CN109873062A - 一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，是常规AlGaInP红色发光二极管的反射镜层改成复合反射镜层，复合反射镜层分成反射区、电极和粘附区，反射区由介质层和反射金属组成，介质层的介质材料的折射率在1.0‑2.5之间，电极为金属，材料和接触的半导体材料有关，对p型GaP，电极的金属材料为Au或AuZn合金或二者的叠层，或者，电极的金属材料为Ag或NiAg叠层或TiAg叠层；对n型GaAs，电极的金属材料为Ni、Au和Ge三种金属的叠层或者两种或两种以上的合金；粘附区的粘附材料为Cr、Ti、Ni、Mg、Fe以及TiW中的一种。本发明具有能提高反射镜的反射率、器件的出光效率和电光转换效率、同时保证反射镜结构具有很好的粘附性和可靠性的优点。

Description

一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构

技术领域

本发明涉及发光二极管，尤其是涉及一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构。

背景技术

与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP基材料是一种直接带隙半导体，通过调整Al和Ga的比例，禁带宽度可在1.9eV至2.3eV之间变化。AlGaInP基LED的波长范围可以覆盖550nm～650nm，在RGB三基色显示屏、交通信号灯、汽车车灯等领域有着广泛的应用前景。

AlGaInP红色发光二极管的生长是以GaAs为衬底，在GaAs衬底上依次外延生长截止层、n型GaAs欧姆接触层、n型AlGaInP主层、有源层、p型GaP主层和p型GaP欧姆接触层。

GaAs衬底对红光有吸收作用，为提高器件光效，在制造器件时，在制造过程中需要在p型GaP欧姆接触层上先制备反射镜层、阻挡层和键合层，而后再将晶圆键合至永久基板上，将生长的GaAs衬底去除，并在n型AlGaInP主层上粗化，从n面出光。

在现有的AlGaInP红色发光二极管的反射镜层制备技术中，反射镜层为介质反射层和金属反射层双层结构。首先在p型GaP欧姆接触层上制备介质反射层，成分为SiO₂或MgF₂，厚度在60-200nm，通过蒸镀或者气相沉积方法制备，在介质反射层中开孔，使金属反射层和p型GaP欧姆接触层形成欧姆接触。为保证金属反射层和介质反射层的粘附力，金属反射层为Au或AuZn合金或二者的叠层组合，在AuZn合金中，Zn的比例为1%-10%。或者，金属反射层为Au，或AuBe或二者的线性组合，在AuBe合金中，Be的比例为1%-10%。金属反射层的厚度在50 nm-300 nm之间，制备方法为蒸镀或者溅射。而反射率更高的Ag或Ag基材料则由于和介质反射层的粘附力不够，未能得到采用，因此，牺牲了反射镜层的反射率和器件的出光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高反射镜的反射率、器件的出光效率和电光转换效率、同时保证反射镜结构具有很好的粘附性和可靠性的带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，由底部至顶部的结构依次为基板背面金属层、基板、基板侧键合层、外延侧键合层、阻挡层、复合反射镜层、p型GaP欧姆接触层、p型GaP主层、有源层、n型AlGaInP主层、n型GaAs欧姆接触层和n电极；或者：由底部至顶部的结构依次为基板背面金属层、基板、基板正面接触层、键合层、阻挡层、复合反射镜层、n型GaAs欧姆接触层、n型AlGaInP主层、有源层、p型AlGaInP主层、p型GaP粗化层和p电极，其特征在于：复合反射镜层分成反射区、电极和粘附区，其中：

反射区由介质层和反射金属组成，介质层的介质材料的折射率在1.0-2.5之间，介质材料为硅的氧化物、硅的氮化物、硅的氮氧化物或镁的氟化物中的一种，厚度为10 nm-500nm，制备方法为物理或化学气相方法沉积；反射金属为Ag、Ni和Ag叠层或者Ti和Ag叠层中的一种，Ag厚度为50-500 nm，Ni厚度为0.1 nm-10 nm，Ti厚度为0.1 nm-10 nm；

