一種倒梯形微結構高亮度發光二極體及其製作方法
2023-07-21 16:08:16 1
專利名稱：一種倒梯形微結構高亮度發光二極體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子半導體，特別是一種倒梯形微結構高亮度發光二極體及 其製作方法。
背景技術：
發光二極體(Light Emitting Diode， LED)是一種冷光發光組件，發光二 極管的優點在於體積小、壽命長、驅動電壓低、反應速率快、耐震性特佳，能 夠配合各種應用設備的輕、薄、及小型化的需求，因而廣泛應用於照明、數碼 顯示等領域。以磷化鋁鎵銦(AlGalnP)發光二極體為例，磷化鋁鎵銦為一四元 素化合物半導體材料，適合用於製造高亮度紅、橙、黃、及黃綠光發光二極體， 其擁有高發光效率、並生長在與其晶格匹配的砷化鎵(GaAs)襯底上。然而， 由於砷化鎵襯底具有吸光性，因此會吸收磷化鋁鎵銦發出的可見光，且其熱傳 導性較差，因此限制了其在大電流工作時的發光效率。
如圖1是傳統的用金屬有機化合物氣相沉積(M0CVD)技術在GaAs襯底上 外延生長的現有常規AlGalnP多量子阱(MQW)發光二極體100剖面結構示意圖。 此AlGalnP多量子阱(MQW)發光二極體結構包括n-GaAs襯底101， n-GaAs緩 衝層102， n-AlInP下限制層(n-cladding layer) 103，非摻雜的(Al。.15Ga。85) 0.5In0.5P MQW有源區104， p-AllnP上限制層(p-cladding layer) 105， p型歐 姆接觸層106，底部平面金屬接觸108和上表面電極107。電子和空穴在有源區 複合發光，發出的光是隨機取向的。對於這種結構的發光二極體來說，有幾種
因素限制了光的提取效率半導體材料和其周圍煤質之間折射率差偏大導致的
內部反射，金屬電極的遮擋，GaAs襯底吸收等。這樣，有源區發出的光射向上 表面的光子有一定的機率能提取出來，而向下傳播的光子大部分被GaAs襯底吸 收。因此，即使有很高的內部量子效率，外部量子效率也僅有4 5%。
為了提高光的提取效率，把向下傳播的光子和上表面反射回半導體材料內 部的光子也能大部分提取出來，減少GaAs襯底的吸收，人們在GaAs襯底和有 源區之間生長了布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflectors, DBRs)，以便 把背面的光反射到晶片表面。圖2是一現有帶有高反射率DBR的AlGalnP多量 子阱(MQW)發光二極體200剖面結構示意圖。此AlGalnP多量子阱(MQW)發 光二極體結構包括n-GaAs襯底201 ， n-GaAs緩衝層202， DBRs結構層203， n-AllnP 下限制層(n-cladding layer) 204，非摻雜的(Al。.15Ga。.85) 。.5InQ5P MQW有源區 205， p-AlInP上限制層(p-cladding layer) 206， p型電流擴展層207， p型 歐姆接觸層208，底部平面金屬接觸210和上表面電極209。
也就是在圖1結構的基礎上在GaAs襯底和有源區之間生長了 DBRs結構， 在P型歐姆接觸層下生長了電流擴展層也即窗口層來有效擴展電流，但因為實 際的DBRs反射鏡的反射率角帶寬有限，只對接近法向入射的光反射率大，對此 範圍以外的光反射率急劇下降，所以不能有效的反射向吸收襯底GaAs傳播的光， 還是有相當部分的光被GaAs襯底吸收。
發明內容
本發明旨在提出一種倒梯形微結構高亮度發光二極體及其製作方法，以提 高發光二極體晶片的取光效率，從而提高LED晶片的外量子效率。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種倒梯形微結構高亮度發
