CN105609609A - 一种倒装结构的发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装结构的发光二极管芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管芯片包括基板、以及依次层叠在基板上的P型电流扩展层、P型限制层、有源层、N型限制层、N型电流扩展层、N型欧姆接触层、P型欧姆接触层和透明导电层，P型欧姆接触层和N型欧姆接触层为GaAs层，透明导电层为ITO层，P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内设有若干延伸到N型电流扩展层的通孔。本发明利用ITO透明导电层实现电流扩展并将扩展后的电流通过欧姆接触层注入N型电流扩展层，使电流得以较好的扩展，电流密度分布均匀，发光效率和发光强度提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种倒装结构的发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，具备高亮度特性的AlGaInP发光二极管(LightEmitingDiode，简称LED)的应用领域日趋广泛，市场需求不断扩大。
AlGaInPLED芯片自下而上包括基板、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层，N型电流扩展层为N型AlGaInP层。
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：
N型AlGaInP材料的电流扩展性差，导致电流密度分布不均匀，发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术电流扩展性差、发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种倒装结构的发光二极管芯片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种倒装结构的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括基板、以及依次层叠在基板上的P型电流扩展层、P型限制层、有源层、N型限制层、N型电流扩展层，所述发光二极管芯片还包括层叠在所述N型电流扩展层上的N型欧姆接触层、P型欧姆接触层和透明导电层，所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层为GaAs层，所述透明导电层为氧化铟锡ITO层，所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层内设有若干延伸到所述N型电流扩展层的通孔。
可选地，所述P型欧姆接触层的厚度为30～60nm。
可选地，所述P型欧姆接触层的掺杂剂为CCl4或者CBr4，所述P型欧姆接触层的掺杂浓度为3e19～8e19。
可选地，所述通孔的横截面的形状为正方形或圆形。
优选地，所述正方形的边长为8～12μm，所述圆形的直径为11～16μm，所述通孔的间距为1～3μm。
在本发明一种可能的实现方式中，所述N型电流扩展层包括AlGaInP层和插入所述AlGaInP层中的交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层，x＞y。
可选地，0.6≤x≤0.7，0.3≤y≤0.4。
可选地，所述AlxGa1-xInP层的厚度为6～8nm，所述AlyGa1-yInP层的厚度为4～6nm。
可选地，所述AlxGa1-xInP层和所述AlyGa1-yInP层的层数之和为20～40。
另一方面，本发明实施例提供了一种上述发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N型腐蚀停层、P型欧姆接触层、N型欧姆接触层、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层，所述P型欧姆接触层为GaAs层；
将所述P型电流扩展层键合到基板上；
依次去除所述衬底、所述缓冲层、所述N型腐蚀停层；
在所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层内形成若干延伸到所述N型电流扩展层的通孔；
在所述通孔内和所述P型欧姆接触层上形成透明导电层，所述透明导电层为氧化铟锡ITO层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层，实现将透明导电层通过N型欧姆接触层和P型欧姆接触层层叠在N型电流扩展层上，克服了ITO直接蒸镀到N型AlGaInP电流扩展层上无法形成欧姆接触的问题，降低正向电压，而且利用ITO透明导电层实现电流扩展并将扩展后的电流通过欧姆接触层注入N型电流扩展层，使电流得以较好的扩展，电流密度分布均匀，发光效率和发光强度提高。另外，P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内设有若干延伸到N型电流扩展层的通孔，设置在通孔内的透明导电层为透明的ITO，可以避免GaAs层对光的吸收，使光从通孔内的ITO透出，避免由于设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层而造成对光的出射造成影响。
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是本发明实施例一提供的一种倒装结构的发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图；
