專利名稱：一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子半導(dǎo)體，特別是一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管及 其制作方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)是一種冷光發(fā)光組件，發(fā)光二 極管的優(yōu)點在于體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、反應(yīng)速率快、耐震性特佳，能 夠配合各種應(yīng)用設(shè)備的輕、薄、及小型化的需求，因而廣泛應(yīng)用于照明、數(shù)碼 顯示等領(lǐng)域。以磷化鋁鎵銦(AlGalnP)發(fā)光二極管為例，磷化鋁鎵銦為一四元 素化合物半導(dǎo)體材料，適合用于制造高亮度紅、橙、黃、及黃綠光發(fā)光二極管， 其擁有高發(fā)光效率、并生長在與其晶格匹配的砷化鎵(GaAs)襯底上。然而， 由于砷化鎵襯底具有吸光性，因此會吸收磷化鋁鎵銦發(fā)出的可見光，且其熱傳 導(dǎo)性較差，因此限制了其在大電流工作時的發(fā)光效率。
如圖1是傳統(tǒng)的用金屬有機化合物氣相沉積(M0CVD)技術(shù)在GaAs襯底上 外延生長的現(xiàn)有常規(guī)AlGalnP多量子阱(MQW)發(fā)光二極管100剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 此AlGalnP多量子阱(MQW)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括n-GaAs襯底101， n-GaAs緩 沖層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(qū)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(qū) 復(fù)合發(fā)光，發(fā)出的光是隨機取向的。對于這種結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管來說，有幾種
因素限制了光的提取效率半導(dǎo)體材料和其周圍煤質(zhì)之間折射率差偏大導(dǎo)致的
內(nèi)部反射，金屬電極的遮擋，GaAs襯底吸收等。這樣，有源區(qū)發(fā)出的光射向上 表面的光子有一定的幾率能提取出來，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(nèi)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(dǎo)體材料內(nèi) 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(qū)之間生長了布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflectors, DBRs)，以便 把背面的光反射到芯片表面。圖2是一現(xiàn)有帶有高反射率DBR的AlGalnP多量 子阱(MQW)發(fā)光二極管200剖面結(jié)構(gòu)示意圖。此AlGalnP多量子阱(MQW)發(fā) 光二極管結(jié)構(gòu)包括n-GaAs襯底201 ， n-GaAs緩沖層202， DBRs結(jié)構(gòu)層203， n-AllnP 下限制層(n-cladding layer) 204，非摻雜的(Al。.15Ga。.85) 。.5InQ5P MQW有源區(qū) 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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在GaAs襯底和有源區(qū)之間生長了 DBRs結(jié)構(gòu)， 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 范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(dāng)部分的光被GaAs襯底吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管及其制作方法，以提 高發(fā)光二極管芯片的取光效率，從而提高LED芯片的外量子效率。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)
光二極管，其特征在于在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片，其由第一導(dǎo)電
型歐姆接觸電極、第一導(dǎo)電型歐姆接觸層、第一導(dǎo)電型電流擴展層、第一導(dǎo)電 型下限制層、非摻雜的有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制層、第二導(dǎo)電型電流擴展層、
第二導(dǎo)電型歐姆接觸層堆疊而成；外延片中設(shè)有反光鏡，反光鏡依次由介質(zhì)層， 金屬層和阻擋層層層積淀形成；永久性襯底是在基板上是淀積生長粘貼層、金 屬焊料層積淀在粘貼層上；金屬電極淀積在永久性襯底底部；外延片以倒裝方 式疊置于永久襯底上，并在真空下鍵合。
