CN101997070A - 一种高反射低电压的倒装发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高反射低电压的倒装发光二极管及其制备方法属于光电子技术领域。倒装发光二极管从上到下依次包括：上电极、发光单元、金属反光层及金属扩散阻挡层、倒装样品面键合金属层、硅面键合金属层、Si衬底和下电极；其特征在于：发光单元与金属反光层及金属扩散阻挡层之间设置有图形欧姆接触层、非金属层和元素扩散阻挡层；上电极的正下方对应的图形欧姆接触层的图形中存在一个空位，并且空位处填充有非金属层；即图形欧姆接触层、非金属层在同一层同样厚度上；在图形欧姆接触层和金属反光层及金属扩散阻挡层之间设有阻挡大量金属元素向外延层扩散的元素扩散阻挡层。本发明使器件电流分布均匀化，有效的降低了器件电压，并提高了器件的光功率。

Description

一种高反射低电压的倒装发光二极管及其制备方法

技术领域

具有高反射、低电压结构的倒装发光二极管及制备方法，涉及一种新型的LED器件结构，属于光电子技术领域。

背景技术

近年来，高亮度AlGaInP发光二极管(LED)由于在大屏幕彩色显示、交通指示等领域的广泛应用，受到人们广泛关注。尽管AlGaInP LED的内量子效率接近100％，但是其提取效率仍旧很低，主要原因是向上发出的光受到表面全内反射效应的限制，只有一小部分光才能出射到表面，而向下发的光却几乎被GaAs衬底全部吸收。表面粗化缓解了全内反射的问题，给光子逃出芯片表面提供了机会，文献报道表面粗化技术使得芯片的提取效率提高了22％。采用金属反光镜结构的倒装发光二极管结构将向下发射的光反射到出光表面，大大提高了器件的外量子效率，文献报道的该结构外量子效率相比普通结构的提高了35％。

图1是倒装LED外延结构示意图。带反光镜的倒装LED制作过程为：首先，在外延片发光单元100的上表面溅射金属反光层及金属扩散阻挡层101；接着，溅射倒装样品面的键合金属层102；然后，将表面有金属的倒装外延片和溅射有硅面键合金属层103的Si衬底104进行金属键合。最后，把键合完成的样品去除GaAs衬底002和AlAs腐蚀停层001，图2为带反光镜的倒装结构示意图。

由于金属反光镜的存在，使得此种结构的倒装器件将向下发出的光反射出发光表面，其发光强度在一定程度上得到提高。但是由于金属-半导体界面(发光单元100的上表面与金属反光层及金属扩散阻挡层101交界处)在高温形成欧姆接触以及长时间键合过程中均存在界面之间的元素扩散问题，使得反光层不清晰，造成反光效果变差，甚至元素向外延结构中的扩散带来了器件电压增高现象。于是人们就在半导体和金属之间加上一层SiO₂或铟锡氧化物(ITO)，用来阻挡元素的扩散，结果有效地提高了器件的出光效率，并一定程度上降低了界面间元素扩散，进而降低了元素扩散带来的高电压。但是，SiO₂不导电，使用时需要采用打孔的方式，金属必须穿过SiO₂中的孔才能与半导体形成欧姆接触，这种方式不仅工艺复杂，而且减小了金属半导体的接触面积，最终还是增加了器件的工作电压。另外，当把SiO₂换上一层透明导电的ITO时，P型半导体表面和呈n型的ITO直接接触，它们之间存在接触势垒的问题，结果仍是增大器件的工作电压。

对于发光二极管而言，器件中的电流分布是影响器件电压和光功率高低的一个主要因素。通过对芯片尺寸为300μm×300μm、电极尺寸为100μm，表面蒸发有300nm ITO电流扩展层的AlGaInP基红光LED(外延结构如图1所示)的电流密度分布的数值模拟，得到的模拟结果为：当注入20mA电流时，分布在电极以下部分的电流密度要占总注入电流密度的33％以上。无论对于正装器件还是倒装器件来说，分布在电极以下部分的电流产生的光，几乎都被电极挡住或吸收而不能发射出器件，最终将以热的形式产生。结果，造成了器件发光效率低、光功率小、热特性差等问题。虽然倒装器件的Si衬底的热导率(1.4W/cm□K)比正装GaAs衬底的热导率(0.54W/cm□K)高，但电极以下分布的电流占总注入电流的比例并没有改变。因此，目前仅通过反光镜结构的方式来提高器件的光功率很难再进一步，于是人们将表面粗化等方式引入到倒装器件中，但是仍旧很难将倒装LED的电压降至2.2V以下。

