一種電極下方有源區(qū)絕緣化的高光提取效率發(fā)光二極管的制作方法

本發(fā)明涉及一種新型的LED(發(fā)光二極管)器件結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，普通的正裝LED的結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上到下的結(jié)構(gòu)依次為：P電極1、窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4、下限制層5、緩沖層6、N電極7。通過流入電流，電子空穴對在有源區(qū)復(fù)合發(fā)光，光從LED的正面發(fā)射出來，但是目前此種結(jié)構(gòu)LED存在一些問題：

1)P電極正下方有源區(qū)發(fā)出的光會(huì)被電極阻擋和吸收，而流入電極下方的電流占總電流的比例較大，這部分的光不會(huì)從LED表面發(fā)出，反而會(huì)被電極吸收造成發(fā)熱，影響LED器件的可靠性。

2)窗口層的電流擴(kuò)展性不好，造成流入LED有源區(qū)的電流分布不均，電極正下方的電流密度高，發(fā)熱嚴(yán)重。

目前，針對P電極擋光和電流擴(kuò)展性不好兩個(gè)問題，有人提出了在P電極下方插入電流阻擋層(Current Blocking Layer，CBL)的方法，如圖2所示：此種方法是通過在電極下方插入二氧化硅(SiO₂)或其他的絕緣材料形成電流阻擋層8，再在電流阻擋層上面鍍一層氧化銦錫(ITO)作為電流擴(kuò)展層9。此方法雖然能夠起到電流阻擋的作用，并改善了LED的特性，但是流入的電流在一定程度上仍會(huì)繞過電流阻擋層，流入到電極的正下方的有源區(qū)。同時(shí)，由于電流阻擋層有一定的厚度，導(dǎo)致最后的電流擴(kuò)展層ITO勢必會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階，臺(tái)階處的電阻值大電流密度高會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，影響器件的可靠性。針對產(chǎn)生的臺(tái)階問題，又有人提出了將電流阻擋層嵌入窗口層中的想法，在窗口層的位置通過刻蝕的方法在窗口層上刻蝕一個(gè)凹槽，在凹槽內(nèi)做電流阻擋層將凹槽填平，這樣就不會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階，如圖3所示。但是此種方法不僅工藝復(fù)雜，而且電流阻擋層難以將凹槽填平，勢必會(huì)產(chǎn)生一定誤差，同時(shí)，仍然難以避免電流繞過阻擋層流入到P電極下方有源區(qū)的這種情況。

目前，工業(yè)上主要采用厚窗口層的工藝，如圖4所示，將窗口層做厚，以此來達(dá)到電流擴(kuò)展的效果，同時(shí)，厚的窗口層可以增加側(cè)壁出光，提高光提取效率，但仍舊避免不了P電極對有源區(qū)發(fā)光的阻擋和吸收。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種電極下方有源區(qū)絕緣化的發(fā)光二極管，能夠同時(shí)解決P電極擋光和電流擴(kuò)展的問題，并且不會(huì)像插入電流阻擋層那樣出現(xiàn)電流繞過阻擋層流入電極下方有源區(qū)的情況，大大提高了光提取效率，而且制作工藝簡單、成本低，最后能夠得到高光功率、高亮度、可靠性高的新型發(fā)光二極管。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種電極下方有源區(qū)絕緣化的高光提取效率發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括P電極1、電流擴(kuò)展層9、絕緣區(qū)10、窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4、下限制層5、緩沖層6、N電極7；電流擴(kuò)展層9、窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4、下限制層5、緩沖層6、N電極7從上往下依次布置，P電極1設(shè)置在電流擴(kuò)展層9的頂部中間位置，絕緣區(qū)10設(shè)置在窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4的中間區(qū)域，絕緣區(qū)10設(shè)置在下限制層5的中間部分區(qū)域。

本發(fā)明的一種電極下方有源區(qū)絕緣化的發(fā)光二極管，還可以是圖7所示結(jié)構(gòu)。

一種電極下方有源區(qū)絕緣化的高光提取效率發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括P電極1、窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4、下限制層5、緩沖層6、N電極7、絕緣區(qū)10；窗口層2、上限制層3、有源區(qū)4、下限制層5、緩沖層6、N電極7從上往下依次布置，P電極1設(shè)置在電流擴(kuò)展層9的頂部中間位置，絕緣區(qū)10設(shè)置在窗口層2的中間區(qū)域。

