CN103811607A - 高亮度发光二极管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高亮度发光二极管及制备方法，设有砷化镓（GaAs）衬底，砷化镓（GaAs）衬底上由下至上依次设有砷化铝（AlAs）剥离层，n型限制层，构成发光二极管的核心发光区域的多量子阱有源区, p型限制层，作为永久衬底层的p型窗口层，通过上述层结构的相互连接构成一发光二极管结构。其中，n型限制层的底面上还设有高反射率金属反射层；在金属反射层的底面上设有n型电极，并形成一芯片；经切割后的芯片成为发光二极管（LED）所需的芯片。本发明采用直接外延生长一层磷化镓（GaP）做为发光窗口层和永久衬底层的方式，用以取代现有金属反射器工艺中二次衬底贴附（bonding）的步骤，不仅大大增加了光的提取效率、简化了制作工艺，而且，还提高了发光二极管制作工艺的稳定性和产品的良品率。

Description

高亮度发光二极管及制备方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是一种以磷化镓（GaP）作为永久衬底，并带有高反射率金属反射镜的高亮度发光二极管及制备方法。
背景技术
发光二极管（lighting emitting diode，LED）是一种冷光发光器件，其具有体积小，寿命长，响应速度快，可靠性高等优点，在现代社会生活中大量应用于显示屏，交通指示灯，信号灯，汽车灯等等诸多方面。
磷化铝镓铟（InAlGaP）四元系材料适合制造红、橙、黄和黄绿光发光二极管，拥有晶格匹配的砷化镓（GaAs）外延生长衬底，具有很高的内量子效率。然而由于光萃取效率低下，导致外量子效率很低。影响光提取效率的因素主要包括窗口层内部反射，金属电极的遮挡和砷化镓衬底的吸收等。
一方面，芯片内部向上传播的光，只有小于临界反射角入射芯片表面的部分光才能离开芯片发射出来，其余部分则被芯片表面反射回来，最终在芯片内部被俘获和吸收。由于半导体折射率通常较高，临界反射角较小，导致光提取效率很低。另一方面，砷化镓衬底会吸收磷化铝镓铟有源区发出的向下传播的可见光，且其热传导性较差。
现有的磷化铝镓铟（InAlGaP）四元系红光发光二极管，采用砷化镓（GaAs）作为衬底，并在砷化镓（GaAs）衬底上由下至上依次设有分布布拉格反射器（DBRs），n型限制层，多量子阱有源区，p型限制层和p型磷化镓（GaP）窗口层。其中，磷化镓（GaP）层是良好的光窗材料，若增加其厚度，侧出光面积也随之增加，电极遮挡影响也相对减弱，能够显著改善其发射效率。为了充分发挥磷化镓的优点，目前一般采用将透明的磷化镓衬底键合（bonding）到发光二极管芯片上，以取代原先不透明的砷化镓GaAs衬底，从而完全消除衬底的吸收。但是，此键合技术工艺难度大，成品率低，成本较高。另外，上述结构中，分布布拉格反射器（DBRs）是用来阻挡砷化镓衬底对光的吸收的，由于布拉格反射器（DBRs）的反射率角比较窄，只对接近法向入射的光反射率大，仍然有相当部分的光会被砷化镓衬底吸收，而且，布拉格反射器（DBRs）容易增加发光二极管的工作电压和不可靠性。
为了使发光二极管的光萃取效率提高，通常采取以金属反射器取代布拉格反射器（DBRs）方式，用以将任何角度的光有效反射回发光二极管正面，而且，不会导致发光二极管工作电压升高。在金属反射器制作工艺过程中，一般采取以下步骤：
⑴ 将外延片转移到新的临时衬底上；
⑵ 去除生长衬底；
⑶ 蒸镀金属反射器；
⑷ 将蒸镀后的金属反射器再贴附（bonding）到永久衬底上；
⑸ 去除临时衬底。
由于上述工艺步骤比较繁杂，批量生产时，稍有误差就会影响到工艺的稳定性，增加不良产品率。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种高亮度发光二极管及制备方法，其采用直接在外延生长一层磷化镓（GaP）做为发光窗口层和永久衬底层的方式，用以取代现有金属反射器工艺中二次衬底贴附（bonding）的步骤，不仅大大增加了光的提取效率、简化了制作工艺，而且，还提高了发光二极管制作工艺的稳定性和产品的良品率。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种高亮度发光二极管，设有砷化镓（GaAs）衬底，其特征在于：砷化镓（GaAs）衬底上由下至上依次设有砷化铝（AlAs）剥离层，n型限制层，构成发光二极管的核心发光区域的多量子阱有源区, p型限制层，作为永久衬底层的p型窗口层，通过上述层结构的相互连接构成一发光二极管结构。
所述 n型限制层的底面上还设有高反射率金属反射层；在高反射率金属反射层的底面上设有n型电极，并形成一芯片整体；经切割后的芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片。
所述n型限制层为：n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为：0.6～1，y为0.4～0.6。
所述多量子阱有源区为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；作为永久衬底层的p型窗口层为：p型磷化镓（GaP）材料。
一种高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：采用以下制备步骤：
第一步：设置临时砷化镓（GaAs）衬底；
第二步：在砷化镓（GaAs）衬底上外延生长n型砷化铝（AlAs）剥离层；
第三步：在砷化铝（AlAs）剥离层上外延生长n型限制层；
