CN104934508A - 一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、带有粗化结构的反射镜层、绝缘层、电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、n型半导体层、窗口层，n电极；所述带有粗化结构的反射镜层覆盖于键合层之上，呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层与带有粗化结构的电流扩展层直接接触。本方法可有效解决AlGaInP反极性LED光提取效率低下的问题，且易于与现有工艺相集成，在大功率LED生产中具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，属于发光二极管制造技术领域。
背景技术
上世纪50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center为代表的诸多知名研究机构的努力下，以GaAs为代表的III-V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的III-V族半导体的生长突破了技术势垒，各种波长的半导体发光二极管器件相继涌入市场。由于半导体发光二极管相对于目前的发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。但是由于III-V族半导体的折射率普遍较高(GaP：3.2，GaN：2.4)，这就导致LED的发光区域发出的光线在经芯片表面出射到空气中时受制于界面全反射现象，只有极少部分的光可以出射到器件外部(GaP约为2.4％，GaN约为4％)。界面全反射现象导致LED的外量子效率低下，是制约LED替代现有照明器件的主要原因。
1969年Nuese等人在J.Electrochem Soc.：Solid State Sci.发表了利用环氧树脂封装LED芯片的方法，将红光GaAs基LED的外量子效率提高了1-2倍。在GaAs材料与空气之间加入一层折射率为1.5的环氧树脂可以有效增大全反射临界角度，使得更多的光线可以出射到LED器件外部。但是此方法对于外量子效率的提高有限，并且多引入了一层界面亦会导致界面菲涅尔损耗，同时树脂材料的辐照老化也会导致光提取效率下降。
1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蚀的方法对半导体材料出光表面进行粗化从而提高LED芯片的外量子效率的方法，得到了50％的光提取效率。表面粗化提高LED芯片光引出效率的原理是利用LED出光表面的凹凸结构，将全反射角度的光线散射出或者引导出芯片，从而增加可以出射到LED外部的光线比例。此后，Windisch在IEEE Trans.Electron Dev.以及Appl.Phys.Lett.等期刊报道了类似的方法对LED出光表面进行粗化。利用刻蚀的方法对LED出光表面进行粗化的不足之处在于：(1)刻蚀对于半导体材料的载流子输运性质具有很大的破坏性，使得LED的电学性能明显降低；(2)刻蚀设备的购置及使用成本异常高昂，使得LED的成本大幅度上升；(3)利用刻蚀对LED出光表面进行粗化的形貌及尺寸没有办法进行控制和优化；(4)加工时间较长，生产效率较低。
Plauger在.J.Electrochem.Soc.发表文章，报道了利用电化学的方法，对GaP材料进行有效的腐蚀。此方法对LED出光表面进行粗化的不足在于：(1)需要外加电压来进行辅助，额外引入了电极制备的工艺；(2)得到的腐蚀结构不利于LED的光提取。
中国专利CN101656284提供一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法，该方法包括以下步骤：(1)按常规利用金属有机化学气相沉积的方法在衬底上依次外延生长N型接触层、多量子阱有源区和P型接触层，衬底为GaAs材料；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的ITO薄膜；(3)将覆盖有ITO的外延片浸入浓盐酸中1min，腐蚀掉部分ITO，残留的为颗粒状的ITO；(4)用残留的ITO颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残留的ITO。此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本较正常LED工艺明显提高。此外，亦没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏。并且此方法需要使用浓盐酸，由于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操作人员造成一定损害，且不涉及本发明提供的在AlGaInP反极性LED芯片反射镜结构制备光提取结构的设计。
中国专利CN101656285公开了利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法，该方法包括步骤：(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球与P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结构保留在P型接触层上；(5)用形成的氧化物作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(6)腐蚀掉残留的氧化物。此方法需要利用PS微球作为掩膜，步骤繁琐，成本较高且难以保证获得较大面积的均匀粗化结构，且不涉及本发明提供的在AlGaInP反极性LED芯片反射镜结构制备光提取结构的设计。
中国专利201110024650公开了在透明衬底的LED器件背面制备带有光学结构的反射镜制备方法，主要内容包括：一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片，包括芯片上表面和芯片下表面，所述芯片下表面上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反射镜阵列，其制作方法是通过金刚石切割刀或激光切割在芯片下表面进行切割制成纵横交错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵列，或是通过光刻在芯片下表面上制作若干个圆形保护膜，然后采用磷酸系列的混合腐蚀液或等离子体刻蚀设备对芯片下表面上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，由此制作出聚光反射镜阵列，本发明LED芯片能够获得更高的光效，同时，通过衬底聚光反射镜阵列的制作也可以增加一部分器件的散热面积，从而进一步提升器件的性能。此发明仅适于在透明衬底LED芯片中应用，不涉及本发明提供的在AlGaInP反极性LED芯片反射镜结构制备光提取结构的设计。
综上所述，以上技术、专利均不涉及本发明提供的在AlGaInP反极性LED芯片反射镜结构制备光提取结构的设计。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，目的在于提高LED芯片的光提取效率。
本发明的技术方案如下：
一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构如图1所示，由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、带有粗化结构的反射镜层、绝缘层、电流扩展层、p型半导体层、有源区、n型半导体层、窗口层，n电极。
根据本发明优选的，所述的p电极制备在衬底背面，可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd、Pt材料的单一材料或多个材料的组合，使用蒸发或溅射的方式制备；厚度为0.5μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的衬底可以选用Si、GaAs、Al2O3、GaP、InP、SiC、Cu、Mo、A1材料；厚度为20μm-300μm；
根据本发明优选的，所述的键合层可以选用Au、In、Sn、Ti、Pt、Al、Cr材料中的单一材料或多个材料的组合，使用蒸发或溅射的方式制备；厚度为0.2μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的带有粗化结构的反射镜层可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Al、Ag、Cu、Cr、Be、Pd、Pt材料的单一材料或多个材料的组合，兼顾与电流扩展层的欧姆接触，使用蒸发或溅射的方式制备；覆盖于键合层之上，厚度为0.1μm-10μm，呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层与电流扩展层直接接触；开孔直径的范围为1-50μm；
根据本发明优选的，所述的绝缘层可以选用SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3等绝缘材料，使用CVD或溅射或蒸发方式制备；覆盖于带有粗化结构的反射镜层之上，厚度为0.1μm-5μm，呈现粗化形式；
根据本发明优选的，所述的电流扩展层可以是MOCVD技术制各的p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP、p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；与绝缘层接触一侧的表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度范围为0.5μm-20μm，高度范围为0.1μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的p型半导体层可以是MOCVD技术制备的p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP、p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的有源区可以是MOCVD技术制备的多量子阱或多异质结结构，可使用AlInP、GaInP、AlGaInP、GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlAsP、GaAsP的单一材料或多个材料的组合；
根据本发明优选的，所述的n型半导体层可以是MOCVD技术制备的n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAs、n-AlGaAs、n-AlAsP、n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的窗口层可以是MOCVD技术制备的n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAs、n-AlGaAs、n-AlAsP、n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；
根据本发明优选的，所述的n电极仅包含焊盘结构，可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、A1、Ag、Cu、Be、Pd、Pt材料的单一材料或多个材料的组合，使用蒸发或溅射的方式制备；厚度为0.5μm-10μm。
本发明的优良效果如下：
1.本发明所述的反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构易于与现有LED工艺相集成；
2.本发明所述的反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构可以有效提升LED芯片的光提取效率10％-30％；