针对器件中电流分布的问题，人们提出了电流阻挡层的方法。通过光刻等工艺把电流阻挡层引入到器件中，它将驱使电流流向电极以外部分，来减少电极以下电流分布的比例，最终在一定程度上提高了光功率。然而，电流阻挡层附近拥挤的电流分布，将带来此处差的热特性，最终造成器件的可靠性差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构及其制备方法。图3显示的是本发明的倒装发光二极管的结构示意图。

一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构，从上到下依次包括：倒装发光二极管上电极105、发光单元100、金属反光层及金属扩散阻挡层101、倒装样品面键合金属层102、硅面键合金属层103、Si衬底104和倒装发光二极管的下电极106；其特征在于：发光单元100与金属反光层及金属扩散阻挡层101之间设置有图形欧姆接触层201、非金属层203和元素扩散阻挡层202；

倒装发光二极管上电极105的正下方对应的图形欧姆接触层201的图形中存在一个空位，并且空位处填充有非金属层203；即图形欧姆接触层201、非金属层203在同一层上；在图形欧姆接触层201和金属反光层及金属扩散阻挡层101之间设有阻挡大量金属元素向外延层扩散的元素扩散阻挡层202。

本发明中设置图形欧姆接触层201的目的：引导电流，使其主动流向电极以外部分，减少电极以下部分的载流子分布，即改变器件中的电流分布。

本发明中图形欧姆接触层201图形结构的主要原则：图形欧姆接触层201的图形中，与器件的上电极105正下方相对应的区域处，确保存在一个空洞(即此处做欧姆接触层的金属被全部腐蚀掉)，并且此空洞由非金属层203来填充，而图形欧姆接触层201其他部分没有图案和形状限制。所以图形欧姆接触层201的形状可为条形(例如：图4)、或回字型(例如：图5)、或类回字型(例如图6)、或环形(例如：图7)、或叉指型(例如：图8)等。

本发明中非金属层203可以为ITO、或SiO₂、或本征半导体、或SixOy、或SixNy、或不掺杂非晶Si、或不导电树脂。

本发明中图形欧姆接触层201和金属反光层101之间用来阻挡大量金属元素向外延层扩散的元素扩散阻挡层202为ITO，或折射率低于发光单元100的上表面材料的折射率的透明导电物质。

本发明中金属反光层及金属扩散阻挡层101的金属反光层为Au、或AuBe、或AuZnAu、或Ag、或Al，阻挡键合层金属向反光层扩散的金属扩散阻挡层为Ti/TiN、或Ti/Pt、或Ti/W/Pt、或Ta/TaN。

本发明中倒装样品面键合金属层102和硅面键合金属层103的金属键合层为Au、或金属铟、或金属锡、或金锡合金、或银锡合金。

本发明中图形欧姆接触层201的金属为AuBe/Au、或AuZnAu、或TiAu。

所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构的制备方法，其特征在于制备工艺步骤如下：5.根据权利要求1所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构的制备方法，其特征在于制备工艺步骤如下：

1)在GaAs衬底用金属有机化学汽相淀积方法依次外延生长AlAs腐蚀停层，发光单元，得到倒装发光二极管外延片，

2)通过金属键合的工艺将图形欧姆接触层引入器件，具体为：首先，将外延片进行清洗；接着，蒸发、溅射或者电镀金属欧姆接触层，并光刻得到图形欧姆接触层；随后，将非金属层蒸发或离子注入到上电极的正下方所对应的空洞区域，厚度和图形欧姆接触层相同，光刻并清洗；然后，分别蒸发、溅射或者电镀元素扩散阻挡层、金属反光层及金属扩散阻挡层和倒装样品面键合金属层；将带有图形欧姆接触层的外延片和长有硅面键合金属层的Si衬底低温键合；

