CN104319325A - 一种红黄光发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红黄光发光二极管，属于光电子制造技术领域，包括依次层叠的衬底、缓冲层、布拉格反射层、下限制层、有源层、上限制层、电流扩展层和上电极，衬底一面贴合有下电极，布拉格反射层设置有两层，其中一层为AlAs和AlGaAs交替生长而成并经湿法氧化的AlAs/AlGaAs布拉格反射层，另一层为AlInP和AlGaInP交替生长而成的AlInP/AlGaInP布拉格反射层，发光二极管为长方体形。湿法氧化时对AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，Al2O3对电流起限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，提高了出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种红黄光发光二极管及其制备方法。
背景技术
目前，高亮度发光二极管芯片作为一种新光源在户外显示、汽车照明以及手机、电视、电脑显示器液晶屏背光源等方面应用广泛，市场需求不断扩大，并有望作为普通照明产品走进千家万户，是一种节能、环保和长寿命的发光器件。目前四元AlGalnP LED(light emitting diode，发光二极管)光的提取效率一直是限制发光二极管芯片亮度提高的主要原因，由于AlGalnP系材料与GaAs衬底具有良好的晶格匹配，容易获得高质量的外延材料，因此这种材料具有很高的内量子效率，可以实现高亮度的光发射。然而由于光提取效率低，使其外量子效率仍然很低，因此如何获取更高的发光效率是制作高亮度发光二极管的关键。
现有的普通发光二极管主要包括上电极、电流扩展层、上限制层(又称P型限制层)、有源层、下限制层(又称N型限制层)、布拉格反射层、缓冲层以及衬底。
然而，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有的正方形发光二极管大多为单层布拉格反射层，只能反射小部分入射角度的光，大部分入射光都被GaAs衬底吸收，出光效率较差。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管及其制备方法，技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管，包括依次层叠的衬底、缓冲层、布拉格反射层、下限制层、有源层、上限制层、电流扩展层和上电极，所述衬底未与所述缓冲层贴合的一面贴合有下电极，所述布拉格反射层设置有两层，其中一层为AlAs和AlGaAs交替生长而成并经湿法氧化的AlAs/AlGaAs布拉格反射层，另一层为AlInP和AlGaInP交替生长而成的AlInP/AlGaInP布拉格反射层。
进一步地，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层覆盖贴合于所述缓冲层，所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层层叠覆盖贴合于所述下限制层。
进一步地，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层经湿法氧化后的反射谱宽度为200-250nm。
进一步地，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层的中心波长为630-660nm；所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层的中心波长为640-670nm。
进一步地，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层中AlAs和AlGaAs交替生长5-10对，所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层中AlInP和AlGaInP交替生长10-20对。
进一步地，所述发光二极管为长方体形，所述发光二极管的垂直于所述发光二极管的层叠方向的横截面为长方形。
进一步地，所述上电极沿所述发光二极管的长方形截面的较长一边的延伸方向扩展。
进一步地，所述电流扩展层和上电极之间还设置有表面粗化层。
另一方面，本发明实施例还提供一种红黄光发光二极管的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
采用金属有机化合物气相沉积法，在所述衬底上依次外延生长缓冲层、AlAs/AlGaAs布拉格反射层、AlInP/AlGaInP布拉格反射层、下限制层、有源层，上限制层、电流扩展层；
在所述电流扩展层上蒸发一金属层，对所述金属层进行高温退火处理后移除形成表面粗化层；
在所述表面粗化层上蒸馏上电极金属层，对所述上电极金属层进行光刻刻蚀以形成P型接触电极后退火完成上电极的欧姆接触；
将所述衬底减薄并在所述衬底上蒸镀N面金属层；
沿所述表面粗化层向所述衬底切割，直至露出所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层；
