CN106129217A - 具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法 - Google Patents

具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法，属于LED生产应用技术领域，N电极设置在衬底背面，在衬底正面依次设置N‑GaAs缓冲层、AlAs/AlGaAs反射层、N‑AlGaInP下限制层、MQW多量子阱有源层、P‑AlGaInP上限制层、P‑GaInP缓冲层和P‑GaP电流扩展层，在P‑GaP电流扩展层表面设置AZO透明导电层，在部分AZO透明导电层表面布置所述P电极，在另一部分AZO透明导电层表面设置AZO粗化层。AZO透明导电层具有良好的电流扩展能力，减小了电流在局部区域内的积聚，提升了发光效率。

Description

具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明属于LED生产应用技术领域，具体涉及一种AlGaInP发光二极管特别是其芯片的生产工艺。
背景技术
四元系AlGaInP发光二极管由于其发光效率高，颜色范围广耗电量少、寿命长、单色发光、反应速度快、耐冲击、体积小等优点而被广泛的应用于指示、显示各种装置上、汽车内部指示灯、家电指示灯、交通停信号灯、家用照明上，如何满足市场对高亮度芯片的大量需求，提升LED芯片的亮度，成为LED企业的研究重点。常规垂直结构AlGaInP 发光二极管是基于P-GaP 电流扩展层进行横向扩展，将电流注入发光区，但由于P-GaP 电流扩展能力有限，电极下方附近区域电流密度较高，离电极较远的区域电流密度较低，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。
图案化P-GaP AlGaInP 芯片表层并蒸镀ITO透明导电薄膜可以减少光的全反射，增加芯片的出光效率，图案化P-GaP层的方法有湿法蚀刻法、纳米压印技术、聚焦离子束蚀刻，在表面时刻出小孔，可以提升光取出效率。
粗化P-GaP AlGaInP芯片表层并蒸镀ITO透明导电薄膜可以减少光的全反射，增加芯片的出光效率，图案化P-GaP层的方法主要利用碘酸：氢氟酸：冰醋酸混合液，粗化90s，粗化深度为100～500nm，粗化出表面均匀的粗糙形貌，可以提升光取出效率。
以上方案均利用了氧化铟锡透明薄膜具有良好的电流扩展能力，电极通过该氧化铟锡透明薄膜，从而减小了电流在电极下方的积聚，减少了电流的无效注入，提升了发光效率。但是氧化铟锡（ITO）中的In 属于稀缺资源，价格昂贵并且有毒，希望找到一种替代ITO的透明材料。
发明内容
本发明的目的是提出一种生产成本较低，而能提高发光效率的具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管。
本发明包括P电极和N电极，N电极设置在衬底背面，在衬底正面依次设置N-GaAs缓冲层、AlAs/AlGaAs 反射层、N-AlGaInP 下限制层、MQW 多量子阱有源层、P-AlGaInP 上限制层、P-GaInP缓冲层和P-GaP 电流扩展层，其特征在于在P-GaP 电流扩展层表面设置AZO透明导电层，在部分AZO透明导电层表面布置所述P电极，在另一部分AZO透明导电层表面设置AZO粗化层。
Al掺杂ZnO（即AZO）透明导电薄膜具有优良的透射特性，且ZnO来源广泛，价格低廉，在H等离子体中稳定性优于ITO。本发明AZO透明导电层具有良好的电流扩展能力，电流通过AZO透明导电层、AZO粗化层，将电流均匀注入到整个芯片表面，从而减小了电流在局部区域内的积聚，提升电流的有效效率，AZO粗化层是使用化学湿式粗化出表面均匀的粗糙形貌，提升了发光效率。
进一步地，本发明所述的AZO透明导电层的厚度为150～550nm，该厚度为通过AlGaInP发光波长计算得出的最佳厚度，可方便地采用磁控溅射法蒸镀。
所述AZO粗化层的厚度为50～500nm。AZO粗化层是将AZO用酸或碱湿法粗化以减少P-GaP 表面全反射的发生，提升光取出效率。电流经过P电极流入AZO透明薄膜层，AZO透明薄膜层横向电阻小于同层P-GaP 电流扩展层的接触电阻，电流在AZO透明薄膜层进行横向扩展后，再注入到P-GaP 电流扩展层中，进而进入有源层，大大提升电流注入效率，提升了发光二极管的发光亮度，同时由于工艺简单，具有传统结构发光二极管成本低，良率高的优点，适宜批量化生产，利于取得高质量、低成本的产品。
本发明另一目的是提出以上产品的制造方法。
本发明方法包括如下步骤：
1）通过MOCVD方法，在衬底一面依次形成N-GaAs 缓冲层、AlAs/AlGaAs 反射层、N-AlGaInP 下限制层、MQW 多量子阱有源层、P-AlGaInP 上限制层、P-GaInP缓冲层和P-GaP电流扩展层，取得外延芯片；
2）在外延芯片的P-GaP 电流扩展层表面制作SiO2层，在SiO2层的保护下，对P电极设置区域的P-GaP 电流扩展层中GaP层进行蚀刻，形成P电极预留孔；
3）去掉剩余的SiO2层后，在裸露的P-GaP 电流扩展层表面蒸镀形成AZO透明导电层；
4）以酸或碱溶液为粗化液，对P电极预留孔外侧的AZO透明导电层的表面进行粗化处理；
5）在P电极预留孔内制作形成P电极，在衬底的另一面制作形成N电极。
本发明方法简单、合理，特别是AZO透明导电层比较容易粗化，且透明导电，源材料方便取用，形成的产品稳定性好，优良率高。
为了保证电流经AZO透明导电层时，尽可能多的横向扩展，提升电流有效的注入效率，本发明在外延芯片制作时形成的P-GaP 电流扩展层的厚度为2～4.5μm，对P-GaP 电流扩展层中GaP层的蚀刻深度为0.1～1μm。
在P-GaP 电流扩展层制作时，以镁为掺杂材料，镁掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1019cm-3。P-GaP 电流扩展层高浓度的掺杂是为了降低与AZO透明导电层接触势垒，改善电流注入的分布，有效提升电流注入效率，提升了发光二极管的发光强度。
对P电极预留孔外侧的AZO透明导电层的表面进行粗化处理后，于P电极预留孔外侧的AZO粗化层的厚度为50～500nm，在AZO粗化层与P-GaP 电流扩展层之间的AZO透明导电层的厚度为150～550nm。
