CN105914274A - 一种侧壁粗化高亮度发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种侧壁粗化高亮度发光二极管及其制备方法，包括砷化镓永久衬底，在砷化镓永久衬底的上面依次设置有缓冲层、发光层、窗口层和第一电极，缓冲层为n型砷化镓，发光层包括AlAs/AlGaAs反射层、N‑AlGaInP下限制层、AlGaInP有源层、P‑AlGaInP上限制层、P‑GaInP缓冲层和P‑GaP粗化层，P‑GaP粗化层包含P‑GaP正面粗化层和P‑GaP侧壁粗化层两部分，在P‑GaP正面粗化层上设置第一电极，P‑GaP侧壁粗化层呈V型槽结构，窗口层为SiN光学薄膜，在砷化镓永久衬底的下面设有第二电极。粗糙化表面经过钝化膜SiN的包覆，不仅可以较小发光层同封装材料间的折射率差，有助于光的取出，而且可以保护发光区减少漏电异常，提升产品可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管领域，尤其是涉及一种侧壁粗化高亮度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
材料的发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿波段，由此制成的可见光发光二极管受到广泛关注。
传统的垂直结构
AlGaInP
发光二极管的表层为
GaP
窗口层，由于
GaP
同封装材料的折射率差较大，导致大部分的光在出射到
GaP
窗口层时发生全反射，导致光取出效率较低。有人采用表面粗化的技术来改变出光角度，但效果不佳，粗化造成
P-GaP
横向扩展能力变差，欧姆接触变差，由于电极下方附近区域的电流密度较高，离电极较远区域的电流密度较低，导致整体的电流注入效率偏低，从而降低了发光二极管的出光效率。高亮度反极性
AlGaInP
芯片采用键合工艺实现衬底置换，用热性能好的硅衬底（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
芯片具有更低热阻值、散热性能更好的优点，并且还可采用高反射率的全方位反射镜技术来提高反射效率。同时采用表面粗化技术能改善
AlGaInP
芯片与封装材料界面处的全反射，亮度会更高，但是由于制作步骤繁多，工艺非常复杂，导致制作成本偏高，成品率低。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种不仅可以缩小发光层同封装材料间的折射率差、有助于光的取出、而且可以保护发光区减少漏电异常、提升产品可靠性的侧壁粗化高亮度发光二极管。
本发明的第二个目的在于提供一种侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种侧壁粗化高亮度发光二极管，包括砷化镓永久衬底，在砷化镓永久衬底的上面依次设置有缓冲层、发光层、窗口层和第一电极，缓冲层为
n
型砷化镓，发光层包括
AlAs/AlGaAs
反射层、
N-AlGaInP
下限制层、
AlGaInP
有源层、
P-AlGaInP
上限制层、
P-GaInP
缓冲层和
P-GaP
粗化层，窗口层为
SiN
光学薄膜，在砷化镓永久衬底的下面设有第二电极，特征是：
P-GaP
粗化层包含
P-GaP
正面粗化层和
P-GaP
侧壁粗化层两部分，在
P-GaP
正面粗化层上设有第一电极，
P-GaP
侧壁粗化层呈
V
型槽结构
,P-GaP
粗化层的总厚度在
7000
～
10000nm
。
粗化层的粗化深度在
300
～
500nm
。
窗口层的厚度在
50
～
100nm
，窗口层包覆了
P-GaP
正面粗化层的表面和
P-GaP
侧壁粗化层的表面。
型槽的倾斜角度
60
～
80
°，深度为
20
～
40µm
。
具有较高的掺杂深度，掺杂深度在
800
～
1200nm
，掺杂源为镁（
Mg
）；足够的掺杂深度一方面保证粗糙形貌，有利于光的取出，另一方面可以保证粗化后掺杂层不被破坏，有助于电流的横向扩展。
V
型槽的倾斜角度
60
～
80
°，深度为
20
～
40µm
，可以保证在粗化时达到一个最佳的粗糙化效果，有助于发光区内部的光从侧面取出。粗糙化表面经过窗口层
(SiN
光学薄膜
)
的包覆，不仅可以较小发光层同封装材料间的折射率差，有助于光的取出，而且可以保护发光区减少漏电异常，提升产品可靠性。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，特征是：具体步骤如下：
（
1
）、在
GaAs
永久衬底的上面依次外延生长
N-GaAs
缓冲层、
AlAs/AlGaAs
反射层、
N-AlGaInP
下限制层、
AlGaInP
