CN102208508A - 一种发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光二极管结构，包括基板、外延层、第一电极和第二电极；外延层生长在基板上，依次包括遂穿层、p型限制层、有源层、n型限制层、晶向蚀刻层和欧姆接触层，第一电极形成在欧姆接触层上，第二电极形成在基板上。其制造方法是：在一基板上生长外延层；在欧姆接触层上蒸镀形成第一电极层；用蚀刻液去蚀刻欧姆接触层，用晶向蚀刻液去腐蚀晶向蚀刻层；减薄基板，并用热蒸发的方式在基板的表面形成第二电极。本发明通过化学溶液腐蚀带有晶向蚀刻的n型层，在发光表面形成规则的光学几何形状，大大降低了全反射造成出射光的损耗，提高了出光效率，试验证明亮度可提高80％。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管结构及其制造方法，特别是带有晶向蚀刻层的发光二极管结构，通过化学溶液的晶向蚀刻后可以有效提高发光二极管的发光效率。
背景技术
LED是继1950年代硅(Si)半导体技术后，由三五族(III-V族)化合物半导体发展的半导体器件。LED的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而发出光子，不同于灯泡需要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子元件相同，只需要2-4V的电压，在常温下就可以正常工作，因此其寿命也比传统光源更长。
LED所发出的颜色，主要是取决于电子与空穴结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很纯正，与传统光源都混有多种颜色相比，LED可说是一种数字化的光源。
LED的制作过程首先使用化学周期表中超高纯度的III族元素——铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)为材料，在高温下反应成为化合物，经过单晶生长技术，制成单晶棒，经过切割、研磨、抛光成为晶片，再将其作为基板(substrate)，使用外延技术将发光材料生长在衬底上，制成的外延片经过半导体镀金和蚀刻工艺后，通过细切加工成LED晶粒。
过去几年，由于外延技术的不断进步使得LED的发光亮度有很大的提高，四元系AlGaInP的晶格匹配于GaAs基板的晶格，因此该四元系LED从红光到绿光范围内的发光效率都很高。为了提高LED的发光效率，美国专利第5226053号揭示了在有源层与GaAs基板之间生长多层DBR增加光的反射效率，另一种技术是Kish等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.64，Nov.1994]的文献，名称为“Veryhigh-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP light emitting diodes”，揭示了一种透明GaP基板(TS)与外延片的P面粘合(Wafer Bonding)，再通过化学蚀刻的方法去除GaAs基板，就发光亮度而言，该技术制备的TS AlGaInP LED比传统LED亮度高三倍左右。但以上两种技术是通过改善内部光的损耗实现高效率的办法。
原则上，发光二极管的外部量子效率取决于本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)以及释放效率(extractionefficiency)。所谓内部量子效率，是由发光二极管的材料性质所决定的。释放效率，意味着从发光二极管内部发出光至周围空气的比例。释放效率取决于当光离开二极管内部时所发生的损耗，造成损耗的主要原因之一，是由于形成组件的表面层的半导体材料具有高折射系数(refraction coefficient)。高的光折射系数会导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)，而使发光二极管内部发出的光无法发射出去。在AlGaInP-GaAs材料的体系中，所有材料的折射率在3-3.5的范围内，根据全反射理论，DA Wanderwater等人发表于[Proceedings of the IEEE，volume.85，Nov.1997]的文献，名称为“High-brightness AlGaInP light emitting diodes”，揭示出传统LED的出光效率仅为4％。
为了避免上述的缺点，传统上有一些文献揭露出LED的技术，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如美国专利US.Pat.No.5040044揭示出一种表面粗化后加保护膜技术，其内容是粗化层为AlAs层，粗化后表面生长一层SiNx薄膜，其原理是粗化后的表面降低了内部光的全反射效应，但AlAs层极易被氧化，因此在表面生长一层SiNx薄膜。虽然该技术可以提高外量子效率，但是该技术存在很多缺陷，例如在操作的过程中要避免AlAs的氧化，而且要生长一层保护膜，这样会增加工艺的复杂程度，也增加了制造成本。
另一技术是美国专利号US6,411,403，公开了一种以外延生长的技术，直接形成粗糙化表面，使发光效益有明显提高，然而，此技术仅适用于特定的材料，如铝铟镓氮，因此使得此技术的应用受到限制。
发明内容
