CN110767781A - 一种高亮度发光二极管及其制造方法 - Google Patents

一种高亮度发光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种高亮度发光二极管，发光二极管包括半导体衬底和发光区域，所述半导体衬底为砷化镓材质，所述发光区域依次由重掺杂GaAs接触层、AlGaInP上覆层、AlGaInP活性层、AlGaInP下覆层、AlAs蚀刻停止层和GaAs缓冲层构成，所述GaAs缓冲层接触半导体衬底。本发明实现了一种具有金属涂层反射永久衬底的发光二极管，有效可靠的保证了发光二极管的亮度。

Description

一种高亮度发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有金属涂层反射永久衬底的发光二极管(LED)技术。
背景技术
传统发光二极管的横截面图如图1所示，发光二极管100包括半导体衬底102、所述半导体衬底102后侧形成的第一欧姆接触电极101、半导体衬底102上形成的发光区域103、发光区域103上形成的第二欧姆接触电极106。发光区103由p型区和n型区组成，生长在砷化镓(GaAs)衬底102上，由于电流拥挤效应，光的发射角有限，衬底的光吸收有限，使得该发光二极管的照度不强。大部分发光区域103的晶格常数与砷化镓衬底的晶格常数相匹配，即可见光的发光二极管直接在砷化镓衬底102上制备。由于砷化镓的能隙比可见光的能隙小1.43eV，且从二极管发射的光是各向同性的，所以部分光进入衬底并被砷化镓衬底吸收，使得发光二极管的照度不强。
为了增强二极管的亮度，目前采用的方案有以下两种：
如图2所示，发光二极管200的结构是由图1所示的发光二极管100上生长的透明窗层204组成的，通过透明窗层，降低了传统发光二极管的电流拥挤效应，增加了电流的发散性。透明窗层204的合适材料有GaP、GaAsP、AlGaAs等，其能量间隙大于AlGaInP发光区域的材料，在这种情况下，可以增加发射光的临界角，降低电流拥挤效应，从而增强发光二极管的照明。在电特性方面，由于透明窗口层204的最上层和AlGaInP光发生区域上的材料具有异质结，因此，能量间隙差导致发光二极管的正向偏置电压vf增加，结果，发光二极管的功耗增加。
如图3所示，发光二极管包括半导体衬底302、在半导体衬底302上形成的下多层反射体305、在下多层反射体305上形成的生光区303、在生光区303上形成的上多层反射体304、在上多层反射体304上形成的第一欧姆接触电极306、在半导体衬底302的后侧面形成的第二欧姆接触电极301。通过半导体多层反射器，即分布式布拉格反射器(DBR)，将透射到衬底的光反向反射，使其从发光二极管发射出去，从而增加了光照。在本现有技术的发光二极管中，下一层的多层反射体305将发光区发出的90％的光反射到吸光基板上，而上一层的多层反射体将光引导到发光二极管的上表面，从而增加了光的照度。因此，衬底对光的吸收问题得到了缓解，与有限的临界角有关的问题也得到了改善，但是由于多层反射器有许多异质结，使得能隙差的影响增大，从而增加了正向偏压Vf。对于斜入射光(如图3所示的d2、d3、d4)，反射率降低，使得发光二极管在可见光波段的照明改善受到限制，而DBR结构增加了薄膜外延层生长的难度，增加了制造成本。因此，可以完全解决基体的光吸收问题，由于现有技术中公开的透明基体是由缝隙构成的，需要有一个厚的缝隙窗层来恰当地处理薄外延层。因此，去除砷化镓衬底后，由于其具有较厚的窗层，使得LED器件相对较薄，使得发光二极管更容易断裂，制造难度更大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种具有更高照度和色调的LED结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高亮度发光二极管，发光二极管包括半导体衬底和发光区域，所述半导体衬底为砷化镓材质，所述发光区域依次由重掺杂GaAs接触层、AlGaInP上覆层、AlGaInP活性层、AlGaInP下覆层、AlAs蚀刻停止层和GaAs缓冲层构成，所述GaAs缓冲层接触半导体衬底。
所述发光区域具有p/i/n结构和/或n/i/p结构，所述AlAs蚀刻停止层用作蚀刻停止层。
所述重掺杂GaAs接触层的厚度为0.1-0.3mm，所述AlGaInP上覆层的厚度为0.2-1mm，所述AlGaInP活性层的厚度为0.2-1mm，所述AlGaInP下覆层的厚度为0.2-1mm，所述AlAs蚀刻停止层的厚度为0.1mm，所述GaAs缓冲层的厚度为0.1mm。
一种制造所述高亮度发光二极管的制造方法：
1)选择临时衬底，在临时衬底上生长发光区域构成LED元件；
2)选择涂有金属反射镜的永久性衬底，并使用金属粘结剂将LED元件粘附到永久性衬底上；
3)去除临时衬底；
4)在发光区域上形成欧姆接触电极；
