一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片的制作方法

一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，包括在所述LED芯片的上表面设置有侧壁倾斜的窗口层，在所述窗口层的倾斜侧壁与顶面上设置有利用湿法粗化法制备的锥状粗化结构。所述窗口层的侧壁法向倾斜角度范围：36～75°，所述窗口层的厚度范围：1～10μm。所述锥状粗化结构包括多个紧密排列的单元锥体，所述单元锥体的底面直径范围：300nm～4μm，所述单元锥体的高度范围：200nm～4μm。本发明湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片极大的提升了AlGaInP四元LED的光提取效率，相对于传统结构芯片其光提取效率可提升60%以上。
【专利说明】—种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AIGaInP四元LED芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，属于发光二极管制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]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II1-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II1- V族半导体的生长突破了技术壁垒，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效率高、寿命长、抗强力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。但是由于II1- 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。
[0003]1969年Nuese等人在 J.Electrochem Soc.:Solid State Sc1.发表了利用环氧树脂封装的LED芯片，将红光GaAs基LED的外量子效率提高了 1_2倍。在GaP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。但是此方法引入的仍旧是平整出光表面，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。
[0004]1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先利用干法刻蚀的方法对半导体材料出光表面进行粗化制得了表面粗化LED，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表面粗化LED。利用干法刻蚀加工的表面粗化LED不足之处在于:(I)干法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)干法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)利用干法刻蚀对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。
[0005]在半导体材料的外延过程中进行一定的设计和调控，也可以制备出表面粗化LED，如中国专利文件CN 101521258提供一种提高发光二极管外量子效率的方法，该方法是通过发光二极管外延片结构中P型层的生长时提高P型层Mg的掺杂浓度，从而达到外延片表面粗糙化的效果。粗化层可以是P型复合层中任意一层，或多层，或某一层某一个区域。既保证了较高的空穴浓度又提供了粗化表面，LED表面粗化层将那些满足全反射定律的光改变方向，破坏光线在LED内部的全反射，提升出光效率，从而提高外量子效率。但是改变外延生长参数会导致LED芯片电学以及光学性质的下降。利用此方法得到的粗化表面粗糙度有限，难以得到理想的光提取效率提高。
[0006]1999年，Krames在Appl.Phys.Lett.提出了干法加工的芯片侧壁均为35。倾斜的LED芯片结构，并且得到了 40%的光提取效率增强(US 2007/0284607A1)。其提出的LED结构中，从表面出光窗口层至衬底侧壁均为倾斜状，整个芯片呈现为倒金字塔形。此种芯片在干法过程中需要去除芯片边缘的量子阱有源发光区，导致在光提取效率提升的同时需要放弃部分有效发光区域。复杂的芯片制作工艺并没有使这种设计思路发挥最大的作用。并且采用干法技术设备成本高、加工效率低，并且对于芯片的性质有一定的损伤。干法加工无法同时对出光面进行粗化，需额外引入多步工艺实现。
[0007]综上所述，以上LED芯片均不完全具备以下特点:不降低量子阱有源发光区面积、出光面表面粗化、易于与现有LED工艺结合、无毒害、对于LED芯片电学性能无破坏的特点。

【发明内容】

[0008]术语解释:
[0009]1、分散布拉格反射镜:依靠折射率周期变化增加反射率的结构的反射镜；
[0010]2、0DR反射镜:金属反射镜与四分之一波片复合反射镜。
[0011]针对现有技术的不足，本发明公开了一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四兀LED芯片，旨在提供一种光提取效率闻的LED芯片。
[0012]本发明的技术方案如下:
[0013]一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，包括在所述LED芯片的上表面设置有侧壁倾斜的窗口层，在所述窗口层的倾斜侧壁与顶面上设置有利用湿法粗化法制备的锥状粗化结构。所述的湿法粗化法的详细工艺按照期刊《Applied PhysicsLetters)) 2011年99卷第121104页所记载的技术内容实施。
