CN105449065A - 一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法 - Google Patents

一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法 Download PDF

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Abstract

一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，包括：利用光刻胶涂覆和等离子刻蚀在GaAs基外延片上制备图形凹陷区域，并去除光刻胶；在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜，并对ITO薄膜进行热退火处理；利用光刻胶涂覆和电子束蒸发在ITO薄膜上依次蒸镀多层金属薄膜，形成图形电极：所述图形电极包括粘接层、反射层、阻挡层和焊接层；利用剥离方法，将图形电极以外区域的金属薄膜去除，完成GaAs基发光二极管的P电极的制备；去除残余光刻胶；将GaAs基外延片的GaAs衬底减薄，并在其表面蒸镀一层金属薄膜，完成GaAs基发光二极管的N电极的制备。本发明利用ITO薄膜，改善GaAs基LED的电流扩展。

Description

一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法
技术领域
本发明涉及一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是一种以半导体材料将电能转换为光能的光电子器件，是第一个进入市场的商用化合物半导体。它具有体积小、寿命长、光电转换效率高、节能环保等特性，能够适应各种应用设备的轻薄小型化的要求，广泛应用于城市亮化、大屏幕显示、LCD背光源、通信、交通标识、照明等方面。
GaAs基LED是指以GaAs衬底为基板，外延生长Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，制作成外延片，然后通过芯片工艺制备出p、n电极的一种LED。GaAs基LED的基本结构包括：自上而下依次为p电极、p型电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、n型半导体层、GaAs衬底。AlGaInP材料不仅具有宽的直接带隙，而且能与GaAs衬底形成良好的晶格匹配，是如今红黄光波段GaAs基LED的主要材料。
现阶段GaAs基LED的研究已经取得较大的成果，内量子效率已经超过90％，但是受制于电流扩展分布不佳和界面全反射的影响，LED芯片的外量子效率还处于比较低的水平。另外，小尺寸GaAs基LED(＜8.5mil2)，其电极焊盘会对出光面造成10％-40％的遮挡，致使一部分出射光线被金属电极吸收。并且这种遮挡对光提取效率的影响，会随着芯片尺寸的减小加剧。为提高LED芯片的外量子效率，人们做了大量的尝试和研究，并且开发出很多行之有效的方法。改善LED芯片电流扩展的方法主要有：优化电极形状设计、使用透明导电电极(ITO)、制作电流阻挡层等。提高LED芯片光提取效率的方法主要有：粗化出光面、使用反射电极、增大侧向出光、DBR反射镜层等。目前，出于成本和技术复杂性的考虑，人们一般选取以上方法中一种或两种，取得一定的改善效果。
中国专利CN101714605A公开了一种带电流调整层的AlGaInP系LED芯片及其制备方法，该LED芯片自上而下包括下电极、衬底、布拉格反射层、下限制层、有源区、上限制层、电流扩展层和上电极，在上限制层和电流扩展层之间设有电流调整层，电流调整层上设有与上电极形状和位置对应一致的电流阻挡区。该电流阻挡区的制备方法需要先光刻腐蚀出湿氧化孔，然后再进行湿氧化，这种制备方法相对复杂，且重复稳定性较差，不适用于规模化生产。
中国专利CN103426990A公开的一种具有反射电极的装置，其包含：半导体发光叠层，以及电极位于半导体发光叠层之上，电极包含反射层、粘着层位于反射层及半导体发光叠层之间、打线层以及屏障层位于反射层及打线层之间并覆盖反射层以防止反射层和打线层起反应。该专利反射电极之下未设置电流阻挡区，且未提及利用ITO薄膜来改善电流扩展，还有优化提升空间。
中国专利CN10461719A公开了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。该专利仅利用透明导电层来改善电流扩展，没有使用反射电极，也未在电极下方设置电流阻挡区域，相比本专利的电流扩展来说，方法单一，效果有限。该专利所述发光二极管P电极和N电极处于同一平面，与本专利发光二极管的垂直电极结构不同
中国专利CN103489976A公开了一种提高GaAs衬底AlGaInP四元单面双电极发光二极管亮度的方法，本发明将氧化后的DBR层、电极结构化、高电流扩展和同面双电极等多种技术相融合，避免了LED断路或半断路现象，使之成为具有高反射、无焦耳热的高亮度同面双电极发光二级管。在本发明所述的高亮发光二级管芯片的外延生长、电极制作步骤完成后，对芯片半切，最后对芯片进行一次氧化，改变DBR层导电性，使之成为绝缘层，大大提高反射率，消除因产生焦耳热、散射等引起的损耗，实现100％的出光效率。该专利在改善电流扩展方面仅使用了透明导电膜，且此专利针对的是一种单面双电极的发光二极管，与本专利发光二极管的电极结构有较大区别。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法。本发明针对GaAs基LED芯片电流扩展效果不佳，以及电极遮挡出光导致光提取效率不高的问题，以改善GaAs基LED芯片的电流扩展和光提取效率。
本发明的技术方案如下：
一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，包括以下步骤：
(1)电流阻挡区：利用光刻胶涂覆和等离子刻蚀在GaAs基外延片上制备图形凹陷区域，并去除光刻胶；
(2)在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜，并对ITO薄膜进行热退火处理；