3)将键合完成的外延片分别去除GaAs衬底和AlAs腐蚀停层；接着，在露出的发光单元上表面溅射AuGeNi/Au金属层，光刻得到上电极，并将Si衬底减薄；然后，在减薄的这一面溅射形成倒装样品的下电极，解理，压焊。

本发明中设计的的图形欧姆接触层201的图形与发光二极管上电极105对应的区域存在一个空洞，并且填充有非金属层203的优势：由于非金属层203的不导电性，注入的电流在图形欧姆接触层201的引导下，主动流向上电极105以外的区域。所以，减少了上电极105以下部分的电流分布的比例，进而增加了上电极105以外部分用于有效发光的载流子的比例。

本发明中在图形欧姆接触层201和金属反光层及金属扩散阻挡层101之间设有元素扩散阻挡层202的优势：在高温合金形成欧姆接触以及长时间键合过程中半导体-金属界面之间存在元素的扩散，键合使用的金属元素会在这些过程中扩散到外延结构中，甚至会形成深能级，最终造成器件电压增大现象。元素扩散阻挡层202的存在阻挡或减小了金属元素向外延结构的扩散。

本发明的主要特点：

1)图形欧姆接触层201的图形与发光二极管上电极105对应区域存在一个空洞，并且空洞由非金属层203填充。此种结构当电流注入时有效地疏散了上电极105以下区域的电流，引导电流主动流向上电极105以外的区域分布，从而增大了用于上电极105以外部分对应的有源区发光的载流子的比例。由于上电极105以外部分对应的有源区的辐射复合发光，产生的光子避免了电极的阻挡或吸收，所以此种结构进一步提高了倒装LED的光提取效率和光功率。

2)此种结构对器件中电流分布起到主动引导的作用，进而避免了上电极105正下方电流拥挤的现象，减少了体内由于产生的大量光子无法发射出器件而生成的热，进一步提高了倒装LED的饱和电流和热特性。同时，电流在器件中较均匀的分布，也带来了器件电压的降低。

3)元素扩散阻挡层202的存在阻挡或减小了键合使用的金属元素向外延结构中的扩散，这样，一方面减少了由于元素扩散引起的器件电压升高的现象，另一方面保护了金属反光镜的镜面结构和反射效果。

附图说明

图1：倒装发光二极管外延片结构图

图中：100为发光单元；001为AlAs腐蚀停层；002为GaAs衬底。

图2：普通倒装发光二极管结构图

图中：100为发光单元；101为金属反光层及金属扩散阻挡层；102为倒装样品面键合金属层；103为硅面键合金属层；104为Si衬底；105为倒装样品的n面电极；106为倒装样品的P面电极。

图3：本发明的倒装发光二极管的结构图

图中：100为发光单元；101为金属反光层及金属扩散阻挡层；102为倒装样品面键合金属层；103为硅面键合金属层；104为Si衬底；105为倒装样品的n面电极；106为倒装样品的P面电极；201为图形欧姆接触层202为ITO元素扩散阻挡层；203为非金属层。

图4：本发明实施例1采用的图形接触层结构

图中：100为发光单元；201为图形欧姆接触层。

图5：本发明实施例2采用的图形接触层结构

图中：100为发光单元；201为图形欧姆接触层。

图6：本发明采用的图形接触层为类回字型结构的实例图

图中：100为发光单元；201为图形欧姆接触层。

图7：本发明采用的图形接触层为类环形结构的实例图

图中：100为发光单元；201为图形欧姆接触层。

图8：本发明采用的图形接触层为叉指型结构的实例图

图中：100为发光单元；201为图形欧姆接触层。

本发明中实施例1和实施例2的倒装发光二极管的剖面结构图均如图3所示。

具体实施方式：

本发明的高反射低电压结构的倒装发光二极管的制备方法，制备工艺步骤如下：

1)在GaAs衬底002上，用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法依次外延生长AlAs腐蚀停层001，发光单元100，得到AlGaInP基倒装发光二极管外延片，外延结构如图1所示，

