本发明涉及半导体发光器件领域,尤其是涉及一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构及其制备方法。
背景技术:
半导体发光二极管(Light-Emitting Diodes,LED)已经在很多领域被广泛应用,被公认为下一代绿色照明光源。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发光二极管在固态照明和显示领域中有着重要应用,例如全色彩屏幕显示器、汽车用灯、背光源、交通信号灯及日常照明灯等。
近年来,人们在AlGaInP发光二极管外延材料生长技术上取得了很大进步,其内量子效率可达到90%以上。但直接在砷化镓衬底上生长的外延材料直接在衬底制备N电极、表面制备P电极的LED芯片存在衬底吸收和全反射损耗这两大影响因素,电光转换效率很低,一般小于10%。
为降低衬底吸收、抑制全反射提高电光转换效率,一种非常有效的办法是制备薄膜芯片。其采用在砷化镓衬底上生长AlGaInP发光二极管外延材料,然后P面向下键合到硅、锗、蓝宝石等其他具有反射结构的基板上,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,这种薄膜芯片可以将LED的电光转换效率提升3~6倍,达到30~60%。
AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构业界有多方案,其典型结构如图1所示,其主要包括:键合基板100、键合金属层101、反射金属导电层102、介质层103、P面接触电极104、P型电流扩展层105、P型限制层106、P侧空间层107、多量子阱发光区108、N侧空间层109、N型限制层110、N型粗化层112、N型欧姆接触层113、N电极114、P电极115。
代表性专利有:
专利CN200410101246.4,其主要创新为P面采用银反射镜,并采用通孔P面电极和透明介质层制备高反射、低欧姆接触P面结构;
专利CN200610114080.9,其在P面使用了ITO透明导电膜,配合SixNy介质制备P面高反射率、高P面电流扩展能力结构;
专利CN200810177820.2,其在P面采用双层氧化物透明导电层中间夹带介质层,配合金属反射层制备ODR结构提高P面光反射能力;
专利201410538800.9,其通过在N面欧姆接触层上制备适合电流扩展的图形来提高N型电流扩展能力。
由于该类薄膜芯片的P面为键合面,不是最终出光面表面,因此可以使用点状或条状电极加上金属反射或金属/介质制备反射导电层进行性能提升。但在N型出光面的电流扩展提升方面,都局限于优化金属电极图形来改良,即尽量减少电极图形面积,并让N面电极均匀覆盖在上表面,电极外其他区域进行粗化处理减少全发射损耗。
AlGaInP材料铝组份越高,其腐蚀粗化越容易,因此薄膜芯片的粗化层多使用铝组份高于50%的高铝组份AlGaInP材料,但高铝组份的N型AlGaInP材料的载流子迁移率很低,因此电流扩展能力较差,为保证电流扩展良好,粗化层的厚度通常要生长5微米以上,且N电极条之间距离不能太大(通常小于80微米),成本高且N电极遮光严重。因此,设计和制备能够兼顾表面粗化和电流扩展需求的AlGaInP薄膜芯片具有非常重要的价值。
技术实现要素:
本发明的第一个目的是提供一种兼顾粗化和N面电流扩展需求的AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构。
本发明的第二个目的在于提供一种AlGaInP发光二极管薄膜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AlGalnP发光二极管薄膜芯片结构,自下而上依次包括:P电极、键合基板、键合金属层、金属反射导电层、介质层、P面接触电极、P型电流扩展层、P型限制层、P侧空间层、多量子阱发光区、N侧空间层、N型限制层、N型粗化层、N型欧姆接触层、N电极,特征是:在N型限制层和N型粗化层之间设有N型电流扩展层。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的厚度为2∽4微米。
N型粗化层和N限制层之间的N型电流扩展层的掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3。
N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份为0.5≤x≤1.0,厚度为0.5∽2微米,掺杂浓度为1∽4E18cm-3。
本发明的第二个目的是这样实现的:
