一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，本發(fā)明將氧化后的DBR層、電極結(jié)構化、高電流擴展和同面雙電極等多種技術相融合，避免了LED斷路或半斷路現(xiàn)象，使之成為具有高反射、無焦耳熱的高亮度同面雙電極發(fā)光二級管。在本發(fā)明所述的高亮發(fā)光二級管芯片的外延生長、電極制作步驟完成后，對芯片半切，最后對芯片進行一次氧化，改變DBR層導電性，使之成為絕緣層，大大提高反射率，消除因產(chǎn)生焦耳熱、散射等引起的損耗，實現(xiàn)100%的出光效率。
【專利說明】—種提高GaAs襯底AI Ga I nP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮
度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，屬于光電子器件的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]發(fā)光二極管由于其高效、節(jié)能、環(huán)保等方面的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于汽車和交通信號指示、大屏幕顯示、液晶顯示的背光照明、固體照明等領域。四元合金材料(AlxGa1Ja5Ina5P具有較寬的直接帶隙，覆蓋了 560_650nm范圍的可見光波長，并可以與GaAs襯底晶格完全匹配，是制備紅色到綠色波段LED的優(yōu)良材料。AlGaInP LED由于半導體折射率與空氣折射率差大使出光面的出光錐體小，電極、襯底對光的吸收等原因造成AlGaInP LED的光提取效率很低。目前國內(nèi)外研究工作的重點集中在進一步提高AlGaInPLED的光提取效率上，如加厚GaP窗口層，在吸收紅光的GaAs襯底前生長布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR),光子晶體，晶體薄膜結(jié)構,用對紅光透明的GaP材料代替對紅光吸收的GaAs襯底，以及加金屬光鏡的倒裝結(jié)構的紅光LED。
[0003]傳統(tǒng)的AlGaInP四元發(fā)光二極管，因基底GaAs具有良好的導電性，管芯采用雙面上下電極結(jié)構。中國專利CN1355569公布了一種高反射布拉格反射體結(jié)構，其特征在于將布拉格反射體的一部分氧化，提高反射率，然而此種方法并未起到非常明顯的作用，氧化后的AlGaAs折射率減小，并且在該層中的損失(損失包括散射和吸收)以及串聯(lián)電阻產(chǎn)生的焦耳熱并未縮減多少。
[0004]另一篇中國專利CN101587929公開了一種基于GaAs襯底的ALGAINP四元三端電極發(fā)光管，其管芯結(jié)構包括=GaP層、P型AlGaInP層、量子阱有源區(qū)、N型AlGaInP層、布拉格反射層、GaAs層、和GaAs襯底，在GaP層上面設有P電極，在GaAs層上設有一個臺面，該臺面上蒸鍍有N電極，GaAs襯底上設有基板N電極，該專利僅僅是從電極的設計結(jié)構方面來增加發(fā)光二極管的使用壽命，避免安裝在顯示屏上時出現(xiàn)死燈等現(xiàn)象的發(fā)生:當前AlGaInP四元LED管芯應用在顯示屏上，其基底GaAs上的金屬層通過銀漿粘接到封裝底座的金屬上，成為LED連接的一個連接電極。這樣要求固定LED管芯的銀漿導電性很好，但是，由于銀漿的熱膨脹系數(shù)與半導體GaAs襯底的熱膨脹系數(shù)差別巨大，封裝好的發(fā)光二級管在隨后的應用中經(jīng)常經(jīng)歷高溫焊接，如回流焊接、波峰焊接等，焊接溫度的變化會由于熱膨脹吸收不同而導致管芯粘接不牢，出現(xiàn)發(fā)光二級管死燈現(xiàn)象；同時發(fā)光二級管在戶外使用，氣溫變化也會導致發(fā)光二級管死燈，這種死燈現(xiàn)象嚴重影響發(fā)光二級管在顯示屏等方面的應用。一旦出現(xiàn)死燈或閃燈現(xiàn)象，不僅整個屏顯效果不佳，而且對顯示屏廠家、封裝廠及LED芯片廠的信譽與利益產(chǎn)生連帶效應，后果不僅僅是幾個燈不亮的簡單問題。但是本專利并未就提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率提任何解決的技術方案。
[0005]中國專利CN101005194A公開了一種提高氧化鋁/砷化鎵分布布拉格反射鏡界面質(zhì)量的方法，其特征在于，包括如下步驟:(A)在半絕緣砷化鎵(100)襯底上，使用分子束外延的方法外延生長200nm的砷化鎵緩沖層；(B)在砷化鎵緩沖層上生長7個周期的砷化鋁/砷化鎵分布布拉格反射鏡；(C)對砷化鋁/砷化鎵分布布拉格反射鏡進行刻蝕至襯底，形成條形結(jié)構；(D)將刻蝕好的材料放入氧化爐中，進行濕法氧化，以把砷化鋁氧化成氧化鋁；(E)在氧化爐中退火，同時關閉水蒸氣，向爐中通氮氣進行氣體保護，以提高氧化鋁/砷化鎵分布布拉格反射鏡的界面質(zhì)量。該專利僅僅提供一種提高了 Al203/GaAS的DBR層界面質(zhì)量的方法，即AlAs/GaAs的DBR層經(jīng)過濕法氧化后直接在氧化爐中的退火，該方法僅僅是消除DBR界面處的應力，而對DBR層的導電性和反射率、消除焦耳熱等均無改進效果。