(3)利用光刻胶涂覆和电子束蒸发在ITO薄膜上依次蒸镀多层金属薄膜，形成图形电极：所述图形电极包括粘接层、反射层、阻挡层和焊接层；
(4)利用剥离方法，将图形电极以外区域的金属薄膜去除，完成GaAs基发光二极管的P电极的制备；
(5)去除残余光刻胶；
(6)将GaAs基外延片的GaAs衬底减薄，并在其表面蒸镀一层金属薄膜，完成GaAs基发光二极管的N电极的制备。
根据本发明优选的，所述步骤(1)利用光刻胶涂覆是指在GaAs基外延片上涂覆光刻胶，并光刻图形。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中，在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜是利用磁控溅射法完成的。
根据本发明优选的，所述步骤(3)利用光刻胶涂覆是指在ITO薄膜上涂覆光刻胶，并光刻图形。
根据本发明优选的，所述步骤(6)中在GaAs衬底的表面蒸镀一层金属薄膜的方法是电子束蒸发法。
根据本发明优选的，所述步骤(1)和步骤(3)中所述的光刻图形为圆形；优选的，所述步骤(1)中所述的光刻图形直径比所述步骤(3)中所述的光刻图形直径长10±5μm。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中ITO薄膜厚度为60-120nm。
根据本发明优选的，所述粘接层为铬金属膜、所述反射层为铝金属膜、所述阻挡层为钛金属膜、所述焊接层为金金属膜；优选的，所述铬金属膜厚度为5-20nm、所述铝金属膜厚度为200-500nm、所述钛金属膜的厚度为60-120nm、所述金金属膜的厚度为1360-1735nm。
根据本发明优选的，所述步骤(6)中的金属薄膜为锗金合金；优选的，厚度为300-500nm。
本发明的优势在于：
本发明利用ITO薄膜，改善GaAs基LED的电流扩展。
本发明利用等离子刻蚀掉GaAs基外延片表层掺杂，使p电极区域的外延层和ITO薄膜之间不能形成良好欧姆接触，从而进一步提高电流扩展效率。
本发明中的电流阻挡区面积大于p电极，从而更大限度改善电流扩展、减少电极遮挡出光。
本发明中的p电极采用反射电极，避免了电极对光的吸收，提高出光效率。
附图说明
图1为本发明中所述GaAs基外延片的结构示意图；
图2为本发明所述制作出电流阻挡区的结构示意图；
图3为在GaAs基外延片上蒸镀ITO薄膜的示意图；
图4为本发明所述制备P电极和N电极完毕后的结构示意图；
在图1-4中，1、GaAs衬底，2、DBR反射层，3、n型半导体层，4、有源发光区，5、p型半导体层，6、p型电流扩展层，7、电流阻挡区，8、ITO薄膜，9、p电极，91、粘结层，92、反射层，93、阻挡层，94、焊接层，14、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、
一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，包括以下步骤：
(1)电流阻挡区：利用光刻胶涂覆和等离子刻蚀在GaAs基外延片上制备图形凹陷区域，并去除光刻胶；所述步骤(1)利用光刻胶涂覆是指在GaAs基外延片上涂覆光刻胶，并光刻图形；利用甩胶机在GaAs基外延片上均匀涂布一层光刻胶，光刻胶为正性光刻胶，光刻胶厚1.2-1.5μm；利用曝光机进行曝光，然后进行显影、坚膜，制作出所需要的光刻图形；利用等离子刻蚀，对光刻图形区域中的p型电流扩展层6进行刻蚀，形成电流阻挡区7，如图2所示，其刻蚀深度约为100-500nm，刻蚀深度随外延片表层掺杂层厚度而变化，以刻穿外延片表层重掺杂层为标准，从而达到破坏欧姆接触的目的；
(2)在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜8，并对ITO薄膜8进行热退火处理；所述ITO薄膜8的厚度为120nm；对ITO薄膜8进行退火，退火方式为快速热退火(RTA)，退火温度480-550℃，退火时间3-5min，氮气流量3L/min；
(3)利用光刻胶涂覆和电子束蒸发在ITO薄膜8上依次蒸镀多层金属薄膜，形成图形电极：所述图形电极包括粘接层91、反射层92、阻挡层93和焊接层94；所述步骤(3)利用光刻胶涂覆是指在ITO薄膜8上涂覆光刻胶，并光刻图形；利用甩胶机均匀涂布一层负性光刻胶，光刻胶厚3-3.5μm；利用曝光机进行曝光，然后进行显影、坚膜，制作出所需要的图形；
(4)利用剥离方法，将图形电极以外区域的金属薄膜去除，完成GaAs基发光二极管的P电极的制备；
(5)去除残余光刻胶；
(6)将GaAs基外延片的GaAs衬底1减薄，并在其表面蒸镀一层金属薄膜，完成GaAs基发光二极管的N电极14的制备。
实施例2、
如实施例1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其区别在于，所述步骤(2)中，在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜是利用磁控溅射法完成的。
所述步骤(6)中在GaAs衬底的表面蒸镀一层金属薄膜的方法是电子束蒸发法。
实施例3、
如实施例1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其区别在于，所述步骤(1)和步骤(3)中所述的光刻图形为圆形；所述步骤(1)中所述的光刻图形直径比所述步骤(3)中所述的光刻图形直径长10±5μm。
实施例4、
如实施例1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其区别在于，所述粘接层为铬金属膜、所述反射层为铝金属膜、所述阻挡层为钛金属膜、所述焊接层为金金属膜；所述铬金属膜厚度为5-20nm、所述铝金属膜厚度为200-500nm、所述钛金属膜的厚度为60-120nm、所述金金属膜的厚度为1360-1735nm。所述步骤(6)中的金属薄膜为锗金合金；厚度为300-500nm。
实施例5、
如实施例4所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其区别在于，所述铬金属膜厚度为20nm、所述铝金属膜厚度为400nm、所述钛金属膜的厚度为100nm、所述金金属膜的厚度为1480nm。所述步骤(6)中的金属薄膜为锗金合金；厚度为400nm。

