CN102136531A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，包括：提供(100)晶面的硅衬底；以图形化掩膜层为掩膜，湿法刻蚀硅衬底，将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；在硅衬底的(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；形成贯穿硅衬底的接触插塞；在硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一电极，第一电极通过接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；以及在第二导电类型半导体层上形成第二电极。本发明可提高发光二极管的光利用率，并且，散热效果更好，有利于节约芯片面积，提高芯片利用率。

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。CN 1858918A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，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。

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。

本发明提供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；形成贯穿所述硅衬底的接触插塞；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电极，所述第一电极通过接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；在所述第二导电类型半导体层上形成第二电极。

在所述的发光二极管制造方法中，利用碱性溶液湿法刻蚀所述硅衬底；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。

在所述的发光二极管制造方法中，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面之后，还包括：在所述硅衬底上依次形成第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层的材料为氮化铝，所述第二缓冲层的材料为n型掺杂的氮化镓或n型掺杂的铝氮化镓。

在所述的发光二极管制造方法中，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，所述透明导电层的材料为镍金材料。

在所述的发光二极管制造方法中，形成贯穿所述硅衬底的接触插塞的步骤包括：形成贯穿所述硅衬底和第一缓冲层的接触孔；在所述接触孔内填充第一金属材料；在所述接触孔内填充第二金属材料。

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。

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；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；贯穿所述硅衬底的接触插塞；形成于所述(100)晶面硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上的第一电极，所述第一电极通过所述接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；形成于所述第二导电类型半导体层上的第二电极，所述第二电极与第二导电类型半导体层电连接。

在所述的发光二极管中，还包括依次形成于所述(111)晶面硅衬底和第一导电类型半导体层之间的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层的材料为氮化铝，所述第二缓冲层的材料为n型掺杂的氮化镓或n型掺杂的铝氮化镓，所述接触插塞贯穿所述第一缓冲层并与第二缓冲层相接触。

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，所述透明导电层的材料为镍金材料。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。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

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；此外，本发明在硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一电极，所述第一电极通过接触插塞与第一导电类型半导体层电连接，从而形成了垂直的发光二极管结构，相比于传统的由蓝宝石衬底制成的水平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。

附图说明

图1为现有的发光二极管的示意图；

图2为本发明实施例的发光二极管制造方法的流程示意图；

图3A～3F为本发明实施例的发光二极管制造方法的剖面示意图；

图4为本发明实施例的(111)晶面硅衬底的俯视图。

具体实施方式

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；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；

步骤S220，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；

步骤S230，形成贯穿所述硅衬底的接触插塞；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电极，所述第一电极通过接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；在所述第二导电类型半导体层上形成第二电极。

下面将结合剖面示意图对本发明进行更详细的描述，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n型掺杂的硅衬底(n-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p型掺杂的硅衬底(p-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，在硅衬底300上形成图形化掩膜层390，所述图形化掩膜层390的材料例如为二氧化硅。在本实施例中，图形化掩膜层390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390。

参照图3C，接下来，以图形化掩膜层390为掩膜，湿法刻蚀所述硅衬底300，将硅衬底300的一部分转变为(111)晶面，从而使得硅衬底300表面呈锥形。随后，去除所述图形化掩膜层390。在本实施例中，所述图形化掩膜层390的材料为二氧化硅，可利用缓冲氢氟酸溶液(BHF)去除图形化掩膜层390。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)晶面与(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，接着，在(111)晶面硅衬底302上依次形成第一缓冲层311和第二缓冲层312，所述第一缓冲层311完全覆盖(111)晶面硅衬底302。在本实施例中，所述第一缓冲层311为氮化铝(AlN)，所述第二缓冲层312的材料为n型掺杂的氮化镓(n-GaN)或n型掺杂的铝氮化镓(n-AlGaN)。采用第一缓冲层311和第二缓冲层312相组合的方式，可确保不会损伤到硅衬底300，并可进一步改善硅衬底300与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力问题。

形成第一缓冲层311和第二缓冲层312之后，在第二缓冲层312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)；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)；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)。

