CN106129206B - 具有全镜面结构的发光二极管及其制作方法 - Google Patents

具有全镜面结构的发光二极管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有全镜面结构的发光二极管及其制作方法，利用外延预先成长的DBR层，在芯片工艺中再将欧姆接触层对应的DBR层保留，使欧姆接触电极区域既可形成欧姆接触亦具有反射层的效果，并搭配ODR镜面系统，构成全镜面结构，达到无反射镜面面积损失，具体结构包括发光外延叠层及位于其下方的镜面系统，所述镜面系统包括金属反射层和位于其上的透光层，所述透光层包括透光区和欧姆接触区，所述透光区由透光性介电材料构成，与金属反射层构成ODR反射镜，所述欧姆接触区从下到上依次包含欧姆接触层和DBR层，所述DBR层至少由第一半导体层和第二半导体层交替构成，从而构成一个不间断反射镜面系统。

Description

具有全镜面结构的发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体为一种具有全镜面结构发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。随着 LED 应用的越来越广泛，进一步提高发光效率已势在必行。
LED的发光效率主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。现有发光二极管之增光工艺，常会借由键合工艺在芯片外延层与吸光基板之间制作反射镜面，藉此避免芯片内发光被吸光基板吸收，并将其反射至出光面提升整体亮度。镜面材质通常选用对于该芯片波长具有高反射率之金属材料，如红光常用Au/Ag镜，蓝绿光常用Al/Ag镜；此外，也常见地将高反射率金属结合SiO2，形成全方位反射镜面ODR结构，如图1所示。在图1所示的发光二极管结构中，为了P、N电流导通，在发光外延叠层的下方部分区域需作为欧姆接触的电极132，其一方面损失镜面面积（~5%），另一方面欧姆接触的电极区域还会吸光造成亮度损失。
发明内容
本发明针对上述问题，本发明利用外延预先成长的DBR（Distributed BraggReflector：分布布拉格反射镜）层，在芯片工艺中再将欧姆接触层对应的DBR层保留，使欧姆接触电极区域既可形成欧姆接触亦具有反射层的效果，并搭配ODR（Omni DirectionReflection：全方位反射镜）镜面系统，构成全镜面结构，达到无反射镜面面积损失，进而提升光取出效率。
本发明的技术方案为：具有全镜面结构的发光二极管，包括发光外延叠层及位于其下方的镜面系统，所述发光外延叠层包含N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述镜面系统包括金属反射层和位于其上的透光层，所述透光层包括透光区和欧姆接触区，所述透光区由透光性介电材料构成，与金属反射层构成ODR反射镜，所述欧姆接触区从下到上依次包含欧姆接触层和DBR层，所述DBR层至少由第一半导体层和第二半导体层交替构成，从而构成一个不间断反射镜面系统。
优选地，所述金属反射层、透光层及欧姆接触区的DBR层构成三维镜面系统。
优选地，所述DBR层具有倾斜的侧壁，其倾斜角为45~60°。
优选地，所述透光层的透光区与欧姆接触区之间无缝隙。
优选地，所述透光层远离所述发光外延叠层的一侧表面的平整度RMS为10nm以内。
优选地，所述透光层的厚度为n×λ/4。
优选地，所述DBR层的晶格常数与所述发光外延叠层的晶格常数匹配。
本发明同提供了一种具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一外延结构，其依次包含发光外延叠层、DBR层和欧姆接触层，所述发光外延叠层包含N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述DBR层至少由第一半导体层和第二半导体层交替构成；（2）在所述欧姆接触层的表面上定义透光区和欧姆接触区，去除所述透光区的欧姆接触层和DBR层，裸露出所述发光外延叠层的表面；（3）在裸露出的发光外延叠层表面上沉积透光性介电材料作为透光层；（4）在所述透光层和欧姆接触层之上形成金属反射层，所述透光层与金属反射层构成ODR反射镜，并与所述欧姆接触区的DBR构成一个不间断反射镜面系统。
优选地，所述步骤（2）具体为：在所述欧姆接触层的表面上定义透光区和欧姆接触区；在所述欧姆接触区上形成金属电极层；以所述金属电极层为掩膜层，蚀刻去除所述透光区的欧姆接触层和DBR层。
优选地，所述步骤（3）中沉积透光层后，使用CMP将其表面进行抛光，裸露出所述金属电极层作为电流导通。经抛光后，所述透光层与金属电极层之间无缝隙且所述透光层表面的平整度RMS为5nm以内，对于后续金属镜面蒸镀具有较佳平整度以及阶梯覆盖。
本发明具有至少以下有益效果：（1）发光外延叠层下方的欧姆接触区既形成欧姆接触亦具有反射层的效果；（2）发光外延叠层下方由ODR和DBR构成不间断反射镜面结构，且ODR与欧姆接触电极无缝隙，镜面系统无任何反射面积损失；（3）ODR反射镜与欧姆接触区的DBR结构之间无缝隙，采用倾斜45~60°的DBR结构结合ODR镜面系统，形成三维反射镜面系统，使得反射镜面面积更为增加；（4）在制作方法上，直接将欧姆接触层金属蒸镀于外延之上，并作为掩膜层，不用进行黄光对位，简化流程且提高良率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为现有的一种垂直结构发光二极管芯片的侧面剖视图。
图2为根据本发明实施的一种发光二极管芯片的侧面剖视图。
图3为显示了图2所示发光二极管芯片之透光层的分布，划分为透光区和欧姆接触区。
图4~12为根据本发明实施的一种发光二极管芯片的制作过程示意图。
图13是根据本发明实施的另一种发光二极管芯片结构剖视图。
图14是根据本发明实施的再一种发光二极管的外延结构剖视图。
图中：
100：导电基板；110：金属键合层；120：金属反射层；130：透光层；131：金属电极层；132：欧姆接触层；140：发光外延叠层；141：N型半导体层；142：有源层；143：P型半导体层；150：P型电极；200：生长衬底；201：临时基板；202：导电基板；210：蚀刻截止层；220：N型欧姆接触层；230：DBR层；240：发光外延叠层；241：N型半导体层；242：有源层；243：P型半导体层；250：金属电极层；260：透光层；270：金属反射层；280：金属键合层；290：P型电极。
