CN102208506A - 掩埋式高亮度发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种掩埋式高亮度发光二极管结构，采用MOCVD、MBE或其他设备在基板生长外延层，外延层可以通过键合方式或某种方式转移到另一基板，出光层另一侧作为第一电极，通过掩膜保护，利用干法蚀刻或湿法蚀刻制作掩埋区，蚀刻深度越过有源层，再通过真空溅射设备掩埋区内镀制钝化膜作为隔离层，隔离层上方或附近镀制第二电极。本发明提高了电流的注入效率和发光效率。

Description

掩埋式高亮度发光二极管结构

技术领域

本发明涉及一种高亮度发光二极管的制作方法及其结构，特别是利用蚀刻掩埋区后的发光二极管结构，可以降低发热对器件造成损耗，提高器件对注入电流的利用率，提高发光二极管的出光效率。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)属半导体元器件之一，由于LED具有寿命长、功耗小、体积小、坚固耐用、多色显示、响应时间快、冷光发射、工作温度稳定性好、电压低和有利于环保，已经广泛应用于建筑物外观照明、景观照明、标识与指示性照明、室内空间展示照明、娱乐场所及舞台照明和视频屏幕，随着显示屏采用LED当背光源后，LED将打开了新的应用领域。

因垂直结构的发光二极管的发光方式决定电极位于出光面的上方，所以避免不了电极的遮光与电极下方相对较大的电流密度，Lawrence等人在1983年提出用透明导电膜Indium-tin oxide(ITO)和Cadmium-tin oxide(CTI)作为欧姆接触导电层，由于ITO的电导率为2×10^-4Ω·cm远大于半导体的电导率，提高了器件的横向扩展，使得电流密度分布更均匀均，进而提高了器件的效率和可靠性。但是电极正下方的高电流密度变化不大，增加了器件的发热负担，并且电极正下方的光因无法正面发射而被反射回来因吸收增加了器件的发热负担。

传统四元系AlGaInP LED使用GaP或(Al_xGa_91-x))_0.5In_0.5P作为电流层，由于电流扩展层掺杂浓度与电子迁移率的限制无法获得均匀分布的电流密度，为使电流扩展均匀，发光效率高，大部分芯片的电极制作在芯片的正中心。因此无法避免电流密度分布不均而引起的发光效率低，器件发热而可靠性下降。

发明内容

鉴于上述传统LED的缺点，本发明提供一种掩埋式高亮度发光二极管结构，以提高电流的注入效率和发光效率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

掩埋式高亮度发光二极管结构，采用MOCVD、MBE或其他设备在基板生长外延层，外延层可以通过键合方式或某种方式转移到另一基板，出光层另一侧作为第一电极，通过掩膜保护，利用干法蚀刻或湿法蚀刻制作掩埋区，蚀刻深度越过有源层，再通过真空溅射设备掩埋区内镀制钝化膜作为隔离层，隔离层上方或附近镀制第二电极。

所述的基板为GaAs基板或GaN基板或SiC基板。

所述的另一基板为Si基板、GaP基板、铝基板、陶瓷基板、铜基板、钼基板和其它金属基板中的一种。

所述的外延层包括一截止层、一欧姆接触层、一下限制层、一有源层、一上限制层和一电流扩展层中的多种组合。

所述的钝化膜由PECVD、磁空溅射、蒸镀等真空沉积方法制成。

所述的钝化膜选自Si的氧化物、Si的氮化物薄膜、Ti的氧化物、Sn的氧化物、Mg的氟化物和铝的氧化物中的一种或几种，该钝化膜透明并且具有阻挡金属与外延层互扩散的特性。

所述的掩埋区为多边形结构或圆环结构或圆形结构或以上几种图形的组合结构。

所述的第一电极与第二电极选自Au、AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种组合。

所述的截止层的构成元素选自III族和V族，其中包括铝Al、镓Ga、铟In、磷P和砷As，截止层是由其中的几种元素组合而成。

所述的第二电极为圆形或圆形带有触角的形状。

采用上述结构后，本发明先利用曝光显影技术，再通过湿法蚀刻或干蚀刻的方式挖掉电极正下方的外延层。利用高真空沉积设备在蚀刻的掉的区域沉积钝化膜，再蒸镀其他金属作为掩埋层，钝化膜作为绝缘层，阻止电流从正下方流过，电极正下方的电流密度为零，因此减少因电流密度集中在电极正下方造成的发热，提高了电流的注入效率和发光效率。

