專利名稱：一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種AlGaInP發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管由于體積小、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，早已成為日常生活中不可或缺的光電元件。發(fā)光二極管的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，大致可分為可見光和不可見光波段，目前可見光波段普遍應(yīng)用于生活中多種產(chǎn)品，如手機(jī)、PDA產(chǎn)品背光源、交通信號(hào)燈等。不可見光波段應(yīng)用在無(wú)線通訊中，如遙控器、感測(cè)器、通訊用的光源等。AlGaInP獨(dú)特的材料特性，非常適合發(fā)展高亮度發(fā)光二極管。關(guān)于發(fā)光效率的提升，改善方法很多。例如:生長(zhǎng)GaP材料作為窗口層，提高電流擴(kuò)展能力，其材料有很大的帶隙，對(duì)紅光到黃綠光波段無(wú)吸收，并且通過(guò)表面粗化技術(shù)提高發(fā)光二極管的出光效率；生長(zhǎng)帶有布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflective, DBR)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管,能有效的提升發(fā)光二極管的發(fā)光效率。DBR是由折射率不同的材料組成的周期性結(jié)構(gòu)，每層厚度為1/4介質(zhì)波長(zhǎng)。它可以將有源區(qū)向下發(fā)射的光反射到器件出光面，從而提高發(fā)光效率，帶DBR結(jié)構(gòu)的LED的優(yōu)勢(shì)是器件基本結(jié)構(gòu)一次外延形成，材料與襯底晶格匹配，反射率高，不影響器件的電學(xué)性能。如中國(guó)專利ZL200710187068.5中就提供了一種帶有DBR的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)DBR反射提高器件的出光率。然而這種傳統(tǒng)DBR只有在與法向夾角±5°范圍內(nèi)具有較高的反射率，對(duì)于與法向偏差較大的光線的反射率則相當(dāng)微弱。另外GaP窗口層的折射率與空氣差異較大，全反射角過(guò)小致使大量光因全反射在內(nèi)部轉(zhuǎn)化成熱。雖然采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)制作的倒裝AlGaInP發(fā)光二極管利用全方位金屬反射鏡技術(shù)(ODR)能解決傳統(tǒng)DBR反射角小的問(wèn)題，但是面臨著成本高，良率低以及N型電極向上不利于封裝和后續(xù)應(yīng)用等不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管及其制造方法，生產(chǎn)出一種亮度達(dá)到倒裝芯片水平的正裝芯片。一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:N型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極，所述復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)由上、下DBR層組成，兩層DBR的材料不同或者材料相同但組分不同；所述下DBR層沿芯片四周的外側(cè)具有氧化區(qū)域，該氧化區(qū)域的面積占芯片總面積的30-70%。按照本領(lǐng)域基本常識(shí)，這里說(shuō)的組分即是材料中所含元素的摩爾系數(shù)。所述上、下DBR 層的材料從 AlAs/AlGaAs、AlAs/AlGalnP、AlAs/AlInP、AlAs/InGaP、AlGaAs/AlGalnP、AlGaAs/AlInP、AlGaAs/InGaP、AlGalnP/AlInP、AlGalnP/InGaP 或AlInP/InGaP中選取，且下DBR層材料的Al組分大于上DBR層的。
本發(fā)明的一種優(yōu)選方案為上、下DBR層材料均為AlGaAs/AlInP，且下DBR層與上DBR層的Al組分之差大于等于0.3。所述GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化；周期紋理圖形的直徑為1-5微米，深度為1.5-2微米。本發(fā)明的優(yōu)選方案為GaP窗口層表面覆蓋有ITO層。一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟:
a)提供一基板；
b)在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層；
c)在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極；
d)利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液包括鹽酸、硫酸、硝酸、過(guò)氧化氫、磷酸中的1-5種；
e)在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、磷酸銨、過(guò)氧化氫、次氯酸鈉中的1-5種；
f)在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層；
g)將基板減??；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極；
h)將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可；
i)去除焊線電極上方的ΙΤ0; j)進(jìn)行測(cè)試，全切；
其中，步驟h)和i)之間還包括氧化步驟，所述氧化步驟為濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度400-430°C，氮?dú)饬髁?.4-1.5 L/min,水溫35_95°C，時(shí)間20-40分鐘
O
我們解決問(wèn)題的思路是:利用復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)來(lái)解決傳統(tǒng)DBR反射角小的問(wèn)題。采用的復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)由上、下兩組材料不同或者材料相同但組分不同的DBR層組成。其中上DBR層用來(lái)反射與法向夾角在±5°范圍內(nèi)的光線；TDBR層材料的Al組分含量比上DBR層大，經(jīng)氧化后形成的區(qū)域與上DBR層具有較大的折射率差，使他們之間的全反射角度很小，這樣將透過(guò)上DBR層的部分光線反射回去，達(dá)到增亮的目的。另外由于上述技術(shù)的應(yīng)用，可以使芯片的發(fā)光角度增大約7°，更有利于提高下述工藝的增亮效果。解決GaP窗口層與空氣折射率差異較大、全反射角過(guò)小的問(wèn)題的一個(gè)普遍思路是進(jìn)行表面粗化或者在GaP窗口層表面制作周期紋理圖形，我們采用的方式是將兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，首先利用濕法腐蝕技術(shù)在GaP窗口層表面制作周期紋理圖形，然后再進(jìn)行化學(xué)腐蝕粗化，最大程度的增加芯片表面積并進(jìn)一步破壞全反射。本發(fā)明提高了芯片的出光效率和出光角度，實(shí)現(xiàn)了芯片亮度的提升。同時(shí)由于破壞了芯片表面的全反射，減少光在芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)化成熱的機(jī)會(huì)，降低芯片溫度，提高器件的性能和可靠性，并且工藝簡(jiǎn)單、成本低。