具体实施方式
本发明的核心点为提供一个具有全镜面结构的LED结构，其利用外延预先成长DBR层，在芯片工艺中去除透光区的DBR层，仅保留欧姆接触电极区的DBR，使欧姆接触电极区域既可形成欧姆接触亦具有反射层的效果。下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。
请参看图2，根据本发明实施的一种具有全反射结构的发光二极管，从下到上依次包括：导电基板202、金属键合层280、金属反射层270、透光层260、发光外延叠层240和P型电极290。
具体的，导电基板202可采用Si基板、金属基板或半导体材料等；金属键合层280用于接合发光外延叠层240和导电基板202；金属反射层270采用高反射率金属材料，并与其上方的透光层260构成ODR反射镜；透光层260划分为透光区260a和欧姆接触区260b，透光区260a和欧姆接触区260b之间无缝隙连接，其中透光区260a由透光性介电材料组成，其厚度为n×λ/4（λ为发光外延叠层的发光波长），欧姆接触区260b作为电流导通之用，从下到上依次包括金属电极层250、欧姆接触层220和DBR层230，DBR层230为半导体材料，晶格常数与发光外延叠层240的晶格常匹配，至少由一第一半导体层和一第二半导体层交替堆叠而成，一方面具有导电功能，另一方面用于反射发光外延叠层射向所述欧姆接触层220的光线，避免欧姆接触层220及其下方的金属电极层250的吸光；发光外延叠层240至少包括N型半导体层241、有源层242和P型半导体层243。
在一个具体实施例中，发光外延叠层240采用AlGaInP系材料，可在N型半导体层与有源层之间、P型半导体层与有源层分别增加缓冲层、在P型半导体层上方形成电流扩展层、窗口层等，透光层260的透光区260b的材料可选自由二氧化硅(SiO2)、氟化镧(LaF3)、氟化镁(MgF2)、氟化钠(NaF)、氟化钠铝(Na3AlF6)、氟化钙(CaF2)与上述材料的组合所构成的群组，DBR层230为AlGaAs/AlAs交替结构。
在上述发光二极管结构中，由透光层的透光区直接与金属反射层形成ODR反射镜，并与欧姆接触区的DBR层形成一不间断的全镜面反射结构，达到无反射镜面面积损失，进而提升光取出效率。
下面结合附图4~11及制作方法对上述LED进行详细说明。
首先，提供一外延片，其结构如图4所示，该外延片从下到上可包括：生长衬底200、蚀刻截止层210、欧姆接触层220、DBR层230、N型半导体层241、有源层242和P型半导体层243。在本实施例中，N型半导体层241为Si掺杂的AlGaInP材料层，Si浓度为7×1017~1×1018，P型半导体层243为掺Mg的GaP材料层，掺杂浓度为1.5×1018以上，欧姆接触层220为高掺杂N-GaAs材料层，DBR层为AlGaAs/AlAs 材料层，每层均为5~20nm，共有20~100对。
接着，在P型半导体层的表面上制作P型电极290，并进行退火处理，再与一临时基板201接合，如图5所示。
接着，去除生长衬底200，裸露出欧姆接触层220的表面，如图6所示。在本实施例中，采用湿法蚀刻去除，具体为层分别以NH4OH：H2O2以及HCl：H3PO3移除生长衬底200和蚀刻截止层210。
接着，将裸露出的欧姆接触层220的表面划分为欧姆接触区和透光区，并在欧姆接触区上形成金属电极层250，如图7所示。该金属电极层250与欧姆接触层220进行高温熔合后形成欧姆接触。
接着，以金属电极层250作为掩膜层，蚀刻去除透光区的欧姆接触层220和DBR层230，裸露出发光外延叠层的表面，如图8所示。
接着，在裸露出的发光外延叠层表面上沉积透光性介电材料作为透光层260，其与欧姆接触区的金属电极层250和DBR层之间均无缝隙。在本实施例中透光性介电材料选用SiOX ，先沉积一定厚度的SiOX层260，其在透光区的上表面至少与欧姆接触区的金属电极层250的上表面齐平，具体可以采用CVD沉积400~1000nm的SiOX层260，如图9所示，然后使用CMP将SiOX层260抛光至符合nλ/4 厚度，并使金属电极层250露出作为电流导通，如图10所示。经CMP抛光的透光层表面的平整度RMS为10nm以内，较佳的为~1nm，如此对于后续金属镜面蒸镀具有较佳平整度以及阶梯覆盖性。
接着，在透光层260上沉积金属反射层270，如图11所示，至此在发光外延结构的非出光面形成全镜面反射结构，其中透光区具有通过透光性介电材料260与金属反射层270构成的ODR镜面，欧姆接触区有DBR层230，形成完整、连续、不间断反射镜面结构。在本实施例中，金属反射层270可以为Au、Ag、 Al等，厚度为0.2微米以上，较佳值为0.25微米。
接着，提供一导电基板202，并在导电基板202和金属反射层260的表面上形成金属键合层280，进行高温键合，从而将导电基板202与发光外延叠层240接合，如图12所示。
最后，去除临时基板201，形成图2所示具有全镜面结构的发光二极管。
在上述制作方法中，预先采用外延生长工艺在外延片的发光外延叠层与欧姆接触层之间形成DBR层，然后在芯片制作工艺中在欧姆接触层的欧姆接触区上形成金属电极层，以该金属电极层作为掩膜层，蚀刻去除欧姆接触区以外（在本实施例中即为透光区）的欧姆接触层及DBR层，在此过程中无需进行黄光对位，避免了图1所示LED结构在制作ODR过程中需要进行对位的问题，简化了芯片工艺，可大大提高良率。
图13显示了根据本发明实施的另一种发光二极管结构，其与图2所示发光二极管的区别在于：DBR层具有倾斜的侧壁，其倾斜角为45~60°。在本实施例中，倾斜的DBR层230与透光区的ODR镜面形成了三维反射镜面系统，使得反射镜面面积更为增加。
相较于图1所示的发光二极管，使用此镜面系统的发光二极管的亮度可提升8~10%。
尽管上面各实施例均为P侧出光的发光二极管为例，但是应该清楚的是，本发明同样适用于N侧出光的发光二极管。当以N侧为出光面时，可采用图14所示的外延片结构进行制备。
尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。