电极为金属，材料和接触的半导体材料有关，对p型GaP，电极的金属材料为Au或AuZn合金或二者的叠层，AuZn合金中，Zn的比例为1%-10%；或者，电极的金属材料为Au或AuBe或二者的叠层，AuBe合金中，Be的比例为1%-10%；或者，电极的金属材料为Ag或NiAg叠层或TiAg叠层，Ag厚度为50-500 nm，Ni厚度为0.1 nm-10 nm，Ti厚度为0.1 nm-10 nm；对n型GaAs，电极的金属材料为Ni、Au和Ge三种金属的叠层或者两种或两种以上的合金，厚度为0.1μm–5μm；

粘附区的粘附材料为Cr、Ti、Ni、Mg、Fe以及TiW中的一种；TiW中，Ti比例为10%。

与复合反射镜层的反射区、电极以及粘附区相对应，将外延侧的半导体材料分为反射接触区、电极接触区以及粘附接触区；其中，反射接触区的材料为p-GaP或者n-AlGaInP，反射接触区与复合反射镜层的反射区的介质层接触，介质层之后与反射金属接触，反射金属之后与粘附区的粘附材料接触；电极接触区的材料为p-GaP或n-GaAs，电极接触区与复合反射镜层的电极接触，电极之后与反射金属接触，或电极与反射金属为同一材料，反射金属之后与粘附区的粘附材料接触；粘附接触区与复合反射镜层的粘附区接触，接触前，将粘附接触区的p型GaP欧姆接触层刻蚀完，刻蚀深度为0.01μm-3μm，露出p型AlGaInP主层，与粘附区的粘附材料形成肖特基接触；或者，通过将粘附接触区的n型GaAs欧姆接触层刻蚀完，刻蚀深度为0.01μm-3μm，露出n型AlGaInP主层，与粘附区的粘附材料形成肖特基接触。

粘附区的刻蚀宽度，比正上方的n电极或p电极的宽度宽0-20μm。

复合反射镜层中，反射区的面积占比为50%-95%；电极的面积占比为1%-50%；粘附区的面积占比为1%-50%。

现有技术因为Ag反射镜和介质层的粘附力不好，整体上舍弃了Ag反射镜，致使反射率和器件的出光效率受到制约。因此，本发明将常规AlGaInP红色发光二极管的反射镜层改成复合反射镜层，在复合反射镜层中，反射区采用NiAg或Ag或TiAg作为反射镜，以提高反射率和器件的出光效率，保证器件的反射率达到一个更高的水平；在粘附区，采用和p-AlGaInP粘附力好的材料，如Cr、Ti、Ni等材料，保证了器件的复合反射镜层的粘附力，同时利用电流阻挡原理，将粘附区的半导体层刻蚀减薄，减少电流在该区域的扩展，提高了器件的电光转换效率。

附图说明

图1为AlGaInP红色发光二极管的外延结构示意图；

图2为实施例1中外延生长的示意图；

图3为实施例1中介质层制备的示意图；

图4为实施例1中反射金属制备的示意图；

图5为实施例1中粘附材料制备的示意图；

图6为实施例1中制备完器件的示意图；

图7为实施例2中Au/AuZn/Au制备完的示意图；

图8为实施例2中反射金属制备完的示意图；

图9为实施例2中粘附材料制备完的示意图；

图10为实施例2中制备完器件的示意图；

图11为实施例3中第一次转移的示意图；

图12为实施例3中去完衬底和截止层的示意图；

图13为实施例3中电流阻挡光刻完的示意图；

图14为实施例3中欧姆接触层光刻完的示意图；

图15为实施例3中n电极光刻完的示意图；

图16为实施例3中介质层光刻完的示意图；

图17为实施例3中反射金属光刻完的示意图；

图18为实施例3中粘附材料制备完的示意图；

图19为实施例3中器件制备完的示意图；

实施例1中：100：GaAs衬底，101：GaInP腐蚀截止层，102：n型GaAs欧姆接触层，103：n型AlGaInP主层，104：有源层，105：p型AlGaInP主层，106：p型GaP欧姆接触层，1071：介质层，1072：反射金属，1073：粘附材料， 108：阻挡层，109：外延侧键合层，110：基板侧键合层，111：基板，112：背面接触层，113：n电极；

