CN102130224A

CN102130224A - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102130224A
Application number: CN 201010584304
Authority: CN
Inventors: 肖德元; 张汝京; 饶青
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管制造方法包括：提供(100)晶面的硅衬底；在所述硅衬底上形成图形化掩膜层；以图形化掩膜层为掩膜湿法刻蚀硅衬底，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得所述硅衬底表面呈锥形；去除所述图形化掩膜层；在所述硅衬底的(111)晶面上依次形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。由于所述硅衬底表面呈锥形，降低了在所述硅衬底表面生长外延层的缺陷密度并获得均匀的应力分布，可以提高发光二极管的外量子效率和内量子效率。

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n_H＞低折射率层的折射率n_L＞蓝宝石材料的折射率n，且满足θ₁ ^max＜θ_B，其中，n、n_H、n_L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，制作成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，以解决现有的发光二极管出光效率低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种发光二极管制造方法，所述发光二极管制造方法包括：提供(100)晶面的硅衬底；在所述硅衬底上形成图形化掩膜层；以所述图形化掩膜层为掩膜，湿法刻蚀所述硅衬底，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得所述硅衬底表面呈锥形；去除所述图形化掩膜层；在所述硅衬底的(111)晶面上依次形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，利用碱性溶液刻蚀所述硅衬底。所述碱性溶液为四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。所述湿法刻蚀工艺的刻蚀温度为60℃～80℃，刻蚀时间大于20分钟。利用缓冲氢氟酸溶液去除所述图形化掩膜层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，湿法刻蚀所述硅衬底之后，还包括：在所述硅衬底上形成缓冲层。形成第二导电类型半导体层之后，还包括：在所述第二导电类型半导体层上形成透明导电层；在所述透明导电层上形成第二导电类型电极；在所述硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一导电类型电极。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。所述第一导电类型半导体层的材料为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；所述第二导电类型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，湿法刻蚀硅衬底之后，还包括：执行第一次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²；形成所述缓冲层之后，还包括：执行第二次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。

相应的，本发明还提供一种发光二极管，包括：硅衬底，所述硅衬底包括(100)晶面硅衬底以及(111)晶面硅衬底，所述(111)晶面硅衬底的表面呈锥形；以及依次形成于所述(111)晶面硅衬底上的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层。

可选的，在所述发光二极管中，还包括形成于所述硅衬底和第一导电类型半导体层之间的缓冲层。

可选的，在所述发光二极管中，还包括：透明导电层、第一导电类型电极和第二导电类型电极，其中，所述透明导电层位于所述第二导电类型半导体层上；所述第二导电类型电极位于所述透明导电层上；所述第一导电类型电极位于(100)晶面硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上；所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；所述第一导电类型半导体层的材料为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；所述第二导电类型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。

本发明通过湿法刻蚀(100)晶面的硅衬底，将(100)晶面的硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得硅衬底表面呈锥形，增加硅衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，进而提高发光二极管的光利用率；并且，由于硅衬底表面呈锥形，可提高硅衬底与其它膜层的晶格匹配度，降低了在所述硅衬底表面生长外延层的缺陷密度并获得均匀的应力分布，提高发光二极管的内量子效率，确保器件不易破裂。

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制造方法的流程示意图；

图3A～3E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4为本发明一实施例的(111)晶面硅衬底的俯视图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种发光二极管及其制造方法，该方法通过湿法刻蚀(100)晶面的硅衬底，将(100)晶面的硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得硅衬底表面呈锥形，增加硅衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率(EQE)，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于硅衬底表面呈锥形，可提高硅衬底与其它膜层的晶格匹配度，降低了在所述硅衬底表面生长外延层的缺陷密度并获得均匀的应力分布，提高发光二极管的内量子效率(IQE)，并可确保器件不易破裂。

请参考图2，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，结合该图，该方法包括以下步骤：

步骤S200，提供(100)晶面的硅衬底；

步骤S210，在所述硅衬底上形成图形化掩膜层；

步骤S220，以所述图形化掩膜层为掩膜，湿法刻蚀所述硅衬底，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得所述硅衬底表面呈锥形；

步骤S230，去除所述图形化掩膜层；

步骤S240，在所述硅衬底的(111)晶面上依次形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。

下面将结合剖面示意图对本发明的发光二极管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。

参照图3A，首先，执行步骤S200，提供(100)晶面的硅衬底300，所述(100)晶面的硅衬底是较为常用的衬底，成本相对较低。在本实施例中，所述硅衬底300为p型掺杂的硅衬底(p-Si)，所述硅衬底300的电阻率例如是1～20Ω.cm。当然，所述硅衬底300还可以是n型掺杂的硅衬底(n-Si)；并且，本发明也并不限定硅衬底的电阻率。