Claims (12)

1.具有全镜面结构的发光二极管，包括发光外延叠层及位于其下方的镜面系统，所述发光外延叠层包含N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述镜面系统包括金属反射层和位于其上的透光层，其特征在于：所述透光层包括透光区和欧姆接触区，所述透光区由透光性介电材料构成，与金属反射层构成ODR反射镜，所述欧姆接触区从下到上依次包含欧姆接触层和DBR层，所述DBR层至少由第一半导体层和第二半导体层交替构成，从而构成一个不间断反射镜面系统，所述第一半导体层和第二半导体层通过外延生长形成。
2.根据权利要求1所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述金属反射层、透光层及欧姆接触区的DBR层构成三维镜面系统。
3.根据权利要求2所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述DBR层具有倾斜的侧壁。
4.根据权利要求1所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述透光层的透光区与欧姆接触区之间无缝隙。
5.根据权利要求1所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述透光层远离所述发光外延叠层的一侧表面的平整度RMS为10nm以内。
6.根据权利要求1所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述透光层的厚度为n×λ/4。
7.根据权利要求1所述的具有全镜面结构的发光二极管，其特征在于：所述DBR层的晶格常数与所述发光外延叠层的晶格常数匹配。
8.具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一外延结构，其依次包含发光外延叠层、DBR层和欧姆接触层，所述发光外延叠层包含N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述DBR层至少由第一半导体层和第二半导体层交替构成；
（2）在所述欧姆接触层的表面上定义透光区和欧姆接触区，去除所述透光区的欧姆接触层和DBR层，裸露出所述发光外延叠层的表面；
（3）在裸露出的发光外延叠层表面上沉积透光性介电材料作为透光层；
（4）在所述透光层和欧姆接触层之上形成金属反射层，所述透光层与金属反射层构成ODR反射镜，并与所述欧姆接触区的DBR构成一个不间断反射镜面系统。
9.根据权利要求8所述的具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为：
在所述欧姆接触层的表面上定义透光区和欧姆接触区；
在所述欧姆接触区上形成金属电极层；
以所述金属电极层为掩膜层，蚀刻去除所述透光区的欧姆接触层和DBR层。
10.根据权利要求9所述的具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中沉积透光层后，使用CMP将其表面进行抛光，裸露出所述金属电极层作为电流导通。
11.根据权利要求9所述的具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，其特征在于：经抛光后，所述透光层表面的平整度RMS为5nm以内。
12.根据权利要求9所述的具有全镜面结构的发光二极管的制作方法，其特征在于：经抛光后，所述透光层与金属电极层之间无缝隙。
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