CN104300065B - 具有新型扩展电极结构的发光二极管及其制造方法 - Google Patents

具有新型扩展电极结构的发光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

具有新型扩展电极结构的发光二极管及其制造方法,属于光电子技术领域,在外延片上制作镜面反射层,键合衬底后,去除外延片上的基板、缓冲层和截止层,露出N‑GaAs欧姆接触层,再制作图形化的N‑GaAs欧姆接触层,本发明通过制作出图形的N‑GaAs欧姆接触层,再利用电子束蒸镀和蚀刻工艺制作出同N‑GaAs欧姆接触图形套合的扩展电极,再利用负胶剥离工艺制作出主电极,工艺简单,主电极的尺寸大于扩展电极尺寸,既保证了扩展电极层与N‑GaAs欧姆接触层的充分结合,形成良好的欧姆接触,又对于图案化N‑GaAs欧姆接触层起到了保护作用,提高了扩展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。

Description

具有新型扩展电极结构的发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域,特别涉及AlGaInP四元系发光二极管的制造技术领域。
背景技术
四元系 AlGaInP 是一种具有直接宽带隙的半导体材料,已广泛应用于多种光电子器件的制备。由于材料发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿波段,由此制成的可见光高亮度发光二极管受到广泛关注。四元系 AlGaInP红光高亮度发光二极管已大量用于户外显示、交通灯、汽车灯等许多方面。相对于普通结构的AlGaInP LED芯片,高亮度AlGaInP芯片采用键合工艺实现衬底置换,用到热性能好的硅衬底(硅的热导率约为1.5W/K.cm)代替砷化镓衬底(砷化镓的热导率约为0.8W/K.cm),芯片具有更低热阻值,散热性能更好,有利于提高可靠性。另外,在P-GaP上镀反射层,比普通红光外延层中生长DBR反射镜出光效率更高。为了克服光在芯片与封装材料界面处的全反射而降低取光效率,还在芯片制作一些表面纹理结构。
由于经过衬底转置后,N型外延层反转向上,需要在N-AlGaInP电流扩展层上制作N型电极,但限于N-AlGaInP电子迁移率低,电流扩展能力差的缘故,往往设计不同形状的扩展电极均匀分布于N型表面,但这样就存在扩展电极遮光问题,造成亮度降低,发光效率不高。此外扩展电极本身线宽设计较窄,且暴露在N-AlGaInP电流扩展层上,在进行化学腐蚀N-GaAs欧姆层和进行N-AlGaInP粗化时会造成扩展电极侧蚀刻,易脱落,严重时造成电压升高,亮度降低,严重影响产品质量。
发明内容
为了改善带有转置结构的高亮度的红光AlGaInP发光二极管扩展电极遮光且易受破坏脱落问题,本发明提出一种具有新型扩展电极结构的发光二极管。
本发明在具有背电极的衬底上依次设置有金属键合层、镜面反射层、外延层、扩展电极和主电极,外延层通过镜面反射层连接在金属键合层上;外延层包括P-GaP电流扩展层、缓冲层、P-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、N-AlGaInP限制层、N-AlGaInP电流扩展层、粗化层和N-GaAs欧姆接触层;其特征在于所述N-GaAs欧姆接触层为图形化的N-GaAs欧姆接触层,扩展电极设置在图形化的N-GaAs欧姆接触层上并与图形化的N-GaAs欧姆接触层形成电学连接,在扩展电极上设置主电极,且扩展电极掩埋在主电极中,扩展电极尺寸小于主电极尺寸。
本发明由于主电极的尺寸大于扩展电极尺寸,从而既保证了扩展电极层与N-GaAs欧姆接触层的充分结合,形成良好的欧姆接触,同时又对于图案化N-GaAs欧姆接触层起到了充分的保护作用,提高了扩展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。此外还减少了电极遮光的面积,提升了出光效率,同时还提升了电极的可靠性,极大地提升了产品的质量。
另外,本发明所述图形化的N-GaAs欧姆接触层的图形为圆环形,或多边形,或离散且均匀分布的点状。该几种形状均可保证形成良好的欧姆接触,均可达到良好的电流扩展效果。