Claims (9)

1.一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)电流阻挡区：利用光刻胶涂覆和等离子刻蚀在GaAs基外延片上制备图形凹陷区域，并去除光刻胶；
(2)在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜，并对ITO薄膜进行热退火处理；
(3)利用光刻胶涂覆和电子束蒸发在ITO薄膜上依次蒸镀多层金属薄膜，形成图形电极：所述图形电极包括粘接层、反射层、阻挡层和焊接层；
(4)利用剥离方法，将图形电极以外区域的金属薄膜去除，完成GaAs基发光二极管的P电极的制备；
(5)去除残余光刻胶；
(6)将GaAs基外延片的GaAs衬底减薄，并在其表面蒸镀一层金属薄膜，完成GaAs基发光二极管的N电极的制备。
2.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(1)利用光刻胶涂覆是指在GaAs基外延片上涂覆光刻胶，并光刻图形。
3.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在GaAs基外延片上沉积ITO薄膜是利用磁控溅射法完成的。
4.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(3)利用光刻胶涂覆是指在ITO薄膜上涂覆光刻胶，并光刻图形。
5.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中在GaAs衬底的表面蒸镀一层金属薄膜的方法是电子束蒸发法。
6.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(3)中所述的光刻图形为圆形；优选的，所述步骤(1)中所述的光刻图形直径比所述步骤(3)中所述的光刻图形直径长10±5μm。
7.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中ITO薄膜厚度为60-120nm。
8.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述粘接层为铬金属膜、所述反射层为铝金属膜、所述阻挡层为钛金属膜、所述焊接层为金金属膜；优选的，所述铬金属膜厚度为5-20nm、所述铝金属膜厚度为200-500nm、所述钛金属膜的厚度为60-120nm、所述金金属膜的厚度为1360-1735nm。
9.根据权利要求1所述的一种提高GaAs基发光二极管电流扩展和出光效率的电极制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中的金属薄膜为锗金合金；优选的，厚度为300-500nm。
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