CN107968140A - 一种红黄光发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红黄光发光二极管芯片及其制造方法，属于半导体技术领域。芯片包括N型反射层，N型反射层满足分布布拉格反射镜的反射原理，N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影重合，且N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影小于N型电流扩展层在基板上的正投影。则粗化反射层能够反射N型电极下方部分光子，反射后的部分光子再经过金属反射层反射至N型电流扩展层的未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面，此时光子即可从未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面出光，从而增加了发光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种红黄光发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
随着LED发光效率的提升，现有的LED芯片尺寸越来越小，而现有的电极的尺寸不能随之变小，因此LED出光面的电极占整个芯片的面积的比例越来越大，则电极会产生遮挡作用，导致发光层发出的大量光子至电极下方时无法出光，使得LED的出光效率降低。目前常用的方法是通过在电极正下方设置一个电流阻挡区域，阻挡电极正下方电流的传输能力，藉此提高非电极区域的电流密度，从而增加有源层的发光能力，减小电极遮光的问题。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于现有技术中的方法是通过提高LED的内量子效率，提高有源层的发光能力，但是还是无法避免电极遮光，且随着LED的亮度不断提升，电极的遮光问题越明显。
发明内容
为了解决现有技术中电极遮挡导致LED的出光效率低的问题，本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管芯片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种红黄光发光二极管芯片，所述芯片包括依次层叠的P型电极、基板、金属反射层、P型欧姆接触层、P型电流扩展层、P型限制层、有源层、N型限制层、N型电流扩展层、N型反射层、N型欧姆接触层，N型电极，
所述N型反射层为超晶格结构，所述超晶格结构包括第一子层和第二子层，所述第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，所述第一子层的厚度为50～60nm，所述第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，所述第二子层的厚度为55～65nm，所述第一子层的折射率比所述第二子层的折射率小0.1～0.2；
所述N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在所述基板上的正投影重合，且所述N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在所述基板上的正投影小于所述N型电流扩展层在所述基板上的正投影。
进一步地，所述N型反射层的周期为5～13。
进一步地，所述N型电流扩展层的靠近所述N型电极的一面上设有粗化区域，所述粗化区域位于所述N型电极在所述N型电流扩展层上的正投影之外。
另一方面，提供了一种红黄光发光二极管芯片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型腐蚀停层、N型欧姆接触层、N型反射层、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层，所述N型反射层为超晶格结构，所述超晶格结构包括第一子层和第二子层，所述第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，所述第一子层的厚度为50～60nm，所述第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，所述第二子层的厚度为55～65nm，所述第一子层的折射率比所述第二子层的折射率小0.1～0.2；
在所述P型欧姆接触层上制作金属反射层；
将所述金属反射层粘合到基板上；
依次去除所述衬底、缓冲层和N型腐蚀停层；
在所述N型欧姆接触层上制作N型电极；
去除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型欧姆接触层和所述N型反射层；
在所述基板的背向所述金属反射层的一侧面上制作P型电极。
进一步地，所述N型反射层的周期为5～13。
进一步地，所述去除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型反射层，包括：
从所述N型粗化反射层远离所述基板的一侧面向靠近所述基板的方向进行粗化处理，且粗化深度大于所述N型粗化反射层的总厚度，以去除掉除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型反射层。
进一步地，所述从所述N型反射层远离所述基板的一侧面向靠近所述基板的方向进行粗化处理，包括：
在粗化液中进行多次粗化，以使所述粗化深度大于所述N型反射层的总厚度，且在所述多次粗化中，第一次粗化的时间最长。
进一步地，所述第一次粗化的时间为1～2min。
进一步地，所述粗化液由比例为5:1的磷酸和盐酸配置。
