CN102130245A

CN102130245A - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102130245A
Application number: CN 201010610228
Authority: CN
Inventors: 肖德元; 张汝京
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
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，所述发光二极管包括：衬底，包括正面和与正面相对的背面，正面上具有多个凸起；依次形成于凸起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；形成于第二导电类型半导体层上的第二导电类型电极；形成于衬底背面的第一导电类型电极。所述凸起使得在衬底上的膜层具有较低的缺陷密度和较低的、均匀的应力分布，晶圆不易破裂，形成的发光二极管的内量子效率与外量子效率均得到改善；此外，由于采用衬底作为发光二极管的一个电极垂直结构，充分利用了芯片的有效发光面积并改善了发光二极管的散热性能，发光二极管的发光效率进一步提高。

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：硅衬底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与硅衬底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。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，包括：衬底，包括正面以及与所述正面相对的背面，所述正面上具有多个双焦距微透镜结构凸起；依次形成于所述凸起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；形成于所述第二导电类型半导体层上的第二导电类型电极；形成于所述衬底背面的第一导电类型电极。

可选的，在所述的发光二极管中，所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。所述凸起为锥形凸起、半球形凸起、椭球形凸起或双焦距微透镜结构。所述凸起底部之间的距离小于0.2微米。

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

可选的，在所述的发光二极管中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。所述衬底为n型衬底；所述缓冲层的材料为n型氮化铟或n型碳化硅；所述第一导电类型半导体层的材料为n型氮化镓；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型氮化镓。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括形成于所述第二导电类型半导体层上的透明导电层。

相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法，包括：提供衬底，所述衬底包括正面以及与所述正面相对的背面；在所述衬底正面形成多个凸起；在所述凸起上依次形成第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层；在所述第二导电类型半导体层上形成第二导电类型电极；在所述衬底背面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，所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。所述凸起为锥形凸起、半球形凸起、椭球形凸起或双焦距微透镜结构。所述凸起底部之间的距离小于0.2微米。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，，在所述衬底正面形成多个凸起之后，还包括：在所述凸起上形成缓冲层。

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。所述衬底为n型衬底；所述缓冲层的材料为n型氮化铟或n型碳化硅；所述第一导电类型半导体层的材料为n型氮化镓；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型氮化镓。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，形成所述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。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，在所述衬底背面形成第一导电类型电极之前，还包括：减薄所述衬底。

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：

所述发光二极管的衬底正面上具有多个凸起，所述凸起可以增加光的反射，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，由于形成了多个凸起，使得在所述衬底上的膜层具有较低的缺陷密度和较低的、均匀的应力分布，晶圆不易破裂，形成的发光二极管的内量子效率与外量子效率均得到改善；此外，由于采用衬底作为发光二极管的一个电极垂直结构，充分利用了芯片的有效发光面积并改善了发光二极管的散热性能，发光二极管的发光效率得到进一步提高。

附图说明

图1是现有技术的发光二极管的剖面示意图；

图2是本发明实施例的发光二极管的剖面示意图；

图3为本发明实施例的发光二极管制造方法的流程图；

图4A至图4F为本发明实施例的发光二极管制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图5为本发明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及其制造方法，所述发光二极管的衬底正面上具有多个凸起，所述凸起可以增加光的反射，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，由于形成了多个凸起，使得在所述衬底上的膜层具有较低的缺陷密度和较低的、均匀的应力分布，晶圆不易破裂，形成的发光二极管的内量子效率与外量子效率均得到改善；此外，由于采用衬底作为发光二极管的一个电极垂直结构，充分利用了芯片的有效发光面积并改善了发光二极管的散热性能，发光二极管的发光效率得到进一步提高。

请参考图2，其为本发明实施例的发光二极管的剖面示意图，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：衬底200，包括正面以及与正面相对的背面，所述正面上具有多个凸起201；依次形成于凸起201上的第一导电类型半导体层220、有源层230和第二导电类型半导体层240；形成于第二导电类型半导体层240上的第二导电类型电极260；以及形成于所述衬底200背面的第一导电类型电极270。

