侧壁粗化的AlGaInP基LED及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种侧壁粗化的AlGaInP基LED的结构及制造方法，属于半导体技术领域。
【背景技术】
[0002]与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP基材料是一种直接带隙半导体，通过调整Al和Ga的比例，禁带宽度可在1.9eV至2.3eV之间变化，AlGaInP基LED的波长范围可以覆盖550nm-650nm。因此，AlGaInP基材料已广泛应用于红光、橙光、黄绿光LED的制造。由于AlGaInP基材料的折射率η高达3.0至3.5，远高于环氧树脂、硅胶(η?1.5)等LED常规封装材料。根据光的全反射定律可知，光从光密媒质进入光疏媒质会在界面处产生全反射现象，而且界面两侧的折射率差异越大，全反射临界角越小。这使得AlGaInP基LED的出光效率很低。事实上，该问题也存在于GaAs LED和GaN LED中。
[0003]对此，1.Schnitzer等提出了表面粗化提高GaAs LED的外量子效率的方法[App1.Phys.Lett., Vol.63, N0.16, 2174-2176，(1993)]。S.Fan 等提出采用二维光子晶体将有源区发出的光耦合输出，从而提高出光效率[Phys.Rev.Lett., Vol.78,N0.17, 3294-3297，(1997)]。M.R.Krames 等将 AlGaInP LED 芯片切割成截角倒金字塔形(truncated-1nverted-pyramid)，从而改变射向侧壁的光线与侧壁法向之间的夹角，减少界面全反射，提高出光效率[Appl.Phys.Lett., Vol.75, N0.16, 2365-2367, (1999)] οC.S.Chang等采用光刻制备掩膜图形，再采用ICP干法刻蚀在GaN LED侧壁形成半圆形周期性图案，提高出光效率[IEEE Photonic.Technol.Lett., Vol.16, N0.3, 750-752，(2004)]ο
[0004]在上述方法中，通过表面粗化来提高LED出光效率的方法已被业界广泛采用，成为LED行业的一种惯用技术。在AlGaInP基LED中，现有技术主要是对外延层表面进行粗化，侧壁粗化方法仅有少量报道。左致远等人提出采用光刻制备掩膜图形，再利用湿法腐蚀在AlGaInP LED侧壁形成周期性图形的方法，见中国专利申请号201310108349.2。
[0005]但至目前为止，非周期性无规则的亚微米尺寸图形是常规光刻制备掩膜图形方法无法实现的。
【发明内容】
[0006]针对上述提到的由于界面全反射现象导致AlGaInP基LED的出光效率很低的问题，在已有表面粗化技术的基础上，本发明提出一种侧壁粗化的AlGaInP基LED结构。
[0007]本发明在具有背电极的永久衬底上依次设置有金属键合层、ODR反射镜、外延层、η型扩展电极和主电极；0DR反射镜由金属反射层和介质膜层构成，介质膜层与外延层相连接；金属反射层和金属键合层相连接；n型扩展电极和主电极电学连接；其特点是外延层表面和侧壁都是呈粗化状。
[0008]本发明有益效果有:(I)可以进一步提高AlGaInP基LED的出光效率，将LED芯片亮度提高10%至30%，从而提高电光转换效率；(2)由于出光效率提高，LED材料本身吸收的光减少，发热量也相应减小，从而可以延长LED的寿命；(3)由于侧壁粗化使LED芯片的发光角度相应增大，这对于LED显示屏而言，可以增大可视角度，提高LED屏的显示效果。
[0009]进一步地，本发明所述粗化状的形貌为非周期性的无规则图形，所述图形尺寸为亚微米级。这种亚微米级图形具有与可见光波长范围380nm至760nm相比拟的尺寸。非周期性的无规则图形，可以对不同波长的光都有散射和衍射效果，如果是周期性的规则图形，则只对特定波长的光有效。由于本发明所述LED为可见光LED，亚微米级的图形能够更加有效地对这一波段的光产生散射和衍射。
[0010]所述图形尺寸为10nm?I μπι。
[0011]本发明所述外延层可以采用常规外延层，包括φ-GaP窗口层、P-AlGaInP限制层、MQff多量子阱有源层、n-AlGalnP限制层、n-AlGalnP电流扩展层、η型粗化层、n-GaAs欧姆接触层。