图3a-图3e是本发明实施例二提供的发光二极管芯片制备过程中的结构示意图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种倒装结构的发光二极管芯片，参见图1，该发光二极管芯片包括基板1、以及依次层叠在基板1上的P型电流扩展层2、P型限制层3、有源层4、N型限制层5、N型电流扩展层6。该发光二极管芯片还包括层叠在N型电流扩展层6上的N型欧姆接触层7、P型欧姆接触层8和透明导电层9，P型欧姆接触层8和N型欧姆接触层7为GaAs层，透明导电层9为氧化铟锡(IndiumTinOxides，简称ITO)层，P型欧姆接触层8和N型欧姆接触层7内设有若干延伸到N型电流扩展层6的通孔8a。
在本实施例中，基板1为Si基板或蓝宝石基板，P型电流扩展层2为GaP层，P型限制层3为AlInP层，有源层4为交替层叠的量子阱层和量子垒层，量子阱层和量子垒层为Al组分不同的AlGaInP层，N型限制层5为AlInP层。
具体地，P型电流扩展层2的厚度可以为1.5～2.5μm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为2e18～5e18。P型限制层3的厚度可以为250～350nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为7e17～9e17。有源层4的厚度可以为150～200nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30。N型限制层5的厚度可以为250～350nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。N型欧姆接触层7的厚度可以为30～60nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为4e18～6e18。
其中，Ⅴ/Ⅲ为Ⅴ价的原子与Ⅲ价的原子的摩尔浓度比。
可选地，透明导电层9的厚度可以为300～500nm。在此范围内，透明导电层的电阻率和透光率较好。
可选地，P型欧姆接触层8的厚度可以为30～60nm。在此范围内，与透明导电层能形成良好的欧姆接触。
可选地，P型欧姆接触层8的Ⅴ/Ⅲ为5～10。在此范围内，P型欧姆接触层的材料晶体质量较好，且满足掺杂浓度的要求。
可选地，P型欧姆接触层8的掺杂剂可以为CCl4或者CBr4，为常用掺杂剂，成本较低。P型欧姆接触层8的掺杂浓度可以为3e19～8e19，欧姆接触效果较好。
可选地，通孔8a的横截面的形状可以为正方形或圆形。
优选地，正方形的边长可以为8～12μm，圆形的直径可以为11～16μm，通孔的间距可以为1～3μm。在上述范围内，欧姆接触和透光两方面的兼顾性较好。
在本实施例的一种实现方式中，N型电流扩展层6可以包括AlGaInP层和插入AlGaInP层中的交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层，x＞y。交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层可以对AlGaInP层中掺杂起到调制作用，以提高N型电流扩展层6的电流扩展性能。
可选地，N型电流扩展层6的厚度可以为2.5～3.5μm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
可选地，交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层的厚度可以为100～200nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
可选地，0.6≤x≤0.7，0.3≤y≤0.4。在此范围内，对掺杂浓度的调制效果较好。
可选地，AlxGa1-xInP层的厚度可以为6～8nm，AlyGa1-yInP层的厚度可以为4～6nm。
可选地，AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层的层数之和可以为20～40。在此范围内，电流扩展性较好。
本发明实施例通过设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层，实现将透明导电层通过N型欧姆接触层和P型欧姆接触层层叠在N型电流扩展层上，克服了ITO直接蒸镀到N型AlGaInP电流扩展层上无法形成欧姆接触的问题，降低正向电压，而且利用ITO透明导电层实现电流扩展并将扩展后的电流通过欧姆接触层注入N型电流扩展层，使电流得以较好的扩展，电流密度分布均匀，发光效率和发光强度提高。另外，P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内设有若干延伸到N型电流扩展层的通孔，设置在通孔内的透明导电层为透明的ITO，可以避免GaAs层对光的吸收，使光从通孔内的ITO透出，避免由于设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层而造成对光的出射造成影响。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，适用于制备实施例一提供的发光二极管芯片，参见图2，该制备方法包括：
步骤201：在衬底上依次生长缓冲层、N型腐蚀停层、P型欧姆接触层、N型欧姆接触层、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层。