5)将蚀刻发光区域至露出金属结合剂。
所述3)通过机械研磨或化学蚀刻去除临时衬底。
所述5)中，如果金属结合剂的材料与金属接触电极的材料相同，则用金属结合剂替换欧姆接触电极。
所述临时衬底选用GaAs或InP，所述永久衬底选用导热系数高的材料，所述金属结合剂为金属合金。
所述蚀刻采用的蚀刻剂由盐酸和磷酸形成。
一种晶圆键合工具，所述晶圆键合工具用于键合临时衬底和永久衬底，包括不锈钢螺杆、石墨上盖、石墨柱、石墨垫片和石墨下腔，所述石墨上盖和石墨下腔两端连接并在中间构成键合腔体，所述石墨上盖上设有螺孔，所述不锈钢螺杆旋入到螺孔内并延伸至键合腔体内，所述不锈钢螺杆位于键合腔体一端与石墨柱固接，所述石墨下腔位于键合腔体内一侧固定有石墨垫片，所述石墨垫片和石墨柱用于配合夹持临时衬底和永久衬底并完成键合。
本发明的有益效果如下：
(1)采用带有反射镜的永久性基片代替传统的吸光基片(如GaAs)或有色基片(如GaP)，基片的光学性能无关，因为光在到达基片之前就被反射了，因此提高了LED的照度和色调；
(2)本发明在较低温度下(约300-450℃)热处理约5-10分钟，提供粘结能量，不影响LED原有的p-n结，且在较低温度下不发生杂质形貌的污染和再分布；
(3)本发明的键合工具的特点是用不锈钢螺钉代替石英套管，因为不锈钢的热膨胀系数大于石墨，在高温键合过程中，不锈钢对晶片施加轴向压力。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是背景技术发光二极管的横截面图；
图2是具有透明窗口层的常规发光二极管的截面图；
图3显示了一种具有传统多层反射结构的发光二极管；
图4A－4D为本发明的发光二极管的制造流程图，通过将LED元件粘接在金属涂层反射永久衬底上；
图5是本发明的一个实施例的LED元件的横截面图；
图6是本发明的LED元件贴附在带有反射镜的永久性衬底上的流程图；
图7是本发明的晶圆键合工具的横截面图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明中，首先在临时衬底上生长LED元件，该LED元件还附着于具有金属反射镜的永久衬底上。然后去除临时衬底，使发光二极管元件发出的光不被衬底吸收，以增强发出的光的照度。采用本发明技术的发光二极管元件如图5所示。
LED元件包括发光区域52和砷化镓衬底53。发光区域包括厚度为0.1-0.3mm的重掺杂GaAs接触层521、厚度为0.2-1mm的AlGaInP上覆层522、厚度为0.2-1mm的AlGaInP活性层523、厚度为0.2-1mm的AlGaInP下覆层524、厚度为0.1mm的AlAs蚀刻停止层525和GaAs缓冲层526。LED发光区域52具有p/i/n结构和或n/i/p结构。AlAs用作蚀刻停止层。
图6显示了LED元件与金属涂层反射永久性基板结合的过程流程图。需要注意的是，LED元件与金属涂层反射永久性基板结合后，临时基板就会被移除。因此，避免了对厚外延层的需求。
本发明涉及一种具有金属涂层反射永久衬底的LED元件的制造工艺，包括以下步骤:
(A)选择临时衬底42，在临时衬底42上生长发光区域41，用于形成如图4A所示的LED元件；
(B)选择涂有金属反射镜43的永久性衬底44，并使用金属粘结剂将LED元件粘附到永久性衬底44上，如图4B所示；
(C)通过机械研磨或化学蚀刻去除临时衬底42，如图4C所示；
(D)制造具有永久性衬底的平面LED元件；
(E)在平面LED元件上形成欧姆接触电极411和412，如图4D所示；
(F)将发光区域蚀刻到金属结合剂上，如果金属结合剂的材料与金属接触电极411的材料相同，如金与铍合金(AuBe)，则用金属结合剂替换欧姆接触电极411。
临时衬底42选用GaAs或InP，永久衬底44选用导热系数高的材料，如Si、GaAs和Al2O3。SiC、GaP、BN、AlN、玻璃、石英或金属也可作为永久衬底44。永久衬底44的光学性能无关，因为光在到达基板之前会被反射。金属结合剂为碘酒、锡(Sn)、铝(Al)、金(Pt)、铂(钛)、锌(Ti)、锌(n)、银(Ag)、钯(Pd)、金铍(AuBe)、金锗镍(AuGeNi)、铅锡(Pb-Sn)合金等。
蚀刻剂由盐酸和磷酸形成，LED元件可有p/n结或n/p结，发光区域与衬底之间形成如图5所示的蚀刻停止层525，以便有效去除衬底。蚀刻停止层的材料主要是由抵抗所述衬底的蚀刻溶液的材料形成的，与所述衬底的材料不同。
制造发光二极管的技术细节如下:(1)将LED元件(临时衬底42、发光区域41)与永久衬底44粘结前，先对永久衬底44进行清洗，将永久衬底44放入丙酮中，用超声波清洗机清洗5分钟，去除永久衬底44上的灰尘。如果永久衬底不是由任何金属或合金制成，则用硫酸在90-100℃的温度下清洗。用约10分钟的时间去除永久衬底44上的有机物或重金属。金属反射镜(金属粘结剂)43是通过热或电子枪蒸发沉积的，该金属同时作为粘结层和镜面。本发明的一个实施例中，LED元件的详细结构如图5所示。