[0012]本发明沿LED的厚度方向，所述外延层的P-GaP窗口层侧壁为未粗化，或部分粗化，或完全粗化中的任意一种。如果在生产加工中切割道蚀刻深度刚好到达P-GaP表面，则P-GaP侧壁将是未粗化状态；如果切割道蚀刻到P-GaP内部一定深度，则p_GaP侧壁将是部分粗化状态；如果切割道贯穿ρ-GaP，则p-GaP侧壁将是完全粗化状态，这三种状态都是正常的。
[0013]所述ODR反射镜的介质膜层为Si02、Si3N4、MgF2、IT0中的至少任意一种，金属反射层为Ag、Al、Au、AuZn合金、AuBe合金中的至少任意一种。该设计的出发点是为了获得高反射率的ODR反射镜，所述介质膜层和金属反射层可以进行不同的组合。
[0014]本发明另一目的是提出以上侧壁粗化的AlGaInP基发光二极管的制造方法。
[0015]包括以下步骤:
O在临时衬底上依次外延生长缓冲层、截止层、n-GaAs欧姆接触层、η型粗化层、n-AlGalnP电流扩展层、n-AlGalnP限制层、MQW多量子阱有源层、p-AlGalnP限制层、p_GaP窗口层，形成外延片；
在外延片的P-GaP窗口层上依次制作ODR反射镜和金属键合层；
2)在永久衬底正面制作金属键合层；
3)通过外延片上的金属键合层和永久衬底上的金属键合层，将外延片键合到永久衬底上，形成键合的半制品；
4)去除键合好的半制品上的临时衬底、缓冲层和截止层，露出n-GaAs欧姆接触层；
5)蚀刻出图形化的n-GaAs欧姆接触层，并在n-GaAs欧姆接触层表面制作η型扩展电极；
6)在扩展电极上制作主电极；
7)在永久衬底背面制作背电极。
[0016]本发明工艺的特点是:在所述步骤6)后，在各颗LED芯片外延层的四周蚀刻出至少达到P-GaP窗口层的切割道，再对外延层的表面和侧壁作粗化处理。
[0017]本发明基本为常规工艺，只是通过先蚀刻出切割道，再对外延层的表面和侧壁作粗化处理。所以本发明具有工艺简单、方便生产操作的优点。
[0018]另外，本发明对外延层的表面和侧壁作粗化处理的溶液为HC1、H2SO4, H3PO4, HNO3, HBr、12、CH3C00H、HF、NH4F、NH40H、H2O2中的至少一种。
【附图说明】
[0019]图1为制作过程中在外延片表面制作完ODR反射镜和金属键合层的结构示意图。
[0020]图2为制作过程中在永久衬底上制作完金属键合层后的结构示意图。
[0021]图3为本发明的一种剖面结构示意图。
[0022]图4为图3的俯视图。
[0023]图5为图3的另一种俯视图。
[0024]图6为扫描电子显微镜拍摄的本发明外延层表面或侧壁粗化后的典型表面形貌。
【具体实施方式】
[0025]一、如图1和2所示是本发明优选实例在制作过程中的结构示意图，制造步骤如下:
1、如图1所示，采用MOCVD设备在GaAs临时衬底101上生长外延层，外延层包括缓冲层 102、GaInP 截止层 103、n_GaAs 欧姆接触层 104、n-AlGalnP 粗化层 105、n-AlGalnP 电流扩展层106、n-AlGaInP限制层107、MQW多量子阱有源层108、p_AlGaInP限制层109、p_GaP窗口层110。
[0026]其中n-GaAs欧姆接触层104优选厚度为20nm至lOOnm，掺杂浓度在I X 119Cm 3以上，掺杂元素为Si，以便与η型扩展电极204形成良好的欧姆接触。p-GaP窗口层110的优选厚度为600nm至8000nm，掺杂浓度在I X 118Cm 3以上，掺杂元素为Mg，以保证p面良好的欧姆接触和电流扩展能力。
[0027]采用丙酮、异丙醇、去离子水依次清洗外延片正面的p-GaP窗口层110，氮气吹干，在P-GaP窗口层上沉积S1^质膜层111，通过旋涂正性光刻胶，曝光，显影做出掩膜图形，采用BOE溶液将S12 (或Si3N4, MgF2, ITO中的任意一种或组合)介质膜层111蚀刻出导电孔，在介质膜层111表面蒸镀厚度为300nm的AuZn和500nm的Al作为金属反射层112。金属反射层112也可以采用Ag、Al、Au、AuZn合金、AuBe合金中的任意一种或组合。由S12介质膜层111和AuZn/Al金属反射层112共同构成