CN104167477B - 一种反极性AlGaInP基发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种反极性AlGaInP基发光二极管及其制造方法，属于光电子技术领域，先制成发光二极管外延片，并在外延片上制作一全反射镜结构层；将具有全反射镜结构层的外延片与永久衬底通过一金属粘结层键合；经去除临时衬底、缓冲层、阻挡层和ｎ型砷化镓层，将第一粗化层表面粗化；在第一粗化层和ｎ型砷化镓欧姆接触层上制作图案化的扩展电极；以掩膜保护已有的图案化扩展电极，将掩膜保护层以外区域的第一粗化层和ｎ型砷化镓欧姆接触层去除，并将第二粗化层粗化；主电极形成于第二粗化层上。本发明利用粗化外延层结构和掩膜保护，提高了电极与外延层的附着性和完整性，确保发光器件工作电压稳定，极大地提升了产品的质量和良率。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别是反极性AlGaInP基发光二极管的制造技术。
背景技术
高亮度AlGaInP发光二极管已广泛应用于高效固态照明领域中，如显示屏、汽车用灯、背光源、交通信号灯、景观照明等。由于常规的GaAs衬底的禁带宽度比AlGaInP窄，有源区所产生的向下方发射的光子将会被吸收，导致发光效率大幅度降低。为了避免向下方发射的光子被吸收，提高发光效率，可利用禁带宽度比AlGaInP宽的GaP衬底取代GaAs衬底，但是该工艺技术存在使用设备复杂、合格率低、制造成本高的缺点。针对衬底材料和工艺技术的限制，采用衬底转移方式，并增加金属全方位反射镜来制造反极性结构的AlGaInP基发光二极管，可以大幅度发光效率，降低制造成本。
现有的反极性AlGaInP发光二极管，其器件结构如附图1所示，其中包含一硅衬底200，硅衬底200有上、下两个主表面，其上表面依次为一粘合层201、一反射镜层108、一p-GaP窗口层107、一p-AlGaInP限制层106、一多量子阱（MQW）有源层105、一n-AlGaInP限制层104，一n-GaAs接触层103位于粗化n-AlGaInP限制层104的部分区域之上，一n扩展电极202位于n-GaAs接触层103之上，一n主电极203位于粗化n-AlGaInP限制层104的另一部分的中央局部区域之上，且与n扩展电极形成电学接触，P电极204形成于硅衬底200的下表面。由于外延生长的ｎ型砷化镓欧姆接触层表面致密光滑，与金属层的附着性不佳，此外，在化学溶液湿法蚀刻n-AlGaInP粗化层时，存在严重的横向钻蚀问题，使扩展电极的边缘处于悬空状态，在外应力的作用下易造成扩展电极和n-GaAs接触层缺损和脱落，破坏了正常的电流扩展，造成器件的电压升高、亮度降低，严重影响产品的质量和正品率。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供种一种便于生产的发光效率高、制造成本低的反极性AlGaInP基发光二极管。
本发明包括设置在Si衬底一面的粘结层，在所述粘结层上依次设置反射镜层、p-GaP窗口层、p-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层和n-AlGaInP限制层，在Si衬底的另一面设置p电极和n扩展电极，所述n扩展电极与p电极电学连接，在所述n-AlGaInP限制层上设置n主电极；本发明的特点是：在所述n-AlGaInP限制层上还图形化地设置ｎ型砷化镓欧姆接触层，在所述ｎ型砷化镓欧姆接触层上通过第一可粗化n-AlGaInP层设置n扩展电极。
本发明在ｎ型砷化镓欧姆接触层上增加易于粗化的第一可粗化n-AlGaInP层，利用粗化外延层结构，提高了电极与外延层的附着性和完整性，确保发光器件工作电压稳定，极大地提升了产品的质量和良率。
本发明另一目的是提出以上产品的制造方法：
本发明包括以下步骤：
1）制备发光二极管外延片：在临时衬底的一侧面依次外延缓冲层、阻挡层、ｎ型砷化镓层、第一可粗化n-AlGaInP层、ｎ型砷化镓欧姆接触层、第二可粗化n-AlGaInP层、ｎ型铝镓铟磷限制层、有源层、ｐ型铝镓铟磷限制层和ｐ型导电窗口层；
2）在发光二极管外延片的ｐ型导电窗口层上制作全反射镜结构层；
3）将具有全反射镜结构层的发光二极管外延片与永久衬底通过一金属粘结层键合；
4）去除临时衬底、缓冲层、阻挡层和ｎ型砷化镓层；
5）在外延层上制作扩展电极：先采用湿法蚀刻将第一可粗化n-AlGaInP层的表面进行粗化处理；再在粗化的第一可粗化n-AlGaInP层的表面和ｎ型砷化镓欧姆接触层上制作图案化的n扩展电极；在图案化的n扩展电极外制作掩膜保护层；将掩膜保护层以外区域的第一可粗化n-AlGaInP层和ｎ型砷化镓欧姆接触层去除；最后再对裸露的第二可粗化n-AlGaInP层表面进行粗化；