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圖1本發(fā)明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圖 圖2本發(fā)明發(fā)光二極管俯視圖其中:
100=GaAs 基板
101:下 DBR 層
102:上 DBR 層
103:N型限制層
104:有源層
105:P型限制層
106=GaP 窗口層
107:ITO 層
201:Ρ型接觸電極
202:焊線電極
203:Ν型接觸電極 具體實(shí)施方式
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實(shí)施例1:
如圖1和圖2所示，一種高亮 度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:Ν型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極、ITO層。復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)的上DBR層材料為Ala4Gaa3Ina3PAla4Ina6P,下DBR層材料為Al0.7Ga0.3As/AlAs,其中下DBR層沿芯片四周的外側(cè)占芯片面積30%的區(qū)域經(jīng)過(guò)氧化；GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化，周期紋理圖形的直徑為I微米，深度為1.5微米。
上述高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟:
a)提供一GaAs基板；
b)在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層；
c)在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極；
d)利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液由鹽酸、過(guò)氧化氫組成；
e)在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液由氫氧化鈉、過(guò)氧化氫組成；
f)在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層；
g)將基板減??；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極；
h)將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可；
i)進(jìn)行濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度400°C，氮?dú)饬髁?.4L/min,水溫35°C，時(shí)間20分鐘；
j)去除焊線電極上方的ΙΤ0; k)進(jìn)行測(cè)試，全切制作成芯片。
實(shí)施例2:
如圖1和圖2所示，一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:N型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極、ITO層。復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)的上DBR層材料為Al。.3Ga0.7As/A10.3In0.7P,下DBR層材料為Al0.6Ga0.4As/Al0.6In0.4P，其中下DBR層沿芯片四周的外側(cè)占芯片面積70%的區(qū)域經(jīng)過(guò)氧化；GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化，周期紋理圖形的直徑為5微米，深度為2微米。
上述高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟:
a)提供一GaAs基板；
b)在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層；
c)在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極；
d)利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液由鹽酸、硫酸、硝酸、過(guò)氧化氫、磷酸組成；
e)在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液由氫氧化鈉、氫氧化鉀、磷酸銨組成；
f)在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層；
g)將基板減薄；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極；
h)將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可；
i)進(jìn)行濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度430°C，氮?dú)饬髁?.5L/min,水溫95°C，時(shí)間40分鐘；
j)去除焊線電極上方的ΙΤ0; k)進(jìn)行測(cè)試，全切制作成芯片。
實(shí)施例3:
如圖1和圖2所示，一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:N型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極、ITO層。復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)的上DBR層材料為In。.5Ga0.5P/A10.^a0.4In0.5P，下DBR層材料為Al0.8Ga0.2As/Al0.8In0.2P，其中下DBR層沿芯片四周的外側(cè)占芯片面積50%的區(qū)域經(jīng)過(guò)氧化；GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化，周期紋理圖形的直徑為3微米，深度為1.7微米。
上述高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟:
a)提供一GaAs基板；
b)在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層；
c)在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極；
d)利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液由硝酸、過(guò)氧化氫、磷酸組成；
e)在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液由氫氧化鈉、氫氧化鉀、磷酸銨、過(guò)氧化氫、次氯酸鈉組成；
