CN107316931B - 一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片及其制造方法，自下而上依次包括：GaAs衬底、GaAs缓冲层、腐蚀阻挡层、欧姆接触层、N‑AlxGa1‑xInP第一粗化层、N‑AlxGa1‑xInP第二粗化层、下限制层、多量子阱发光区、上限制层以及电流扩展层。通过设置第二粗化层，与常规结构晶格匹配，为晶格匹配的高质量粗化层，能确保在较高的生长速度下匹配生长，且能抑制碳氧含量，提高长晶质量，保证电流扩展和光学特性，提高了器件的可靠性、稳定性。因AlxGa1‑xAs材料可高速生长，缩短倒装LED的制程时间20%‑35%，可大规模量产制成的产品，可较大地改善外量子效率，从而较大地提高产品光效，其亮度较传统结构可提升60%~80%，因此，能够大量生产高效率的倒装LED。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，具体涉及一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片及其制备方法。
背景技术
倒装芯片之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式（WireBonding）与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上，而倒装晶片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来，故称其为倒装芯片。
在芯片领域，为了避免正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率，倒装芯片技术特别是在大功率、外照明、城市亮化工程的应用市场上逐渐使用。
倒装LED芯片，通过MOCVD技术在GaAs衬底上生长GaAs基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaP传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什麼情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaAsLED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。
为提高GaAs 基LED的高温工作特性和输出效率，把正装芯片倒置，使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出(衬底最终被剥去，芯片材料是透明的)，在这种结构中，光从GaAs衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(为145W/mK)，散热效果更优；而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。
但是传统的GaAs LED倒装芯片存在亮度低、可靠性及稳定性都较差的弊端。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种有效提高长晶质量，提高LED器件可靠性和稳定性的一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片及其制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片，自下而上依次包括：GaAs衬底、GaAs缓冲层、腐蚀阻挡层、欧姆接触层、N-AlxGa1-xInP第一粗化层、N-AlxGa1-xAs第二粗化层、下限制层、多量子阱发光区、上限制层以及电流扩展层。
进一步的，GaAs缓冲层厚度为100-300nm，腐蚀阻挡层厚度为100-500nm、欧姆接触层厚度为100-500nm、N-AlxGa1-xInP第一粗化层厚度为2-5um、N-AlxGa1-xAs第二粗化层厚度为0.3-0.5um、下限制层厚度为300-1000nm、多量子阱发光区厚度为0.1-0.3um、上限制层厚度为100-500nm、电流扩展层厚度为0.5-3um。
优选的，GaAs缓冲层厚度为150nm，腐蚀阻挡层厚度为400nm、欧姆接触层厚度为150nm、N-AlxGa1-xInP第一粗化层厚度为3um、N-AlxGa1-xAs第二粗化层厚度为0.45um、下限制层厚度为500nm、多量子阱发光区厚度为0.1um、上限制层厚度为300nm、电流扩展层厚度为3um。
一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，依次包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，通入，升温至750±20℃烘烤30分钟，并通入, 去除GaAs衬底表面水、氧，完成表面热处理；
b)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，在GaAs衬底上生长厚度为100-300nm的GaAs缓冲层；
c)将MOCVD设备生长室内温度升高至750±20℃，通入TMGa、TMIn和，在GaAs缓冲层上方生长厚度为100-500nm的腐蚀阻挡层，即n型GaxIn1-xP；
d)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，停止TMIn和的通入，在腐蚀阻挡层上方生长厚度为100-500nm的GaAs欧姆接触层；
e)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入TMA1、TMGa、TMIn和，停止的通入，在欧姆接触层上生长厚度为2-5um的N-AlxGa1-xInP第一粗化层；
f)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入，停止通入TMIn和，在N-AlxGa1-xInP第一粗化层上生长厚度为0.3-0.5um的N-AlxGa1-xAs第二粗化层；