在高温和水汽环境下让所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层氧化，同时完成下电极的欧姆接触；
沿露出所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层处的位置继续深层切割直至切穿以得到发光二极管。
进一步地，所述沿所述表面粗化层向所述衬底切割，包括沿横向或者纵向多次切割，或者同时沿横向和纵向多次切割。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：
通过设置两套不同结构的布拉格反射层AlAs/AlGaAs布拉格反射层和AlInP/AlGaInP布拉格反射层，可以反射较宽波段的光，湿法氧化后水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是常规发光二极管的正视图；
图2是常规发光二极管的俯视图；
图3是本发明实施例1提供的一种发光二极管的正视图；
图4是本发明实施例1提供的一种发光二极管的俯视图；
图5是本发明实施例2提供的一种发光二极管的制备方法流程图；
图6是本发明实施例2提供的一种晶圆表面横向半切开示意图；
图7是本发明实施例3提供的一种发光二极管的制备方法流程图；
图8是本发明实施例3提供的一种晶圆表面横向半切开示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1-2所示，常规发光二极管包括依次层叠的衬底1、缓冲层2、布拉格反射层3、下限制层4、有源层5、上限制层6、电流扩展层7以及上电极8，衬底的另一侧设置有下电极9。这种结构的LED存在以下主要问题：首先，布拉格反射层只能反射小部分入射角度的光，大部分都被GaAs衬底吸收，吸收的光最终以热的形式存在；其次，LED材料的折射率比空气折射率大很多，根据希尔定律，全反射作用使得发射到界面的光子只有处于临界角以内才能发射到体外；最后，上电极的形状直接决定电流注入发光二极管的分布情况，传统的正方形发光二极管的上电极位于二极管上表面的中心，随着芯片尺寸越来越大，为了有效提高电流扩展能力，上电极通常是向四周四个方向做相应的扩展，这在提高电流扩展能力的同时增大了上电极的遮光面积，反而使该部分电流产生的光不但不能发射到体外，反而由于上电极的阻挡或吸收，在二极管体内变成了焦耳热。
实施例1
参见图3-4，本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管，该二极管包括依次层叠的衬底10、缓冲层11、布拉格反射层12、下限制层13、有源层14、上限制层15、电流扩展层16和上电极17，衬底10未与缓冲层11贴合的一面贴合有下电极18，布拉格反射层12设置有两层，其中一层为AlAs和AlGaAs交替生长而成并经湿法氧化的AlAs/AlGaAs布拉格反射层12a，另一层为AlInP和AlGaInP交替生长而成的AlInP/AlGaInP布拉格反射层12b。
本实施例提供的发光二极管，衬底10可以采用GaAs基板，缓冲层11可以为GaAs，下限制层13可以为n-AlInP，有源层14可以为AlGaInP，上限制层15可以为p-AlInP，电流扩展层16可以为GaP，上电极17可以为Au/AuBe/Au，下电极18可以为Au/AuGe/Au，容易知道，本实施例中发光二极管各层材料的选用仅为举例，并不作为对本发明的限制；采用复合布拉格反射体，相对于常规发光二极管设置了两套布拉格反射层，湿法氧化后水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。
进一步地，AlAs/AlGaAs布拉格反射层12a覆盖贴合于缓冲层11，AlInP/AlGaInP布拉格反射层12b层叠覆盖贴合于下限制层13。
进一步地，AlAs/AlGaAs布拉格反射层12a经湿法氧化后的反射谱宽度为200-250nm。
常规的红光二极管只生长AlInP/AlGaInP反射镜，并且不需氧化，反射谱宽度很窄，约50-60nm，二极管的出光效率有限，AlAs/AlGaAs布拉格反射层经湿法氧化后反射谱变宽，可大幅提升芯片亮度，经测验约比常规结构的二极管亮50-80％。
进一步地，AlAs/AlGaAs布拉格反射层的中心波长为630-660nm；AlInP/AlGaInP布拉格反射层的中心波长为640-670nm。
进一步地，AlAs/AlGaAs布拉格反射层中AlAs和AlGaAs交替生长5-10对，AlInP/AlGaInP布拉格反射层中AlInP和AlGaInP交替生长10-20对。
进一步地，发光二极管为长方体形，发光二极管的垂直于发光二极管的层叠方向的横截面为长方形。沿发光二极管的长方形截面的较长一边的延伸方向，上电极17的有效面积有单向扩展。
相对于常规的二极管的正方形管端，将发光二极管设计成长方体状，有利于双向电流扩展，在优化电流分布的同时减小了上电极的遮光面积，增加了发光二极管的发光效率，同时降低了二极管内部的焦耳热。
