CN110718615B - 一种复合窗口层结构AlGaInP基红光LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本、低电压和光强可靠性高的倒装AlGaInP基LED芯片及其制备方法。该LED芯片由上至下依次设置n‑PAD金属电极，氧化锌基透明电极，n‑AlGaInP限制层，AlGaInP多层量子阱发光层，p‑AlGaInP限制层，p‑GaP窗口层，p‑GaP重掺接触层，氧化锌电流拓展层，键合层，衬底层，p‑PAD金属电极。本发明通过氧化锌基透明电极来代替部分GaP窗口层，实现导电和出光作用，从而减少GaP窗口层的厚度。在既不破坏外延片基本结构，不影响内外量子效率的基础上，比起常规的管芯GaP窗口层MOCVD高温工艺来说，氧化锌基透明电极的MOCVD低温生长工艺不仅节省了生长成本，并减少了高温对产品的不良影响。极大地提高了芯粒的电压稳定性、芯片成品的质量良率和芯片长期使用的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光二极管领域，主要涉及一种复合窗口层结构AlGaInP基红光LED。
背景技术
LED芯片目前以高功率、高亮度、高集成度的小尺寸LED产品为发展重点，这要求LED芯片的光萃取效率非常高，因此，开发具有大的临界出光角度，高可见光透过率、高可靠性的透明电极(TCL)，成为未来LED提高光萃取效率的发展趋势。一般而言，透明电极的选择有三个要求：良好的电导率、优异的可见光透过率和高的材料稳定性。在LED生产中，能兼顾上述三个要求的材料有三种：第一种是Ni/Au(日本日亚专利，US Pat.5,686,738)为代表的第一代透明电极，具有良好的电导率和材料稳定性，但其重大不足是可见光最大透过率不足75％；第二种是以氧化铟锡(ITO)(中国台湾工研院专利，TWPat.102019)为代表的第二代透明电极，具有良好的电导率，高的可见光透过率，但其主要缺陷是材料的可靠性差，特别是对环境中的水汽、氢离子的抵抗能力差，另外由于其材料含有稀有金属碲，具有毒性，对环境不友好和可持续发展性不好；第三种是以ZnO为代表的新一代透明电极，具有良好的电导率，极高的可见光透过率，极高的材料稳定性，且对环境友好可持续发展，代表着未来LED芯片透明电极发展的趋势。
常规的GaAs基AlGaInP发光二极管的出光层为GaP层，同时GaP层也起着欧姆接触层和电流扩展的重要作用。但是低阻、高透的GaP窗口层需要高温制备，并且它的电流扩展效果不好。国外的研究报道证明GaP窗口层要获得理想的电流扩展效果，厚度最好能达到9um，采用MOCVD设备生长这么厚的材料，不但会存在工艺上的困难，而且会使生产成本提高，同时，过厚的GaP窗口层会对器件的可靠性能带来不利的影响。氧化锌基透明电极相比GaP层具有良好的横向电流扩展性，同时具有透过率高、导电性好、耐磨损等优点，且与GaP层的欧姆接触良好。因此，氧化锌基透明电极可以被用于代替部分GaP层做LED芯片的窗口层，从而减薄窗口层的厚度，并作为提高AlGaInP基芯片亮度的透明电极材料。
发明内容
针对现在AlGaInP基LED芯片的GaP窗口层厚度过厚导致芯片的成本增加、在倒装结构中GaP窗口层过厚会吸收光子，降低LED芯片的出光效率等缺点，本发明的目的在于提供一种低成本、低电压和光强可靠性高的倒装AlGaInP基LED芯片及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，由上至下依次为n-PAD金属电极，氧化锌基透明电极，n-GaAs欧姆接触层，n-AlGaInP限制层，AlGaInP多量子阱发光层，p-AlGaInP限制层，p-GaP窗口层，p-GaP重掺接触层，氧化锌电流拓展层，键合层，衬底层，p-PAD金属电极；
所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED利用LED外延结构制备，所述LED外延结构依次为GaAs衬底层、n-GaAs缓冲层、n-GaInP腐蚀停留层、n-GaAs欧姆接触层、n-AlGaInP限制层、AlGaInP多量子阱发光层、p-AlGaInP限制层、p-GaP窗口层、p-GaP重掺接触层。
所述的LED外延结构通过本领域常规制备方法制备得到。
本发明根据氧化锌基透明电极的高透过率、低电阻率的性质，通过氧化锌基透明电极来代替部分p-GaP窗口层来实现导电作用，从而减少p-GaP窗口层的厚度。在既不破坏外延片基本结构，不影响内外量子效率的基础上，比起常规的管芯GaP窗口层MOCVD高温工艺来说，氧化锌基透明电极的MOCVD低温生长工艺不仅节省了生长成本，并减少了高温对产品的不良影响。本发明极大地提高了芯粒的电压稳定性、芯片成品的质量良率和芯片长期使用的可靠性。