g)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在N-AlxGa1-xAs第二粗化层上生长厚度为300-1000nm的AlInP下限制层，即n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
h)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层上生长厚度为0.1um-0.3um的多量子阱发光区，即阱(AlxGa1-x)yIn1-yP/垒(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x＜y≤1)多量子阱发光区；
i)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在多量子阱发光区上生长厚度为100-500nm的AlInP上限制层，即p型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层；
j)将MOCVD设备生长室内温度提高至780±20℃，在上限制层上生长厚度为0.5-3um的电流扩展层，即p型GaP电流扩展层；
k)在电流扩展层上镀一层Al或Au或Ag，即镀一层反光金属层，利用衬底键合机将反光金属层键合在一个新的SiC或Si衬底上；
l)放入HF酸中，将步骤a)中原始GaAs衬底剥离，露出腐蚀阻挡层。
进一步的，上述步骤a)至步骤g)中MOCVD设备生长室内的压力为50-200mbar。
进一步的，步骤b)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤c)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤d)中的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/，步骤e)中的掺杂浓度为1E17-1E18个原子/,步骤f)中的AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，AlAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤h)中的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/，步骤i)中的掺杂浓度为1E17-1E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为5E18-1E20个原子/。
优选的，上述GaAs缓冲层1、N-AlxGa1-xInP第一粗化层4、N-AlxGa1-xAs第二粗化层5、AlInP下限制层6的N型掺杂源为；所述AlInP上限制层8和电流扩展层9的P型掺杂源为。
优选的，的流量为8000-50000sccm，TMGa的纯度为99.9999%，TMGa的恒温槽温度为（-5）-15℃，TMIn的纯度为99.9999%，TMIn的恒温槽温度为15-20℃，TMA1的纯度为99.9999%，TMA1的恒温槽温度为10-28℃，的纯度为99.9999%。
优选的，步骤b)中的掺杂浓度为2E18个原子/，步骤c)中的掺杂浓度为5E17个原子/，步骤d)中的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤e)中的掺杂浓度为5E17个原子/,步骤f)中AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/，AlAs的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤h)中的掺杂浓度为1.5E18个原子/，步骤i)中的掺杂浓度为5E17个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为5E19个原子/。
进一步优选的，的纯度为99.9999%，的纯度为99.9999%，的恒温槽温度为0-25℃。
本发明的有益效果是：本GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片在N-AlxGa1-xInP粗化层与AlInP上限制层8之间增加N-AlxGa1-xAs第二粗化层，此结构集AlxGa1-xInP和AlxGa1- xAs材料的优点于一体，N-AlxGa1-xInP第一粗化层晶格匹配，容易粗化，有良好的光学效果且易掺杂电流扩展效果好，能被N型重掺杂且载流子迁移率较高，电子迁移率高，而N-AlxGa1-xAs第二粗化层，与常规结构晶格匹配，为晶格匹配的高质量粗化层，能确保在较高的生长速度下匹配生长，且能抑制碳氧含量，提高长晶质量，保证电流扩展和光学特性，提高了器件的可靠性、稳定性。双粗化层结构，既能避免第一粗化层的氧化，又能提升原普通结果一层窗口层的质量不高的问题，起到增加电流扩展的良率及光学窗口层的作用。因AlxGa1-xAs 材料可高速生长，缩短倒装LED的制程时间20%-35%，可大规模量产制成的产品，可较大地改善外量子效率，从而较大地提高产品光效，其亮度较传统结构可提升60%~80%，因此，能够大量生产高效率的倒装LED。
附图说明
图1为本发明的倒装LED的层状结构示意图；
图中，1.GaAs缓冲层 2.腐蚀阻挡层 3.欧姆接触层 4.N-AlxGa1-xInP第一粗化层5. N-AlxGa1-xInP第二粗化层 6.AlInP下限制层 7.多量子阱发光区 8.AlInP上限制层 9.电流扩展层。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片，自下而上依次包括：GaAs衬底、GaAs缓冲层1、腐蚀阻挡层2、欧姆接触层3、N-AlxGa1-xInP第一粗化层4、N-AlxGa1-xAs第二粗化层5、下限制层6、多量子阱发光区7、上限制层8以及电流扩展层9。GaAs缓冲层1厚度为100-300nm，腐蚀阻挡层2厚度为100-500nm、欧姆接触层3厚度为100-500nm、N-AlxGa1-xInP第一粗化层4厚度为2-5um、N-AlxGa1-xAs第二粗化层5厚度为0.3-0.5um、下限制层6厚度为300-1000nm、多量子阱发光区7厚度为0.1-0.3um、上限制层8厚度为100-500nm、电流扩展层9厚度为0.5-3um。