CN105322062B

CN105322062B - 一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构

Info

Publication number: CN105322062B
Application number: CN201410299982.9A
Authority: CN
Inventors: 左致远; 夏伟; 徐现刚
Original assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-06-28
Filing date: 2014-06-28
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2034-06-28
Also published as: CN105322062A

Abstract

本发明提供一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层及欧姆接触层、绝缘层、DBR反射层、p型窗口层、p型半导体层、有源区、n型半导体层、窗口层和n电极；本发明有效解决反极性AlGaInP基LED光提取效率低下的问题，且易于与现有超高亮度LED工艺相集成，有利于大功率LED生产应用。

Description

一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构

技术领域

本发明涉及一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，属于发光二极管制造技术领域。

背景技术

半导体发光二极管相对于以前的发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。随着金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术的发展，高质量的III–V族半导体发光二极管器件相继涌现，但是由于III–V族半导体的折射率普遍较高(GaP：3.2，GaN：2.4)，导致LED的发光区域发出的光线在经芯片表面出射到空气中时受制于界面全反射现象，只有极少部分的光可以出射到器件外部(GaP约为2.4％，GaN约为4％)。这一界面全反射现象导致LED的外量子效率低下，是制约LED替代现有照明器件的主要原因。目前解决这一难题有以下几种方法：

一、用环氧树脂封装LED芯片的方法，可将红光GaAs基LED的外量子效率提高了1-2倍。在GaAs材料与空气之间加入一层折射率为1.5的环氧树脂可以有效增大全反射临界角度，使得更多的光线可以出射到LED器件外部。但是此方法对于外量子效率的提高有限，并且多引入了一层界面亦会导致界面菲涅尔损耗，同时树脂材料的辐照老化也会导致光提取效率下降。

二、表面粗化法：表面粗化提高LED芯片光引出效率的原理是利用LED出光表面的凹凸结构，将全反射角度的光线散射出或者引导出芯片，从而增加可以出射到LED外部的光线比例。有报道用刻蚀的方法对半导体材料出光表面进行粗化从而提高LED芯片的外量子效率的方法，得到了50％的光提取效率。但是刻蚀对于半导体材料的载流子输运性质具有很大的破坏性，使得LED的电学性能明显降低；刻蚀设备昂贵，效率较低。还有利用电化学的方法，对GaP材料进行腐蚀，对LED出光表面进行粗化，这需要外加电压来进行辅助，额外引入了电极制备的工艺；腐蚀得到的结构不利于LED的光提取。

中国专利CN101656284提供一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法，该方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本较正常LED工艺明显提高。此外，亦没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏。中国专利CN101656285公开了利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法,该方法需要利用PS微球作为掩膜，步骤繁琐，成本较高且难以保证获得较大面积的均匀粗化结构。

三、适用于透明衬底LED芯片的反射镜法：中国专利201110024650公开了在透明衬底的LED器件背面制备带有光学结构的反射镜制备方法，通过在衬底制作聚光反射镜阵列来增加一部分器件的散热面积，从而提升器件的性能；仅适于在透明衬底LED芯片中应用。实用新型201220003273也公开一种发光二极管芯片，第一DBR层形成于正对P电极贯通透明导电层的凹陷区域内，第一DBR层的底面形成于P型半导体层的顶面上；衬底的底面形成有第二DBR层。该实用新型提供的芯片用PECVD方法沉积SiO₂和Si₃N₄层交错形成的DBR结构的电流阻挡层，该层可以将垂直入射到电极下方，并被其挡住的光反射至芯片底面上的DBR光反射层上。该光经芯片底面DBR光反射层的漫反射后能改变光的出射角度，绕开电极出射，从而增加了芯片的发光效率。该结构仅适用于具有透明衬底的GaN基LED器件，对于衬底不透光的AlGaInP基LED芯片不适用。

综上，对于衬底不透光的AlGaInP基LED芯片界面全反射现象导致的外量子效率低下问题，现有技术尚未见有更好的改进方案。本申请正式针对这一技术难题提出的新发明。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，通过降低器件内部吸收而提高LED芯片的光提取效率。

术语解释：

DBR：distributed Bragg reflective，分布式布拉格反射。

MOCVD：金属氧化物化学气相沉积。

本发明技术方案如下：

一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层与欧姆接触层、绝缘层、DBR反射层、p面窗口层、p型半导体层、有源区、n型半导体层、窗口层，n电极；其中，

