一種高亮度反極性的AlGaInP基發光二極管晶圓及其制造方法
【專利摘要】一種高亮度反極性的AlGaInP基發光二極管晶圓及其制造方法，涉及AlGaInP四元系發光二極管的制造技術領域。以一粒晶粒為一個單位，在ITO薄膜層制作分布式反射鏡層，在各反射鏡層上分別包裹式制作第一金屬鍵合層；以一粒晶粒為一個單位，在永久襯底上制作分布式第二金屬鍵合層。本發明工藝簡單、合理，只是在現有技術基本上，改變分布式反射鏡層、第一金屬鍵合層和第二金屬鍵合層的制作工藝，使鍵合后的半品在相鄰的晶粒之間形成間隔，以利于后續將一整個晶圓分割成獨立晶粒的加工，使制成的二極管發光效率和產品良率得以有效提升。
【專利說明】
一種高亮度反極性的AI Ga I nP基發光二極管晶圓及其制造方法
技術領域
[0001]本發明屬于光電子技術領域，特別涉及AlGaInP四元系發光二極管的制造技術領域。
【背景技術】
[0002]四元系AlGaInP是一種具有直接寬帶隙的半導體材料，已廣泛應用于多種光電子器件的制備。由于材料發光波段可以覆蓋可見光的390?780nm波段，使用這種材料制成的可見光高亮度發光二極管得到越來越多關注。發光二極管，尤其是AlGaInP(四元系)紅光高亮度發光二極管已大量用于戶外顯示、監控照明、汽車燈等許多方面。
[0003]相對于普通結構的AlGaInP LED芯片，高亮度AlGaInP芯片通過鍵合技術實現襯底置換，使用具有良好導熱性能的硅襯底(硅的熱導率約為1.5W/K.cm)代替砷化鎵襯底(砷化鎵的熱導率約為0.8W/K.cm)，芯片具有更低熱阻值，散熱性能更好，有效提高器件的可靠性。為了克服光在芯片與封裝材料界面處的全反射而降低取光效率，還在芯片制作一些表面紋理結構。另外，在P-GaP上鍍反射層，比普通紅光外延層中生長DBR反射鏡出光效率更高。反射層由低折射率的介質膜和高反射率金屬層構成，介質膜通過負膠剝離制作出導電孔，鏡面層通過導電孔同P-GaP形成電學接觸。
[0004]傳統生產晶圓的工藝中，為了使ITO薄膜層與p-GaP窗口層形成良好的電學接觸，需要在ITO薄膜層與p-GaP窗口層之間制作呈均勻分布的介質膜導電孔層，有部分導電孔難免會出現在切割道上，在進行后段切割后，由于孔的顏色發黑會導致目檢機進行芯粒識別時較為困難，也會在進行異常挑除時造成誤判，降低產品良率。到客戶端在進行固晶作業時，也會造成識別困難的問題，會帶來客訴，甚至影響產品信譽。
[0005]此外，傳統工藝中切割道上的金屬鍵合層在后端需要進行激光切割，切割碎肩難免會濺射到有源區造成器件漏電等可靠性問題，同時激光切割燒灼產生的黑色生成物一定程度上吸光，造成激光半切后器件的亮度下降。到客戶端封裝灌膠時，可能會引起爬膠等問題，會影響良率，降低產品競爭力。
【發明內容】
[0006]本發明目的在于提出一種可以改善均勻分布的導電孔帶來的電流無效注入影響出光效率和激光對切割道金屬進行切割引起漏電和爬膠問題的高亮度反極性的AlGaInP基發光二極管。
[0007]本發明技術方案是:在襯底下方設置背電極，在襯底上方依次設置金屬鍵合層、鏡面反射層、外延層和擴展電極，在擴展電極上設置主電極；
所述鏡面反射層由介質膜導電孔層、ITO薄膜層和鏡面層組成;所述鏡面層設置在金屬鍵合層上方，ITO薄膜層設置在鏡面層上方，介質膜導電孔層設置在ITO薄膜層上方；
所述外延層包括依次設置在介質膜導電孔層上方的P-GaP窗口層、緩沖層、P-AlGaInP限制層、MQW多量子阱有源層、N-AlGaInP限制層、N-AlGaInP電流擴展層、粗化層和N-GaAs歐姆接觸層；
本發明特點是:所述金屬鍵合層和鏡面層分別以各晶粒為單位呈分布式排列，各晶粒的金屬鍵合層對應地包裹在相應的晶粒的ITO薄膜層下方的鏡面層外；在各晶粒的主電極和N-AlGaInP電流擴展層周圍的發光區上設置介質膜導電孔層。
[0008]本發明由于導電孔均勻分布在主電極和N-AlGaInP電流擴展層周圍的發光區上，在電極下方P面和N面均形成了肖特基結，從而減小了電流的無效注入，提升了發光效率。