[0014]根据本发明优选的，所述窗口层的侧壁法向倾斜角度范围:36° -75°，所述窗口层的厚度范围:1?ΙΟμπι。
[0015]根据本发明优选的，所述窗口层材料为GaP、AlGaInP或AlGaAs。
[0016]根据本发明优选的，所述窗口层为圆锥台形或四棱锥台形。
[0017]根据本发明优选的，所述锥状粗化结构包括多个紧密排列的单元锥体，所述单元锥体的底面直径范围:300nm?4 μ m,所述单元锥体的高度范围:200nm?4 μ m。所述单元椎体呈随机排列或有序排列。
[0018]根据本发明优选的，所述的LED芯片为传统结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的η面电极I,GaAs衬底2,分散布拉格反射镜3,n_AlGaInP限制层4，多量子阱有源发光区5，P-AlGaInP限制层6，带有锥状粗化结构的侧壁倾斜GaP窗口层9-1和P面电极8。
[0019]根据本发明优选的，所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75。，所述窗口层的厚度为:8 μ m ;,所述单元锥体的底面直径为:2 μ m,所述单元锥体的高度为:4 μ Hlo
[0020]根据本发明优选的，所述的LED芯片为换衬底结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的P面电极8，衬底层11，0DR反射镜12，限制层6-1，多量子阱有源发光区5，n-AlGaInP限制层4，带有锥状粗化结构的AlGaInP倾斜侧壁窗口层9_2和η面电极I。[0021]根据本发明优选的，所述衬底层11为Si衬底、Ge衬底或金属衬底。
[0022]根据本发明优选的，限制层6_1为GaP层、AlGaInP层或AlGaAs层。
[0023]根据本发明优选的，所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75。，所述窗口层的厚度为:3μπι ;,所述单元锥体的底面直径为μ m,所述单元锥体的高度为:2.5 μ Hio
[0024]本发明的优点在于:
[0025]1.本发明仅在窗口层进行倾斜侧壁加工，无需去除多量子阱有源发光区。集成倾斜侧壁与窗口层表面粗化两种技术，光提取效果更佳。
[0026]2.本发明湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片极大的提升了AlGaInP四元LED的光提取效率，相对于传统结构芯片其光提取效率可提升60%以上。
[0027]3.本发明的湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片工艺简单，成本低廉。并且无需牺牲多量子阱有源发光区的面积。
【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1为传统结构的AlGaInP四元LED结构示意图；
[0029]图2为传统结构窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED结构示意图；
[0030]图3为换衬底结构窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED结构示意图；
[0031]图4为实施例1与对比例I所述的LED芯片角度分布电致发光对比图；
[0032]图5为实施例2与对比例2所述的LED芯片角度分布电致发光对比图。
[0033]在图1-3中，1、η面电极，2、GaAs衬底，3、分散布拉格反射镜，4、n-AlGalnP限制层，5、多量子阱有源发光区，6、P-AlGaInP限制层，6_1、限制层，7、窗口层，8、p面电极，9、侧壁倾斜的窗口层，9-1、带有锥状粗化结构的倾斜侧壁GaP窗口层，9-2、带有锥状粗化结构的AlGaInP倾斜侧壁窗口层，10、粗化结构，11、衬底层，12、ODR反射镜。
[0034]在图4-5中，13、是实施例1所述LED芯片的角度分布电致发光图；14、对比例I所述LED芯片的角度分布电致发光图；15、是实施例2所述LED芯片的角度分布电致发光图；
16、对比例2所述LED芯片的角度分布电致发光图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0036]实施例1、
[0037]一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，包括在所述LED芯片的上表面设置有侧壁倾斜的窗口层，在所述窗口层的倾斜侧壁与顶面上设置有利用湿法粗化法制备的锥状粗化结构。所述窗口层为圆锥台形。
[0038]所述的LED芯片为传统结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的η面电极I，GaAs衬底2，分散布拉格反射镜3，n_AlGaInP限制层4，多量子阱有源发光区5，P-AlGaInP限制层6，带有锥状粗化结构的侧壁倾斜GaP窗口层9_1和P面电极8。
[0039]所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75°，所述窗口层的厚度为:8μπι;，所述单元锥体的底面直径为:2 μ m,所述单元锥体的高度为:4μπι。
[0040]实施例2、
[0041]一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，包括在所述LED芯片的上表面设置有侧壁倾斜的窗口层，在所述窗口层的倾斜侧壁与顶面上设置有利用湿法粗化法制备的锥状粗化结构。所述的窗口层为四棱锥台形。