一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于包括發(fā)光 二極管外延片及永久性襯底的制作方法，制作步驟如下
(1) 用M0CVD外延生長技術(shù)在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片，依次包含 第一導(dǎo)電型襯底、第一導(dǎo)電型緩沖層、第一導(dǎo)電型蝕刻截止層、第一導(dǎo)電 型歐姆接觸層、第一導(dǎo)電型電流擴展層、第一導(dǎo)電型下限制層、非摻雜的 有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制層、第二導(dǎo)電型電流擴展層和第二導(dǎo)電型歐姆 接觸層；
(2) 在發(fā)光二極管外延片第二導(dǎo)電型歐姆接觸層上做光罩形成圖形，即采用干 法蝕刻第二導(dǎo)電型歐姆接觸層和第二導(dǎo)電型電流擴展層；然后濕法蝕刻第 二導(dǎo)電型上限制層、非摻雜的有源區(qū)和第一導(dǎo)電型下限制層；最后去除殘 余的光阻；
(3) 在前述外延片上淀積介質(zhì)層，然后通過光罩形成圖形，采用濕法蝕刻掉第 二導(dǎo)電型歐姆接觸層中央的介質(zhì)層；最后去除殘余的光阻；
(4) 在前述有圖案的介質(zhì)層上淀積金屬層，金屬層和介質(zhì)層聯(lián)合作為反光鏡；
(5) 在前述金屬層上淀積阻擋層，用于阻擋金屬焊料與金屬層之間的互擴散；
(6) 制作永久性襯底，先在基板襯底上生長一層粘貼層；(7) 再在粘貼層上淀積金屬焊料層；
(8) 前述的制作好帶有反光鏡的外延片以倒裝方式疊置于基板上，在真空下鍵合，
(9) 在永久性襯底底部淀積金屬電極；
(10) 去掉發(fā)光二極管外延片第一導(dǎo)電型襯底、第一導(dǎo)電型緩沖層和第一導(dǎo)電 型蝕刻截止層；
(11) 在發(fā)光二極管外延片第一導(dǎo)電型歐姆接觸層上淀積圖形電極；
(12) 以上述圖形電極為掩膜濕法蝕刻第一導(dǎo)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于在永久性襯底上，其鍵合溫度在20(TC 50(TC， 鍵合壓力在10 8000牛頓。
在本發(fā)明中，第一導(dǎo)電型下限制層、非摻雜的有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制 層、第二導(dǎo)電型電流擴展層和第二導(dǎo)電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結(jié)構(gòu)；介 質(zhì)層和金屬層聯(lián)合作為反光鏡；介質(zhì)層為二氧化硅、氮化硅、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(fā)明由第一導(dǎo)電型下限制層、非摻雜的有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制層、 第二導(dǎo)電型電流擴展層和第二導(dǎo)電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結(jié)構(gòu)，解決常
規(guī)矩形結(jié)構(gòu)中光的波導(dǎo)效應(yīng)帶來的光損失問題，可大幅度提升取光效率。


圖1為現(xiàn)有常規(guī)AlGalnP多量子阱(MQW)發(fā)光二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有帶有高反射率DBR的AlGalnP多量子阱(MQW)發(fā)光二極管的剖 面結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明用M0CVD外延生長技術(shù)在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片
的層狀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明永久性襯底的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖6A為本發(fā)明具體實施例在二極管外延片上制作蝕刻道圖形圖6B為本發(fā)明具體實施例在二極管外延片上制作接觸點圖形具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
如圖3 圖5所示的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，在GaAs襯底上 生長發(fā)光二極管外延片300，其由第一導(dǎo)電型歐姆接觸電極505、第一導(dǎo)電型歐 姆接觸層304、第一導(dǎo)電型電流擴展層305、第一導(dǎo)電型下限制層306、非摻雜 的有源區(qū)307、第二導(dǎo)電型上限制層308、第二導(dǎo)電型電流擴展層309、第二導(dǎo) 電型歐姆接觸層310堆疊而成。外延片中設(shè)有反光鏡，反光鏡依次由介質(zhì)層501， 金屬層502和阻擋層503層層積淀形成，介質(zhì)層501為二氧化硅、氮化硅、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積淀在粘貼層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淀積在永久性襯底400底部；外延片300 以倒裝方式疊置于基板襯底401上，并在真空下鍵合形成本發(fā)明的發(fā)光二極管 結(jié)構(gòu)。
