CN112786750A - 一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光器件领域，特指一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构及其制备方法。所述二极管结构包括：P电极、基板、键合金属层、反射金属层、高阻半导体层、P面接触电极、P型层、发光层、N型层、N型欧姆接触层、N电极。在P型层与反射金属层之间设有高阻半导体层，在N电极正下方之外区域的高阻半导体层内留有空缺，并在空缺处设有P型接触电极与P型层相连。这种结构不仅能调控电流走向，同时高阻半导体层和P型层是一体的，且反射金属层与半导体高阻层的粘附力也远高于反射金属层与介质层的粘附力，从而解决了由于介质层带来的粘附力差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其是涉及一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管(LED)被公认为新一代照明光源。与砷化镓衬底晶格匹配的AlGaInP材料可覆盖从560nm到650nm范围的可见光波长，是制备红色到黄绿色LED的优良材料。AlGaInP发光二极管在显示领域中有着重要的应用，如全色彩屏幕显示器、汽车用灯、交通信号灯等。随着InGaN基黄光LED光效的不断提升，纯LED照明光源(无荧光粉，采用多基色LED合成白光)已经达到实用化水平。在纯LED照明光源(尤其是低色温LED光源)中，红光有着不可替代的作用，需求将大幅增加。
近年来，AlGaInP发光二极管外延材料生长技术取得了很大进步，其内量子效率可达到90％以上。然而，由于砷化镓衬底吸光以及全反射损耗的缘故，不剥离砷化镓衬底的芯片结构电光转换效率很低，一般小于10％。为消除衬底吸收、减缓全反射对电光转换效率的影响，提升AlGaInP发光二极管的取光效率，人们发明了将砷化镓衬底剥离的薄膜型芯片结构。薄膜型AlGaInP发光二极管芯片制作过程为：首先在砷化镓衬底上生长AlGaInP发光二极管外延材料，之后P面向下键合到具有反射结构的硅、锗、金属或蓝宝石等基板上，将砷化镓衬底去除，然后制作N电极并进行表面粗化来减少光输出面的全反射损耗，这种薄膜型芯片结构可大幅提升AlGaInP发光二极管的电光转换效率，达到30～60%。
现有的薄膜型AlGaInP发光二极管芯片的典型结构如图1所示，其主要包括：基板、键合金属层、反射金属层、介质层、P型接触电极、P型层、发光层、N型层、N型欧姆接触层、N电极、P电极。
在现有薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构中，为了使电流不集中在N电极下方的区域(如果电流集中在此区域，则发光会被N电极遮挡和吸收，从而降低光提取效率)，在反射金属层与P型层之间引入介质层，然后在N电极正下方之外区域腐蚀掉部分介质层，并利用P型接触电极与P型层形成欧姆，这样电流主要从N电极和P型接触电极连线的区域通过，避免发光层所发光被N电极和N型欧姆接触层遮挡和吸收，从而提升光提取效率。
通常情况下，介质层的材质为SiO2，与P型层及反射金属层粘附力很差，这就造成芯片在制造、切割、分选以及使用等过程中AlGaInP发光薄膜的局部或整体脱落，从而严重影响薄膜型AlGaInP发光二极管芯片的制造良率和可靠性。换言之，现有薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构很难调和电流走向调控与芯片可靠性之间的矛盾。
为了解决上述问题，本发明提出了一种AlGaInP发光二极管新结构，将介质层去掉，代之以高阻半导体层。在正常的AlGaInP发光二极管外延材料生长后，在P型层后面紧接着生长一层高阻半导体层，以高阻半导体层结尾。在芯片制作的过程中，高阻半导体层取代现有结构中的介质层，在P型接触电极的位置腐蚀掉高阻半导体层，露出P型层，与P型接触电极形成欧姆接触。这种结构同样能起到调控电流走向，使电流主要从N电极和P型接触电极连线区域通过的作用。同时高阻半导体层和P型层是一体的，且反射金属层与半导体高阻层的粘附力也远高于反射金属层与介质层的粘附力，从而解决了由于介质层带来的粘附力差的问题，可大幅改善薄膜型AlGaInP发光二极管芯片的制造良率和可靠性。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种兼顾电流走向调控与芯片可靠性的薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构。
