具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片及制备方法与流程

本发明涉及一种GaAs基LED(发光二极管)芯片及其制备方法，属于光电子技术领域。

背景技术：

LED作为21世纪的照明新光源，同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的l/10，而寿命却可以延长100倍。LED器件是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长，光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长等特点，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，LED作为新型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。

上世纪50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center为代表的诸多知名研究机构的努力下，以GaAs为代表的III–V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的III–V族半导体的生长突破了技术壁垒，各种波长的半导体发光二极管器件相继涌入市场。由于半导体发光二极管相对于目前的发光器件具有效率高、寿命长、抗强力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。但是由于III–V族半导体的折射率普遍较高(GaP：3.2)，这就导致LED的发光区域发出的光在经芯片表面出射到空气中时受制于界面全反射现象，只有极少部分的光可以出射到器件外部(GaP约为2.4％)。界面全反射现象导致LED的外量子效率低下，是制约LED替代现有照明器件的主要原因。

GaAs基LED芯片如何增加出光效率成为现阶段的主要研发方向，如果通过对外延层进行粗化，一般通过化学腐蚀实现，化学腐蚀存在腐蚀图形不稳定的问题，批量生产下会产生波动；如果采用ICP刻蚀法则受限设备，如何既能有效提升出光效率且能不影响电极及外延层成为现阶段研究的主要方向。

中国专利文献CN 105428485A公开的《GaP表面粗化的AlGaInP基LED及其制造方法》是直接将外延片浸入粗化液中，使裸露的p型GaP窗口层表面粗化，达到了湿法腐蚀粗化p型GaP窗口层表面的效果；沉积ITO膜作为电流扩展层。此方法是主要是对外延层上进行粗化，对于外延生长及外延层表面的要求较高，不易规模化生产。

现阶段大部分GaAs基LED芯片都是对外延层进行粗化，外延层粗化要求较高且不易形成较好的出射角度。

技术实现要素：

针对现有GaAs基LED芯片存在的出光效率有待提高的问题，本发明提供一种出光效率高的具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片，同时提供一种上述GaAs基LED芯片的制备方法，该制备方法流程简便、较大程度地提升电流扩展及光效。

本发明的具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片，采用以下技术方案：

该GaAs基LED芯片，包括N电极、GaAs衬底和外延层，N电极、GaAs衬底和外延层自下至上依次设置，外延层上设置有电流扩展层，电流扩展层上设置有p电极，p电极外围的电流扩展层为粗化电流扩展层。

上述GaAs基LED芯片通过在p电极下方设置未粗化的电流扩展层，而对p电极外围的电流扩展层粗化，p电极下方通过电流扩展层使电流更好的扩展，通过对p电极外围电流扩展层的粗化，改变光的出射角度，提高了出光效率，提升了GaAs基发光二极管的品质。

上述具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在GaAs衬底上生长外延层；

(2)在外延层表面涂负性光刻胶，在负性光刻胶上预留出所要制备p电极的区域，其余区域通过光刻得到负性光刻胶粗化图形；

(3)在步骤(2)所涂的整个负性光刻胶上(包括粗化与未粗化的区域)表面生长电流扩展层；

(4)通过剥离负性光刻胶，在负性光刻胶粗化图形区域得到粗化电流扩展层，在其它区域得到未粗化电流扩展层，并对粗化电流扩展层进行退火；

(5)在粗化电流扩展层上制备负性光刻胶电极图形(因负性光刻胶特性是将电极区域负性光刻胶去除,故负性光刻胶图形是制备在粗化电流扩展层而最终电极是制备在未粗化的电流扩展层上方)；

(6)在负性光刻胶电极图形上制备p电极；

(7)对GaAs衬底减薄及生长N电极。

所述步骤(2)中负性光刻胶所涂厚度为2-3μm。

所述步骤(3)是在100-150℃温度条件下，在负性光刻胶粗化图形表面上沉积一层ITO(氧化铟锡，透明导电材料)薄膜，形成电流扩展层。所述ITO薄膜的厚度为0.1-0.25μm。

所述步骤(4)中的退火是在380-450℃下进行。

所述步骤(5)是在粗化电流扩展层表面涂上厚度为3-4μm的负性光刻胶，通过光刻得到电极图形，电极图形正好与未粗化电流扩展层重合。

所述步骤(6)中在负性光刻胶图形上制备p电极的具体步骤如下：

①在负性光刻胶图形上表面镀一层厚度为0.05-0.1μm的Cr膜和1.5-2.5μm的Au膜；

②将p电极外的Cr膜和Au膜剥离掉，得到p电极。

所述步骤(7)中，对GaAs衬底减薄及生长N电极的具体步骤如下：

①对GaAs衬底减薄至厚度为150-220μm；

②在减薄后的GaAs衬底背面生长厚度0.3-0.5μm的Au膜作为N电极。

本发明通过设置粗化电流扩展层，避免了现有技术中对GaAs基LED芯片的外延层直接进行粗化造成的不稳定性，且通过负胶剥离的方式制备的粗化电流扩展层图形更稳定，提高了出光效率，避免了采用常规腐蚀法制备电极过程中的腐蚀液对粗化电流扩展层的腐蚀及对粗化面影响，通过负性光刻胶剥离制备电极的方法，避免了对粗化电流扩展层的损伤且电极图形更易焊线。

