CN102244169A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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CN102244169A CN2011101722285A CN201110172228A CN102244169A CN 102244169 A CN102244169 A CN 102244169A CN 2011101722285 A CN2011101722285 A CN 2011101722285A CN 201110172228 A CN201110172228 A CN 201110172228A CN 102244169 A CN102244169 A CN 102244169A
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张汝京
肖德元
程蒙召
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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；形成于所述衬底上的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层邻近第二缓冲层的表面形成有多个凹槽，位于所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞；形成于所述第二缓冲层上的第一导电半导体层、有源层以及第二导电半导体层，所述第一导电半导体层与第二导电半导体层具有相反掺杂类型。由于所述空洞的存在，可提高器件的内量子效率和外量子效率，增加了发光二极管的发光强度。

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(LightEmitting Diode，LED)及其制造方法。
背景技术
发光二极管由于具有寿命长、能耗低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，发光二极管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。
请参阅图1，图1是一种现有技术的发光二极管的剖面结构示意图。所述发光二极管包括衬底11、缓冲层(buffer layer)12、N型接触层(N contactlayer)13、N型覆盖层(N active layer)14、有源层(light emitting layers)15、P型覆盖层(P active layer)16、P型接触层(P contact layer)17、与所述P型接触层17连接的正电极18以及与所述N型接触层13连接的负电极19。所述发光二极管是双异质(Double Heterogeneous，DH)结构的发光二极管，其中双异质结构包括：N型覆盖层14、有源层15和P型覆盖层16。所述有源层15为所述发光二极管的发光层。所述N型覆盖层14为N型掺杂氮化镓层，所述P型覆盖层16为P型掺杂氮化镓层。类似的，美国专利US 5777350也公布了一种氮化物半导体发光器件。
然而，由于氮化镓体单晶很难获得，所以，目前氮化镓材料的生长主要通过在蓝宝石(Sapphire，AL2O3)衬底上进行异质外延的手段获得，最主要的外延生长技术有金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及卤化物气相外延(HVPE)等。但是，由于蓝宝石衬底与氮化镓外延层存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和热胀失配，所以不可避免地会在氮化镓外延层中引入大量的位错(dislocation)，一般地，氮化镓外延层位错的密度高达1010/cm2，降低了器件的内量子效率。
发明内容
本发明提供一种发光二极管及其制造方法，以提高发光二极管的内量子效率和外量子效率，增加发光二极管的发光强度。
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；形成于所述衬底上的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层邻近第二缓冲层的表面形成有多个凹槽，位于所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞；形成于所述第二缓冲层上的第一导电半导体层、有源层以及第二导电半导体层，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。
可选的，在所述的发光二极管中，第一缓冲层和第二缓冲层为氮化镓层。
可选的，在所述的发光二极管中，所述凹槽的高宽比大于或等于1.2∶1。
可选的，在所述的发光二极管中，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓或尖晶石。
可选的，在所述的发光二极管中，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。
可选的，在所述的发光二极管中，所述发光二极管还包括形成于所述第二导电半导体层上的接触层。
可选的，在所述的发光二极管中，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。
