CN102820389A

CN102820389A - 一种基于elo技术的倒装结构发光二极管及其制备方法

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Publication number: CN102820389A
Application number: CN2012102549527A
Authority: CN
Inventors: 张�杰; 蒋建; 陈依新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-21
Filing date: 2012-07-21
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-07-21
Also published as: CN102820389B

Abstract

一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。包括有从下往上依次纵向层叠生长的下电极、转移衬底、后置层、电流扩展层、第二限制层、有源区、第一限制层、窗口层，上电极，具体结构如附图2所示。采用了ELO技术，通过一次性湿法腐蚀的办法，将外延生长时用的衬底一次性完整的剥离。本发明制作工艺简单，脱落的衬底材料可以重复使用，大大减少了工艺过程中外延材料的浪费，从而节约了成本，给工业生产提供了便利，起到了环境保护的作用。该倒装结构发光二极管，其光效高，亮度高，工艺重复性好；器件尺寸随亮度需求而灵活变化，相同数量的芯片比较，其产值高，成本低，非常适合于大批量生产。

Description

一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管及其制备方法

技术领域

在发光二极管（LED）中引入ELO（Epitaxial lift-off）技术，开发一种新型倒装结构的发光二极管，涉及一种新型的LED器件结构，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

目前，普通正装结构发光二极管的设计方法及其结构：一般采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD,Metal Organic Chemical Vapor Deposition）进行外延生长，器件结构如图1所示，包括有从上往下依次纵向层叠设计的上电极10、电流扩展层20、上限制层30、有源区40、下限制层50、缓冲层60、衬底70、下电极80。通过注入电流，电子-空穴对在有源区辐射复合发光，产生的光子从器件的上电极方向发射出来。该种器件存在的主要问题是：吸收衬底（如GaAs，Si等）对发光材料（如AlGaInP，InGaN，ZnO等）产生的光有强的吸收，使得发射到衬底方向的光子几乎全被吸收，最终以热的形式释放，不仅大大降低了器件的出光效率，而且产生的大量的热严重损伤了器件的光电性能。

目前，针对衬底吸收的问题，人们通常提出的办法是：在缓冲层和下限制层之间生长高反射率的分布布拉格反射层（DBR，Distributed Bragg Reflector），该结构能够对垂直发射到衬底方向的光子进行反射，以提高光的提取效率，如图2所示。这种结构的局限性在于DBR只是对于垂直发射到衬底方向的光子有着较强的反射效果，对斜入射的光子仍然显示出透明的特性，导致大量的光子依然透过DBR发射到衬底，最终被衬底吸收，因此，DBR结构的引入对LED发光效率的提高所起到作用不是很大。

另外，有人提出去除外延生长用的衬底（如图1所示的衬底70，其材料一般为GaAs），通过键合或者粘合的办法重新制作一个新的转移衬底71，新的转移衬底的材料通常为Si，这样做的好处是一方面解决了衬底对光子的吸收问题，另一方面，可以在转移衬底与外延片之间制备一层反光镜，对光子起到宽角度反射的作用，其结构如图3所示。不足之处也很明显，衬底70的厚度一般大于250微米，要想完整去除，必须先用研磨的方法将衬底减薄，当衬底被研磨到一定的厚度，开始使用湿法腐蚀的办法，这样做的缺点很明显：第一，因为研磨采用的是物理的办法，而衬底70一般很脆，所以，容易导致整个外延片在研磨的过程中破裂，从而降低生产时的成品率；第二，为了在研磨后进行湿法腐蚀，一般是通过在外延片和衬底70之间生长一个腐蚀停层来实现，由于研磨过程中会产生厚度差，或者外延片本身的厚度偏差在3-5个微米的范围，这就要求腐蚀停层的生长具有高的掺杂浓度，既要保证衬底70的完全去除，又必须保护电流扩展层21没有受到破坏，这样一来，就增加了外延生长的难度；第三，一般衬底70采用的是GaAs材料，研磨或者湿法腐蚀都会带来对衬底的彻底性破坏，会造成材料的浪费以及环境的污染，同时，在生产时也大大增加了生产成本。

以上提到的两种最常见的方法虽然都能从某一方面解决目前发光二极管存在的衬底吸收的问题，但是各自均具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，可以同时解决倒装结构LED中衬底去除工艺复杂，生产成本高等问题。该新型工艺及结构不仅可以大大提高LED的发光效率，而且制备工艺简单，非常适合于大规模生产，产品成本低，成品率高，具有很强的市场竞争力。