[0006]因此，提供一種發(fā)光二級管的制備方法，在不增加外延生長成本、實際應用成本的ill提下，努力提聞DBR層的反射率，以獲得聞的出光效率，減少或者避免串聯(lián)電阻引起的焦耳熱等方面的損失，同時盡量避免或杜絕顯示屏應用中發(fā)光二級管閃燈或死燈現(xiàn)象，以提高整體產(chǎn)品的性價比，是當前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明概述
[0008]針對以上的技術不足，本發(fā)明提供一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，本發(fā)明將氧化后的DBR層、電極結(jié)構化、高電流擴展和同面雙電極等多種技術相融合，避免了 LED斷路或半斷路現(xiàn)象，使之成為具有高反射、無焦耳熱的高亮度同面雙電極發(fā)光二級管。在本發(fā)明所述的高亮發(fā)光二級管芯片的外延生長、電極制作步驟完成后，對芯片半切，最后對芯片進行一次氧化，改變DBR層導電性，使之成為絕緣層，大大提高反射率，消除因產(chǎn)生焦耳熱、散射等引起的損耗，實現(xiàn)100%的出光效率。
[0009]術語解釋:
[0010]1、MOCVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposition,金屬有機物化學氣相沉積。MOCVD是以III族、II族元素的有機化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種II1-V族、I1-VI族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓(IO-1OOTorr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應室中進行，襯底溫度為500-1200°C，用射頻感應加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方)，H2通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區(qū)。
[0011]2>DBR distributed Bragg Reflector,布拉格反射鏡。是一種常用的高反射率的反射鏡，其結(jié)構是利用兩種不同折射率的材料重覆交錯堆疊而成，利用折射率周期性的變化，讓入射光可以在入射處形成建設性干涉，造成很高的反射率。
[0012]3、半切:鋸片機(切割機)由可自動旋轉(zhuǎn)的精密工作臺，高速空氣靜壓電主軸(最高轉(zhuǎn)速達60，OOOrpm)，自動劃痕定位系統(tǒng)，自動對準對刀和位置輔正裝置系統(tǒng)CXD Camera，顯示監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)控制計算機等組成，用鋸片(刀片)從晶片面劃過，對于薄的晶片，鋸片(刀片)降低到晶片的表面劃出一條深入1/3晶片厚度的淺槽。芯片分離方法仍沿用劃片法和鉆石劃線法中所述的圓柱滾軸施壓完成。
[0013]發(fā)明詳述
[0014]本發(fā)明的技術方案如下:
[0015]一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，包括步驟如下:
[0016](I)采用MOCVD法依次在GaAs襯底上制備GaAs層、DBR層、N型AlGaIn層、量子阱有源區(qū)、P型AlGaIn層和GaP層，在GaP層上制有P電極，在N型AlGaIn層上制有臺面，在所述臺面上制有N電極，制成發(fā)光二極管；
[0017](2)將步驟(1)所述發(fā)光二極管沿DBR層的上表層進行半切，半切深度范圍是:20-40 μ m ;將所述的發(fā)光二極管沿DBR層的上表層進行半切，實現(xiàn)了對所述發(fā)光二極管的水平環(huán)切，使所述DBR層的上表面與所述N型AlGaIn層形成縫隙，為后續(xù)的氧化做準備；
[0018](3)將步驟(2)中經(jīng)半切后的發(fā)光二極管置于氧化爐內(nèi)進行氧化，氧化時間為20-30min，所述氧化爐內(nèi)的溫度為300-500°C ;所述氧化爐內(nèi)的濕度大于或等于85%RH ；
[0019](4)對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗，隨后用N2將發(fā)光二極管吹干；
[0020](5)對經(jīng)步驟(4)處理后的發(fā)光二極管進行封裝，制成AlGaInP四元單面雙電極高
亮發(fā)光二極管。
[0021]在本發(fā)明中，對所述DBR層進行氧化:在300-500°C的高溫下，DBR層中的AlAs和1120反應形成致密的、透明的自然氧化層；反應生成物包括Al的氧化物Α1203、Α1203.ηΗ20(I≤η≤3)、Al (OH)n、以及As的化合物AsH3、As2O3等，生成包括T、η、δ和X相的Al2O3，其中以T相為主，且主要是非晶或多晶態(tài)，其中所述自然氧化層中殘留的As少于