实施例2中：1074：Au/AuZn/Au层，（其他与实施例1相同）；

实施例3中：115：易去除材料，116：临时基板，117：p电极；（其他与实施例1相同）。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

1.外延生长：首先在GaAs衬底100上依次生长GaInP腐蚀截止层101、GaAs欧姆接触层102、n型AlGaInP主层103、有源层104、p型AlGaInP主层105和p型GaP欧姆接触层106，如图1所示；

2.电流阻挡光刻：将边缘和设计的n电极113正下方区域的p型GaP欧姆接触层106刻蚀，露出p型AlGaInP主层105，如图2所示，p型半导体层剩余的厚度在0.5μm-2.5μm,刻蚀后露出的 p型AlGaInP主层105掺杂浓度小于1×10 ¹⁹/cm³；

3.介质层1071制备：用等离子辅助化学气相沉积（PECVD）方法生长一层SiO₂作为复合反射镜层的介质层1071，厚度为50-500 nm；在p型GaP欧姆接触层106保留区域，将SiO₂光刻出圆孔，露出p型GaP欧姆接触层106；圆孔的直径为6-10μm，相邻圆孔的间距为25-30μm，占器件面积约8%，同时在p型GaP欧姆接触层106刻蚀的区域，将SiO₂刻蚀，如图3所示；

4.反射金属制备：用电子束蒸发方法蒸镀NiAg作为反射金属1072，Ni厚度为0.2-1nm，Ag厚度为120 -200nm；对NiAg进行合金，合金温度为350℃-450℃，时间为10s-60s；在NiAg上光刻，将p型GaP欧姆接触层106和SiO₂被刻蚀区域的NiAg腐蚀，如图4所示；

5. 粘附材料制备：用电子束蒸发方法依次蒸镀Cr/Au/Ti/Au作为粘附材料1073；Cr厚度为10 nm-100 nm，Au厚度为20-200 nm，Ti厚度为100nm-1μm，Au厚度为10nm-100nm，如图5所示；

至此，复合反射镜层制备完毕；

6、然后按照行业已有的制造工艺，依次进行阻挡层108制备，外延侧键合层109制备，在基板111的一面制备背面接触层112，在基板111的另一面制备基板侧键合层110，将外延侧键合层109与基板侧键合层进行键合，去GaAs衬底100，去GaInP腐蚀截止层101；对准窗口腐蚀，粗化保护光刻，粗化，开槽光刻和腐蚀，钝化层114生长、N电极113制备和合金，测试，切割，最后分选，如图6所示。

实施例2：

1.外延生长：首先在GaAs衬底100上依次生长GaInP腐蚀截止层101、GaAs欧姆接触层102、n型AlGaInP主层103、有源层104、p型AlGaInP主层105和p型GaP欧姆接触层106，如图1所示。

2.电流阻挡光刻：将边缘和设计的n电极113正下方区域的p型GaP欧姆接触层106刻蚀，露出p型AlGaInP主层105，刻蚀完后，p型半导体层剩余的厚度在0.5μm-2.5μm，如图2所示；

3.介质层1071制备：在p型GaP欧姆接触层106上用PECVD方法生长一层SiO₂作为复合反射镜层的介质层1071，厚度为90 nm -120 nm；在p型GaP欧姆接触层106保留区域，将SiO₂光刻出圆孔，露出p型GaP欧姆接触层106；圆孔的直径为6μm-10μm，相邻圆孔的间距为25μm-30μm，占器件面积约8%，同时在p型GaP欧姆接触层106刻蚀的区域，将SiO₂刻出条状，如图3所示；

4.电极金属制备：用热阻蒸发方法蒸镀Au/AuZn/Au层1074，其中两层Au厚度均为10nm-100nm，AuZn合金厚度为100-300 nm；对Au/AuZn/Au进行合金，合金温度为350℃-550℃，时间为1min-30 min；在Au/AuZn/Au上光刻，只保留SiO₂上圆孔处的Au/AuZn/Au，用以作欧姆接触层，如图7所示；