一种AlGaInP发光二极管薄膜芯片结构的制备方法,包括以下步骤:
首先利用金属有机化学气相沉积技术生长包含N型电流扩展层和N型粗化层的外延材料,生长过程中,三族元素使用的原材料包括三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl),五族元素使用的原材料包括砷烷(AsH3)、磷烷(PH3),N型掺杂采用硅元素(Si),P型掺杂使用镁元素(Mg);生长过程是将上述原材料以气相方式送入反应室,依次在N型砷化镓衬底上逐层外延生长砷化镓缓冲层、腐蚀阻挡层、N型欧姆接触层、N型粗化层、N型电流扩展层、N型限制层、N侧空间层、多量子阱发光区、P侧空间层、P型限制层、P型电流扩展层,各层的材料组份、掺杂和厚度通过常规外延技术来实现,即通过控制不同元素进入反应室的流量比例和时间来调控;外延材料制备完毕后,利用金属蒸发、光刻、腐蚀、键合、合金、切割这些常规的管芯制备工艺将外延材料转移到键合基板上制备N面出光的AlGaInP发光二极管薄膜芯片。
N型粗化层的粗化腐蚀使用盐酸∶水=x∶3(1<x<3)腐蚀液在30±2度下腐蚀2~4分钟。
本发明是在N型限制层和N型粗化层之间增设有N型电流扩展层,N型粗化层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.5≤x≤1,使用盐酸∶水=x∶3(1<x<3)腐蚀液进行粗化,提高出光效率;N型电流扩展层所使用的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料中的铝组份x满足0.1≤x≤0.5,这种低铝组份的(AlxGa1-x)0.5In0.5P材料电子迁移率高,可以提高电流扩展能力,从而提高LED电光转换效率。因此,本发明具有兼顾粗化和N面电流扩展需求,可大幅度提升AlGaInP发光二级管的电光转换效率。
附图说明
图1为已知典型AlGaInP发光二级管薄膜芯片的结构示意图;
图2为本发明的AlGaInP发光二极管外延材料的结构示意图;
图3为本发明的结构示意图;
附图中标记说明:
图1中:100:键合基板,101:键合金属层,102:反射金属导电层,103:介质层,104:P面接触电极,105:P型电流扩展层,106:P型限制层,107:P侧空间层,108:多量子阱发光区,109:N侧空间层,110:N型限制层,112:N型粗化层,113:N型欧姆接触层,114:N电极,115:P电极;
图2中:200:砷化镓衬底,205:P型电流扩展层,206:P型限制层,207:P侧空间层,208:多量子阱发光区,209:N侧空间层,210:N型限制层,211:N型电流扩展层,212:N型粗化层,213:N型欧姆接触层,288:砷化镓缓冲层,299:腐蚀阻挡层;
图3中:300:键合基板,301:键合金属层,302:金属反射导电层,303:介质层,304:P面接触电极,305:P型电流扩展层,306:P型限制层,307:P侧空间层,308:多量子阱发光区,309:N侧空间层,310:N型限制层,311:N型电流扩展层,312:N型粗化层,313:N型欧姆接触层,314:N电极,315: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。
图2为本发明的AlGaInP发光二级管外延材料的结构示意图,自砷化镓衬底开始,自下而上依次为砷化镓衬底200、砷化镓缓冲层288、腐蚀阻挡层299、N型欧姆接触层213、N型粗化层212、N型电流扩展层211、N型限制层210、N侧空间层209、多量子阱发光区208、P侧空间层207、P型限制层206、P型电流扩展层205。
上述结构的AlGaInP发光二级管外延材料的生长过程及工艺条件如下:
A、砷化镓衬底200热处理:将砷化镓衬底200放到MOCVD设备生长室内,H2气氛下升温到700±50℃处理5∽20分钟;
B、砷化镓缓冲层288生长:将温度降低到680±40℃,然后通入TMGa和AsH3生长厚度为0.3∽1μm范围的砷化镓高温缓冲层,并利用Si作为n型掺杂,掺杂浓度为5∽20E17cm-3;
C、腐蚀阻挡层299生长:反应室温度升高到720±40℃,通入TMGa、TMIn、PH3作为反应物,生长200∽500nm厚度的Ga0.5In0.5P层,并利用Si作为n型掺杂元素,掺杂浓度为5∽20E17cm-3;
D、N型欧姆接触层213生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa和AsH3生长厚度为0.2∽0.6μm的砷化镓欧姆接触层,并利用Si作为n型掺杂元素,掺杂浓度为1∽4E18cm-3;