(2)在将LED元件粘接到永久衬底上之前，首先需要清洁LED元件表面的污染物，将LED元件放入丙酮中，然后用超声清洁器清洁5分钟以去除灰尘，然后用缓冲HF去除LED元件表面的氧化层。
(3)清洗后的LED元件在空气或酒精中与涂有金属结合剂43的永久衬底44结合，结构如图4A所示。然后将LED元件和永久衬底44放入如图7所示的晶圆结合工具中。
(4)将LED元件临时衬底42、发光区域41和涂有金属结合剂43的永久衬底44在300-450℃的温度下热处理约5-10分钟，然后自然冷却，结构如图4B所示。
(5)使用蚀刻剂(NH40H:OH2O2)进行机械研磨或化学蚀刻，从加工样品(LED元件和涂有金属结合剂43的永久基体)中去除临时GaAs基体42，结构如图4C所示。
(6)LED元件的p/n区域采用选择性蚀刻工艺制版，即HCl:H3PO4蚀刻p型AlGaInP或n型AlGaInP，结构如图4D所示。
(7)形成平面电极411和412，即p型AlGaInP或n型AlGaInP的欧姆接触电极。
图6所示为LED元件与永久衬底结合的流程图，首先清洗永久衬底(步骤61)。然后，清洗LED晶圆(步骤62)。接下来，使用热镀膜机或电子枪(步骤63)蒸发金属粘合剂43并涂覆在永久衬底上。LED元件在水、空气或酒精中与永久衬底结合(步骤64)。将键合结构(晶圆对)置于晶圆键合工具中并进行热加工(步骤65)，将GaAs临时衬底从晶圆对中移除，然后蚀刻成平面LED元件(步骤66)。
本发明的晶圆键合工具的横截面图如图7所示，该晶圆键合工具包括不锈钢螺杆71、石墨上盖72、石墨柱73、石墨垫片75和石墨下腔76。其中夹紧一个晶圆对(即永久基片和LED晶圆片)74，由于该晶圆键合工具中两种材料热膨胀系数不同，将晶圆对的两片压紧，使其在较高的温度下熔合。本发明的键合工具的特点是用不锈钢螺钉代替石英套管，因为不锈钢的热膨胀系数大于石墨，在高温键合过程中，不锈钢对晶片施加轴向压力。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高亮度发光二极管，发光二极管包括半导体衬底和发光区域，所述半导体衬底为砷化镓材质，其特征在于：所述发光区域依次由重掺杂GaAs接触层、AlGaInP上覆层、AlGaInP活性层、AlGaInP下覆层、AlAs蚀刻停止层和GaAs缓冲层构成，所述GaAs缓冲层接触半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述发光区域具有p/i/n结构和/或n/i/p结构，所述AlAs蚀刻停止层用作蚀刻停止层。
3.根据权利要求2所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述重掺杂GaAs接触层的厚度为0.1-0.3mm，所述AlGaInP上覆层的厚度为0.2-1mm，所述AlGaInP活性层的厚度为0.2-1mm，所述AlGaInP下覆层的厚度为0.2-1mm，所述AlAs蚀刻停止层的厚度为0.1mm，所述GaAs缓冲层的厚度为0.1mm。
4.一种制造如权利要求1-3中任一所述高亮度发光二极管的制造方法，其特征在于：
1)选择临时衬底，在临时衬底上生长发光区域构成LED元件；
2)选择涂有金属反射镜的永久性衬底，并使用金属粘结剂将LED元件粘附到永久性衬底上；
3)去除临时衬底；
4)在发光区域上形成欧姆接触电极；
5)将蚀刻发光区域至露出金属结合剂。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述3)通过机械研磨或化学蚀刻去除临时衬底。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述5)中，如果金属结合剂的材料与金属接触电极的材料相同，则用金属结合剂替换欧姆接触电极。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述临时衬底选用GaAs或InP，所述永久衬底选用导热系数高的材料，所述金属结合剂为金属合金。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述蚀刻采用的蚀刻剂由盐酸和磷酸形成。
9.一种晶圆键合工具，所述晶圆键合工具用于键合临时衬底和永久衬底，其特征在于：包括不锈钢螺杆、石墨上盖、石墨柱、石墨垫片和石墨下腔，所述石墨上盖和石墨下腔两端连接并在中间构成键合腔体，所述石墨上盖上设有螺孔，所述不锈钢螺杆旋入到螺孔内并延伸至键合腔体内，所述不锈钢螺杆位于键合腔体一端与石墨柱固接，所述石墨下腔位于键合腔体内一侧固定有石墨垫片，所述石墨垫片和石墨柱用于配合夹持临时衬底和永久衬底并完成键合。
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