光二極體，其特徵在於在GaAs襯底上生長發光二極體外延片，其由第一導電
型歐姆接觸電極、第一導電型歐姆接觸層、第一導電型電流擴展層、第一導電 型下限制層、非摻雜的有源區、第二導電型上限制層、第二導電型電流擴展層、
第二導電型歐姆接觸層堆疊而成；外延片中設有反光鏡，反光鏡依次由介質層， 金屬層和阻擋層層層積澱形成；永久性襯底是在基板上是澱積生長粘貼層、金 屬焊料層積澱在粘貼層上；金屬電極澱積在永久性襯底底部；外延片以倒裝方 式疊置於永久襯底上，並在真空下鍵合。
一種倒梯形微結構高亮度發光二極體的製作方法，其特徵在於包括發光 二極體外延片及永久性襯底的製作方法，製作步驟如下
(1) 用M0CVD外延生長技術在GaAs襯底上生長發光二極體外延片，依次包含 第一導電型襯底、第一導電型緩衝層、第一導電型蝕刻截止層、第一導電 型歐姆接觸層、第一導電型電流擴展層、第一導電型下限制層、非摻雜的 有源區、第二導電型上限制層、第二導電型電流擴展層和第二導電型歐姆 接觸層；
(2) 在發光二極體外延片第二導電型歐姆接觸層上做光罩形成圖形，即採用幹 法蝕刻第二導電型歐姆接觸層和第二導電型電流擴展層；然後溼法蝕刻第 二導電型上限制層、非摻雜的有源區和第一導電型下限制層；最後去除殘 餘的光阻；
(3) 在前述外延片上澱積介質層，然後通過光罩形成圖形，採用溼法蝕刻掉第 二導電型歐姆接觸層中央的介質層；最後去除殘餘的光阻；
(4) 在前述有圖案的介質層上澱積金屬層，金屬層和介質層聯合作為反光鏡；
(5) 在前述金屬層上澱積阻擋層，用於阻擋金屬焊料與金屬層之間的互擴散；
(6) 製作永久性襯底，先在基板襯底上生長一層粘貼層；(7) 再在粘貼層上澱積金屬焊料層；
(8) 前述的製作好帶有反光鏡的外延片以倒裝方式疊置於基板上，在真空下鍵合，
(9) 在永久性襯底底部澱積金屬電極；
(10) 去掉發光二極體外延片第一導電型襯底、第一導電型緩衝層和第一導電 型蝕刻截止層；
(11) 在發光二極體外延片第一導電型歐姆接觸層上澱積圖形電極；
(12) 以上述圖形電極為掩膜溼法蝕刻第一導電型歐姆接觸層；
(13) 蝕刻臺面；
(14) 切割形成管芯。
外延片以倒裝方式疊置於在永久性襯底上，其鍵合溫度在20(TC 50(TC， 鍵合壓力在10 8000牛頓。
在本發明中，第一導電型下限制層、非摻雜的有源區、第二導電型上限制 層、第二導電型電流擴展層和第二導電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結構；介 質層和金屬層聯合作為反光鏡；介質層為二氧化矽、氮化矽、氧化鋁的任一種 組成；金屬層為Au、 AuBe、 Ag、 Al、 Pt、 Zn、 Ti、 Pb、 Ni、 AuZn的任一種組成； 阻擋層為Ti/Pt、 Cr/Pt、 Ni/Pt、 Ti/TiN、 Ta/TaN的任一種組成；金屬電極為 Ti /Au、Cr/Au、AuGe/Ni/Au的任一種組成；歐姆接觸電極為AuGe、Au、AuGe/Ni/Au 的任一種組成。金屬焊料層為In、 Sn、 AuSn、 AuSi、 PbSn、 Pbln的任一種組成； 粘貼層為Ti、 Cr、 Ni的任一種組成；基板襯底為Si、 GaP、鉬、鉬銅、鎢、鎢 銅、鉻、鉻銅的任一種組成。
本發明由第一導電型下限制層、非摻雜的有源區、第二導電型上限制層、 第二導電型電流擴展層和第二導電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結構，解決常
規矩形結構中光的波導效應帶來的光損失問題，可大幅度提升取光效率。
圖1為現有常規AlGalnP多量子阱(MQW)發光二極體的剖面結構示意圖； 圖2為現有帶有高反射率DBR的AlGalnP多量子阱(MQW)發光二極體的剖 面結構示意圖3為本發明用M0CVD外延生長技術在GaAs襯底上生長發光二極體外延片