3.本发明所述的反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构可以有效降低LED器件的工作温度，提升LED器件的寿命。
附图说明
图1为本发明一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构的剖面示意图。
图中，1、p电极，2、衬底，3、键合层，4、带有粗化结构的反射镜层，5、绝缘层，6、电流扩展层，7、p型半导体层，8、有源区，9、n型半导体层，10、窗口层，11、n电极。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1：
一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构如图1所示，由底部至顶部的结构依次为p电极1、衬底2、键合层3、带有粗化结构的反射镜层4、绝缘层5、电流扩展层6、p型半导体层7、有源区8、n型半导体层9、窗口层10、n电极11。
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；覆盖于键合层3之上，厚度为0.1μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层5与电流扩展层6直接接触；开孔直径为1μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；覆盖于带有粗化结构的反射镜层4之上，厚度为0.1μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.1μm；与绝缘层5接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为0.5μm，高度范围为0.1μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层10是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述n电极11仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。
实施例2：
如实施例1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其区别在于，
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层5与电流扩展层6直接接触；开孔直径为5μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为0.5μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.5μm；与绝缘层5接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为1μm，高度为0.5μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层10是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述n电极11仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。
实施例3：
如实施例1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其区别在于，
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.8μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层与电流扩展层6直接接触；开孔直径为15μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为0.3μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.8μm；与绝缘层5接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为0.8μm，高度为0.2μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层10是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-1，厚度为0.1μm；
所述n电极11仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。
实施例4：
如实施例1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其区别在于，
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制各；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为1μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层5与电流扩展层6直接接触；开孔直径为20μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为1μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为1μm；与绝缘层接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为1.3μm，高度为2μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层10是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述n电极11仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。
实施例5：
如实施例1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其区别在于，
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为2μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层5与电流扩展层6直接接触；开孔直径为30μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为2μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为2μm；与绝缘层5接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为2μm，高度为2μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用Al InP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层10是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述n电极11仅包含焊盘结构，选用Ni、Ge、Ag材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为4μm。
实施例6：
如实施例1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其区别在于，
所述p电极1制备在衬底2背面，选用Au、Ti材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.5μm；
所述衬底2为Si材料；厚度为20μm；
所述键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
所述带有粗化结构的反射镜层4选用Au、Be材料的组合，使用蒸发方式制备；厚度为5μm；呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层5与电流扩展层6直接接触；开孔直径为50μm；
所述绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为5μm，呈现粗化形式；
所述电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为5μm；与绝缘层5接触一侧表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度为20μm，高度为10μm；
所述p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述有源区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组合；
所述n型半导体层是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述的窗口层9是MOCVD技术制备的n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3，厚度为0.1μm；
所述n电极10仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm。
Claims (4)
1.一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、带有粗化结构的反射镜层、绝缘层、电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、n型半导体层、窗口层，n电极。
2.根据权利要求1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP发光二极管结构，其特征在于，所述带有粗化结构的反射镜层可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Al、Ag、Cu、Cr、Be、Pd、Pt材料的单一材料或多个材料的组合，兼顾与电流扩展层的欧姆接触，使用蒸发或溅射的方式制备；覆盖于键合层之上，厚度为0.1μm-10μm，呈现粗化形式，并以开孔的形式穿透绝缘层与电流扩展层直接接触；开孔直径的范围为1-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种反射镜结构粗化的AIGaInP反极性发光二极管结构，其特征在于，所述绝缘层可以选用SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3等绝缘材料，使用CVD或溅射或蒸发方式制备；覆盖于带有粗化结构的反射镜层之上，厚度为0.1μm-5μm，呈现粗化形式。
4.根据权利要求1所述的一种反射镜结构粗化的AlGaInP反极性发光二极管结构，其特征在于，电流扩展层可以是MOCVD技术制备的p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAs、p-AlGaAs、p-AlAsP、p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；与绝缘层接触一侧的表面带有随机密布的锥状粗化结构，锥状结构的基座尺度范围为0.5μm-20μm，高度范围为0.1μm-10μm。
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