如圖5所示，本發(fā)明通過離子注入(如：H⁺)方法使P電極下方的有源區(qū)4絕緣化形成絕緣區(qū)域，注入深度達(dá)到有源區(qū)4，絕緣區(qū)不導(dǎo)電，因而電流不會(huì)流入這部分區(qū)域，而會(huì)自然擴(kuò)展到周圍的有源區(qū)，這樣就阻止了電流向P電極正下方有源區(qū)的流入，解決的P電極對正下方有源區(qū)發(fā)光的阻擋和吸收，能夠大大提高光強(qiáng)，同時(shí)，由于絕緣區(qū)的存在，電流要先向周圍擴(kuò)展然后流入有源區(qū)，因而電流擴(kuò)展性將會(huì)改善。同時(shí)，采用絕緣化的方法工藝簡單，不會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階問題，LED的可靠性能夠大大提高。離子注入(如：H⁺)是通過高能離子注入有源區(qū)將有源區(qū)的晶格結(jié)構(gòu)破壞，會(huì)產(chǎn)生許多缺陷，這些缺陷可以形成陷阱俘獲電子和空穴，因而在流入的地方會(huì)形成絕緣區(qū)，同時(shí)也不具有原來的晶格結(jié)構(gòu)。在窗口層上增加一層電流擴(kuò)展層，提高出光效率，改善絕緣化后的電極的接觸電阻，增加電流擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在器件尺寸為150μm×150μm，流入?yún)^(qū)為45微米半徑圓形，20mA電流下，如圖5所示的結(jié)構(gòu)的電極下方有源區(qū)絕緣化LED的平均光功率為0.49mW，平均光強(qiáng)為227.8mcd，如圖6所示的電極下方有源區(qū)絕緣化的LED的平均光功率為0.28mW，平均光強(qiáng)為138.5mcd，平均光功率提高75％，平均光強(qiáng)提高64.5％。且絕緣化后的LED的遠(yuǎn)場發(fā)散角比未絕緣化的LED的遠(yuǎn)場發(fā)散角大10度左右，說明采用電極下方有源區(qū)絕緣化結(jié)構(gòu)的LED的電流擴(kuò)展有明顯改善。

對于離子注入使有源區(qū)絕緣化的方法，本發(fā)明中采用硬質(zhì)金屬掩膜版作為離子注入的掩膜。將硬質(zhì)金屬掩膜版緊貼器件表面作為離子注入掩膜，注入后只需將金屬掩膜版揭去即完成注入。此種采用硬質(zhì)金屬掩膜版作為注入掩膜的方法操作快捷、工藝簡單，而且金屬掩膜版可以重復(fù)使用，大大降低了離子注入的成本。目前現(xiàn)有的硬質(zhì)金屬掩膜的厚度約為幾十微米，圖案的最小尺寸可以做到20微米左右，完全滿足離子注入對掩膜的要求。

本發(fā)明中采用的電極下方有源區(qū)絕緣化的方法既可以用在紅光LED上，也可以用在正裝藍(lán)光LED和倒裝垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED上。

本發(fā)明中采用的有源區(qū)絕緣化方法可以是離子注入、高等激光束等一些既可以產(chǎn)生絕緣區(qū)，又不會(huì)對器件表面的平整造成破壞的技術(shù)方法。

本發(fā)明中采用的離子注入的注入深度是達(dá)到有源區(qū)，能夠?qū)㈦姌O下方的有源區(qū)絕緣化。

本發(fā)明中電流擴(kuò)展層所采用材料可以是氧化銦錫(ITO)，導(dǎo)電樹脂，石墨烯，也可以是其他的導(dǎo)電、透光的材料。

本發(fā)明中離子注入所采用的離子注入掩膜既可以是氧化硅，氮化硅，光刻膠等需沉積或旋涂上去的材料，也可以是直接采用硬質(zhì)金屬掩膜版緊貼器件表面充當(dāng)掩膜。

本發(fā)明中采用的LED的尺寸為150μm×150μm，絕緣區(qū)域的尺寸為90μm直徑的圓形，P電極的尺寸為90μm直徑的圓形，也可以是其他尺寸。

本發(fā)明的優(yōu)越性：

1.采用電極下方有源區(qū)絕緣化的方法，可以有效的阻止P電極正下方的電流輸運(yùn)，而是改為電極周圍的橫向輸運(yùn)擴(kuò)展，從而能夠大幅提高發(fā)光效率和光提取效率。

2.電流的橫向輸運(yùn)和擴(kuò)展得到增強(qiáng)，P電極下方不發(fā)光，不會(huì)產(chǎn)生無法輸出的光和熱，所以器件有更好的熱飽和特性，更加有利于大電流下工作。

3.P電極下方的有源區(qū)絕緣化之后能夠完全阻止電流流入，因而不會(huì)出現(xiàn)采用電流阻擋層工藝時(shí)電流繞過阻擋層后流入到P電極正下方有源區(qū)的情況。

4.采用離子注入的方法使有源區(qū)絕緣化，不會(huì)對器件表面的平整性造成損壞，因而蒸鍍ITO和制作P電極的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階，相較此前采用電流阻擋層工藝的LED的可靠性大大提高。

5.采用離子注入的方法使有源區(qū)絕緣化工藝簡單方便，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時(shí)成本較低。