的層狀結構示意圖； 圖4為本發明永久性襯底的結構示意圖； 圖5為本發明結構示意圖6A為本發明具體實施例在二極體外延片上製作蝕刻道圖形圖6B為本發明具體實施例在二極體外延片上製作接觸點圖形具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
如圖3 圖5所示的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，在GaAs襯底上 生長發光二極體外延片300，其由第一導電型歐姆接觸電極505、第一導電型歐 姆接觸層304、第一導電型電流擴展層305、第一導電型下限制層306、非摻雜 的有源區307、第二導電型上限制層308、第二導電型電流擴展層309、第二導 電型歐姆接觸層310堆疊而成。外延片中設有反光鏡，反光鏡依次由介質層501， 金屬層502和阻擋層503層層積澱形成，介質層501為二氧化矽、氮化矽、氧 化鋁的任一種組成，金屬層502為Au、 AuBe、 Ag、 Al、 Pt、 Zn、 Ti、 Pb、 Ni、
AuZn的任一種組成，阻擋層503為Ti/Pt、 Cr/Pt、 Ni/Pt、 Ti/TiN、 Ta/TaN的 任一種組成；金屬電極504為Ti /Au、 Cr/Au、 AuGe/Ni/Au的任一種組成；歐 姆接觸電極505為AuGe、 Au、 AuGe/Ni/Au的任一種組成。永久性襯底400是由 基板襯底401上是生長粘貼層402、金屬焊料層403積澱在粘貼層402上；金屬 焊料層403為In、 Sn、 AuSn、 AuSi、 PbSn、 Pbln的任一種組成;粘貼層402為 Ti、 Cr、 Ni的任一種組成；基板襯底401為Si、 GaP、鉬、鉬銅、鎢、鎢銅、 鉻、鉻銅的任一種組成。金屬電極504澱積在永久性襯底400底部；外延片300 以倒裝方式疊置於基板襯底401上，並在真空下鍵合形成本發明的發光二極體 結構。
上述一種倒梯形微結構高亮度發光二極體的製作方法，包括發光二極體外 延片及永久性襯底的製作方法，製作步驟如下
第1步驟用MOCVD外延生長技術在GaAs襯底上生長發光二極體外延片300， 依次包含第一導電型襯底301、第一導電型緩衝層302、第一導電型蝕刻截 止層303、第一導電型歐姆接觸層304、第一導電型電流擴展層305、第一 導電型下限制層306、非摻雜的有源區307、第二導電型上限制層308、第 二導電型電流擴展層309和第二導電型歐姆接觸層310;
第2步驟在發光二極體外延片300第二導電型歐姆接觸層310上做光罩形成 圖形，即採用幹法蝕刻第二導電型歐姆接觸層310和第二導電型電流擴展 層309;然後溼法蝕刻第二導電型上限制層308、非摻雜的有源區307和第 一導電型下限制層306;最後去除殘餘的光阻；
第3步驟在前述外延片上澱積介質層501，然後通過光罩形成圖形，採用溼法 蝕刻掉第二導電型歐姆接觸層中央的介質層；最後去除殘餘的光阻；
第4步驟在前述有圖案的介質層上澱積金屬層502，金屬層和介質層聯合作為
反光鏡；
第5步驟在前述金屬層上澱積阻擋層503，用於阻擋金屬焊料與金屬層之間的 互擴散；
第6步驟製作永久性襯底400，先在基板襯底401上生長一層粘貼層402; 第7步驟再在粘貼層402上澱積金屬焊料層403;
第8步前述的製作好帶有反光鏡的外延片300以倒裝方式疊置於基板上，在 真空下鍵合；
第9步驟在永久性襯底400底部澱積金屬電極504;
第10步驟去掉發光二極體外延片300第一導電型襯底301、第一導電型緩衝
層302和第一導電型蝕刻截止層303; 第11步驟在發光二極體外延片300第一導電型歐姆接觸層304上澱積圖形電
極505;
第12步驟以上述圖形電極505為掩膜溼法蝕刻第一導電型歐姆接觸層304;
第13步驟蝕刻臺面； 第14步驟切割形成管芯。
