CN104617195B - 一种近红外发光二极管及其生产方法 - Google Patents

一种近红外发光二极管及其生产方法 Download PDF

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一种近红外发光二极管及其生产方法，属于光电子技术领域，在临时衬底形成外延片，在外延片的电流扩展层上制作透明导电层，经过退火工艺使透明导电层具有透过率和方块电阻；再将透明导电层和透明的永久衬底相对，通过粘合剂，将外延片和透明的永久衬底粘结在一起，去除临时衬底以及N‑GaAs缓冲层和N‑GaInP截止层，暴露出N‑GaAs欧姆接触层并腐蚀出图形，经粗化处理，再在图形化的N‑GaAs区域上制作第一电极，通过退火工艺使第一电极和N‑GaAs形成电学连接。本发明可对近红外波段实现高透过率，进一步提升出光效率，可以实现P面和N面电极的平行结构，透明导电层同时是增透膜，提升了光取出效率。

Description

一种近红外发光二极管及其生产方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及AlGaAs三元系近红外发光二极管的制造技术领域。
背景技术
红外发光二极管由于其特定的波段，以及低功耗，高可靠性被广泛的应用于遥控，医疗器具，空间通信，红外照明等领域。
传统的高亮度AlGaAs近红外发光二极管主要采用金属键合工艺实现衬底置换，用到导热性能较好的硅衬底（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，但由于硅衬底不透光仍存在遮光的问题，仍需要制作反射镜，一般会在P-AlGaAs上制作ODR反射镜，反射镜主要由低折射率的介质膜和高反射率的金属层构成，虽ODR反射镜的反射率在垂直入射方向上能够达到90%以上，但是对于斜入射的光反射率较低。由于介质膜是不导电的，需要在介质膜上制作导电孔，导致工艺复杂。
发明内容
针对以上传统的高亮度AlGaAs近红外发光二极管存在的问题，本案提出了一种近红外发光二极管。
本发明技术方案是：在透明的衬底的一面依次设置透明导电层、P-AlGaAs电流扩展层、P-AlGaAs限制层、MQW多量子阱有源层、N-AlGaAs限制层、N-AlGaAs电流扩展层和N-AlGaAs粗化层，N-AlGaAs粗化层上设置有图形化的N-GaAs欧姆接触层，在图形化的N-GaAs欧姆接触层上设置第一电极；第二电极位于第一电极同侧，第二电极通过透明导电层和P-AlGaAs电流扩展层相连接。
本发明衬底为一透明材料，可对近红外波段实现高透过率，从而避免衬底遮光的问题，可以进一步提升出光效率。由于没有衬底遮光，就不需要制作ODR反射镜，简化了工艺过程。同时由于引入透明导电层可以实现P面和N面电极的平行结构，透明导电层同时是增透膜，提升了光取出效率。
本发明所述的P-AlGaAs电流扩展层掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3，可保证P-AlGaAs电流扩展层同铟锡氧化物形成良好的电学接触，厚度为2～5μm， 可保证P-AlGaAs具有良好的横向电流扩展能力。
本发明所述的N-AlGaAs粗化层材料为AlxGa1-xAs，0.6≥x≥0.2，一定的Al组分可保证粗化形貌的稳定性，厚度为5-10μm，保证粗化时不会粗化过头。
所述的N-GaAs欧姆接触层掺杂元素为硅（Si），掺杂浓度7×1018cm-3～2×1019cm-3厚度为30-100nm，在保证同第一电极形成良好的电学接触的前提下，不至于造成吸光问题。
另，本发明的导电层采用铟锡氧化物，铟锡氧化物具有高的透过率，低的电阻率，合适的折射率，既可以作为电流传输的纽带，又可起到增透膜使用。
本发明另一目的是提出以上结构二极管的生产方法。
步骤如下：
1）在一临时衬底上依次外延生长N-GaAs缓冲层、N-GaInP截止层、N-GaAs欧姆接触层、N-AlGaAs粗化层、N-AlGaAs电流扩展层、N-AlGaAs限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaAs限制层、P-AlGaAs电流扩展层，形成完整结构的外延片；
2）在P-AlGaAs电流扩展层上制作透明导电层，经过退火工艺使透明导电层具有透过率和方块电阻；再将透明导电层和透明的永久衬底相对，通过粘合剂，在200～400℃环境温度和200～600kg压力条件下，将外延片和透明的永久衬底粘结在一起；
3）通过物理研磨和化学腐蚀方法去除临时衬底以及N-GaAs缓冲层和N-GaInP截止层，暴露出N-GaAs欧姆接触层；
4）将N-GaAs腐蚀出图形，并将除N-GaAs图形外其他区域进行化学溶液粗化处理；
5）在图形化的N-GaAs区域上制作第一电极，通过退火工艺使第一电极和N-GaAs形成电学连接；
6）通过干法蚀刻制作出隔离道，在透明导电层上制作出第二电极。以使第二电极通过透明导电层和P-AlGaAs电流扩展层连接；