有源层、
P-AlGaInP
上限制层、
P-GaInP
缓冲层、
P-GaP
粗化层；
（
2
）、在
P-GaP
粗化层上制作第一电极，并作退火处理；
（
3
）、采用
V
型刀片在
P-GaP
粗化层的侧壁制作出
V
型槽；
（
4
）、对包含
V
型槽的
P-GaP
粗化层一起浸泡在粗化液中进行粗化处理；
（
5
）、在粗化过的表面制作出作为窗口层的光学薄膜，通过光刻蚀刻将第一电极露出作为焊盘；
（
6
）、在
GaAs
永久衬底的下面制作第二电极；
（
7
）、对第二电极做退火处理，即得到侧壁粗化高亮度发光二极管。
在步骤（
1
）中，
P-GaP
具有较高的掺杂深度，掺杂深度在
800
～
1200nm
，掺杂源为镁，掺杂浓度为
8
×
1017cm-3
～
1
×
1018cm-3
。
在步骤（
3
）中，对包含
V
型槽的粗化层进行粗化时不需要做掩膜，工艺简单，粗化液为碘酸、硫酸、氢溴酸、硝酸、冰醋酸、盐酸、柠檬酸中的一种或多种组合，粗化时间
60-300s
。
在步骤（
5
）中，窗口层为通过
PECVD
沉积的
SiN
光学薄膜，厚度在
50
～
100nm
。
第一电极和第二电极的材料均为
Au
、
Cr
、
Ti
、
Al
、
AuBe
、
AuGe
中的一种或多种组合。
本发明通过直接浸泡在粗化液中将
P-GaP
的表面和侧壁同时粗化，不仅可以增大芯片正面的全反射角，也可以增大侧面的全反射角，提升正面和侧面的光取出效率，从而提升发光效率。粗糙化表面经过窗口层
(SiN
光学薄膜
)
的包覆，不仅可以缩小发光层同封装材料间的折射率差，有助于光的取出，而且可以保护发光区减少漏电异常，提升产品可靠性。
附图说明
图
1
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。
一种侧壁粗化高亮度发光二极管，包括砷化镓永久衬底
101
，在砷化镓永久衬底
101
的上面依次设置有
N-GaAs
缓冲层
102
、
AlAs/AlGaAs
反射层
103
、
N-AlGaInP
下限制层
104
、
AlGaInP
有源层
105
、
P-AlGaInP
上限制层
106
、
P-GaInP
缓冲层
107
和
P-GaP
粗化层
108
，
P-GaP
粗化层
108
包含
P-GaP
正面粗化层
112
和
P-GaP
侧壁粗化层
113
两部分，在
P-GaP
正面粗化层
112
上设置第一电极
110
，
P-GaP
侧壁粗化层
113
呈
V
型槽结构，窗口层
109
为
SiN
光学薄膜，在砷化镓永久衬底
101
的下面设有第二电极层
111
。
P-GaP
粗化层
108
的总厚度在
7000
～
10000nm
。
粗化层
108
的粗化深度在
300
～
500nm
。
窗口层
109
的厚度在
50
～
100nm
，窗口层
109
包覆了
P-GaP
正面粗化层
112
的表面和
P-GaP
侧壁粗化层
113
的表面。
型槽
114
的倾斜角度
60
～
80
°，深度为
20
～
40µm
，可以保证在粗化时达到一个最佳的粗糙化效果，有助于发光层内部的光从侧面取出。
一种侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，具体步骤如下：
1
、制作外延片：利用
MOCVD
设备在一
GaAs
永久衬底
101
面上依次生长
N-GaAs
缓冲层
102
、
AlAs/AlGaAs
反射层
103
、
N-AlGaInP
下限制层
104
、
MQW
多量子阱有源层
105
、
P-AlGaInP
上限制层
106
、
P-GaInP
缓冲层
107
、
P-GaP
粗化层
108
。
其中：
P-GaP
粗化层
108
优选厚度
8000nm
，优选掺杂浓度
9
×
1017cm-3
，优选掺杂深度
1000nm
；
2
、利用
511
和
215
清洗液清洗表层的
P-GaP
粗化层
108
，通过电子束和热蒸镀在
P-GaP
正面粗化层
112
表面蒸镀第一电极层，第一电极层的材料依次为
AuBe
、
Ti
、
Au,
厚度分别为
50nm
、
100nm
、
2000nm
；
3
、在第一电极层上以
4000
转
/min
转速旋涂正性光刻胶，通过烘烤，曝光，显影，制作出第一电极层的图形；再通过等离子打胶处理后，利用
Au
蚀刻液蚀刻
300s
，
Ti
蚀刻液蚀刻
40s
，
Au
蚀刻液蚀刻
30s
，去除光刻胶便制作出第一电极
110
；
4
、采用管式退火炉对
AlGaInP
芯片进行退火，退火温度
450
℃，退火时间
20min
；
5
、利用
V
型金刚石刀片沿切割道进行划片，制作出具有
V
型槽结构的
P-GaP
侧壁粗化层
113
，
V