相对于常规的倒装LED外延片结构中，本发明的GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片在N-AlxGa1-xInP粗化层与AlInP上限制层8之间增加N-AlxGa1-xAs第二粗化层5，此结构集AlxGa1-xInP和AlxGa1-xAs材料的优点于一体，N-AlxGa1-xInP第一粗化层4晶格匹配，容易粗化，有良好的光学效果且易掺杂电流扩展效果好，能被N型重掺杂且载流子迁移率较高，电子迁移率高，而N-AlxGa1-xAs第二粗化层5，与常规结构晶格匹配，为晶格匹配的高质量粗化层，能确保在较高的生长速度下匹配生长，且能抑制碳氧含量，提高长晶质量，保证电流扩展和光学特性，提高了器件的可靠性、稳定性。双粗化层结构，既能避免第一粗化层的氧化，又能提升原普通结果一层窗口层的质量不高的问题，起到增加电流扩展的良率及光学窗口层的作用。因AlxGa1-xAs 材料可高速生长，缩短倒装LED的制程时间20%-35%，可大规模量产制成的产品，可较大地改善外量子效率，从而较大地提高产品光效，其亮度较传统结构可提升60%~80%，因此，能够大量生产高效率的倒装LED。
实施例1，GaAs缓冲层1优选的厚度为150nm，腐蚀阻挡层2优选的厚度为400nm、欧姆接触层3优选的厚度为150nm、N-AlxGa1-xInP第一粗化层4优选的厚度为3um、N-AlxGa1- xAs第二粗化层5优选的厚度为0.45um、下限制层6优选的厚度为500nm、多量子阱发光区7优选的厚度为0.1um、上限制层8优选的厚度为300nm、电流扩展层9优选的厚度为3um。
上述GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的具体制备方法如下，其依次包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，通入，升温至750±20℃烘烤30分钟，并通入, 去除GaAs衬底表面水、氧，完成表面热处理；
b)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，在GaAs衬底上生长厚度为100-300nm的GaAs缓冲层1；
c)将MOCVD设备生长室内温度升高至750±20℃，通入TMGa、TMIn和，在GaAs缓冲层1上方生长厚度为100-500nm的腐蚀阻挡层2，即n型GaxIn1-xP；
d)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，停止TMIn和的通入，在腐蚀阻挡层2上方生长厚度为100-500nm的GaAs欧姆接触层3；
e)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入TMA1、TMGa、TMIn和，停止的通入，在欧姆接触层3上生长厚度为2-5um的N-AlxGa1-xInP第一粗化层4；
f)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入，停止通入TMIn和，在N-AlxGa1-xInP第一粗化层4上生长厚度为0.3-0.5um的N-AlxGa1-xAs第二粗化层5；
g)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在N-AlxGa1-xAs第二粗化层5上生长厚度为300-1000nm的AlInP下限制层6，即n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
h)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层6上生长厚度为0.1um-0.3um的多量子阱发光区7，即阱(AlxGa1-x)yIn1-yP/垒(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x＜y≤1)多量子阱发光区；
i)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在多量子阱发光区7上生长厚度为100-500nm的AlInP上限制层8，即p型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层；
j)将MOCVD设备生长室内温度提高至780±20℃，在上限制层8上生长厚度为0.5-3um的电流扩展层9，即p型GaP电流扩展层；
k)在电流扩展层9上镀一层Al或Au或Ag，即镀一层反光金属层，利用衬底键合机将反光金属层键合在一个新的SiC或Si衬底上；
l)放入HF酸中，将步骤a)中原始GaAs衬底剥离，露出腐蚀阻挡层2。
在生长常规倒装LED结构材料N-AlxGa1-xInP第一粗化层4后，采用MOCVD技术，继续保持温度至700±20℃在高温下发生分解沉淀，形成晶格匹配的高质量的N-AlxGa1-xAs第二粗化层5，通过控制三甲基镓、三甲基铝通入的摩尔流量来控制铝Al组分x，同时，通过输入含Si元素的物质形成N型掺杂材料；在N-AlxGa1-xInP第一粗化层结束后，再保持温度在700±20℃的高温下分解沉淀形成晶格匹配的N-AlxGa1-xAs第二粗化层材料。第一粗化层晶格匹配，容易粗化，有良好的光学效果且易掺杂电流扩展效果好，第二粗化层在量产工艺中可达到较高的生长速度，提高生产效率，且晶格匹配，能很好的为后续外延生长提供好的外延界面，便于不同材料的切换，提高生产材料质量，比传统工艺提高出光效率25%以上。
实施例1
步骤a)至步骤g)中MOCVD设备生长室内的压力为50-200mbar。
实施例2
