CN104600164B - 一种高效电流注入发光二极管及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效电流注入发光二极管及其生产方法，属于光电子技术领域，本发明分三次制作P‑GaP电流扩展层，第一、第二、第三P‑GaP电流扩展层掺杂元素均为镁元素，且掺杂浓度呈递度，在第三P‑GaP电流扩展层上制作出图形，刻蚀出第二P‑GaP电流扩展层，然后在第二P‑GaP电流扩展层上制作出图形，蚀刻出第一P‑GaP电流扩展层。本发明改变了电流注入的分布，大大提升电流注入效率，提升了发光二极管的发光强度，可以有效提升发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及AlGaInP四元系发光二极管的制造技术领域。
背景技术
四元系 AlGaInP 是一种具有直接宽带隙的半导体材料，已广泛应用于多种光电子器件的制备。由于材料发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿波段，由此制成的可见光发光二极管受到广泛关注。
传统的垂直结构AlGaInP发光二极管借助厚的P-GaP电流扩展层进行横向扩展后将电流注入发光区，一方面由于P-GaP电流扩展能力有限，电极下方附近区域电流密度较高，离电极较远的区域电流密度较低，导致整体的电流注入效率偏低，从而降低了发光二极管的出光效率。另一方面厚的P-GaP需要较长的生长时间，源耗较高，导致成本大大增加。
高亮度反极性AlGaInP芯片采用键合工艺实现衬底置换，用到热性能好的硅衬底（硅的热导率约为1.5W/K.cm）代替砷化镓衬底（砷化镓的热导率约为0.8W/K.cm），芯片具有更低热阻值，散热性能更好。采用高反射率的全方位反射镜技术来提高反射效率。采用表面粗化技术改善芯片与封装材料界面处的全反射，亮度会更高。但是由于制作步骤繁多，工艺非常复杂，导致制作成本偏高，成品率低。
发明内容
本发明目的是提出一种能提升发光二极管出光效率的高效电流注入发光二极管。
本发明从下到上依次包括第二电极、衬底、N-GaAs过渡层、AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层、P-GaP电流扩展层、透明导电层和第一电极，其特点是：所述P-GaP电流扩展层为三层，分别为第一P-GaP电流扩展层、图形化的第二P-GaP电流扩展层和图形化的第三P-GaP电流扩展层。
电流经过第一电极注入到透明导电层后，在透明导电层进行横向扩展，主要通过第三P-GaP电流扩展层将大部分电流注入到有源区，第二P-GaP电流扩展层注入部分电流到有源区，第一P-GaP电流扩展层注入少量电流到有源区，分布式电流注入方式减缓了电流在电极下方的积聚，减少电流的无效注入，因此本发明改变了电流注入的分布，大大提升电流注入效率，提升了发光二极管的发光强度，可以有效提升发光效率。
另外，本发明第一P-GaP电流扩展层厚度为1500～2000nm，图形化的第二P-GaP电流扩展层厚度为50～70nm，图形化的第三P-GaP电流扩展层厚度为50～70nm。
第一P-GaP电流扩展层该厚度利于电电流注入后的横向扩展，第二P-GaP电流扩展层和第三P-GaP电流扩展层设计较薄的厚度是为避免在进行图形化时蚀刻深度太深，造成图形侧壁台阶太高，透明导电薄膜台阶覆盖性变差，会导致电阻增大，影响电流的扩展。
第一P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1018cm-3。
第二P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3。
第三P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3。