2.4%。如上述組成的氧化層不但使所述DBR層完全絕緣，而且增加了 DBR層的反射效率。本發(fā)明通過氧化工藝使DBR層氧化成為絕緣層，徹底消除光的損失，使向下發(fā)射的光全部向上反射回去，提升了光的出光效率；同時也是單面雙電極的前提。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中所述的DBR層為AlGaAs/AlAs的DBR層。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中，在所述GaP層和P電極之間制有一層透明導電膜。在此設置有透明導電膜的作用是:利于電流在P電極下擴展。
[0024]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述P電極，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片設置在所述的矩形框架內(nèi)，所述矩形片的邊長小于所述矩形框架的邊長，所述矩形片的四角分別與所述矩形框架的四個角通過金屬線相連；所述N電極為弧角方形電極。本發(fā)明中的P電極采用框架狀鏤空結(jié)構，在確保良好接觸的同時還增加了發(fā)光面積，大大提高了采用不透明基板的LED的光萃取效率。
[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的金屬線呈曲線形。
[0026]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述P電極通過P極引線與LED支架相連；所述N電極通過N極引線與LED支架相連。
[0027]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗至水阻值大于等于6ΜΩ，優(yōu)選的，用離子水沖洗至水阻值6-8ΜΩ。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0029]1.本發(fā)明通過氧化DBR層，從而改變其導電性，使之成為絕緣層，大大提高反射率，消除因產(chǎn)生焦耳熱、散射等引起的損耗，實現(xiàn)較高的出光效率，提高芯片光強85%以上。
[0030]2.本發(fā)明所述的方法能保持發(fā)光二級管芯片的外延結(jié)構，避免芯片受損。
[0031]3.本發(fā)明所加工出的單面雙電極LED將N電極和P電極放在了發(fā)光二極管管芯的同一面上，既能方便應用，又能保證了焊線端的質(zhì)量，避免了焊接不牢引起的導線短路、斷路問題。所述P電極和N電極分別通過P電極引線和N電極引線采用金絲球與LED支架焊接，避免了采用管芯粘接導致的死燈等問題的發(fā)生，徹底解決LED燈斷路或半斷路現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明所加工出的發(fā)光二極管的管芯結(jié)構示意圖。
[0033]圖2是圖1中P電極和N電極采用金絲球焊與LED支架的連接示意圖。
[0034]圖3是本發(fā)明所加工出的發(fā)光二極管的所述P電極和N電極的結(jié)構及分布示意圖。
[0035]圖4是本發(fā)明所加工出的發(fā)光二極管與現(xiàn)有的同尺寸的發(fā)光二極管的光功率對比圖。
[0036]在圖1-4 中:l、GaP 層，2、P 型 AlGaInP 層，3、量子阱有源區(qū)，4、N 型 AlGaInP 層，5、氧化后的DBR層，6、GaAs層，7、GaAs襯底，8、透明導電薄膜，9、N電極，10、P電極，10-1、矩形框架，10-2、矩形片，10-3、金屬線，11、管芯，12,N電極引線，13,P電極引線，14,LED支架。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細的說明，但不限于此。
[0038]實施例1、
[0039]如圖1-3所示。
[0040]一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，包括步驟如下:
[0041](I)采用MOCVD法依次在GaAs襯底7上制備GaAs層6、DBR層5、N型AlGaIn層4、量子阱有源區(qū)3、P型AlGaIn層2和GaP層1，在GaP層I上制有P電極10，在N型AlGaIn層4上制有臺面，在所述臺面上制有N電極9，制成發(fā)光二極管；所述的DBR層為AlGaAs/AlAs 的 DBR 層；
[0042]所述P電極，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片設置在所述的矩形框架內(nèi)，所述矩形片的邊長小于所述矩形框架的邊長，所述矩形片的四角分別與所述矩形框架的四個角通過金屬線相連，所述金屬線呈曲線形；所述N電極為弧角方形電極；所述P電極通過P極引線與LED支架相連；所述N電極通過N極引線與LED支架相連；
[0043](2)將步驟(I)所述發(fā)光二極管沿DBR層5的上表層進行半切，半切深度是:20 μ m ;將所述的發(fā)光二極管沿DBR層的5上表層進行半切，實現(xiàn)了對所述發(fā)光二極管的水平環(huán)切，使所述DBR層的上表面與所述N型AlGaIn層4形成縫隙，為后續(xù)的氧化做準備；
