CN105957938B - 一种高亮度反极性的AlGaInP基发光二极管晶圆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高亮度反极性的AlGaInP基发光二极管晶圆及其制造方法，涉及AlGaInP四元系发光二极管的制造技术领域。以一粒晶粒为一个单位，在ITO薄膜层制作分布式反射镜层，在各反射镜层上分别包裹式制作第一金属键合层；以一粒晶粒为一个单位，在永久衬底上制作分布式第二金属键合层。本发明工艺简单、合理，只是在现有技术基本上，改变分布式反射镜层、第一金属键合层和第二金属键合层的制作工艺，使键合后的半品在相邻的晶粒之间形成间隔，以利于后续将一整个晶圆分割成独立晶粒的加工，使制成的二极管发光效率和产品良率得以有效提升。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及AlGaInP四元系发光二极管的制造技术领域。
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。由于材料发光波段可以覆盖可见光的390～780nm波段，使用这种材料制成的可见光高亮度发光二极管得到越来越多关注。发光二极管，尤其是AlGaInP（四元系）红光高亮度发光二极管已大量用于户外显示、监控照明、汽车灯等许多方面。
相对于普通结构的AlGaInP LED芯片，高亮度AlGaInP芯片通过键合技术实现衬底置换，使用具有良好导热性能的硅衬底（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），芯片具有更低热阻值，散热性能更好，有效提高器件的可靠性。为了克服光在芯片与封装材料界面处的全反射而降低取光效率，还在芯片制作一些表面纹理结构。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。反射层由低折射率的介质膜和高反射率金属层构成，介质膜通过负胶剥离制作出导电孔，镜面层通过导电孔同P-GaP形成电学接触。
传统生产晶圆的工艺中，为了使ITO薄膜层与p-GaP窗口层形成良好的电学接触，需要在ITO薄膜层与p-GaP窗口层之间制作呈均匀分布的介质膜导电孔层，有部分导电孔难免会出现在切割道上，在进行后段切割后，由于孔的颜色发黑会导致目检机进行芯粒识别时较为困难，也会在进行异常挑除时造成误判，降低产品良率。到客户端在进行固晶作业时，也会造成识别困难的问题，会带来客诉，甚至影响产品信誉。
此外，传统工艺中切割道上的金属键合层在后端需要进行激光切割，切割碎屑难免会溅射到有源区造成器件漏电等可靠性问题，同时激光切割烧灼产生的黑色生成物一定程度上吸光，造成激光半切后器件的亮度下降。到客户端封装灌胶时，可能会引起爬胶等问题，会影响良率，降低产品竞争力。
发明内容
本发明目的在于提出一种可以改善均匀分布的导电孔带来的电流无效注入影响出光效率和激光对切割道金属进行切割引起漏电和爬胶问题的高亮度反极性的AlGaInP基发光二极管。
本发明技术方案是：在衬底下方设置背电极，在衬底上方依次设置金属键合层、镜面反射层、外延层和扩展电极，在扩展电极上设置主电极；
所述镜面反射层由介质膜导电孔层、ITO薄膜层和镜面层组成；所述镜面层设置在金属键合层上方，ITO薄膜层设置在镜面层上方，介质膜导电孔层设置在ITO薄膜层上方；
所述外延层包括依次设置在介质膜导电孔层上方的P-GaP窗口层、缓冲层、P-AlGaInP限制层、MQW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；
本发明特点是：所述金属键合层和镜面层分别以各晶粒为单位呈分布式排列，各晶粒的金属键合层对应地包裹在相应的晶粒的ITO薄膜层下方的镜面层外；在各晶粒的主电极和N-AlGaInP电流扩展层周围的发光区上设置介质膜导电孔层。
本发明由于导电孔均匀分布在主电极和N-AlGaInP电流扩展层周围的发光区上，在电极下方P面和N面均形成了肖特基结，从而减小了电流的无效注入，提升了发光效率。
本发明由于金属键合层和镜面层分别以各晶粒为单位呈分布式排列，避免采用激光设备将一整个晶圆分割成独立晶粒的工艺中识别困难的问题，切割道上没有金属粘结层，降低亮度损失，提升产品良率，减少后端工艺流程，降低切割成本，同时也避免了客户端在进行灌胶作业时，漏电、爬胶等问题，提高产品竞争力。
本发明另一目的是提出以上晶圆的制造方法，步骤如下：
1）在临时衬底的一侧依次外延生长过渡层、N-GaInP截止层、N-GaAs欧姆接触层、N-AlGaInP粗化层、N-AlGaInP电流扩展层、N-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP限制层、缓冲层和P-GaP窗口层；在P-GaP窗口层上依次制作形成介质膜导电孔层、ITO薄膜层、镜面层和第一金属键合层；
2）在永久衬底上制作第二金属键合层；
3）将步骤1）和步骤2）形成的两个半制品的第一金属键合层和第二金属键合层相对，在320℃和外力作用下键合形成倒装式半制品；
4）去除倒装式半制品中的临时衬底、过渡层和N-GaInP截止层后，对N-AlGaInP粗化层进行粗化处理，再制作形成主电极；
5）在永久衬底背面制作背电极；
本发明的特点是：在步骤1）中，通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，以一粒晶粒为一个单位，在ITO薄膜层制作分布式反射镜层；经过通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，在各反射镜层上分别包裹式制作第一金属键合层；在步骤2）中，以一粒晶粒为一个单位，在永久衬底上制作分布式第二金属键合层。
