一种正极性高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法

摘要

一种正极性高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法，属于LED生产应用技术领域，在永久基板一侧依次设置金属键合层、n‑GaAs欧姆接触层、n‑AlGaInP限制层、MQW有源层、p‑AlGaInP限制层和p‑GaP电流扩展层，在p‑GaP电流扩展层上分别设置P电极和透明导电层，p‑GaP电流扩展层朝向透明导电层的表面均布半球形粗化层。本发明发光层与P电极形成良好的导电层，形成一种渐变式折射率材料的组合层，可以进一步地增加元件出光效率，提高LED的光效。

权利要求

1.一种正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管，包括永久基板，在永久基板的一侧设置N电极，在永久基板的另一侧依次设置金属键合层、n-GaAs 欧姆接触层、n-AlGaInP 限制层、MQW 有源层、p-AlGaInP 限制层和p-GaP 电流扩展层，在p-GaP 电流扩展层上分别设置P电极和透明导电层，其特征在于：所述p-GaP 电流扩展层朝向透明导电层的表面具有纳米柱阵列的粗化层；所述n-GaAs欧姆接触层呈直径为 5～20μm、间距为5～20 μm的圆柱形阵列；其特征在于制备方法包括以下步骤：

1）在外延层基板上采用金属有机化学气相沉积法依次外延生长n-GaAs 缓冲层、GaInP阻挡层、n-GaAs 欧姆接触层、n-AlGaInP 限制层、MQW 有源层、p-AlGaInP 限制层和p-GaP 电流扩展层，再以PECVD法于p-GaP 电流扩展层表面沉积SiO2层，于SiO2层表面用电子束蒸镀沉积铝层；

2）在暂时硅基板的表面以沉积铝层；

3）将沉积有铝层的暂时硅基板与外延层基板上的铝层相对，经压合，形成半制品；

4）去除半制品的外延层基板、n-GaAs 缓冲层、GaInP阻挡层，直至露出n-GaAs 欧姆接触层；

5）在n-GaAs 欧姆接触层上制作直径为 5～20μm、间距为5～20μm的圆点阵列式AuGe/Au金属掩膜层；

6）将半制品快速退火，使AuGe/Au金属掩膜层和n-GaAs 欧姆接触层形成欧姆接触；

7）将半制品浸泡于由氨水与双氧组成的混合溶液中，蚀刻去除无AuGe/Au金属掩膜层处的n-GaAs 欧姆接触层，以在n-AlGaInP 限制层上形成呈圆柱阵列的n-GaAs 欧姆接触层，各圆柱的直径为5～20 μm ，柱间距为5～20 μm；

8）将半制品清洗后，在n-GaAs 欧姆接触层表面蒸镀Au键合层，并使部分Au分布在所述圆柱阵列的柱间间隙中；

9）在永久基板的一侧蒸镀Au键合金层；

10）通过Au键合金层将永久基板和半制品形成键合，取得键合的芯片；

11）将键合的芯片以HF和H2O混合溶液浸泡，去除暂时硅基板及两侧的铝层和SiO2层；

12）在P-GaP电流扩展层表面蚀刻出P电极区域预留孔，并在P电极区域预表面形成保护层；然后在P-GaP电流扩展层表面旋涂由聚苯乙烯次微米球、水和酒精组成的混合液，以使聚苯乙烯次微米球在P-GaP电流扩展层表面形成单层均匀密布的聚苯乙烯次微米球层；再经感应式耦合离子体蚀刻，在P-GaP电流扩展层表面蚀刻形成纳米柱阵列的粗化层；

13）去除P电极区域预表面的保护层；

14）清洗去除P-GaP电流扩展层表面的聚苯乙烯次微米球；

15）在具有纳米柱阵列图案的粗化层的P-GaP电流扩展层表面蒸镀沉积氧化铟锡透明导电层；

16）在P电极区域预留孔上制作形成P电极；

17）在永久硅板表面制作形成N电极；

18）将半制品经退火，得正极性高亮度AlGaInP发光二极管。

2.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于所述步骤1）中外延生长的n-GaAs 欧姆接触层的厚度为30～60nm，其中硅掺杂浓度优选1×