[0009]本發明由于金屬鍵合層和鏡面層分別以各晶粒為單位呈分布式排列，避免采用激光設備將一整個晶圓分割成獨立晶粒的工藝中識別困難的問題，切割道上沒有金屬粘結層，降低亮度損失，提升產品良率，減少后端工藝流程，降低切割成本，同時也避免了客戶端在進行灌膠作業時，漏電、爬膠等問題，提高產品競爭力。
[0010]本發明另一目的是提出以上晶圓的制造方法，步驟如下:
1)在臨時襯底的一側依次外延生長過渡層、N-GaInP截止層、N-GaAs歐姆接觸層、N-AlGaInP粗化層、N-AlGaInP電流擴展層、N-AlGaInP限制層、MQW多量子阱有源層、P-AlGaInP限制層、緩沖層和P-GaP窗口層;在P-GaP窗口層上依次制作形成介質膜導電孔層、ITO薄膜層、鏡面層和第一金屬鍵合層；
2)在永久襯底上制作第二金屬鍵合層；
3)將步驟I)和步驟2)形成的兩個半制品的第一金屬鍵合層和第二金屬鍵合層相對，在320°C和外力作用下鍵合形成倒裝式半制品；
4)去除倒裝式半制品中的臨時襯底、過渡層和N-GaInP截止層后，對N-AlGaInP粗化層進行粗化處理，再制作形成主電極；
5)在永久襯底背面制作背電極；
本發明的特點是:在步驟I)中，通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，以一粒晶粒為一個單位，在ITO薄膜層制作分布式反射鏡層;經過通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，在各反射鏡層上分別包裹式制作第一金屬鍵合層;在步驟2)中，以一粒晶粒為一個單位，在永久襯底上制作分布式第二金屬鍵合層。
[0011 ]本發明工藝簡單、合理，只是在現有技術基本上，改變分布式反射鏡層、第一金屬鍵合層和第二金屬鍵合層的制作工藝，使鍵合后的半品在相鄰的晶粒之間形成間隔，以利于后續將一整個晶圓分割成獨立晶粒的加工，使制成的二極管發光效率和產品良率得以有效提升。
[0012]進一步地，本發明采用MgF2制作介質膜導電孔層，厚度為1100埃。MgF2具有較低的折射率，而且為透明薄膜，與金屬鏡面層構成的反射鏡在可見光范圍內具有很高的反射率。
[0013]采用Ag制作鏡面層，厚度100?500nm，金屬Ag具有很高的反射率。
[0014]步驟I)中N-GaAs歐姆接觸層的厚度為35?50nm，摻雜元素為Si，摻雜濃度在I X119Cnf3以上;N-AlGaInP電流擴展層的厚度為2000nm，以便與η型擴展電極203形成良好的歐姆接觸;P-GaP窗口層厚度為1500?3000nm，摻雜元素為Mg，摻雜濃度在I X 118Cnf3以上，以保證P面良好的電學接觸和電流擴展能力。
[0015]步驟4 )中粗化處理時采用HC1、H2 SO4、H3PO4、HNO3、HBr、12水溶液、CH3COOH中的至少任意一種。
[0016]表面粗化技術力圖解決因為半導體材料折射率(平均3.5)大于空氣折射率而使入射角大于臨界角的光線發生全反射無法出射所造成的損失。如果改變常規LED的表面形貌，讓交界面由光滑變得粗糙，將會大大增加出射光在界面處折射時入射角度的隨機性。從統計概率上來說，能使得更多的光子出射到空氣中，避免全反射。粗化處理能提高光在粗化表面的出射隨機性，對出光率有巨大意義。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明制作過程中的一個示意圖。
[0018]圖2為本發明成品的一種結構示意圖。
[0019]圖3為圖2的俯向視圖。
【具體實施方式】
[0020]一、制造工藝步驟:
1、如圖1所示利用MOCVD設備在GaAs臨時襯底201上生長外延層，外延層依次包括過渡層 202、N-GaInP 截止層 203、N-GaAs 歐姆接觸層 204、N-AlGaInP 粗化層 205、N-AlGaInP 電流擴展層206、N-AlGaInP限制層207、MQW多量子阱有源層208、P-AlGaInP限制層209、緩沖層210、P-GaP窗口層211。
[0021 ] 其中N-GaAs歐姆接觸層204厚度為35?50nm(優選厚度40nm)，摻雜元素為Si，摻雜濃度在I X 119Cnf3以上，以保證N面有良好的電流擴展能力;N-AlGaInP電流擴展層206的厚度為2000nm;P-GaP窗口層211厚度為1500?3000nm(優選厚度2000nm)，摻雜元素為Mg，摻雜濃度在I X 118Cnf3以上，以保證P面有良好的電學接觸和電流擴展能力。