图3a为执行步骤201后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，11为衬底，12为缓冲层，13为N型腐蚀停层，8为P型欧姆接触层，7为N型欧姆接触层，6为N型电流扩展层、5为N型限制层、4为有源层、3为P型限制层、2为P型电流扩展层。
在本实施例中，衬底为GaAs衬底，缓冲层为GaAs层，N型腐蚀停层为GaInP层，P型欧姆接触层为GaAs层，N型欧姆接触层为GaAs层，N型电流扩展层为AlGaInP层，N型限制层为AlInP层，有源层为AlGaInP层，P型限制层为AlInP层，P型电流扩展层为GaP层。
具体地，缓冲层的生长温度可以为650～670℃，生长速率可以为0.5～0.8nm/s，厚度可以为150～300nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30。
N型腐蚀停层的生长温度可以为650～670℃，生长速率可以为0.5～0.6nm/s，厚度可以为200～300nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30。
P型欧姆接触层的生长温度可以为600～650℃，厚度可以为30～60nm，Ⅴ/Ⅲ可以为5～10，掺杂剂可以为CCl4或者CBr4，掺杂浓度可以为3e19～8e19。P型欧姆接触层的生长温度为600～650℃，可以达到最优的掺杂浓度。
N型欧姆接触层的生长温度可以为650～670℃，生长速率可以为0.5～0.8nm/s，厚度可以为30～60nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为4e18～6e18。
N型电流扩展层的生长温度可以为670～685℃，生长速率可以为0.45～0.55nm/s，厚度可以为2.5～3.5μm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
N型限制层的生长温度可以为670～685℃，生长速率可以为0.45～0.55nm/s，厚度可以为250～350nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
有源层的生长温度可以为670～685℃，生长速率可以为0.45～0.55nm/s，厚度可以为150～200nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30。
P型限制层的生长温度可以为670～685℃，生长速率可以为0.45～0.55nm/s，厚度可以为250～350nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为7e17～9e17。
P型电流扩展层为GaP层的生长温度可以为695～710℃，生长速率可以为2.5～3nm/s，厚度可以为1.5～2.5μm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为2e18～5e18。
在本实施例的一种实现方式中，N型电流扩展层中可以包括AlGaInP层和插入AlGaInP层中的交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层，x＞y。
可选地，N型电流扩展层的厚度可以为2.5～3.5μm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
可选地，交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层的厚度可以为100～200nm，Ⅴ/Ⅲ可以为20～30，掺杂浓度可以为1e18～2e18。
可选地，0.6≤x≤0.7，0.3≤y≤0.4。
可选地，AlxGa1-xInP层的厚度可以为6～8nm，AlyGa1-yInP层的厚度可以为4～6nm。
可选地，AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层的层数之和可以为20～40。
步骤202：将P型电流扩展层键合到基板上。
图3b为执行步骤202后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，11为衬底，12为缓冲层，13为N型腐蚀停层，8为P型欧姆接触层，7为N型欧姆接触层，6为N型电流扩展层、5为N型限制层、4为有源层、3为P型限制层、2为P型电流扩展层，1为基板。
在本实施例中，基板可以为Si基板或蓝宝石基板。
具体地，该步骤202可以包括：
采用金属键合工艺将P型电流扩展层键合到基板上。
由于外延层非常薄，将芯片键合到基板上，基板可以对芯片起固定和支撑作用。同时，由于Si、蓝宝石等材料的基板的导热系数高于GaAs衬底的导热系数，有利于解决大功率AlGaInPLED的散热问题。另外，Si、蓝宝石等材料作为基板相比于GaAs衬底，对量子阱发出的光无吸收。将AlGaInPLED外延层键合到基板，可以有效提高AlGaInPLED的外量子效率。
步骤203：依次去除衬底、缓冲层、N型腐蚀停层。
图3c为执行步骤203后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，8为P型欧姆接触层，7为N型欧姆接触层，6为N型电流扩展层、5为N型限制层、4为有源层、3为P型限制层、2为P型电流扩展层，1为基板。
具体地，该步骤203可以包括：
采用湿法腐蚀工艺依次去除衬底、缓冲层、N型腐蚀停层。
在实际应用中，可以利用选择性腐蚀液依次去掉GaAs衬底、缓冲层、N型腐蚀停层，其中，选择性腐蚀液可以为双氧水和盐酸。
