一種電流擴展層帶有二維光學結構的反極性AlGaInP發光二極管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電流擴展層帶有二維光學結構的反極性AlGaInP發光二極管結構，屬于發光二極管制造技術領域。
【背景技術】
[0002]上世紀50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center為代表的諸多知名研究機構的努力下，以GaAs為代表的II1-V族半導體在半導體發光領域迅速崛起。之后隨著金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術的出現，使得高質量的II1-V族半導體的生長突破了技術勢壘，各種波長的半導體發光二極管器件相繼涌入市場。由于半導體發光二極管相對于目前的發光器件具有理論效率高、壽命長、抗力學沖擊等特質，在世界范圍內被看作新一代照明器件。但是由于II1-V族半導體的折射率普遍較高(GaP:3.2，GaN:2.4)，這就導致LED的發光區域發出的光線在經芯片表面出射到空氣中時受制于界面全反射現象，只有極少部分的光可以出射到器件外部(GaP約為2.4%，GaN約為4%)。界面全反射現象導致LED的外量子效率低下，是制約LED替代現有照明器件的主要原因。
[0003]目前的AlGaInP反極性發光二極管的AlGaInP窗口層含鋁量高，由于氧化過程影響無法實現與金屬電極的良好歐姆接觸，被迫在AlGaInP窗口層與金屬電極間生長GaAs接觸層實現歐姆接觸，而GaAs對于可見光段能量劇烈吸收，極大的影響了反極性AlGaInP發光二極管的光提取效率。
[0004]1969 年 Nuese 等人在 J.Electrochem Soc.:Solid State Sc1.發表了利用環氧樹脂封裝LED芯片的方法，將紅光GaAs基LED的外量子效率提高了 1_2倍。在GaAs材料與空氣之間加入一層折射率為1.5的環氧樹脂可以有效增大全反射臨界角度,使得更多的光線可以出射到LED器件外部。但是此方法對于外量子效率的提高有限，并且多引入了一層界面亦會導致界面菲涅爾損耗，同時樹脂材料的輻照老化也會導致光提取效率下降。
[0005]1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蝕的方法對半導體材料出光表面進行粗化從而提高LED芯片的外量子效率的方法，得到了 50%的光提取效率。表面相化提高LED芯片光引出效率的原理是利用LED出光表面的凹凸結構，將全反射角度的光線散射出或者引導出芯片，從而增加可以出射到LED外部的光線比例。此后，Windisch 在 IEEE Trans.Electron Dev.以及 Appl.Phys.Lett.等期刊報道了類似的方法對LED出光表面進行粗化。利用刻蝕的方法對LED出光表面進行粗化的不足之處在于:
(I)刻蝕對于半導體材料的載流子輸運性質具有很大的破壞性，使得LED的電學性能明顯降低；(2)刻蝕設備的購置及使用成本異常高昂，使得LED的成本大幅度上升；(3)利用刻蝕對LED出光表面進行粗化的形貌及尺寸沒有辦法進行控制和優化。(4)加工時間較長，生產效率較低。
[0006]Plauger在J.Electrochem.Soc.發表文章,報道了利用電化學的方法,對GaP材料進行有效的腐蝕。此方法對LED出光表面進行粗化的不足在于:(I)需要外加電壓來進行輔助，額外引入了電極制備的工藝；(2)得到的腐蝕結構不利于LED的光提取。
[0007]中國專利CN101656284提供一種利用ITO顆粒掩膜粗化紅光發光二極管的方法，該方法包括以下步驟:(I)按常規利用金屬有機化學氣相沉積的方法在襯底上依次外延生長N型接觸層、多量子阱有源區和P型接觸層，襯底為GaAs材料；(2)在外延生長的P型接觸層上用電子束濺射一層厚260nm的ITO薄膜；(3)將覆蓋有ITO的外延片浸入濃鹽酸中lmin，腐蝕掉部分ΙΤ0，殘留的為顆粒狀的ITO ; (4)用殘留的ITO顆粒作掩膜，干法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面；(5)用濃鹽酸腐蝕掉殘留的ΙΤ0。此方法需要兩次蒸鍍ITO電流擴展層，成本較正常LED工藝明顯提高，且未提出在反極性AlGaInP發光二級管的反射鏡結構中制備光提取結構，不涉及本發明提供的在AlGaInP反極性LED芯片電流擴展層制備二維光學結構的設計。
