CN105914269A - 一种具有透明扩展电极结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有透明扩展电极结构的发光二极管及其制备方法，该发光二极管包括永久衬底、外延发光层和背电极，外延发光层中的N‑GaAs欧姆接触层进行图形化处理，在永久衬底的背面设有背电极，在永久衬底的上面、永久衬底通过第一金属键合层和第二金属键合层同外延发光层相连接，在第二金属键合层和外延发光层之间还设有镜面反射层和介质膜层，由透明材料制成的扩展电极包覆整个外延发光层中的粗化层和N‑GaAs欧姆接触层，并同N‑GaAs欧姆接触层上的图形形成电学接触，在扩展电极上设有主电极。本发明具有可以避免电极遮光、增加电流扩展均匀性、提升发光效率、提升电极的可靠性、不易受到破坏、可靠性好、适合大批量生产的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管制造技术领域，尤其是涉及一种具有透明扩展电极结构的发光二极管及其制备方法。
背景技术
四元系
AlGaInP
是一种具有直接宽带隙的半导体材料，已广泛应用于多种光电子器件的制备。由于
AlGaInP
材料发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿波段，由此制成的可见光高亮度发光二极管受到广泛关注。四元系
AlGaInP
红光高亮度发光二极管已大量用于户外显示、交通灯、汽车灯等许多方面。相对于普通结构的
AlGaInP LED
芯片，高亮度
AlGaInP
芯片采用键合工艺实现衬底置换，用到热性能好的硅衬底（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
），
AlGaInP LED
芯片具有更低热阻值，散热性能更好，有利于提高可靠性。另外，在
P-GaP
上镀反射层，比普通红光外延层中生长
DBR
反射镜出光效率更高。为了克服光在
AlGaInP LED
芯片与封装材料界面处的全反射而降低取光效率，还在
AlGaInP LED
芯片制作一些表面纹理结构。
由于经过衬底转置后，
N
型外延层反转向上，需要在
N-AlGaInP
电流扩展层上制作
N
型扩展电极，
N
型扩展电极一般为金属材料，通过
N-GaAs
欧姆接触层和
N-AlGaInP
电流扩展层连接。由于
N-AlGaInP
电流扩展能力差，往往需要设计较大面积的图形作为扩展电极均匀分布于
N
型表面，但这样就存在金属扩展电极遮光问题，造成亮度降低。此外扩展电极本身线宽设计较窄，且暴露在
N-AlGaInP
电流扩展层上，在进行化学腐蚀
N-GaAs
欧姆层和进行
N-AlGaInP
粗化时会造成扩展电极侧蚀刻，易脱落，严重时造成电压升高，亮度降低，严重影响产品质量。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种可避免金属电极的遮光、提升发光效率、提升电极的可靠性、适合大批量生产的具有透明扩展电极结构的发光二极管。
本发明的第二个目的在于提供一种具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，它能改善带有转置结构的高亮度的红光
AlGaInP
发光二极管扩展电极遮光且易受破坏脱落问题。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种具有透明扩展电极结构的发光二极管，包括永久衬底、外延发光层和背电极，外延发光层包括：
P-GaP
电流扩展层、缓冲层、
P-AlGaInP
限制层、多量子阱（
MQW
）有源层、
N-AlGaInP
限制层、
N-AlGaInP
电流扩展层、粗化层和
N-GaAs
欧姆接触层，
N-GaAs
欧姆接触层进行图形化处理，在永久衬底的背面设有背电极，特征是：还包括第一金属键合层、第二金属键合层、镜面反射层、介质膜层、主电极和由透明材料制成的扩展电极，在永久衬底的上面、永久衬底通过第一金属键合层和第二金属键合层同外延发光层相连接，在第二金属键合层和外延发光层之间还设有镜面反射层和介质膜层，扩展电极包覆整个粗化层和
N-GaAs
欧姆接触层，并同
N-GaAs
欧姆接触层上的图形形成电学接触，在扩展电极上设有主电极。
欧姆接触层的厚度在
50
±
10nm
，图形化后面积占发光区总面积比例在
20%-40%
。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于
:
包括以下步骤：
（
1
）、利用
MOCVD
设备在临时衬底上依次外延生长缓冲层、截止层、
N-GaAs
欧姆接触层、粗化层、
N-AlGaInP
电流扩展层、
N-AlGaInP
限制层、多量子阱（
MQW
）有源层、
P-AlGaInP
限制层、过渡层、
P-GaP
电流扩展层，形成完整结构的外延发光层；
（
2
）、在
P-GaP
电流扩展层上制作镜面反射层和金属键合层，在永久衬底上蒸镀金属键合层，通过金属键合层将临时衬底和永久衬底进行键合；
（
3
）、通过物理研磨和化学腐蚀方法去除临时衬底以及缓冲层和截止层，漏出
N-GaAs
欧姆接触层；
（
4
）、利用
N-GaAs
蚀刻液将
N-GaAs
欧姆接触层腐蚀出图形，将除
GaAs
外其他区域进行化学溶液粗化处理；
（
5
）、在图形化的
GaAs