进一步地，所述粗化深度为1.0～1.6um。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置N型反射层，N型反射层为由两个子层组成的超晶格结构，第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，厚度为50～60nm，第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，厚度为55～65nm，第一子层和第二子层的厚度是根据分布布拉格反射镜的反射原理设计的，且两者交替生长配合第一子层与第二子层的折射率差0.1-0.2，使得第一子层与第二子层满足分布布拉格反射镜(即由多层高折射率和低折射率材料交替排列组成的周期结构，且每层材料的光学厚度为中心反射波长的四分之一)的反射原理，则粗化反射层可起到反射作用，由于N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影重合，且N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影小于N型电流扩展层在基板上的正投影，则粗化反射层能够反射N型电极下方部分光子，反射后的部分光子再经过金属反射层反射至N型电流扩展层的未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面，此时光子即可从未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面出光，从而增加了发光二极管的出光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种红黄光发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种红黄光发光二极管芯片的制造方法的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管芯片，图1是本发明实施例提供的一种红黄光发光二极管外芯片的结构示意图，如图1所示，该芯片包括依次层叠的P型电极1、基板2、金属反射层3、P型欧姆接触层4、P型电流扩展层5、P型限制层6、有源层7、N型限制层8、N型电流扩展层9、N型反射层10、N型欧姆接触层11、N型电极12。
N型反射层10为超晶格结构，该超晶格结构包括第一子层101和第二子层102，第一子层101为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，第一子层101的厚度为50～60nm，第二子层102为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，第二子层102的厚度为55～65nm，第一子层101的折射率比第二子层102的折射率小0.1～0.2。
N型电极12、N型欧姆接触层11和N型反射层10在基板2上的正投影重合，且N型电极12、N型欧姆接触层11和N型反射层10在基板2上的正投影小于N型电流扩展层9在基板2上的正投影。
本发明实施例通过设置N型反射层，N型反射层为由两个子层组成的超晶格结构，第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，厚度为50～60nm，第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，厚度为55～65nm，第一子层和第二子层的厚度是根据分布布拉格反射镜的反射原理设计的，且两者交替生长配合第一子层与第二子层的折射率差0.1-0.2，使得第一子层与第二子层满足分布布拉格反射镜(即由多层高折射率和低折射率材料交替排列组成的周期结构，且每层材料的光学厚度为中心反射波长的四分之一)的反射原理，则粗化反射层可起到反射作用，由于N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影重合，且N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影小于N型电流扩展层在基板上的正投影，则粗化反射层能够反射N型电极下方部分光子，反射后的部分光子再经过金属反射层反射至N型电流扩展层的未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面，此时光子即可从未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面出光，从而增加了发光二极管的出光效率。
进一步地，N型反射层10的周期为5～13。
若N型反射层10的周期数小于5，则N型反射层9的厚度较薄，不能起到很好的反射作用，若N型反射层9的周期数大于13，则N型粗化反射层厚度越厚，需要粗化的部分就越深，而粗化反射层达到一定厚度后其反射效果不会随着厚度增加而提高，会造成浪费。
可选地，N型反射层10的载流子浓度为1E18cm-3～3E18cm-3。
进一步地，N型电流扩展层9的靠近N型电极12的一面上设有粗化区域，该粗化区域位于N型电极12在N型电流扩展层9上的正投影之外。
具体地，N型电流扩展层9上的粗化区域为均匀的小颗粒，该均匀的小颗粒有利于光子出光，以增强芯片的出光率。
在本实施例中，可以在基板2上镀金形成P型电极1、基板2可以为硅板。
实施例二
本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管芯片的制造方法，图2是本发明实施例提供的一种红黄光发光二极管芯片的制造方法的方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
实现时，该衬底可以是GaAs衬底，GaAs衬底是一种常见的衬底，也是红黄光发光二极管常用的衬底。
具体地，可以对GaAs衬底进行高温退火处理，去除GaAS衬底表面的氧化薄膜。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层为GaAs缓冲层，厚度为150～300nm。
具体地，生长GaAs缓冲层时，控制砷烷(AsH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20-30，生长速率可以控制在0.5～0.8nm/s，生长温度可以为650～670℃。
步骤203、在缓冲层上生长N型腐蚀停层。
具体地，N型GaInP腐蚀停层的厚度为200～300nm，生长N型GaInP腐蚀停层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20-30，生长速率可以控制在0.5～0.6nm/s，生长温度为650～670℃。
步骤204、在N型腐蚀停层上生长N型欧姆接触层。