6）在粗化的第二可粗化n-AlGaInP层表面制作n主电极，并在n主电极与n扩展电极之间制作电学连接；
7）在永久衬底背面制作P电极。
本发明工艺简单、合理，可获得多层外延结构、反射镜结构、表面粗化结构以及芯片电极结构，从而使芯片压降稳定、亮度提高、电极结构完整以及正品率提高。
另外，本发明采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液，对所述第一可粗化n-AlGaInP层进行粗化处理，可以获得均匀可控的粗糙表面，直接增强了芯片的出光效率。
同理，采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液，对所述第二可粗化n-AlGaInP层进行粗化处理。
所述n扩展电极的材料为Ge、Au或Ni中的至少任意一种，从而获得稳定可控的欧姆接触，直接增强了芯片的电学性能。
所述n扩展电极202材料优选AuGeNi/Au，厚度为100/200nm，从而获得稳定可控的欧姆接触，直接增强了芯片的电学性能。
所述掩膜保护层的尺寸大于图案化的n扩展电极的尺寸，可以避免粗化后的扩展电极边缘处于悬空状态，避免其在外应力的作用造成的扩展电极和n-GaAs接触层缺损和脱落，从而获得稳定可控电流扩展性能，直接增强了芯片的电学和光学性能。
附图说明
图1现有的反极性AlGaInP基发光二极管的结构示意图。
图2本发明方法制成的反极性AlGaInP基发光二极管的结构示意图。
图3a～3f是本发明的制作过程形成的产品的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图2 所示，本发明以Si衬底200作为永久衬底，并有上、下两个主表面。以金属Au或Ag作为粘结层201形成于其上表面。反射镜层110形成于粘结层201之上，其材料为SiO2/Ag双层结构；p-GaP窗口层109形成于反射镜层110之上；p-AlGaInP限制层108形成于p-GaP窗口层109之上；多量子阱（MQW）有源层107形成于p-AlGaInP限制层108之上，其材料为AlGaInP；n-AlGaInP限制层106形成于多量子阱（MQW）有源层107之上；n-GaAs欧姆接触层105形成于n-AlGaInP限制层106之上，其厚度优选300埃，掺杂浓度优选1×1019CM-3以上；第一可粗化n-AlGaInP层104形成于n-GaAs欧姆接触层105之上；n扩展电极202形成于第一可粗化n-AlGaInP层104之上，其材料为AuGeNi/Au。n主电极204形成于粗化的n-AlGaInP层106之上，其材料为Cr/Au,并且其与n型扩展电极202形成电学连接；p电极205形成Si衬底200的下面，其材料为Ti/Pt/Au。
上述产品的制造方法步骤如下：
1、制备发光二极管外延片：如图3a所示，在一临时GaAs衬底100上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长缓冲层101、阻挡层102、GaAs层103、第一可粗化n-AlGaInP欧姆接触层104、n-GaAs欧姆接触层105、n-AlGaInP限制层106、MQW有源层107、p-AlGaInP限制层108和p-GaP窗口层109，其中n-GaAs欧姆接触层105 的厚度优选300埃，掺杂浓度优选1×1019CM-3以上。
在p-GaP窗口层109上蒸镀一反射镜层110，材料为SiO2/ Ag，厚度为20/500nm，SiO2开导电小孔，反射镜层110同时也起到与p-GaP层109形成欧姆接触的作用。
至此，制备取得发光二极管外延片。
2、如图3b所示，在永久Si衬底200的上表面蒸镀2微米厚的Au或Ag作为粘结层201。
3、如图3c所示，将完成上述步骤的发光二极管外延片倒装在Si衬底200上，（将发光二极管外延片的反射镜层110复合在粘结层201上）并在350℃温度、4000kg压力条件下实现两者共晶键合。
4、如图3d所示，采用氨水和双氧水混合溶液完全去除GaAs衬底100和缓冲层101，采用盐酸，磷酸和水的混合溶液完全去除阻挡层102，采用磷酸和双氧水的混合溶液完全去除GaAs层103。
采用盐酸、磷酸和水的混合溶液湿法粗化第一可粗化层n-AlGaInP层104，使ｎ型砷化镓欧姆接触层105部分裸露。（也可采用采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液进行粗化处理。）