上述一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管的制作方法，包括發(fā)光二極管外 延片及永久性襯底的制作方法，制作步驟如下
第1步驟用MOCVD外延生長技術(shù)在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片300， 依次包含第一導(dǎo)電型襯底301、第一導(dǎo)電型緩沖層302、第一導(dǎo)電型蝕刻截 止層303、第一導(dǎo)電型歐姆接觸層304、第一導(dǎo)電型電流擴展層305、第一 導(dǎo)電型下限制層306、非摻雜的有源區(qū)307、第二導(dǎo)電型上限制層308、第 二導(dǎo)電型電流擴展層309和第二導(dǎo)電型歐姆接觸層310;
第2步驟在發(fā)光二極管外延片300第二導(dǎo)電型歐姆接觸層310上做光罩形成 圖形，即采用干法蝕刻第二導(dǎo)電型歐姆接觸層310和第二導(dǎo)電型電流擴展 層309;然后濕法蝕刻第二導(dǎo)電型上限制層308、非摻雜的有源區(qū)307和第 一導(dǎo)電型下限制層306;最后去除殘余的光阻；
第3步驟在前述外延片上淀積介質(zhì)層501，然后通過光罩形成圖形，采用濕法 蝕刻掉第二導(dǎo)電型歐姆接觸層中央的介質(zhì)層；最后去除殘余的光阻；
第4步驟在前述有圖案的介質(zhì)層上淀積金屬層502，金屬層和介質(zhì)層聯(lián)合作為
反光鏡；
第5步驟在前述金屬層上淀積阻擋層503，用于阻擋金屬焊料與金屬層之間的 互擴散；
第6步驟制作永久性襯底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上淀積金屬焊料層403;
第8步前述的制作好帶有反光鏡的外延片300以倒裝方式疊置于基板上，在 真空下鍵合；
第9步驟在永久性襯底400底部淀積金屬電極504;
第10步驟去掉發(fā)光二極管外延片300第一導(dǎo)電型襯底301、第一導(dǎo)電型緩沖
層302和第一導(dǎo)電型蝕刻截止層303; 第11步驟在發(fā)光二極管外延片300第一導(dǎo)電型歐姆接觸層304上淀積圖形電
極505;
第12步驟以上述圖形電極505為掩膜濕法蝕刻第一導(dǎo)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。
以上述步驟對于具體發(fā)光二極管的制作進行說明，首先在發(fā)光二極管外延
片上制作蝕刻道圖形(見圖6A)，圖6A中格子陰影部分為蝕刻道區(qū)域，該蝕刻 道區(qū)域無光阻保護，采用干法蝕刻(RIE)第二導(dǎo)電型歐姆接觸層重?fù)絧-GaP和 第二導(dǎo)電型電流擴展層低摻p-GaP，然后濕法蝕刻第二導(dǎo)電型上限制層p-AlInP， 非摻雜的有源區(qū)，第一導(dǎo)電型下限制層n-AlInP，去除殘留的光阻。在上述外延 片上淀積O. 1 1.0umSi02介質(zhì)層，然后制作接觸點圖形(見圖6B)，其中全黑 陰影部分為無光阻保護，然后采用緩沖HF酸(BOE)蝕刻該部分的Si02介質(zhì)層， 去除殘留的光阻。在前述介質(zhì)層上淀積O. 1 1.0um Au，在45(TC 550。C下熔
合，然后淀積上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片上淀積0. 1 0. 5u m Cr做為粘貼層，然后淀積上一層3 ii m以上AuSn合金做為金屬焊料層。
把上述制作好的外延片倒扣在上述制作好的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 片底部淀積Cr/Au，其中Cr厚度為0. 1 1.0um， Au厚度為0. 1 2. 0 y m;然 后采用NH40H和^02配比溶液去除GaAs襯底及緩沖層n-GaAs，再用HC1和H20 配比溶液去除蝕刻截止層GalnP，然后在第一導(dǎo)電型歐姆接觸層n-GaAs上淀積 圖形電極，以上述圖形電極為掩膜濕法蝕刻第一導(dǎo)電型歐姆接觸層n-GaAs，然 后在35(TC 45(TC下熔合，使圖形電極和第一導(dǎo)電歐姆接觸層形成良好的歐姆 接觸；最后蝕刻臺面，切割形成管芯。
權(quán)利要求
1.一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，其特征在于在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片(300)，其由第一導(dǎo)電型歐姆接觸電極(505)、第一導(dǎo)電型歐姆接觸層(304)、第一導(dǎo)電型電流擴展層(305)、第一導(dǎo)電型下限制層(306)、非摻雜的有源區(qū)(307)、第二導(dǎo)電型上限制層(308)、第二導(dǎo)電型電流擴展層(309)、第二導(dǎo)電型歐姆接觸層(310)堆疊而成；外延片(300)中設(shè)有反光鏡，反光鏡依次由介質(zhì)層(501)，金屬層(502)和阻擋層(503)層層積淀形成；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)積淀在粘貼層(402)上；金屬電極(504)淀積在永久性襯底(400)底部；外延片(300)以倒裝方式疊置于基板襯底(401)上，并在真空下鍵合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，其特征在于 第一導(dǎo)電型下限制層、非摻雜的有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制層、第二導(dǎo)電型 電流擴展層和第二導(dǎo)電型歐姆接觸層形成一種倒梯形結(jié)構(gòu)；