区域和粗化层上制作透明扩展电极，通过退火工艺使透明扩展电极和
GaAs
形成电学连接；
（
6
）、在透明扩展电极上通过负胶剥离方式制作主电极；
（
7
）、在永久衬底的背面制作背电极。
在步骤（
1
）中，临时衬底为
GaAs
衬底。
在步骤（
2
）中，镜面反射层由
100nm
的
SiO2
和
100-400nm
的
AuBe
组成，在
SiO2
上制作出导电孔，用于
AuBe
和
GaP
形成电学接触；将临时衬底和永久衬底粘结在一起的粘结层为
600--1000nm
的
Au
。
在步骤（
3
）中，物理研磨方式为砂轮研磨，化学腐蚀采用
NH4OH
和
H2O2
的水溶液，缓冲层为
GaAs
，截止层为
GaInP
。
在步骤（
4
）中，
N-GaAs
蚀刻液为
H3PO4
和
H2O2
的水溶液，粗化液为
HF
、
HCl
、
H2SO4
、
H3PO4
、
HNO3
、
HBr
、
I2
、
CH3COOH
中的一种或多种组合。
在步骤（
5
）中，透明的扩展电极为铟锡氧化物，厚度
300
±
50nm
，折射率
1.9-2.1
，经过
300--400
℃
N2
氛围下退火工艺，铟锡氧化物同
N-GaAs
欧姆接触层形成良好的电学接触。
在步骤（
6
）中，主电极是厚度
3-5
μ
m
的
Au
。
本发明由于扩展电极为透明材料，可整个覆盖
N
面发光区，既保证了
N-GaAs
欧姆层同扩展电极的良好接触，也对
N-GaAs
欧姆层有很好的保护作用，同时作为增透膜层，提升发光效率。
同传统的金属扩展电极相比，本发明具有可以避免电极遮光、增加电流扩展均匀性、提升发光效率、提升电极的可靠性、不易受到破坏、可靠性好、适合大批量生产的优点。
附图说明
图
1
为实施例中步骤
1-3
的制作过程示意图；
图
2
为实施例中在永久衬底制作第二金属键合层和背电极的示意图；
图
3
为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
一种具有透明扩展电极结构的发光二极管，包括永久衬底
201
、第一金属键合层
202
、第二金属键合层
114
、镜面反射层
113
、介质膜层
112
、外延发光层、扩展电极
203
、主电极
204
和背电极
205
，在永久衬底
201
的上面、永久衬底
201
通过第一金属键合层
202
和第二金属键合层
114
同外延发光层相连接，在第二金属键合层
114
和外延发光层之间还设有镜面反射层
113
和介质膜层
112
，外延发光层从下至上包括：
P-GaP
电流扩展层
111
、缓冲层
110
、
P-AlGaInP
限制层
109
、多量子阱（
MQW
）有源层
108
、
N-AlGaInP
限制层
107
、
N-AlGaInP
电流扩展层
106
、粗化层
105
和
N-GaAs
欧姆接触层
104
，
N-GaAs
欧姆接触层
104
进行图形化处理，由透明材料制成的扩展电极
203
包覆整个粗化层
105
和
N-GaAs
欧姆接触层
104
，并同
N-GaAs
欧姆接触层
104
上的图形形成电学接触，在扩展电极
203
上设有主电极
204
，在永久衬底
201
的背面设有背电极
205
。
欧姆接触层
104
的厚度在
50
±
10nm
，图形化后面积占发光区总面积比例在
20%-40%
。
一种具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
1
、如图
1
所示，利用
MOCVD
设备在一临时的
GaAs
衬底
101
上生长外延层发光层，外延层发光层包括缓冲层
102
、
N-GaInP
截止层
103
、
N-GaAs
欧姆接触层
104
、
N-AlGaInP
粗化层
105
、
N-AlGaInP
电流扩展层
106
、
N-AlGaInP
限制层
107
、多量子阱（
MQW
）有源层
108
、
P-AlGaInP
限制层
109
、缓冲层
110
、
P-GaP
电流扩展层
111
；其中：
N-GaAs
欧姆接触层
104
优选厚度
60nm
，掺杂浓度在
1
×
1019cm-3
以上，以保证
N
面有良好的电流扩展能力，
P-GaP
电流扩展层
111
优选厚度
3000nm
，掺杂浓度在
3
×
1018cm-3
以上，以保证
P
面有良好的电流扩展能力；
2
、利用
511
清洗液清洗
P-GaP
电流扩展层
111
，在
P-GaP
电流扩展层
111
上沉积
SiO2
介质膜层
112
，通过光刻蚀刻工艺蚀刻出
SiO2
导电孔，采用电子束蒸镀方式制作厚度为
200nm
的
AuBe
和
500nm
的
Au
镜面反射层
113
，同时
SiO2
导电孔中
AuBe
和
P-GaP
经过
440
℃退火
10min
形成良好的电学接触；
3
、在制作好的镜面反射层
113
上采用电子束蒸镀方式制作厚度为
1000nm
的
Au
作为第一金属键合层
114
；
4
、如图
2
所示，在
Si
衬底
201
（即永久衬底
201
）上采用电子束蒸镀方式制作厚度为
1000nm
的
Au
作为第二金属键合层
202
；
5
、将制作好键合层的
GaAs
衬底
101
和
Si
衬底
201
浸入丙酮溶液进行超声清洗
10min
，在
300
℃，
5000kgf
作用下
20min
将两者键合到一起；
6
、利用机械研磨方式先将
GaAs
衬底
101
去除剩余约
