CN1851947A - 高效高亮全反射发光二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
高效高亮全反射发光二极管及其制作方法属于半导体光电子技术领域。依次包含图形电极(517)，第一导电型欧姆接触层(304)，第一导电型电流扩展层(305)，第一导电型下限制层(306)，非掺杂的有源区(307)，第二导电型上限制层(308)，第二导电型电流扩展层(309)，第二导电型欧姆接触层(310)，介质层，金属层(506)，金属焊料层(505)，阻挡层(402)，基板衬底(401)，金属电极(518)；介质层和金属层(506)联合作为反光镜；基板衬底(401)、阻挡层(402)和金属焊料层(505)组成基板(400)。本发明解决了DBR反射率角带宽有限和外延衬底吸收光子的问题，降低热阻，适宜于在高电流密度注入下工作，提高发光效率，实现光的大功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别涉及高效高亮全反射发光二极管及制作方法，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
自从AlGaInP红色、黄色发光二极管在1990年代的早期出现，和稍后的GaN蓝色、绿色和白色发光二极管的研发，这些发光二极管已在很多高效固态照明领域上有广泛的用途，例如全色彩屏幕显示器、汽车用灯、背光源、交通信号灯、景观及日常照明等。近年来这些高效发光二极管开始取代传统的白炽灯和卤素灯，但由于其发光效率仍然不够高，不足以取代荧光灯、金属卤化物灯、高压和低压钠灯。虽然在目前单晶技术已经可以将内部量子效率(Internal quantum efficiency，ηint)提升至90％甚至是更高，外部量子效率(External quantum efficiency，ηext)却只有10％或者更低。如何进一步提高发光二极管的发光效率，将发光二极内部产生的光由各种组件结构和制作方法中提取出来，对于提高发光二极管的亮度和效率而言，是一个最主要研发重点及技术瓶颈。
如图(1)是传统的用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在GaAs衬底上外延生长的现有常规AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管100剖面结构示意图。此AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管结构包括n-GaAs衬底，n-GaAs缓冲层，n-AlInP下限制层(n-cladding layer)，非掺杂的(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P MQW有源区，p-AlInP上限制层(p-cladding layer)，p型欧姆接触层，底部平面金属接触和上表面电极。电子和空穴在在有源区复合发光，发出的光是随机取向的。对于这种结构的发光二极管来说，有几种因素限制了光的提取效率：半导体材料和其周围媒质之间折射率差偏大导致的内部反射，金属电极的遮挡，GaAs衬底吸收等。这样，有源区发出的光射向上表面的光子有一定的几率能提取出来，而向下传播的光子大部分被GaAs衬底吸收。因此，即使有很高的内部量子效率，外部量子效率也仅有4-5％。
为了提高光的提取效率，把向下传播的光子和上表面反射回半导体材料内部的光子也能大部分提取出来，减少GaAs衬底的吸收，人们在GaAs衬底和有源区之间生长了布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflectors，DBRs)，以便把背面的光反射到芯片表面。图2是一现有带有高反射率DBR的AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管200剖面结构示意图。也就是在图1结构的基础上在GaAs衬底和有源区之间生长了DBRs结构，在p型欧姆接触层下生长了电流扩展层也即窗口层来有效扩展电流。但因为实际的DBRs反射镜的反射率角带宽有限，只对接近法向入射的光反射率大，对此范围以外的光反射率急剧下降，所以不能有效的反射向吸收衬底GaAs传播的光，还是有相当部分的光被GaAs衬底吸收。
