分散式N面欧姆接触的反极性ALGAINP发光二极管.pdf

一种分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，由底部至顶部依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层、绝缘层、p型电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、n型半导体层、n型窗口层、n型GaAs接触层、n型欧姆接触金属、n电极加厚金属层和n焊盘，反射镜层通过绝缘层开孔与p型电流扩展层接触，n型GaAs接触层在n型窗口层上呈现分散排列，每个单体n型GaAs接触层表面设置一个n型欧姆接触金属，n电极加厚金属层设置在n型窗口层表面并覆盖于n型欧姆接触金属之上。本发明显著提升光提取效率；显著提升器件的电流扩展能力，释放n型欧姆接触金属与n电极加厚金属层之间的应力，提高LED芯片的光提取效率与电极牢固程度。

权利要求书1.  一种分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，由底部至顶部依次为 p电极、衬底、键合层、反射镜层、绝缘层、p型电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、 n型半导体层、n型窗口层、n型GaAs接触层、n型欧姆接触金属、n电极加厚金属层和n 焊盘，反射镜层通过绝缘层开孔与p型电流扩展层接触，n型GaAs接触层在n型窗口层上 呈现分散排列，每个单体n型GaAs接触层表面设置一个n型欧姆接触金属，n电极加厚金 属层设置在n型窗口层表面并覆盖于n型欧姆接触金属之上。 2.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述p电极厚度为0.5μm-10μm；衬底厚度为20μm-300μm；键合层厚度为0.2μm-10μm反 射镜层厚度为0.1μm-10μm；绝缘层厚度为0.1μm-5μm。 3.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述绝缘层开孔的孔径为0.5μm-50μm。 4.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述p型电流扩展层厚度为0.1μm-10μm；p型半导体层厚度为0.1μm-10μm；n型半导体 层厚度为0.1μm-10μm；n型窗口层厚度为0.1μm-10μm。 5.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述n型GaAs接触层单体形状为矩形、三角形或圆形。 6.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述n型GaAs接触层单体面积为1μm2-100μm2。 7.  根据权利要求1所述的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，其特征是，所 述所述n型欧姆接触金属的形状和面积与n型GaAs接触层一致。

说明书分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管
技术领域
本发明涉及一种n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管结构，属于发光二极管制造 技术领域。
背景技术
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III–V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属氧化 物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的III–V族半导体的生长突破了技术势 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 发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器 件。但是由于III–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 发光区域发出的光线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。
1969年Nuese等人在J.Electrochem Soc.:Solid State Sci.(116)212发表了利用环 氧树脂封装LED芯片的方法，将红光GaAs基LED的外量子效率提高了1-2倍。在GaAs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。
1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.(63)2174首先提出利用刻蚀的方法对 半导体材料出光表面进行粗化从而提高LED芯片的外量子效率的方法，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.(47)1492以及Appl.Phys.Lett.(74)2256等期刊报道了 类似的方法对LED出光表面进行粗化。利用刻蚀的方法对LED出光表面进行粗化的不足之处在 于：(1)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)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。
Plauger在J.Electrochem.Soc.(121)1974发表文章，报道了利用电化学的方法，对GaP 材料进行有效的腐蚀。此方法对LED出光表面进行粗化的不足在于：(1)需要外加电压来进 行辅助，额外引入了电极制备的工艺；(2)得到的腐蚀结构不利于LED的光提取。
