CN1885579A - 基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构及制备方法，该二极管包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极(7)、n型载流子限制层(5)、有源区(4)、p型载流子限制层(3)：在p型载流子限制层(3)的下面依次包括隧道结结构(8)、键合层(9)、导电外延层(11)和透明衬底(12)；在导电外延层(11)的上面进一步设有导电外延层欧姆接触电极(10)。该制备方法包括外延生长、键合、衬底去掉、光刻，腐蚀和制备欧姆接触电极，合金等步骤。

Description

基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构及制备方法

技术领域

基于键合技术的制备透明衬底发光二极管的结构及制备方法，属于半导体光电子器件领域，涉及一种发光二极管的结构和制备技术。

背景技术

发光二极管是一种将电能直接转换为光能的半导体电致发光器件。由于体积小，重量轻，效率高，寿命长，绿色环保等特点，被广泛的应用在大屏幕彩色显示，交通指示，特种照明等领域。发光二极管的波长范围覆盖从紫外到红外的整个可见光波段，使用的材料涉及镓氮基材料系，和砷化镓基材料系。目前AlGaInP/砷化镓发光二极管是高亮度红光发光二极管的主要使用的材料。

发光二极管的基本物理结构是由p型欧姆接触层、p型载流子限制层、有源区、n型载流子限制层、n型欧姆接触层和衬底六部分构成，有时p型欧姆接触层同时起到电流扩展或者窗口层的作用，衬底起到n型欧姆接触层的作用，其核心部分是p型载流子限制层、有源区和n型载流子限制层构成的p-i-n发光结构。当在发光二极管两端加上偏压时，电子和空穴分别由p型载流子限制层和n型载流子限制层注入到有源区，并在有源区直接复合发光，将电能转换成光能，发出光子。图1是传统的发光二极管的层结构示意图，其中，1为p型欧姆接触电极，2为p型欧姆接触层，3为p型载流子限制层，4为有源区，5为n型载流子限制层，6为吸收衬底，7为n型欧姆接触电极。

由于发光二极管发光的性质为自发辐射，没有方向性，可以认为是各向同性发光。发光二极管有源区向上发出的光，满足菲涅尔定律的部分，可以直接出射到发光二极管表面外。但是向下发射的那部分光，例如AlGaInP/砷化镓发光二极管，由于砷化镓衬底的禁带宽度小于AlGaInP有源区发出光子对应的禁带宽度，使得向下发出的光全部被砷化镓衬底吸收，对整个光输出没有贡献，从而降低了器件的效率，这也是像砷化镓这种吸收光的衬底被称之为吸收衬底的原因。

目前国际上的解决吸收衬底方法有生长布拉格反射镜的方法，键合金属反射镜的方法等，但是目前主流的方法是通过键合磷化镓透明衬底，或者蓝宝石透明衬底来替换原来的砷化镓吸收衬底，这样向下发出的光可以穿过透明衬底射出样品的表面，提高发光二极管的亮度。对于键合蓝宝石作为透明衬底的发光二极管，由于蓝宝石是绝缘材料，因此这种结构的发光二极管必须制备成台面结构，且必须保留一部分砷化镓材料作为键合和欧姆接触层。由于砷化镓材料的存在，必然会降低器件的效率，降低器件的亮度，发挥不出透明衬底结构的全部优势。另外，台面结构本身会增加横向串联电阻，大的串联电阻必然引起发热，为降低电阻必然要增加砷化镓层的厚度，而增加砷化镓层的厚度又会增加吸收损耗，这就使得大的串连电阻和砷化镓吸收成为不可调和的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于键合技术镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管的器件结构和制备方法，即将对有源区发光光谱透明的衬底取代原有的吸收衬底，并增加隧道结结构将电极反型，透明衬底与带有隧道结构的发光二极管键合后成为新的透明衬底。加上偏压后，电流从欧姆接触电极流经有源区，穿过键合界面再到欧姆接触电极，电流流过有源区时发光。

本发明是采用以下技术实现的：

一种基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极(7)、n型载流子限制层(5)、有源区(4)、p型载流子限制层(3)：其特征在于在所述的p型载流子限制层(3)的下面依次包括隧道结结构(8)、键合层(9)、导电外延层(11)、和透明衬底(12)；在位于上述键合层(9)底部的横向延伸部的导电外延层(11)的上面进一步设有导电外延层欧姆接触电极(10)。

