CN106684220B - 一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构及其制备方法，该薄膜芯片包括：P电极、键合基板、键合金属层、金属反射导电层、介质层、P面接触电极、P型电流扩展层、P型限制层、P侧空间层、多量子阱发光区、N侧空间层、N型限制层、N型粗化层、N型欧姆接触层、N电极，特征是：在N型限制层和N型粗化层之间设有N型电流扩展层，N型粗化层使用的(AlxGa1‑x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.5≤x≤1，采用稀盐酸(盐酸∶水＝x∶3，1＜x＜3)腐蚀粗化，提高出光效率；N型电流扩展层所使用的(AlxGa1‑x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5，这种低铝组份的(AlxGa1‑x)0.5In0.5P材料电子迁移率高，可以提高电流扩展能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其是涉及一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管(Light-Emitting Diodes，LED)已经在很多领域被广泛应用，被公认为下一代绿色照明光源。与砷化镓衬底晶格匹配的AlGaInP材料可覆盖从560nm到650nm范围的可见光波长，是制备红色到黄绿色LED的优良材料。AlGaInP发光二极管在固态照明和显示领域中有着重要应用，例如全色彩屏幕显示器、汽车用灯、背光源、交通信号灯及日常照明灯等。
近年来，人们在AlGaInP发光二极管外延材料生长技术上取得了很大进步，其内量子效率可达到90％以上。但直接在砷化镓衬底上生长的外延材料直接在衬底制备N电极、表面制备P电极的LED芯片存在衬底吸收和全反射损耗这两大影响因素，电光转换效率很低，一般小于10％。
为降低衬底吸收、抑制全反射提高电光转换效率，一种非常有效的办法是制备薄膜芯片。其采用在砷化镓衬底上生长AlGaInP发光二极管外延材料，然后P面向下键合到硅、锗、蓝宝石等其他具有反射结构的基板上，将砷化镓衬底去除，然后制作N电极并进行表面粗化来减少光输出面的全反射损耗，这种薄膜芯片可以将LED的电光转换效率提升3～6倍，达到30～60％。
AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构业界有多方案，其典型结构如图1所示，其主要包括：键合基板100、键合金属层101、反射金属导电层102、介质层103、P面接触电极104、P型电流扩展层105、P型限制层106、P侧空间层107、多量子阱发光区108、N侧空间层109、N型限制层110、N型粗化层112、N型欧姆接触层113、N电极114、P电极115。
代表性专利有：
专利CN200410101246.4，其主要创新为P面采用银反射镜，并采用通孔P面电极和透明介质层制备高反射、低欧姆接触P面结构；
专利CN200610114080.9，其在P面使用了ITO透明导电膜，配合SixNy介质制备P面高反射率、高P面电流扩展能力结构；
专利CN200810177820.2，其在P面采用双层氧化物透明导电层中间夹带介质层，配合金属反射层制备ODR结构提高P面光反射能力；
专利201410538800.9，其通过在N面欧姆接触层上制备适合电流扩展的图形来提高N型电流扩展能力。
由于该类薄膜芯片的P面为键合面，不是最终出光面表面，因此可以使用点状或条状电极加上金属反射或金属/介质制备反射导电层进行性能提升。但在N型出光面的电流扩展提升方面，都局限于优化金属电极图形来改良，即尽量减少电极图形面积，并让N面电极均匀覆盖在上表面，电极外其他区域进行粗化处理减少全发射损耗。
AlGaInP材料铝组份越高，其腐蚀粗化越容易，因此薄膜芯片的粗化层多使用铝组份高于50％的高铝组份AlGaInP材料，但高铝组份的N型AlGaInP材料的载流子迁移率很低，因此电流扩展能力较差，为保证电流扩展良好，粗化层的厚度通常要生长5微米以上，且N电极条之间距离不能太大(通常小于80微米)，成本高且N电极遮光严重。因此，设计和制备能够兼顾表面粗化和电流扩展需求的AlGaInP薄膜芯片具有非常重要的价值。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种兼顾粗化和N面电流扩展需求的AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构。
本发明的第二个目的在于提供一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构的制备方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种AlGalnP发光二极管薄膜芯片结构，自下而上依次包括：P电极、键合基板、键合金属层、金属反射导电层、介质层、P面接触电极、P型电流扩展层、P型限制层、P侧空间层、多量子阱发光区、N侧空间层、N型限制层、N型粗化层、N型欧姆接触层、N电极，特征是：在N型限制层和N型粗化层之间设有N型电流扩展层。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的厚度为2∽4微米。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3。
N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份为0.5≤x≤1.0，厚度为0.5∽2微米，掺杂浓度为1∽4E18cm-3。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构的制备方法，包括以下步骤：