对AZO透明导电层的表面进行粗化的深度为100～500nm。粗化深度不能过深，否则会影响出光效率。
在AZO透明导电层的表面进行粗化处理时，采用的粗化液温度为20～80℃。该工艺温度范围比较大，方便工艺操作。
为增加AZO透明导电层的光透过率、降低AZO透明导电层的体电阻、增强与P-GaP电流扩展层的粘附力，保障衬底GaAs 同N电极形成良好的电学接触，将AZO粗化的高亮度AlGaInP发光二极管进行快速退火处理，快速退火温度为380～580℃，退火时间5～20s。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为图1的俯向视示图。
具体实施方式
结合附图和实施进一步说明本发明。
一、制造具体实施步骤：
1、通过MOCVD技术制作外延芯片：在作为外延层基板的GaAs 衬底100正面依次形成N-GaAs 缓冲层200、AlAs/AlGaAs 反射层201、N-AlGaInP 下限制层202、MQW 多量子阱有源层203、P-AlGaInP 上限制层204、P-GaInP缓冲层205、P-GaP 电流扩展层206，其中高掺杂镁的P-GaP 电流扩展层206厚度为4.5μm，以保证能形成良好的欧姆接触，镁的掺杂浓度为8×1017cm-3～1×10 19cm-3。
2、将外延芯片用215、511溶液液清洗P-GaP 电流扩展层206，采用PECVD的方式在表面沉积一层SiO2，在SiO2层上旋涂正性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影通过高速旋干机将芯片旋干、等离子打胶后，制作完成SiO2层光刻，利用HF溶液蚀刻出SiO2层开孔图形，通过去胶液去除表面旋涂正性光刻胶，利用SiO2层开孔图形，使用KOH、FeCl3、铁酸钾和水的混合液（体积比为3：1：1：1）蚀刻去除部分P-GaP 电流扩展层206中GaP层的蚀刻深度为0.1～1μm，蚀刻时间30S，温度20～40度，蚀刻深度为200nm。再使用HF溶液去掉SiO2层，完成电极预留孔300的制作。
然后采用磁控溅射的方式在P-GaP 电流扩展层206上蒸镀厚度为300~500nm的AZO透明导电层207，AZO透明导电层207的透过率保证在90% 以上，方块电阻在20 Ώ 以内。
3、在AZO透明导电层207上旋涂正性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影通过高速旋干机将芯片旋干、等离子打胶后，制作完成电极预留孔套刻，以保护电极预留孔300处不被粗化。
粗化的溶液可以是20～80℃的酸液也可以是碱溶，其中酸性溶液主要成分为：HCl、H2O2和水按3：1：1的体积比配比，或是几种的混合，也可以是将HCl和CH3COOH按3:1的体积比混合；碱性溶液主要成分为KOH、H2O2和水按，或是NaOH和水按2：1的体积比混合，或是几种的混合。
蚀刻时间5～300S，粗化深度为100～500nm，粗化深度不能过深，否则会影响出光效率。
通过去胶液去除表面旋涂正性光刻胶，即完成AZO粗化层208。
对P电极预留孔300外侧的AZO透明导电层207的表面进行粗化处理后，于P电极预留孔300外侧形成的AZO粗化层208的厚度为50～500nm，在AZO粗化层208与P-GaP 电流扩展层206之间的AZO透明导电层207的厚度为150～550nm。
4、将完成AZO粗化层208的芯片使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，旋涂负性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影通过高速旋干机将样品旋干、等离子打胶后，采用电子束蒸镀方式蒸镀P电极301，P电极材料为Cr、Ti、Al，厚度分别为50nm、300nm、3500nm，采用剥离的方式去除负性光刻胶。
P电极301的尺寸应小于电极预留孔300尺寸，以保证P电极301的表面平整，利于芯片焊线。
5、将制作完成P电极301的芯片贴附于研磨盘上，将背面GaAs衬底100减薄至厚度为160～200μm。
6、将减薄后的芯片片使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，采用电子束蒸镀的方式在衬底GaAs100 面制作N电极302，N电极材料为AuGe、Au，厚度分别为120nm、150nm。
7、将制作完成N面电极302的芯片置于退火炉内进行快速退火，退火温度380～580℃（本例采用450℃），退火时间5～20s（本例采用20s）。
至此，完成图案化高亮度AlGaInP发光二极管的制作。
二、产品结构特点：
如图1 、2所示，在GaAs 衬底100正面依次设置N-GaAs 缓冲层200、AlAs/AlGaAs 反射层201、N-AlGaInP 下限制层202、MQW 多量子阱有源层203、P-AlGaInP 上限制层204、P-GaInP缓冲层205、P-GaP 电流扩展层206，并在P-GaP 电流扩展层206上形成电极预留孔300，在P-GaP 电流扩展层206表面设置AZO透明导电层207，在部分AZO透明导电层207表面布置P电极301，在另一部分AZO透明导电层207表面设置AZO粗化层208。N电极302设置在GaAs 衬底100的背面。
由于电极预留孔300对GaP有破坏作用，会减少电流经电极底部注入MQW层的机率，提升电流的有效注入，本发明在P-GaP 电流扩展层206表面蒸镀形成AZO透明导电层207，AZO透明导电层207具有良好的电流扩展能力，电流通过AZO透明导电层207后注入到整个芯片表面，可提升电流的注入效率，而本发明的AZO粗化层208可以减少光子的全反射机率，提升了发光效率，从而提升AlGaInP发光二极管的亮度。
P-GaP 电流扩展层206利用SiO2作为掩膜，在P-GaP 电流扩展层206的电极下方位置将蚀刻掉厚度为0.1~1μm的GaP层，形成电极预留孔300，以保证电流经AZO透明导电层207时尽可能多地横向扩展，提升电流有效的注入效率。
以上实施例并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围情况下，还可做出同等的变化或变换。因此所有等同的技术方案也应该以属于本发明的范畴。