前述的键合层(9)可以是由两种半导体材料直接键合形成的界面层，也可以通过增加透明导电物质实现上下结构的连接。

前述的透明导电物质可以为氧化铟锡。

前述的透明衬底(12)在导电状态下，可以省略导电外延层11。

前述的透明衬底(12)为蓝宝石，SiC，ZnO，玻璃或其它介质层。

前述的键合层(9)为透明导电的连接层时，可以省略透明衬底上的导电外延层11。

前述的隧道结结构(8)为同质结构或异质结构。

前述的有源区(4)为量子阱或异质结或量子点或量子线结构。

前述的有源区(4)为多有源区带间量子级联结构。

前述二极管结构，采用正装结构形式，也可采用倒装结构形式。

一种基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构的制备方法，包括

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在n-砷化镓衬底(6)上依次外延生长n-AlInPn型载流子限制层(5)，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区(4)，p-AlInP p型载流子限制层(3)和砷化镓隧道结(8)的红光AlGaInP发光二极管；

步骤2、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在蓝宝石衬底(12)上外延生长n-镓氮外延层11；

步骤3、将经过步骤1加工的红光发光二极管的上表面砷化镓隧道结(8)与经过步骤2加工的n-镓氮外延层(11)面对面键合，键合过程形成键合层(9)；

步骤4、采用公知技术机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层(5)；

步骤5、采用公知技术光刻，腐蚀，形成台面结构；

步骤6、在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金。

本发明与现有技术相比，具有明显的优势和有益效果：

1、镓氮/蓝宝石对于可见光谱全部透明，取代吸收衬底作为透明衬底，将大大提高器件的出光效率和亮度；

2、由于欧姆接触层可以直接制备在镓氮层上，对于AlGaInP发光二极管，和镓氮/蓝宝石之间不需要作为欧姆接触层的薄的砷化镓层，减少了吸收，提高亮度；

3、将电流注入层从p型材料改为n型材料，由于电子的迁移率远远大于空穴的迁移率，将大大的提高电流扩展效应，省略了生长厚的电流扩展层，不仅提高器件的性能，而且降低生产成本；

4、为降低横向电阻，本发明结构可更灵活的改变n型镓氮的厚度而不受到吸收的影响；

5、为改善砷化镓/镓氮键合界面的压降，可以增加其他的透明导电物质(例如氧化铟锡)作为连接层。所以，本发明的结构具有效率更高和设计灵活的特点。

附图说明

图1：传统的发光二极管器件层结构示意图；

图2：本发明中提出的基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的发光二极管的器件层结构示意图；

图3：基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的AlGaInP发光二极管一种实现方法，其中

图3(A)：带有隧道结构的发光二极管结构示意图；

图3(B)：镓氮/蓝宝石透明衬底结构示意图；

图3(C)：将发光二极管和镓氮/蓝宝石透明衬底面对面键合结构示意图，该过程中形成键合层9；

图3(D)：将原有的砷化镓吸收衬底去掉的结构示意图；

图3(E)：光刻，形成台面结构示意图；

图3(F)：制备电极后器件结构示意图；

图4：基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底，以氧化铟锡为键合连接层的AlGaInP发光二极管一种实现方法，其中

图4(A)：在图3(a)所示结构上淀积氧化铟锡键合连接层9的结构示意图；

图4(B)：在图3(b)所示结构上淀积氧化铟锡键合连接层9的结构示意图；

图4(C)：将图4(a)和图4(b)结构面对面键合结构示意图；

图4(D)：将原有的砷化镓吸收衬底去掉的结构示意图；

图4(E)：光刻，形成台面结构示意图；

图4(F)：制备电极后器件结构示意图；

图5：基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底，以氧化铟锡为键合连接层和电极层的AlGaInP发光二极管一种实现方法，其中

图5(A)：在图3(a)所示结构上淀积氧化铟锡键合连接层9的结构示意图；

图5(B)：在图5(b)所示对发光二极管透明的衬底12结构上淀积氧化铟锡键合连接层9的结构示意图；

图5(C)：将图5(a)和图5(b)结构面对面键合结构示意图；

图5(D)：将原有的砷化镓吸收衬底去掉的结构示意图；

图5(E)：光刻，形成台面结构示意图；

图5(F)：制备电极后器件结构示意图。

图6：基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的发光二极管的制备方法的流程示意图；

图7：基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底、以氧化铟锡为键合连接层的发光二极管的制备方法的流程示意图；；