[0008]中國專利CN101656285公開了利用PS球作模板制作發光二極管粗化表面的方法，該方法包括步驟:(I)按常規外延生長外延片；(2)在外延生長的P型接觸層上鋪設一層由PS球緊密排布組成的單層膜；(3)以硅酸四乙酯、金屬的氯化物或硝酸鹽為前軀體，將前軀體、乙醇和水混合后填充在單層膜的PS球與P型接觸層之間的間隙中，室溫靜置并加熱分解為相應的氧化物；(4)將外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球與P型接觸層之間的間隙中形成的氧化物按碗狀周期排列結構保留在P型接觸層上；(5)用形成的氧化物作掩膜，干法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面；(6)腐蝕掉殘留的氧化物。此方法需要利用PS微球作為掩膜，步驟繁瑣，成本較高且難以保證獲得較大面積的均勻粗化結構，且不涉及本發明提供的在AlGaInP反極性LED芯片電流擴展層制備二維光學結構的設計。
[0009]中國專利CN102148324A公開了在透明襯底的LED器件背面制備帶有光學結構的反射鏡制備方法，主要內容包括:一種帶有襯底聚光反射鏡的LED芯片，包括芯片上表面和芯片下表面，所述芯片下表面上設有具有對入射光反射后起到會聚作用的聚光反射鏡陣列，其制作方法是通過金剛石切割刀或激光切割在芯片下表面進行切割制成縱橫交錯的切割道，相鄰交叉的切割道之間形成聚光反射鏡，若干個聚光反射鏡組成聚光反射鏡陣列，或是通過光刻在芯片下表面上制作若干個圓形保護膜，然后采用磷酸系列的混合腐蝕液或等離子體刻蝕設備對芯片下表面上圓形保護膜以外的區域進行刻蝕，由此制作出聚光反射鏡陣列，本發明LED芯片能夠獲得更高的光效，同時，通過襯底聚光反射鏡陣列的制作也可以增加一部分器件的散熱面積，從而進一步提升器件的性能。此發明僅適于在透明襯底LED芯片中應用，不涉及本發明提供的在AlGaInP反極性LED芯片電流擴展層制備二維光學結構的設計。
[0010]綜上所述，以上技術、專利均不涉及本發明提供的電流擴展層帶有二維光學結構的反極性AlGaInP發光二極管設計。
【發明內容】
[0011]針對現有技術的不足，本發明提供一種電流擴展層帶有二維光學結構的反極性AlGaInP發光二極管結構，本發明二維光學結構的應用可以斬斷LED內部的光學導模，提高LED芯片的光提取效率。
[0012]術語解釋:
[0013]l、LED:Light Emitting D1de,發光二極管。
[0014]2、CVD:Chemical Vapor Deposit1n,化學氣相沉積。
[0015]3、MOCVD:Metal_organic Chemical Vapor Deposit1n,金屬有機物化學氣相沉積。
[0016]本發明的技術方案如下:
[0017]一種電流擴展層帶有二維光學結構的反極性AlGaInP發光二極管結構，如圖1所示，由底部至頂部的結構依次為P面電極、襯底、鍵合層、反射鏡層、絕緣層、帶有二維光學結構的電流擴展層、P型半導體層、有源區、η型半導體層、窗口層、η面電極、η面焊盤；所述帶有二維光學結構的電流擴展層與絕緣層接觸一側帶有與η面電極垂直中心線正對的二維光學結構；所述二維光學結構的圖形與η面電極的圖形一致，且在η面電極正下方。
[0018]所述的P面電極制備在襯底背面，選用Au、Ge、N1、T1、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd、Pt材料的單一材料或多個材料的組合，使用蒸發或濺射的方式制備；厚度為0.5 μ m-?ο μ m ；
[0019]所述的襯底選用S1、GaAs, Al2O3' GaP、InP、SiC, Cu、Mo、Al 材料；厚度為20 μ m-300 μ m ；
[0020]所述的鍵合層選用Au、In、Sn、T1、Pt、Al、Cr材料中的單一材料或多個材料的組合，使用蒸發或濺射的方式制備；厚度為0.2 μ m-?ο μ m ；
[0021]所述的反射鏡層選用Au、Ge、N1、T1、Al、Ag、Cu、Cr、Be、Pd、Pt材料的單一材料或多個材料的組合，兼顧與帶有二維光學結構的電流擴展層的歐姆接觸，使用蒸發或濺射的方式制備；覆蓋于鍵合層之上，厚度為0.1 μ m-?ο μ m ;所述反射鏡層上呈現二維光學結構的部分與η面電極垂直中心線正對；所述反射鏡層以開孔的形式穿透絕緣層與帶有二維光學結構的電流擴展層直接接觸，開孔直徑的范圍為1-50 μ m ；
[0022]所述的絕緣層選用Si02、Si3N4, T12或Al2O3材料，使用CVD或濺射或蒸發方式制備；覆蓋于反射鏡層之上，厚度為0.1 μ m-5 μ m ;
[0023]所述的帶有二維光學結構的電流擴展層是MOCVD技術制備的ρ-GaP、ρ-Α1ΙηΡ、p-GalnP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP、p-AlGalnP 材料，p 型慘雜的濃度為I X 118CnT3-1 X 1021cm_3，厚度為0.1 μ m-10 μ m ;與絕緣層接觸一側帶有與η面電極垂直中心線正對的二維光學結構；所述二維光學結構的圖形與η面電極的圖形一致，且在η面電極正下方，深度為0.1 μ m-?ο