ELO技术简单介绍：在常规LED外延生长过程中，生长一层牺牲层（sacrificiallayer），该层位于衬底70与LED发光单元之间，为了使得LED发光单元在去除衬底后能够完整地保留下来，必须先在衬底去除之前在LED的表面制备一层后置层（backing layer），后置层的材料通常为金属，既有导电性又有反光性，如：金属铜，银，金，或者铜与其他金属的合金。通过侧向湿法腐蚀的方式将牺牲层和衬底完整地剥离，被剥离下来的衬底经过适当的处理，可以进行重复使用。图4是ELO技术的简单工艺流程示意图。

本发明中器件组成部分包括两部分，一部分是专门针对ELO技术开发的外延片结构（如图5所示），其主要结构包括：衬底70、从下往上依次纵向层叠生长的缓冲层60、牺牲层62、第一限制层50、发光单元40、第二限制层30、电流扩展层20。另一部分是利用ELO技术制备完成的基于ELO技术的倒装结构LED（如图6所示），其主要结构包括：从下往上依次层叠的下电极80、转移衬底71、后置层63、电流扩展层20、第二限制层30、发光单元40、第一限制层50、窗口层21，上电极10。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其主要结构如图6所示，结构简单，工艺重复性好，其主要特征在于：由于外延片结构中有牺牲层62，可以很简单地使用腐蚀溶液将外延片生长时用的衬底完整脱落，既保证了吸收衬底的完整去除，同时，去除下来的衬底可以经过再一次加工而重复使用，避免了衬底材料的浪费，大大降低了工业生产的成本。另外，可以采用蒸发、溅射或者电镀的方法在电流扩展层20上制备一层薄的后置层63（既能起到键合的作用，又能对光子起到反射的作用），使得衬底脱落后的外延片与背光层粘合在一起表现出十分柔软的特性，可以任意弯曲，并且不容易破碎，因此，非常有利于大面积外延片的衬底脱落。实验结果显示：该技术可以成功地应用在2，3，4以及6英寸的外延片上。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其窗口层21所用的材料可以是ITO（氧化铟锡），导电树脂，也可以是其它的既能导电、透光又能对光起到增透作用的材料。如：AlGaInP LED中，折射率介于GaP与空气之间的ITO层。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其窗口层21的上方还可以引入增透膜能够对光能起到增透作用的结构。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其后置层63起到的作用是既能反光，又能导电还能与转移衬底71形成键合层；其材料可以是金属或者非金属。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其发光单元40的结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的任意组合结构。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其上电极10的形状可以是圆形、星形、条形、插指形等其他形状，压焊点直径可以是100μm，80μm或其它的尺寸，材料可以是AuZnAu，也可以是其它的电极材料。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其下电极80可以是比如AlGaInP中LED的AuGeNi，也可以是其它材料系LED的电极材料。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其衬底70的材料可以是与外延材料晶格匹配的任何晶体材料，如GaAs或SiC等等。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其转移衬底71可以是GaAs，Si等对可见光吸收的材料，也可以是铜、金、Si等衬底材料。

本发明中的基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其单颗芯片面积可以是200μm×200μm，225μm×225μm，也可以是其他的尺寸。

本发明的主要优越性：

1）ELO技术的引入能够完整地一次性去除外延生长时用的衬底，工艺简单，重复性好，大大提高了产品成品率，有利于大规模地生产。

2）采用ELO技术脱落的衬底材料可以重复使用，大大减少了工艺过程中外延材料的浪费，从而节约了成本，给工业生产提供了便利，起到了环境保护的作用。

3）采用ELO技术取出衬底后的外延片的柔韧性很好，不容易破碎，所以非常有利于制作大尺寸的外延片，节约了工艺成本，提高了成品率。

4）基于ELO技术的倒装LED不仅工艺简单，而且在转移衬底与外延片之间引入后置层，可以使得大量光子被反射回来从上电极方向发射到体外，大大提高了LED的出光效率，从而提高了发光强度，适合于制作高亮度的LED。

5）该结构LED产生的光子绝大部分能够发射到体外，少数光子在体内被吸收转化成热，所以器件有着更好的热饱和特性，更加有利于大电流下工作。

6）该结构LED具有高的出光效率，即使在小尺寸芯片下，仍然可以得到高亮度大功率光输出的LED，可大大提高芯片的产量和产值。

7）基于ELO技术的倒装LED，具有的重要优点是：光效高，亮度高；制作工艺简单，重复性好；产值高，成本低，非常适合于大批量生产。

附图说明

图1：普通的正装结构发光二极管的结构示意图；

图2：带有DBR反光层的正装结构发光二极管的结构示意图

图3：常规倒装结构发光二极管的结构示意图

图4：ELO技术的简单工艺流程示意图

图5：基于ELO技术的发光二极管外延片的结构示意图

图6：基于ELO技术的倒装结构发光二极管的结构示意图

图7：基于ELO技术的带有增透膜的倒装结构发光二极管的结构示意图

图中:10为上电极，20为电流扩展层，30为第一限制层，40为发光单元，50为第二限制层，60为缓冲层，70为衬底，80为下电极，90为DBR反光层，21为窗口层，22为增透膜，61为同时兼顾键合作用和反光镜的反射层，63为后置层，71为转移衬底，62为牺牲层。