[0022]采用丙酮、異丙醇、去離子水依次清洗外延片正面的p-GaP窗口層211，通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影做出掩膜圖形，以一粒晶粒為一個單位，在P-GaP窗口層211表面蒸鍍厚度為1100埃的分布式MgF2介質膜導電孔層212，Lift-off工藝完成后，再在分布式MgF2介質膜導電孔層212上蒸鍍厚度為50nm的完整的一層ITO薄膜層213，再經過氮氣氛圍410°C退火8min，使ITO薄膜層213與p-GaP窗口層211之間形成良好的電學接觸。
[0023]退火后，通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，以一粒晶粒為一個單位，在ITO薄膜層213表面采用電子束蒸鍍方式制作厚度為300nm的分布式鏡面層214(材料采用Ag)。再經過通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，在分布式Ag鏡面層214上采用電子束蒸鍍方式制作厚度為50nm/600nm的分布式Ti/Au第二鍵合層215，各第二鍵合層215—一分別包裹住相應的晶粒的鏡面層214外。
[0024]2、以一粒晶粒為一個單位，在Si襯底101上通過旋涂負性光刻膠101，曝光、顯影做出掩膜圖形，采用電子束蒸鍍方式，制作厚度為100nm的Au分布式第一鍵合層103。
[0025]3、將步驟I和步驟2取得的產品浸入丙酮丙酮、異丙醇溶液進行超聲清洗lOmin，并將第二鍵合層215和第一鍵合層103相對，在320°C、5000kg外力作用下25min，將兩者對位鍵合到一起，取得倒裝式半制品，如圖1所示。
[0026]4、如圖2所示，利用機械研磨方式，先將倒裝式半制品中的GaAs臨時襯底201去除至剩余約50μπι，再用體積比為1:8的NH4OH和H2O2溶液反應lOmin，直至化學腐蝕去除N-GaInP截止層203。
[0027]通過在N-GaAs歐姆接觸層(204)上旋涂正膠，經過光刻顯影后，再浸入體積比為1:
2: 2的Η3Ρ04、Η202和H2O混合溶液，蝕刻出圖形化的N-GaAs歐姆接觸層204，然后采用體積比為1:1:7的H3P04、H2S04和CH3COOH混合溶液濕法粗化N-AIGaInP粗化層205。
[0028]5、在制作好圖形化的N-GaAs歐姆接觸層204上采用電子束蒸鍍的方式蒸鍍厚度為400nm的AuGeNi合金材料，再經過上膠，光刻，顯影等工藝后采用體積比為1: 2: 5的I2、KI和H2O混合溶液蝕刻出擴展電極303，擴展電極303為分段式圓環型，外環半徑40μπι，內環半徑35μπι，根據產品需要將圓環分為8段(如圖3所示)。通過350°C氮氣氛圍退火爐進行退火1min處理，使擴展電極303與N-GaAs歐姆接觸層204形成良好的電學接觸。
[0029]再將半制品浸入丙酮溶液超聲清洗lOmin，然后進行光刻流程，旋涂負性光刻膠、光刻、顯影、旋干，然后進行等離子打膠，采用電子束冷蒸的方式將4μπι的Au鍍在N-AlGaInP型粗化層205和擴展電極303上，剝離后形成主電極302，主電極302圖形為半徑為45μπι的圓，而以上制成的分段式擴展電極303掩埋在主電極302中。
[0030]6、在Si襯底101背面采用電子束熱蒸鍍的方式分別蒸鍍厚度為30nm和10nm的Ti/Au，形成Ti/Au背電極102。
[0031]至此，完成晶圓的制作。
[0032]二、本發明產品結構:
如圖2、3所示，在襯底101上設置有分布式金屬鍵合層103、215( —粒晶粒的下方為一個完整的金屬鍵合層)，以及鏡面反射層、外延層、擴展電極和主電極302。外延層通過分布式金屬鍵合層103、215與鏡面反射層相連接，鏡面反射層上為外延層。
[0033]鏡面反射層包括:分布式MgF2介質膜導電孔層212、ITO薄膜層213和分布式鏡面層214。