6.采用硬質(zhì)金屬掩膜版作為離子注入的掩膜，此工藝簡單、方便、快捷，同時(shí)硬質(zhì)金屬掩膜版可以重復(fù)使用，降低了離子注入的成本。

附圖說明

圖1：普通的正裝結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：帶有CBL電流阻擋層的LED結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3：將CBL電流阻擋層嵌入窗口層中的LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4：厚窗口層結(jié)構(gòu)的LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5：電極下方有源區(qū)絕緣化的LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-1：沉積二氧化硅阻擋層后的外延片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-2：經(jīng)過光刻、濺射鎳、剝離后的外延片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-3：對二氧化硅采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕和BOE濕法腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-4：質(zhì)子注入絕緣化后的LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-5：鍍上電流擴(kuò)展層ITO后的LED結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-6：將硬質(zhì)金屬掩膜版作為離子注入掩膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5-7：離子注入后將金屬掩膜版揭去的示意圖；

圖6：未采用電極下方有源區(qū)絕緣化的LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7：對厚GaP(Mg)窗口層進(jìn)行離子注入絕緣化后的LED結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施通過以下三個(gè)實(shí)施例給予說明。

實(shí)施例1：

如圖5所示，以AlGaInP LED為例，采用電極下方有源區(qū)質(zhì)子注入(H⁺注入)的方法對有源區(qū)進(jìn)行絕緣化，質(zhì)子注入的掩膜采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積一層3μm厚二氧化硅。該器件有以下各部分組成：P電極1，絕緣區(qū)10，窗口層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，緩沖層6，N電極7，其中窗口層為2μm厚的GaP(Mg)，上限制層為0.5μm厚的Al_0.5In_0.5P。若要使質(zhì)子(H⁺)注入的深度到達(dá)有源區(qū)，通過TRIM軟件模型確定注入兩次，兩次注入的能量分別為225keV，300keV，注入的劑量均為3e15/cm³。其制備過程和方法如下：

S1外延片清洗，在LED窗口層上通過PECVD外延一層3μm厚的二氧化硅層11。如圖5-1所示。

S2采用正膠光刻出注入孔的圖案，然后在二氧化硅層上濺射一層300nm厚的鎳(Ni)12，然后剝離，露出注入孔，注入孔的大小為90μm直徑圓形。如圖5-2所示。

S3采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma，ICP)對二氧化硅層11進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕到二氧化硅厚度剩余100nm左右時(shí)改用BOE溶液進(jìn)行濕法腐蝕將二氧化硅腐蝕干凈。如圖5-3所示。

S4進(jìn)行質(zhì)子注入，注入兩次，能量分別為225keV，300keV，注入的劑量均為3e15/cm³，注入后將二氧化硅層11和Ni層12分別用腐蝕液去除干凈。如圖5-4所示。

S5蒸鍍一層ITO作為電流擴(kuò)展層9。如圖5-5所示。

S6通過光刻，濺射，剝離的工藝制作正面P電極，P電極為15nm Ti/300nm Au，大小為90μm直徑圓形；然后磨片，濺射背面N電極，N電極為50nm AuGeNi/300nm Au，最后得到如圖5所示器件結(jié)構(gòu)，該LED的尺寸為150μm×150μm。

在20mA電流下該型器件的光功率為0.49mW，較同結(jié)構(gòu)未進(jìn)行有源區(qū)絕緣化的LED的光功率提高75％。

實(shí)施例2：

如圖5所示，以AlGaInP LED為例，采用質(zhì)子注入進(jìn)行有源區(qū)絕緣化的方法，質(zhì)子注入的阻擋層采用硬質(zhì)金屬掩膜版，具體步驟如下：

S1外延片清洗，將已經(jīng)做好注入孔圖案的硬質(zhì)金屬掩膜版13緊貼器件表面，如圖5-6所示。

S2依照實(shí)施例1中的注入?yún)?shù)進(jìn)行質(zhì)子注入，注入后將硬質(zhì)金屬掩膜版揭去，如圖5-7所示。

S3之后工藝步驟參照實(shí)施例1中的工藝。

實(shí)施例3：

如圖7所示，以AlGaInP LED為例，對于目前工業(yè)上常用的8um厚的GaP(Mg)作為窗口層的LED結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用深質(zhì)子注入的工藝來進(jìn)行絕緣化。由于目前所使用設(shè)備的深質(zhì)子注入最大深度的限制(約為5μm)，絕緣區(qū)不能到達(dá)有源區(qū)，但是仍能很大程度提高發(fā)光效率和光提取效率，工藝步驟如下：

S1外延片清洗，采用硬質(zhì)金屬掩膜版作為質(zhì)子注入的掩膜，將硬質(zhì)金屬掩膜版緊貼外延片表面。

S2進(jìn)行深注入，采用兩次注入，流入功率分別為420keV，500keV，兩次注入劑量均為3e15/cm³。注入后將金屬掩膜版揭去。注入孔的大小為88μm直徑的圓形。

S3通過光刻，濺射，剝離的工藝制作正面P電極，P電極為15nm Ti/300nm Au，大小為94μm直徑圓形；然后磨片，濺射背面N電極，N電極為50nm AuGeNi/300nm Au，最后得到如圖5所示器件結(jié)構(gòu)，該LED的尺寸為150μm×150μm。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和構(gòu)思的前提下作出的任何修改、替換和改進(jìn)等，均應(yīng)認(rèn)為包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。