参照图3B，接着，执行步骤S210，在所述硅衬底300上形成图形化掩膜层380，所述图形化掩膜层380的材料例如为二氧化硅。在本实施例中，图形化掩膜层380可通过以下步骤形成：首先在硅衬底300上沉积掩膜层；然后在所述掩膜层上涂覆光阻层；再利用光刻显影等工艺形成图形化光阻层；之后再以所述图形化光阻层为掩膜刻蚀所述掩膜层，从而形成图形化掩膜层380。

参照图3C，接下来，执行步骤S220，以所述图形化掩膜层380为掩膜，湿法刻蚀所述硅衬底300，将所述硅衬底300的一部分转变为(111)晶面，从而使得所述硅衬底300表面呈锥形。随后，执行步骤S230，去除所述图形化掩膜层380。在本实施例中，所述图形化掩膜层380的材料为二氧化硅，可利用缓冲氢氟酸溶液(BHF)去除所述图形化掩膜层380。

为叙述方便，以下将仍然是(100)晶面的部分硅衬底称为(100)晶面硅衬底301，将转变为(111)晶面的部分称为(111)晶面硅衬底302。此外，为了图示方便，在剖视图中将(100)晶面硅衬底301和(111)晶面硅衬底302的交界面表示为水平线，本领域的技术人员应当理解，实际的交界面并不一定是平面。

经本申请的发明人长期实验发现，不论掩模图形如何，(100)晶面的硅衬底经过一段时间的湿法刻蚀后，得到的边界均是由(111)晶面组成，并且硅晶格结构中(111)角度与(100)晶面具有一定角度(例如为54.74度)。因此，经过湿法刻蚀工艺后，使得(111)晶面硅衬底302的表面呈锥形。锥形表面可以增加硅衬底对光的反射，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，由于所述硅衬底表面呈锥形，可提高硅衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于硅衬底上的膜层的晶体缺陷，释放应力并减少位错，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂。

如图4所示，在本实施例中，所述(111)晶面硅衬底302的形状大致为四棱锥，所述四棱锥的底面大致为正方形，所述正方形的边长例如为0.2μm～1μm，所述四棱锥的四个倾斜面为大小相等的等腰三角形，相邻的四棱锥共用一个边(即所述四棱锥是紧密排列的)。

其中，可利用碱性溶液刻蚀所述硅衬底300。在本实施例中，所述湿法刻蚀工艺所采用的刻蚀液体优选为四甲基氢氧化铵(TMAH)，该溶液对硅衬底具有较佳的刻蚀性能。所述湿法刻蚀工艺的刻蚀温度例如为60℃～80℃，刻蚀时间大于20分钟。当然，所述碱性溶液还可以为氢氧化钾(KOH)溶液或氢氧化钠(NaOH)溶液，并且，所述刻蚀时间和刻蚀液体温度也可相应的调整。

参考图3D，为了进一步改善硅衬底300与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力问题，在(111)晶面硅衬底302上形成缓冲层310，所述缓冲层310完全覆盖(111)晶面硅衬底302。缓冲层310的材料优选为低温生长的磷化硼(BP)。当然，在本发明其它实施例中，所述缓冲层310也可以是氮化铝(AlN)，由于氮化铝为非良导体，因此，可采用“水平型(或L型)”的器件结构，或者将氮化铝连同硅衬底一起腐蚀剥离。

继续参照图3D，形成缓冲层310之后，在所述缓冲层310上依次形成第一导电类型半导体层320、有源层330、第二导电类型半导体层340，所述第一导电类型半导体层320、有源层330和第二导电类型半导体层340构成发光二极管的管芯。在本实施例中，所述第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。所述第一导电类型半导体层320的材料为n型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层330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)；所述第二导电类型半导体层340的材料为P型掺杂的氮化镓(p-GaN)。

进一步的，在形成第二导电类型半导体层340之后，在所述第二导电类型半导体层340上形成透明导电层350，所述透明导电层350有助于提高电导率，所述透明导电层350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310、第一导电类型半导体层320、有源层330以及第二导电类型半导体层340。

参照图3E，随后，在所述透明导电层350上形成第二导电类型电极360；在(100)晶面硅衬底301远离第一导电类型半导体层320的表面(即(100)晶面硅衬底301的背面)上形成第一导电类型电极370。

在本实施例中，所述第二导电类型电极360为p型电极，所述第一导电类型电极370为n型电极。由于所述硅衬底300为p型掺杂的硅衬底(p-Si)，优选的，在湿法刻蚀硅衬底的步骤之后，先执行第一次离子注入工艺，以在所述p型掺杂的硅衬底中掺入n型离子；并在形成缓冲层310的步骤之后，再执行第二次离子注入工艺，以在所述缓冲层310中注入n型离子，从而形成垂直的发光二极管结构(也被称为V型结构)，相比于由蓝宝石衬底制成的L型发光二极管结构而言，垂直的发光二极管结构散热效果更好，并且有利于节约芯片面积，提高芯片利用率。