1019cm-3 以上；P-GaP 电流扩展层厚度为2～5μm，其中镁掺杂浓度为8×1017cm-3～1×10 

19cm-3。

3.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤

3）中，压合时，先经温度为100℃、压力为1000kg的第一段作用5min，再经温度为150℃温度、压力为2000kg的第二段作用5min。

4.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤

11）中，所述HF和H2O的混合体积比为1∶10。

5.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤

12）中，所述聚苯乙烯次微米球层中聚苯乙烯次微米球的直径为300～600 nm，聚苯乙烯次微米球的间距为100～500nm。

6.根据权利要求1或5所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤12）中，所述旋涂时，采用自动匀胶机以5秒500 rpm和20秒2000 rpm两段式的转速进行旋涂。

7.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤

12）中，所述感应式耦合离子体蚀刻形成的粗化层的深度为200～500nm。

8.根据权利要求1所述正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制备方法，其特征在于步骤

15）中，氧化铟锡透明导电层的厚度为200～350nm。

说明书

一种正极性高亮度AlGaInP发光二极管及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于LED生产应用技术领域，特别涉及AlGaInP发光二极管的制造工艺。

背景技术

[0002] 提升发光二极管的出光效率的技术，大致可分为两类：

[0003] 一类以改变外延生长结构来改善发光效率，例如：使用布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR）生长于AlGaInP LEDs器件结构中以增加光的反射率，其中布拉格反射镜是以两种材料重复堆栈而成，一是具λ/4 厚的高折射率材料，另一为λ/4 厚的低折射率材料，为提高其反射率，须将两类材料之间的折射率差（Δn）最大化，将发光层产生的光子反射至上层，此方式将大幅的减少向下的光子被砷化镓基板吸收。

[0004] 另一类以改变芯片制作工艺来改善取光效率，例如：利用氧化铟锡（ITO）透明导电膜作为电流扩散层，氧化铟锡（ITO）透明导电膜在红光、黄光波段光的穿透率达到 90% 以上。使用晶圆接合技术（wafer bonding technology）为金属共晶键合法（eutectic bonding），这方式是先将两种具有共晶相的金属分别镀在两个不同的芯片上，将两个芯片金属镀面接触，此方式材料就能在较相对低温下键合，例如 In-Ag、Sn-Au、In-Au、Au-Au，并搭配接合层形成镜面反射镜。表面粗化技术，可以分成湿式蚀刻与干式蚀刻粗化表面，光子经过粗糙处理的表面，可改变其光行走路径而增加光逃出的机率。

[0005] 目前的 AlGaInP LEDs 晶圆经过一次贴合至硅基板上，使得n面向上p面向下的反极性倒装结构，使得作为窗口层的p-GaP 掩埋于镜面层与基板中，无法发挥其在LED器件中增加出光的效用。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种可解决砷化镓基板散热不良与及n-GaAs欧姆接触层的吸光问题的正极性高亮度AlGaInP发光二极管。

[0007] 本发明在永久基板的一侧设置N电极，在永久基板的另一侧依次设置金属键合层、n-GaAs 欧姆接触层、n-AlGaInP 限制层、MQW 有源层、p-AlGaInP 限制层和p-GaP 电流扩展层，在p-GaP 电流扩展层上分别设置P电极和透明导电层，其特点是：所述p-GaP 电流扩展层朝向透明导电层的表面均布半球形粗化层。

[0008] 本发明的p-GaP 电流扩展层朝向透明导电层的表面均布半球形粗化层，并在p-GaP 电流扩展层上形成氧化铟锡透明导电膜层，发光层与P电极形成良好的导电层，形成一种渐变式折射率材料的组合层，可以进一步地增加元件出光效率，提高LED的光效。