具体地，N型GaAs欧姆接触层的厚度为30～60nm，生长N型GaAs欧姆接触层时，控制砷烷(AsH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20-30，生长速率可以控制在0.5～0.8nm/s，生长温度为650～670℃。
可选地，N型GaAs欧姆接触层中的载流子浓度可以为4E18cm-3～6E18cm-3。
步骤205、在N型欧姆接触层上生长N型反射层。
实现时，N型反射层为超晶格结构，超晶格结构包括第一子层和第二子层，第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，第一子层的厚度为50～60nm，第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，第二子层的厚度为55～65nm，第一子层的折射率比第二子层的折射率小0.1～0.2。
进一步地，N型反射层的周期为5～13。
若N型反射层的周期数小于5，则N型反射层的厚度较薄，不能起到很好的反射作用，若N型反射层的周期数大于13，则N型粗化反射层厚度越厚，需要粗化的部分就越深，而粗化反射层达到一定厚度后其反射效果不会随着厚度增加而提高，会造成浪费。
可选地，N型反射层的载流子浓度为1E18cm-3～3E18cm-3。
具体地，N型反射层地生长温度为670～685℃。
可选地，N型反射层的N型掺杂剂包括SiH4、Si2H6。
步骤206、在N型反射层上生长N型电流扩展层。
具体地，N型AlGaInP电流扩展层的厚度为1.5～2.5um，生长N型AlGaInP电流扩展层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20-30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度为670～685℃。
可选地，N型AlGaInP电流扩展层中的载流子浓度可以为1E18cm-3～2E18cm-3。
步骤207、在N型电流扩展层上生长N型限制层。
具体地，N型AlInP限制层的厚度为1.5～2.5um，生长N型AlInP限制层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度为670～685℃。
可选地，N型AlInP限制层中的载流子浓度可以为1E18cm-3～2E18cm-3。
步骤208、在N型限制层上生长有源层。
具体地，有源层的厚度为150～200nm，生长有源层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度为670～685℃。
步骤209、在有源层上生长P型限制层。
具体地，P型AlInP限制层的厚度为250～350nm，生长P型AlInP限制层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度为670～685℃。
可选地，P型AlInP限制层中的载流子浓度可以为7E17cm-3～9E17cm-3。
步骤210、在P型限制层上生长P型电流扩展层。
具体地，P型GaP电流扩展层的厚度为250～350nm，生长P型GaP电流扩展层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20～30，生长速率可以控制在2.5～3nm/s，生长温度为670～685℃。
可选地，P型GaP电流扩展层中的载流子浓度可以为2E18cm-3～5E18cm-3。
步骤211、在P型电流扩展层上生长P型欧姆接触层。
具体地，P型欧姆接触层为掺CBr4的GaP层，厚度为50-150nm，生长P型欧姆接触层时，控制磷烷(PH3)和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)为20～30，生长速率可以控制在2.5～3nm/s，生长温度为635～655℃。
可选地，P型GaP电流扩展层中的载流子浓度可以为3E18cm-3～6E18cm-3。
步骤212、在P型欧姆接触层上制作金属反射层。
具体地，金属反射层可以将发光二极管发出的光向出光侧反射，从而提高出光效率，使得发光二极管的亮度得到提升。
步骤213、提供一基板。
实现时，该基板可以是硅板。
步骤214、将金属反射层粘合到基板上。
通过金属反射层将外延层转移到基板上后，从而可以去除GaAs衬底，避免GaAs衬底材料对光的吸收。
步骤215、依次去除衬底、缓冲层和N型腐蚀停层。
具体地，可以通过腐蚀液将衬底、缓冲层和N型腐蚀停层依次腐蚀去除。
实现时，腐蚀液可以为双氧水和盐酸。
步骤216、在N型欧姆接触层上制作N型电极。
具体地，可以先在N型GaAs欧姆接触层上蒸镀电极材料，再在N型GaAs层表面刻蚀出欧姆接触图案，去除部分电极材料，以形成N型电极。
步骤217、去除N型欧姆接触层。
具体地，可以通过光刻的方法去除位于N型电极在基板厚度方向上的投影之外的N型欧姆接触层，从而将N型反射层露出，以便于进行粗化处理。
步骤218、粗化处理。
从N型反射层远离基板的一侧面向靠近基板的方向进行粗化处理，且粗化深度大于N型反射层的总厚度，以去除掉除N型电极下方的N型反射层。
具体地，将待粗化处理的待加工件浸入粗化液中，进行第一次粗化，以在待加工工件表面形成粗化“印记”，第一次粗化的时间为1～2min。将进行第一次粗化之后的待加工件甩干后再次浸入粗化液中，进行第二次粗化，第二次粗化的时间为0.2～1min。在完成第二次粗化后，将待加工件取出，甩干后再次侵入粗化液，以进行第三次加工，如此完成对待加工件的多次粗化。在本实施例中，粗化深度为1.0-1.6um。由于粗化过程中，无法确保一次粗化就能得到所需要的粗化深度，因此需要通过多次粗化逐渐加深粗化深度，以使粗化深度达到工艺要求。经过多次粗化后，最终在待加工件的N型AlGaInP电流扩展层表面形成均匀的小颗粒，由于N型AlGaInP电流扩展层与空气间有较大的折射率差，大部分光子从光密到光疏会发生全反射，光的提取效率低，经过粗化后N型AlGaInP电流扩展层表面变得凹凸不平，可以提高光子的出光效率。且N型反射层除电极下方外均会被粗化去除掉，只剩N型电极下方的N型反射层，该N型反射层能有效反射一定角度范围的光子。由于N型反射层中的第一子层和第二子层中的Al组分不同，因此，还可以起到引导粗化的作用。
