本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，尤其是涉及一種AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-Emitting Diodes，LED)已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)為下一代綠色照明光源。與砷化鎵襯底晶格匹配的AlGaInP材料可覆蓋從560nm到650nm范圍的可見光波長(zhǎng)，是制備紅色到黃綠色LED的優(yōu)良材料。AlGaInP發(fā)光二極管在固態(tài)照明和顯示領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用，例如全色彩屏幕顯示器、汽車用燈、背光源、交通信號(hào)燈及日常照明燈等。

近年來，人們?cè)贏lGaInP發(fā)光二極管外延材料生長(zhǎng)技術(shù)上取得了很大進(jìn)步，其內(nèi)量子效率可達(dá)到90％以上。但直接在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)的外延材料直接在襯底制備N電極、表面制備P電極的LED芯片存在襯底吸收和全反射損耗這兩大影響因素，電光轉(zhuǎn)換效率很低，一般小于10％。

為降低襯底吸收、抑制全反射提高電光轉(zhuǎn)換效率，一種非常有效的辦法是制備薄膜芯片。其采用在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)AlGaInP發(fā)光二極管外延材料，然后P面向下鍵合到硅、鍺、藍(lán)寶石等其他具有反射結(jié)構(gòu)的基板上，將砷化鎵襯底去除，然后制作N電極并進(jìn)行表面粗化來減少光輸出面的全反射損耗，這種薄膜芯片可以將LED的電光轉(zhuǎn)換效率提升3～6倍，達(dá)到30～60％。

AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)業(yè)界有多方案，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括：鍵合基板100、鍵合金屬層101、反射金屬導(dǎo)電層102、介質(zhì)層103、P面接觸電極104、P型電流擴(kuò)展層105、P型限制層106、P側(cè)空間層107、多量子阱發(fā)光區(qū)108、N側(cè)空間層109、N型限制層110、N型粗化層112、N型歐姆接觸層113、N電極114、P電極115。

代表性專利有：

專利CN200410101246.4，其主要?jiǎng)?chuàng)新為P面采用銀反射鏡，并采用通孔P面電極和透明介質(zhì)層制備高反射、低歐姆接觸P面結(jié)構(gòu)；

專利CN200610114080.9，其在P面使用了ITO透明導(dǎo)電膜，配合SixNy介質(zhì)制備P面高反射率、高P面電流擴(kuò)展能力結(jié)構(gòu)；

專利CN200810177820.2，其在P面采用雙層氧化物透明導(dǎo)電層中間夾帶介質(zhì)層，配合金屬反射層制備ODR結(jié)構(gòu)提高P面光反射能力；

專利201410538800.9，其通過在N面歐姆接觸層上制備適合電流擴(kuò)展的圖形來提高N型電流擴(kuò)展能力。

由于該類薄膜芯片的P面為鍵合面，不是最終出光面表面，因此可以使用點(diǎn)狀或條狀電極加上金屬反射或金屬/介質(zhì)制備反射導(dǎo)電層進(jìn)行性能提升。但在N型出光面的電流擴(kuò)展提升方面，都局限于優(yōu)化金屬電極圖形來改良，即盡量減少電極圖形面積，并讓N面電極均勻覆蓋在上表面，電極外其他區(qū)域進(jìn)行粗化處理減少全發(fā)射損耗。

AlGaInP材料鋁組份越高，其腐蝕粗化越容易，因此薄膜芯片的粗化層多使用鋁組份高于50％的高鋁組份AlGaInP材料，但高鋁組份的N型AlGaInP材料的載流子遷移率很低，因此電流擴(kuò)展能力較差，為保證電流擴(kuò)展良好，粗化層的厚度通常要生長(zhǎng)5微米以上，且N電極條之間距離不能太大(通常小于80微米)，成本高且N電極遮光嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)和制備能夠兼顧表面粗化和電流擴(kuò)展需求的AlGaInP薄膜芯片具有非常重要的價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種兼顧粗化和N面電流擴(kuò)展需求的AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)的制備方法。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種AlGalnP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括：P電極、鍵合基板、鍵合金屬層、金屬反射導(dǎo)電層、介質(zhì)層、P面接觸電極、P型電流擴(kuò)展層、P型限制層、P側(cè)空間層、多量子阱發(fā)光區(qū)、N側(cè)空間層、N型限制層、N型粗化層、N型歐姆接觸層、N電極，特征是：在N型限制層和N型粗化層之間設(shè)有N型電流擴(kuò)展層。

N型粗化層和N限制層之間的N型電流擴(kuò)展層所使用的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P材料中的鋁組份x滿足0.1≤x≤0.5。