优选地，所述p-GaP窗口层的厚度为0.2um-5um。
优选地，所述氧化锌基透明电极和氧化锌电流拓展层均采用MOCVD方法外延生长，生长温度为400-450℃。
优选地，所述氧化锌基透明电极和氧化锌电流拓展层均为c轴择优取向的闪锌矿结构多晶复合膜，折射率在2.0-2.5之间，对于600～640nm波长的光具有95％以上的透过率。
优选地，所述的p-GaP窗口层是采用MOCVD方法在650-830℃的条件下制备，p-GaP窗口层厚度为0.2-5um，p-GaP重掺接触层载流子浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED的制备方法，包含如下步骤：
S1.在所述LED外延结构的p-GaP重掺接触层上制备一层氧化锌电流拓展层；
S2.在氧化锌电流拓展层上溅射金属1作为键合材料，同时在重掺杂的Si衬底上溅射金属2作为键合材料，然后用真空键合仪把金属1和金属2键合在一起获得键合层；
S3.用双氧水和氨水混合形成腐蚀液去除GaAs衬底层和n-GaAs缓冲层，再用盐酸溶液漂洗去除n-GaInP腐蚀停留层，露出n-GaAs欧姆接触层，在n-GaAs欧姆接触层上生长氧化锌基透明电极，然后在氧化锌基透明电极上光刻图案，并蒸镀n-PAD金属电极后，做金属电极剥离工艺；
S4.减薄Si衬底后蒸镀p-PAD金属电极，合金后切割出相应的管芯。
优选地，所述的金属1和金属2均为Au，或者金属1和金属2是Au和In。
在所述LED外延结构的p-GaP重掺接触层上制备一层氧化锌电流拓展层的方法为：将LED外延结构放入MOCVD腔体进行外延生长，反应温度为400-450℃，反应压力为6～12Torr，生长速率为3-10nm/min；反应源以二乙基锌为锌源，去离子水为氧源，三甲基铝、三甲基铟、三乙基镓中至少一种为掺杂源。
优选地，所述p-PAD金属电极是AuGeNi/Ag/Au，合金温度是350℃-450℃，合金时间是30min-45min。
优选地，所述n-PAD金属电极是Cr/Al/Ni/Au。
本发明的有益效果：
1)在p-GaP窗口层表面上采用MOCVD技术外延生长高透低阻的氧化锌基透明电极作为电流扩展层，代替部分p-GaP窗口层功能，实现窗口层整体厚度的减薄。p-GaP窗口层的厚度减薄，可以减少光子从键合层反射到出光层时，在p-GaP窗口层内的被吸收的光子数，从而提高出光效率。
2)氧化锌透明电极的MOCVD外延温度低，温度范围为400-450℃，对比单层p-GaP窗口层结构的AlGaInP基LED大大降低生长成本。
3)氧化锌透明电极的MOCVD外延生长以廉价的水(H2O)作为氧源、二乙基锌(DEZn)为Zn源料，以三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)中的至少一种为掺杂源，适合低成本、大面积生产推广。
4)本发明提供的倒装结构AlGaInP基红光LED芯片具有高可靠性、低正向工作电压和高光萃取效率，为实现高效，低成本AlGaInP基LED芯片提供了一种有效方法和途径。
附图说明
图1为本发明复合窗口层结构AlGaInP基红光LED芯片结构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。
实施例1:
本发明倒装结构AlGaInP基红光LED芯片的具体技术方案：
金属有机化学气相沉积(MOCVD)
1)用常规制备方法制备LED外延结构，LED外延结构依次为GaAs衬底层、n-GaAs缓冲层、n-GaInP腐蚀停留层、n-GaAs欧姆接触层、n-AlGaInP限制层、AlGaInP多量子阱发光层、p-AlGaInP限制层、p-GaP窗口层、p-GaP重掺接触层；所述p-GaP窗口层是用MOCVD在650-830℃的条件下制备，p-GaP窗口层厚度为0.2um-5um，p-GaP重掺接触层的载流子浓度为1.0×1019～1.0×1020cm-3。
2)对上述LED外延结构进行清洗，然后放入MOCVD腔体，在p-GaP重掺接触层上制备氧化锌电流拓展层，制备参数如下：
A、外延生长温度为400-450℃；
B、二乙基锌为锌源，去离子水为氧源，三甲基铝、三甲基铟、三乙基镓中至少一种为掺杂源；
C、生长厚度为100-400nm；
D、反应压力为6～12Torr，生长速率为3～10nm/min。
3)在氧化锌电流拓展层上溅射金属1作为键合材料，同时在重掺杂的Si衬底片上溅射金属2作为键合材料，用真空键合仪把金属1和金属2键合在一起获得键合层；所述的金属1和金属2为Au和Au，或者是Au和In。
