CN102024898B - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：蓝宝石衬底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，所述蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个双焦距微透镜结构。所述双焦距微透镜结构可以增加蓝宝石衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于形成了多个双焦距微透镜结构，可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率。

Description

发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体发光领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
然而，目前半导体发光二极管存在着发光效率低的问题。对于普通的未经封装的发光二极管，其出光效率一般只有百分之几，大量的能量聚集在器件内部不能出射，既造成能量浪费，又影响器件的使用寿命。因此，提高半导体发光二极管的出光效率至关重要。
基于上述的应用需求，许多种提高发光二极管出光效率的方法被应用到器件结构中，例如表面粗糙化法，金属反射镜结构等。
在申请号为200510066898.3的中国专利中公开了一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管及其制作方法。参考图1，所述发光二极管包括：衬底1、生长在衬底1上的全角度反射镜4、以及制作在全角度反射镜4上的GaN LED芯片13。所述GaN LED芯片13包括：蓝宝石衬底5、N型GaN层6、有源区量子阱层7、P型GaN层8、P型电极9、P型焊盘10、N型电极11、N型焊盘12；其中，所述全角度反射镜4生长在衬底1上，其是由高折射率层3和低折射率层2堆叠排列成的，高折射率层3与蓝宝石衬底5接触，低折射率层2和衬底1接触，高折射率层的折射率nH＞低折射率层的折射率nL＞蓝宝石材料的折射率n，且满足
Figure BSA00000330847800021
其中，n、nH、nL为折射率。该专利通过在发光二极管下表面形成全角度反射镜结构，可以将GaN材料所发光在全角度范围内以高反射率向上反射，来提高发光二极管的出光效率。然而，该发光二极管制造方法需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠而成的薄膜结构，制作工艺非常复杂，不利于推广应用。
因此，提供一种制作工艺简单，且可增加蓝宝石衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管，以解决现有的发光二极管出光效率低的问题。
本发明的另一目的在于提供一种制作工艺简单的发光二极管制造方法，以提高发光二极管的出光效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，所述发光二极管包括：蓝宝石衬底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个双焦距微透镜结构。
在所述发光二极管中，还包括位于蓝宝石衬底和外延层之间的缓冲层。
在所述发光二极管中，还包括位于所述帽层上的透明导电层。
在所述发光二极管中，还包括第一电极、第二电极和深度延伸至所述外延层的开口，其中，所述第一电极位于所述透明导电层上方，用于连接透明导电层和电源正极；所述第二电极位于所述开口内，用于连接外延层和电源负极。
在所述发光二极管中，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层的材料为P型掺杂的氮化镓。
相应的，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，该制造方法包括：提供蓝宝石衬底；刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个双焦距微透镜结构；在所述蓝宝石衬底上方依次形成外延层、有源层和帽层。
在所述发光二极管的制造方法中，形成多个双焦距微透镜结构的步骤包括：在所述蓝宝石衬底上形成多个圆柱形光刻胶台；对所述圆柱形光刻胶台进行烘烤，使所述圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶；以所述球冠状光刻胶为掩膜，执行第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺；执行第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺，所述第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率。
在所述发光二极管的制造方法中，在第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr～2Torr，底板功率为200W～300W，线圈功率为300W～500W。
在所述发光二极管的制造方法中，在第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr～2Torr，底板功率为200W～300W，线圈功率为270W～450W。
在所述发光二极管的制造方法中，在温度为120℃～250℃的范围内，对圆柱形光刻胶台进行烘烤，以使圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶。
在所述发光二极管的制造方法中，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层的材料为P型掺杂的氮化镓。
在所述发光二极管的制造方法中，在形成所述外延层之前，还包括：在所述蓝宝石衬底上形成缓冲层。
在所述发光二极管的制造方法中，在形成所述帽层之后，还包括：在所述帽层上形成透明导电层。
在所述发光二极管的制造方法中，在形成所述透明导电层之后，还包括：在所述透明导电层上方形成第一电极；形成深度延伸至所述外延层的开口；在所述开口内形成第二电极。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
所述发光二极管的蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个双焦距微透镜结构，所述双焦距微透镜结构可以增加光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于形成了多个双焦距微透镜结构，可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂；此外，本发明提供的发光二极管制造方法的工艺步骤简单。
