CN107240628B - 一种垂直结构AlGaInP基发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直结构AlGaInP基发光二极管及其制造方法，属于光电子技术领域，在衬底正面依次设置DBR层、N限制层、有源层、P限制层、电流扩展层、粗化层，在部分粗化层上设置欧姆接触层，在欧姆接触层上设置正电极；特点是述粗化层设置有若干沟槽，在沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面。本发明通过在粗化层设置沟槽，并在沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面，大大提高了粗化层的粗化面积，使外量子效应得以大幅提高，而且粗化层蚀刻出的沟槽不影响电流的横向扩展，故而实现了提高光提取率的目的。
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红光到黄绿波段，由此制成的可见光高亮度发光二极管受到广泛关注。四元系 AlGaInP红光高亮度发光二极管已大量用于户外显示、交通灯、汽车灯等许多方面。
由于GaAs 衬底晶格匹配的 AlGaInP 基材料LED 具有节能、寿命长、体积小、低电压和环保等优点，所以它将引发照明产业的革命。通过调整Al、Ga的浓度比，禁带宽度可以被调节至1.9～2.3eV之间变化，另一方面，AlGaInP基的发光二极管的波长范围几乎覆盖了550～650nm的范围，因此可以被用于红、橙和黄绿的发光二极管的制造。由于AlGaInP 基材料的折射率与空气的折射率相差很大，出光角度很小，同时又大于用于封装的材料如环氧树脂、硅胶（n ≈ 1.5），因此根据光的全反射定律可知，绝大部分光被全反射回LED 器件内部，这使得AlGaInP 基 LED 的出光效率很低。采用粗化技术，通过对出光面进行粗化，可以有效提高LED 的发光效率，事实证明，出光面的粗化面积越大，越有利于光的提取。
文献【IEEE Photonic. Technol. Lett., Vol.16, No.3, 750-752, (2004)】指出，对GaN LED 侧壁形成半圆形周期性图案，可以有效提高出光效率。
文献【Appl. Phys. Lett., Vol.63, No.16, 2174-2176, (1993)】指出，LED 表面的粗化能提高GaAs LED的外量子效应。
文献【J. Appl. Phys., vol. 93, pp. 9383–9385, 2003.】指出，对InGaN基LED通过表面的微粗化，可以有效提高出光率和改善光电性能。
在上述方法中，通过表面粗化来提高 LED 出光效率的方法已被业界广泛采用，成为 LED 行业的一种惯用技术。在 AlGaInP 基 LED 中，现有技术主要是对外延层表面和侧壁进行粗化。在中国专利申请号为 201310108349.2的文件中提出采用光刻制备掩膜图形，再利用湿法腐蚀 在 AlGaInP LED 侧壁形成周期性图形的方法。在中国专利号为201510653644.5的文件中提出了采用湿法腐蚀的方法对各颗 LED芯片外延层的四周蚀刻出至少达到 p-GaP 窗口层的切割道，再对外延层的表面和侧壁作粗化处理，以使外延层表面和侧壁都是呈粗化状的方法。
以上现有技术方法仅是LED芯片的表面上进行粗化，粗化前的表面为水平的LED粗化层，粗化后形成的粗糙不平的水平面，得到的粗化面积还是有限，所以对提高光的提取率的贡献不大，并不能达到理想的效果。
发明内容
本发明目的是提出一种可进一步增加粗化面积，提高光提取率的垂直结构AlGaInP基发光二极管。
本发明包括设置在衬底背面的背电极，在衬底正面依次设置DBR层、N限制层、有源层、P限制层、电流扩展层、粗化层，在部分粗化层上设置欧姆接触层，在欧姆接触层上设置正电极；其特征在于所述粗化层设置有若干沟槽，在沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面。
本发明通过在粗化层设置沟槽，并在沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面，大大提高了粗化层的粗化面积，使外量子效应得以大幅提高，而且粗化层蚀刻出的沟槽不影响电流的横向扩展，故而实现了提高光提取率的目的。
进一步地，为了再加大沟槽的表面积，本发明所述沟槽可以具有n个分层结构，n≥1，且沟槽的分层结构呈现台阶形貌。
所述沟槽以正电极为中心呈环绕分布。即在自正电极的俯视图观察沟槽可以是圆环形、四边形、多边形等规则或不规则的图形。
本发明另一目的是提出以上垂直结构AlGaInP基发光二极管的制备方法。
方法包括以下步骤：
1）在衬底的同一侧依次外延生长形成DBR层、N限制层、有源层、P限制层、电流扩展层、粗化层、欧姆接触层，取得外延片；
2）以外延片进行清洗、制干后，在外延片的欧姆接触层表面生长形 SiO2材料层；
3）在SiO2材料层上通过涂胶、光刻、显影制作出光刻胶图形；
4）将外延片经过BOE蚀刻，得到供需蚀刻的图形化粗化面区域；
5）对图形化粗化面区域采用湿法或干法腐蚀的方法，自SiO2材料层向下腐蚀至粗化层；
6）将处延片置于粗化液中进行腐蚀处理；
7）去除图形化粗化面区域以外的欧姆接触层上剩余的SiO2材料层后，在欧姆接触层上制作形成正电极；
8）对衬底进行减薄研磨，然后在衬底的背面制作背电极；
9）经裂片，得垂直结构AlGaInP基发光二极管；