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，其特征在 于介質(zhì)層(501)為二氧化硅、氮化硅、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(jù)權(quán)利要求1所述的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，其特征在于 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(jù)權(quán)利要求1所述的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管，其特征在于-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(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于包括發(fā)光二 極管外延片及永久性襯底的制作方法，制作步驟如下(1) 用M0CVD外延生長技術(shù)在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片(300)，依次 包含第一導(dǎo)電型襯底(301)、第一導(dǎo)電型緩沖層(302)、第一導(dǎo)電型蝕刻截 止層(303)、第一導(dǎo)電型歐姆接觸層(304)、第一導(dǎo)電型電流擴展層(305)、 第一導(dǎo)電型下限制層(306)、非摻雜的有源區(qū)(307)、第二導(dǎo)電型上限制層(308) 、第二導(dǎo)電型電流擴展層(309)和第二導(dǎo)電型歐姆接觸層(310);(2) 在發(fā)光二極管外延片(300)第二導(dǎo)電型歐姆接觸層(310)上做光罩形成位， 即采用干法蝕刻第二導(dǎo)電型歐姆接觸層(310)和第二導(dǎo)電型電流擴展層(309) ;然后濕法蝕刻第二導(dǎo)電型上限制層(308)、非摻雜的有源區(qū)(307)和 第一導(dǎo)電型下限制層(306);最后去除殘余的光阻；(3) 在前述外延片上淀積介質(zhì)層(501)，然后通過光罩形成圖形，采用濕法蝕 刻掉第二導(dǎo)電型歐姆接觸層中央的介質(zhì)層；最后去除殘余的光阻；(4) 在前述有圖案的介質(zhì)層上淀積金屬層(502)，金屬層和介質(zhì)層聯(lián)合作為反 光鏡；(5) 在前述金屬層上淀積阻擋層(503)，用于阻擋金屬焊料與金屬層之間的互 擴散；(6) 制作永久性襯底(400)，先在基板襯底(401)上生長一層粘貼層(402);(7) 再在粘貼層(402)上淀積金屬焊料層(403);(8) 前述的制作好帶有反光鏡的外延片(300)以倒裝方式疊置于基板上，在真 空下鍵合；(9) 在永久性襯底(400)底部淀積金屬電極(504);(10) 去掉發(fā)光二極管外延片(300)第一導(dǎo)電型襯底(301)、第一導(dǎo)電型緩沖層(302)和第一導(dǎo)電型蝕刻截止層(303);(11) 在發(fā)光二極管外延片(300)第一導(dǎo)電型歐姆接觸層(304)上淀積圖形 電極505;(12) 以上述圖形電極(505)為掩膜濕法蝕刻第一導(dǎo)電型歐姆接觸層(304);(13) 蝕刻臺面；(14) 切割形成管芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種倒梯形微結(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管的制作方法，其 特征在于外延片(300)以倒裝方式疊置于在永久性襯底(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(jié)構(gòu)高亮度發(fā)光二極管及其制作方法，在GaAs襯底上生長發(fā)光二極管外延片由第一導(dǎo)電型接觸電極、第一導(dǎo)電型歐姆接觸層、第一導(dǎo)電型電流擴展層、第一導(dǎo)電型下限制層、非摻雜的有源區(qū)、第二導(dǎo)電型上限制層、第二導(dǎo)電型電流擴展層、第二導(dǎo)電型歐姆接觸層堆疊而成；外延片中設(shè)有反光鏡，反光鏡依次由介質(zhì)層，金屬層和阻擋層層層積淀形成；永久性襯底是由基板襯底上是生長粘貼層、金屬焊料層積淀在粘貼層上；金屬電極淀積在永久性襯底底部；外延片以倒裝方式疊置于基板襯底上并在真空下鍵合。在外延片中形成一種倒梯形結(jié)構(gòu)，解決常規(guī)矩形結(jié)構(gòu)中光的波導(dǎo)效應(yīng)帶來的光損失問題，并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(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者吳志強, 林雪嬌, 洪靈愿, 潘群峰, 陳文欣 申請人:廈門三安電子有限公司