附图说明
图1为现有的发光二极管的示意图；
图2为本发明一实施例的发光二极管的示意图；
图3为本发明一实施例的发光二极管制造方法的流程示意图；
图4A～4E为本发明一实施例的发光二极管制造方法的剖面示意图；
图5为本发明一实施例的圆柱形光刻胶台的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的核心思想在于，提供一种发光二极管，所述发光二极管包括：蓝宝石衬底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个双焦距微透镜结构。所述双焦距微透镜结构可以增加光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于形成了多个双焦距微透镜结构，可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂；此外，本发明提供的发光二极管制造方法的工艺步骤较少，制作成本较低。
请参考图2，其为本发明一实施例的发光二极管的示意图。所述发光二极管为以蓝宝石(sapphire)为衬底的发光二极管，所述发光二极管为氮化镓基的蓝光二极管。如图2所示，所述发光二极管包括：蓝宝石衬底200，外延层220、有源层230、帽层240，所述蓝宝石衬底200在靠近外延层220的表面上具有多个双焦距微透镜结构201。
在本实施例中，双焦距微透镜结构201是由上下两部分组成，下部分为直径较大的圆台状结构，上部分为直径较小的圆台状结构。所述双焦距微透镜结构201可以改变全反射临界角，增加蓝宝石衬底200对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，所述双焦距微透镜结构201可提高蓝宝石衬底200与其它膜层(在本实施例中为缓冲层210)的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的缓冲层210的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂。
所述发光二极管还包括缓冲层210，所述缓冲层210位于所述蓝宝石衬底200和外延层220之间，所述缓冲层210可进一步改善蓝宝石衬底200与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题，所述缓冲层210一般采用低温条件下生长的氮化镓薄膜。
所述外延层220、有源层230和帽层240依次位于所述蓝宝石衬底200上方，所述外延层220、有源层230和帽层240构成发光二极管的管芯；其中，外延层220的材料为N型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层230包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓(InGaN)，用于发出波长为470nm的蓝光；所述帽层240的材料为P型掺杂的氮化镓(p-GaN)。由于所述外延层220与帽层240的掺杂类型相反，N型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使电子漂移，P型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使空穴漂移，所述空穴和电子在多量子阱有源层(也称为活性层)中相互重新结合，从而反射光。
所述发光二极管还包括透明导电层(TCL)250，所述透明导电层250位于帽层240上方。由于P型掺杂的氮化镓的电导率比较小，因此在帽层240表面沉积一层金属的电流扩散层，有助于提高电导率，所述透明导电层250的材料例如是Ni/Au材料。
此外，由于蓝宝石衬底200不导电，为了将发光二极管的管芯连接到电源正负极，所述发光二极管还包括第一电极260、第二电极270和深度延伸至所述外延层220的开口221，其中，所述第一电极260位于所述透明导电层250上方，用于连接透明导电层250和电源正极；所述第二电极270位于所述开口221内，用于连接外延层220和电源负极。所述发光二极管用于发光时，将第一电极260连接至电源正极、第二电极270连接至电源负极，发光二极管管芯通过第一电极260与电源正极相连，通过第二电极270与电源负极相连，发光二极管管芯中的有源层230在电流作用下发光，所述多个双焦距微透镜结构201增加光的反射，提高发光二极管的外量子效率。
相应的，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，具体请参考图3，其为本发明一实施例的发光二极管制造方法的流程示意图，所述发光二极管的制造方法包括以下步骤：
S30，提供蓝宝石衬底；
S31，刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个双焦距微透镜结构；
S32，在所述蓝宝石衬底上方依次形成外延层、有源层和帽层。
下面将结合剖面示意图对本发明的发光二极管的制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
参考图4A，首先，提供蓝宝石衬底200，所述蓝宝石衬底200是由Al2O3形成的，在本实施例中，所述蓝宝石衬底200用以形成氮化镓基的蓝光二极管。
参考图4B，然后，可通过涂胶、曝光和显影工艺，在所述蓝宝石衬底200上形成多个圆柱形光刻胶台280。
并结合图5所示，所述圆柱形光刻胶台280是指光刻胶台俯视(平行于蓝宝石衬底200表面方向)为圆形。可选的，所述圆柱形光刻胶台280的厚度h1是0.1μm～5μm，直径D是1μm～10μm，间距0.1μm～1μm。可以理解的是，本领域技术人员可根据实际要获得的双焦距微透镜结构的尺寸相应的调整圆柱形光刻胶台的尺寸。
参考图4C，随后，对所述圆柱形光刻胶台280进行烘烤，使所述圆柱形光刻胶台280成为球冠状光刻胶281。在本实施例中，在温度为120℃～250℃的范围内，对圆柱形光刻胶台280进行烘烤，所述圆柱形光刻胶台280在高于光刻胶的玻璃软化温度下，由于表面张力的作用成为球冠状光刻胶281。
参考图4D，其后，以所述球冠状光刻胶281为掩膜，执行两步感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma，ICP)刻蚀工艺，直至所述球冠状光刻胶281被完全刻蚀掉，即可在所述蓝宝石衬底200靠近外延层的表面上形成多个双焦距微透镜结构201。