首先利用金属有机化学气相沉积技术生长包含N型电流扩展层和N型粗化层的外延材料，生长过程中，三族元素使用的原材料包括三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)，五族元素使用的原材料包括砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)，N型掺杂采用硅元素(Si)，P型掺杂使用镁元素(Mg)；生长过程是将上述原材料以气相方式送入反应室，依次在N型砷化镓衬底上逐层外延生长砷化镓缓冲层、腐蚀阻挡层、N型欧姆接触层、N型粗化层、N型电流扩展层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层，各层的材料组份、掺杂和厚度通过常规外延技术来实现，即通过控制不同元素进入反应室的流量比例和时间来调控；外延材料制备完毕后，利用金属蒸发、光刻、腐蚀、键合、合金、切割这些常规的管芯制备工艺将外延材料转移到键合基板上制备N面出光的AlGaInP发光二极管薄膜芯片。
N型粗化层的粗化腐蚀使用盐酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蚀液在30±2度下腐蚀2～4分钟。
本发明是在N型限制层和N型粗化层之间增设有N型电流扩展层，N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.5≤x≤1，使用盐酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蚀液进行粗化，提高出光效率；N型电流扩展层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5，这种低铝组份的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料电子迁移率高，可以提高电流扩展能力，从而提高LED电光转换效率。因此，本发明具有兼顾粗化和N面电流扩展需求，可大幅度提升AlGaInP发光二级管的电光转换效率。
附图说明
图1为已知典型AlGaInP发光二级管薄膜芯片的结构示意图；
图2为本发明的AlGaInP发光二极管外延材料的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图；
附图中标记说明：
图1中：100：键合基板，101：键合金属层，102：反射金属导电层，103：介质层，104：P面接触电极，105：P型电流扩展层，106：P型限制层，107：P侧空间层，108：多量子阱发光区，109：N侧空间层，110：N型限制层，112：N型粗化层，113：N型欧姆接触层，114：N电极，115：P电极；
图2中：200：砷化镓衬底，205：P型电流扩展层，206：P型限制层，207：P侧空间层，208：多量子阱发光区，209：N侧空间层，210：N型限制层，211：N型电流扩展层，212：N型粗化层，213：N型欧姆接触层，288：砷化镓缓冲层，299：腐蚀阻挡层；
图3中：300：键合基板，301：键合金属层，302：金属反射导电层，303：介质层，304：P面接触电极，305：P型电流扩展层，306：P型限制层，307：P侧空间层，308：多量子阱发光区，309：N侧空间层，310：N型限制层，311：N型电流扩展层，312：N型粗化层，313：N型欧姆接触层，314：N电极，315：P电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图2为本发明的AlGaInP发光二级管外延材料的结构示意图，自砷化镓衬底开始，自下而上依次为砷化镓衬底200、砷化镓缓冲层288、腐蚀阻挡层299、N型欧姆接触层213、N型粗化层212、N型电流扩展层211、N型限制层210、N侧空间层209、多量子阱发光区208、P侧空间层207、P型限制层206、P型电流扩展层205。
上述结构的AlGaInP发光二级管外延材料的生长过程及工艺条件如下：
A、砷化镓衬底200热处理：将砷化镓衬底200放到MOCVD设备生长室内，H2气氛下升温到700±50℃处理5∽20分钟；
B、砷化镓缓冲层288生长：将温度降低到680±40℃，然后通入TMGa和AsH3生长厚度为0.3∽1μm范围的砷化镓高温缓冲层，并利用Si作为n型掺杂，掺杂浓度为5∽20E17cm-3；
C、腐蚀阻挡层299生长：反应室温度升高到720±40℃，通入TMGa、TMIn、PH3作为反应物，生长200∽500nm厚度的Ga0.5In0.5P层，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为5∽20E17cm-3；
D、N型欧姆接触层213生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa和AsH3生长厚度为0.2∽0.6μm的砷化镓欧姆接触层，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为1∽4E18cm-3；
E、N型粗化层212生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.5∽2.0μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.5≤x≤1)粗化层，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为1∽4E18cm-3；
F、N型电流扩展层211生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为2∽4μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.1≤x≤0.5)电流扩展层，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3；
G、N型限制层210生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.3∽1μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)限制层，并利用Si作为n型掺杂元素，掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3；
