本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，具體為一種具有全鏡面結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制作方法。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（英文為L(zhǎng)ight Emitting Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，其利用半導(dǎo)體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)換為光。隨著 LED 應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，進(jìn)一步提高發(fā)光效率已勢(shì)在必行。

LED的發(fā)光效率主要取決于內(nèi)量子效率和取光效率，前者由發(fā)光材料本身的外延晶體質(zhì)量決定，而后者則由芯片結(jié)構(gòu)、出光界面形貌、封裝材料的折射率等因素決定。現(xiàn)有發(fā)光二極管之增光工藝，常會(huì)借由鍵合工藝在芯片外延層與吸光基板之間制作反射鏡面，藉此避免芯片內(nèi)發(fā)光被吸光基板吸收，并將其反射至出光面提升整體亮度。鏡面材質(zhì)通常選用對(duì)于該芯片波長(zhǎng)具有高反射率之金屬材料，如紅光常用Au/Ag鏡，藍(lán)綠光常用Al/Ag鏡；此外，也常見(jiàn)地將高反射率金屬結(jié)合SiO₂，形成全方位反射鏡面ODR結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在圖1所示的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中，為了P、N電流導(dǎo)通，在發(fā)光外延疊層的下方部分區(qū)域需作為歐姆接觸的電極132，其一方面損失鏡面面積（~5%），另一方面歐姆接觸的電極區(qū)域還會(huì)吸光造成亮度損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明利用外延預(yù)先成長(zhǎng)的DBR（Distributed Bragg Reflector：分布布拉格反射鏡）層，在芯片工藝中再將歐姆接觸層對(duì)應(yīng)的DBR層保留，使歐姆接觸電極區(qū)域既可形成歐姆接觸亦具有反射層的效果，并搭配ODR（Omni Direction Reflection：全方位反射鏡）鏡面系統(tǒng)，構(gòu)成全鏡面結(jié)構(gòu)，達(dá)到無(wú)反射鏡面面積損失，進(jìn)而提升光取出效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：具有全鏡面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，包括發(fā)光外延疊層及位于其下方的鏡面系統(tǒng)，所述發(fā)光外延疊層包含N型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層，所述鏡面系統(tǒng)包括金屬反射層和位于其上的透光層，所述透光層包括透光區(qū)和歐姆接觸區(qū)，所述透光區(qū)由透光性介電材料構(gòu)成，與金屬反射層構(gòu)成ODR反射鏡，所述歐姆接觸區(qū)從下到上依次包含歐姆接觸層和DBR層，所述DBR層至少由第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層交替構(gòu)成，從而構(gòu)成一個(gè)不間斷反射鏡面系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述金屬反射層、透光層及歐姆接觸區(qū)的DBR層構(gòu)成三維鏡面系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述DBR層具有傾斜的側(cè)壁，其傾斜角為45~60°。

優(yōu)選地，所述透光層的透光區(qū)與歐姆接觸區(qū)之間無(wú)縫隙。

優(yōu)選地，所述透光層遠(yuǎn)離所述發(fā)光外延疊層的一側(cè)表面的平整度RMS為10nm以?xún)?nèi)。

優(yōu)選地，所述透光層的厚度為n×λ/4。

優(yōu)選地，所述DBR層的晶格常數(shù)與所述發(fā)光外延疊層的晶格常數(shù)匹配。

本發(fā)明同提供了一種具有全鏡面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制作方法，包括步驟：（1）提供一外延結(jié)構(gòu)，其依次包含發(fā)光外延疊層、DBR層和歐姆接觸層，所述發(fā)光外延疊層包含N型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層，所述DBR層至少由第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層交替構(gòu)成；（2）在所述歐姆接觸層的表面上定義透光區(qū)和歐姆接觸區(qū)，去除所述透光區(qū)的歐姆接觸層和DBR層，裸露出所述發(fā)光外延疊層的表面；（3）在裸露出的發(fā)光外延疊層表面上沉積透光性介電材料作為透光層；（4）在所述透光層和歐姆接觸層之上形成金屬反射層，所述透光層與金屬反射層構(gòu)成ODR反射鏡，并與所述歐姆接觸區(qū)的DBR構(gòu)成一個(gè)不間斷反射鏡面系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述步驟（2）具體為：在所述歐姆接觸層的表面上定義透光區(qū)和歐姆接觸區(qū)；在所述歐姆接觸區(qū)上形成金屬電極層；以所述金屬電極層為掩膜層，蝕刻去除所述透光區(qū)的歐姆接觸層和DBR層。

優(yōu)選地，所述步驟（3）中沉積透光層后，使用CMP將其表面進(jìn)行拋光，裸露出所述金屬電極層作為電流導(dǎo)通。經(jīng)拋光后，所述透光層與金屬電極層之間無(wú)縫隙且所述透光層表面的平整度RMS為5nm以?xún)?nèi)，對(duì)于后續(xù)金屬鏡面蒸鍍具有較佳平整度以及階梯覆蓋。

