CN101958378A - 具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管及其制备方法，分布布拉格反射层形成于衬底上，第一型磊晶层形成于分布布拉格反射层上，发光层形成于第一型磊晶层上，第二型磊晶层形成于发光层上，表面呈凹陷的十字交叉状扩展条的图形化GaP窗口层形成于第二型磊晶层上；第一电极形成于图形化GaP窗口层正上方，第一电极与图形化GaP窗口层呈中空电流阻塞结构；第二电极形成于衬底背面。本发明完成常规工艺后，采用第一电极与图形化GaP窗口层形成以空气为介质的中空电流阻塞结构，以改变电流从发光层到达表面扩展层的方向，将更多的电流从GaP窗口层四周扩展后汇集至电极，使发光二极管比采用公知技术的二极管的发光效率提高30～50%。
Description
技术领域
本发明涉及四元系垂直发光二极管，特别是一种具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管及其制备方法。
背景技术
目前，发光二极管已被广泛应用于显示、装饰、通讯等领域，其结构一般包含衬底、分布布拉格反射层、第一磊晶层、发光层、第二磊晶层、窗口层、第一电极和第二电极。通过采用不同的半导体材料和结构，发光二极管能覆盖从紫外到红外的全色范围，并使其发光效率和亮度不断提高。提高发光二极管发光效率的一直是研发人员努力的追求目标，提高外延材料的质量，通过分布布拉格反射层减少GaAs衬底吸收，透明衬底键合，厚电流扩展窗口，改变电流扩展分布等方法都对发光效率的提高起到很好的效果。
现有四元系AlGaInP垂直结构发光二极管窗口层（Window Layer）多采用平面结构的GaP窗口层；如此，当对发光二极管施加电压时，电流扩展主要汇集在电极下面，芯片电极周围的发光区域就有部分因电流扩展不均，导致发光亮度较低。这是因为直接在GaP窗口层制作电极时，电极与GaP窗口层欧姆接触较好，对其施加电压或电流时，电流直接选择从电极下面的区域通过，使到达发光区边缘区域的电流很少，导致出现电极周围发光亮度较高，四周亮度较低的现象。
为了解决因欧姆接触不同导致电流扩展不均匀而存在的亮度差异问题，有研究者提出采用电流阻塞结构的方法，即在电极的下面以一定的规律通过一定的材料降低电极与GaP窗口层的欧姆接触，使电流能够更均匀的向四周扩展，达到提升亮度的作用。但是上述方法因要考虑材料的电性能，同时要考虑材料与窗口层的接触性能，在制作上往往较为困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管及其制备方法，LED的发光亮度大大提高，发光亮度可比采用公知技术的同类产品提高30%～50%。
为达上述目的，本发明解决其技术问题所采用一种具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管，包括一衬底，分布布拉格反射层形成于衬底上，第一型磊晶层形成于分布布拉格反射层上，发光层形成于第一型磊晶层上，第二型磊晶层形成于发光层上，表面呈凹陷的十字交叉状扩展条的图形化GaP窗口层形成于第二型磊晶层上；第一电极形成于图形化GaP窗口层正上方，第一电极与图形化GaP窗口层呈中空电流阻塞结构；第二电极形成于衬底背面。
制备上述具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的工艺步骤如下：
1) 在衬底的正面上依次形成分布布拉格反射层、第一型磊晶层、发光层及第二型磊晶层；
2) 形成GaP窗口层于第二型磊晶层上，构成晶片；
3) 采用湿蚀刻或干蚀刻方法，形成表面呈凹陷的十字交叉状扩展条的图形化GaP窗口层；
4) 在图形化GaP窗口层上低温生长SiO2或Si3N4用于填充凹陷的十字交叉状扩展条上；
5) 通过光罩、蚀刻、蒸镀作业，形成第一电极于含SiO2或Si3N4的GaP窗口层正上方；
6) 采用金刚砂轮在晶片的表面切割一刀；
7) 采用湿蚀刻，蚀刻通过十字交叉的电流扩展条将第一电极正下方的SiO2蚀刻掉，使第一电极与图形化GaP窗口层之间形成中空电流阻塞结构；
8) 在衬底的背面蒸镀金属，形成第二电极；
9) 切割二刀切穿后形成芯粒。
上述衬底材料选用GaAs、GaP或前述的任意组合之一，本发明优先采用GaAs衬底。
上述十字交叉状扩展条的内环为圆形，直径为50～70um，本发明优先采用扩展条的内环的直径为60um；十字交叉状扩展条的外边为矩形，宽度为5～10um，本发明优先采用扩展条的矩形外边宽度为8um；十字交叉状扩展条的凹陷深度为300～500nm，本发明优选扩展条的凹陷深度为400nm。
上述第一电极为圆形，直径为90～100um，本发明优先采用直径为95 um的第一电极。
上述采用金刚砂轮在晶片的表面切割一刀的深度为30～50um，宽度为40～60um，本发明中优先选择晶片表面的切割深度50 um，切割宽度40 um；本发明中在窗口层上生长SiO2或Si3N4的温度为60～100℃，本发明优先采用的SiO2或Si3N4的生长温度为80℃；
上述湿蚀刻采用的蚀刻液选自HF、NH4F、CH3COOH、H2SO4、H2O2的一种或前述的任意组合之一，干蚀刻采用的气体选自Ar2、O2、BCl3、Cl2、SiCl4的一种或前述的任意组合之一。
采用上述技术方案，本发明在完成常规工艺后，采用第一电极与图形化GaP窗口层形成以空气为介质的中空电流阻塞结构，以改变电流从发光层到达表面扩展层的方向，将更多的电流从GaP窗口层四周扩展后汇集至电极，使发光二极管比采用公知技术制作的二极管的发光效率提高30～50%。
附图说明
图1是本发明具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的结构剖视图。