进行湿法氧化时，随着氧化时间的增加，常规二极管的正方形对角线处极易出现重复氧化区域，此重复氧化区域对芯片亮度无益处，反而会引起此区域外延层脱落。而截面为长方形的芯片与正方形芯片的面积相仿，但是长方形芯片的两个较长侧边距离芯片的中心更近，从一个方向切割时，接下来的湿氧化操作可以从芯片的两个侧边进行，长方形芯片能够更快地氧化到接近中心的位置，实现氧化最大的深度而又不出现过氧化区域；从横纵两个方向切割时，接下来的湿氧化操作可以从芯片的四个侧面进行，正方形芯片为避免出现过氧化情况氧化时间相对较短，长方形芯片的对角线处相对于正方形芯片没有那么容易出现过氧化情况，氧化时间则相对较长、氧化深度较深，提高了发光二极管的光提取效率和发光强度。
进一步地，电流扩展层16和上电极17之间还设置有表面粗化层19。
表面粗化层19的形成首先需要在电流扩展层16的表面覆盖一金属层，然后进行高温退火处理，最后将金属覆盖层移除，通过金属原子向电流扩展层之间的渗透以形成表面粗化层19，实施表面粗化工艺的同时发光二极管上形成表面高掺区，能够实现上电极与电流扩展层之间良好的欧姆接触。
本发明实施例提供的发光二极管通过设置两套不同结构的布拉格反射层AlAs/AlGaAs布拉格反射层和AlInP/AlGaInP布拉格反射层，可以反射较宽波段的光，湿法氧化后水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。实施表面粗化工艺后发光二极管上形成表面高掺区，能够实现上电极与电流扩展层之间良好的欧姆接触。
实施例2
如图5所示，本发明实施例提供一种红黄光发光二极管的制备方法，适用于制备如实施例1所述的发光二极管，该方法包括以下步骤：
S21：提供一衬底；
本实施例中，发光二极管的衬底选用GaAs基板。
S22：采用金属有机化合物气相沉积法，在衬底上依次外延生长缓冲层、AlAs/AlGaAs布拉格反射层，AlInP/AlGaInP布拉格反射层，下限制层，有源层，上限制层，电流扩展层；
其中，AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs是易氧化层。
S23：在电流扩展层上蒸发一金属层，对金属层进行高温退火处理后移除形成表面粗化层；
S24：在表面粗化层上蒸馏上电极金属层，对上电极金属层进行光刻刻蚀以形成P型接触电极后退火完成上电极的欧姆接触；
S25：将衬底减薄并在衬底上蒸镀N面金属层；
S26：沿表面粗化层向衬底切割，直至露出AlAs/AlGaAs布拉格反射层；
具体地，如图6所示，本步骤S26中，沿表面粗化层向衬底切割，采用的是沿单一方向的横向切割的方式，采用机械切割的方法，在晶圆的表面上横向切割但不切透，切割深度为使芯片的易氧化层(AlAs/AlGaAs布拉格反射层)露出。从一个方向切割后使芯片呈长条状，接下来的湿氧化操作可以从芯片的两个较长的侧边进行，长方形芯片能够更快地氧化到接近中心的位置，实现氧化最大的深度而又不容易出现如正方形芯片的对角线过氧化区域。
S27：在高温和水汽环境下让AlAs/AlGaAs布拉格反射层形成氧化层，同时完成下电极的欧姆接触；
本实施例中对发光二极管进行湿法氧化，通过向加热的炉管中通入水汽，水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，AlAs层经氧化在外部形成一圈Al2O3，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。
S28：沿AlAs/AlGaAs布拉格反射层处的切割线继续深层切割直至切穿以得到发光二极管。获取发光二极管芯片后，对芯片进行光电参数测试后再入库。
本发明实施例提供的发光二极管的制备方法，通过设置两套不同结构的布拉格反射层AlAs/AlGaAs布拉格反射层和AlInP/AlGaInP布拉格反射层，可以反射较宽波段的光，湿法氧化后水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。实施表面粗化工艺后发光二极管上形成表面高掺区，能够实现上电极与电流扩展层之间良好的欧姆接触。
实施例3
如图7所示，本发明实施例提供一种红黄光发光二极管的制备方法，适用于制备如实施例1所述的发光二极管，与实施例2的制备方法不同之处在于沿表面粗化层向衬底切割时的切割方式，该方法包括以下步骤：
S31：提供一衬底；
本实施例中，发光二极管的衬底选用GaAs基板。
S32：采用金属有机化合物气相沉积法，在衬底上依次外延生长缓冲层、AlAs/AlGaAs布拉格反射层，AlInP/AlGaInP布拉格反射层，下限制层，有源层，上限制层，电流扩展层；
其中，AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs是易氧化层。
S33：在电流扩展层上蒸发一金属层，对金属层进行高温退火处理后移除形成表面粗化层；
S34：在表面粗化层上蒸馏上电极金属层，对上电极金属层进行光刻刻蚀以形成P型接触电极后退火完成上电极的欧姆接触；
S35：将衬底减薄并在衬底上蒸镀N面金属层；
S36：沿表面粗化层向衬底切割，直至露出AlAs/AlGaAs布拉格反射层；
具体地，如图8所示，本步骤S26中，沿表面粗化层向衬底切割，采用的是沿相互垂直的横向及纵向两个方向切割的方式，采用机械切割的方法，在晶圆的表面上横向和纵向切割但不切透，切割深度为使芯片的易氧化层(AlAs/AlGaAs布拉格反射层)露出。从横纵两个方向切割时，接下来的湿氧化操作可以从芯片的四个侧面进行，正方形芯片为避免出现过氧化情况氧化时间相对较短，长方形芯片的对角线处相对于正方形芯片没有那么容易出现过氧化情况，氧化深度没有实施例2的单向切割方式大，但相较于传统的正方形芯片氧化深度要深。
