CN103489976A - 一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，本发明将氧化后的DBR层、电极结构化、高电流扩展和同面双电极等多种技术相融合，避免了LED断路或半断路现象，使之成为具有高反射、无焦耳热的高亮度同面双电极发光二级管。在本发明所述的高亮发光二级管芯片的外延生长、电极制作步骤完成后，对芯片半切，最后对芯片进行一次氧化，改变DBR层导电性，使之成为绝缘层，大大提高反射率，消除因产生焦耳热、散射等引起的损耗，实现100%的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，属于光电子器件的技术领域。
背景技术
发光二极管由于其高效、节能、环保等方面的优点，已经广泛应用于汽车和交通信号指示、大屏幕显示、液晶显示的背光照明、固体照明等领域。四元合金材料(AlxGa1-x)0.5In0.5P具有较宽的直接带隙，覆盖了560-650nm范围的可见光波长，并可以与GaAs衬底晶格完全匹配，是制备红色到绿色波段LED的优良材料。AlGaInP LED由于半导体折射率与空气折射率差大使出光面的出光锥体小，电极、衬底对光的吸收等原因造成AlGaInP LED的光提取效率很低。目前国内外研究工作的重点集中在进一步提高AlGaInP LED的光提取效率上，如加厚GaP窗口层，在吸收红光的GaAs衬底前生长布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR），光子晶体，晶体薄膜结构，用对红光透明的GaP材料代替对红光吸收的GaAs衬底，以及加金属光镜的倒装结构的红光LED。
传统的AlGaInP四元发光二极管，因基底GaAs具有良好的导电性，管芯采用双面上下电极结构。中国专利CN1355569公布了一种高反射布拉格反射体结构，其特征在于将布拉格反射体的一部分氧化，提高反射率，然而此种方法并未起到非常明显的作用，氧化后的AlGaAs折射率减小，并且在该层中的损失（损失包括散射和吸收）以及串联电阻产生的焦耳热并未缩减多少。
另一篇中国专利CN101587929公开了一种基于GaAs衬底的ALGAINP四元三端电极发光管，其管芯结构包括：GaP层、P型AlGaInP层、量子阱有源区、N型AlGaInP层、布拉格反射层、GaAs层、和GaAs衬底，在GaP层上面设有P电极，在GaAs层上设有一个台面，该台面上蒸镀有N电极，GaAs衬底上设有基板N电极，该专利仅仅是从电极的设计结构方面来增加发光二极管的使用寿命，避免安装在显示屏上时出现死灯等现象的发生：当前AlGaInP四元LED管芯应用在显示屏上，其基底GaAs上的金属层通过银浆粘接到封装底座的金属上，成为LED连接的一个连接电极。这样要求固定LED管芯的银浆导电性很好，但是，由于银浆的热膨胀系数与半导体GaAs衬底的热膨胀系数差别巨大，封装好的发光二级管在随后的应用中经常经历高温焊接，如回流焊接、波峰焊接等，焊接温度的变化会由于热膨胀吸收不同而导致管芯粘接不牢，出现发光二级管死灯现象；同时发光二级管在户外使用，气温变化也会导致发光二级管死灯，这种死灯现象严重影响发光二级管在显示屏等方面的应用。一旦出现死灯或闪灯现象，不仅整个屏显效果不佳，而且对显示屏厂家、封装厂及LED芯片厂的信誉与利益产生连带效应，后果不仅仅是几个灯不亮的简单问题。但是本专利并未就提高发光二极管的发光效率提任何解决的技术方案。
中国专利CN101005194A公开了一种提高氧化铝/砷化镓分布布拉格反射镜界面质量的方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)在半绝缘砷化镓(100)衬底上，使用分子束外延的方法外延生长200nm的砷化镓缓冲层；(B)在砷化镓缓冲层上生长7个周期的砷化铝/砷化镓分布布拉格反射镜；(C)对砷化铝/砷化镓分布布拉格反射镜进行刻蚀至衬底，形成条形结构；(D)将刻蚀好的材料放入氧化炉中，进行湿法氧化，以把砷化铝氧化成氧化铝；(E)在氧化炉中退火，同时关闭水蒸气，向炉中通氮气进行气体保护，以提高氧化铝/砷化镓分布布拉格反射镜的界面质量。该专利仅仅提供一种提高了Al2O3/GaAs的DBR层界面质量的方法，即AlAs/GaAs的DBR层经过湿法氧化后直接在氧化炉中的退火，该方法仅仅是消除DBR界面处的应力，而对DBR层的导电性和反射率、消除焦耳热等均无改进效果。
因此，提供一种发光二级管的制备方法，在不增加外延生长成本、实际应用成本的前提下，努力提高DBR层的反射率，以获得高的出光效率，减少或者避免串联电阻引起的焦耳热等方面的损失，同时尽量避免或杜绝显示屏应用中发光二级管闪灯或死灯现象，以提高整体产品的性价比，是当前LED产业发展的重要课题之一。
发明内容
发明概述
针对以上的技术不足，本发明提供一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，本发明将氧化后的DBR层、电极结构化、高电流扩展和同面双电极等多种技术相融合，避免了LED断路或半断路现象，使之成为具有高反射、无焦耳热的高亮度同面双电极发光二级管。在本发明所述的高亮发光二级管芯片的外延生长、电极制作步骤完成后，对芯片半切，最后对芯片进行一次氧化，改变DBR层导电性，使之成为绝缘层，大大提高反射率，消除因产生焦耳热、散射等引起的损耗，实现100%的出光效率。
术语解释：
1、MOCVD：Metal Organic Chemical Vapour Deposition，金属有机物化学气相沉积。MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200℃，用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方)，H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。