本發(fā)明具有至少以下有益效果：（1）發(fā)光外延疊層下方的歐姆接觸區(qū)既形成歐姆接觸亦具有反射層的效果；（2）發(fā)光外延疊層下方由ODR和DBR構(gòu)成不間斷反射鏡面結(jié)構(gòu)，且ODR與歐姆接觸電極無(wú)縫隙，鏡面系統(tǒng)無(wú)任何反射面積損失；（3）ODR反射鏡與歐姆接觸區(qū)的DBR結(jié)構(gòu)之間無(wú)縫隙，采用傾斜45~60°的DBR結(jié)構(gòu)結(jié)合ODR鏡面系統(tǒng)，形成三維反射鏡面系統(tǒng)，使得反射鏡面面積更為增加；（4）在制作方法上，直接將歐姆接觸層金屬蒸鍍于外延之上，并作為掩膜層，不用進(jìn)行黃光對(duì)位，簡(jiǎn)化流程且提高良率。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。

圖1為現(xiàn)有的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片的側(cè)面剖視圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種發(fā)光二極管芯片的側(cè)面剖視圖。

圖3為顯示了圖2所示發(fā)光二極管芯片之透光層的分布，劃分為透光區(qū)和歐姆接觸區(qū)。

圖4~12為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種發(fā)光二極管芯片的制作過(guò)程示意圖。

圖13是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的另一種發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖14是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的再一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖中：

100：導(dǎo)電基板；110：金屬鍵合層；120：金屬反射層；130：透光層；131：金屬電極層；132：歐姆接觸層；140：發(fā)光外延疊層；141：N型半導(dǎo)體層；142：有源層；143：P型半導(dǎo)體層；150：P型電極；200：生長(zhǎng)襯底；201：臨時(shí)基板；202：導(dǎo)電基板；210：蝕刻截止層；220：N型歐姆接觸層；230：DBR層；240：發(fā)光外延疊層；241：N型半導(dǎo)體層；242：有源層；243：P型半導(dǎo)體層；250：金屬電極層；260：透光層；270：金屬反射層；280：金屬鍵合層；290：P型電極。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心點(diǎn)為提供一個(gè)具有全鏡面結(jié)構(gòu)的LED結(jié)構(gòu)，其利用外延預(yù)先成長(zhǎng)DBR層，在芯片工藝中去除透光區(qū)的DBR層，僅保留歐姆接觸電極區(qū)的DBR，使歐姆接觸電極區(qū)域既可形成歐姆接觸亦具有反射層的效果。下面結(jié)合附圖和優(yōu)選的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

請(qǐng)參看圖2，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種具有全反射結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，從下到上依次包括：導(dǎo)電基板202、金屬鍵合層280、金屬反射層270、透光層260、發(fā)光外延疊層240和P型電極290。

具體的，導(dǎo)電基板202可采用Si基板、金屬基板或半導(dǎo)體材料等；金屬鍵合層280用于接合發(fā)光外延疊層240和導(dǎo)電基板202；金屬反射層270采用高反射率金屬材料，并與其上方的透光層260構(gòu)成ODR反射鏡；透光層260劃分為透光區(qū)260a和歐姆接觸區(qū)260b，透光區(qū)260a和歐姆接觸區(qū)260b之間無(wú)縫隙連接，其中透光區(qū)260a由透光性介電材料組成，其厚度為n×λ/4（λ為發(fā)光外延疊層的發(fā)光波長(zhǎng)），歐姆接觸區(qū)260b作為電流導(dǎo)通之用，從下到上依次包括金屬電極層250、歐姆接觸層220和DBR層230，DBR層230為半導(dǎo)體材料，晶格常數(shù)與發(fā)光外延疊層240的晶格常匹配，至少由一第一半導(dǎo)體層和一第二半導(dǎo)體層交替堆疊而成，一方面具有導(dǎo)電功能，另一方面用于反射發(fā)光外延疊層射向所述歐姆接觸層220的光線，避免歐姆接觸層220及其下方的金屬電極層250的吸光；發(fā)光外延疊層240至少包括N型半導(dǎo)體層241、有源層242和P型半導(dǎo)體層243。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，發(fā)光外延疊層240采用AlGaInP系材料，可在N型半導(dǎo)體層與有源層之間、P型半導(dǎo)體層與有源層分別增加緩沖層、在P型半導(dǎo)體層上方形成電流擴(kuò)展層、窗口層等，透光層260的透光區(qū)260b的材料可選自由二氧化硅(SiO2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈉(NaF)、氟化鈉鋁(Na3AlF6)、氟化鈣(CaF2)與上述材料的組合所構(gòu)成的群組，DBR層230為AlGaAs/AlAs交替結(jié)構(gòu)。

在上述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中，由透光層的透光區(qū)直接與金屬反射層形成ODR反射鏡，并與歐姆接觸區(qū)的DBR層形成一不間斷的全鏡面反射結(jié)構(gòu)，達(dá)到無(wú)反射鏡面面積損失，進(jìn)而提升光取出效率。

下面結(jié)合附圖4~11及制作方法對(duì)上述LED進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

