上，其材料为n型铝镓铟磷或n型铝铟磷；
一p电极位于第二键合窗口层的另一部分区域之上；
一n电极位于永久衬底的第二主表面之上。
上述一种具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其步骤包括：
1)制作第一外延片，包括在永久衬底上依次外延生长缓冲层、n型铝镓铟磷基外延层、有源层、p型铝镓铟磷基外延层和第一键合窗口层，并且所述第一键合窗口层材料为p型磷化镓；
2)制作第二外延片，包括在临时衬底上依次外延生长成核层、可粗化外延层和第二键合窗口层，并且，所述可粗化外延层材料为n型铝镓铟磷或者n型铝铟磷，所述第二键合窗口层材料为p型磷化镓；
3)将第一外延片和第二外延片相互贴合成晶圆对，并使得第一键合窗口层与第二键合窗口层相互接触，通过加温加压使得晶圆对之间形成键合；
4)去除临时衬底和成核层，暴露出可粗化外延层；
5)蚀刻部分区域的可粗化外延层，暴露出其下的第二键合窗口层。
6)制作电极，包括在暴露出的第二键合窗口层之上制作p电极，在永久衬底背面制作n电极；
7)表面粗化，包括采用含有HCl或者HBr的蚀刻液处理可粗化外延层，使其形成粗化外延层。
在本发明中永久衬底材料选自砷化镓、磷化镓、硅或锗；临时衬底材料也可选自砷化镓、磷化镓、硅或锗，然而出于成本因素考虑，永久衬底和临时衬底优选硅衬底；同样出于成本因素考虑，制作第二外延片的方式优选氢化物气相外延(HVPE)或者液相外延(LPE)。
本发明的主要特征是在常规铝镓铟磷基发光二极管的基础上，通过键合和衬底去除，将一粗化的n型铝镓铟磷基外延层引入并结合到原有发光二极管结构中；第一外延片实际上就是常规铝镓铟磷基发光二极管，而制作第二外延片的目的是为了提供可粗化外延层；为了能够使得可粗化外延层结合到第一外延片表面，在两者之间提供第二键合窗口层，并通过高温高压条件下直接键合方式，将第一键合窗口层和第二键合窗口层结合形成键合。
本发明的有益效果在于成功地将湿法粗化n型铝镓铟磷基外延层应用于常规铝镓铟磷基发光二极管，大幅度提升了取光效率；另外，相比于倒装铝镓铟磷基发光二极管，本发明的制作工艺简单且不存在焊线坑洞问题。
附图说明
图1为本发明引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的截面结构图；
图2a～2f为本发明具有粗化层的发光二极管制作过程的截面示意图；
图3为本发明实例的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的表面形貌图。
图中附图标识如下：
100砷化镓衬底
101缓冲层
102DBR
103n-AlInP层
104多量子阱有源层
105p-AlInP层
106第一p-GaP层
110p电极
120n电极
200硅衬底
201成核层
202可粗化n-AlInP层
202A粗化n-AlInP层
203第二p-GaP层
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1所示的一种具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管结构的截面示意图，其结构包括：一砷化镓衬底100，其具有两个主表面；缓冲层101形成于砷化镓衬底100的一主表面之上；分布式布拉格反射器DBR 102形成于缓冲层101之上；n-AlInP层103形成于DBR 102之上；多量子阱有源层104形成于n-AlInP层103之上；p-AlInP层105形成于多量子阱有源层104之上；第一p-GaP层106形成于p-AlInP层105之上；第二p-GaP层203形成于第一p-GaP层106之上；粗化n-AlInP层202A形成于第二p-GaP层203的部分区域之上；p电极110形成于第二p-GaP层203的另一部分区域之上，其材料为AuBe/Ti/Au；n电极120形成于砷化镓衬底100的另一主表面，其材料为AuGe/Ni/Au。
按照图1所示的优选实施例的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法为：
如图2a所示，制作第一外延片10，即以砷化镓100为衬底，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在其上依次生长缓冲层101、DBR 102、n-AlInP层103、多量子阱有源层104、p-AlInP层105和第一p-GaP层106。