N型粗化層和N限制層之間的N型電流擴(kuò)展層的厚度為2∽4微米。

N型粗化層和N限制層之間的N型電流擴(kuò)展層的摻雜濃度為0.7∽4E¹⁸cm^-3。

N型粗化層所使用的(AlxGa_1-x)_0.5In_0.5P材料中的鋁組份為0.5≤x≤1.0，厚度為0.5∽2微米，摻雜濃度為1∽4E¹⁸cm^-3。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

首先利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)包含N型電流擴(kuò)展層和N型粗化層的外延材料，生長(zhǎng)過程中，三族元素使用的原材料包括三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)，五族元素使用的原材料包括砷烷(AsH₃)、磷烷(PH₃)，N型摻雜采用硅元素(Si)，P型摻雜使用鎂元素(Mg)；生長(zhǎng)過程是將上述原材料以氣相方式送入反應(yīng)室，依次在N型砷化鎵襯底上逐層外延生長(zhǎng)砷化鎵緩沖層、腐蝕阻擋層、N型歐姆接觸層、N型粗化層、N型電流擴(kuò)展層、N型限制層、N側(cè)空間層、多量子阱發(fā)光區(qū)、P側(cè)空間層、P型限制層、P型電流擴(kuò)展層，各層的材料組份、摻雜和厚度通過常規(guī)外延技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，即通過控制不同元素進(jìn)入反應(yīng)室的流量比例和時(shí)間來調(diào)控；外延材料制備完畢后，利用金屬蒸發(fā)、光刻、腐蝕、鍵合、合金、切割這些常規(guī)的管芯制備工藝將外延材料轉(zhuǎn)移到鍵合基板上制備N面出光的AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片。

N型粗化層的粗化腐蝕使用鹽酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蝕液在30±2度下腐蝕2～4分鐘。

本發(fā)明是在N型限制層和N型粗化層之間增設(shè)有N型電流擴(kuò)展層，N型粗化層所使用的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P材料中的鋁組份x滿足0.5≤x≤1，使用鹽酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蝕液進(jìn)行粗化，提高出光效率；N型電流擴(kuò)展層所使用的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P材料中的鋁組份x滿足0.1≤x≤0.5，這種低鋁組份的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P材料電子遷移率高，可以提高電流擴(kuò)展能力，從而提高LED電光轉(zhuǎn)換效率。因此，本發(fā)明具有兼顧粗化和N面電流擴(kuò)展需求，可大幅度提升AlGaInP發(fā)光二級(jí)管的電光轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為已知典型AlGaInP發(fā)光二級(jí)管薄膜芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的AlGaInP發(fā)光二極管外延材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖中標(biāo)記說明：

圖1中：100：鍵合基板，101：鍵合金屬層，102：反射金屬導(dǎo)電層，103：介質(zhì)層，104：P面接觸電極，105：P型電流擴(kuò)展層，106：P型限制層，107：P側(cè)空間層，108：多量子阱發(fā)光區(qū)，109：N側(cè)空間層，110：N型限制層，112：N型粗化層，113：N型歐姆接觸層，114：N電極，115：P電極；

圖2中：200：砷化鎵襯底，205：P型電流擴(kuò)展層，206：P型限制層，207：P側(cè)空間層，208：多量子阱發(fā)光區(qū)，209：N側(cè)空間層，210：N型限制層，211：N型電流擴(kuò)展層，212：N型粗化層，213：N型歐姆接觸層，288：砷化鎵緩沖層，299：腐蝕阻擋層；

圖3中：300：鍵合基板，301：鍵合金屬層，302：金屬反射導(dǎo)電層，303：介質(zhì)層，304：P面接觸電極，305：P型電流擴(kuò)展層，306：P型限制層，307：P側(cè)空間層，308：多量子阱發(fā)光區(qū)，309：N側(cè)空間層，310：N型限制層，311：N型電流擴(kuò)展層，312：N型粗化層，313：N型歐姆接觸層，314：N電極，315：P電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2為本發(fā)明的AlGaInP發(fā)光二級(jí)管外延材料的結(jié)構(gòu)示意圖，自砷化鎵襯底開始，自下而上依次為砷化鎵襯底200、砷化鎵緩沖層288、腐蝕阻擋層299、N型歐姆接觸層213、N型粗化層212、N型電流擴(kuò)展層211、N型限制層210、N側(cè)空間層209、多量子阱發(fā)光區(qū)208、P側(cè)空間層207、P型限制層206、P型電流擴(kuò)展層205。

上述結(jié)構(gòu)的AlGaInP發(fā)光二級(jí)管外延材料的生長(zhǎng)過程及工藝條件如下：

A、砷化鎵襯底200熱處理：將砷化鎵襯底200放到MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)室內(nèi)，H₂氣氛下升溫到700±50℃處理5∽20分鐘；