本发明工艺简单、合理，只是在现有技术基本上，改变分布式反射镜层、第一金属键合层和第二金属键合层的制作工艺，使键合后的半品在相邻的晶粒之间形成间隔，以利于后续将一整个晶圆分割成独立晶粒的加工，使制成的二极管发光效率和产品良率得以有效提升。
进一步地，本发明采用MgF2制作介质膜导电孔层，厚度为1100埃。MgF2具有较低的折射率，而且为透明薄膜，与金属镜面层构成的反射镜在可见光范围内具有很高的反射率。
采用Ag制作镜面层，厚度100～500nm，金属Ag具有很高的反射率。
步骤1）中N-GaAs欧姆接触层的厚度为35～50nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1×1019cm-3以上；N-AlGaInP电流扩展层的厚度为2000nm，以便与n型扩展电极203形成良好的欧姆接触；P-GaP窗口层厚度为1500～3000nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度在1×1018cm-3以上，以保证P面良好的电学接触和电流扩展能力。
步骤4）中粗化处理时采用HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、HBr、I2水溶液、CH3COOH中的至少任意一种。
表面粗化技术力图解决因为半导体材料折射率（平均 3.5）大于空气折射率而使入射角大于临界角的光线发生全反射无法出射所造成的损失。如果改变常规 LED 的表面形貌，让交界面由光滑变得粗糙，将会大大增加出射光在界面处折射时入射角度的随机性。从统计概率上来说，能使得更多的光子出射到空气中，避免全反射。粗化处理能提高光在粗化表面的出射随机性，对出光率有巨大意义。
附图说明
图1为本发明制作过程中的一个示意图。
图2为本发明成品的一种结构示意图。
图3为图2的俯向视图。
具体实施方式
一、制造工艺步骤：
1、如图1所示利用MOCVD设备在GaAs临时衬底201上生长外延层，外延层依次包括过渡层202、N-GaInP截止层203、N-GaAs欧姆接触层204、N-AlGaInP粗化层205、N-AlGaInP电流扩展层206、N-AlGaInP限制层207、MQW多量子阱有源层208、P-AlGaInP限制层209、缓冲层210、P-GaP窗口层211。
其中N-GaAs欧姆接触层204厚度为35～50nm（优选厚度40nm），掺杂元素为Si，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；N-AlGaInP电流扩展层206的厚度为2000nm；P-GaP窗口层211厚度为1500～3000nm（优选厚度2000nm），掺杂元素为Mg，掺杂浓度在1×1018cm-3以上，以保证P面有良好的电学接触和电流扩展能力。
采用丙酮、异丙醇、去离子水依次清洗外延片正面的p-GaP窗口层211，通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影做出掩膜图形，以一粒晶粒为一个单位，在p-GaP窗口层211表面蒸镀厚度为1100埃的分布式MgF2介质膜导电孔层212，Lift-off工艺完成后，再在分布式MgF2介质膜导电孔层212上蒸镀厚度为50nm的完整的一层ITO薄膜层213，再经过氮气氛围410℃退火8min，使ITO薄膜层213与p-GaP窗口层211之间形成良好的电学接触。
退火后，通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，以一粒晶粒为一个单位，在ITO薄膜层213表面采用电子束蒸镀方式制作厚度为300nm的分布式镜面层214（材料采用Ag）。再经过通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，在分布式Ag镜面层214上采用电子束蒸镀方式制作厚度为50nm/600nm的分布式Ti/Au第二键合层215，各第二键合层215一一分别包裹住相应的晶粒的镜面层214外。
2、以一粒晶粒为一个单位，在Si衬底101上通过旋涂负性光刻胶101，曝光、显影做出掩膜图形，采用电子束蒸镀方式，制作厚度为1000nm的Au分布式第一键合层103。
3、将步骤1和步骤2取得的产品浸入丙酮丙酮、异丙醇溶液进行超声清洗10min，并将第二键合层215和第一键合层103相对，在320℃、5000kg外力作用下25min，将两者对位键合到一起，取得倒装式半制品，如图1所示。
4、如图2所示，利用机械研磨方式，先将倒装式半制品中的GaAs临时衬底201去除至剩余约50μm，再用体积比为1∶8的NH4OH和H2O2溶液反应10min，直至化学腐蚀去除N-GaInP截止层203。
通过在N-GaAs欧姆接触层（204）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和H2O混合溶液，蚀刻出图形化的N-GaAs欧姆接触层204，然后采用体积比为1∶1∶7的H3PO4、H2SO4和CH3COOH混合溶液湿法粗化N-AIGaInP粗化层205。
5、在制作好图形化的N-GaAs欧姆接触层204上采用电子束蒸镀的方式蒸镀厚度为400nm的AuGeNi合金材料，再经过上胶，光刻，显影等工艺后采用体积比为1∶2∶5的I2、KI和H2O混合溶液蚀刻出扩展电极303，扩展电极303为分段式圆环型，外环半径40μm，内环半径35μm，根据产品需要将圆环分为8段（如图3所示）。通过350℃氮气氛围退火炉进行退火10min处理，使扩展电极303与N-GaAs欧姆接触层204形成良好的电学接触。