[0009] 此外，为了减少光被n-GaAs 欧姆接触层吸收，本发明所述n-GaAs欧姆接触层呈直径为 5～20μm、间距为5～20 μm的圆柱形阵列。该阵列保证了n-GaAs欧姆接触层与器件的电学导通，且减少器件中n-GaAs欧姆接触层的吸光效率，可获得散热性能好、亮度高的AlGaInP发光二极管。

[0010] 本发明另一目的是提出以上产品的制造方法。

[0011] 本发明制造方法包括以下步骤：

[0012] 1）在外延层基板上采用金属有机化学气相沉积法依次外延生长n-GaAs 缓冲层、GaInP阻挡层、n-GaAs 欧姆接触层、n-AlGaInP 限制层、MQW 有源层、p-AlGaInP 限制层和p-GaP 电流扩展层，再以PECVD法于p-GaP 电流扩展层表面沉积SiO2层，于SiO2层表面用电子束蒸镀沉积铝层；

[0013] 2）在暂时硅基板的表面以沉积铝层；

[0014] 3）将沉积铝层有暂时硅基板的暂时硅基板与外延层基板上的铝层相对，经压合，形成半制品；

[0015] 4）去除半制品的外延层基板、n-GaAs 缓冲层、GaInP阻挡层，直至露出n-GaAs 欧姆接触层；

[0016] 5）在n-GaAs 欧姆接触层上制作直径为 5～20μm、间距为5～20μm的圆点阵列式AuGe/Au金属掩膜层；

[0017] 6）将半制品快速退火，使AuGe/Au金属掩膜层和n-GaAs 欧姆接触层形成欧姆接触；

[0018] 7）将半制品浸泡于由氨水与双氧组成的混合溶液中，蚀刻去除无AuGe/Au金属掩膜层处的n-GaAs 欧姆接触层，以在n-AlGaInP 限制层上形成呈圆柱阵列的n-GaAs 欧姆接触层，各圆柱的直径为5～20 μm ，柱间距为5～20 μm；

[0019] 8）将半制品清洗后，在n-GaAs 欧姆接触层表面蒸镀Au键合层，并使部分Au分布在所述圆柱阵列的柱间间隙中；

[0020] 9）在永久基板的一侧蒸镀Au键合金层；

[0021] 10）通过Au键合金层将永久基板和半制品形成键合，取得键合的芯片；

[0022] 11）将键合的芯片以HF和H2O混合溶液浸泡，去除暂时硅基板及两侧的铝层和SiO2层；

[0023] 12）在P-GaP电流扩展层表面蚀刻出P电极区域预留孔，并在P电极区域预表面形成保护层；然后在P-GaP电流扩展层表面旋涂由聚苯乙烯次微米球、水和酒精组成的混合液，以使聚苯乙烯次微米球在P-GaP电流扩展层表面形成单层均匀密布的聚苯乙烯次微米球层；再经感应式耦合离子体蚀刻，在P-GaP电流扩展层表面蚀刻形成纳米柱阵列的粗化层；

[0024] 13）去除P电极区域预表面的保护层；

[0025] 14）清洗去除P-GaP电流扩展层表面的聚苯乙烯次微米球；

[0026] 15）在具有纳米柱阵列图案的粗化层的P-GaP电流扩展层表面蒸镀沉积氧化铟锡透明导电层；

[0027] 16）在P电极区域预留孔上制作形成P电极；

[0028] 17）在永久硅板表面制作形成N电极；

[0029] 18）将半制品经退火，得正极性高亮度AlGaInP发光二极管。

[0030] 为了让P-GaP电流扩展层能够充分发挥窗口层增加出光的功能，本发明采用上述制作工艺解决砷化镓基板散热不良与及n-GaAs 欧姆接触层的吸光问题，以二次翻转技术将AlGaInP LEDs 晶圆转移到散热特性较好的基板上，AlGaInP LEDs 晶圆与基板间用反射率 99%之Au金属当作镜面，以最大限度将光反射回来。使其P面向上N面向下形成正极性结构，P-GaP电流扩展层朝上，用干蚀刻的方式让P-GaP电流扩展层表面形成纳米柱以达到粗化效果，在P-GaP电流扩展层表面蒸镀一层氧化铟锡透明导电膜层，发光层与P电极形成良好的导电层，形成一种渐变式折射率材料的组合层，可以进一步地增加元件出光效率。