首先，提供一外延片，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該外延片從下到上可包括：生長(zhǎng)襯底200、蝕刻截止層210、歐姆接觸層220、DBR層230、N型半導(dǎo)體層241、有源層242和P型半導(dǎo)體層243。在本實(shí)施例中，N型半導(dǎo)體層241為Si摻雜的AlGaInP材料層，Si濃度為7×10¹⁷~1×10¹⁸，P型半導(dǎo)體層243為摻Mg的GaP材料層，摻雜濃度為1.5×10¹⁸以上，歐姆接觸層220為高摻雜N-GaAs材料層，DBR層為AlGaAs/AlAs 材料層，每層均為5~20nm，共有20~100對(duì)。

接著，在P型半導(dǎo)體層的表面上制作P型電極290，并進(jìn)行退火處理，再與一臨時(shí)基板201接合，如圖5所示。

接著，去除生長(zhǎng)襯底200，裸露出歐姆接觸層220的表面，如圖6所示。在本實(shí)施例中，采用濕法蝕刻去除，具體為層分別以NH₄OH：H₂O₂以及HCl：H₃PO₃移除生長(zhǎng)襯底200和蝕刻截止層210。

接著，將裸露出的歐姆接觸層220的表面劃分為歐姆接觸區(qū)和透光區(qū)，并在歐姆接觸區(qū)上形成金屬電極層250，如圖7所示。該金屬電極層250與歐姆接觸層220進(jìn)行高溫熔合后形成歐姆接觸。

接著，以金屬電極層250作為掩膜層，蝕刻去除透光區(qū)的歐姆接觸層220和DBR層230，裸露出發(fā)光外延疊層的表面，如圖8所示。

接著，在裸露出的發(fā)光外延疊層表面上沉積透光性介電材料作為透光層260，其與歐姆接觸區(qū)的金屬電極層250和DBR層之間均無(wú)縫隙。在本實(shí)施例中透光性介電材料選用SiO_X ，先沉積一定厚度的SiO_X層260，其在透光區(qū)的上表面至少與歐姆接觸區(qū)的金屬電極層250的上表面齊平，具體可以采用CVD沉積400~1000nm的SiO_X層260，如圖9所示，然后使用CMP將SiO_X層260拋光至符合nλ/4 厚度，并使金屬電極層250露出作為電流導(dǎo)通，如圖10所示。經(jīng)CMP拋光的透光層表面的平整度RMS為10nm以?xún)?nèi)，較佳的為~1nm，如此對(duì)于后續(xù)金屬鏡面蒸鍍具有較佳平整度以及階梯覆蓋性。

接著，在透光層260上沉積金屬反射層270，如圖11所示，至此在發(fā)光外延結(jié)構(gòu)的非出光面形成全鏡面反射結(jié)構(gòu)，其中透光區(qū)具有通過(guò)透光性介電材料260與金屬反射層270構(gòu)成的ODR鏡面，歐姆接觸區(qū)有DBR層230，形成完整、連續(xù)、不間斷反射鏡面結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，金屬反射層270可以為Au、Ag、 Al等，厚度為0.2微米以上，較佳值為0.25微米。

接著，提供一導(dǎo)電基板202，并在導(dǎo)電基板202和金屬反射層260的表面上形成金屬鍵合層280，進(jìn)行高溫鍵合，從而將導(dǎo)電基板202與發(fā)光外延疊層240接合，如圖12所示。

最后，去除臨時(shí)基板201，形成圖2所示具有全鏡面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。

在上述制作方法中，預(yù)先采用外延生長(zhǎng)工藝在外延片的發(fā)光外延疊層與歐姆接觸層之間形成DBR層，然后在芯片制作工藝中在歐姆接觸層的歐姆接觸區(qū)上形成金屬電極層，以該金屬電極層作為掩膜層，蝕刻去除歐姆接觸區(qū)以外（在本實(shí)施例中即為透光區(qū)）的歐姆接觸層及DBR層，在此過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行黃光對(duì)位，避免了圖1所示LED結(jié)構(gòu)在制作ODR過(guò)程中需要進(jìn)行對(duì)位的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了芯片工藝，可大大提高良率。

圖13顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的另一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其與圖2所示發(fā)光二極管的區(qū)別在于：DBR層具有傾斜的側(cè)壁，其傾斜角為45~60°。在本實(shí)施例中，傾斜的DBR層230與透光區(qū)的ODR鏡面形成了三維反射鏡面系統(tǒng)，使得反射鏡面面積更為增加。

相較于圖1所示的發(fā)光二極管，使用此鏡面系統(tǒng)的發(fā)光二極管的亮度可提升8~10%。

盡管上面各實(shí)施例均為P側(cè)出光的發(fā)光二極管為例，但是應(yīng)該清楚的是，本發(fā)明同樣適用于N側(cè)出光的發(fā)光二極管。當(dāng)以N側(cè)為出光面時(shí)，可采用圖14所示的外延片結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備。

盡管已經(jīng)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是理解的是，本發(fā)明不應(yīng)限于這些示例性實(shí)施例而是本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在如下文的權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種變化和修改。