GaP表面粗化的AlGaInP基LED及其制造方法

摘要

GaP表面粗化的AlGaInP基LED及其制造方法，属于半导体技术领域，在GaAs衬底上生长形成外延片，在p型GaP窗口层表面制备欧姆接触点；将外延片浸入粗化液中，使裸露的p型GaP窗口层表面粗化；在p型GaP窗口层表面形成电流扩展层；再形成主电极图形窗口、完成主电极的制作、在衬底背面蒸镀背电极。本发明在GaP表面制备欧姆接触点；无掩膜条件下，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。本发明工艺简单，可提高电光转换效率，LED材料本身吸收的光减少，可延长LED的寿命。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及AlGaInP基LED的结构及其制造方法。

背景技术

与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP基材料是一种直接带隙半导体，通过调整Al和Ga的比例，禁带宽度可在1.9eV～2.3eV之间变化，AlGaInP基LED的波长范围可以覆盖550nm～650nm。因此，AlGaInP基材料已广泛应用于红光、橙光、黄绿光LED的制造。由于AlGaInP基材料的折射率n高达3.0～3.5，远高于环氧树脂、硅胶(n≈1.5)等LED常规封装材料。根据光的全反射定律可知，光从光密媒质进入光疏媒质会在界面处产生全反射现象，而且界面两侧的折射率差异越大，全反射临界角越小。这使得AlGaInP基LED的出光效率很低。事实上，该问题也存在于GaAsLED和GaNLED中。

对此，I.Schnitzer等提出了表面粗化提高GaAsLED的外量子效率的方法[Appl.Phys.Lett.,Vol.63,No.16,2174-2176,(1993)]。S.Fan等提出采用二维光子晶体将有源区发出的光耦合输出，从而提高出光效率[Phys.Rev.Lett.,Vol.78,No.17,3294-3297,(1997)]。M.R.Krames等将AlGaInPLED芯片切割成截角倒金字塔形(truncated-inverted-pyramid)，从而改变射向侧壁的光线与侧壁法向之间的夹角，减少界面全反射，提高出光效率[Appl.Phys.Lett.,Vol.75,No.16,2365-2367,(1999)]。C.S.Chang等采用光刻制备掩膜图形，再采用ICP干法刻蚀在GaNLED侧壁形成半圆形周期性图案，提高出光效率[IEEEPhotonic.Technol.Lett.,Vol.16,No.3,750-752,(2004)]。

在上述方法中，通过表面粗化来提高LED出光效率的方法已被业界广泛采用，成为LED行业的一种惯用技术。郝霄鹏等人提出了采用ITO颗粒掩膜，干法蚀刻粗化GaP的方法[中国发明专利，授权公告号CN101656284]。廖伟等人提出了采用干法蚀刻和湿法腐蚀相结合使LED芯片表面的GaP粗化的方法[中国发明专利，申请号201410239956.7]。杨海方等人提出了采用干法蚀刻在GaP表面形成类球形结构或锥状结构的方法[中国发明专利，申请号201310061485.0和201310093588.5]。然而，上述专利技术方案只涉及GaP表面粗化，并未涉及GaP表面覆盖ITO电流扩展层。肖志国等人提出了光刻和湿法腐蚀相结合在GaP表面形成周期性纹理并进行表面粗化的方法，并提出在GaP表面覆盖ITO作为电流扩展层的方案[中国发明专利，申请号201110363791.0]。然而，该专利并未涉及表面粗化的GaP与ITO如何形成欧姆接触的问题。由于GaP表面粗化后，其表面高掺层被破坏，ITO与表面粗化的GaP层难以形成欧姆接触，从而导致LED芯片正向电压异常高。

发明内容

针对上述提到的表面粗化的GaP与ITO难以形成欧姆接触的问题，本发明提出一种GaP表面粗化的AlGaInP基LED。

本发明LED从下至上依次为背电极、GaAs衬底、GaAs缓冲层、DBR反射镜层、n型限制层、MQW多量子阱有源层、p型限制层、p型GaP窗口层和ITO电流扩展层和主电极；其特征在于p型GaP窗口层朝向ITO电流扩展层一侧呈粗化状，在p型GaP窗口层与ITO电流扩展层之间设置欧姆接触点。