CN101656284提供一种《利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法》，该方法包括以 下步骤：(1)按常规利用金属有机化学气相沉积的方法在衬底上依次外延生长N型接触层、 多量子阱有源区和P型接触层，衬底为GaAs材料；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束 溅射一层厚260nm的ITO薄膜；(3)将覆盖有ITO的外延片浸入浓盐酸中1min，腐蚀掉部分 ITO，残留的为颗粒状的ITO；(4)用残留的ITO颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗 化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残留的ITO。此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本较正 常LED工艺明显提高。此外，亦没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏。并且 此方法需要使用浓盐酸，由于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操 作人员造成一定损害。
CN101656285公开的《利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法》,该方法包括步 骤：(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密 排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙 醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相 应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球与 P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结构保留在P型接触层上；(5)用 形成的氧化物作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(6)腐蚀掉残留的氧化物。 此方法需要利用PS微球作为掩膜，步骤繁琐，成本较高且难以保证获得较大面积的均匀粗化 结构。
CN102148324B公开的《一种带有衬底聚光反射镜的LED芯片及其制作方法》，包括芯 片上表面和芯片下表面，所述芯片下表面上设有具有对入射光反射后起到会聚作用的聚光反 射镜阵列，其制作方法是通过金刚石切割刀或激光切割在芯片下表面进行切割制成纵横交 错的切割道，相邻交叉的切割道之间形成聚光反射镜，若干个聚光反射镜组成聚光反射镜阵 列，或是通过光刻在芯片下表面上制作若干个圆形保护膜，然后采用磷酸系列的混合腐蚀液 或等离子体刻蚀设备对芯片下表面上圆形保护膜以外的区域进行刻蚀，由此制作出聚光反 射镜阵列。该方法仅适于在透明衬底LED芯片中应用。
CN202423369U公开的《发光二极管芯片》，包括：衬底、依次叠置形成于衬底的顶面上 的N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层、透明导电层、P电极以及N电极，N电极形成于 N型半导体层被刻蚀区域的顶面上；还包括第一DBR层和第二DBR层，第一DBR层形成于正对P 电极贯通透明导电层的凹陷区域内，第一DBR层的底面形成于P型半导体层的顶面上；衬底的 底面形成有第二DBR层。该结构仅适用于具有透明衬底的GaN基LED器件，对于衬底不透光的 AlGaInP基LED芯片不适用。
发明内容
针对现有发光二极管的结构存在的不足，本发明提供一种分散式n面欧姆接触的反极性 AlGaInP发光二极管结构，目的在于减少窗口层顶部的GaAs接触层遮挡与光吸收，释放n 型欧姆接触金属与n电极加厚金属层之间的应力，提高LED芯片的光提取效率与电极牢固程 度。
本发明的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，采用如下技术方案：
该发光二极管，由底部至顶部依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层、绝缘层、p型 电流扩展层、p型半导体层、有源发光区、n型半导体层、n型窗口层、n型GaAs接触层、n 型欧姆接触金属、n电极加厚金属层和n焊盘，反射镜层通过绝缘层开孔与p型电流扩展层 接触，n型GaAs接触层在n型窗口层上呈现分散排列，每个单体n型GaAs接触层表面设置 一个n型欧姆接触金属，n电极加厚金属层设置在n型窗口层表面并覆盖于n型欧姆接触金 属之上。
所述p电极制备在衬底背面，可以选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd和 Pt中的一种或多种材料任意比例的组合，厚度为0.5μm-10μm。
所述衬底选用Si、GaAs、Al2O3、GaP、InP、SiC、Cu、Mo或Al材料；厚度为20μm-300μm；
所述键合层选用Au、In、Sn、Ti、Pt、Al、Cr材料中的单一材料或多个材料的组合， 厚度为0.2μm-10μm。
所述反射镜层选用Au、Ge、Ni、Ti、Al、Ag、Cu、Cr、Be、Pd和Pt中的一种或多种材 料任意比例的组合，具体选用兼顾与电流扩展层的欧姆接触，厚度为0.1μm-10μm。
所述绝缘层选用SiO2、Si3N4、TiO2或Al2O3等绝缘材料，厚度为0.1μm-5μm，开孔孔径 为0.5μm-50μm。
所述p型电流扩展层是p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAS、p-AlGaAs、p-AlAsP 或p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm；MOCVD 技术制备。
所述p型半导体层是p-GaP、p-AlInP、p-GaInP、p-GaAs、p-AlAS、p-AlGaAs、p-AlAsP 或p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm。
所述有源区是多量子阱或多异质结结构，可使用AlInP、GaInP、AlGaInP、GaAs、InGaAs、 AlGaAs、AlAsP和GaAsP的中的一种或多种材料任意比例的组合。
所述n型半导体层是n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAS、n-AlGaAs、n-AlAsP 或n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm。
所述n型窗口层是n-GaP、n-AlInP、n-GaInP、n-GaAs、n-AlAS、n-AlGaAs、n-AlAsP 或n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm。