20
μ
m
，再用体积比为
1
：
5
的
NH4OH: H2O2
溶液反应
10min
，化学腐蚀停止在
GaInP
截止层
103
上；
7
、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
N-GaAs
图形，然后采用体积比为
1
：
1
：
7
的
H3PO4
：
H2SO4
：
CH3COOH
混合溶液湿法粗化
N-AIGaInP
粗化层
105
；
8
、在制作好图形的
N-GaAs
欧姆接触层
104
上采用电子束蒸镀的方式蒸镀厚度为
300nm
的铟锡氧化物薄膜，通过
350
℃氮气氛围退火炉进行退火
10min
处理，使铟锡氧化物薄膜同
N-GaAs
欧姆接触层形成良好的电学接触，得到透明的扩展电极
203
；
9
、将制作好透明的扩展电极
203
后浸入丙酮溶液超声清洗
10min
，然后进行光刻流程，旋涂负性光刻胶、光刻、显影、旋干，然后进行等离子打胶，采用电子束冷蒸的方式将
4
μ
m
的
Au
镀在透明扩展电极
203
上，剥离后形成主电极
204
，主电极
204
的图形为半径为
70
μ
m
的圆；
10
、在
Si
衬底
201
背面采用电子束热蒸镀的方式分别蒸镀厚度为
20nm
和
100nm
的
Ti
、
Au
作为背电极
205
，完成器件的制作。
Claims (9)
1.一种具有透明扩展电极结构的发光二极管，包括永久衬底、外延发光层和背电极，外延发光层包括：P-GaP电流扩展层、缓冲层、P-AlGaInP限制层、多量子阱有源层、N-AlGaInP限制层、N-AlGaInP电流扩展层、粗化层和N-GaAs欧姆接触层，N-GaAs欧姆接触层进行图形化处理，在永久衬底的背面设有背电极，其特征在于：还包括第一金属键合层、第二金属键合层、镜面反射层、介质膜层、主电极和由透明材料制成的扩展电极，在永久衬底的上面、永久衬底通过第一金属键合层和第二金属键合层同外延发光层相连接，在第二金属键合层和外延发光层之间还设有镜面反射层和介质膜层，扩展电极包覆整个粗化层和N-GaAs欧姆接触层，并同N-GaAs欧姆接触层上的图形形成电学接触，在扩展电极上设有主电极。
2.根据权利要求1所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管，其特征在于：N-GaAs欧姆接触层的厚度在50±10nm，图形化后面积占发光区总面积比例在20%-40%。
3.一种具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于:包括以下步骤：
（1）、利用MOCVD设备在临时衬底上依次外延生长缓冲层、截止层、N-GaAs欧姆接触层、粗化层、N-AlGaInP电流扩展层、N-AlGaInP限制层、多量子阱有源层、P-AlGaInP限制层、过渡层、P-GaP电流扩展层，形成完整结构的外延发光层；
（2）、在P-GaP电流扩展层上制作镜面反射层和金属键合层，在永久衬底上蒸镀金属键合层，通过金属键合层将临时衬底和永久衬底进行键合；
（3）、通过物理研磨和化学腐蚀方法去除临时衬底以及缓冲层和截止层，漏出N-GaAs欧姆接触层；
（4）、利用N-GaAs蚀刻液将N-GaAs欧姆接触层腐蚀出图形，将除GaAs外其他区域进行化学溶液粗化处理；
（5）、在图形化的GaAs区域和粗化层上制作透明扩展电极，通过退火工艺使透明扩展电极和GaAs形成电学连接；
（6）、在透明扩展电极上通过负胶剥离方式制作主电极；
（7）、在永久衬底的背面制作背电极。
4.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，临时衬底为GaAs衬底。
5.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，镜面反射层由100nm的SiO2和100--400nm的AuBe组成，在SiO2上制作出导电孔，用于AuBe和GaP形成电学接触；将临时衬底和永久衬底粘结在一起的粘结层为600--1000nm的Au。
6.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，物理研磨方式为砂轮研磨，化学腐蚀采用NH4OH和H2O2的水溶液，缓冲层为GaAs，截止层为GaInP。
7.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中，N-GaAs蚀刻液为H3PO4和H2O2的水溶液，粗化液为HF、HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、HBr、I2、CH3COOH中的一种或多种组合。
8.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（5）中，透明的扩展电极为铟锡氧化物，厚度300±50nm，折射率1.9-2.1，经过300--400℃N2氛围下退火工艺，铟锡氧化物同N-GaAs欧姆接触层形成良好的电学接触。
9.根据权利要求3所述的具有透明扩展电极结构的发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（6）中，主电极是厚度3-5μm的Au。
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