附图说明

图1为正装LED芯片结构与电流分布图；

图2为倒装LED芯片结构与电流分布图；

图3为带有ITO结构的正装芯片；

图4为掩埋式正装LED的芯片结构；

图5为掩埋式倒装LED的芯片结构；

图6为传统LED电极结构；

图7为掩埋式LED的电极结构。

附图标记说明

101  上电极      102  欧姆接触层        103  电流扩展层

104  上限制层    105  有源层            106  下限制层

107  DBR层       108  基板              109  下电极

208  多金属层    302  欧姆接触导电层    408、508  掩埋层

409、509钝化膜   701  电流扩展电极      702  中心焊线电极

具体实施方式

本发明采用干法与湿法蚀刻两种方式去除发热大、对光无贡献的部分，再通过掩埋钝化膜作为绝缘层防止电流直接注入造成漏电的影响，通常钝化膜的厚度需超过500以上，防止因膜层太薄被电流击穿而漏电。由于钝化膜与不同金属的粘附力差异较大，因此作为掩埋层的物质应与钝化膜有良好的粘力，避免电极脱落。

图1至图5中箭头表示电流的注入方式，电流从上电极注入到欧姆接触层，通过电流扩展层延伸到两侧，由于电流扩展层的掺杂浓度很难超过1.0×10²¹，电导率远小于金属，因此电流扩展长度受限，靠近芯片边缘电流密度越来越小。通过电极直接注入到外延层的电流不需要扩展而受到最小的势垒，因此电极正下方的电流密度最大，电流注入到有源层发射的光在法向光最强，由全反射理论得出法向左右17度范围的光才能通过芯片表面以上。图3为解决传统结构LED的缺点，采用透明导电膜Indium-tin oxide(ITO)作为欧姆接触导电层302，透明导电膜的导电率介于金属与半导体之间，只能改善半导体导电差的缺点，而且电极正下方的光仍被遮挡。

实施例一

如图1所示，在一生长基板108，材料可为GaAs、GaN或SiC等，通过有机金属气相外延法在基板108上依序生长DBR层107(材料为GaAs/AlGaAs或GaN/AlGaN)，下限制层106(材料为AlInP或AlGaN)，有源层105(材料为Al_xGa_(1-x)InP或Al_xGa_(1-x)InN)，上限制层104(材料为AlInP或AlGaN)，电流扩展层103(材料为GaP或(Al_xGa_(1-x))_0.5In_0.5P或GaN)，欧姆接触层102(材料为In_xGa_(1-x)A或GaP或GaN)，形成完整的发光二极管外延结构。

在欧姆接触层102上做掩膜，通过曝光和显影技术制作出掩埋区域的图形，由于湿法蚀刻对材料的选择性，不同的外延结构选用不同的蚀刻液，选用HCl∶HNO₃∶H₂O＝1∶3∶2蚀刻GaP五分钟，选用HCl∶H₂O＝1∶15蚀刻限制层五十秒，选用HCl∶CH₃COOH∶H₂O＝1∶10∶10蚀刻有源层三十秒，蚀刻后的区域为圆柱形结构，如图4所示，在圆柱形的侧壁蒸镀

钝化膜防止漏电，再经涂胶、曝光、显影和蚀刻，蚀刻掉多余的钝化膜，只留下掩埋区的钝化膜409。经过ICE与IPA清洗后，涂胶、曝光和显影，低温蒸镀掩埋层408，用剥离的方式制作掩埋层图形，掩埋材料选取金属铝，铝与TiO₂具有良好的粘附性，避免掩埋层脱离的问题。再经过涂胶、曝光和显影制作出上电极101图形，在低温条件下蒸镀AuBe/Ti/Pt/Au作为上电极101，电极101的结构如图6所示，其中AuBe作为欧姆接触层，Ti/Pt作为阻挡层，Au作为焊线层，再经过420度高温合金。经过化学溶液511清洗，蒸镀下电极(N电极)109，N电极材料选取AuGe。经过测试后切穿，制作出图4的产品。