4)2)通过金属键合的工艺将图形欧姆接触层201引入器件，具体为：首先，将外延片进行常规清洗；接着，蒸发、溅射或者电镀金属欧姆接触层，并光刻得到图形欧姆接触层201；随后，将非金属层203蒸发或离子注入到上电极105的正下方所对应的空洞区域，厚度和图形欧姆接触层201相同，光刻并清洗；然后，分别蒸发、溅射或者电镀元素扩散阻挡层202、金属反光层及金属扩散阻挡层101和倒装样品面键合金属层102；最后，将带有图形欧姆接触层201的外延片和长有硅面键合金属层103的Si衬底104低温键合，

3)将键合完成的外延片分别去除GaAs衬底002和AlAs腐蚀停层001；接着，在露出的发光单元100上表面溅射AuGeNi/Au金属层，光刻得到倒装样品的上(n面)电极105，并将Si衬底104减薄至约100μm；然后，在减薄的这一面溅射TiAu形成倒装样品的下(p面)电极106，解理，压焊，倒装LED器件制备完成。实施例1：

本发明的第一个具体实施方案的剖面结构示意图如图3所示，主要由以下部分组成：发光单元100，金属反光层及金属扩散阻挡层101，倒装样品面键合金属层102，硅面键合金属层103，Si衬底104，倒装样品的n面电极105，倒装样品的P面电极106，图形欧姆接触层201，ITO元素扩散阻挡层202，非金属层203；其制备过程和方法如下：

1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在GaAs衬底002(300μm)上依次外延生长AlAs腐蚀停层001(60nm)和发光单元100(8μm)，如图1所示；

2、采用溅射的方法，分别在发光单元100和Si衬底104(260μm)表面上淀积AuZnAu(10nm/10nm/50nm)和TiAu(30nm/500nm)；

3、将倒装外延片光刻图形结构，如图4所示，接着蒸发ITO(70nm)非金属层203，光刻与图4相反图形；

4、蒸发ITO元素扩散阻挡层202(300nm)，接着溅射金属反光层及金属扩散阻挡层101(500nm)和倒装样品面键合金属层102(1μm)；

5、通过金属键合的方法将沉积有金属的Si衬底104和沉积有金属的倒装外延片连接起来。键合后采用湿法腐蚀的方法，分别腐蚀掉GaAs衬底002和AlAs腐蚀停层001，暴露出发光单元100；

6、采用溅射的方法，在暴露出的发光单元100上，沉积AuGeNi/Au(50nm/300nm)，接着在非金属层203对应的上表面光刻倒装样品上电极105，将衬底104减薄至约100μm，然后在减薄的这一面溅射一层Ti/Au(30nm/300nm)形成下倒装样品下电极106(350nm)；

7、合金；

8、将做好的外延片解理成300μm×300μm的管芯，压焊在管座上，制备完成的倒装器件结构剖面图如图3所示；

9、测试

均采用图1的外延片结构制作器件，当注入电流为20mA时，本发明的倒装结构的电压为2.19V，图2倒装结构的电压为2.3V，图1结构做成普通正装器件的电压为2.09V，本发明的器件电压比图2倒装结构的电压下降了0.11V。

在20mA的注入电流下，图1做成普通正装器件的光功率为0.8643mW，图2倒装结构的光功率为1.61mW，本发明的倒装结构的光功率为1.889mW。本发明的倒装结构相对于图1做成普通正装器件的光功率提高了118.56％，本发明的倒装结构相对于图2倒装结构的光功率提高了17.33％。

实施例2：

本发明的第二个具体实施方案的剖面结构示意图如图3所示，主要由以下部分组成：发光单元100，金属反光层及金属扩散阻挡层101，倒装样品面键合金属层102，硅面键合金属层103，Si衬底104，倒装样品的n面电极105，倒装样品的P面电极106，图形欧姆接触层201，ITO元素扩散阻挡层202，非金属层203；其制备过程和方法如下：