型槽
114
的倾斜角度控制在
70
°，
V
型槽
1114
的深度控制在
30µm
；
6
、无须做掩膜，将
AlGaInP
芯片浸入体积比为
1
：
2
：
1
的碘酸、冰醋酸和硫酸的混合液进行粗化，粗化时间
90s
；
7
、将粗化好的
AlGaInP
芯片浸入丙酮溶液进行超声清洗
10min
，利用
PECVD
在
P-GaP
粗化层
108
的表面沉积作为窗口层
109
的
SiN
光学薄膜，
SiN
光学薄膜的厚度控制在
80nm
，折射率控制在
2.0
；
8
、在沉积好
SiN
光学薄膜的表面旋涂正性光刻胶，经过烘烤，曝光，显影后制作出图形，利用体积比为
1
：
10
的氢氟酸：水混合液，蚀刻
60s
，露出第一电极
110
作为焊盘；
9
、将制作好正面图形的
AlGaInP
芯片浸入丙酮溶液进行超声清洗
10min
，利用热蒸镀在
GaAs
永久衬底
101
的下面制作第二电极
111
，第二电极
111
的材料依次为
AuGe
、
Au,
厚度分别为
100nm
、
100nm
；
10
、采用管式退火炉对
AlGaInP
芯片进行退火处理，退火温度
360
℃，退火时间
10min
，即完成器件的制作。
Claims (9)
1.一种侧壁粗化高亮度发光二极管，包括砷化镓永久衬底，在砷化镓永久衬底的上面依次设置有缓冲层、发光层、窗口层和第一电极，缓冲层为n型砷化镓，发光层包括AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、AlGaInP有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层和P-GaP粗化层，窗口层为SiN光学薄膜，在砷化镓永久衬底的下面设有第二电极，其特征在于：P-GaP粗化层包含P-GaP正面粗化层和P-GaP侧壁粗化层两部分，在P-GaP正面粗化层上设有第一电极，P-GaP侧壁粗化层呈V型槽结构,P-GaP粗化层的总厚度在7000～10000nm。
2.根据权利要求1所述的侧壁粗化高亮度发光二极管，其特征在于：P-GaP粗化层的粗化深度在300～500nm。
3.根据权利要求1所述的侧壁粗化高亮度发光二极管，其特征在于：窗口层的厚度在50～100nm，窗口层包覆了P-GaP正面粗化层的表面和P-GaP侧壁粗化层的表面。
4.根据权利要求1所述的侧壁粗化高亮度发光二极管，其特征在于：V型槽的倾斜角度60～80°，深度为20～40µm。
5.一种侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）、在GaAs永久衬底的上面依次外延生长N-GaAs缓冲层、AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、AlGaInP有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层、P-GaP粗化层；
（2）、在P-GaP正面粗化层上制作第一电极，并作退火处理；
（3）、采用V型刀片在P-GaP粗化层制作出V型槽；
（4）、对包含V型槽的P-GaP粗化层一起浸泡在粗化液中进行粗化处理；
（5）、在粗化过的表面制作出作为窗口层的光学薄膜，通过光刻蚀刻将第一电极露出作为焊盘；
（6）、在GaAs永久衬底的下面制作第二电极；
（7）、对第二电极做退火处理，即得到侧壁粗化高亮度发光二极管。
6.根据权利要求5所述的侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，P-GaP具有较高的掺杂深度，掺杂深度在800～1200nm，掺杂源为镁，掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1018cm-3。
7.根据权利要求5所述的侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，粗化液为碘酸、硫酸、氢溴酸、硝酸、冰醋酸、盐酸、柠檬酸中的一种或多种组合，粗化时间60-300s。
8.根据权利要求5所述的侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：在步骤（5）中，窗口层为通过PECVD沉积的SiN光学薄膜，厚度在50～100nm。
9.根据权利要求5所述的侧壁粗化高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于：第一电极和第二电极的材料均为Au、Cr、Ti、Al、AuBe、 AuGe中的一种或多种组合。
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