图8：基于蓝宝石为透明衬底，以氧化铟锡为键合连接层和欧姆接触层的发光二极管的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

请参阅图2所示，为本发明涉及的基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的发光二极管的器件和结构，包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极7、n型载流子限制层5、有源区4、p型载流子限制层3：在p型载流子限制层3的下面依次包括隧道结结构8、键合层9、导电外延层11、和透明衬底12；在位于上述键合层9底部的横向延伸部的导电外延层11的上面进一步设有导电外延层欧姆接触电极10。

其中，键合层9可以是两种半导体材料直接键合，也可以通过增加透明导电物质，例如氧化铟锡，实现上下结构的连接。如果透明衬底12导电，则可省略导电外延层11。

本发明中的透明衬底10可以是蓝宝石，SiC，ZnO，玻璃或其它介质层。

如果使用了透明导电的连接层为键合层9，如氧化铟锡，则可以省略透明衬底上的导电外延层11。

本发明中的有源区4可以是量子阱、异质结、量子点和量子线结构，也可以是多有源区带间量子级联结构。

本发明结构中的隧道结结构8可以是同质结构，也可以是异质结构。

红光发光二极管结构为基本特征结构，可以在此基础上增加其他层，用于提高器件的发光效率或者提高材料的生长质量。例如，增加布拉格反射镜或者生长磷化镓透明窗口层，用于提高器件的发光效率。

本发明涉及的器件可以采用正装结构形式，也可采用倒装结构形式。

下面结合图6、图7、图8分别介绍三种不同的实现基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的AlGaInP发光二极管的制备方法；

基于键合技术的如图3所示的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的AlGaInP发光二极管的制备方法如下：

(一)请参阅图6所示，为基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的发光二极管的制备方法的流程示意图；其中

步骤1的110所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在n-砷化镓衬底6上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层5，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区4，p-AlInP p型载流子限制层3和砷化镓隧道结8的红光AlGaInP发光二极管，结构示意图如图3(A)所示；

步骤2的120所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在蓝宝石衬底12上外延生长n-镓氮外延层11，结构示意图如图3(B)所示；

步骤3的130所示，将图3(A)所示的红光发光二极管的上表面砷化镓隧道结8与图3(B)所示的n-镓氮外延层11面对面键合，键合过程形成键合层9，形成如图3(C)所示结构；

步骤4的140所示，采用公知技术机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层5，如图3(D)所示；

步骤5的150所示，采用公知技术光刻，腐蚀，形成台面结构，如图3(E)所示；

步骤6的160所示，在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金，最终制备出本发明提出的基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的AlGaInP发光二极管管芯。

(二)请参阅图7所示，为基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底、以氧化铟锡为键合连接层的AlGaInP发光二极管的制备方法流程示意图：其中：

步骤21的210所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在n-砷化镓衬底6上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层5，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区4，p-AlInP p型载流子限制层3和砷化镓隧道结8的红光AlGaInP发光二极管，结构示意图如图3(A)所示；

步骤22的220所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在蓝宝石衬底12上外延生长n-镓氮外延层11，结构示意图如图3(B)所示；

步骤23的230所示，在上述两个样品正表面分别淀积氧化铟锡键合连接层9，形成如图4(A)和4(B)所示结构；

步骤24的240所示，将图4(A)所示的红光发光二极管的正表面氧化铟锡键合连接层9与图4(B)所示的正表面氧化铟锡键合连接层9面对面键合，形成如图4(C)所示结构；

步骤25的250所示，采用公知技术机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层5，如图4(D)所示；

步骤26的260所示，采用公知技术光刻，腐蚀，形成台面结构，如图4(E)所示；

步骤27的270所示，在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金，最终制备出本发明提出的基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底、以氧化铟锡为键合连接层的AlGaInP发光二极管。

(三)请参阅图8所示，为基于蓝宝石为透明衬底，以氧化铟锡为键合连接层并且氧化铟锡键合层同时作为欧姆接触层的AlGaInP发光二极管的制备方法的流程示意图；其中：

步骤31的310所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在n-砷化镓衬底6上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层5，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区4，p-AlInP p型载流子限制层3和砷化镓隧道结8的红光AlGaInP发光二极管，结构示意图如图3(A)所示；在该结构上淀积氧化铟锡键合连接层9，结构如图5(A)所示；