优选的，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的材料可采用镍金材料(Ni/Au)。可利用常规的金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺形成第一缓冲层311、第二缓冲层312、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，形成贯穿硅衬底300的接触插塞360。具体的，可通过以下步骤形成接触插塞360：首先，形成贯穿硅衬底300的接触孔；接着，在所述接触孔的底部和侧壁沉积第一金属材料；最后在所述接触孔内填充第二金属材料，所述第二金属材料覆盖在第一金属材料表面，以形成接触插塞360。所述第一金属材料例如是金铂材料(Au/Pt)、金铬材料(Au/Cr)或金铂铬材料(Au/Cr/Pt)，其导电性能较好；所述第二金属材料例如是铝(Al)，其价格较低；采用第一金属材料和第二金属材料共同制成金属插塞360，可在取得较好导电性能的前提下节约制作成本。

需要注意的是，由于在本实施例中第一缓冲层311的材料是氮化铝，其为非良导体；而第二缓冲层312的材料是n型掺杂的氮化镓(n-GaN)或n型掺杂的铝氮化镓(n-AlGaN)，具有较佳的导电性能；因此，所述接触插塞360还需贯穿所述第一缓冲层311，而与第二缓冲层312的表面相接触，以便使第一电极370与第一导电类型半导体层320电连接。

参照图3F，最后，在所述硅衬底300远离第一导电类型半导体层320的表面上形成第一电极370，所述第一电极370通过接触插塞360与第一导电类型半导体层320电连接；并在透明导电层350上形成第二电极380，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，将第二电极380连接至电源正极、第一电极370连接至电源负极，发光二极管管芯通过第二电极380与电源正极相连，通过第一电极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。

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，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。

需要说明的是，在本实施例中是先形成接触插塞360，之后再形成第一电极370和第二电极380；可以理解的是，在本发明其它实施例中，也可以先形成第二电极380，之后再形成接触插塞360和第一电极370。

此外，在本实施例中，所述硅衬底300为n型掺杂的硅衬底(n-Si)，故无需进行额外的离子注入工艺；在本发明的其他具体实施例中，所述硅衬底300也可选用p型掺杂的硅衬底(p-Si)，为此，在湿法刻蚀硅衬底的步骤之后，需要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；并在形成第二缓冲层312的步骤之后，再执行第二次离子注入工艺，以在所述第二缓冲层312中注入n型离子。

继续参考图3F，本发明还提供一种发光二极管，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；

依次形成于(111)晶面硅衬底302上的第一缓冲层311和第二缓冲层312；

依次形成于第二缓冲层312上的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和透明导电层350，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；

贯穿所述硅衬底300的接触插塞360；形成于所述(100)晶面硅衬底301远离第一导电类型半导体层320的表面上的第一电极370，所述第一电极370通过接触插塞360与第一导电类型半导体层320电连接；形成于透明导电层350上的第二电极380，所述第二电极380与第二导电类型半导体层340电连接。

所述发光二极管用于发光时，将第二电极380连接至电源正极、第一电极370连接至电源负极，发光二极管管芯通过第二电极380与电源正极相连，通过第一电极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300与其它膜层的晶格匹配度，降低了在所述硅衬底300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，第二电极380形成于透明导电层350上，第一电极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，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。

Claims (15)

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；

形成贯穿所述硅衬底的接触插塞；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电极，所述第一电极通过接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；在所述第二导电类型半导体层上形成第二电极。

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

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，将所述硅衬底的一部分转变为(111)晶面之后，还包括：在所述硅衬底上依次形成第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层的材料为氮化铝，所述第二缓冲层的材料为n型掺杂的氮化镓或n型掺杂的铝氮化镓。

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，所述透明导电层的材料为镍金材料。

8.如权利要求7所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成贯穿所述硅衬底的接触插塞的步骤包括：

形成贯穿所述硅衬底和第一缓冲层的接触孔；

在所述接触孔内填充第一金属材料；

在所述接触孔内填充第二金属材料。

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。

11.一种发光二极管，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；

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；

贯穿所述硅衬底的接触插塞；形成于所述(100)晶面硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上的第一电极，所述第一电极通过所述接触插塞与第一导电类型半导体层电连接；形成于所述第二导电类型半导体层上的第二电极，所述第二电极与第二导电类型半导体层电连接。

12.如权利要求11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第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层的材料为氮化铝，所述第二缓冲层的材料为n型掺杂的氮化镓或n型掺杂的铝氮化镓，所述接触插塞贯穿第一缓冲层并与第二缓冲层相接触。

13.如权利要求11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，所述透明导电层的材料为镍金材料。

14.如权利要求11至13中任意一项所述的发光二极管，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。

15.如权利要求14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。

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