本发明有益效果：(1)可以进一步提高AlGaInP基LED的出光效率，从而提高电光转换效率；(2)由于出光效率提高，LED材料本身吸收的光减少，发热量也相应减小，从而可以延长LED的寿命。

进一步地，本发明所述粗化状的形貌为非周期性的无规则图形，所述图形尺寸为亚微米级。非周期性的无规则图形，可以对不同波长的光都有散射和衍射效果，如果是周期性的规则图形，则只对特定波长的光有效。由于本专利申请书所述LED为可见光LED，亚微米级的图形能够更加有效地对这一波段的光产生散射和衍射。

所述图形尺寸为50nm～1μm。该图形尺寸一方面为了获得更高的出光效率，粗化图形尺寸应该与可见光波长范围380nm至760nm相比拟；另一方面，粗化图形的起伏深度不能太大，以免表面覆盖的ITO电流扩展层出现断层现象，导致电流不能有效扩展。

本发明另一目的是提出以上GaP表面粗化的AlGaInP基LED的制造方法。

包括以下步骤：

1）在GaAs衬底的同一侧依次生长GaAs缓冲层、DBR反射镜层、n型限制层、MQW多量子阱有源层、p型限制层、p-GaP窗口层，形成AlGaInP基LED外延片；

2）在p型GaP窗口层表面制备欧姆接触点；然后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；

3）在p型GaP窗口层表面沉积一层ITO膜形成电流扩展层；

4）在ITO膜表面旋涂光刻胶，曝光、显影形成主电极图形窗口；

5）蒸镀主电极，然后采用Lift-off工艺完成主电极的制作；

6）将GaAs衬底研磨减薄后，在GaAs衬底背面蒸镀背电极；

7）经合金、半切、测试后进行切穿。

本发明所述制造方法的关键环节，同时也是区别于常规AlGaInP基LED制造方法之处在于：(1)在GaP表面制备欧姆接触点；(2)无掩膜条件下，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；(3)沉积ITO膜作为电流扩展层。本发明工艺流程简单、适合大规模量产。

由于采用ITO膜作为电流扩展层，后续主电极的制备需要采用Lift-off工艺。如果采用光刻、湿法腐蚀工艺制备主电极则可能导致ITO膜被意外腐蚀。

另外，本发明所述粗化状的形貌为非周期性的无规则的尺寸为50nm～1μm的图形。

所述粗化液为HCl、H₂SO₄、H₃PO₄、HNO₃、HBr、I₂水溶液、CH₃COOH、HF、NH₄F、NH₄OH、KOH水溶液或H₂O₂中的至少任意一种。

所述欧姆接触点的材料为Au、Pt、Ti、Cr、Al、Ni、AuBe、AuZn、AuGe或AuGeNi中的至少任意一种。由于GaP表面粗化后，其表面高掺层被破坏，这时如果直接在GaP表面覆盖ITO电流扩展层，会出现ITO与GaP难以形成欧姆接触的问题，导致LED芯片正向电压异常高，制作欧姆接触点能解决这个问题。

所述ITO膜的沉积方式为电子束蒸发或磁控溅射镀膜。

所述ITO膜的厚度为50nm～500nm。

蒸镀主电极的方式为电子束蒸发或热蒸发。

附图说明

图1为本发明的一种剖面结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为扫描电子显微镜拍摄的p型GaP窗口层表面粗化后的形貌特征照片。

其中，101为背电极，即n电极，102为GaAs衬底、103为GaAs缓冲层、104为DBR反射镜层、105为n型限制层、106为MQW多量子阱有源层、107为p型限制层、108为p型GaP窗口层、109为欧姆接触点、110为ITO电流扩展层、111为主电极，即p电极。