所述的DBR反射层是MOCVD技术制备的Al_xIn_1-xP/GaAs、Al_xIn_xP/Ga_xIn_xP、Al_xIn_xP/(AlxGa_1-x)_yIn_1-yP或AlAs/Al_xGaAs交替生长层，周期数为1-50对，单周期厚度为0.1μm-1μm；所述0≤x≤1，0≤y≤1，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3-1×10²¹cm^-3。

根据本发明，所述的p电极材料选自Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd、Pt之一或组合，使用蒸发或溅射的方式制备；优选厚度为0.5μm-10μm。所述的p电极制作在衬底背面。

根据本发明，所述的衬底选自Si、GaAs、Al₂O₃、GaP、InP、SiC、Cu、Mo或Al材料；优选厚度为20μm-300μm。

根据本发明，所述的键合层选自Au、In、Sn、Ti、Pt、Al、Cr材料中的单一材料或多个材料的组合，使用蒸发或溅射的方式制备；优选厚度为0.2μm-10μm。

根据本发明，所述的反射镜层与欧姆接触层覆盖于键合层之上，厚度为0.1μm-10μm，并以开孔的形式穿透绝缘层与DBR反射层接触；开孔直径为1-50μm；优选的，所述的反射镜层与欧姆接触层厚度为0.1μm-5μm，开孔直径为厚度的9-10倍。

根据本发明，所述的反射镜层与欧姆接触层选自Au、Ge、Ni、Ti、Al、Ag、Cu、Cr、Be、Pd、Pt材料之一或组合，使用蒸发或溅射的方式制备。

根据本发明，所述的绝缘层选自SiO₂、Si₃N₄、TiO₂或Al₂O₃等绝缘材料，使用CVD或溅射或蒸发方式制备，覆盖于反射镜层与欧姆接触层之上，厚度为0.1μm-5μm；

根据本发明，所述的p面窗口层是MOCVD技术制备的p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP、p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3，厚度为0.1μm-10μm；

根据本发明，所述的p型半导体层是MOCVD技术制备的p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP或p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3，厚度为0.1μm-10μm；

根据本发明，所述的有源区是MOCVD技术制备的多量子阱或多异质结结构，可使用AlInP、GaInP、AlGaInP、GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlAsP、GaAsP的单一材料或多个材料的组合；

根据本发明，所述的n型半导体层是MOCVD技术制备的n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAs、n-AlGaAs、n-AlAsP或n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3，厚度为0.1μm-10μm；

根据本发明，所述的窗口层是MOCVD技术制备的n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAs、n-AlGaAs、n-AlAsP或n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3，厚度为0.1μm-10μm；

根据本发明，所述的n电极仅包含焊盘结构，可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd或Pt材料之一或组合，使用蒸发或溅射的方式制备；厚度为0.5μm-10μm。

所述的DBR反射层单周期厚度范围及周期数依据所需制备的产品发光二极管的发光波长不同本领域的技术人员可以进一步优选确定。

根据本发明优选的，所述的DBR反射层是下列之一：

a.Al_0.5In_0.5P/GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3，单周期厚度为0.1μm，周期数为2对；

b.Al_0.5In_0.5P/Ga_0.5In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.2μm，周期数为5对；

c.Al_0.5In_0.5P/Al_0.15Ga_0.35In₀.₅P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.3μm，周期数为10对；

d.AlAs/Al_0.4GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²⁰cm^-3，单周期厚度为0.5μm，周期数为20对；

e.AlAs/Al_0.7GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为0.6μm，周期数为25对；

f.Al_0.5In_0.5P/Al_0.3Ga_0.2In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为1μm，周期数为50对。

本发明的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构的制备按本领域现有技术即可。

本发明的优良效果如下：

1.本发明的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，未引入新的制程设备与方法，易于与现有超高亮度LED工艺相集成。

2.本发明的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，可以在欧姆接触界面吸收前将入射光反射至出光方向，有效降低p面欧姆接触区域的光吸收而提高光提取效率。

附图说明

图1为本发明的一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构的剖面示意图。图中，1、p电极，2、衬底，3、键合层，4、反射镜层及欧姆接触层，5、绝缘层，6、DBR反射层，7、p型窗口层，8、p型半导体层，9、有源区，10、n型半导体层，11、窗口层，12、n电极。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1：

一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，如图1所示，由底部至顶部的结构依次为p电极1、衬底2、键合层3、反射镜层与欧姆接触层4、绝缘层5、DBR反射层6、p面窗口层7、p型半导体层8、有源区9、n型半导体层10、窗口层11、n电极12。