4)用双氧水和氨水腐蚀液去除GaAs衬底层，用盐酸溶液漂洗去除能对n-GaAs欧姆接触层形成保护的n-GaInP腐蚀停留层，在腐蚀好的n-GaAs欧姆接触层上，生长氧化锌基透明电极，然后在氧化锌基透明电极上光刻图案，并蒸镀n-PAD金属电极后，做金属电极剥离工艺；n-PAD金属电极是Cr/Al/Ni/Au。
5)减薄Si衬底后蒸镀p-PAD金属电极，并在氮气氛围中进行熔合，其金属电极是AuGeNi/Ag/Au，合金温度是350℃-450℃，时间是30min-45min。
本发明的复合窗口层结构AlGaInP基红光LED外延结构及其制作方法，具有以下有益效果：相对于传统的p-GaP窗口层，氧化锌电流扩展层的生长温度窗口为400-450℃，满足芯片需求厚度的氧化锌电流扩展层相对于传统常规使用的p-GaP窗口层的生长时间最大缩短了15分钟，生长的温度缩短超过了200℃。在MOCVD外延生长过程中能耗大幅减少，维护时安全系数提升，成本下降明显，生产成本进一步降低。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，由上至下依次为n-PAD金属电极，氧化锌基透明电极，n-GaAs欧姆接触层，n-AlGaInP限制层，AlGaInP多量子阱发光层，p-AlGaInP限制层，p-GaP窗口层，p-GaP重掺接触层，氧化锌电流拓展层，键合层，衬底层，p-PAD金属电极；
所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED利用LED外延结构制备，所述LED外延结构依次为GaAs衬底层、n-GaAs缓冲层、n-GaInP腐蚀停留层、n-GaAs欧姆接触层、n-AlGaInP限制层、AlGaInP多量子阱发光层、p-AlGaInP限制层、p-GaP窗口层、p-GaP重掺接触层；
所述的p-GaP窗口层是采用MOCVD方法在650-830℃的条件下制备，p-GaP窗口层厚度为0.2-5μm，p-GaP重掺接触层的载流子浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3；
所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED的制备方法，包含如下步骤：
S1. 在所述LED外延结构的p-GaP重掺接触层上制备一层氧化锌电流拓展层；
S2. 在氧化锌电流拓展层上溅射金属1作为键合材料，同时在重掺杂的Si衬底上溅射金属2作为键合材料，然后用真空键合仪把金属1和金属2键合在一起获得键合层；所述的金属1和金属2均为Au，或者金属1和金属2分别是Au和In；
S3. 用双氧水和氨水混合形成腐蚀液去除GaAs衬底层和n-GaAs缓冲层，再用盐酸溶液漂洗去除n-GaInP腐蚀停留层，露出n-GaAs欧姆接触层；在n-GaAs欧姆接触层上生长一层氧化锌基透明电极，然后在氧化锌基透明电极上光刻图案，并蒸镀n-PAD金属电极后，做金属电极剥离工艺；
S4. 减薄Si衬底后蒸镀p-PAD金属电极，合金后切割出相应的管芯。
2.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，所述p-GaP窗口层的厚度为0.2μm-3μm。
3.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，所述氧化锌基透明电极和氧化锌电流拓展层均采用MOCVD方法外延生长，生长温度为400-450℃。
4.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，所述氧化锌基透明电极和氧化锌电流拓展层均为c轴择优取向的闪锌矿结构多晶复合膜，折射率在2.0-2.5之间，对于600~640nm波长的光具有95%以上的透过率。
5.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，在所述LED外延结构的p-GaP重掺接触层上制备一层氧化锌电流拓展层的方法为：将LED外延结构放入MOCVD腔体进行外延生长，反应温度为400-450℃，反应压力为6～12Torr，生长速率为3-10nm/min；反应源以二乙基锌为锌源，去离子水为氧源，三甲基铝、三甲基铟、三乙基镓中至少一种为掺杂源。
6.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，所述p-PAD金属电极是AuGeNi/Ag/Au，合金温度是350℃-450℃，合金时间是30min-45min。
7.根据权利要求1所述复合窗口层结构AlGaInP基红光LED，其特征在于，所述n-PAD金属电极是Cr/Al/Ni/Au。
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