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
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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
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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