步骤204：在P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内形成若干延伸到N型电流扩展层的通孔。
图3d为执行步骤204后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，8a为通孔，8为P型欧姆接触层，7为N型欧姆接触层、6为N型电流扩展层、5为N型限制层、4为有源层、3为P型限制层、2为P型电流扩展层，1为基板。
具体地，该步骤204可以包括：
采用光刻工艺在P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内形成若干延伸到N型电流扩展层的通孔。
可选地，通孔的横截面的形状可以为正方形或圆形。
优选地，正方形的边长可以为8～12μm，圆形的直径可以为11～16μm，通孔的间距可以为1～3μm。
步骤205：在通孔内和P型欧姆接触层上形成透明导电层。
图3e为执行步骤205后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，9为透明导电层，8a为通孔，8为P型欧姆接触层，7为N型欧姆接触层、6为N型电流扩展层、5为N型限制层、4为有源层、3为P型限制层、2为P型电流扩展层，1为基板。
在本实施例中，透明导电层为ITO层。
具体地，该步骤205可以包括：
采用蒸镀技术在通孔内和P型欧姆接触层上形成透明导电层。
本发明实施例通过设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层，实现将透明导电层通过N型欧姆接触层和P型欧姆接触层层叠在N型电流扩展层上，克服了ITO直接蒸镀到N型AlGaInP电流扩展层上无法形成欧姆接触的问题，降低正向电压，而且利用ITO透明导电层实现电流扩展并将扩展后的电流通过欧姆接触层注入N型电流扩展层，使电流得以较好的扩展，电流密度分布均匀，发光效率和发光强度提高。另外，P型欧姆接触层和N型欧姆接触层内设有若干延伸到N型电流扩展层的通孔，设置在通孔内的透明导电层为透明的ITO，可以避免GaAs层对光的吸收，使光从通孔内的ITO透出，避免由于设置N型欧姆接触层和P型欧姆接触层而造成对光的出射造成影响。
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)
1.一种倒装结构的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括基板、以及依次层叠在基板上的P型电流扩展层、P型限制层、有源层、N型限制层、N型电流扩展层，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括层叠在所述N型电流扩展层上的N型欧姆接触层、P型欧姆接触层和透明导电层，所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层为GaAs层，所述透明导电层为氧化铟锡ITO层，所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层内设有若干延伸到所述N型电流扩展层的通孔。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述P型欧姆接触层的厚度为30～60nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述P型欧姆接触层的掺杂剂为CCl4或者CBr4，所述P型欧姆接触层的掺杂浓度为3e19～8e19。
4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述通孔的横截面的形状为正方形或圆形。
5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述正方形的边长为8～12μm，所述圆形的直径为11～16μm，所述通孔的间距为1～3μm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述N型电流扩展层包括AlGaInP层和插入所述AlGaInP层中的交替层叠的AlxGa1-xInP层和AlyGa1-yInP层，x＞y。
7.根据权利要求6所述的发光二极管芯片，其特征在于，0.6≤x≤0.7，0.3≤y≤0.4。
8.根据权利要求6所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述AlxGa1-xInP层的厚度为6～8nm，所述AlyGa1-yInP层的厚度为4～6nm。
9.根据权利要求6所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述AlxGa1-xInP层和所述AlyGa1-yInP层的层数之和为20～40。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N型腐蚀停层、P型欧姆接触层、N型欧姆接触层、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层，所述P型欧姆接触层为GaAs层；
将所述P型电流扩展层键合到基板上；
依次去除所述衬底、所述缓冲层、所述N型腐蚀停层；
在所述P型欧姆接触层和所述N型欧姆接触层内形成若干延伸到所述N型电流扩展层的通孔；
在所述通孔内和所述P型欧姆接触层上形成透明导电层，所述透明导电层为氧化铟锡ITO层。
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