在本实施例中，通过执行两次离子注入工艺在硅衬底300和缓冲层310中注入n型杂质离子，可使注入的离子更为均匀，导电效果更好。在本实施例中，所述第一次离子注入工艺的注入离子为砷离子(As)或磷离子(P)，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²；所述第二次离子注入工艺的注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。

然而应当认识到，仅在形成缓冲层310后执行一次离子注入工艺，同样能达到使硅衬底300和缓冲层310均掺入n型离子以导电的目的。或者，直接提供n型掺杂的硅衬底并直接形成n型掺杂的缓冲层，也能达到同样的导电目的。并且，所述第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺的注入离子、注入能量和注入剂量也可根据具体的导电要求来做相应的调整。

最终，即可形成如图3E所示的发光二极管，所述发光二极管包括硅衬底300，其中，硅衬底300包括(100)晶面硅衬底301以及(111)晶面硅衬底302，所述(111)晶面硅衬底302的表面呈锥形；所述发光二极管还包括依次形成于所述(111)晶面硅衬底上的第一导电类型半导体层320、有源层330和第二导电类型半导体层340，所述第一导电类型半导体层320、有源层330和第二导电类型半导体层340构成发光二极管的管芯。

所述发光二极管用于发光时，将第二导电类型电极360连接至电源正极、第一导电类型电极370连接至电源负极，发光二极管管芯通过第二导电类型电极360与电源正极相连，通过第一导电类型电极370与电源负极相连，发光二极管管芯中的有源层330在电流作用下发光。由于(111)晶面硅衬底302的表面呈锥形，可增加硅衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，提高发光二极管的光利用率；并可提高硅衬底与其它膜层的晶格匹配度，降低了在所述硅衬底表面生长外延层的缺陷密度并获得均匀的应力分布，提高发光二极管的内量子效率。

其中，第二导电类型电极360形成于透明导电层350上，第一导电类型电极370形成于(100)晶面硅衬底301的背面，从而构成了垂直的发光二极管结构，相比于由蓝宝石衬底制成的L型发光二极管结构而言，垂直的发光二极管结构散热效果更好，并且有利于节约芯片面积，提高芯片利用率。

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。

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

1.一种发光二极管制造方法，包括：

提供(100)晶面的硅衬底；

在所述硅衬底上形成图形化掩膜层；

以所述图形化掩膜层为掩膜，湿法刻蚀所述硅衬底，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面，从而使得所述硅衬底表面呈锥形；

去除所述图形化掩膜层；

在所述硅衬底的(111)晶面上依次形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。

2.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，利用碱性溶液刻蚀所述硅衬底。

3.如权利要求2所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述碱性溶液为四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。

4.如权利要求1或3所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺的刻蚀温度为60℃～80℃，刻蚀时间大于20分钟。

5.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，利用缓冲氢氟酸溶液去除所述图形化掩膜层。

6.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于，湿法刻蚀所述硅衬底之后，还包括：在所述硅衬底上形成缓冲层。

7.如权利要求6所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成第二导电类型半导体层之后，还包括：在所述第二导电类型半导体层上形成透明导电层。

8.如权利要求7所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成所述透明导电层之后，还包括：

在所述透明导电层上形成第二导电类型电极；

在所述硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一导电类型电极。

9.如权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。

10.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述第一导电类型半导体层的材料为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；所述第二导电类型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。

11.如权利要求6所述的发光二极管制造方法，其特征在于，湿法所述刻蚀硅衬底之后，还包括：执行第一次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。

12.如权利要求11所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成所述缓冲层之后，还包括：执行第二次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。

13.一种发光二极管，其特征在于，包括：

硅衬底，所述硅衬底包括(100)晶面硅衬底以及(111)晶面硅衬底，所述(111)晶面硅衬底的表面呈锥形；以及

形成于所述(111)晶面硅衬底上的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层。

14.如权利要求13所述的发光二极管，其特征在于，还包括形成于所述(111)晶面硅衬底和第一导电类型半导体层之间的缓冲层。

15.如权利要求13或14所述的发光二极管，其特征在于，还包括：透明导电层、第一导电类型电极和第二导电类型电极，其中，

所述透明导电层位于所述第二导电类型半导体层上；

所述第二导电类型电极位于所述透明导电层上；

所述第一导电类型电极位于(100)晶面硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上。

16.如权利要求15所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。

17.如权利要求16所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电类型半导体层的材料为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；所述第二导电类型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。