可选地，粗化液由比例为5:1的磷酸和盐酸配置。
经过上述步骤218，N型电极下方一定角度范围内的光子即可被N型反射层反射，从而可以提高发光二极管的发光效率，并提高N型AlGaInP电流扩展层的扩展能力。
步骤219、制作P型电极。
具体地，可以在基板的背向金属反射层的一侧面上镀金，以形成P型电极。
本发明实施例通过设置N型反射层，N型反射层为由两个子层组成的超晶格结构，第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，厚度为50～60nm，第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，厚度为55～65nm，第一子层和第二子层的厚度是根据分布布拉格反射镜的反射原理设计的，且两者交替生长配合第一子层与第二子层的折射率差0.1-0.2，使得第一子层与第二子层满足分布布拉格反射镜(即由多层高折射率和低折射率材料交替排列组成的周期结构，且每层材料的光学厚度为中心反射波长的四分之一)的反射原理，则粗化反射层可起到反射作用，由于N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影重合，且N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在基板上的正投影小于N型电流扩展层在基板上的正投影，则粗化反射层能够反射N型电极下方部分光子，反射后的部分光子再经过金属反射层反射至N型电流扩展层的未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面，此时光子即可从未被N型电极遮挡的区域或LED芯片的侧面出光，从而增加了发光二极管的出光效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红黄光发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片包括依次层叠的P型电极、基板、金属反射层、P型欧姆接触层、P型电流扩展层、P型限制层、有源层、N型限制层、N型电流扩展层、N型反射层、N型欧姆接触层，N型电极，
所述N型反射层为超晶格结构，所述超晶格结构包括第一子层和第二子层，所述第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，所述第一子层的厚度为50～60nm，所述第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，所述第二子层的厚度为55～65nm，所述第一子层的折射率比所述第二子层的折射率小0.1～0.2；
所述N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在所述基板上的正投影重合，且所述N型电极、N型欧姆接触层和N型反射层在所述基板上的正投影小于所述N型电流扩展层在所述基板上的正投影。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述N型反射层的周期为5～13。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述N型电流扩展层的靠近所述N型电极的一面上设有粗化区域，所述粗化区域位于所述N型电极在所述N型电流扩展层上的正投影之外。
4.一种红黄光发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型腐蚀停层、N型欧姆接触层、N型反射层、N型电流扩展层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层，所述N型反射层为超晶格结构，所述超晶格结构包括第一子层和第二子层，所述第一子层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，0.8≤x≤1，所述第一子层的厚度为50～60nm，所述第二子层为(AlyGa1-y)0.5In0.5P层，0.4≤y≤0.6，所述第二子层的厚度为55～65nm，所述第一子层的折射率比所述第二子层的折射率小0.1～0.2；
在所述P型欧姆接触层上制作金属反射层；
将所述金属反射层粘合到基板上；
依次去除所述衬底、缓冲层和N型腐蚀停层；
在所述N型欧姆接触层上制作N型电极；
去除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型欧姆接触层和所述N型反射层；
在所述基板的背向所述金属反射层的一侧面上制作P型电极。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述N型反射层的周期为5～13。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述去除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型反射层，包括：
从所述N型粗化反射层远离所述基板的一侧面向靠近所述基板的方向进行粗化处理，且粗化深度大于所述N型粗化反射层的总厚度，以去除掉除位于所述N型电极在所述基板厚度方向上的投影之外的所述N型反射层。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述从所述N型反射层远离所述基板的一侧面向靠近所述基板的方向进行粗化处理，包括：
在粗化液中进行多次粗化，以使所述粗化深度大于所述N型反射层的总厚度，且在所述多次粗化中，第一次粗化的时间最长。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一次粗化的时间为1～2min。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述粗化液由比例为5:1的磷酸和盐酸配置。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述粗化深度为1.0～1.6um。
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