如图2b所示，制作第二外延片20，即以硅200为衬底，采用氢化物气相外延(HVPE)方法在其上依次生长成核层201、可粗化n-AlInP层202和第二p-GaP层203。
如图2c所示，将第一外延片10和第二外延片20相互贴合成晶圆对，并使得第一p-GaP层106与第二p-GaP层203相互接触，然后在800℃高温、10000N压力的条件下使得晶圆对形成键合；
如图2d所示，采用湿法蚀刻去除硅衬底200，选用硝酸和氢氟酸混合溶液为蚀刻液进行衬底去除。接着采用湿法蚀刻去除成核层201，选用氨水和双氧水混合溶液作为蚀刻液；完全去除成核层201之后则可暴露出可粗化n-AlInP层202；
如图2e所示，采用湿法蚀刻中央部分区域的可粗化n-AlInP层202并暴露出其下的第二p-GaP层203，湿法蚀刻n-AlInP可以选用盐酸溶液作为蚀刻液。在暴露出的第二p-GaP层203之上制作p电极110，电极材料选用AuBe/Ti/Au，厚度为500/500/10000埃，在砷化镓衬底100背面制作n电极120，电极材料选用AuGe/Ni/Au，厚度为500/500/10000埃。
如图2f所示，对可粗化n-AlInP层202进行表面粗化，使其形成粗化n-AlInP层202A，表面粗化工艺采用盐酸、磷酸的混合溶液，HCl∶H3PO4∶H2O比例为1∶5∶10，蚀刻时间持续2分钟。
如图3显示的是粗化n-AlInP层202A的表面形貌图，采用扫描电子显微镜(SEM)放大15000倍拍摄得到，从图中可以看出粗化n-AlInP层202A表面呈三角锥状分布，锥体的尺寸大小大致在600nm，这样的粗化尺寸与出光的波长较为接近，可以极大地提高发光二极管的取光效率。
Claims (7)
1.具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管，其特征在于：
一永久衬底，其具有两个主表面，即第一主表面和第二主表面；
一缓冲层形成于永久衬底的第一主表面之上；
一n型铝镓铟磷基外延层位于缓冲层之上；
一有源层位于n型铝镓铟磷基外延层之上；
一p型铝镓铟磷基外延层位于有源层之上；
一第一键合窗口层位于p型铝镓铟磷基外延层之上，其材料为p型磷化镓；
一第二键合窗口层位于第一键合窗口层的上，其材料为p型磷化镓；
一粗化外延层位于第二键合窗口层的部分区域之上，其材料为n型铝镓铟磷或n型铝铟磷；
一p电极位于第二键合窗口层的另一部分区域之上；
一n电极位于永久衬底的第二主表面之上。
2.如权利要求1所述的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管，其中的永久衬底材料选自砷化镓、磷化镓、硅或锗。
3.上述具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其工艺步骤包括：
1)制作第一外延片，包括在永久衬底上依次外延生长缓冲层、n型铝镓铟磷基外延层、有源层、p型铝镓铟磷基外延层和第一键合窗口层，并且所述第一键合窗口层材料为p型磷化镓；
2)制作第二外延片，包括在临时衬底上依次外延生长成核层、可粗化外延层和第二键合窗口层，并且，所述可粗化外延层材料为n型铝镓铟磷或者n型铝铟磷，所述第二键合窗口层材料为p型磷化镓；
3)将第一外延片和第二外延片相互贴合成晶圆对，并使得第一键合窗口层与第二键合窗口层相互接触，通过加温加压使得晶圆对之间形成键合；
4)去除临时衬底和成核层，暴露出可粗化外延层；
5)蚀刻部分区域的可粗化外延层，暴露出其下的第二键合窗口层；
6)制作电极，包括在暴露出的第二键合窗口层之上制作p电极，在永久衬底背面制作n电极；
7)表面粗化，包括采用含有HCl或者HBr的蚀刻液处理可粗化外延层，使其形成粗化外延层。
4.如权利要求3所述的具有引入粗化层的高亮度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砷化镓、磷化镓、硅或锗。
5.如权利要求3所述的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的临时衬底材料选自砷化镓、磷化镓、硅或锗。
6.如权利要求5所述的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的临时衬底材料优选为硅。
7.如权利要求3所述的具有引入粗化层的高亮度铝镓铟磷基发光二极管的制作方法，其中的制作第二外延片的方式为氢化物气相外延或者液相外延。
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