本发明掺杂镁的三层P-GaP电流扩展层中掺杂镁的浓度沿纵向呈阶梯式分布，越接近缓冲层的镁的掺杂浓度越低。掺杂浓度呈阶梯式分布是为了保证电流在通过透明导电层注入到三层P-GaP传导时具有方向性，避免电流直接从电极周围直接注入到电流扩展层，而是通过三层P-GaP电流扩展层分流后从发光区周围注入有源区，提升电流注入效率。
另外，本发明透明导电层为铟锡氧化物，厚度为250～300nm。该厚度为通过光学计算所得对应红光起到增光作用的最佳光学厚度。
本发明的另一目的是提出一种能实现高成品率和低成本的上述一种高效电流注入发光二极管的生产方法。
本发明生产方法包括以下步骤：
1）制作外延片：在永久衬底GaAs的一面依次外延生长N-GaAs缓冲层、AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层、第一P-GaP电流扩展层、第二P-GaP电流扩展层和第三P-GaP电流扩展层；第一P-GaP电流扩展层、第二P-GaP电流扩展层和第三P-GaP电流扩展层掺杂元素均为镁（Mg）元素，且第一P-GaP电流扩展层掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1018cm-3，第二P-GaP电流扩展层掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3，第三P-GaP电流扩展层掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3；
2）在第三P-GaP电流扩展层上制作出图形，刻蚀出第二P-GaP电流扩展层，然后在第二P-GaP电流扩展层上制作出图形，蚀刻出第一P-GaP电流扩展层；
3）在经过图形化处理的P-GaP电流扩展层上沉积透明导电薄膜；
4）在透明导电薄膜上制作第一电极；
5）在永久衬底GaAs的另一面制作第二电极；
6）采用RTA进行退火处理。
本发明的特点是：在制作外延片的P-GaP电流扩展层时，以镁为掺杂元素，采用不同的掺杂浓度，制作出三层P-GaP电流扩展层，再经过二次湿法蚀刻方法制作出P-GaP电流扩展层的图形后，沉积透明导电薄膜的材料为铟锡氧化物。
本发明具有三层不同掺杂浓度的P-GaP电流扩展层结构通过图形化处理，形成同铟锡氧化物不同的接触效果，电流经过第一电极流入铟锡氧化物薄膜层，铟锡氧化物薄膜层横向电阻小于同P-GaP的接触电阻，电流先在铟锡氧化物上进行横向扩展后，再经过三层P-GaP电流扩展层重新分流，进而进入到有源层，从而改变了电流注入的分布，大大提升电流注入效率，提升了发光二极管的发光强度。工艺简单，同时由于降低了P-GaP电流扩展层的厚度，具有低成本，高良率的优点，适宜批量化生产，利于取得高质量、低成本的产品。
经过所述步骤2）中，先在第三P-GaP电流扩展层上制作出图形，再在第二P-GaP电流扩展层上制作出图形，图形化处理后，漏出第一P-GaP电流扩展层区域位于发光区中心区域，占整个发光区面积40～60%，漏出第二P-GaP电流扩展层区域位于发光区中部区域，占整个发光区面积20～40%，剩余的第三P-GaP电流扩展层区域位于发光区边缘区域占发光区面积10～30%。
在进行图形化时掺杂浓度较高的第三P-GaP电流扩展层区域位于发光区边缘区域占发光区面积10～30%，可以保证同铟锡氧化物形成良好的电学接触，利于电流的注入，为电流注入的第一通道，掺杂浓度适中的第二P-GaP电流扩展层区域位于发光区中部区域，占整个发光区面积20～40%，能够同铟锡氧化物形成良好的电学接触，但接触电阻大于第三P-GaP电流扩展层同铟锡氧化物的接触电阻，为电流注入的第二通道，掺杂浓度最低的第一P-GaP电流扩展层区域位于发光区中心区域，占整个发光区面积40～60%，同铟锡氧化物形成较差的电学接触，有较大的接触电极，相当与形成肖特基结，避免电极的大量注入。
另外，为了保障铟锡氧化物同P-GaP形成良好的电学接触，保障衬底GaAs同第二电极形成良好的电学接触，本发明所述RTA退火温度为400～450℃，退火时间10～30s。
附图说明
图1为本发明成品的一种结构示意图。
具体实施方式
一、如图1所示是本发明制造步骤如下：