第四步：在n型限制层之上生长多量子阱有源区，以构成发光二极管的核心发光区域；
第五步：在多量子阱有源区上生长p型限制层；
第六步：在p型限制层上生长.，作为永久衬底层的p型窗口层；
第七步：在p型窗口层上制备p型电极；
第八步：对芯片的砷化铝（AlAs）剥离层进行腐蚀，并去除临时砷化镓(GaAs)衬底和剥离层；
第九步：在n型限制层的底面上制备高反射率金属反射层；
第十步：在高反射率金属反射层的底面上制备n型电极，并形成一芯片整体；
第十一步：将芯片整体进行切割，使芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片。
所述第八步中，砷化铝（AlAs）剥离层的腐蚀过程如下：
砷化铝（AlAs）剥离层芯片从边缘开始向内腐蚀，直至腐蚀到整个临时砷化镓（GaAs）衬底从外延层上脱落为止，该步结束之后，n型限制层会成为新的芯片的下表面。
所述生长于砷化镓（GaAs）衬底上的砷化铝（AlAs）剥离层，其厚度在0.5微米至30微米之间；
所述n型限制层是由n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料所组成，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；多量子阱有源区为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；p型窗口层为p型磷化镓（GaP）材料，其厚度为：50-200微米。
所述砷化铝（AlAs）剥离层的腐蚀液选自氢氟酸（HF）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）、盐酸（HCl）、磷酸（H3PO4）溶液，其浓度值为：1%—50%，腐蚀时间为1—3600秒。高反射率金属反射层为金（Au），铍/金（Be/Au），锌/金（Zn/Au），银（Ag），锡/银（Sn/Ag）材料中的一种或者其组合之一。
本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其采用直接在外延生长一层磷化镓（GaP）做为发光窗口层和永久衬底层的方式，用以取代现有金属反射器工艺中二次衬底贴附（bonding）的步骤，不仅大大增加了光的提取效率、简化了制作工艺，而且，还提高了发光二极管制作工艺的稳定性和产品的良品率。
附图说明
图1为本发明芯片外延生长制备过程截面示意图。
图2为本发明芯片制备过程截面示意图。
图中主要标号说明：
1. 砷化镓（GaAs）衬底、2. 砷化铝（AlAs）剥离层、3. n型限制层、4. 多量子阱有源区、5. p型限制层、6. p型窗口层、7. p型电极、8. 高反射率金属反射层、9. n型电极。
具体实施方式
如图1，图2所示，本发明设有砷化镓（GaAs）衬底1，砷化镓（GaAs）衬底1上设有砷化铝（AlAs）剥离层2，砷化铝（AlAs）剥离层2上设有n型限制层3，n型限制层3上设有构成发光二极管的核心发光区域的多量子阱有源区4, 多量子阱有源区4上设有p型限制层5；p型限制层5上设有作为永久衬底层的p型窗口层6，通过上述层结构的相互连接构成一发光二极管结构。其中，n型限制层3的底面上还设有高反射率金属反射层8；在高反射率金属反射层8的底面上设有n型电极9，并形成一芯片整体；经切割后的芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片
上述n型限制层3为：n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为：0.6～1，y为0.4～0.6；多量子阱有源区4为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层5为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；作为永久衬底层的p型窗口层5为：p型磷化镓（GaP）材料。
上述结构采用如下制备步骤：
第一步：设置临时砷化镓（GaAs）衬底1；
第二步：在砷化镓（GaAs）衬底1上外延生长n型砷化铝（AlAs）剥离层2，以供后续剥离之用；
第三步：在砷化铝（AlAs）剥离层2上外延生长n型限制层3；
第四步：在n型限制层3之上生长多量子阱有源区4,以构成发光二极管的核心发光区域；
第五步：在多量子阱有源区4上生长p型限制层5；
第六步：在p型限制层5上生长. 作为永久衬底层的p型窗口层6；
第七步：在p型窗口层6上制备p型电极7；
第八步：采用腐蚀液对芯片的砷化铝（AlAs）剥离层2进行腐蚀，并去除临时砷化镓(GaAs)衬底1和剥离层2，其腐蚀过程如下：
砷化铝（AlAs）剥离层2从芯片边缘开始向内腐蚀，直至腐蚀到整个临时砷化镓（GaAs）衬底1从外延层上脱落为止，该步结束之后，n型限制层3会成为新的芯片的下表面。
第九步：在n型限制层3的底面上制备高反射率金属反射层8；
第十步：在高反射率金属反射层8的底面上制备n型电极9，并形成一芯片整体；
第十一步：将芯片整体进行切割，使芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片。