本发明工艺特点是：所述步骤5）中，在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，且各沟槽的最大深度不大于粗化层的厚度。
本发明大多采用常规工艺，仅是在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，加大了粗化层的表面积，在此基础上再进行粗化处理，可大大提高粗化的总面积。本发明可借助现有的湿法和干法蚀刻，尤其是湿法蚀刻，可以蚀刻出不同形状的沟槽形状。本发明工艺简单，易于生产，而其效果却显著高于同类产品。
所述步骤5）腐蚀出的沟槽可以具有n个分层结构，n≥1，且沟槽的分层结构呈现台阶形貌。
为了使制得的产品中沟槽以正电极为中心呈环绕分布，经过步骤5）腐蚀后，在各剩余的SiO2材料层外周形成环绕分布的沟槽。
另外，为了利于后期制成沟槽而不会将粗化层刻穿，本发明所述步骤1）中，外延取得的粗化层的厚度为3～10μm。
附图说明
图1为实施例1制得的产品结构示意图。
图2为图1的俯向视图。
图3为实施例2制得的产品结构示意图。
图4为图3的俯向视图。
图5为实施例3制得的产品结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
1、通过有机金属气相外延法，以GaAs为衬底，在其同一侧依序生长DBR层（选用的材料为：GaAs/AlGaAs）；N限制层（选用的材料为： (AlxGa91-x))0.5In0.5P，其中，x为0至1，并以Si或Te进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e19）；有源层（选用的材料为：AlxGa(1-x)InP）；P限制层（选用的材料为：AlInP）；电流扩展层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P, 其中，x为0至1，并以Si或C进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e18）；粗化层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，），厚度为3～5μm；欧姆接触层（选用的材料为：InxGa(1-x)As，其中以Mg或C进行掺杂，掺杂浓度为：1e19～1e21），形成完整的发光二极管外延结构，取得外延片。
2、将外延片经过511和215进行清洗，然后烘烤，在欧姆接触层上通过PECVD生长厚度为200nm的SiO2层。
3、在SiO2层上通过涂胶、光刻、显影制作出光刻胶图形。
4、将制作出光刻图形的外延片经过BOE蚀刻60s，得到供需蚀刻的图形化粗化面区域。
5、对图形化粗化面区域采用湿法腐蚀的方法，自SiO2层向下腐蚀至粗化层，以使在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，并使各沟槽深度不大于粗化层的厚度。得到具有沟槽的图形化的粗化面。
经过步骤5腐蚀后，在各剩余的SiO2材料层外周形成环绕分布的沟槽。
6、将图形化的粗化面置于粗化液中进行腐蚀，以使粗化层表面（包括各沟槽的底面和侧面）都得以粗化处理，得到图形化粗化面的粗化层。
7、去除图形化粗化面区域以外的欧姆接触层上剩余的SiO2层，再按常规方法，在欧姆接触层上制作形成上电极。
8、对GaAs衬底进行研磨至设计所需的厚度，然后在GaAs衬底的背面制作背电极。
9、经切割、裂片，制得如图1所示的LED产品。
10、LED产品特点：
如图1所示，在衬底1背面设置有背电极2，在衬底1的正面依次设置有DBR层3、N限制层4、有源层5、P限制层6、电流扩展层7、粗化层8，在部分粗化层8上设置欧姆接触层9，在欧姆接触层9上设置正电极10。
粗化层8设置有若干沟槽，本例中沟槽的侧面呈曲面形，在各沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面。
如图2所示，每个沟槽11为环形，各个沟槽11以正电极10为中心呈发散形分布，并且，沟槽11的环形可以是圆环形、四边形、多边形等规则或不规则的图形。图2显示了圆环形。
实施例二：
1、通过有机金属气相外延法，在材料为GaAs的生长基板同一侧依序生长DBR层（选用的材料为：GaAs/AlGaAs）；N限制层（选用的材料为：(AlxGa91-x))0.5In0.5P，其中，x为0至1，并以Si或Te进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e19）；有源层（选用的材料为：AlxGa(1-x)InP）；P限制层（选用的材料为：AlInP）；电流扩展层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P, 其中，x为0至1，并以Si或C进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e18）；粗化层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，），厚度为5～10μm；欧姆接触层（选用的材料为：InxGa(1-x)As，其中以Mg或C进行掺杂，掺杂浓度为：1e19～1e21），形成完整的发光二极管外延结构，取得外延片。
2、将外延片经过511和215进行清洗、烘烤，在欧姆接触层上通过PECVD生长200nm的SiO2层。