步骤b)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤c)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤d)中的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/，步骤e)中的掺杂浓度为1E17-1E18个原子/,步骤f)中的AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，AlAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/，步骤h)中的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/，步骤i)中的掺杂浓度为1E17-1E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为5E18-1E20个原子/。优选的，步骤b)中的掺杂浓度为2E18个原子/，步骤c)中的掺杂浓度为5E17个原子/，步骤d)中的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤e)中的掺杂浓度为5E17个原子/,步骤f)中AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/，AlAs的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为1E18个原子/，步骤h)中的掺杂浓度为1.5E18个原子/，步骤i)中的掺杂浓度为5E17个原子/，步骤g)中的掺杂浓度为5E19个原子/。
实施例3
GaAs缓冲层1、N-AlxGa1-xInP第一粗化层4、N-AlxGa1-xAs第二粗化层5、AlInP下限制层6的N型掺杂源为； AlInP上限制层8和电流扩展层9的P型掺杂源为。
实施例4
的流量为8000-50000sccm，TMGa的纯度为99.9999%，TMGa的恒温槽温度为（-5）-15℃，TMIn的纯度为99.9999%，TMIn的恒温槽温度为15-20℃，TMA1的纯度为99.9999%，TMA1的恒温槽温度为10-28℃，的纯度为99.9999%。的纯度为99.9999%，的纯度为99.9999%，的恒温槽温度为0-25℃。
Claims (5)
1.一种GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，通入，升温至750±20℃烘烤30分钟，并通入, 去除GaAs衬底表面水、氧，完成表面热处理；
b)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，在GaAs衬底上生长厚度为100-300nm的GaAs缓冲层（1）；
c)将MOCVD设备生长室内温度升高至750±20℃，通入TMGa、TMIn和，在GaAs缓冲层（1）上方生长厚度为100-500nm的腐蚀阻挡层（2），即n型GaxIn1-xP；
d)将MOCVD设备生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和，停止TMIn和的通入，在腐蚀阻挡层（2）上方生长厚度为100-500nm的GaAs欧姆接触层（3）；
e)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入TMA1、TMGa、TMIn和，停止的通入，在欧姆接触层（3）上生长厚度为2-5um的N-AlxGa1-xInP第一粗化层（4）；
f)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，通入，停止通入TMIn和，在N-AlxGa1-xInP第一粗化层（4）上生长厚度为0.3-0.5um的N-AlxGa1-xAs第二粗化层（5）；
g)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在N-AlxGa1-xAs第二粗化层（5）上生长厚度为300-1000nm的n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层；
h)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层（6）上生长厚度为0.1um-0.3um的多量子阱发光区（7），即阱(AlxGa1-x)yIn1-yP/垒(AlxGa1-x)yIn1-yP多量子阱发光区, 其中0≤x＜y≤1；
i)将MOCVD设备生长室内温度保持在700±20℃，在多量子阱发光区（7）上生长厚度为100-500nm的p型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层；
j)将MOCVD设备生长室内温度提高至780±20℃，在上限制层（8）上生长厚度为0.5-3um的电流扩展层（9），即p型GaP电流扩展层；
k)在电流扩展层（9）上镀一层Al或Au或Ag，即镀一层反光金属层，利用衬底键合机将反光金属层键合在一个新的SiC或Si衬底上；
l)放入HF酸中，将步骤a)中原始GaAs衬底剥离，露出腐蚀阻挡层（2）。
2.根据权利要求1所述的GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，其特征在于：所述步骤a)至步骤g)中MOCVD设备生长室内的压力为50-200mbar。
3.根据权利要求1所述的GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，其特征在于：所述GaAs缓冲层（1）、N-AlxGa1-xInP第一粗化层（4）、N-AlxGa1-xAs第二粗化层（5）、n型(AlxGa1-x)yIn1-yP下限制层的N型掺杂源为；所述p型(AlxGa1-x)yIn1-yP上限制层和电流扩展层（9）的P型掺杂源为。
4.根据权利要求1所述的GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，其特征在于：的流量为8000-50000sccm，TMGa的纯度为99.9999%，TMGa的恒温槽温度为（-5）-15℃，TMIn的纯度为99.9999%，TMIn的恒温槽温度为15-20℃，TMA1的纯度为99.9999%，TMA1的恒温槽温度为10-28℃，的纯度为99.9999%。
5.根据权利要求3所述的GaAs基粗化层结构的倒装LED外延片的制备方法，其特征在于：的纯度为99.9999%，的纯度为99.9999%，的恒温槽温度为0-25℃。
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