E、N型粗化层212生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.5∽2.0μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.5≤x≤1)粗化层,并利用Si作为n型掺杂元素,掺杂浓度为1∽4E18cm-3;
F、N型电流扩展层211生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为2∽4μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.1≤x≤0.5)电流扩展层,并利用Si作为n型掺杂元素,掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3;
G、N型限制层210生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.3∽1μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)限制层,并利用Si作为n型掺杂元素,掺杂浓度为0.7∽4E18cm-3;
H、N侧空间层209生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2∽0.5μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)空间层,非故意掺杂;
I、多量子阱发光区208生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长阱、垒分别为(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x≤0.3)、(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.4≤x≤0.6)多量子阱发光区,阱、垒单层厚度为5∽20nm,周期数为15∽40对,非故意掺杂;
J、P侧空间层207生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.2∽0.5μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)空间层,非故意掺杂;
K、P型限制层206生长:反应室温度720±40℃下通入TMGa、TMAl、TMIn、PH3生长厚度为0.3∽1um的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0.6≤x≤1)限制层,并利用Mg作为p型掺杂,掺杂浓度为0.5∽2E18cm-3;
L、P型电流扩展层205生长:反应室温度760±50℃下通入TMGa、PH3生长厚度为0.5∽5μm的GaP层,并利用Mg作为p型掺杂元素,掺杂浓度大于1E18cm-3;
M、外延材料生长完毕后,利用常规的管芯制备工艺(金属蒸发、光刻、腐蚀、键合、合金、切割)将外延材料转移到键合基板上制备N面出光的AlGaInP发光二极管薄膜芯片。
图3为本发明制备的AlGaInP薄膜发光二极管芯片结构的示意图,自下而上依次包括:
P电极315、键合基板300、键合金属层301、金属反射导电层302、介质层303、P面接触电极304、P型电流扩展层305、P型限制层306、P侧空间层307、多量子阱发光区308、N侧空间层309、N型限制层310、N型电流扩展层311、N型粗化层312、N型欧姆接触层313、N电极314。
键合基板300可以选择硅、锗等等可大面积、易加工的材料。
键合金属层301可以使用金、金锡合金、铟等具有良好粘附性和导电性的金属材料。
金属反射导电层302可以用金、银等对光具有良好反射能力的金属,同时为提高粘附性和稳定性,可增加Ni、Ti、Cr、Pt、W等金属薄层。
介质层303可以使用二氧化硅或氮化硅等光学介质薄膜材料。
P面接触电极304可以使用AuBe合金、Cr/Pt/Au、Ni/Ag等金属,蒸镀后通过350∽550度高温合金工艺获得良好的欧姆接触电阻。
N型粗化层312粗化腐蚀使用盐酸∶水=x∶3(1<x<3)腐蚀液在30±2度下腐蚀2∽4分钟。
N电极314使用电子束蒸发蒸镀AuGeNi金属制备,可以分层蒸镀,也可以用AuGe合金加Ni薄层结构制备,蒸镀完毕用300∽500度高温合金工艺获得良好欧姆接触。
为提高芯片打线的可靠性,在P电极、N电极上分别蒸镀厚层1∽3微米Au层或者2∽15微米的Al层。
芯片制备完毕后利用切割工艺将管芯分开,按点测指标对电压、亮度、波长进行分档,分类包装后入库。