H、N侧空间层209生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2∽0.5μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)空间层，非故意掺杂；
I、多量子阱发光区208生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长阱、垒分别为(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x≤0.3)、(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.4≤x≤0.6)多量子阱发光区，阱、垒单层厚度为5∽20nm，周期数为15∽40对，非故意掺杂；
J、P侧空间层207生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2∽0.5μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)空间层，非故意掺杂；
K、P型限制层206生长：反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.3∽1um的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)限制层，并利用Mg作为p型掺杂，掺杂浓度为0.5∽2E18cm-3；
L、P型电流扩展层205生长：反应室温度760±50℃下通入TMGa、PH3生长厚度为0.5∽5μm的GaP层，并利用Mg作为p型掺杂元素，掺杂浓度大于1E18cm-3；
M、外延材料生长完毕后，利用常规的管芯制备工艺(金属蒸发、光刻、腐蚀、键合、合金、切割)将外延材料转移到键合基板上制备N面出光的AlGaInP发光二极管薄膜芯片。
图3为本发明制备的AlGaInP薄膜发光二极管芯片结构的示意图，自下而上依次包括：
P电极315、键合基板300、键合金属层301、金属反射导电层302、介质层303、P面接触电极304、P型电流扩展层305、P型限制层306、P侧空间层307、多量子阱发光区308、N侧空间层309、N型限制层310、N型电流扩展层311、N型粗化层312、N型欧姆接触层313、N电极314。
键合基板300可以选择硅、锗等等可大面积、易加工的材料。
键合金属层301可以使用金、金锡合金、铟等具有良好粘附性和导电性的金属材料。
金属反射导电层302可以用金、银等对光具有良好反射能力的金属，同时为提高粘附性和稳定性，可增加Ni、Ti、Cr、Pt、W等金属薄层。
介质层303可以使用二氧化硅或氮化硅等光学介质薄膜材料。
P面接触电极304可以使用AuBe合金、Cr/Pt/Au、Ni/Ag等金属，蒸镀后通过350∽550度高温合金工艺获得良好的欧姆接触电阻。
N型粗化层312粗化腐蚀使用盐酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蚀液在30±2度下腐蚀2∽4分钟。
N电极314使用电子束蒸发蒸镀AuGeNi金属制备，可以分层蒸镀，也可以用AuGe合金加Ni薄层结构制备，蒸镀完毕用300∽500度高温合金工艺获得良好欧姆接触。
为提高芯片打线的可靠性，在P电极、N电极上分别蒸镀厚层1∽3微米Au层或者2∽15微米的Al层。
芯片制备完毕后利用切割工艺将管芯分开，按点测指标对电压、亮度、波长进行分档，分类包装后入库。
Claims (3)
1.一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构，自下而上依次包括：P电极、键合基板、键合金属层、金属反射导电层、介质层、P面接触电极、P型电流扩展层、P型限制层、P侧空间层、多量子阱发光区、N侧空间层、N型限制层、N型粗化层、N型欧姆接触层、N电极，其特征在于：在N型限制层和N型粗化层之间设有N型电流扩展层，N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5，N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的厚度为2∽4微米，N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份为0.5≤x≤1.0，厚度为0.5∽2微米，掺杂浓度为1∽4E18 cm-3。
2.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构，其特征在于：N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3。
3.根据权利要求1所述的AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构的制备方法，其特征在于：首先利用金属有机化学气相沉积技术生长包含N型电流扩展层和N型粗化层的外延材料，生长过程中，三族元素使用的原材料包括三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝，五族元素使用的原材料包括砷烷、磷烷，N型掺杂采用硅元素，P型掺杂使用镁元素；生长过程是将上述原材料以气相方式送入反应室，依次在N型砷化镓衬底上逐层外延生长砷化镓缓冲层、腐蚀阻挡层、N型欧姆接触层、N型粗化层、N型电流扩展层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层，各层的材料组份、掺杂和厚度通过常规外延技术来实现，即通过控制不同元素进入反应室的流量比例和时间来调控；外延材料制备完毕后，利用金属蒸发、光刻、腐蚀、键合、合金、切割这些常规的管芯制备工艺将外延材料转移到键合基板上制备N面出光的AlGaInP发光二极管薄膜芯片；N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.5≤x≤1，采用稀盐酸腐蚀粗化，其中：盐酸:水=x:3，1<x<3。
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