在本实施例中，所述凸起201是双焦距微透镜结构，具体的说，所述双焦距微透镜结构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。所述凸起201可以改变全反射临界角，增加衬底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，所述凸起201可提高衬底200与其它膜层(在本实施例中为缓冲层210)的晶格匹配度，减小形成于所述衬底200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。

需要说明的是，本发明的凸起并不局限于双焦距微透镜结构，所述凸起还可以是其它形状的凸起，例如，锥形凸起、半球形凸起(也称为微透镜结构)、或者椭球形凸起。可以理解的是，只要是可提高发光二极管的内量子效率和外量子效率的凸起结构，均应在本发明的保护范围之内。

其中，所述凸起201底部之间的距离优选为小于0.2微米，可在确保提高发光二极管的外量子效率和内量子效率的前提下，制作出尺寸较小的微型化的发光器件。当然，上述尺寸并不限定于本发明，所述凸起201底部之间的距离可根据发光器件尺寸的调整作相应的调整。

在本实施例中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型，所述衬底200为n型衬底，所述第一导电类型半导体层220的材料为n型氮化镓(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)，所述第二导电类型半导体层240的材料为p型氮化镓(p-GaN)，所述第二导电类型电极260为p型电极，所述第一导电类型电极270为n型电极，从而形成垂直的发光二极管结构(也被称为V型结构)。相比于传统的由蓝宝石衬底制成的水平型(或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。

优选的，所述衬底200为n型硅衬底(n-Si)。然而应当认识到，所述衬底不仅仅局限于n型硅衬底，其还可以是其它能够导电的n型衬底，例如，n型碳化硅(n-SiC)衬底或n型氮化镓(n-GaN)衬底。

进一步的，所述发光二极管还包括缓冲层210，所述缓冲层210位于衬底200和外延层220之间，所述缓冲层210可进一步改善衬底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的材料优选为具有良好导电效果的n型氮化铟(n-InN)或n型碳化硅(n-SiC)。

进一步的，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位于第二导电类型半导体层240上方，第二导电类型电极260形成于透明导电层250表面。由于p型氮化镓的电导率比较小，因此在第二导电类型半导体层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。

本发明还提供一种发光二极管制造方法，请参考图3，其为本发明实施例的发光二极管制造方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S300，提供衬底，所述衬底包括正面以及与所述正面相对的背面；

步骤S310，在所述衬底正面形成多个凸起；

步骤S320，在所述凸起上依次形成第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层；

步骤S330，在所述第二导电类型半导体层上形成第二导电类型电极；

步骤S340，在所述衬底背面形成第一导电类型电极。

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4A，首先，执行步骤S300，提供衬底400，所述衬底400包括正面400a以及与正面400a相对的背面400b。所述衬底400优选为n型重掺杂的硅衬底，以获得较佳的导电效果。当然，所述衬底400还可以是能够导电的n型碳化硅衬底或n型氮化镓衬底。

参考图4B，然后，可通过涂胶、曝光和显影工艺，在所述衬底400的正面400a上形成多个圆柱形光刻胶台480。结合图5所示，所述圆柱形光刻胶台480是指光刻胶台俯视(平行于衬底400表面方向)为圆形。可选的，所述圆柱形光刻胶台480的厚度h1例如是0.2μm～4μm，直径例如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凸起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480进行烘烤，使所述圆柱形光刻胶台480成为球冠状光刻胶481。在本实施例中，在温度为120℃～250℃的范围内，对圆柱形光刻胶台480进行烘烤，所述圆柱形光刻胶台480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481。

参考图4D，其后，以所述球冠状光刻胶481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481被完全刻蚀掉，即可在衬底400正面上形成多个凸起401。在本实施例中，所述凸起401为双焦距微透镜结构，所述双焦距微透镜结构的底部之间的距离d小于0.2微米。然而应当认识到，也可根据需要形成其它形状的凸起，也可以形成锥形凸起或半球形凸起或椭球形凸起；并且，所述凸起201底部之间的距离可根据发光器件尺寸的调整作相应的调整。