上述生长于砷化镓（GaAs）衬底1之上的砷化铝（AlAs）剥离层2，其厚度在0.5微米至30微米之间；其n型限制层3是由n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料所组成，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；多量子阱有源区4为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层5为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；作为永久衬底层的p型窗口层5为p型磷化镓（GaP）材料，其厚度为：50-200微米。砷化铝（AlAs）剥离层2的腐蚀液选自氢氟酸（HF）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）、盐酸（HCl）、磷酸（H3PO4）溶液，其浓度值为：1%—50%，腐蚀时间为1—3600秒。高反射率金属反射层8为金（Au），铍/金（Be/Au），锌/金（Zn/Au），银（Ag），锡/银（Sn/Ag）材料中的一种或者其组合之一。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种高亮度发光二极管，设有砷化镓（GaAs）衬底，其特征在于：砷化镓（GaAs）衬底上由下至上依次设有砷化铝（AlAs）剥离层，n型限制层，构成发光二极管的核心发光区域的多量子阱有源区, p型限制层，作为永久衬底层的p型窗口层，通过上述层结构的相互连接构成一发光二极管结构。
2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述 n型限制层的底面上还设有高反射率金属反射层；在高反射率金属反射层的底面上设有n型电极，并形成一芯片整体；经切割后的芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片。
3.根据权利要求1或2所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述n型限制层为：n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为：0.6～1，y为0.4～0.6。
4.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述多量子阱有源区为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；作为永久衬底层的p型窗口层为：p型磷化镓（GaP）材料。
5.一种高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：采用以下制备步骤：
第一步：设置临时砷化镓（GaAs）衬底；
第二步：在砷化镓（GaAs）衬底上外延生长n型砷化铝（AlAs）剥离层；
第三步：在砷化铝（AlAs）剥离层上外延生长n型限制层；
第四步：在n型限制层之上生长多量子阱有源区，以构成发光二极管的核心发光区域；
第五步：在多量子阱有源区上生长p型限制层；
第六步：在p型限制层上生长.，作为永久衬底层的p型窗口层；
第七步：在p型窗口层上制备p型电极； 
第八步：对芯片的砷化铝（AlAs）剥离层进行腐蚀，并去除临时砷化镓(GaAs)衬底和剥离层；
第九步：在n型限制层的底面上制备高反射率金属反射层；
第十步：在高反射率金属反射层的底面上制备n型电极，并形成一芯片整体；
第十一步：将芯片整体进行切割，使芯片整体成为发光二极管（LED）所需的芯片。
6.根据权利要求5所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第八步中，砷化铝（AlAs）剥离层的腐蚀过程如下：
砷化铝（AlAs）剥离层芯片从边缘开始向内腐蚀，直至腐蚀到整个临时砷化镓（GaAs）衬底从外延层上脱落为止，该步结束之后，n型限制层会成为新的芯片的下表面。
7.根据权利要求5所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：所述生长于砷化镓（GaAs）衬底上的砷化铝（AlAs）剥离层，其厚度在0.5微米至30微米之间。
8.根据权利要求5所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：所述n型限制层是由n型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料所组成，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；多量子阱有源区为：不同组分的磷化铝镓铟、磷化铝镓铟[（AlxGa1-x）0.5In0.5P/（AlyGa1-y）0.5In0.5P] 材料，其中，x为0～0.5，y为0～1；p型限制层为：p型磷化铝镓铟[(AlxGa1-x)yIn1-yP]材料，其中，x为0.6～1，y为0.4～0.6；p型窗口层为p型磷化镓（GaP）材料，其厚度为：50-200微米。
9.根据权利要求5或6所述的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：所述砷化铝（AlAs）剥离层的腐蚀液选自氢氟酸（HF）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）、盐酸（HCl）、磷酸（H3PO4）溶液，其浓度值为：1%—50%，腐蚀时间为1—3600秒。高反射率金属反射层为金（Au），铍/金（Be/Au），锌/金（Zn/Au），银（Ag），锡/银（Sn/Ag）材料中的一种或者其组合之一。 
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Application publication date: 20140521