以上述步驟對於具體發光二極體的製作進行說明，首先在發光二極體外延
片上製作蝕刻道圖形(見圖6A)，圖6A中格子陰影部分為蝕刻道區域，該蝕刻 道區域無光阻保護，採用幹法蝕刻(RIE)第二導電型歐姆接觸層重摻p-GaP和 第二導電型電流擴展層低摻p-GaP，然後溼法蝕刻第二導電型上限制層p-AlInP， 非摻雜的有源區，第一導電型下限制層n-AlInP，去除殘留的光阻。在上述外延 片上澱積O. 1 1.0umSi02介質層，然後製作接觸點圖形(見圖6B)，其中全黑 陰影部分為無光阻保護，然後採用緩衝HF酸(BOE)蝕刻該部分的Si02介質層， 去除殘留的光阻。在前述介質層上澱積O. 1 1.0um Au，在45(TC 550。C下熔
合，然後澱積上Cr/Pt，其中Cr厚度在O. 1 1.0um， Pt厚度在0. 1 1. 0 P m。 在200y m厚Si片上澱積0. 1 0. 5u m Cr做為粘貼層，然後澱積上一層3 ii m以上AuSn合金做為金屬焊料層。
把上述製作好的外延片倒扣在上述製作好的Si片上，放入鍵合機臺鍵合， 鍵合溫度在200°C 500°C，鍵合壓力在10 8000牛頓。在鍵合好的樣品中Si 片底部澱積Cr/Au，其中Cr厚度為0. 1 1.0um， Au厚度為0. 1 2. 0 y m;然 後採用NH40H和^02配比溶液去除GaAs襯底及緩衝層n-GaAs，再用HC1和H20 配比溶液去除蝕刻截止層GalnP，然後在第一導電型歐姆接觸層n-GaAs上澱積 圖形電極，以上述圖形電極為掩膜溼法蝕刻第一導電型歐姆接觸層n-GaAs，然 後在35(TC 45(TC下熔合，使圖形電極和第一導電歐姆接觸層形成良好的歐姆 接觸；最後蝕刻臺面，切割形成管芯。
權利要求
1.一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，其特徵在於在GaAs襯底上生長發光二極體外延片(300)，其由第一導電型歐姆接觸電極(505)、第一導電型歐姆接觸層(304)、第一導電型電流擴展層(305)、第一導電型下限制層(306)、非摻雜的有源區(307)、第二導電型上限制層(308)、第二導電型電流擴展層(309)、第二導電型歐姆接觸層(310)堆疊而成；外延片(300)中設有反光鏡，反光鏡依次由介質層(501)，金屬層(502)和阻擋層(503)層層積澱形成；永久性襯底(400)是由基板襯底(401)上是生長粘貼層(402)、金屬焊料層(403)積澱在粘貼層(402)上；金屬電極(504)澱積在永久性襯底(400)底部；外延片(300)以倒裝方式疊置於基板襯底(401)上，並在真空下鍵合。
2. 根據權利要求1所述的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，其特徵在於 第一導電型下限制層、非摻雜的有源區、第二導電型上限制層、第二導電型 電流擴展層和第二導電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結構；
3. 根據權利要求1或2所述的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，其特徵在 於介質層(501)為二氧化矽、氮化矽、氧化鋁的任一種組成；金屬層(502) 為Au、 AuBe、 Ag、 Al、 Pt、 Zn、 Ti、 Pb、 Ni、 AuZn的任一種組成；阻擋層(503) 為Ti/Pt、 Cr/Pt、 Ni/Pt、 Ti/TiN、 Ta/TaN的任一種組成;
4. 根據權利要求1所述的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，其特徵在於 金屬電極(504)為Ti/Au、 Cr/Au、 AuGe/Ni/Au的任一種組成；歐姆接觸電極 (505)為AuGe、 Au、 AuGe/Ni/Au的任一種組成。