鉴于上述传统LED的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管结构及其制造方法，以降低全反射造成出射光的损耗，提高出光效率。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种发光二极管结构，包括基板、外延层、第一电极和第二电极；外延层生长在基板上，依次包括遂穿层、p型限制层、有源层、n型限制层、晶向蚀刻层和欧姆接触层，第一电极形成在欧姆接触层上，第二电极形成在基板上。
一种发光二极管的制造方法，包括以下步骤：
A、采用MOCVD、MBE或其他设备在一基板上依次生长一遂穿层、一p型限制层、一有源层、一n型限制层、一晶向蚀刻层和一欧姆接触层构成外延层；
B、用电子束蒸发设备、磁空溅射或化学沉积等设备在欧姆接触层上蒸镀形成第一电极层；
C、用蚀刻液去蚀刻欧姆接触层，用晶向蚀刻液去腐蚀晶向蚀刻层；
D、用机械研磨的方法减薄基板，用热蒸发的方式在基板的表面形成第二电极。
其中，步骤B具体是将清洗好的外延片放进烘箱烘烤10min，再将外延片旋转涂胶，胶的厚度在5-10微米之间，曝光强度在400-1000mJ/cm2，显影20-100s，用氮气吹干；选自AuGe做为欧姆接触，AuGe厚度为800-3000
选自Ti作为阻挡层，厚度在
选自Au作为打线层，厚度在1000-3000
镀好的外延片放入光阻去除液中剥离，再经过200-1000℃高温下合金。
步骤C具体是用蚀刻液3H2O2∶NH4OH去除欧姆接触层形成蚀刻后的欧姆接触层，用晶向蚀刻液7H3PO4∶2H2O2，在20-150℃环境下静止60min，将GaAs层去除后放入晶向蚀刻液中静止300s，腐蚀晶向蚀刻层。
步骤D具体是用机械研磨的方法将基板减薄，使芯片厚度薄至180±10微米，用强氧化性酸5H2SO4∶H2O2∶H2O清洗芯片表面的杂质，再用3 NH4OH∶H2O2对芯片表面进行抛光，用热蒸发的方式将AuGe镀在基板的表面形成第二电极，其厚度在
范围内，将芯片放入200-1000℃高温下合金。
所述的蚀刻液由H2SO4、HCl、HF、CH3COOH、NH4F、H2O2、HNO3、H3PO4、HIO3、K2Cr2O7、KIO3、KOH中的一种或几种配制而成。
所述的欧姆接触层选自GaP、InGaAs、GaAs、AlGaAs、InP、GaInP和AlGaInP。
第一电极所用的金属选自AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ti、Pb、Cr、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种的组合。
第二电极所用的金属选自AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ti、Pb、Cr、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种的组合。
采用上述方案后，本发明通过化学溶液腐蚀带有晶向蚀刻的n型层，在发光表面形成规则的光学几何形状，大大降低了全反射造成出射光的损耗，提高了出光效率，试验证明亮度可提高80％。
另外，本发明晶向蚀刻层根本不会被氧化，因此不需要任何介质膜的保护，与美国专利5040044有根本性的区别。
为了说明本发明的技术特征，以下结合附图和实施例来做进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明较佳实施例制作过程(没有电极)的结构示意图；
图2是本发明较佳实施例制作过程(有第一电极)的结构示意图；
图3是本发明较佳实施例制作过程(有第一电极和第二电极)的结构示意图。
标号说明
GaAs基板 300 遂穿层 301
p型限制层 302 有源层 303
n型限制层 304 晶向蚀刻层 305
欧姆接触层 306
蚀刻后的欧姆接触层 406 第一电极 407
第二电极 501 减薄后的GaAs基板 502
粗化后的晶向蚀刻层 505
具体实施方式
如图1、2和3所示是本发明较佳实例在制作过程中的结构示意图，制造步骤如下：
步骤一：用MOCVD(金属有机化学汽相沉积系统)、MBE(分子束外延生长)或其他设备在GaAs基板300上生长外延层，外延层包括一遂穿层301，一p型限制层302，一有源层303，一n型限制层304，一晶向蚀刻层305，一欧姆接触层306，如图1所示。遂穿层301是由n型向p型的过渡层，是在GaAs基板300生长一高掺的GaAs层，隧穿层301可降低n型到p型的势垒，降低器件的电压。p型限制层302是掺碳C的AlInP，有源层303为AlGaInP，n型限制层304是掺硅Si的AlInP，晶向蚀刻层305为GaInP，欧姆接触层306为InGaAs。
步骤二：制作第一电极。用电子束蒸发设备、磁空溅射或化学沉积等设备在欧姆接触层306上蒸镀AuGe、Au作为发光二极管的第一电极层407。电极制作需满足三个条件，第一形成良好的欧姆接触，第二可以使电流扩展均匀，第三能有最大的出光面积。具体的实施实例为将清洗好的外延片放进烘箱烘烤10min，再将外延片旋转涂胶，胶的厚度在5-10微米之间，曝光强度在400-1000mj/cm2，显影20-100s，用氮气吹干。第一层金属膜选自AuGe做为欧姆接触，AuGe厚度为第二层金属膜选自Ti作为阻挡层，厚度在
避免因Ge的扩散而影响欧姆接触特性。第三层金属膜选自Au作为打线层，厚度在
镀好的外延片放入光阻去除液中剥离，再经过200-1000℃高温下合金。