步骤32的320所示，2在蓝宝石衬底12淀积氧化铟锡键合连接层9，结构示意图如图5(B)所示；

步骤33的330所示，将图5(A)所示的红光发光二极管的正表面氧化铟锡键合连接层9与图5(B)所示的正表面氧化铟锡键合连接层9面对面键合，形成如图5(C)所示结构；

步骤34的340所示，采用公知技术机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层5，如图5(D)所示；

步骤35的350所示，采用公知技术光刻，腐蚀，并在氧化铟锡键合连接层处形成台面结构，如图5(E)所示；

步骤36的360所示，在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金，最终制备出本发明提出的基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底、以氧化铟锡为键合连接层的AlGaInP发光二极管。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极(7)、n型载流子限制层(5)、有源区(4)、p型载流子限制层(3)：其特征在于：

在所述的p型载流子限制层(3)的下面依次包括隧道结结构(8)、键合层(9)、导电外延层(11)、和透明衬底(12)；

在位于上述键合层(9)底部的横向延伸部的导电外延层(11)的上面进一步设有导电外延层欧姆接触电极(10)。

2、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：所述的键合层(9)可以是两种半导体材料直接键合，也可以通过增加透明导电物质实现上下结构的连接，所述的透明导电物质可为氧化铟锡。当所述的键合层(9)为透明导电的连接层时，可省略透明衬底上的导电外延层(11)。

3、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：所述的透明衬底(12)在导电状态下，可省略导电外延层(11)。

4、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：透明衬底(12)为蓝宝石，SiC，ZnO，玻璃或其它介质层。

5、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：所述的隧道结结构(8)为同质结构或异质结构。

6、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：所述的有源区(4)为量子阱或异质结或量子点或量子线结构或者多有源区带间量子级联结构。

7、根据权利要求1所述的基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构，其特征在于：采用正装结构形式，也可采用倒装结构形式。

8、一种基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底的发光二极管的制备方法，其特征在于：包括

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底(6)上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层(5)，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区(4)，p-AlInP p型载流子限制层(3)和砷化镓隧道结(8)的红光AlGaInP发光二极管；

步骤2、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在蓝宝石衬底(12)上外延生长n-镓氮外延层(11)；

步骤3、将经过步骤1加工的红光发光二极管的上表面砷化镓隧道结(8)与经过步骤2加工的n-镓氮外延层(11)面对面键合，键合过程形成键合层(9)；

步骤4、用机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层(5)；

步骤5、进行光刻，腐蚀，形成台面结构；

步骤6、在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金。

9、一种基于键合技术的以镓氮/蓝宝石为透明衬底、以氧化铟锡为键合连接层的发光二极管的制备方法，其特征在于：包括

步骤21、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底(6)上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层(5)，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区(4)，p-AlInP p型载流子限制层(3)和砷化镓隧道结(8)的红光AlGaInP发光二极管；

步骤22、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在蓝宝石衬底(12)上外延生长n-镓氮外延层(11)；

步骤23、在上述两个样品正表面分别淀积氧化铟锡键合连接层(9)；

步骤24、将经步骤21加工是红光发光二极管的正表面氧化铟锡键合连接层(9)与经过步骤22加工的正表面氧化铟锡键合连接层(9)面对面键合；

步骤25、用机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层(5)；

步骤26、进行光刻，腐蚀，形成台面结构；

步骤27、在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金。

10、一种基于蓝宝石为透明衬底，以氧化铟锡为键合连接层和欧姆接触层的发光二极管的实现方法，其特征在于：包括：

步骤31、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底(6)上依次外延生长n-AlInP n型载流子限制层(5)，60对(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P/(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P量子阱结构有源区(4)，p-AlInP p型载流子限制层(3)和砷化镓隧道结(8)的红光AlGaInP发光二极管；在该结构上淀积氧化铟锡键合连接层(9)；

步骤32、在蓝宝石衬底(12)淀积氧化铟锡键合连接层(9)；

步骤33、经过步骤31加工的红光发光二极管的正表面氧化铟锡键合连接层(9)与经过步骤32加工的正表面氧化铟锡键合连接层(9)面对面键合；

步骤34、采用机械研磨和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将砷化镓衬底去掉，暴露出n-AlInP n型载流子限制层(5)；

步骤35、进行光刻，腐蚀，并在氧化铟锡键合连接层处形成台面结构；

步骤36、在n-AlInP表面和n-镓氮表面分别制备欧姆接触电极，合金。

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