在已粗化的第一可粗化层n-AlGaInP层104和ｎ型砷化镓欧姆接触层105之上制作图案化的n扩展电极202，n扩展电极202材料优选AuGeNi/Au，厚度为100/200nm，将其在420℃氮气氛围中进行熔合以获得n扩展电极202与第一可粗化层n-AlGaInP层104和ｎ型砷化镓欧姆接触层105形成良好的欧姆接触。
5、如图3e所示，在图案化的n扩展电极202外光刻掩膜保护层203，并使掩膜保护层203的尺寸大于图案化的n扩展电极202的尺寸。
以光刻胶为掩膜，采用盐酸，磷酸和水的混合溶液完全去除第一可粗化n-AlGaInP层104，采用磷酸和双氧水的混合溶液完全去除n-GaAs欧姆接触层105，采用盐酸，磷酸和水的混合溶液湿法粗化第二粗化n-AlGaInP层106。（也可采用采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液进行粗化处理。）
6、如图3f所示，采用去胶液去除光刻的掩膜保护层203，在已粗化的第二粗化n-AlGaInP层106的中央局部区域上制作n主电极204，n主电极204为圆形，直径110微米，材料为Cr/Au，厚度100/3000nm，并将n主电极204与n扩展电极203形成电学连接。
最后，在Si衬底200的下表面制作p电极205，电极材料采用Ti/Pt/Au，厚度为30/50/300nm。
Claims (7)
1.一种反极性AlGaInP基发光二极管，包括设置在Si衬底一面的粘结层，在所述粘结层上依次设置反射镜层、p-GaP窗口层、p-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层和n-AlGaInP限制层，在Si衬底的另一面设置p电极和n扩展电极，所述n扩展电极与p电极电学连接，在所述n-AlGaInP限制层上设置n主电极；其特征在于在所述n-AlGaInP限制层上还图形化地设置ｎ型砷化镓欧姆接触层，在所述ｎ型砷化镓欧姆接触层上通过第一粗化n-AlGaInP层设置n扩展电极。
2.一种如权利要求1所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1）制备发光二极管外延片：在临时衬底的一侧面依次外延缓冲层、阻挡层、ｎ型砷化镓层、第一可粗化n-AlGaInP层、ｎ型砷化镓欧姆接触层、第二可粗化n-AlGaInP层、ｎ型铝镓铟磷限制层、有源层、ｐ型铝镓铟磷限制层和ｐ型导电窗口层；
2）在发光二极管外延片的ｐ型导电窗口层上制作全反射镜结构层；
3）将具有全反射镜结构层的发光二极管外延片与永久衬底通过一金属粘结层键合；
4）去除临时衬底、缓冲层、阻挡层和ｎ型砷化镓层；
5）在外延层上制作扩展电极：先采用湿法蚀刻将第一可粗化n-AlGaInP层的表面进行粗化处理；再在粗化的第一可粗化n-AlGaInP层的表面和ｎ型砷化镓欧姆接触层上制作图案化的n扩展电极；在图案化的n扩展电极外制作掩膜保护层；将掩膜保护层以外区域的第一可粗化n-AlGaInP层和ｎ型砷化镓欧姆接触层去除；最后再对裸露的第二可粗化n-AlGaInP层表面进行粗化；
6）在粗化的第二可粗化n-AlGaInP层表面制作n主电极，并在n主电极与n扩展电极之间制作电学连接；
7）在永久衬底背面制作P电极。
3.根据权利要求2所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液，对所述第一可粗化n-AlGaInP层进行粗化处理。
4.根据权利要求2所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：采用H3PO4、HCL、HBr、HF、H2O2或I2中的至少任意一种与水形成溶液，对所述第二可粗化n-AlGaInP层进行粗化处理。
5.根据权利要求2所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：所述n扩展电极的材料为Ge、Au或Ni中的至少任意一种。
6.根据权利要求5所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：所述n扩展电极202材料为AuGeNi/Au，厚度为100/200nm。
7.根据权利要求2所述反极性AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：所述掩膜保护层的尺寸大于图案化的n扩展电极的尺寸。
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