2、DBR：Distributed Bragg Reflector，布拉格反射镜。是一种常用的高反射率的反射镜，其结构是利用两种不同折射率的材料重覆交错堆叠而成，利用折射率周期性的变化，让入射光可以在入射处形成建设性干涉，造成很高的反射率。
3、半切：锯片机(切割机)由可自动旋转的精密工作台，高速空气静压电主轴(最高转速达60,000rpm)，自动划痕定位系统，自动对准对刀和位置辅正装置系统CCD Camera，显示监控系统和工业控制计算机等组成，用锯片(刀片)从晶片面划过，对于薄的晶片，锯片(刀片)降低到晶片的表面划出一条深入1/3晶片厚度的浅槽。芯片分离方法仍沿用划片法和钻石划线法中所述的圆柱滚轴施压完成。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，包括步骤如下：
（1）采用MOCVD法依次在GaAs衬底上制备GaAs层、DBR层、N型AlGaIn层、量子阱有源区、P型AlGaIn层和GaP层，在GaP层上制有P电极，在N型AlGaIn层上制有台面，在所述台面上制有N电极，制成发光二极管；
（2）将步骤（1）所述发光二极管沿DBR层的上表层进行半切，半切深度范围是：20-40μm；将所述的发光二极管沿DBR层的上表层进行半切，实现了对所述发光二极管的水平环切，使所述DBR层的上表面与所述N型AlGaIn层形成缝隙，为后续的氧化做准备；
（3）将步骤（2）中经半切后的发光二极管置于氧化炉内进行氧化，氧化时间为20-30min，所述氧化炉内的温度为300-500℃；所述氧化炉内的湿度大于或等于85%RH；
（4）对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗，随后用N2将发光二极管吹干；
（5）对经步骤（4）处理后的发光二极管进行封装，制成AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管。
在本发明中，对所述DBR层进行氧化：在300-500℃的高温下，DBR层中的AlAs和H2O反应形成致密的、透明的自然氧化层；反应生成物包括Al的氧化物Al2O3、Al2O3.nH20（1≤n≤3）、Al（OH）n、以及As的化合物AsH3、As203等，生成包括Υ、η、δ和Χ相的Al2O3，其中以Υ相为主，且主要是非晶或多晶态，其中所述自然氧化层中残留的As少于2.4%。如上述组成的氧化层不但使所述DBR层完全绝缘，而且增加了DBR层的反射效率。本发明通过氧化工艺使DBR层氧化成为绝缘层，彻底消除光的损失，使向下发射的光全部向上反射回去，提升了光的出光效率；同时也是单面双电极的前提。
根据本发明优选的，步骤（1）中所述的DBR层为AlGaAs/AlAs的DBR层。
根据本发明优选的，步骤（1）中，在所述GaP层和P电极之间制有一层透明导电膜。在此设置有透明导电膜的作用是：利于电流在P电极下扩展。
根据本发明优选的，所述P电极，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片设置在所述的矩形框架内，所述矩形片的边长小于所述矩形框架的边长，所述矩形片的四角分别与所述矩形框架的四个角通过金属线相连；所述N电极为弧角方形电极。本发明中的P电极采用框架状镂空结构，在确保良好接触的同时还增加了发光面积，大大提高了采用不透明基板的LED的光萃取效率。
根据本发明优选的，所述的金属线呈曲线形。
根据本发明优选的，所述P电极通过P极引线与LED支架相连；所述N电极通过N极引线与LED支架相连。
根据本发明优选的，所述对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗至水阻值大于等于6MΩ，优选的，用离子水冲洗至水阻值6-8MΩ。
本发明的优点在于：
1.本发明通过氧化DBR层，从而改变其导电性，使之成为绝缘层，大大提高反射率，消除因产生焦耳热、散射等引起的损耗，实现较高的出光效率，提高芯片光强85%以上。
2.本发明所述的方法能保持发光二级管芯片的外延结构，避免芯片受损。
3.本发明所加工出的单面双电极LED将N电极和P电极放在了发光二极管管芯的同一面上，既能方便应用，又能保证了焊线端的质量，避免了焊接不牢引起的导线短路、断路问题。所述P电极和N电极分别通过P电极引线和N电极引线采用金丝球与LED支架焊接，避免了采用管芯粘接导致的死灯等问题的发生，彻底解决LED灯断路或半断路现象。
附图说明
图1是根据本发明所加工出的发光二极管的管芯结构示意图。
图2是图1中P电极和N电极采用金丝球焊与LED支架的连接示意图。
图3是本发明所加工出的发光二极管的所述P电极和N电极的结构及分布示意图。
图4是本发明所加工出的发光二极管与现有的同尺寸的发光二极管的光功率对比图。
在图1-4中：1、GaP层，2、P型AlGaInP层，3、量子阱有源区，4、N型AlGaInP层，5、氧化后的DBR层，6、GaAs层，7、GaAs衬底，8、透明导电薄膜，9、N电极，10、P电极，10-1、矩形框架，10-2、矩形片，10-3、金属线，11、管芯，12、N电极引线，13、P电极引线，14、LED支架。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
如图1-3所示。
一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，包括步骤如下：