本工艺的优点：
步骤2）采用电子束蒸镀方式制作具有理论增透膜最佳厚度的铟锡氧化物薄膜，不仅起到增透膜的作用，还是制作隔离道干法蚀刻的截止层，可靠性稳定性高。通过旋涂方式将粘合剂涂布于铟锡氧化物和永久衬底上，通过低温低压就可将两者粘合在一起，结合性好，不会像金属键合那样由于高压造成键合层内部缺陷以及外延层的损伤。
步骤3）采用化学溶液腐蚀方法进行粗化，工艺简单，粗化重复性好，效率较高。
步骤6）采用干法蚀刻方法制作蚀刻外延层至透明导电层，制作出隔离道。由于采用了ICP机台进行干法蚀刻，避免了传统湿法腐蚀侧蚀的问题。透明导电层作为P极同N极连接的桥梁，具有很高的可靠性。
附图说明
图1为制作过程中的外延片的结构示意图。
图2为本发明成品的结构示意图。
具体实施方式
一、制造步骤：
1、如图1所示，制作N-GaAs外延片：
1）利用MOCVD设备在一临时的N-GaAs衬底101上依次生长N-GaAs缓冲层102、N-GaInP截止层103、N-GaAs欧姆接触层104、N-AlGaAs粗化层105、N-AlGaAs电流扩展层106、N-AlGaAs限制层107、MQW多量子阱有源层108、P-AlGaAs限制层109、P-AlGaAs电流扩展层110。
其中N-GaAs欧姆接触层104优选厚度50nm，掺杂浓度在1×1019cm-3，掺入的杂质元素为硅（Si)，以保证第一电极同N面有良好的电学接触；P-AlGaAs电流扩展层110优选厚度4000nm，掺杂浓度在7×1018cm-3，掺入的杂质元素为镁（Mg），以保证P面有良好欧姆接触和电流扩展能力；N-AlGaAs粗化层中Al组分为0.4，厚度为4000nm，以保证粗化形貌的均匀性。
2）将P-AlGaAs电流扩展层110置于丙酮溶液中超声清洗10min，采用电子束蒸镀方式在P-AlGaAs电流扩展层110上蒸镀厚度为320nm的铟锡氧化物薄膜111。通过RTA在400℃进行快速退火10s使铟锡氧化物薄膜111在850nm波段透过率在95%以上，方块电阻在10欧姆以内。
2、粘合：
在铟锡氧化物薄膜111和一透明的永久衬底203上分别以2000～6000转/min均旋涂厚度为2～5μm的粘合剂204，在200～400℃环境温度和200～600kg压力条件下，将外延片和透明的永久衬底粘结在一起。
其中，永久衬底203采用蓝宝石、陶瓷、石英中的一种透明材料。粘合剂204则由树脂类、添加剂和胶组成。
3、利用机械研磨方式先将粘合后半制品的GaAs衬底101去除至剩余约20μm厚，再用体积比为1：7：7的NH4OH：H2O2：H2O溶液反应10min，化学腐蚀停止在N-GaInP截止层103上。
4、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。再采用体积比为1：5：5的HNO3：HF：CH3COOH混合溶液，在35℃条件下对N-AlGaAs粗化层进行粗化处理，粗化时间90s，粗化成粗糙度均匀的几何形貌。
5、将粗化好的样品放置于丙酮溶液中超声清洗10min，然后进行光刻流程，旋涂负性光刻胶、光刻、显影，采用电子束蒸镀的方式蒸镀厚度为200nm的AuGeNi合金和厚度为3000nm的Au，通过剥离后制作出第一电极201，经过380℃退火10min使第一电极201同N-GaAs欧姆接触层104形成良好的电学接触。
6、将制作好第一电极201的样品放置于丙酮溶液中超声清洗10min，然后进行光刻流程，旋涂负性光刻胶、光刻、显影，通过ICP干法刻蚀外延层至透明导电层111，形成隔离道。
7、在制作好隔离道的样品表面旋涂负性光刻胶，然后光刻显影，采用电子束蒸镀的方式蒸镀厚度为3000nm的Au，通过剥离后制作出第二电极202，第二电极202通过透明导电层111同P-AlGaAs电流扩展层110相连接，即完成近红外发光二极管的制作。
二、制成的产品结构特点：
如图2所示，在透明的永久衬底203的一面通过粘合层204设置透明导电层111，在透明导电层111的另一面依次设置P-AlGaAs电流扩展层110、P-AlGaAs限制层109、MQW多量子阱有源层108、N-AlGaAs限制层107、N-AlGaAs电流扩展层106和N-AlGaAs粗化层105，N-AlGaAs粗化层105上设置有图形化的N-GaAs欧姆接触层104，在图形化的N-GaAs欧姆接触层104上设置第一电极201；第二电极202位于第一电极201同侧，第二电极202通过透明导电层111和P-AlGaAs电流扩展层相110连接。
本发明第一电极201通过N-GaAs欧姆接触层104同发光层连接；永久衬底为一透明材料，可对近红外波段实现高透过率，从而避免衬底遮光的问题，可以从各个面出光，提升出光效率。由于没有衬底遮光，就不需要制作ODR反射镜，简化了工艺过程。同时由于引入透明导电层可以实现P面和N面电极的平行结构，透明导电层同时是增透膜，提升了光取出效率。