Claims (10)

1. 具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管，包括P电极和N电极，N电极设置在衬底背面，在衬底正面依次设置N-GaAs 缓冲层、AlAs/AlGaAs 反射层、N-AlGaInP 下限制层、MQW 多量子阱有源层、P-AlGaInP 上限制层、P-GaInP缓冲层和P-GaP 电流扩展层，其特征在于在P-GaP 电流扩展层表面设置AZO透明导电层，在部分AZO透明导电层表面布置所述P电极，在另一部分AZO透明导电层表面设置AZO粗化层。
2.根据权利要求1所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管，其特征在于所述AZO透明导电层的厚度为150～550nm。
3.根据权利要求1或2所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管，其特征在于所述AZO粗化层的厚度为50～500nm。
4.如权利要求1所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，包括通过MOCVD方法，在衬底一面依次形成N-GaAs 缓冲层、AlAs/AlGaAs 反射层、N-AlGaInP 下限制层、MQW 多量子阱有源层、P-AlGaInP 上限制层、P-GaInP缓冲层和P-GaP 电流扩展层，取得外延芯片；在外延芯片上分别制作形成P电极和N电极；
其特征在于：在外延芯片的P-GaP 电流扩展层表面制作SiO2层，在SiO2层的保护下，对P电极设置区域的P-GaP 电流扩展层进行蚀刻，形成P电极预留孔；去掉剩余的SiO2层后，在裸露的P-GaP 电流扩展层表面蒸镀形成AZO透明导电层；以酸或碱溶液为粗化液，对P电极预留孔外侧的AZO透明导电层的表面进行粗化处理；所述P电极设置在P电极预留孔内。
5.根据权利要求4所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：在外延芯片制作时形成的P-GaP 电流扩展层的厚度为2～4.5μm，对P-GaP 电流扩展层中GaP层的蚀刻深度为0.1～1μm。
6.根据权利要求4或5所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：在P-GaP 电流扩展层制作时，以镁为掺杂材料，镁掺杂浓度为8×1017cm-3～1×10 19cm-3。
7.根据权利要求4所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：对P电极预留孔外侧的AZO透明导电层的表面进行粗化处理后，于P电极预留孔外侧的AZO粗化层的厚度为50～500nm，在AZO粗化层与P-GaP 电流扩展层之间的AZO透明导电层的厚度为150～550nm。
8.根据权利要求4所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：对AZO透明导电层的表面进行粗化的深度为100～500nm。粗化深度不能过深，否则会影响出光效率。
9.根据权利要求4所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：所述粗化液温度为20～80℃。
10.根据权利要求4所述具有AZO粗化层的高亮度AlGaInP发光二极管的制造方法，其特征在于：在制作形成P电极和N电极后，将半制品置于380～580℃环境温度下退火5～20s。
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