图2是本发明具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管及其制备方法进一步说明。
如图1所示，具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，在GaAs衬底1上依次形成分布布拉格反射层2、第一型磊晶层3、发光层4及第二型磊晶层5；形成GaP窗口层6于第二型磊晶层5上；采用干蚀刻方法，形成表面呈凹陷的十字交叉状扩展条7的图形化GaP窗口层6，十字交叉状扩展条7的内环为圆形，直径为60um；十字交叉状扩展条7的外边为矩形，宽度为8um；十字交叉状扩展条7的凹陷深度为400nm，干法蚀刻采用的气体由Ar2、O2、BCl3、Cl2、SiCl4组成；在GaP窗口层6上80℃低温生长SiO2或Si3N4，用于填充凹陷的十字交叉状扩展条7上；通过光罩、蚀刻、蒸镀作业，形成第一电极8于含SiO2的GaP窗口层上，第一电极8直径为95um；采用金刚砂轮切割一刀，切宽为50um，切深为40um；采用HF、NH4F、CH3COOH、H2SO4、H2O2溶液蚀刻通过十字交叉的电流扩展条7将第一电极8正下方的SiO2蚀刻掉，使第一电极8与图形化GaP窗口层6形成以空气为介质层的中空结构；在GaAs衬底1的背面蒸镀金属，形成第二电极9；切割二刀切穿后形成芯粒。
依上述方法制备的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管，如图1所示，包括GaAs衬底1；分布布拉格反射层2形成于GaAs衬底1上；第一型磊晶层3形成于分布布拉格反射层2上；发光层4形成于第一型磊晶层3上；第二型磊晶层5形成于发光层4上；表面呈凹陷的十字交叉状扩展条7的图形化GaP窗口层6形成于第二型磊晶层5上；第一电极8，形成于图形化GaP窗口层6正上方，与图形化GaP窗口层呈中空结构；第二电极9形成于GaAs衬底1背面。
从图1和图2中，可以看出在第一电极8与图形化GaP窗口层6正中间形成以空气为介质的交界面，当电流到达第一电极8时，利用空气作为电流阻塞结构，改变电流到达图形化GaP窗口层6的方向，改善芯片表面的的电流分布均匀性，使发光二极管的发光亮度比采用公知技术提高30%～50%，有效地提高发光二极管的发光效率。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，由各权利要求限定。
Claims (11)
1. 具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管，包括一衬底，分布布拉格反射层形成于衬底上，第一型磊晶层形成于分布布拉格反射层上，发光层形成于第一型磊晶层上，第二型磊晶层形成于发光层上，表面呈凹陷的十字交叉状扩展条的图形化GaP窗口层形成于第二型磊晶层上；第一电极形成于图形化GaP窗口层正上方，第一电极与图形化GaP窗口层呈中空电流阻塞结构；第二电极形成于衬底背面。
2. 具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其工艺步骤是：
1) 在衬底的正面上依次形成分布布拉格反射层、第一型磊晶层、发光层及第二型磊晶层；
2) 形成GaP窗口层于第二型磊晶层上，构成晶片；
3) 采用湿蚀刻或干蚀刻方法，形成表面呈凹陷的十字交叉状扩展条的图形化GaP窗口层；
4) 在图形化GaP窗口层上低温生长SiO2或Si3N4用于填充凹陷的十字交叉状扩展条上；
5) 通过光罩、蚀刻、蒸镀作业，形成第一电极于含SiO2或Si3N4的GaP窗口层正上方；
6) 采用金刚砂轮在晶片的表面切割一刀；
7) 采用湿蚀刻，蚀刻通过十字交叉的电流扩展条将第一电极正下方的SiO2蚀刻掉，使第一电极与图形化GaP窗口层之间形成中空电流阻塞结构；
8) 在衬底的背面蒸镀金属，形成第二电极；
9) 切割二刀切穿后形成芯粒。
3. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：衬底材料选用GaAs、GaP或前述的任意组合之一。
4. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：十字交叉状扩展条的内环为圆形，直径为50～70um。
5. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：十字交叉状扩展条的外边为矩形，宽度为5～10um。
6. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：十字交叉状扩展条的凹陷深度为300～500nm。
7. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：第一电极为圆形，直径为90～100um。
8. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：采用金刚砂轮在晶片的表面切割一刀，切割深度为30～50um，切割宽度为40～60um。
9. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：在窗口层上生长SiO2或Si3N4的温度为60～100℃。
10. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：湿蚀刻采用的蚀刻液选自HF、NH4F、CH3COOH、H2SO4、H2O2的一种或前述的任意组合之一。
11. 如权利要求2所述的具有电流阻塞结构的四元系垂直发光二极管的制备方法，其特征在于：干蚀刻采用的气体选自Ar2、O2、BCl3、Cl2、SiCl4的一种或前述的任意组合之一。
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