1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在GaAs衬底002(300μm)上依次外延生长AlAs腐蚀停层001(60nm)和发光单元100(8μm)，如图1所示；

2、采用溅射的方法，分别在发光单元100和Si衬底104(260μm)表面上淀积AuZnAu(10nm/10nm/50nm)和TiAu(30nm/500nm)；

3、将倒装外延片光刻图形，如图5所示，接着蒸发ITO(70nm)，光刻与图5相反图形；

4、蒸发ITO元素扩散阻挡层(300nm)，接着溅射金属反光层及金属扩散阻挡层101(500nm)和倒装样品面键合金属层102(1μm)；

5、通过金属键合的方法将沉积有金属的Si衬底104和沉积有金属的倒装外延片连接起来。键合后采用湿法腐蚀的方法，分别腐蚀掉GaAs衬底002和AlAs腐蚀停层001，暴露出发光单元100；

6、采用溅射的方法，在暴露出的发光单元100上，沉积AuGeNi/Au(50nm/300nm)，在非金属层203对应的上表面光刻电极，得到倒装样品上电极105，将Si衬底104减薄至约100μm，然后在减薄的这一面溅射一层Ti/Au(30nm/300nm)形成倒装样品下电极106(350nm)；

7、合金；

8、将做好的外延片解理成300μm×300μm的管芯，压焊在管座上，制备完成的倒装器件结构剖面图如图3所示；

9、测试

同样采用图1的外延片结构制作器件，当注入电流为20mA时，本发明的倒装结构的电压在2.2V以下，相对于图2倒装结构的光功率提高了17％以上。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims (5)

1.一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构，从上到下依次包括：上电极、发光单元、金属反光层及金属扩散阻挡层、倒装样品面键合金属层、硅面键合金属层、Si衬底和下电极；

其特征在于：发光单元与金属反光层及金属扩散阻挡层之间设置有图形欧姆接触层、非金属层和元素扩散阻挡层；上电极的正下方对应的图形欧姆接触层的图形中存在一个空位，并且空位处填充有非金属层；即图形欧姆接触层、非金属层在同一层同样厚度上；在图形欧姆接触层和金属反光层及金属扩散阻挡层之间设有阻挡大量金属元素向外延层扩散的元素扩散阻挡层。

2.根据权利要求1所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构，其特征在于：其中非金属层为ITO、SiO₂、本征半导体、SixOy、SixNy、不掺杂非晶Si、不导电树脂。

3.根据权利要求1所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构，其特征在于：元素扩散阻挡层为ITO，或折射率低于发光单元的上表面材料的折射率的透明导电物质。

4.根据权利要求1所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构，其特征在于：图形欧姆接触层的金属为AuBe/Au、或AuZnAu、或TiAu。

5.根据权利要求1所述的一种高反射低电压结构的倒装发光二极管结构的制备方法，其特征在于制备工艺步骤如下：

1)在GaAs衬底用金属有机化学汽相淀积方法依次外延生长AlAs腐蚀停层，发光单元，得到倒装发光二极管外延片，

2)通过金属键合的工艺将图形欧姆接触层引入器件，具体为：首先，将外延片进行清洗；接着，蒸发、溅射或者电镀金属欧姆接触层，并光刻得到图形欧姆接触层；随后，将非金属层蒸发或离子注入到上电极的正下方所对应的空洞区域，厚度和图形欧姆接触层相同，光刻并清洗；然后，分别蒸发、溅射或者电镀元素扩散阻挡层、金属反光层及金属扩散阻挡层和倒装样品面键合金属层；将带有图形欧姆接触层的外延片和长有硅面键合金属层的Si衬底低温键合；

3)将键合完成的外延片分别去除GaAs衬底和AlAs腐蚀停层；接着，在露出的发光单元上表面溅射AuGeNi/Au金属层，光刻得到上电极，并将Si衬底减薄；然后，在减薄的这一面溅射形成倒装样品的下电极，解理，压焊。

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