[0044](3)將步驟(2)中經(jīng)半切后的發(fā)光二極管置于氧化爐內(nèi)進行氧化，氧化時間為20-30min，所述氧化爐內(nèi)的溫度為300-500°C ;所述氧化爐內(nèi)的濕度大于或等于85%RH ；
[0045](4)對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗，隨后用N2將發(fā)光二極管吹干；
[0046](5)對經(jīng)步驟(4)處理后的發(fā)光二極管進行封裝，制成AlGaInP四元單面雙電極高亮發(fā)光二極管。
[0047]實施例2、
[0048]一種如實施例1所述的提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其區(qū)別在于:
[0049]步驟(I)中，在所述GaP層和P電極之間制有一層透明導電膜。所述步驟(2)中的半切深度是:30μπι。
[0050]所述對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗至水阻值6-8ΜΩ。
[0051]實施例3、
[0052]一種如實施例2所述的提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其區(qū)別在于:
[0053]所述步驟(2)中的半切深度是:40μπι。
[0054]對比例、
[0055]選取現(xiàn)有的發(fā)光二極管作為本發(fā)明的對比例，其封裝尺寸和功率與按照本發(fā)明所加工的一種基于GaAs襯底的AlGaInP四兀單面雙電極發(fā)光二極管完全相同。
[0056]分別向?qū)Ρ壤l(fā)光二極管和實施例1所制備的發(fā)光二極管內(nèi)注入相同的正向電流進行測試光功率，測試結(jié)構如圖4所示:
[0057]在注入相同電流的情況下，本發(fā)明所加工的發(fā)光二級管的光功率約為對比例發(fā)光二極管的光效率的2倍。
【權利要求】
1.一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，其包括步驟如下: (1)采用MOCVD法依次在GaAs襯底上制備GaAs層、DBR層、N型AlGaIn層、量子阱有源區(qū)、P型AlGaIn層和GaP層，在GaP層上制有P電極，在N型AlGaIn層上制有臺面，在所述臺面上制有N電極，制成發(fā)光二極管； (2)將步驟(I)所述發(fā)光二極管沿DBR層的上表層進行半切，半切深度范圍是:20-40 μ m ;將所述的發(fā)光二極管沿DBR層的上表層進行半切，實現(xiàn)了對所述發(fā)光二極管的水平環(huán)切，使所述DBR層的上表面與所述N型AlGaIn層形成縫隙，為后續(xù)的氧化做準備； (3)將步驟(2)中經(jīng)半切后的發(fā)光二極管置于氧化爐內(nèi)進行氧化，氧化時間為20-30min，所述氧化爐內(nèi)的溫度為300-500°C ;所述氧化爐內(nèi)的濕度大于或等于85%RH ； (4)對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗，隨后用N2將發(fā)光二極管吹干； (5)對經(jīng)步驟(4)處理后的發(fā)光二極管進行封裝，制成AlGaInP四元單面雙電極高亮發(fā)光二極管。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的DBR層為AlGaAs/AlAs的DBR層。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，步驟(I)中，在所述GaP層和P電極之間制有一層透明導電膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，所述P電極，其包括矩形框架和矩形片，所述的矩形片設置在所述的矩形框架內(nèi)，所述矩形片的邊長小于所述矩形框架的邊長，所述矩形片的四角分別與所述矩形框架的四個角通過金屬線相連；所述N電極為弧角方形電極。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，所述的金屬線呈曲線形。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，所述P電極通過P極引線與LED支架相連；所述N電極通過N極引線與LED支架相連。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種提高GaAs襯底AlGaInP四元單面雙電極發(fā)光二極管亮度的方法，其特征在于，所述對經(jīng)步驟(3)處理后的發(fā)光二極管用去離子水沖洗至水阻值6-8M Ω。
【文檔編號】H01L33/10GK103489976SQ201210194907
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月13日 優(yōu)先權日:2012年6月13日
【發(fā)明者】閆寶華, 夏偉, 徐現(xiàn)剛, 李懿洲, 湯福國 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司