具体实施方式1

如图6所示，以AlGaInP材料的LED为例。该器件由以下各部分组成：n-型电极10，n-型窗口层21，n-型第二限制层50，多量子阱结构的发光单元40，p-型第一限制层30，p-型电流扩展层20，键合及反光层61，转移衬底71，p-型电极80；其制备过程和方法如下：

1.在GaAs等能够与AlGaInP晶格匹配的材料形成的n-型衬底70上，用MOVCD方法依次外延生长n-型缓冲层60，用于ELO工艺的牺牲层62，n-型第一限制层50，多量子阱结构的发光单元40，p-型第二限制层30，p-型电流扩展层20，这样就得到了基于ELO技术的AlGaInP发光二极管的外延片，如图5所示；

2.再通过后工艺的办法：首先通过电镀或者蒸发工艺在外延片的p-型电流扩展层20的上方制备一层后置层63，其材料是Cu与Mo的合金，厚度约20μm；

3.将制备好后置层63的外延片放入HF的溶液中，通过牺牲层62可将外延片和衬底完整分离；

4.待整个外延片分离后，将外延片通过后置层63键合在Si衬底上，形成转移衬底结构的发光二极管；

5.然后在第一限制层50的上方制备一个导电透光的窗口层21，以提高LED的发光效率；

6.接下来，在窗口层21上面蒸发一层AuGeNi金属层，并光刻出n-型上电极10，将键合在外延片上的转移衬底71进行减薄至约200μm，然后在减薄的转移衬底71上蒸发一层AuZnAu形成p-型下电极80，完成了上、下电极的制作；切割成225μm×225μm的单个管芯，压焊在管座上，形成一个个的高性能倒装结构LED，完成了芯片的制作。

7.初步实验结果显示，对于相同结构的发光单元，在相同的测试条件下，基于ELO技术的倒装结构LED比常规结构LED发光强度提高了80%以上，且工艺简单，成品率高。

具体实施方式2

如图7所示，以AlGaInP材料的LED为例。该器件由以下各部分组成：n-型电极10，增透膜22，n-型窗口层21，n-型第二限制层50，多量子阱结构的发光单元40，p-型第一限制层30，p-型电流扩展层20，键合及反光层61，转移衬底71，p-型电极80；其制备过程和方法如下：

6.在窗口层21的上方，通过蒸发的方式制备一层增透膜22，可以进一步提高LED的光提取效率；

7．接下来，在增透膜22的上面蒸发一层AuGeNi金属层，并光刻出n-型上电极10，将键合在外延片上的转移衬底71进行减薄至约200μm，然后在减薄的转移衬底71上蒸发一层AuZnAu形成p-型下电极80，完成了上、下电极的制作；切割成225μm×225μm的单个管芯，压焊在管座上，形成一个个的高性能倒装结构LED，完成了芯片的制作。

8.初步实验结果显示，对于相同结构的发光单元，在相同的测试条件下，基于ELO技术的带增透膜的倒装结构LED比无增透膜结构的基于ELO技术的倒装LED的发光强度提高了约20%。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims

1.一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，包括有从下往上依次纵向层叠生长的下电极、转移衬底、后置层、电流扩展层、第二限制层、发光单元、第一限制层、窗口层、上电极。

2.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其后置层具有导电及反光性，厚度范围在20-50微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，HF酸溶液对其牺牲层具有强的腐蚀性，在腐蚀牺牲层的同时，几乎不腐蚀发光二极管的其它层结构，并且牺牲层厚度不超过10微米。

4.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其窗口层所用的材料是氧化铟锡或导电树脂。

5.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，在窗口层的上方还引入增透膜。

6.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其发光单元的结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的任意组合结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其上电极的形状是圆形、星形、条形或插指形，压焊点直径范围是60-100μm，其材料是p型的电极材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其衬底的材料是GaAs或Si。

9.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管，其特征在于，其转移衬底是GaAs，Si或者是铜、金、蓝宝石的衬底材料。

10.根据权利要求1所述的一种基于ELO技术的倒装结构发光二极管的制备方法，其特征在于，在外延生长时制备一层牺牲层，ELO技术是采用一次性湿法腐蚀的办法，将外延生长时用的衬底一次性完整的剥离；通过侧向湿法腐蚀的方式，使用HF酸腐蚀液将牺牲层和衬底完整地剥离。