另外，因AlGaInP发光二极管的取光效率很低，大部分光子能量转换成了热量，而且GaAs衬底的热导率很低，芯片内部产生的热不能及时传导出去，导致芯片温度升高，降低内量子效率，限制了此结构的AlGaInP LED只能在小功率范围里应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效高亮全反射发光二极管及其制作方法，以解决上述问题。
本发明的技术方案参见图3-图7，其特征在于：依次包含图形电极517，第一导电型欧姆接触层304，第一导电型电流扩展层305，第一导电型下限制层306，非掺杂的有源区307，第二导电型上限制层308，第二导电型电流扩展层309，第二导电型欧姆接触层310，介质层，金属层506，金属焊料层505，阻挡层402，基板衬底401，金属电极518。其中：
介质层和金属层506联合作为反光镜；基板衬底401、阻挡层402和金属焊料层505组成基板400。
介质层为非导电透明介质层515，或介质层为导电透明介质层615。
金属层506为Au、AuBe、AuZnAu、Ag或Al。
金属焊料层505为金锡合金、金属铟、银锡合金或金属锡。
阻挡层402为Ti/TiN、Ti/Pt或Ta/TaN。
基板衬底401是重掺杂Si、GaAs、陶瓷或金属。
图形电极517为TiAu、TiAl或AuGeNi。
图形电极的图形为环形、回形、插指形、星形、米字形。
金属电极518为TiAu或AuGeNi。
本发明制作高效高亮全反射发光二极管的方法，包括发光二极管外延片及基板的制作方法，其特征在于：
1)用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片300，依次包含第一导电型衬底301，第一导电型缓冲层302，第一导电型腐蚀停层303，第一导电型欧姆接触层304，第一导电型电流扩展层305，第一导电型下限制层306，非掺杂的有源区307，第二导电型上限制层308，第二导电型电流扩展层309，第二导电型欧姆接触层310；
2)在发光二极管外延片300第二导电型欧姆接触层310上淀积介质层，当介质层为非导电透明介质层515，刻蚀出网格，当介质层为导电透明介质层615，则不刻蚀；
3)在前述介质层上淀积金属层506，金属层和介质层联合作为反光镜；
4)在基板400衬底上生长一层阻挡层402；
5)在阻挡层402上淀积金属焊料层505；
6)前述的制作好带有反光镜的外延片300以倒装方式叠置于基板上，在氮气气氛下键合；
7)去掉发光二极管外延片300第一导电型衬底301、第一导电型缓冲层302和第一导电型腐蚀停层303；
8)在发光二极管外延片300第一导电型欧姆接触层304上淀积图形电极517；
9)磨抛减薄基板400；
10)在基板400底部淀积金属电极518；
11)刻蚀解理形成管芯。
本发明的高效高亮全反射发光二极管采用以上方案后，具有以下明显效果：
(1)可极大提升取光效率。本发明的高效高亮全反射发光二极管，是在GaAs衬底外延生长常规P面向上的发光二极管外延片300基础上，制作了介质和金属反光镜的结构(对波长大于590nm的光有＞90％的反射率)，以代替现有技术的DBR反光镜，解决了DBR反光镜的角带宽有限的问题，当把其倒装在基板上，有源区发出的光从第一导电型欧姆接触层取出，而反光镜可为向下传播的光子和第一导电型欧姆接触层反射回半导体材料内部的光子提供全方位反射，大大提高了发光强度；再者去掉了吸收光子的GaAs衬底，大量的光子避免了吸收，更进一步提高了光的提取效率；又因第一导电型欧姆接触层上采用了图形电极，避开了正面电极焊盘的遮光效应，增加了取光面积，同时使电流注入更均匀，取光效率又得以大大提高。综合以上因素，与常规带有吸收衬底的AlGaInP红光发光二极管相比，本发明的发光二极管的取光效率可以提高2～3倍；与常规带有吸收衬底和DBR结构的AlGaInP红光发光二极管相比，本发明的发光二极管的取光效率可以提高1～2倍。对本发明的300×300μm的芯片(620nm)来说，20mA正向电流注入下，发光强度可达160mcd。
(2)可增大光输出功率，降低热阻和成本，提高器件可靠性。本发明的高效高亮全反射发光二极管，增加了第一导电型电流扩展层下，优化了电极图形，使得发光二极管的电流注入均匀、发光均匀、发热降低，提高发光强度，增大光输出功率；又因采用倒装结构，发光二极管可直接通过金属焊料层与基板接触，因金属焊料层是热的良导体，有很高的热导率，而基板也可采用热导率高的材料，所以可降低热阻，在高电流密度注入的情况下工作，提高器件可靠性，进一步提高发光二极管的发光效率，可实现光的大功率输出，降低成本，有益于规模化生产。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1：现有常规AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管剖面结构示意图；