在本实施例中，首先，执行第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺；然后，执行第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺，所述第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率(coil power)小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率，以形成上部分直径较小、下部分直径较大的双焦距微透镜结构。所述双焦距微透镜结构201的高度h2可以为3μm～5μm。
可选的，在第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，所采用的刻蚀气体可以是三氯化硼(BCl3)、氦气(He)和氩气(Ar)的混合气体，其中，三氯化硼的流量例如是20～1000sccm，氦气的流量例如是20～500sccm，氩气的流量例如是20～500sccm；腔室压力为50mTorr～2Torr，底板功率(plate power)为200W～300W，线圈功率为300W～500W。在第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体与第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺相同，且保持腔室压力不变，同时，底板功率也保持不变，只需改变线圈功率，使第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率，例如270W～450W。
当然，上述描述并不用于限定本发明，本领域技术人员可根据刻蚀机台的实际情况，相应的调整刻蚀气体以及各项工艺参数，并相应的调整刻蚀选择比，以达到在蓝宝石衬底上形成双焦距微透镜结构的目的。
参考图4E，为了进一步改善蓝宝石衬底200与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题，接下来，在具有多个双焦距微透镜结构201的蓝宝石衬底200上形成缓冲层210，所述缓冲层210完全覆盖多个双焦距微透镜结构201。
在形成缓冲层210之后，在所述缓冲层210上依次形成外延层220、有源层230、帽层240，所述外延层220、有源层230和帽层240构成发光二极管的管芯。所述外延层220的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层230包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层240的材料为P型掺杂的氮化镓。
在形成帽层240之后，在所述帽层240上形成透明导电层250，所述透明导电层250有助于提高电导率，所述透明导电层250的材料可采用Ni/Au材料。可利用常规的金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺形成缓冲层210、外延层220、有源层230、帽层240以及透明导电层250。
请再次参考图2，随后，在所述透明导电层250上方形成第一电极260，用于连接透明导电层250和电源正极；并利用光刻和刻蚀的方法，形成深度延伸至所述外延层220的开口221，再在所述开口221内形成第二电极270，用于连接外延层220和电源负极，从而形成了如图2所示的发光二极管。
需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施例，对本发明进行修改、替换和变形。
综上所述，本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管的蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个双焦距微透镜结构，所述双焦距微透镜结构一方面可以增加光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；另一方面，所述双焦距微透镜结构可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂；此外，与现有技术相比，本发明的发光二极管制造方法工艺简单，制作成本较低。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：
提供蓝宝石衬底；
刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个双焦距微透镜结构；
在所述蓝宝石衬底上方依次形成外延层、有源层和帽层；
其中，形成多个双焦距微透镜结构的步骤包括：
在蓝宝石衬底上形成多个圆柱形光刻胶台；
对圆柱形光刻胶台进行烘烤，使所述圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶；
以所述球冠状光刻胶为掩膜，执行第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺；
执行第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺，所述第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈功率。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr～2Torr，底板功率为200W～300W，线圈功率为300W～500W。
3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr～2Torr，底板功率为200W～300W，线圈功率为270W～450W。
4.如权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于，在温度为120℃～250℃的范围内，对圆柱形光刻胶台进行烘烤，以使圆柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶。
5.如权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层的材料为P型掺杂的氮化镓。
6.如权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于，在形成所述外延层之前，还包括：在所述蓝宝石衬底上形成缓冲层。
7.如权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于，在形成所述帽层之后，还包括：在所述帽层上形成透明导电层。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在形成所述透明导电层之后，还包括：
在所述透明导电层上方形成第一电极；
形成深度延伸至所述外延层的开口；
在所述开口内形成第二电极。
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