所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；

所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；

所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；

所述反射镜层与欧姆接触层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.1μm；以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为1μm；

所述绝缘层5选用SiO₂材料，使用CVD方式制备；覆盖于反射镜层与欧姆接触层4之上，厚度为0.1μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的Al_0.5In_0.5P/GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3，单周期厚度为0.1μm，周期数为2对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm；

所述p型半导体层8是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm；

所述有源区9是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；

所述n型半导体层10是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm；

所述的窗口层11是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm；

所述的n电极12仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。

实施例2：如实施例1所述的一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，其区别在于：

所述反射镜层与欧姆接触层4厚度为0.5μm；以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为5μm；

所述绝缘层5选用SiO₂材料，厚度为0.5μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的Al_0.5In_0.5P/Ga_0.5In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.2μm，周期数为5对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为2μm。

实施例3：如实施例1所述的一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，其区别在于：

所述反射镜层与欧姆接触层4厚度为0.8μm；并以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为1μm；

所述绝缘层5选用SiO₂材料，厚度为0.3μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的Al_0.5In_0.5P/Al_0.15Ga_0.35In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.3μm，周期数为10对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度为5μm。

实施例4：一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构

如实施例1所述的，所不同的是，所述反射镜层与欧姆接触层4厚度为1μm；以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为20μm；所述绝缘层5选用SiO₂材料，厚度为为1μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的AlAs/Al_0.4GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²⁰cm^-3，单周期厚度为0.5μm，周期数为20对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-AlGaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²⁰cm^-3，厚度为8μm。

实施例5：一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构

如实施例1所述，所不同的是：所述反射镜层与欧姆接触层4厚度为2μm；以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为30μm；

所述绝缘层5选用SiO₂材料，厚度为2μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的AlAs/Al_0.7GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为0.6μm，周期数为25对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，厚度为10μm；

所述的n电极12仅包含焊盘结构，选用Ni、Ge、Ag材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为4μm。

实施例6：一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，如实施例1所述，其不同之处在于，所述反射镜层与欧姆接触层4厚度为5μm；以开孔的形式穿透绝缘层5与DBR反射层6直接接触；开孔直径为50μm；

所述绝缘层5选用SiO₂材料，厚度为5μm；

所述DBR反射层6使用MOCVD技术制备的Al_0.5In_0.5P/Al_0.3Ga_0.2In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为1μm，周期数为50对；

所述p型窗口层7是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，厚度为0.3μm。

Claims

1.一种p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层与欧姆接触层、绝缘层、DBR反射层、p面窗口层、p型半导体层、有源区、n型半导体层、窗口层，n电极；其中，

所述的DBR反射层是MOCVD技术制备的Al_xIn_1-xP/GaAs、Al_xIn_xP/Ga_xIn_xP、Al_xIn_xP/(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP或AlAs/Al_xGaAs交替生长层，周期数为1-50对，单周期厚度为0.1μm-1μm；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3-1×10²¹cm^-3；

所述的反射镜层与欧姆接触层厚度为0.1μm-10μm，并以开孔的形式穿透绝缘层与DBR反射层接触；开孔直径为1-50μm。

2.如权利要求1所述的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，其特征在于所述的键合层选自Au、In、Sn、Ti、Pt、Al、Cr材料中的单一材料或多个材料的组合，使用蒸发或溅射的方式制备；厚度为0.2μm-10μm。

3.如权利要求1所述的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，其特征在于所述的反射镜层与欧姆接触层厚度为0.1μm-5μm，开孔直径为厚度的9-10倍。

4.如权利要求1所述的p面带有DBR反射层的反极性AlGaInP发光二极管结构，其特征在于所述的DBR反射层是下列之一：

a. Al_0.5In_0.5P/GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁸cm^-3，单周期厚度为0.1μm，周期数为2对；

b. Al_0.5In_0.5P/Ga_0.5In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.2μm，周期数为5对；

c. Al_0.5In_0.5P/Al_0.15Ga_0.35In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10¹⁹cm^-3，单周期厚度为0.3μm，周期数为10对；

d. AlAs/Al_0.4GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²⁰cm^-3，单周期厚度为0.5μm，周期数为20对；

e. AlAs/Al_0.7GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为0.6μm，周期数为25对；

f. Al_0.5In_0.5P/Al_0.3Ga_0.2In_0.5P材料，p型掺杂的浓度为1×10²¹cm^-3，单周期厚度为1μm，周期数为50对。