（1）采用MOCVD法依次在GaAs衬底7上制备GaAs层6、DBR层5、N型AlGaIn层4、量子阱有源区3、P型AlGaIn层2和GaP层1，在GaP层1上制有P电极10，在N型AlGaIn层4上制有台面，在所述台面上制有N电极9，制成发光二极管；所述的DBR层为AlGaAs/AlAs的DBR层；
所述P电极，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片设置在所述的矩形框架内，所述矩形片的边长小于所述矩形框架的边长，所述矩形片的四角分别与所述矩形框架的四个角通过金属线相连，所述金属线呈曲线形；所述N电极为弧角方形电极；所述P电极通过P极引线与LED支架相连；所述N电极通过N极引线与LED支架相连；
（2）将步骤（1）所述发光二极管沿DBR层5的上表层进行半切，半切深度是：20μm；将所述的发光二极管沿DBR层的5上表层进行半切，实现了对所述发光二极管的水平环切，使所述DBR层的上表面与所述N型AlGaIn层4形成缝隙，为后续的氧化做准备；
（3）将步骤（2）中经半切后的发光二极管置于氧化炉内进行氧化，氧化时间为20-30min，所述氧化炉内的温度为300-500℃；所述氧化炉内的湿度大于或等于85%RH；
（4）对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗，随后用N2将发光二极管吹干；
（5）对经步骤（4）处理后的发光二极管进行封装，制成AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管。
实施例2、
一种如实施例1所述的提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其区别在于：
步骤（1）中，在所述GaP层和P电极之间制有一层透明导电膜。所述步骤（2）中的半切深度是：30μm。
所述对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗至水阻值6-8MΩ。
实施例3、
一种如实施例2所述的提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其区别在于：
所述步骤（2）中的半切深度是：40μm。
对比例、
选取现有的发光二极管作为本发明的对比例，其封装尺寸和功率与按照本发明所加工的一种基于GaAs衬底的AlGaInP四元单面双电极发光二极管完全相同。
分别向对比例发光二极管和实施例1所制备的发光二极管内注入相同的正向电流进行测试光功率，测试结构如图4所示：
在注入相同电流的情况下，本发明所加工的发光二级管的光功率约为对比例发光二极管的光效率的2倍。
Claims (7)
1.一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，其包括步骤如下：
（1）采用MOCVD法依次在GaAs衬底上制备GaAs层、DBR层、N型AlGaIn层、量子阱有源区、P型AlGaIn层和GaP层，在GaP层上制有P电极，在N型AlGaIn层上制有台面，在所述台面上制有N电极，制成发光二极管；
（2）将步骤（1）所述发光二极管沿DBR层的上表层进行半切，半切深度范围是：20-40μm；将所述的发光二极管沿DBR层的上表层进行半切，实现了对所述发光二极管的水平环切，使所述DBR层的上表面与所述N型AlGaIn层形成缝隙，为后续的氧化做准备；
（3）将步骤（2）中经半切后的发光二极管置于氧化炉内进行氧化，氧化时间为20-30min，所述氧化炉内的温度为300-500℃；所述氧化炉内的湿度大于或等于85%RH；
（4）对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗，随后用N2将发光二极管吹干；
（5）对经步骤（4）处理后的发光二极管进行封装，制成AlGaInP四元单面双电极高亮发光二极管。
2.根据权利要求1所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的DBR层为AlGaAs/AlAs的DBR层。
3.根据权利要求1所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，步骤（1）中，在所述GaP层和P电极之间制有一层透明导电膜。
4.根据权利要求1所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，所述P电极，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片设置在所述的矩形框架内，所述矩形片的边长小于所述矩形框架的边长，所述矩形片的四角分别与所述矩形框架的四个角通过金属线相连；所述N电极为弧角方形电极。
5.根据权利要求4所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，所述的金属线呈曲线形。
6.根据权利要求1所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，所述P电极通过P极引线与LED支架相连；所述N电极通过N极引线与LED支架相连。
7.根据权利要求1所述的一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，其特征在于，所述对经步骤（3）处理后的发光二极管用去离子水冲洗至水阻值6-8MΩ。
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