[0031] 本发明工艺合理，制成的产品合格率高。

[0032] 以上工艺中，在P-GaP 电流扩展层表面沉积一层SiO2，在SiO2层上沉积一层铝层，以作为第一次贴合方式转移至暂时硅基板上的结合层。

[0033] 在永久基板表面用电子束蒸镀键合层金属，在AuGe/Au层圆点阵列层上以电子束蒸镀的键合层金属，分别作为高反射率的反射镜层与共晶键合层。

[0034] 进一步地，本发明n-GaAs 欧姆接触层的厚度为30～60nm，其中硅掺杂浓度优选1×1019cm-3 以上；P-GaP 电流扩展层厚度为2～5μm，其中镁掺杂浓度为8×1017cm-3～1×10 19cm-3。掺杂浓度范围主要是为了形成良好的欧姆接触，达到良好的器件性能。以上P-GaP 电流扩展层的厚度及掺杂浓度的设计是为了形成良好的欧姆接触，达到良好的器件性能[0035] 氧化铟锡透明导电层厚度为200～350nm，该厚度是通过AlGaInP发光波长计算得出的最佳厚度，其主要作用是与高掺的P-GaP形成欧姆接触并对电流形成良好的扩展。

[0036] 步骤3）中，压合时，先经温度为100℃、压力为1000kg的第一段作用5min，再经温度为150℃温度、压力为2000kg的第二段作用5min。实现两者的暂时结合，这样可以使Al层键合效果好，以便后续工艺使用BOE去除Al与SiO2层材料，去除率高，去除效果较好。

[0037] 所述步骤11）中，所述HF和H2O的混合体积比为1∶10。

[0038] 步骤12）中，所述聚苯乙烯次微米球层中聚苯乙烯次微米球的直径为300～600 nm，聚苯乙烯次微米球的间距为100～500nm。聚苯乙烯次微米球的这种直径与间距能形成良好的外观效果，利于提升芯片的出光效率；

[0039] 步骤12）中，所述旋涂时，采用自动匀胶机以5秒500 rpm和20秒2000 rpm两段式的转速进行旋涂。可使涂布层更加均匀。

[0040] 步骤12）中，所述感应式耦合离子体蚀刻形成的粗化层的深度为200～500nm。利于提升芯片的出光效率。

附图说明

[0041] 图1为本发明制作过程中的一个示意图。

[0042] 图2为本发明成品的一种结构示意图。

具体实施方式

[0043] 一、制备工艺：

[0044] 1、在厚度为250～350μm的外延层基板的GaAs 衬底100 上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长n-GaAs 缓冲层101、GaInP阻挡层102、n-GaAs 欧姆接触层103、n-AlGaInP 限制层104、MQW 有源层105、p-AlGaInP 限制层106，p-GaP 电流扩展层107。

[0045] 其中n-GaAs 欧姆接触层103的厚度优选30～60nm，其硅掺杂浓度优选1×1019cm-3 以上，p-GaP 电流扩展层107采用镁掺杂，镁掺杂浓度为8×1017cm-3～1×10 19cm-3，p-GaP 电流扩展层107厚度为2～5μm。

[0046] 将完成外延制作的芯片用511 溶液清洗p-GaP 电流扩展层107的表面，然后用PECVD法沉积500nm厚度的SiO2层108，用电子束蒸镀沉积3μm厚度的铝层109。

[0047] 2、在厚度为300～800nm（本例为180μm）的暂时硅基板200的表面以电子束蒸镀沉积3μm厚度的铝层201，以作为第一次贴合方式转移至暂时硅基板上的结合层。

[0048] 3、将完成蒸镀的AlGaInP发光二极管芯片的铝层109与暂时硅基板200相对，在经第一段在100℃，压力1000kg，时间5min，第二段 150℃温度、2000kg 压力、5min条件下实现两者暂时结合，形成的半制品如图1所示。