所述n型GaAs接触层单体形状为矩形、三角形或圆形，面积为1μm2-100μm2，n型掺 杂的浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，厚度为0.1μm-10μm。
所述n型欧姆接触金属的形状和面积与n型GaAs接触层一致，选用Au、Ge、Ni、Ti、 Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd和Pt中的一种或多种材料任意比例的组合；厚度为0.5μm-10μm；
所述n电极加厚金属层选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd和Pt中的一种 或多种材料任意比例的组合，厚度为0.5μm-10μm。
所述n焊盘选用Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Cu、Be、Pd和Pt中的一种或多种材料 任意比例的组合，厚度为0.5μm-10μm。
本发明具有以下特点：
1.降低了AlGaInP基LED窗口层的n面GaAs欧姆接触层的光吸收，显著提升光提取效率。
2.显著提升器件的电流扩展能力，从而体现大功率芯片的尺寸成本优势与高可靠性。
3.释放n型欧姆接触金属与n电极加厚金属层之间的应力，提高LED芯片的光提取效率与 电极牢固程度。
4.易于与现有生产工艺相集成，成本与传统结构芯片接近，具备显著的性价比优势。
附图说明
图1是本发明分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
其中，1、p电极，2、衬底，3、键合层，4、反射镜层，5、绝缘层，6、p型电流扩展 层，7、p型半导体层，8、有源发光区，9、n型半导体层，10、n型窗口层，11、n型GaAs 接触层，12、n型欧姆接触金属，13、n电极加厚金属层，14、n焊盘。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本发明的分散式n面欧姆接触的反极性AlGaInP发光二极管，由底 部至顶部的结构依次为p面电极1、衬底2、键合层3、反射镜层4、绝缘层5、p型电流扩 展层6、p型半导体层7、有源发光区8、n型半导体层9、n型窗口层10、n型GaAs接触层 11、n型欧姆接触金属12、n电极加厚金属层13和n焊盘14。
(1)p电极1制备在衬底2背面，材料选用Au和Ti的组合，使用蒸发方式制备；厚 度为0.5μm；
(2)衬底2为Si材料；厚度为20μm；
(3)键合层3选用Au材料，使用蒸发的方式制备；厚度为0.2μm；
(4)反射镜层4，材料选用Au和Be的组合，使用蒸发方式制备；厚度为0.1μm；
(5)绝缘层5选用SiO2材料，使用CVD方式制备；厚度为0.1μm，开孔直径0.5μm；
(6)p型电流扩展层6是MOCVD技术制备的p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3， 厚度为0.1μm；
(7)p型半导体层7是MOCVD技术制备的p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1017cm-3， 厚度为0.1μm；
(8)有源发光区8是MOCVD技术制备的多量子阱结构，使用AlInP、AlGaInP材料的组 合；
(9)n型半导体层9是MOCVD技术制备的n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3， 厚度为0.1μm；
(10)n型窗口层10是MOCVD技术制备的n-GaP材料，n型掺杂的浓度为1×1017cm-3， 厚度为0.1μm；
(11)n型GaAs接触层11是MOCVD技术制备的n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为 1×1017cm-3，厚度为0.1μm，形状为矩形，单体面积为1μm2；
(12)n型欧姆接触金属12，使用蒸发方式制备，位于n型GaAs接触层11顶部，选用 Au、Ge、Ni材料的组合，厚度为0.5μm，形状、分布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层,1制备在n型窗口层层表面并覆盖于n型欧姆接触金属之上， 选用Cr、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚度为0.5μm；
(14)n焊盘14，仅包含焊盘结构，选用Ni、Al材料的组合，使用蒸发的方式制备；厚 度为0.5μm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别是：
(1)p电极1厚度为1μm；
(2)衬底2为Cu材料，厚度为50μm；
(3)键合层3选用Au和In材料组合，厚度为1μm；
(4)反射镜层4选用Ag、Ni和Al材料的组合，厚度为0.5μm；
(5)绝缘层5选用TiO2材料，厚度为0.2μm，开孔直径为2μm；
(6)p型电流扩展层6是p-GaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为1μm；
(7)p型半导体层7是p-AlGaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.3μm；
(8)有源区8使用GaInP和AlGaInP的组合材料；
(9)n型半导体层9是n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.3μm；
(10)n型窗口层10是n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.3μm；
(11)n型GaAs接触层11是n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1018cm-3，厚度为0.2μm， 形状为三角形，单体面积为5μm2；
(12)n型欧姆接触金属12选用Au、Ge和Ni的组合材料，厚度为0.8μm，形状、分 布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层13选用Ti和Al的组合材料，厚度为0.8μm；
(14)n焊盘14选用Cr和Al的组合材料，厚度为0.8μm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是：
(1)p电极1选用Ag、Ni和Pt的组合材料，厚度为1μm；
(2)衬底2为GaAs材料，厚度为100μm；
(3)键合,3选用Al和Sn材料组合，厚度为1.5μm；