本发明的第二个目的在于提供一种薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构的制备方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构，自下而上依次包括：P电极、基板、键合金属层、反射金属层、高阻半导体层、P面接触电极、P型层、发光层、N型层、N型欧姆接触层、N电极，其特征在于：在P型层与反射金属层之间设有高阻半导体层，在N电极正下方之外区域的高阻半导体层内留有空缺，并在空缺处设有P型接触电极与P型层相连。
更进一步，所述设在P型层与反射金属层之间的高阻半导体层目的为阻挡空穴载流子，即空穴的高阻层，是不掺杂的半导体材料、N型掺杂半导体材料中的一种或二者的组合。
更进一步，所述高阻半导体层的组分与P型层相同或不同。
更进一步，所述基板是导电材料或是不导电材料。当所述基板为导电材料时，P电极设在基板的背面，当所述基板为不导电材料时，P电极设在基板上侧的键合金属层上。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构的制备方法，包括以下步骤：
A、提供砷化镓衬底，在所述砷化镓衬底上依次生长包括缓冲层、N型欧姆接触层、N型层、发光层、P型层和高阻半导体层在内的AlGaInP发光二极管外延薄膜；
B、在所述AlGaInP发光二极管外延薄膜上，在需要制备P面接触电极的位置利用光刻技术腐蚀掉高阻半导体层，露出P型层；
C、在露出的P型层的位置制备P面接触电极，然后依次沉积反射金属层、键合金属层；
D、提供基板，在所述基板的正面沉积键合金属层，采用晶圆热压键合方法通过AlGaInP发光二极管外延薄膜上的键合金属层和基板正面的键合金属层将AlGaInP发光二极管外延薄膜与基板绑定在一起；
E、腐蚀掉所述砷化镓衬底和缓冲层，露出N型欧姆接触层；
F、利用光刻技术腐蚀掉需制备N电极区域之外的N型欧姆接触层，然后在保留有N型欧姆接触层的区域制备N电极；
G、在N型层上形成粗化表面；
H、在所述基板背面或者键合金属层上制备P电极，得到所述薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构。
更近一步，所述AlGaInP发光二极管外延薄膜生长方法是金属有机化学气相外延和分子束外延中的一种。
本发明利用高阻半导体层取代现有结构中的介质层，在P型接触电极的位置腐蚀掉高阻半导体层，露出P型层，与P型接触电极形成欧姆接触。这种结构不仅能起到调控电流走向，使电流主要从N电极和P型接触电极连线区域通过的作用。同时高阻半导体层和P型层是一体的，且反射金属层与半导体高阻层的粘附力也远高于反射金属层与介质层的粘附力，从而解决了由于介质层带来的粘附力差的问题，可大幅改善薄膜型AlGaInP发光二极管芯片的制造良率和可靠性。
附图说明
图1为现有典型AlGaInP发光二级管薄膜芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例1的薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构示意图；
图3为本发明实施例2的薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构示意图；
图4为本发明实施例1中步骤1的结构示意图；
图5为本发明实施例1中步骤2的结构示意图；
图6为本发明实施例1中步骤3的结构示意图；
图7为本发明实施例1中步骤4的结构示意图；
图8为本发明实施例1中步骤5的结构示意图；
图9为本发明实施例1中步骤6的结构示意图；
图10为本发明实施例1中步骤7的结构示意图。
图示说明：100-基板，101-键合金属层，102-反射金属层，103-介质层，104-P面接触电极，105-P型层，106-发光层，107-N型层，108-N型欧姆接触层，109-N电极，110-P电极；200-基板，201-键合金属层，202-反射金属层，203-P面接触电极，204-高阻半导体层，205-P型层，206-发光层，207-N型层，208-N型欧姆接触层，209-N电极，210-P电极，211-缓冲层，212-砷化镓衬底电极；300-基板，301-键合金属层，302-反射金属层，303-P面接触电极，304-高阻半导体层，305-P型层，306-发光层，307-N型层，308-N型欧姆接触层，309-N电极，310-P电极；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
图2为本发明的薄膜型AlGaInP发光二级管芯片结构示意图,自下而上依次包括：P电极210、基板200、键合金属层201、反射金属层202、高阻半导体层204、P面接触电极203、P型层205、发光层206、N型层207、N型欧姆接触层208、N电极209。在P型层205与反射金属层202之间设有高阻半导体层204，在N电极209正下方之外区域的高阻半导体层内留有空缺，并在空缺处设有P型接触电极203与P型层205相连。高阻半导体层204与P型层205组分相同，但不掺杂。基板200采用导电材料，如Si、Ge、Cu等，P电极210设在基板200下侧。按照如下步骤获得：