[0049] 4、采用氨水和双氧水混合溶液完全去除半制品的GaAs 衬底100和n-GaAs 缓冲层101，再采用盐酸、磷酸和水的混合溶液完全去除GaInP阻挡层102，并使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min。

[0050] 5、在n-GaAs 欧姆接触层103上旋涂负性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影通过高速旋干机将样品旋干、等离子打胶后，在n-GaAs 欧姆接触层103上，采用电子束蒸镀方式蒸镀AuGe/Au，厚度为150/200nm，再使用剥离技术去除光阻，以在n-GaAs 欧姆接触层103上形成作成直径为 5～20 μm 、间距为5～20 μm的圆点阵列式AuGe/Au金属掩膜层。

[0051] 6、将芯片经历400℃氮气氛围中退火30S，以获得AuGe/Au金属掩膜层和n-GaAs 欧姆接触层103形成良好的欧姆接触。

[0052] 7、将芯片浸泡于由氨水与双氧中以 1:10体积比混合配成的溶液中，将无AuGe/Au金属掩膜层处的n-GaAs 欧姆接触层103蚀刻掉。至此，形成了在n-AlGaInP 限制层104上呈圆柱阵列的n-GaAs 欧姆接触层103，各圆柱的5～20 μm ，柱间距为5～20 μm。

[0053] 8、将芯片使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min后，再采用电子束蒸镀的方式在n-GaAs 欧姆接触层103上蒸镀厚度为2～3μm 的Au键合层302，厚度为2000nm，并使部分Au分布在圆柱的柱间间隙中。

[0054] 该Au键合层302可作为键合层与反射镜层。

[0055] 9、将厚度为150～200μm的永久硅基板300用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，采用电子束蒸镀的方式在永久硅基板300上蒸镀厚度为2～3μm的Au键合金层301，厚度为2.5μm，Au键合金层301主要作为高反射率的反射镜层与共晶键合层。

[0056] 10、将蒸镀完成反射镜的芯片的Au键合金层301与永久硅基板300的Au键合金层301相对，利用晶圆键合技术，在300℃温度、4000kg 压力、30min条件下实现两者共晶键合，取得完成键合的AlGaInP发光二极管芯片。

[0057] 11、将AlGaInP发光二极管芯片，使用HF和H2O混合溶液（混合体积比为1∶10）浸泡，腐蚀图1中的SiO2层108，以使图1中的暂时硅基板200及其两侧的铝层201、铝层109自AlGaInP发光二极管芯片上分离下来，直至露出P-GaP电流扩展层107。

[0058] 12、用BOE（将氟化铵和氢氟酸以5:1的体积比混合形成）、511清洗裸露的P-GaP电流扩展层107，然后采用PECVD的方式在P-GaP电流扩展层107表面沉积一层SiO2，在SiO2层上旋涂正性光刻胶，经过烘烤、曝光、烘烤，完成SiO2电极预留孔层光刻，利用HF溶液蚀刻出图形化的P电极区域预留孔，通过去胶液去除表面旋涂正性光刻胶，以使P电极区域表面形成SiO2保护层。

[0059] 将聚苯乙烯次微米球与水混合，制成浓度为10 wt%的聚苯乙烯次微米球悬浮液，再将悬浮液与酒精以1∶1的体积比混合，然后将混合溶液注入到自动匀胶机内。利用自动匀胶机以5秒500 rpm以及20秒2000 rpm两段式的转速，将混合液旋涂至P-GaP电流扩展层107表面，在P-GaP电流扩展层107表面布满单层紧密排列的聚苯乙烯次微米球，聚苯乙烯次微米球的直径为300～600 nm，聚苯乙烯次微米球的间距为100～500nm。

[0060] 完成涂布后，将芯片置于感应式耦合离子体蚀刻机台内，调节蚀刻的功率与气体流量，在P-GaP电流扩展层107表面蚀刻形成纳米柱阵列的粗化层，粗化层的深度为200～500nm。