实施例二

如图2所示，是将外延层转移到另一基板之上的芯片结构，外延层与另一基板的结合是通过多金属层208的键合来实现的，外延层包括：欧姆接触层102(材料为In_xGa_(1-x)As)，电流扩展层103(材料为(Al_xGa_(1-x))_0.5In_0.5P)，上限制层104(材料为AlInP)，有源层105(材料为Al_xGa_(1-x)InP)，下限制层106(材料为AlInP)，电流扩展层103(材料为GaP或(Al_xGa_(1-x))_0.5In_0.5P或GaN)，形成完整发光二极管结构。再通过金属组粘合技术将外延层转移到Si基板上，图中多金属层208是Au、AuBe合金、Ag、Al、Ti、Cr、Pt、Au-Sn合金和Ni的组合。

图2所示的芯片结构是采用多金属键合的方式将传统的外延片键合在Si基板108上，用NH₄OH∶H₂O₂蚀刻液去掉GaAs基板，再经过上胶、曝光和显影制作出电流扩展电极701图形，低温蒸镀AuGe/Ni/Au，经ACE超声剥离后，制作出电流扩展电极701。再用NH₄OH∶H₂O₂蚀刻液去掉GaAs的欧姆接触层。经过上胶、曝光和显影技术制作掩埋区图形，用HCl∶H₂O＝1∶15蚀刻限制层三分钟，选用HCl∶CH₃COOH∶H₂O＝1∶10∶10蚀刻有源层三十秒，蚀刻后的区域为圆柱形结构，在圆柱形的侧壁蒸镀

钝化膜防止漏电，再经涂胶、曝光、显影和蚀刻，蚀刻掉多余的钝化膜，只留下掩埋区的钝化膜509。经过ICE与IPA清洗后，涂胶、曝光和显影，低温蒸镀掩埋层508，用剥离的方式制作掩埋层图形，掩埋材料选取金属铝，铝与TiO₂具有良好的粘附性，避免掩埋层脱离的问题。再经过涂胶、曝光和显影制作中心焊线电极702图形，如图7所示，在低温条件下蒸镀Ti/Pt/Au作为中心焊线电极702，其中Ti/Pt作为阻挡层，Au作为焊线层，701与702共同组成上电极。经过ICE与IPA清洗后蒸镀下电极109，电极材料选取Al/Au，再经400度高温合金。合金后涂胶、曝光和显影制作切割道图形，用干法蚀刻技术，蚀刻到GaP层，然后测试、切割，制作出图5的产品。

于上述实例中，传统发光二极管结构中，如图1所示电极101正下方的电流注入密度最大，这部分的电流注入对发光没有贡献，并且增加了器件的发热损耗，降低了器件寿命。通过挖去电极101正下方的外延层后，如图4和图5所示，掩埋区对电流没有消耗，通过电流扩展电极701均匀注入到外层内，提高了电流注入效率，进而提高发光效率。

以上所述实施实例仅为说明本发明的技术思想和特点，主要目的是为了让本领域的技术人员了解本发明的内容并据以实施，但并非限制本发明的范围，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何相关技术人员对本发明的些许修饰和变化，均应包含在本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (10)

1.掩埋式高亮度发光二极管结构，在基板生长外延层，外延层可以通过某种方式转移到另一基板，出光层另一侧作为第一电极，其特征在于：利用干法蚀刻或湿法蚀刻制作掩埋区，蚀刻深度越过有源层，掩埋区内镀制钝化膜作为隔离层，隔离层上方或附近镀制第二电极。

2.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：基板为GaAs基板或GaN基板或SiC基板。

3.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：另一基板为Si基板、GaP基板、铝基板、陶瓷基板、铜基板、钼基板和其它金属基板中的一种。

4.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：外延层包括一截止层、一欧姆接触层、一下限制层、一有源层、一上限制层和一电流扩展层中的多种组合。

5.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：钝化膜由PECVD、磁空溅射、蒸镀等真空沉积方法制成。

6.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：钝化膜选自Si的氧化物、Si的氮化物薄膜、Ti的氧化物、Sn的氧化物、Mg的氟化物和铝的氧化物中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：掩埋区为多边形结构或圆环结构或圆形结构或以上几种图形的组合结构。

8.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：第一电极与第二电极选自Au、AuBe合金、AuGe合金、AuZn合金、AuSb合金、Ag、Al、Cu、In、Ti、Cr、Sn、Pb、Pt、Au-Sn合金和Ni中的一种或几种组合。

9.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：截止层的构成元素选自III族和V族，其中包括铝Al、镓Ga、铟In、磷P和砷As，截止层是由其中的几种元素组合而成。

10.根据权利要求1所述的掩埋式高亮度发光二极管结构，其特征在于：第二电极为圆形或圆形带有触角的形状。

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