5.反射金属制备：用电子束蒸发方法蒸镀NiAg作为反射金属1072，Ni厚度为0.2-1nm，Ag厚度为120 -200nm；对NiAg进行合金，合金温度为350℃-450℃，时间为10 s-60 s；在NiAg上光刻，将p型GaP欧姆接触层106被刻蚀和SiO₂被腐蚀出条状的区域的NiAg腐蚀，如图8所示；

6. 粘附材料制备：用电子束蒸发方法依次蒸镀Cr/Au/Ti/Au作为粘附材料1073；Cr厚度为10 nm-100 nm，Au厚度为20-200 nm，Ti厚度为100 nm-1μm，Au厚度为10 nm-100 nm；

至此，复合反射镜层制备完毕，如图9所示；

7、然后按照行业已有的制造工艺，依次进行阻挡层108制备，外延侧键合层109制备，在基板111的一面制备背面接触层112，在基板111的另一面制备基板侧键合层110，将外延侧键合层109与基板侧键合层进行键合，去GaAs衬底100，去GaInP腐蚀截止层101；对准窗口腐蚀，粗化保护光刻，粗化，开槽光刻和腐蚀，钝化层114生长、N电极113制备和合金，测试，切割，最后分选，如图10所示。

实施例3：

1.外延生长：首先在GaAs衬底100上依次生长GaInP腐蚀截止层101、n型GaAs欧姆接触层102、n型AlGaInP主层103、有源层104、p型AlGaInP主层105和p型GaP欧姆接触层106，如图1所示；

2.第一次转移：将晶圆用蜡或其他易去除材料115，转移至临时基板116上；临时基板116为蓝宝石或硅或或其他的可提供支撑的材料，如图11所示；

3.去衬底和截止层：用NH₃.H₂O:H₂O₂=1:3或其他可以腐蚀GaAs衬底100的浓度，去除GaAs衬底100，温度为20-30℃，时间20 min-60 min；用HCl：H3PO4=2:1，去除GaInP腐蚀截止层101，温度为20-30℃，时间1 min-5 min，如图12所示；

4.对准窗口腐蚀：由于GaAs不透光，用H₃PO₄：H₂O₂：H₂0=1:2.5:20，将对准窗口处的GaAs腐蚀，用于光刻对准；

5.电流阻挡光刻：用HIO₃：HCl：H₂O 混合溶液，将器件边缘和p电极117正下方的n型GaAs欧姆接触层102刻蚀，并将n型AlGaInP主层103刻蚀减薄，湿法和干法均可刻蚀；湿法刻蚀溶液为：混合溶液中，每1000 ml H₂O中，配70ml-100ml HCl，2g-4g HIO₃；干法刻蚀气体为：HBr，BCl₃,和Cl₂,腐蚀后，p电极下方剩余的n型AlGaInP主层103厚度为0.5μm-1.5μm，如图13所示；

6. n型GaAs欧姆接触层102光刻：在n型GaAs欧姆接触层102上做光刻，保留5%-10%面积的GaAs层，用以欧姆接触，其余全部腐蚀掉，如图14所示；

7.电极金属制备：n电极113材料为Ni、AuGe合金或者Ni、Au和Ge三者叠层，Ni厚度为2nm- 50nm，AuGe合金或Au和Ge叠层厚度为50nm-3m；n电极113光刻可选用正胶腐蚀或负胶剥离；n电极113进行光刻后，仅保留GaAs上的n电极113，其余全部腐蚀掉，如图15所示。对n电极113进行合金，温度为200℃-400℃；时间为 10s-30min；

8.介质层制备：用PECVD方法生长一层SiO₂作为复合反射镜层的介质层1071，厚度为90nm -120nm；在SiO₂上光刻，露出上一步制备的n电极113；同时将边缘和p电极底下的SiO₂腐蚀，如图16所示；

9. 反射金属制备：用电子束蒸发方法蒸镀NiAg作为反射金属1072，Ni厚度为0.2-1nm，Ag厚度为120 -200nm；对NiAg进行合金，合金温度为350℃-450℃，时间为10s-60s；在NiAg上光刻，将边缘和p电极底下的NiAg腐蚀掉，如图17所示；