图2：现有带有DBR的AlGaInP多量子阱(MQW)发光二极管剖面结构示意图；
图3：本发明高效高亮全反射发光二极管外延片300结构图；
图4：本发明高效高亮全反射发光二极管基板400示意图；
图5：本发明第一较佳具体实施例发光二极管500截面示意图；
图6：本发明第二较佳具体实施例发光二极管600截面示意图；
图7：本发明第三较佳具体实施例发光二极管700截面示意图；
图中：101为n-GaAs衬底，102为n-GaAs缓冲层，103为n-AlInP下限制层(n-cladding layer)，104为非掺杂的(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P MQW有源区，105为p-AlInP上限制层(p-cladding layer)，106为p型欧姆接触层，107为上表面电极，108为底部平面金属接触；
201为n-GaAs衬底，202为n-GaAs缓冲层，203为DBR，204为n-AlInP下限制层(n-cladding layer)，205为非掺杂的(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P MQW有源区，206为p-AlInP上限制层(p-cladding layer)，207为p-电流扩展层，208为p型欧姆接触层，209为上表面电极，210为底部平面金属接触；
301为第一导电型衬底，302为第一导电型缓冲层，303为第一导电型腐蚀停层，304为第一导电型欧姆接触层，305为第一导电型电流扩展层，306为第一导电型下限制层，307为非掺杂的有源区，308为第二导电型上限制层，309为第二导电型电流扩展层，310为第二导电型欧姆接触层；
401为基板衬底，402为阻挡层，505为金属焊料层；
515为非导电介质层，506为金属层，517为图形电极，518为金属电极；
615为导电介质层氧化铟锡(ITO)；
701为蓝宝石(Al2O3)，718为延伸金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。
图5是本发明第一较佳具体实施例的高效高亮全反射发光二极管500的截面示意图。此高效高亮全反射发光二极管结构500依次包括第一导电型欧姆接触层304，第一导电型电流扩展层305，第一导电型下限制层306，非掺杂的有源区307，第二导电型上限制层308，第二导电型电流扩展层309，第二导电型欧姆接触层310，非导电介质层515，金属层506，金属焊料层505，基板衬底(重掺杂N型单面抛光硅单晶)401，阻挡层402，图形电极517，金属电极518。其制作方法为：
1)用MOCVD外延生长发光二极管外延片300；
2)用PECVD生长技术在300第二导电型欧姆接触层上淀积非导电透明介质层、如SiO2 2000～4000；
3)用光刻技术把SiO2刻蚀出网格状，腐蚀掉网格交界处的SiO2；
4)真空热蒸发金属层如AuZnAu，金属层通过SiO2网格处的导电通路与第二导电型欧姆接触层形成欧姆接触；
5)用真空热蒸发在基板衬底生长一层阻挡层Ti；
6)在前述阻挡层上溅射形成金属焊料层如金锡合金；
7)前述的制作好带有反光镜的外延片以倒装方式叠置于前述制作好的基板上，通过石墨夹具放入合金炉在氮气气氛下键合，键合温度350～500℃，时间30分钟；
8)把300第一导电型衬底301、第一导电型缓冲层302和第一导电型腐蚀停层303用化学选择性腐蚀剂双氧水和氨水的混合溶液去掉；
9)在前述300第一导电型欧姆接触层304上真空热蒸发图形电极如AuGeNi；
10)磨抛减薄前述基板；
11)在前述基板底部真空热蒸发金属电极如TiAu，前述环形电极和层状金属电极位于基板两侧，形成上下垂直电极；
12)刻蚀解理形成300×300μm的管芯；
按本实施例做出的300×300μm芯片(620nm)，在20mA时亮度为160mcd，峰值功率效率可达21％，正向电压Vf小于2.1V。
图6是本发明第二较佳具体实施例的高效高亮全反射发光二极管600的截面示意图。高效高亮全反射发光二极管600的结构与各层材质系大致上与高效高亮全反射发光二极管500的结构与各层材质相同，但反光镜系中的介质镜用导电介质层氧化铟锡(ITO)615代替非导电介质层SiO2 515；制作方法也基本相同，但节省一步光刻网格的工艺。本实施例的300×300μm的芯片(620nm)，20mA正向电流注入下，发光强度可达165mcd。