B、砷化鎵緩沖層288生長(zhǎng)：將溫度降低到680±40℃，然后通入TMGa和AsH₃生長(zhǎng)厚度為0.3∽1μm范圍的砷化鎵高溫緩沖層，并利用Si作為n型摻雜，摻雜濃度為5∽20E¹⁷cm^-3；

C、腐蝕阻擋層299生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度升高到720±40℃，通入TMGa、TMIn、PH₃作為反應(yīng)物，生長(zhǎng)200∽500nm厚度的Ga_0.5In_0.5P層，并利用Si作為n型摻雜元素，摻雜濃度為5∽20E¹⁷cm^-3；

D、N型歐姆接觸層213生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa和AsH₃生長(zhǎng)厚度為0.2∽0.6μm的砷化鎵歐姆接觸層，并利用Si作為n型摻雜元素，摻雜濃度為1∽4E¹⁸cm^-3；

E、N型粗化層212生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.5∽2.0μm的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.5≤x≤1)粗化層，并利用Si作為n型摻雜元素，摻雜濃度為1∽4E¹⁸cm^-3；

F、N型電流擴(kuò)展層211生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為2∽4μm的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.1≤x≤0.5)電流擴(kuò)展層，并利用Si作為n型摻雜元素，摻雜濃度為0.7∽4E¹⁸cm^-3；

G、N型限制層210生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.3∽1μm的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.6≤x≤1)限制層，并利用Si作為n型摻雜元素，摻雜濃度為0.7∽4E¹⁸cm^-3；

H、N側(cè)空間層209生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.2∽0.5μm的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.6≤x≤1)空間層，非故意摻雜；

I、多量子阱發(fā)光區(qū)208生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)阱、壘分別為(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0≤x≤0.3)、(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.4≤x≤0.6)多量子阱發(fā)光區(qū)，阱、壘單層厚度為5∽20nm，周期數(shù)為15∽40對(duì)，非故意摻雜；

J、P側(cè)空間層207生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.2∽0.5μm的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.6≤x≤1)空間層，非故意摻雜；

K、P型限制層206生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.3∽1um的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P(0.6≤x≤1)限制層，并利用Mg作為p型摻雜，摻雜濃度為0.5∽2E¹⁸cm^-3；

L、P型電流擴(kuò)展層205生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度760±50℃下通入TMGa、PH₃生長(zhǎng)厚度為0.5∽5μm的GaP層，并利用Mg作為p型摻雜元素，摻雜濃度大于1E¹⁸cm^-3；

M、外延材料生長(zhǎng)完畢后，利用常規(guī)的管芯制備工藝(金屬蒸發(fā)、光刻、腐蝕、鍵合、合金、切割)將外延材料轉(zhuǎn)移到鍵合基板上制備N面出光的AlGaInP發(fā)光二極管薄膜芯片。

圖3為本發(fā)明制備的AlGaInP薄膜發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)的示意圖，自下而上依次包括：

P電極315、鍵合基板300、鍵合金屬層301、金屬反射導(dǎo)電層302、介質(zhì)層303、P面接觸電極304、P型電流擴(kuò)展層305、P型限制層306、P側(cè)空間層307、多量子阱發(fā)光區(qū)308、N側(cè)空間層309、N型限制層310、N型電流擴(kuò)展層311、N型粗化層312、N型歐姆接觸層313、N電極314。

鍵合基板300可以選擇硅、鍺等等可大面積、易加工的材料。

鍵合金屬層301可以使用金、金錫合金、銦等具有良好粘附性和導(dǎo)電性的金屬材料。

金屬反射導(dǎo)電層302可以用金、銀等對(duì)光具有良好反射能力的金屬，同時(shí)為提高粘附性和穩(wěn)定性，可增加Ni、Ti、Cr、Pt、W等金屬薄層。

介質(zhì)層303可以使用二氧化硅或氮化硅等光學(xué)介質(zhì)薄膜材料。

P面接觸電極304可以使用AuBe合金、Cr/Pt/Au、Ni/Ag等金屬，蒸鍍后通過350∽550度高溫合金工藝獲得良好的歐姆接觸電阻。

N型粗化層312粗化腐蝕使用鹽酸∶水＝x∶3(1＜x＜3)腐蝕液在30±2度下腐蝕2∽4分鐘。

N電極314使用電子束蒸發(fā)蒸鍍AuGeNi金屬制備，可以分層蒸鍍，也可以用AuGe合金加Ni薄層結(jié)構(gòu)制備，蒸鍍完畢用300∽500度高溫合金工藝獲得良好歐姆接觸。

為提高芯片打線的可靠性，在P電極、N電極上分別蒸鍍厚層1∽3微米Au層或者2∽15微米的Al層。

芯片制備完畢后利用切割工藝將管芯分開，按點(diǎn)測(cè)指標(biāo)對(duì)電壓、亮度、波長(zhǎng)進(jìn)行分檔，分類包裝后入庫(kù)。