Claims (5)

1.一种近红外发光二极管，在透明的衬底的一面依次设置透明导电层、P-AlGaAs电流扩展层、P-AlGaAs限制层、MQW多量子阱有源层、N-AlGaAs限制层、N-AlGaAs电流扩展层和N-AlGaAs粗化层，N-AlGaAs粗化层上设置有图形化的N-GaAs欧姆接触层，在图形化的N-GaAs欧姆接触层上设置第一电极；第二电极位于第一电极同侧，第二电极通过透明导电层和P-AlGaAs电流扩展层相连接；
所述近红外发光二极管的生产方法包括以下步骤：在一临时衬底上依次外延生长N-GaAs缓冲层、N-GaInP截止层、N-GaAs欧姆接触层、N-AlGaAs粗化层、N-AlGaAs电流扩展层、N-AlGaAs限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaAs限制层和P-AlGaAs电流扩展层，形成外延片；
其特征在于还包括以下步骤：
1）在P-AlGaAs电流扩展层上制作透明导电层，经过退火工艺使透明导电层具有透过率和方块电阻；再将透明导电层和透明的永久衬底相对，通过粘合剂，在200～400℃环境温度和200～600kg压力条件下，将外延片和透明的永久衬底粘结在一起；
2）通过物理研磨和化学腐蚀方法去除临时衬底以及N-GaAs缓冲层和N-GaInP截止层，暴露出N-GaAs欧姆接触层；
3）将N-GaAs腐蚀出图形，并将除N-GaAs图形外其他区域进行化学溶液粗化处理；
4）在图形化的N-GaAs区域上制作第一电极，通过退火工艺使第一电极和N-GaAs形成电学连接；
5）通过干法蚀刻制作出隔离道，在透明导电层上制作出第二电极。
2.根据权利要求1所述近红外发光二极管的生产方法，其特征在于：在制作外延片时，以镁为掺杂元素外延生长P-AlGaAs电流扩展层，掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3；生成的P-AlGaAs电流扩展层厚度为2～5μm。
3.根据权利要求1所述近红外发光二极管的生产方法，其特征在于：在制作外延片时，以AlxGa1-xAs为材料，其中0.6≥x≥0.2，制成的N-AlGaAs粗化层厚度为5～10μm。
4.根据权利要求1所述近红外发光二极管的生产方法，其特征在于：在制作外延片时，以硅为掺杂元素外延生长N-GaAs欧姆接触层，掺杂浓度7×1018cm-3～2×1019cm-3；生成的N-GaAs欧姆接触层厚度为30～100nm。
5.根据权利要求1所述近红外发光二极管的生产方法，其特征在于：所述导电层为铟锡氧化物，导电层的厚度为光学最佳增透膜厚度。
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