(1)如图4所示，提供砷化镓衬212，在所述砷化镓衬底212上依次生长包括缓冲层211、N型欧姆接触层208、N型层207、发光层206、P型层205和高阻半导体层204在内的AlGaInP发光二极管外延薄膜；
(2)如图5所示，在所述AlGaInP发光二极管外延薄膜上，在需要制备P面接触电极的位置利用光刻技术腐蚀掉高阻半导体层204，露出P型层205；
(3)如图6所示，在露出的P型层205的位置制备P面接触电极203，然后依次沉积反射金属层202、键合金属层201；
(4)提供基板200，在所述基板的正面沉积键合金属层201，采用晶圆热压键合方法通过AlGaInP发光二极管外延薄膜上的键合金属层201和基板正面的键合金属层201将AlGaInP发光二极管外延薄膜与基板绑定在一起，如图7所示；
(5)腐蚀掉所述砷化镓衬底212和缓冲层211，露出N型欧姆接触层208，如图8所示；
(6)利用光刻技术腐蚀掉需制备N电极区域之外的N型欧姆接触层，然后在保留有N型欧姆接触层208的区域制备N电极209，如图9所示；
(7)在N型层207上形成粗化表面，如图10所示；
(8)在所述基板200背面制备P电极210。
经过以上步骤，最终得到如图2所示的薄膜型AlGaInP发光二极管芯片结构。
实施例2：
本发明的另一结构如图3所示，与图2中所示的结构稍有差异，主要差异在于P电极的位置。图2结构中基板为导电材质，因此P电极设在基板下侧，而图3结构中基板为不导电材质，因此P电极设在基板上侧的键合金属层上。图3为本发明的薄膜型AlGaInP发光二级管芯片结构示意图,自下而上依次包括：基板300、键合金属层301、反射金属层302、高阻半导体层304、P面接触电极303、P型层305、发光层306、N型层307、N型欧姆接触层308、N电极309以及设在键合金属层上的P电极310。在P型层305与反射金属层302之间设有高阻半导体层304，在N电极309正下方之外区域的高阻半导体层内留有空缺，并在空缺处设有P型接触电极303与P型层305相连。高阻半导体层304与P型层305组分相同，但掺N型杂质。基板采用不导电材料，如蓝宝石，P电极310设在基板300上侧的键合金属层301上。
Claims (5)
1.一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构，自下而上依次包括：P电极、基板、键合金属层、反射金属层、高阻半导体层、P面接触电极、P型层、发光层、N型层、N型欧姆接触层、N电极，其特征在于：在P型层与反射金属层之间设有高阻半导体层，在N电极正下方之外区域的高阻半导体层内留有空缺，并在空缺处设有P型接触电极与P型层相连。
2.根据权利要求书1所述的一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构，所述设在P型层与反射金属层之间的高阻半导体层目的为阻挡空穴载流子，即空穴的高阻层，是不掺杂的半导体材料、N型掺杂半导体材料中的一种或二者的组合；所述高阻半导体层的组分与P型层相同或不同。
3.根据权利要求书1或2所述的一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构，所述基板是导电材料，或不导电材料，当所述基板为导电材料时，P电极设在基板的背面，当所述基板为不导电材料时，P电极设在基板上侧的键合金属层上。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、提供砷化镓衬底，在所述砷化镓衬底上依次生长包括缓冲层、N型欧姆接触层、N型层、发光层、P型层和高阻半导体层在内的AlGaInP发光二极管外延薄膜；
B、在所述AlGaInP发光二极管外延薄膜上，在需要制备P面接触电极的位置利用光刻技术腐蚀掉高阻半导体层，露出P型层；
C、在露出的P型层的位置制备P面接触电极，然后依次沉积反射金属层、键合金属层；
D、提供基板，在所述基板的正面沉积键合金属层，采用晶圆热压键合方法通过AlGaInP发光二极管外延薄膜上的键合金属层和基板正面的键合金属层将AlGaInP发光二极管外延薄膜与基板绑定在一起；
E、腐蚀掉所述砷化镓衬底和缓冲层，露出N型欧姆接触层；
F、利用光刻技术腐蚀掉需制备N电极区域之外的N型欧姆接触层，然后在保留有N型欧姆接触层的区域制备N电极；
G、在N型层上形成粗化表面；
H、在所述基板背面或键合金属层上制备P电极。
5.根据权利要求书4所述的一种薄膜型AlGaInP发光二极管结构的制备方法，所述AlGaInP发光二极管外延薄膜生长方法是金属有机化学气相外延或者分子束外延。
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