[0042]所述的LED芯片为换衬底结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的P面电极8，衬底层11，ODR反射镜12，限制层6-1，多量子阱有源发光区5，n-AlGalnP限制层4，带有锥状粗化结构的AlGaInP倾斜侧壁窗口层9_2和η面电极I。
[0043]所述衬底层11为Si衬底。
[0044]限制层6-1 为 AlGaInP 层。
[0045]所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75°，所述窗口层的厚度为:3μπι;，所述单元锥体的底面直径为:1 μ m,所述单元锥体的高度为:2.5 μ m。
[0046]对比例1:
[0047]对采用尺寸和功率与实施例1完全相同的传统结构的AlGaInP四元LED芯片做实施例I的对比例I。
[0048]将实施例1和对比例I的LED芯片利用Avantes光纤光谱仪分别做出角度分布电致发光图做对比，如图4所示:实施例1的芯片发光强度较对比例I的发光强度提高了 73%。
[0049]对比例2、
[0050]对采用尺寸和功率与实施例2完全相同的换衬底结构的AlGaInP四元LED芯片做实施例2的对比例2。
[0051]将实施例2和对比例2的LED芯片利用Avantes光纤光谱仪分别做出分别做出角度分布电致发光图做对比，如图5所示:实施例1的芯片发光强度较对比例I的发光强度提高了 62%。
[0052]实施例3、
[0053]如实施例2所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其区别在于，所述衬底层11为Ge衬底。
[0054]限制层6-1为GaP层。
[0055]所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:36°，所述窗口层的厚度为:7μπι;，所述单元锥体的底面直径为:900nm,所述单元锥体的高度为:1μπι。
[0056]实施例4、
[0057]如实施例2所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其区别在于，所述衬底层11为金属衬底；限制层6-1为AlGaAs层。
[0058]所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:50°，所述窗口层的厚度为:10μπι;，所述单元锥体的底面直径为:3 μ m,所述单元锥体的高度为:4μπι。
【权利要求】
1.一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，该LED芯片包括在所述LED芯片的上表面设置有侧壁倾斜的窗口层，在所述窗口层的倾斜侧壁与顶面上设置有利用湿法粗化法制备的锥状粗化结构。
2.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述窗口层的侧壁法向倾斜角度范围:36° -75°，所述窗口层的厚度范围:1?10 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述窗口层材料为GaP、AlGaInP或AlGaAs。
4.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述窗口层为圆锥台形或四棱锥台形。
5.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述锥状粗化结构包括多个紧密排列的单元锥体，所述单元锥体的底面直径范围:300nm?4 μ m,所述单元锥体的高度范围:200nm?4 μ m。
6.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述的LED芯片为传统结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的η面电极，GaAs衬底，分散布拉格反射镜，n-AlGalnP限制层，多量子阱有源发光区，P-AlGaInP限制层，带有锥状粗化结构的侧壁倾斜GaP窗口层和P面电极。
7.根据权利要求6所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75°，所述窗口层的厚度为:8μπι;，所述单元锥体的底面直径为:2 μ m,所述单元锥体的高度为:4μπι。
8.根据权利要求1所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述的LED芯片为换衬底结构的AlGaInP四元LED芯片，该芯片包括由下而上依次设置的P面电极，衬底层，ODR反射镜，限制层，多量子阱有源发光区，n-AlGalnP限制层，带有锥状粗化结构的AlGaInP倾斜侧壁窗口层和η面电极。
9.根据权利要求8所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述衬底层为Si衬底、Ge衬底或金属衬底。
10.根据权利要求8所述的一种湿法加工窗口层侧壁倾斜的AlGaInP四元LED芯片，其特征在于，所述限制层为GaP层、AlGaInP层或AlGaAs层；所述窗口层的侧壁法向倾斜角度为:75°，所述窗口层的厚度为:3μπι;，所述单元锥体的底面直径为:1 μ m，所述单元锥体的高度为:2.5 μ mo
【文档编号】H01L33/22GK103682003SQ201210318969
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】左致远, 夏伟, 陈康, 苏建, 张秋霞 申请人:山东华光光电子有限公司