S37：在高温和水汽环境下让AlAs/AlGaAs布拉格反射层形成氧化层，同时完成下电极的欧姆接触；
本实施例中对发光二极管进行湿法氧化，通过向加热的炉管中通入水汽，水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，AlAs层经氧化在外部形成一圈Al2O3，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。
S38：沿AlAs/AlGaAs布拉格反射层处的切割线继续深层切割直至切穿以得到发光二极管。获取发光二极管芯片后，对芯片进行光电参数测试后再入库。
本发明实施例提供的发光二极管的制备方法，通过设置两套不同结构的布拉格反射层AlAs/AlGaAs布拉格反射层和AlInP/AlGaInP布拉格反射层，可以反射较宽波段的光，湿法氧化后水汽中的氧原子沿芯片四周的外侧区域对AlAs/AlGaAs布拉格反射层中的AlAs层进行氧化，氧化生成的Al2O3折射率变小，与AlGaAs层形成一套高低折射率差的高反射膜，同时Al2O3会对电流起到限制作用，使通过上电极注入的电流有效集中在发光区，进一步提高发光二极管的出光效率。实施表面粗化工艺后发光二极管上形成表面高掺区，能够实现上电极与电流扩展层之间良好的欧姆接触。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红黄光发光二极管，包括依次层叠的衬底、缓冲层、布拉格反射层、下限制层、有源层、上限制层、电流扩展层和上电极，所述衬底未与所述缓冲层贴合的一面贴合有下电极，其特征在于，所述布拉格反射层设置有两层，其中一层为AlAs和AlGaAs交替生长而成并经湿法氧化的AlAs/AlGaAs布拉格反射层，另一层为AlInP和AlGaInP交替生长而成的AlInP/AlGaInP布拉格反射层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层覆盖贴合于所述缓冲层，所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层层叠覆盖贴合于所述下限制层。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层经湿法氧化后的反射谱宽度为200-250nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层的中心波长为630-660nm；所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层的中心波长为640-670nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层中AlAs和AlGaAs交替生长5-10对，所述AlInP/AlGaInP布拉格反射层中AlInP和AlGaInP交替生长10-20对。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管为长方体形，所述发光二极管的垂直于所述发光二极管的层叠方向的横截面为长方形。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述上电极沿所述发光二极管的长方形截面的较长一边的延伸方向扩展。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述电流扩展层和上电极之间还设置有表面粗化层。
9.一种红黄光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
采用金属有机化合物气相沉积法，在所述衬底上依次外延生长缓冲层、AlAs/AlGaAs布拉格反射层、AlInP/AlGaInP布拉格反射层、下限制层、有源层，上限制层、电流扩展层；
在所述电流扩展层上蒸发一金属层，对所述金属层进行高温退火处理后移除形成表面粗化层；
在所述表面粗化层上蒸馏上电极金属层，对所述上电极金属层进行光刻刻蚀以形成P型接触电极后退火完成上电极的欧姆接触；
将所述衬底减薄并在所述衬底上蒸镀N面金属层；
沿所述表面粗化层向所述衬底切割，直至露出所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层；
在高温和水汽环境下让所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层氧化，同时完成下电极的欧姆接触；
沿露出所述AlAs/AlGaAs布拉格反射层处的位置继续深层切割直至切穿以得到发光二极管。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述沿所述表面粗化层向所述衬底切割，包括沿横向或者纵向多次切割，或者同时沿横向和纵向多次切割。
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