1、制作外延片：利用MOCVD设备在一永久衬底GaAs101面上依次生长N-GaAs过渡层102、AlAs/AlGaAs反射层103、N-AlGaInP下限制层104、MQW多量子阱有源层105、P-AlGaInP上限制层106、P-GaInP缓冲层107、掺杂镁的第一P-GaP电流扩展层108，第二P-GaP电流扩展层109，第三P-GaP电流扩展层110。
其中第一P-GaP电流扩展层108优选厚度1800nm，第二P-GaP电流扩展层109优选厚度60nm，第三P-GaP电流扩展层110优选厚度60nm，三层P-GaP电流扩展层掺杂元素均为镁（Mg），以保证一定的电流扩展能力。第一P-GaP电流扩展层108优选掺杂浓度为9×1017cm-3，第一P-GaP电流扩展层108上的第二P-GaP电流扩展层109优选掺杂浓度为6×1018cm-3，第二P-GaP电流扩展层109上的第三P-GaP电流扩展层110优选掺杂浓度为2×1019cm-3。
2、利用511清洗液清洗三层P-GaP电流扩展层108，109，110，在其上旋涂正性光刻胶，通过曝光，显影，制作出特定图形。再通过等离子打胶后，利用体积比为1：1：5的盐酸：硝酸：水混合液，蚀刻60s，蚀刻出第二P-GaP电流扩展层109，蚀刻深度为60～70nm。
3、将制作好图形的样品浸入丙酮溶液进行超声清洗10min，在有图形的一面旋涂正性光刻胶，通过曝光，显影，制作出特定图形。再通过等离子打胶后，利用体积比为1：1：5的盐酸：硝酸：水混合液，蚀刻60s，蚀刻出第一P-GaP电流扩展层110，蚀刻深度为60～70nm。
图形化处理后，漏出第一P-GaP电流扩展层区域位于发光区中心区域，占整个发光区面积40～60%，漏出第二P-GaP电流扩展层区域位于发光区中部区域，占整个发光区面积20～40%，剩余的第三P-GaP电流扩展层区域位于发光区边缘区域占发光区面积10～30%。
4、将制作好图形的样品浸入丙酮溶液进行超声清洗10min，采用电子束蒸镀方式，在图形化的P-GaP电流扩展层108、109、110表面沉积厚度为250nm的氧化铟锡透明薄膜111，氧化铟锡透明薄膜111在620nm波段透过率保证在95%以上，方块电阻在10 Ώ以内。
5、将蒸镀完氧化铟锡的样品浸入丙酮溶液进行超声清洗10min，旋涂负性光刻胶，经过烘烤，曝光，烘烤，显影后制作出电极图形，通过高速旋干机将样品旋干后，采用电子束蒸镀方式蒸镀第一电极112，电极材料为Cr、Pt、Au，厚度分别为30nm、80nm、2000nm。
6、通过研磨机研磨，将芯片减薄至200±10μm厚度。
7、将研磨好的样品浸入丙酮溶液进行超声清洗10min，采用电子束蒸镀的方式在衬底GaAs101的背面制作第二电极113，电极材料为AuGe，厚度分别为200nm。
8、采用RTA退火炉对芯片进行退火，退火温度420℃，退火时间20s。即完成器件的制作。
二、制成的产品结构特点：
如图1所示，在一永久衬底GaAs101一面上依次设置有N-GaAs过渡层102、AlAs/AlGaAs反射层103、N-AlGaInP下限制层104、MQW多量子阱有源层105、P-AlGaInP上限制层106、P-GaInP缓冲层107、第一P-GaP电流扩展层108，第二P-GaP电流扩展层109，第三P-GaP电流扩展层110、透明导电层111、第一电极112，在一永久衬底GaAs101的另一面设置第二电极113。
由于具有图形化的三层不同掺杂浓度的P-GaP电流扩展层的电流分流作用，由氧化铟锡透明导电膜传导的电流大部分从发光区四周注入有源区，从而减小了电流在电极下方的积聚，减少了电流的无效注入，提升了发光效率。
Claims (10)