所述图形化的N-GaAs欧姆接触层的正投影面积占主电极的正投影面积的20%~50%。该比例可保证良好欧姆接触前提下,不产生吸光,不降低光取出效率。
本发明另一目的是提出以上结构二极管的制造方法,步骤如下:
1、在基板上依次外延生长缓冲层、截止层、N-GaAs欧姆接触层、粗化层、N-AlGaInP电流扩展层、N-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP限制层、缓冲层、P-GaP电流扩展层,以形成完整结构的外延片;
2、在外延片上制作镜面反射层:先在P-GaP电流扩展层上沉积SiO2介质膜,通过光刻蚀刻工艺蚀刻出SiO2导电孔,再采用电子束蒸镀方式在具有SiO2导电孔的SiO2介质膜上依次制作厚度为300nm的AuBe和500nm的Al镜面层,由SiO2介质膜同AuBe/Al镜面层共同构成了反射层,再经过440℃退火10min,使SiO2导电孔中AuBe同P-GaP电流扩展层形成良好的电学接触;
3、在镜面反射层上键合衬底;
4、去除外延片上的基板、缓冲层和截止层,露出N-GaAs欧姆接触层;
5、制作图形化的N-GaAs欧姆接触层:在N-GaAs欧姆接触层上旋涂正胶,经过光刻显影后,再浸入体积比为1:2:2的H3PO4:H2O2:H2O混合溶液,蚀刻出圆环形,或多边形,或离散且均匀分布的点状分布的图形化的N-GaAs欧姆接触层;
6、在图形化的N-GaAs欧姆接触层上制作扩展电极,经过退火使扩展电极和N-GaAs欧姆接触层形成电学连接;
7、在扩展电极上制作主电极,使主电极完全覆盖扩展电极;
8、在衬底的背面制作背电极;
本发明通过常规的光刻、蚀刻工艺制作出具有特定图形的N-GaAs欧姆接触层,再利用电子束蒸镀和蚀刻工艺制作出同N-GaAs欧姆接触图形套合的扩展电极,再利用负胶剥离工艺制作出主电极,工艺简单。同时实现了主电极的尺寸大于扩展电极尺寸,既保证了扩展电极层与N-GaAs欧姆接触层的充分结合,形成良好的欧姆接触,同时又对于图案化N-GaAs欧姆接触层起到了充分的保护作用,提高了扩展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。此外还减少了电极遮光的面积,提升了出光效率,同时还提升了电极的可靠性,极大地提升了产品的质量。
另外,本发明图形化的N-GaAs欧姆接触层面积占主电极面积比例最好控制在20%~50%。
所述N-GaAs欧姆接触层的厚度为30~50nm,掺杂浓度在1×1019cm-3以上,掺入的杂质元素为Si。该掺杂浓度保证N型扩展电极与其能够形成良好的欧姆接触,该优选厚度保证能够形成良好电学接触的前提下,不至于N-GaAs太厚造成吸光,降低出光效率。
所述N-AlGaInP电流扩展层厚度为2000nm。该厚度可保证N面电流扩展层有高的电子迁移率,保证电流横向扩展的能力。
所述P-GaP电流扩展层厚度为1000~3000nm,掺杂浓度在1×1018cm-3以上,掺入的杂质元素为Mg。高的掺杂浓度保证P型电极与其形成良好欧姆接触,该优选厚度可保证P面电流横向扩展的能力。
所述步骤6中在图形化的N-GaAs欧姆接触层上蒸镀厚度为400nm的金属AuGeNi,经过300~400℃退火10min使扩展电极同GaAs形成电学接触。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。
主电极为厚度3~5μm的Au,可以保证满足客户焊线工艺需求的前提下,控制贵金属成本。
附图说明
图1为制作过程中的外延片的结构示意图。
图2为制作过程中的衬底的结构示意图。
图3为本发明成品的结构示意图。
图4为图3的俯向示意图。
具体实施方式
一、如图1和2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:
1、如图1所示,利用MOCVD设备在一临时的GaAs基板101依次上生长各外延层,外延层包括过渡层102、N-GaInP截止层103、N-GaAs欧姆接触层104、N-AlGaInP粗化层105、N-AlGaInP电流扩展层106、N-AlGaInP限制层107、MQW多量子阱有源层108、P-AlGaInP限制层109、缓冲层110和P-GaP电流扩展层111。
