[发明专利]一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，属于发光二极管制造的技术领域。

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（GaAs：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（GaAs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.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。

1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.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.以及Appl.Phys.Lett.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。

对GaAs、GaP以及GaN等III–V族半导体材料进行化学腐蚀的方法屈指可数。1998年，Stocker在Appl.Phys.Lett.发表文章，报道了利用热KOH溶液或者热H₃PO₄成功实现了GaN材料的腐蚀，对LED进行有效的粗化，并得到了50%的光提取效率。利用化学腐蚀的方法对LED出光表面进行粗化的不足在于：（1）难以精确控制腐蚀的速率和深度，这是由化学方法的内在缺陷决定的；（2）易受外部环境温度等因素的影响，难以得到高重复性的粗化LED芯片；（3）腐蚀得到的结构单一，难以针对光提取效果进行优化。（4）加工时间较长，生产效率较低。

在半导体材料的外延过程中进行一定的设计和调控，也可以达到对LED出光表面进行粗化的结果，如中国专利文件CN101521258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。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。但在外延生长过程中获得高Mg掺杂浓度的p-GaN难度极大，此法较难工业化。且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。此法粗化表面粗糙度有限，难以达到理想的光引出效率的提高。

中国专利文件CN101494272提供一种能使LED的P-GaN层表面粗化的制作方法，首先在半导体衬底上依次生长出n-GaN层、量子阱层、p-GaN层及非掺杂的粗化GaN层，然后采用ICP或离子干法刻蚀所述非掺杂的粗化GaN层以使所述非掺杂的粗化GaN层的粗化表面形状转移至所述p-GaN层，从而使所述p-GaN层表面粗化。但该发明受限于ICP刻蚀的技术瓶颈，有损LED器件的电学性能，过多的ICP刻蚀有可能导致芯片漏电，成品率下降。另外，此方法制备LED芯片产品成本高，刻蚀成本昂贵。