1.一种高效电流注入发光二极管，从下到上依次包括第二电极、衬底、N-GaAs过渡层、AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层、P-GaP电流扩展层、透明导电层和第一电极，其特征在于所述P-GaP电流扩展层为三层，分别为第一P-GaP电流扩展层、图形化的第二P-GaP电流扩展层和图形化的第三P-GaP电流扩展层；第一P-GaP电流扩展层区域位于发光区中心区域，占整个发光区面积40～60%；图形化的第二P-GaP电流扩展层区域位于发光区中部区域，占整个发光区面积20～40%；图形化的第三P-GaP电流扩展层区域位于发光区边缘区域占发光区面积10～30%；第一P-GaP电流扩展层掺杂浓度最低，第二P-GaP电流扩展层掺杂浓度适中，第三P-GaP电流扩展层掺杂浓度较高。
2.根据权利要求1所述高效电流注入发光二极管，其特征在于：第一P-GaP电流扩展层厚度为1500～2000nm，图形化的第二P-GaP电流扩展层厚度为50～70nm，图形化的第三P-GaP电流扩展层厚度为50～70nm。
3.根据权利要求1所述高效电流注入发光二极管，其特征在于：第一P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述高效电流注入发光二极管，其特征在于：第二P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述高效电流注入发光二极管，其特征在于：第三P-GaP电流扩展层以镁为掺杂元素，掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述高效电流注入发光二极管，其特征在于所述透明导电层为铟锡氧化物，厚度为250～300nm。
7.如权利要求1所述高效电流注入发光二极管的生产方法，包括以下步骤：
1）制作外延片：在永久衬底GaAs的一面依次外延生长N-GaAs过渡层、AlAs/AlGaAs反射层、N-AlGaInP下限制层、MQW多量子阱有源层、P-AlGaInP上限制层、P-GaInP缓冲层、P-GaP电流扩展层；
2）对P-GaP电流扩展层进行图形化处理；
3）在图形化处理的P-GaP电流扩展层上沉积透明导电薄膜；
4）在透明导电薄膜上制作第一电极；
5）在永久衬底GaAs的另一面制作第二电极；
6）采用RTA进行退火处理；
其特征在于：在所述步骤1）中，所述P-GaP电流扩展层分三次制作，先在P-AlGaInP上限制层上制作第一P-GaP电流扩展层，然后在第一P-GaP电流扩展层上制作第二P-GaP电流扩展层，最后在第二P-GaP电流扩展层上制作第三P-GaP电流扩展层；第一P-GaP电流扩展层、第二P-GaP电流扩展层和第三P-GaP电流扩展层掺杂元素均为镁元素，且第一P-GaP电流扩展层掺杂浓度为8×1017cm-3～1×1018cm-3，第二P-GaP电流扩展层掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3，第三P-GaP电流扩展层掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3；在第三P-GaP电流扩展层上制作出图形，刻蚀出第二P-GaP电流扩展层，然后在第二P-GaP电流扩展层上制作出图形，蚀刻出第一P-GaP电流扩展层。
8.根据权利要求7所述高效电流注入发光二极管的生产方法，其特征在于：经过所述步骤2）中，先在第三P-GaP电流扩展层上制作出图形，再在第二P-GaP电流扩展层上制作出图形，图形化处理后，露出第一P-GaP电流扩展层区域位于发光区中心区域，占整个发光区面积40～60%，露出第二P-GaP电流扩展层区域位于发光区中部区域，占整个发光区面积20～40%，剩余的第三P-GaP电流扩展层区域位于发光区边缘区域占发光区面积10～30%。
9.根据权利要求7或8所述高效电流注入发光二极管的生产方法，其特征在于：第三P-GaP电流扩展层的图形深度为80～100nm，第二P-GaP电流扩展层的图形深度为80～100nm。
10.根据权利要求7所述高效电流注入发光二极管的生产方法，其特征在于：所述RTA退火温度为400～450℃，退火时间10～30s。
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