其中N-GaAs欧姆接触层104优选厚度40nm,掺杂浓度在1×1019cm-3以上, 掺入的杂质元素为 Si,以保证N面有良好的电流扩展能力;P-GaP电流扩展层111优选厚度2000nm,掺杂浓度在1×1018cm-3以上,掺入的杂质元素为Mg,以保证P面有良好的电流扩展能力。
再利用511清洗液清洗P-GaP电流扩展层111,在P-GaP电流扩展层111上沉积SiO2介质膜,通过光刻蚀刻工艺蚀刻出SiO2导电孔。
采用电子束蒸镀方式在蚀刻出SiO2导电孔的SiO2介质膜上依次制作厚度为300nm的AuBe和500nm的Al镜面层,由SiO2介质膜同AuBe/Al镜面层共同构成了反射层112,再经过440℃退火10min使SiO2导电孔中AuBe同P-GaP电流扩展层111形成良好的电学接触。
在制作好的反射层112上采用电子束蒸镀方式制作厚度为1000nm的Au作为键合层113。
2、如图2所示,在Si衬底201上采用电子束蒸镀方式制作厚度为1000nm的Au作为键合层202。
3、将步骤1制成的制品和步骤2制成的制品浸入丙酮溶液中,并将键合层113和键合层202相对,进行超声清洗10min,在300℃、外力5000kg作用下,经过20min将两者键合到一起。
4、利用机械研磨方式先将键合后的半制品的GaAs衬底101去除至剩余约20μm,再用体积比为1:5的NH4OH: H2O2溶液反应10min,化学腐蚀停止在GaInP截止层103上。
5、通过在N-GaAs欧姆接触层104上旋涂正胶,经过光刻显影后,再浸入体积比为1:2:2的H3PO4:H2O2:H2O混合溶液,蚀刻出图形化的N-GaAs欧姆接触层104。
图形化的N-GaAs欧姆接触层104的图形可以是圆环形,或多边形,或离散且均匀分布的点状。图4反映了其中的一种形式——圆环形。
并且,图形化的N-GaAs欧姆接触层104的正投影面积占设计的主电极205的正投影面积比例最好控制在20%~50%。
6、采用体积比为1:1:7的H3PO4:H2SO4:CH3COOH混合溶液湿法粗化N-AIGaInP粗化层105。
7、在制作好图形的N-GaAs欧姆接触层104上采用电子束蒸镀的方式蒸镀厚度为400nm的AuGeNi合金材料,再经过上胶,光刻,显影等工艺后采用体积比为1:2:5的I2:KI:H2O混合溶液蚀刻出扩展电极204。
如图4所示,扩展电极204为圆环型,外环半径45μm,内环半径38μm。通过350℃氮气氛围退火炉进行退火10min处理,使扩展电极204同N-GaAs欧姆接触层104形成良好的电学接触。
8、制作好扩展电极204后,将半制品浸入丙酮溶液超声清洗10min,然后进行光刻流程,旋涂负性光刻胶、光刻、显影、旋干,然后进行等离子打胶,采用电子束冷蒸的方式将4μm的Au镀在N-AlGaInP型粗化层105和扩展电极204上,剥离后形成主电极205。
如图4所示,主电极205的图形为半径为50μm的圆柱体,扩展电极204掩埋在主电极205中。
9、在Si衬底201背面采用电子束热蒸镀的方式分别蒸镀厚度为20nm和100nm的Ti,Au,即图2和图3中Ti/Au背电极203,即完成器件的制作。
二、制成的产品结构特点:
如图3、4所示,在背电极203上依次设置有衬底201、金属键合层202、金属键合层113、镜面层112、P-GaP电流扩展层111、缓冲层110、P-AlGaInP限制层109、MQW多量子阱有源层108、N-AlGaInP限制层107、N-AlGaInP电流扩展层106、N-AlGaInP粗化层105、N-GaAs欧姆接触层104,在N-GaAs欧姆接触层104上设置有扩展电极204,扩展电极204掩埋在主电极205中。
由于主电极205的尺寸大于扩展电极204尺寸,从而既保证了扩展电极204与N-GaAs欧姆接触层104的充分结合,形成良好的欧姆接触,同时又对于图案化N-GaAs欧姆接触层104起到了充分的保护作用,提高了扩展电极204与外延层的附着性和完整性,确保发光器件工作电压稳定。此外还减少了电极遮光的面积,提升了出光效率,极大地提升了产品的质量。