[0061] 13、将芯片浸于BOE中，去除P电极区域表面的SiO2保护层。

[0062] 14、将完成P-GaP电流扩展层107表面粗化的芯片使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，去除P-GaP电流扩展层107上的聚苯乙烯次微米球。

[0063] 15、使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，采用电子束蒸镀的方式，在具有纳米柱阵列的粗化层的P-GaP电流扩展层107表面沉积厚度为200～350nm （本例为280nm） 的氧化铟锡透明导电层305，其中氧化铟锡源中锡含量为3～5%，氧化铟锡透明薄膜的透过率保证在95% 以上，方块电阻在10  Ώ 以内。

[0064] 16、将完成蒸镀氧化铟锡透明导电层108的芯片使用丙酮、IPA溶液进行超声清洗10min，旋涂负性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影通过高速旋干机将样品旋干、等离子打胶后，采用电子束蒸镀方式在P电极区域留孔上蒸镀P电极304，P电极材料为Cr、Ti、Al，厚度分别为50nm、300nm、3500nm，采用剥离的方式去除负性光刻胶。

[0065] 17、在永久硅板上制作N电极303，材料采用Ti/Pt/Au，厚度为30/50/300nm。

[0066] 18、将AlGaInP发光二极管经历250℃氮气氛围中退火30S，进行快速退火，可以使各层蒸镀电极与基板形成良好的粘附力。

[0067] 上述步骤完成二次翻转晶圆接合垂直式正极性高亮度AlGaInP发光二极管的制造的制作。

[0068] 二、形成的产品结构特点：

[0069] 如图2所示，在永久基板300的一侧设置N电极303，在永久基板300的另一侧依次设有金属键合层301、302、n-GaAs 欧姆接触层103、n-AlGaInP 限制层104、MQW 有源层105、p-AlGaInP 限制层106、p-GaP 电流扩展层107，在p-GaP 电流扩展层107上分别设置P电极304和透明导电层305。并且p-GaP 电流扩展层107朝向透明导电层305的表面具有纳米柱阵列的粗化层，n-GaAs欧姆接触层103呈直径为 5～20μm、间距为5～20 μm的圆柱形阵列。

[0070] 三、产品功能、参数特点：

[0071] 1、具有纳米柱阵列的粗化层的P-GaP电流扩展层107表面使产品从芯片正面出光，出光层依次P-GaP折射率为3.5，P-GaP电流扩展层107的该粗化层与氧化铟锡透明导电层305的组合层折射率为2.5，氧化铟锡透明导电层305的折射率为2，LED封装用的环氧树脂折射率为1.55左右，最终形成渐变式折射率，使其全反射角从17度增加到42度，大大减少光的全反射。

[0072] 2、LED晶圆与暂时性基板使用Al材料低温低压下键合形成合体层，低温键合过程分为二段，第一段在100℃，压力1000kg，时间5min，第二段 150℃温度、2000kg 压力、5min条件下实现两者暂时结合，这样可以使Al层键合效果好，然后使用BOE去除Al与SiO2层材料，去除率高，去除效果较好。

[0073] 3、与反极性倒装结构比，将n-GaAs 欧姆接触层103做成图形阵列孔，减少n-GaAs 欧姆接触层103的吸光效应，具有高掺杂浓度的P-GaP 电流扩展层107与氧化铟锡透明导电层305形成良好的欧姆接触，电流由P电极304流经氧化铟锡透明导电层305、P-GaP 电流扩展层107注入到MQW有源层105，可大大提升电子的有效注入效率，高反射率层中的金层可以将更多的光子反射回来，增加出光效率。

[0074] 4、利用二次贴合的方式将硅板作为永久硅基板，硅基板优良的散热功能，减少界面热效应损失，增加光电效应，可以大幅提升了发光二极管的发光亮度。

[0075] 以上实施例并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围情况下，还可做出同等的变化或变换。因此所有等同的技术方案也应该以属于本发明的范畴。