具体实施方式

一、结合图1、2详细描述本发明的制造工艺步骤：

1、采用MOCVD设备在GaAs衬底102上生长外延层，形成AlGaInP基LED外延片。外延层包括GaAs缓冲层103、DBR反射镜层104、n型限制层105、MQW多量子阱有源层106、p型限制层107、p-GaP窗口层108。

其中p-GaP窗口层108的优选厚度为600nm至8000nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3以上，掺杂元素为Mg，以保证与欧姆接触点109形成良好的电学接触，并具有良好的电流扩展能力。

2、采用丙酮、异丙醇、去离子水依次清洗外延片正面的p-GaP窗口层108，氮气吹干，通过旋涂负性光刻胶，曝光、显影做出掩膜图形，在p-GaP窗口层108表面蒸镀厚度为300nm的AuZn和200nm的Au，Lift-off工艺完成欧姆接触点109的制作。AuZn与p-GaP窗口层经过氮气氛围440℃退火10min形成良好的电学接触。

欧姆接触点的材料也可以采用Au、Pt、Ti、Cr、Al、Ni、AuBe、AuZn、AuGe或AuGeNi中的至少任意一种。

3、将p型GaP窗口层108表面制备好欧姆接触点109的外延片浸入粗化液中进行无掩膜粗化。粗化完成后分别用去离子水和异丙醇冲洗干净，氮气吹干。p型GaP窗口层108表面粗化后的形貌如图3所示。

本例中粗化液采用体积比为1:1:5的H₂SO₄:HF:CH₃COOH混合液组成。

粗化液也可以采用HCl、H₂SO₄、H₃PO₄、HNO₃、HBr、I₂水溶液、CH₃COOH、HF、NH₄F、NH₄OH、KOH水溶液或H₂O₂中的至少任意一种。

4、在粗化的p型GaP窗口层108和欧姆接触点109表面采用电子束蒸发法或磁控溅射镀膜法沉积一层ITO膜作为电流扩展层110，ITO电流扩展层110的厚度为50nm～500nm，本例选300nm。

5、在ITO电流扩展层110表面旋涂负性光刻胶，曝光、显影形成主电极窗口图形。

6、电子束蒸发或热蒸发厚度为100nm的Cr、200nm的Pt和2500nm的Au作为主电极。

7、Lift-off工艺完成主电极111的制作，然后依次采用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，氮气吹干。

8、利用机械研磨方式将步骤7制作的半制成品的GaAs衬底102减薄至剩余150μm。

9、在减薄的GaAs衬底102背面蒸镀厚度为100nm的AuGe和200nm的Au作为背电极101。

10、在450℃氮气氛围退火炉进行退火5min处理，使背电极101与GaAs衬底102之间形成良好的电学接触，并增强背电极101与GaAs衬底102之间的附着力；同时也使主电极111与ITO电流扩展层110之间、以及ITO电流扩展层110与欧姆接触点109之间都形成良好的电学接触，并增强主电极111与ITO电流扩展层110之间的附着力。

11、将步骤10制作的半制成品正面半切，半切深度20um至100um。然后测试光电参数、最后切穿，完成LED芯片制造流程。

二、制成的产品结构特点：

如图1所示，从下至上依次为背电极101、GaAs衬底102、GaAs缓冲层103、DBR反射镜层104、n型限制层105、MQW多量子阱有源层106、p型限制层107、p型GaP窗口层108和ITO电流扩展层110和主电极111；p型GaP窗口层108与ITO电流扩展层110之间设置有欧姆接触点109。p型GaP窗口层108朝向ITO电流扩展层110的一侧呈粗化状。

如图2所示，欧姆接触点109的尺寸、形状及分布可以根据芯片尺寸及LED芯片的工作电流进行调整。

如图3所示，p型GaP窗口层108表面呈非周期性的无规则粗化状，图形特征尺寸为亚微米级，尺寸可以在50nm～1μm范围内变化。