(4)反射镜层4选用Au和Cr材料的组合，厚度为1μm；
(5)绝缘层5选用Si3N4材料，厚度为0.5μm，开孔直径为10μm；
(6)p型电流扩展层6是p-GaAs材料，p型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为2μm；
(7)p型半导体层7是p-AlGaAs材料，p型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为1μm；
(8)有源区8是使用AlGaAs和AlAs的组合材料；
(9)n型半导体层9是n-AlGaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为2μm；
(10)n型窗口层10是n-GaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为0.5μm；
(11)n型GaAs接触层11是n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为0.3μm， 形状为圆，单体面积为10μm2；
(12)n型欧姆接触金属12选用Al、Ti和Ni材料的组合，厚度为1.0μm，形状、分 布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层13选用Ti和Au材料的组合，厚度为1.0μm；
(14)n焊盘14选用Cr和Au材料的组合，厚度为1.0μm；
实施例4
本实施例与实施例1的区别是：
(1)p电极1选用Cr和Au材料的组合，厚度为2μm；
(2)衬底2为Mo材料；厚度为150μm；
(3)键合层3选用Cr、Ti和Al材料组合，厚度为2μm；
(4)反射镜层4选用Ni和Al材料的组合，厚度为2μm；
(5)绝缘层5选用Si3N4材料，厚度为1μm，开孔直径为15μm；
(6)p型电流扩展层6是p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为4μm；
(7)p型半导体层7是p-AlGaAs材料，p型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为2μm；
(8)有源区8是多量子阱结构，使用AlGaInP材料；
(9)n型半导体层9是n-AlGaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为2μm；
(10)n型窗口层10是n-AlGaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1019cm-3，厚度为0.8μm；
(11)n型GaAs接触层11是n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为0.5μm， 形状为矩形，单体面积为20μm2；
(12)n型欧姆接触金属12选用Au、Pt和Ni材料的组合，厚度为1.5μm，形状、分 布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层13选用Pt、Au材料的组合，厚度为2.0μm；
(14)n焊盘14选用Ni和Au材料的组合，厚度为2.0μm。
实施例5
本实施例与实施例1的区别是：
(1)p电极1选用Pt和Ag材料的组合，厚度为5μm；
(2)衬底2为SiC材料；厚度为200μm；
(3)键合层3选用Pt、Ti、Au和In材料组合，厚度为3μm；
(4)反射镜层4选用Au和Be材料的组合，厚度为4μm；
(5)绝缘层5选用SiO2材料，厚度为2μm，开孔直径为20μm；
(6)p型电流扩展层6是p-GaP材料，p型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为6μm；
(7)p型半导体层7是p-AlInP材料，p型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为4μm；
(8)有源区8使用AlInP和AlGaInP材料组合；
(9)n型半导体层9是n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为2μm；
(10)n型窗口层10是n-AlGaInP材料，n型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为1.0μm；
(11)n型GaAs接触层11是n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为1.0μm， 形状为三角形，单体面积为50μm2；
(12)n型欧姆接触金属12选用Ag、Ge和Ni材料的组合，厚度为2.0μm，形状、分 布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层13制选用Ag和Au材料的组合，厚度为3.0μm；
(14)n焊盘14选用Ni、Au材料的组合，厚度为3.0μm。
实施例6
本实施例与实施例1的区别是：
(1)p电极1选用Ni和Cu材料的组合，厚度为5μm；
(2)衬底2为Al材料；厚度为300μm；
(3)键合层3选用Pt、Ti、Al和In材料组合，厚度为5μm；
(4)反射镜层4选用Al和Be材料的组合，厚度为5μm；
(5)绝缘层5选用SiO2材料，厚度为5μm，开孔直径为50μm；
(6)p型电流扩展层6是p-GaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为10μm；
(7)p型半导体层7是p-GaInP材料，p型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为10μm；
(8)有源区8使用AlInP、GaInP材料组合；
(9)n型半导体层9是n-AlAs材料，n型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为5μm；
(10)n型窗口层10是n-AlInP材料，n型掺杂的浓度为1×1020cm-3，厚度为2.0μm；
(11)n型GaAs接触层11是n-GaAs材料，n型掺杂的浓度为1×1021cm-3，厚度为2.0μm， 形状为矩形，单体面积为100μm2；
(12)n型欧姆接触金属12选用Al、Ge和Ni材料的组合，厚度为10.0μm，形状、分 布与面积大小与n型GaAs接触层一致；
(13)n电极加厚金属层13选用Al、Au材料的组合，厚度为10.0μm；
(14)n焊盘14选用Ni和Al材料的组合，厚度为10.0μm。