[0034]外延層包括:P-GaP窗口層211，緩沖層210，P-AlGaInP限制層209，MQW多量子阱有源層208，N-AlGaInP限制層207 ,N-AlGaInP電流擴展層206，粗化層205 ,N-GaAs歐姆接觸層204。
[0035]分布式MgF2介質膜導電孔層212為理論增透膜最佳厚度的MgF2薄膜，導電孔均勻分布在主電極302和N-AlGaInP電流擴展層206周圍的發光區上，在后續一整個晶圓分割成獨立晶粒的工藝切割道上無導電孔和金屬粘結層。
[0036]在襯底1I背面設置T i /Au背電極102。
[0037]綜上所述，本發明提出的具有分布式導電孔結構的AlGaInP發光二極管，由于導電孔均勻分布在主電極302和N-AlGaInP電流擴展層206周圍的發光區上，在電極下方P面和N面均形成了肖特基結，從而減小了電流的無效注入，提升了發光效率。
【主權項】
1.一種高亮度反極性的AlGaInP基發光二極管晶圓，包括襯底，在襯底下方設置背電極，在襯底上方依次設置金屬鍵合層、鏡面反射層、外延層和擴展電極，在擴展電極上設置主電極； 所述鏡面反射層由介質膜導電孔層、ITO薄膜層和鏡面層組成;所述鏡面層設置在金屬鍵合層上方，ITO薄膜層設置在鏡面層上方，介質膜導電孔層設置在ITO薄膜層上方； 所述外延層包括依次設置在介質膜導電孔層上方的P-GaP窗口層、緩沖層、P-AlGaInP限制層、MQW多量子阱有源層、N-AlGaInP限制層、N-AlGaInP電流擴展層、粗化層和N-GaAs歐姆接觸層； 其特征在于:所述金屬鍵合層和鏡面層分別以各晶粒為單位呈分布式排列，各晶粒的金屬鍵合層對應地包裹在相應的晶粒的ITO薄膜層下方的鏡面層外；在各晶粒的主電極和N-AlGaInP電流擴展層周圍的發光區上設置介質膜導電孔層。2.如權利要求1所述高亮度反極性的AlGaInP基發光二極管晶圓的制造方法，包括以下步驟: O在臨時襯底的一側依次外延生長過渡層、N-GaInP截止層、N-GaAs歐姆接觸層、N-AlGaInP粗化層、N-AlGaInP電流擴展層、N-AlGaInP限制層、MQW多量子阱有源層、P-AlGaInP限制層、緩沖層和P-GaP窗口層;在P-GaP窗口層上依次制作形成介質膜導電孔層、ITO薄膜層、鏡面層和第一金屬鍵合層； 2)在永久襯底上制作第二金屬鍵合層； 3)將步驟I)和步驟2)形成的兩個半制品的第一金屬鍵合層和第二金屬鍵合層相對，在320°C和外力作用下鍵合形成倒裝式半制品； 4)去除倒裝式半制品中的臨時襯底、過渡層和N-GaInP截止層后，對N-AlGaInP粗化層進行粗化處理，再制作形成主電極； 5 )在永久襯底背面制作背電極； 其特征在于: 在步驟I)中，通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，以一粒晶粒為一個單位，在ITO薄膜層制作分布式反射鏡層;經過通過旋涂負性光刻膠，曝光、顯影，在各反射鏡層上分別包裹式制作第一金屬鍵合層； 在步驟2)中，以一粒晶粒為一個單位，在永久襯底上制作分布式第二金屬鍵合層。3.根據權利要求2所述的制造方法，其特征在于:采用MgF2制作介質膜導電孔層，厚度為1100埃。4.根據權利要求2所述的制造方法，其特征在于:采用Ag制作鏡面層，厚度100?500nm。5.根據權利要求2或3或4所述的制造方法，其特征在于:步驟I)中N-GaAs歐姆接觸層的厚度為35?50nm，摻雜元素為Si，摻雜濃度在I X 119Cnf3以上;N-AlGaInP電流擴展層的厚度為200011111;?-6&?窗口層厚度為1500?300011111，摻雜元素為1%，摻雜濃度在1\1018011—3以上。6.根據權利要求2或3或4所述的制造方法，其特征在于:步驟4)中粗化處理時采用HCl、H2S04、H3P04、HN03、HBr、I2 水溶液、CH3COOH 中的至少任意一種。
【文檔編號】H01L33/46GK105957938SQ201610385591
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】李波, 楊凱, 何勝, 徐洲, 林鴻亮, 張永, 張雙翔
【申請人】揚州乾照光電有限公司