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的高度h2可以为3μm～5μm。

在本实施例中，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。

在本实施例中，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，以达到在衬底上形成双焦距微透镜结构的目的。例如，第一次和第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺所采用的刻蚀气体还可以是BCl₃、Cl₂、HCl、CCl₄、SiCl₄、He、Ar中的一种或其它任意组合。并且，可通过调整工艺参数，从而实现在衬底上形成其它形状的凸起的目的。

参考图4E，接下来，在衬底400上形成缓冲层410，所述缓冲层410完全覆盖凸起401，所述缓冲层410可进一步改善衬底400与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力问题。其中，所述缓冲层410的材料优选为n型氮化铟或n型碳化硅，以获得较佳的导电效果。

继续参考图5E，形成缓冲层410之后，执行步骤S320，在缓冲层410上依次形成第一导电类型半导体层420、有源层430、第二导电类型半导体层440，所述第一导电类型半导体层420、有源层430和第二导电类型半导体层440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，第一导电类型半导体层420的材料为n型氮化镓；有源层430包括多量子阱有源层，多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；第二导电类型半导体层440的材料为p型氮化镓。可利用常规的金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺第一导电类型半导体层420、有源层430以及第二导电类型半导体层440。

继续参考图4E，形成第二导电类型半导体层440之后，在第二导电类型半导体层440上形成透明导电层450，所述透明导电层450有助于提高电导率，透明导电层450的材料可采用Ni/Au材料。

参考图4F，随后，在透明导电层450上形成第二导电类型电极460，并在衬底400背面上形成第一导电类型电极470，从而形成垂直的发光二极管结构(也被称为V型结构)。所述发光二极管用于发光时，将第二导电类型电极460连接至电源正极、第一导电类型电极470连接至电源负极，发光二极管管芯通过第二导电类型电极460与电源正极相连，通过第一导电类型电极470与电源负极相连，发光二极管管芯中的有源层430在电流作用下发光。

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；并且，衬底400正面上具有多个凸起401，凸起401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，由于形成了多个凸起401，使得在衬底400上的缓冲层410具有较低的缺陷密度和较低的、均匀的应力分布，晶圆不易破裂，形成的发光二极管内量子效率与外量子效率均得到改善。

较佳的，在透明导电层450上形成第二导电类型电极460之后，在衬底400背面形成第一导电类型电极470之前，还可以减薄所述衬底400的背面，以节约芯片面积，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。另，上述方法实施例仅以形成双焦距微透镜结构为例，但是应当认识到，本发明的方法还可以形成锥形凸起或椭球形凸起或半球形凸起(也称为微透镜结构)。

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，包括：

衬底，包括正面以及与所述正面相对的背面，所述正面上具有多个凸起；

依次形成于所述凸起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；

形成于所述第二导电类型半导体层上的第二导电类型电极；

形成于所述衬底背面的第一导电类型电极。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起为锥形凸起、半球形凸起、椭球形凸起或双焦距微透镜结构。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起底部之间的距离小于0.2微米。

5.如权利要求1或2或3或4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。

6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，还包括形成于所述衬底和第一导电类型半导体层之间的缓冲层。

7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为n型衬底；所述缓冲层的材料为n型氮化铟或n型碳化硅；所述第一导电类型半导体层的材料为n型氮化镓；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型氮化镓。

8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，还包括形成于所述第二导电类型半导体层上的透明导电层。

9.一种发光二极管制造方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底包括正面以及与所述正面相对的背面；

在所述衬底正面形成多个凸起；

在所述凸起上依次形成第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层；

在所述第二导电类型半导体层上形成第二导电类型电极；

在所述衬底背面形成第一导电类型电极。

10.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。

11.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起为锥形凸起、半球形凸起、椭球形凸起或双焦距微透镜结构。

12.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起底部之间的距离小于0.2微米。

13.如权利要求9或10或11或12所述的制造方法，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。

14.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在所述衬底正面形成多个凸起之后，还包括：在所述凸起上形成缓冲层。

15.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述衬底为n型衬底；所述缓冲层的材料为n型氮化铟或n型碳化硅；所述第一导电类型半导体层的材料为n型氮化镓；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型氮化镓。

16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，形成所述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。

17.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于，在所述衬底背面形成第一导电类型电极之前，还包括：减薄所述衬底。