图7是本发明第三较佳具体实施例的高效高亮全反射发光二极管700的截面示意图。高效高亮全反射发光二极管700的结构与各层材质系大致上与高效高亮全反射AlGaInP红光发光二极管500的结构与各层材质相同，但基板衬底用为蓝宝石(Al2O3)701代替重掺杂N型单面抛光硅401单晶，因蓝宝石为绝缘材料，所以用延伸金属电极718代替金属电极518，而且延伸电极718和图形电极517位于基板同一侧；制作方法基本相同。本实施例的300×300μm的芯片(620nm)，20mA正向电流注入下，发光强度可达145mcd。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离本发明范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在权利要求书的范围内。
Claims (9)
1.高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：依次包含图形电极(517)，第一导电型欧姆接触层(304)，第一导电型电流扩展层(305)，第一导电型下限制层(306)，非掺杂的有源区(307)，第二导电型上限制层(308)，第二导电型电流扩展层(309)，第二导电型欧姆接触层(310)，介质层，金属层(506)，金属焊料层(505)，阻挡层(402)，基板衬底(401)，金属电极(518)；
其中介质层和金属层(506)联合作为反光镜；基板衬底(401)、阻挡层(402)和金属焊料层(505)组成基板(400)。
2.根据权利要求1所述的高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述图形电极(517)为环形、回形、插指形、星形、米字形。
3.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的介质层为非导电透明介质层(515)，或介质层为导电透明介质层(615)。
4.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的金属层(506)为Au、AuBe、AuZnAu、Ag或Al。
5.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的金属焊料层(505)是金锡合金、金属铟、银锡合金或金属锡。
6.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的基板衬底(401)是重掺杂Si、GaAs、陶瓷或金属。
7.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的图形电极(517)是TiAu、TiAl或AuGeNi；所述的金属电极(518)是TiAu或AuGeNi。
8.根据权利要求1所述的一种高效高亮全反射发光二极管，其特征在于：所述的阻挡层(402)为Ti/TiN、Ti/Pt或Ta/TaN。
9.一种制作高效高亮全反射发光二极管的方法，包括发光二极管外延片及基板的制作方法，其特征在于：
1)用MOCVD外延生长技术在GaAs衬底上生长发光二极管外延片(300)，依次包含第一导电型衬底(301)，第一导电型缓冲层(302)，第一导电型腐蚀停层(303)，第一导电型欧姆接触层(304)，第一导电型电流扩展层(305)，第一导电型下限制层(306)，非掺杂的有源区(307)，第二导电型上限制层(308)，第二导电型电流扩展层(309)，第二导电型欧姆接触层(310)；
2)在发光二极管外延片(300)第二导电型欧姆接触层(310)上淀积介质层，当介质层为非导电透明介质层(515)，刻蚀出网格，当介质层为导电透明介质层(615)，则不刻蚀；
3)在前述介质层上淀积金属层(506)，金属层和介质层联合作为反光镜；
4)在基板(400)衬底上生长一层阻挡层(402)；
5)在阻挡层(402)上淀积金属焊料层(505)；
6)前述的制作好带有反光镜的外延片(300)以倒装方式叠置于基板上，在氮气气氛下键合；
7)去掉发光二极管外延片(300)第一导电型衬底(301)、第一导电型缓冲层(302)和第一导电型腐蚀停层(303)；
8)在发光二极管外延片(300)第一导电型欧姆接触层(304)上淀积图形电极(517)；
9)磨抛减薄基板(400)；
10)在基板(400)底部淀积金属电极(518)；
11)刻蚀解理形成管芯。
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