3、在SiO2层上通过涂胶、光刻、显影制作出光刻胶图形。
4、将制作出光刻图形的外延片经过BOE蚀刻60秒，得到供需蚀刻的图形化粗化面区域。
5、对图形化粗化面区域采用湿法腐蚀的方法，自SiO2层向下腐蚀至粗化层，以使在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，并使各沟槽深度不大于粗化层的厚度。得到具有沟槽的图形化的粗化面。
经过步骤5腐蚀后，在各剩余的SiO2材料层外周形成环绕分布的沟槽。
6、将图形化的粗化面置于粗化液中进行腐蚀，以使粗化层表面（包括各沟槽的底面和侧面）都得以粗化处理，得到图形化粗化面的粗化层。
7、去除图形化粗化面区域以外的欧姆接触层上剩余的SiO2层，再按常规方法，在欧姆接触层上制作形成上电极。
8、对GaAs衬底进行研磨至设计所需的厚度，然后在GaAs衬底的背面制作背电极。
9、经切割、裂片，制得如图2所示的LED产品。
10、LED产品特点：
如图3所示，在衬底1背面设置有背电极2，在衬底1的正面依次设置有DBR层3、N限制层4、有源层5、P限制层6、电流扩展层7、粗化层8，在部分粗化层8上设置欧姆接触层9，在欧姆接触层9上设置正电极10。
粗化层8设置有若干沟槽，本例中沟槽的侧面呈平面形，在各沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面。
如图4所示，每个沟槽为环形，各个沟槽以正电极10为中心呈发散形分布，并且，沟槽的环形为四边环形。
实施例三：
1、通过有机金属气相外延法，在材料为GaAs的生长基板同一侧依序生长DBR层（选用的材料为：GaAs/AlGaAs）；N限制层（选用的材料为：(AlxGa91-x))0.5In0.5P，其中，x为0至1，并以Si或Te进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e19）；有源层（选用的材料为：AlxGa(1-x)InP）；P限制层（选用的材料为：AlInP）；电流扩展层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P, 其中，x为0至1，并以Si或C进行掺杂，掺杂浓度为1e17～1e18）；粗化层（选用的材料为：GaP或(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，），厚度为5～10μm；欧姆接触层（选用的材料为：InxGa(1-x)As，其中以Mg或C进行掺杂，掺杂浓度为：1e19～1e21），形成完整的发光二极管外延结构，取得外延片。
2、将外延片经过511和215进行清洗、烘烤，在欧姆接触层上通过PECVD生长200nm的SiO2层。
3、在SiO2层上通过涂胶、光刻、显影制作出光刻胶图形。
4、将制作出光刻图形的外延片经过BOE蚀刻60秒，得到供需蚀刻的图形化粗化面区域一。
5、再将具有图形化粗化面区域一的外延片进行有机清洗，通过PECVD生长200nm的SiO2层。
6、在SiO2层上通过涂胶、光刻、显影，在粗化面区域一上面制作出光刻胶图形区域二。
7、将图形化粗化面区域一和区域二，采用湿法或干法蚀刻的方法，自SiO2层向下腐蚀至粗化层，以使在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，并使各沟槽深度不大于粗化层的厚度。
得到具有台阶状沟槽的图形化的粗化面。
8、去除图形化粗化面区域以外的欧姆接触层上剩余的SiO2层，再按常规方法，在欧姆接触层上制作形成上电极。
9、对GaAs衬底进行研磨至设计所需的厚度，然后在GaAs衬底的背面制作背电极。
10、经切割、裂片，制得如图3所示的LED产品。
11、LED产品特点：
如图5所示，在衬底1背面设置有背电极2，在衬底1的正面依次设置有DBR层3、N限制层4、有源层5、P限制层6、电流扩展层7、粗化层8，在部分粗化层8上设置欧姆接触层9，在欧姆接触层9上设置正电极10。
粗化层8设置有若干沟槽，本例中各沟槽有2个台阶，在各沟槽的底面和侧面分别设置粗化的表面。
Claims (2)
1.一种垂直结构AlGaInP基发光二极管的制造方法，包括以下步骤：
1）在衬底的同一侧依次外延生长形成DBR层、N限制层、有源层、P限制层、电流扩展层、粗化层、欧姆接触层，取得外延片；外延取得的粗化层的厚度为3～10μm；
2）以外延片进行清洗、制干后，在外延片的欧姆接触层表面生长形 SiO2材料层；
3）在SiO2材料层上通过涂胶、光刻、显影制作出光刻胶图形；
4）将外延片经过BOE蚀刻，得到供蚀刻的图形化粗化面区域；
5）对图形化粗化面区域采用湿法或干法腐蚀的方法，自SiO2材料层向下腐蚀至粗化层；
6）将处延片置于粗化液中进行腐蚀处理；
7）去除图形化粗化面区域以外的欧姆接触层上剩余的SiO2材料层后，在欧姆接触层上制作形成正电极；
8）对衬底进行减薄研磨，然后在衬底的背面制作背电极；
9）经裂片，得垂直结构AlGaInP基发光二极管；
其特征在于：
所述步骤5）中，在图形化粗化面区域内蚀刻出若干沟槽，且各沟槽的最大深度不大于粗化层的厚度；所述沟槽具有n个分层结构，n≥1，且沟槽的分层结构呈现台阶形貌。
2.根据权利要求1所述垂直结构AlGaInP基发光二极管的制造方法，其特征在于：经过步骤5）腐蚀后，在各剩余的SiO2材料层外周形成环绕分布的沟槽。
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