步骤三：腐蚀晶向蚀刻层305。用蚀刻液(体积比3H2O2∶NH4OH)蚀刻欧姆接触层306形成蚀刻后的欧姆接触层406，露出晶向蚀刻层，配制晶向蚀刻液(体积比7H3PO4∶2H2O2)，在50℃环境下静止60min，再将芯片放入晶向蚀刻液中静止300s，腐蚀后的表面样貌如图3中所示的晶向蚀刻层505，配合图3所示。
步骤四：制作第二电极。具体实施步骤包括，用机械研磨的方法将芯片减薄至180±10微米，如图3中所示是减薄后的GaAs基板502。用强氧化性酸(体积比5H2SO4∶H2O2∶H2O)清洗芯片表面的杂质，再用体积比3 NH4OH∶H2O2对芯片表面进行抛光。用热蒸发的方式将AuGe镀在基板502的表面形成第二电极501，其厚度在范围内，将芯片放入200-1000℃高温下合金，如图3所示，这样，即得到本发明的发光二极管结构，包括GaAs基板502、遂穿层301、p型限制层302、有源层303、n型限制层304、晶向蚀刻层505、欧姆接触层406和形成在欧姆接触层406上的第一电极407、形成在GaAs基板502上的第二电极501。
综上所述，本发明提出新型LED结构，采用化学溶液蚀刻外延层的发光表面，在发光表面形成带有规则的光学几何形状，如图3中的粗化晶向蚀刻层505，粗化样貌降低了全反射几率，大大提高了出光提取率。特别是用特定比例的酸液与缓冲液混合，配制的混合溶液对特殊结构的n型层进行蚀刻，蚀刻后的表面是带有规则的几何光学形状，该方法制造的芯片亮度可提高80％。
虽然本发明的较佳实例详细列举出来，但并非限制本发明的范围，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何相关技术人员对本发明的些许修饰和变化，均应包含在本发明的权利要求书所要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种发光二极管结构，其特征在于：包括基板、外延层、第一电极和第二电极；外延层生长在基板上，依次包括遂穿层、p型限制层、有源层、n型限制层、晶向蚀刻层和欧姆接触层，第一电极形成在欧姆接触层上，第二电极形成在基板上。
2.一种发光二极管的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
A、采用MOCVD、MBE或其他设备在一基板上依次生长一遂穿层、一p型限制层、一有源层、一n型限制层、一晶向蚀刻层和一欧姆接触层构成外延层；
B、用电子束蒸发设备、磁空溅射或化学沉积等设备在欧姆接触层上蒸镀形成第一电极层；
C、用蚀刻液去蚀刻欧姆接触层，用晶向蚀刻液去腐蚀晶向蚀刻层；
D、用机械研磨的方法减薄基板，用热蒸发的方式在基板的表面形成第二电极。
3.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤B是将清洗好的外延片放进烘箱烘烤10min，再将外延片旋转涂胶，胶的厚度在5-10微米之间，曝光强度在400-1000mJ/cm2，显影20-100s，用氮气吹干；选自AuGe做为欧姆接触，AuGe厚度为800-3000选自Ti作为阻挡层，厚度在100-2000
选自Au作为打线层，厚度在1000-3000镀好的外延片放入光阻去除液中剥离，再经过200-1000℃高温下合金。
4.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于所述的蚀刻液由H2SO4、HCl、HF、CH3COOH、NH4F、H2O2、HNO3、H3PO4、HIO3、K2Cr2O7、KIO3、KOH中的一种或几种配制而成。
5.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤C是用蚀刻液3H2O2:NH4OH去除欧姆接触层形成蚀刻后的欧姆接触层，用晶向蚀刻液7H3PO4:2H2O2，在20-150℃环境下静止60min，将GaAs层去除后放入晶向蚀刻液中静止300s，腐蚀晶向蚀刻层。
6.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤D是用机械研磨的方法将基板减薄，使芯片厚度薄至180±10微米，用强氧化性酸5H2SO4:H2O2:H2O清洗芯片表面的杂质，再用3NH4OH:H2O2对芯片表面进行抛光，用热蒸发的方式将AuGe镀在基板的表面形成第二电极，其厚度在200-2000范围内，将芯片放入200-1000℃高温下合金。
7.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的欧姆接触层选自GaP、InGaAs、GaAs、AlGaAs、InP、GaInP和AlGaInP。
8.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：第一电极所用的金属选自AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ti、Pb、Cr、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种的组合。
9.如权利要求2所述的一种发光二极管的制造方法，其特征在于：第二电极所用的金属选自AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ti、Pb、Cr、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种的组合。
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