Claims (10)

1.具有新型扩展电极结构的发光二极管,在具有背电极的衬底上依次设置有金属键合层、镜面反射层、外延层、扩展电极和主电极,外延层通过镜面反射层连接在金属键合层上;外延层包括P-GaP电流扩展层、缓冲层、P-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、N-AlGaInP限制层、N-AlGaInP电流扩展层、粗化层和N-GaAs欧姆接触层;其特征在于所述N-GaAs欧姆接触层为图形化的N-GaAs欧姆接触层,扩展电极设置在图形化的N-GaAs欧姆接触层上并与图形化的N-GaAs欧姆接触层形成电学连接,在扩展电极上设置主电极,且扩展电极掩埋在主电极中,扩展电极尺寸小于主电极尺寸。
2.根据权利要求1所述发光二极管,其特征在于所述图形化的N-GaAs欧姆接触层的图形为圆环形,或多边形,或离散且均匀分布的点状。
3.根据权利要求1所述发光二极管,其特征在于所述图形化的N-GaAs欧姆接触层的正投影面积占主电极的正投影面积的20%~50%。
4.如权利要求1所述发光二极管的制造方法,包括以下步骤:
1)在基板上依次外延生长缓冲层、截止层、N-GaAs欧姆接触层、粗化层、N-AlGaInP电流扩展层、N-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP限制层、缓冲层、P-GaP电流扩展层,以形成完整结构的外延片;
2)在外延片上制作镜面反射层;
3)在镜面反射层上键合衬底;
4)去除外延片上的基板、缓冲层和截止层,露出N-GaAs欧姆接触层;
5)制作图形化的N-GaAs欧姆接触层;
6)在图形化的N-GaAs欧姆接触层上制作扩展电极,经过退火使扩展电极和N-GaAs欧姆接触层形成电学连接;
7)在扩展电极上制作主电极,使主电极完全覆盖扩展电极;
8)在衬底的背面制作背电极;
其特征在于:
所述步骤 2)中,先在P-GaP电流扩展层上沉积SiO2介质膜,通过光刻蚀刻工艺蚀刻出SiO2导电孔,再采用电子束蒸镀方式在具有SiO2导电孔的SiO2介质膜上依次制作厚度为300nm的AuBe和500nm的Al镜面层,由SiO2介质膜同AuBe/Al镜面层共同构成了反射层,再经过440℃退火10min,使SiO2导电孔中AuBe同P-GaP电流扩展层形成良好的电学接触;
步骤5)中,在N-GaAs欧姆接触层上旋涂正胶,经过光刻显影后,再浸入体积比为1:2:2的H3PO4:H2O2:H2O混合溶液,蚀刻出圆环形,或多边形,或离散且均匀分布的点状分布的图形化的N-GaAs欧姆接触层。
5.根据权利要求4所述发光二极管的制造方法,其特征在于图形化的N-GaAs欧姆接触层面积占主电极面积比例最好控制在20%~50%。
6.根据权利要求4所述发光二极管制作方法,其特征在于所述N-GaAs欧姆接触层的厚度为30~50nm,掺杂浓度在1×1019cm-3以上,掺入的杂质元素为Si。
7.根据权利要求4所述发光二极管制作方法,其特征在于所述N-AlGaInP电流扩展层厚度为2000nm。
8.根据权利要求4所述发光二极管制作方法,其特征在于所述P-GaP电流扩展层厚度为1000~3000nm,掺杂浓度在1×1018cm-3以上,掺入的杂质元素为Mg。
9.根据权利要求4所述发光二极管制作方法,其特征在于所述步骤6)中在图形化的N-GaAs欧姆接触层上蒸镀厚度为400nm的金属AuGeNi,经过300~400℃退火10min使扩展电极和N-GaAs欧姆接触层形成电学接触。
10.根据权利要求4所述发光二极管制作方法,其特征在于主电极为厚度3~5μm的Au。
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Assignee: Xiamen Changelight Co.,Ltd.

Assignor: Xiamen Changelight Co.,Ltd.

Contract record no.: X2020320000011

Denomination of invention: Light-emitting diode with novel extension electrode structure and manufacturing method thereof

Granted publication date: 20170125

License type: Common License

Record date: 20200513