10.粘附材料制备：用电子束蒸发方法依次蒸镀Cr/Au/Ti/Au作为粘附材料1073；Cr厚度为10 nm-100 nm，Au厚度为20-200 nm，Ti厚度为100 nm-1μm，Au厚度为10 nm-100 nm；如图18所示；

至此，复合反射镜层制备完毕；

11.然后按照行业已有的制造工艺，依次进行阻挡层108制备，外延侧键合层109制备，在基板111的一面制备背面接触层112，在基板111的另一面制备基板侧键合层110，将外延侧键合层109与基板侧键合层进行键合，将晶圆从临时基板116上剥离；在p型GaP上进行粗化，开槽，p电极制备与合金，测试，划片，分选，如图19所示。

Claims (4)

1.一种带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，由底部至顶部的结构依次为基板背面金属层、基板、基板侧键合层、外延侧键合层、阻挡层、复合反射镜层、p型GaP欧姆接触层、p型AlGaInP主层、有源层、n型AlGaInP主层、n型GaAs欧姆接触层和n电极；或者：由底部至顶部的结构依次为基板背面金属层、基板、基板正面接触层、键合层、阻挡层、复合反射镜层、n型GaAs欧姆接触层、n型AlGaInP主层、有源层、p型AlGaInP主层、p型GaP粗化层和p电极，其特征在于：复合反射镜层分成反射区、电极和粘附区，其中：

反射区由介质层和反射金属组成，介质层的介质材料的折射率在1.0-2.5之间，介质材料为硅的氧化物、硅的氮化物、硅的氮氧化物或镁的氟化物中的一种，厚度为10 nm-500nm，制备方法为物理或化学气相方法沉积；反射金属为Ag、Ni和Ag叠层或者Ti和Ag叠层中的一种，Ag厚度为50-500 nm，Ni厚度为0.1 nm-10 nm，Ti厚度为0.1 nm-10 nm；

电极为金属，材料和接触的半导体材料有关，对p型GaP，电极的金属材料为Au或AuZn合金或二者的叠层，AuZn合金中，Zn的比例为1%-10%；或者，电极的金属材料为Au或AuBe或二者的叠层，AuBe合金中，Be的比例为1%-10%；或者，电极的金属材料为Ag或NiAg叠层或TiAg叠层，Ag厚度为50-500 nm，Ni厚度为0.1 nm-10 nm，Ti厚度为0.1 nm-10 nm；对n型GaAs，电极的金属材料为Ni、Au和Ge三种金属的叠层或者两种或两种以上的合金，厚度为0.1μm–5μm；

粘附区的粘附材料为Cr、Ti、Ni、Mg、Fe以及TiW中的一种；TiW中，Ti比例为10%。

2.根据权利要求1所述的带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，其特征在于：与复合反射镜层的反射区、电极以及粘附区相对应，将外延侧的半导体材料分为反射接触区、电极接触区以及粘附接触区；其中，反射接触区的材料为p-GaP或者n-AlGaInP，反射接触区与复合反射镜层的反射区的介质层接触，介质层之后与反射金属接触，反射金属之后与粘附区的粘附材料接触；电极接触区的材料为p-GaP或n-GaAs，电极接触区与复合反射镜层的电极接触，电极之后与反射金属接触，或电极与反射金属为同一材料，反射金属之后与粘附区的粘附材料接触；粘附接触区与复合反射镜层的粘附区接触，接触前，将粘附接触区的p型GaP欧姆接触层刻蚀完，刻蚀深度为0.01μm-3μm，露出p型AlGaInP主层，与粘附区的粘附材料形成肖特基接触；或者，通过将粘附接触区的n型GaAs欧姆接触层刻蚀完，刻蚀深度为0.01μm-3μm，露出n型AlGaInP主层，与粘附区的粘附材料形成肖特基接触。

3.根据权利要求1所述的带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，其特征在于：粘附区的刻蚀宽度，比正上方的n电极或p电极的宽度宽0-20μm。

4.根据权利要求1所述的带有复合反射镜的AlGaInP红色发光二极管器件结构，其特征在于：复合反射镜层中，反射区的面积占比为50%-95%；电极的面积占比为1%-50%；粘附区的面积占比为1%-50%。