再将半制品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4μm的Au镀在N-AlGaInP型粗化层205和扩展电极303上，剥离后形成主电极302，主电极302图形为半径为45μm的圆，而以上制成的分段式扩展电极303掩埋在主电极302中。
6、在Si衬底101背面采用电子束热蒸镀的方式分别蒸镀厚度为30nm和100nm的Ti/Au，形成Ti/Au背电极102。
至此，完成晶圆的制作。
二、本发明产品结构：
如图2、3所示，在衬底101上设置有分布式金属键合层103、215（一粒晶粒的下方为一个完整的金属键合层），以及镜面反射层、外延层、扩展电极和主电极302。外延层通过分布式金属键合层103、215与镜面反射层相连接，镜面反射层上为外延层。
镜面反射层包括：分布式MgF2介质膜导电孔层212、ITO薄膜层213和分布式镜面层214。
外延层包括：P-GaP窗口层211，缓冲层210， P-AlGaInP限制层209，MQW多量子阱有源层208， N-AlGaInP限制层207，N-AlGaInP电流扩展层206，粗化层205，N-GaAs欧姆接触层204。
分布式MgF2介质膜导电孔层212为理论增透膜最佳厚度的MgF2薄膜，导电孔均匀分布在主电极302和N-AlGaInP电流扩展层206周围的发光区上，在后续一整个晶圆分割成独立晶粒的工艺切割道上无导电孔和金属粘结层。
在衬底101背面设置Ti/Au背电极102。
综上所述，本发明提出的具有分布式导电孔结构的AlGaInP发光二极管，由于导电孔均匀分布在主电极302和N-AlGaInP电流扩展层206周围的发光区上，在电极下方P面和N面均形成了肖特基结，从而减小了电流的无效注入，提升了发光效率。
Claims (6)
1.一种高亮度反极性的AlGaInP基发光二极管晶圆，包括衬底，在衬底下方设置背电极，在衬底上方依次设置金属键合层、镜面反射层、外延层和扩展电极，在扩展电极上设置主电极；
所述镜面反射层由介质膜导电孔层、ITO薄膜层和镜面层组成；所述镜面层设置在金属键合层上方，ITO薄膜层设置在镜面层上方，介质膜导电孔层设置在ITO薄膜层上方；
所述外延层包括依次设置在介质膜导电孔层上方的P-GaP窗口层、缓冲层、P-AlGaInP限制层、MQW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；
其特征在于：所述金属键合层和镜面层分别以各晶粒为单位呈分布式排列，各晶粒的金属键合层对应地包裹在相应的晶粒的ITO薄膜层下方的镜面层外；在各晶粒的主电极和N-AlGaInP电流扩展层周围的发光区上设置介质膜导电孔层。
2.如权利要求1所述高亮度反极性的AlGaInP基发光二极管晶圆的制造方法，包括以下步骤：
1）在临时衬底的一侧依次外延生长过渡层、N-GaInP截止层、N-GaAs欧姆接触层、N-AlGaInP粗化层、N-AlGaInP电流扩展层、N-AlGaInP限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP限制层、缓冲层和P-GaP窗口层；在P-GaP窗口层上依次制作形成介质膜导电孔层、ITO薄膜层、镜面层和第一金属键合层；
2）在永久衬底上制作第二金属键合层；
3）将步骤1）和步骤2）形成的两个半制品的第一金属键合层和第二金属键合层相对，在320℃和外力作用下键合形成倒装式半制品；
4）去除倒装式半制品中的临时衬底、过渡层和N-GaInP截止层后，对N-AlGaInP粗化层进行粗化处理，再制作形成主电极；
5）在永久衬底背面制作背电极；
其特征在于：
在步骤1）中，通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，以一粒晶粒为一个单位，在ITO薄膜层制作分布式反射镜层；经过通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影，在各反射镜层上分别包裹式制作第一金属键合层；
在步骤2）中，以一粒晶粒为一个单位，在永久衬底上制作分布式第二金属键合层。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：采用MgF2制作介质膜导电孔层，厚度为1100埃。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：采用Ag制作镜面层，厚度100～500nm。
5.根据权利要求2或3或4所述的制造方法，其特征在于：步骤1）中N-GaAs欧姆接触层的厚度为35～50nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1×1019cm-3以上；N-AlGaInP电流扩展层的厚度为2000nm；P-GaP窗口层厚度为1500～3000nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度在1×1018cm-3以上。
6.根据权利要求2或3或4所述的制造方法，其特征在于：步骤4）中粗化处理时采用HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、HBr、I2水溶液、CH3COOH中的至少任意一种。
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