f)在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層；
g)將基板減??；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極；
h)將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可；
i)進(jìn)行濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度415°C，氮?dú)饬髁縧.0L/min，水溫65°C，時(shí)間35分鐘；
j)去除焊線電極上方的ITO; k)進(jìn)行測(cè)試，全切制作成芯片。
實(shí)施例4:
如圖1和圖2所示，一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:N型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極、ITO層。復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)的上DBR層材料為Ala3Gaa3Ina4PAla3Ina7P,下DBR層材料為Ala7Gaci 3AsAlAs,其中下DBR層沿芯片四周的外側(cè)占芯片面積40%的區(qū)域經(jīng)過(guò)氧化；GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化，周期紋理圖形的直徑為2微米，深度為1.5微米。
上述高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟:
a)提供一GaAs基板；
b)在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層；
c)在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極；
d)利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液由硫酸、過(guò)氧化氫、磷酸組成；
e)在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液由氫氧化鉀、磷酸銨、過(guò)氧化氫、次氯酸鈉組成；
f)在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層；
g)將基板減??；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極；
h)將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可；
i)進(jìn)行濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度4201:，氮?dú)饬髁?.8L/min,水溫70°C，時(shí)間25分鐘；
j)去除焊線電極上方的ITO; k)進(jìn)行測(cè)試，全切制作成芯片。
權(quán)利要求
1.一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為:N型接觸電極、GaAs基板、復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層、GaP窗口層、P型接觸電極、焊線電極，其特征在于所述復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)由上、下DBR層組成，兩層DBR的材料不同或者材料相同但組分不同；所述下DBR層沿芯片四周的外側(cè)具有氧化區(qū)域，該氧化區(qū)域的面積占芯片總面積的 30-70%。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述上、下DBR層的材料為AlAs/AlGaAs> AlAs/ AlGalnP、AlAs/ AllnP、AlAs/InGaP、AlGaAs/ AlGalnP、AlGaAs/ AllnP、AlGaAs/ InGaP, AlGalnP/AlInP、AlGalnP/InGaP 或 AlInP/InGaP，且下 DBR 層材料中的 Al組分大于上DBR層的。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其特征在于上、下DBR層材料均為AlGaAs/AlInP,且下DBR層與上DBR層的Al組分之差大于等于0.3。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于GaP窗口層表面經(jīng)過(guò)周期紋理化和表面粗化；周期紋理圖形的直徑為1-5微米，深度為1.5-2微米。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，其特征在于GaP窗口層表面覆蓋有ITO層。
6.一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟: 提供一基板； 在基板上依次形成復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)、N型限制層、有源層、P型限制層和GaP窗口層； 在GaP窗口層上形成P型接觸電極和焊線電極； 利用光刻和濕法化學(xué)刻蝕在GaP窗口層上刻蝕周期紋理圖形；刻蝕液包括鹽酸、硫酸、硝酸、過(guò)氧化氫、磷酸中的1-5種； 在經(jīng)過(guò)周期紋理化后的GaP窗口層上進(jìn)行表面粗化；粗化液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、磷酸銨、過(guò)氧化氫、次氯酸鈉中的1-5種； 在GaP窗口層上覆蓋一層ITO層； 將基板減薄；在減薄后的基板背面形成N型接觸電極； 將基板進(jìn)行半切，切割深度大于外延層即可； 去除焊線電極上方的ΙΤ0; 進(jìn)行測(cè)試，全切； 其特征在于:步驟h)和i)之間還包括氧化步驟，所述氧化步驟為濕法氧化，工藝條件為:氧化設(shè)備爐管恒溫區(qū)溫度400-430°C，氮?dú)饬髁?.4-1.5 L/min,水溫35_95°C，時(shí)間20-40分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高亮度AlGaInP發(fā)光二極管及其制造方法。采用復(fù)合式BDR結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)DBR反射角小的問(wèn)題。復(fù)合式DBR結(jié)構(gòu)由上、下兩層DBR組成，其中下DBR層經(jīng)過(guò)部分氧化，提高了與上DBR層的折射率差，提高了光的反射效率。并且同時(shí)采用周期紋理和表面粗化，進(jìn)一步破壞表面的全反射。本發(fā)明提高了芯片的出光效率和出光角度，實(shí)現(xiàn)了芯片亮度的提升。同時(shí)由于破壞了芯片表面的全反射，減少光在芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)化成熱的機(jī)會(huì)，降低芯片溫度，提高器件的性能和可靠性，并且工藝簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)H01L33/10GK103117349SQ20111036379
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者肖志國(guó), 高本良, 武勝利 申請(qǐng)人:大連美明外延片科技有限公司