5. 根據權利要求1所述的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體，其特徵在於-所述的金屬焊料層(403)為In、 Sn、 AuSn、 AuSi、 PbSn、 Pbln的任一種組成； 粘貼層(402)為Ti、 Cr、 Ni的任一種組成；基板襯底(401)為Si、 GaP、鉬、 鉬銅、鎢、鎢銅、鉻、鉻銅的任一種組成。
6. —種倒梯形微結構高亮度發光二極體的製作方法，其特徵在於包括發光二 極管外延片及永久性襯底的製作方法，製作步驟如下(1) 用M0CVD外延生長技術在GaAs襯底上生長發光二極體外延片(300)，依次 包含第一導電型襯底(301)、第一導電型緩衝層(302)、第一導電型蝕刻截 止層(303)、第一導電型歐姆接觸層(304)、第一導電型電流擴展層(305)、 第一導電型下限制層(306)、非摻雜的有源區(307)、第二導電型上限制層(308) 、第二導電型電流擴展層(309)和第二導電型歐姆接觸層(310);(2) 在發光二極體外延片(300)第二導電型歐姆接觸層(310)上做光罩形成位， 即採用幹法蝕刻第二導電型歐姆接觸層(310)和第二導電型電流擴展層(309) ;然後溼法蝕刻第二導電型上限制層(308)、非摻雜的有源區(307)和 第一導電型下限制層(306);最後去除殘餘的光阻；(3) 在前述外延片上澱積介質層(501)，然後通過光罩形成圖形，採用溼法蝕 刻掉第二導電型歐姆接觸層中央的介質層；最後去除殘餘的光阻；(4) 在前述有圖案的介質層上澱積金屬層(502)，金屬層和介質層聯合作為反 光鏡；(5) 在前述金屬層上澱積阻擋層(503)，用於阻擋金屬焊料與金屬層之間的互 擴散；(6) 製作永久性襯底(400)，先在基板襯底(401)上生長一層粘貼層(402);(7) 再在粘貼層(402)上澱積金屬焊料層(403);(8) 前述的製作好帶有反光鏡的外延片(300)以倒裝方式疊置於基板上，在真 空下鍵合；(9) 在永久性襯底(400)底部澱積金屬電極(504);(10) 去掉發光二極體外延片(300)第一導電型襯底(301)、第一導電型緩衝層(302)和第一導電型蝕刻截止層(303);(11) 在發光二極體外延片(300)第一導電型歐姆接觸層(304)上澱積圖形 電極505;(12) 以上述圖形電極(505)為掩膜溼法蝕刻第一導電型歐姆接觸層(304);(13) 蝕刻臺面；(14) 切割形成管芯。
7.根據權利要求6所述的一種倒梯形微結構高亮度發光二極體的製作方法，其 特徵在於外延片(300)以倒裝方式疊置於在永久性襯底(400)上，其鍵 合溫度在200°C 500°C，鍵合壓力在10 8000牛頓。
全文摘要
一種倒梯形微結構高亮度發光二極體及其製作方法，在GaAs襯底上生長發光二極體外延片由第一導電型接觸電極、第一導電型歐姆接觸層、第一導電型電流擴展層、第一導電型下限制層、非摻雜的有源區、第二導電型上限制層、第二導電型電流擴展層、第二導電型歐姆接觸層堆疊而成；外延片中設有反光鏡，反光鏡依次由介質層，金屬層和阻擋層層層積澱形成；永久性襯底是由基板襯底上是生長粘貼層、金屬焊料層積澱在粘貼層上；金屬電極澱積在永久性襯底底部；外延片以倒裝方式疊置於基板襯底上並在真空下鍵合。在外延片中形成一種倒梯形結構，解決常規矩形結構中光的波導效應帶來的光損失問題，並可大大提升取光效率。
文檔編號H01L33/00GK101207172SQ20071011478
公開日2008年6月25日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者吳志強, 林雪嬌, 洪靈願, 潘群峰, 陳文欣 申請人:廈門三安電子有限公司