本发明中粗化电流扩展层制备过程使用负性光刻胶，采用最简便的负性光刻胶剥离的方法，利用负性光刻胶提高了粗化图形的稳定，得到更好的粗化电流扩展层。且能通过常规设备及常规方法实现，通过两次常规负胶剥离即可实现，流程简便适合规模化生产。

附图说明

图1是本发明中具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片的结构示意图。

图2是本发明中制备方法步骤(2)制得的GaAs基LED芯片的剖视图。

图3是本发明中制备方法步骤(4)制得的GaAs基LED芯片的剖视图。

图4是本发明中制备方法步骤(5)制得的GaAs基LED芯片的剖视图。

图5是本发明中制备方法步骤(6)制得的GaAs基LED芯片的剖视图。

图中：1、N电极，2、GaAs衬底，3、外延层，4、负性光刻胶粗化图形，5、粗化电流扩展层，6、未粗化电流扩展层，7、负性光刻胶，8、P电极。

具体实施方式

本发明的具有粗化电流扩展层的GaAs基LED芯片，如图1所示，由下往上依次为N电极1、GaAs衬底2、外延层3和电流扩展层，电流扩展层上设置有p电极7，除了p电极7下方的电流扩展层区域以外p电极7外围的电流扩展层区域为粗化电流扩展层5，也就是电流扩展层只在p电极7下方不是粗化结构，其余部分都是粗化的。

电流扩展层5中未粗化区域(即未粗化电流扩展层6)与P电极7重合，这样在p电极7下方通过没有粗化的电流扩展层将电流更好的扩展，通过对电流扩展层在P电极外其它区域均进行粗化改变光的出射角度，提高了出光效率，提升了GaAs基发光二极管的品质。

上述GaAs基LED芯片的制备方法，包括以下具体步骤。

(1)在GaAs衬底2上生长外延层3。

(2)在步骤(1)制备的外延层表面涂上厚度为2-3μm的负性光刻胶，在负性光刻胶上预留出所要制备p电极的区域，其余区域通过常规光刻得到负性光刻胶粗化图形4；如图2所示。

(3)在100-150℃温度条件下，在步骤(2)所涂的整个负性光刻胶上(包括粗化与未粗化的区域)沉积一层厚度为0.1-0.25μm的ITO薄膜，形成电流扩展层。

(4)通过常规负胶剥离方法得到粗化电流扩展层，并在380-450℃下，进行退火，制备出粗化电流扩展层5，而预留区域上的电流扩展层没有被粗化，为未粗化电流扩展层6，如图3所示。

(5)在步骤(4)制备的电流扩展层表面涂厚度为3-4μm的负性光刻胶，通过常规光刻得到负性光刻胶电极图形，电极图形正好与未粗化电流扩展层6的区域重合；如图4所示；

(6)在步骤(5)制备负性光刻胶电极图形上制备p电极，具体步骤如下：

a、在负性光刻胶电极图形上表面镀上一层厚度为0.05-0.1μm的Cr膜和1.5-2.5μm的Au膜；

b、通过常规剥离的方法将p电极外的Cr膜和Au膜剥离掉，得到p电极7。如图5所示

(7)对GaAs衬底进行常规减薄及生长N电极，具体步骤如下：

a、对GaAs衬底2进行常规减薄，减薄后厚度为150-220μm；

b、在减薄后的GaAs衬底背面生长0.3-0.5μm的Au膜作为N电极1。

本发明中，粗化电流扩展层5制备过程采用了最简便的方法，使用负性光刻胶，采用常规负性光刻胶剥离的方法制备，利用负性光刻胶，提高了粗化图形的稳定，得到更好的粗化电流扩展层。

在外延层3表面上沉积一层ITO薄膜，此ITO薄膜覆盖整个芯片表面且除P电极位置外其它区域均进行了粗化处理，电流能更好的扩展到整个芯片且通过对ITO薄膜的粗化使得光能得到更好的出射角度；通过退火使ITO薄膜与GaAs基发光二极管芯片外延层形成了良好的欧姆接触，大大降低了芯片的电压。

本发明通过生长有一层粗化电流扩展层且P电极下方为未粗化电流扩展层，在p电极下方通过电流扩展层将电流更好的扩展，通过对电流扩展层的粗化，改变光的出射角度，提高了出光效率，提升了GaAs基发光二极管的品质。