相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上形成第一缓冲层；刻蚀所述第一缓冲层，使所述第一缓冲层表面形成多个凹槽；形成第二缓冲层，所述第二缓冲层覆盖所述第一缓冲层具有凹槽一侧的表面，使得所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞；在所述第二缓冲层上依次形成第一导电半导体层、有源层以及第二导电半导体层，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述凹槽的高宽比大于或等于1.2∶1。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式刻蚀所述第一缓冲层。刻蚀所述第一缓冲层的步骤中，刻蚀气体为三氯化硼和氯的混合物，腔室气压为5～100毫托，底板功率为200～400瓦，线圈功率为100～200瓦。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，利用金属有机化合物化学气相沉积的方式在所述衬底上形成第一缓冲层。形成第一缓冲层的步骤中，腔室压力为100～600Torr，温度为500～800℃。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，利用金属有机化合物化学气相沉积的方式形成第二缓冲层。形成第二缓冲层的步骤中，腔室压力为100～1000mTorr，温度为800～1000℃。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓或尖晶石。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述发光二极管还包括：在所述第二导电半导体层上形成接触层。
可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。
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：
本发明在所述第一缓冲层邻近第二缓冲层的表面形成有多个凹槽，在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，使得所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞，由于所述空洞的存在，外延层线性位错被终止于这些空洞，所述氮化镓层中的位错被吸收(dislocation trapping)，从而降低了氮化镓层的位错密度(dislocation density)，借以提高了器件的内量子效率；
此外，由于所述空洞的折射率与外延层材料的折射率相差较大，从有源区向衬底发射的光，绝大部分被反射回来，再从发光二极管的表面或两侧发射出去，提高了器件的外量子效率，增加了发光二极管的发光强度。
附图说明
图1是一种现有技术的发光二极管的剖面结构示意图。
图2是本发明的发光二极管的一种实施例的剖面结构示意图。
图3是本发明的发光二极管的制造方法的流程图。
图4到图8是本发明的发光二极管制造方法的各步骤示意图。
图9是本发明的发光二极管的凹槽的俯视图。
图10是本发明的发光二极管制造方法形成空洞步骤的放大示意图。
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，本发明在所述第一缓冲层邻近第二缓冲层的表面形成有多个凹槽，在所述第一缓冲层上形成第二缓冲层，使得所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞，由于所述空洞的存在，外延层线性位错被终止于这些空洞，所述氮化镓层中的位错被吸收，从而降低了氮化镓层的位错密度，借以提高了器件的内量子效率；此外，由于所述空洞的折射率与外延层材料的折射率相差较大，从有源区向衬底发射的光，绝大部分被反射回来，再从发光二极管的表面或两侧发射出去，提高了器件的外量子效率，增加了发光二极管的发光强度。
请参阅图2，图2是本发明的发光二极管的剖面结构示意图。所述发光二极管包括：衬底100；形成于所述衬底100上的第一缓冲层110和第二缓冲层120；形成于所述第二缓冲层120上的第一导电半导体层130、有源层140以及第二导电半导体层150，所述第一导电半导体层130与所述第二导电半导体层150具有相反掺杂类型；其中，所述第一缓冲层110邻近第二缓冲层120的表面形成有多个凹槽110a，位于所述凹槽110a内的第二缓冲层中形成有空洞121。
其中，所述凹槽110a的高度大于所述凹槽110a的宽度，以便于在后续形成第二缓冲层120时，使凹槽110a内填充的缓冲层中形成有空洞121。优选地，所述凹槽110a的高宽比大于或等于1.2∶1，所述凹槽110a的高度为1～3μm，所述凹槽110a的宽度为1～2μm，所述凹槽110a的长度为1～10μm。所述凹槽110a的密度大于或等于108/cm2，每个凹槽110a内形成有一个空洞121，相应的，空洞121的密度也大于或等于108/cm2，外延层线性位错的密度可以降低至107/cm2以下。可以理解的是，上述数值仅仅是本发明的一种优选实施方式，所述凹槽的尺寸和密度还可做适当变化，并不限于上述实施方式所述。
其中，所述衬底100的材料可以为蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、尖晶石(MgAL2O4)，以及晶格常数接近氮化物半导体的单晶氮化物。优选的，所述衬底100为蓝宝石衬底或者硅衬底。
其中，所述第一缓冲层110和第二缓冲层120形成于衬底100与第一导电半导体120之间。所述第一缓冲层110和第二缓冲层120的厚度通常为数百埃，材料通常为氮化镓或者氮化铝(AlN)。优选的，当所述衬底100为蓝宝石衬底时，所述第一缓冲层110和第二缓冲层120为低温条件下生长的氮化镓(LT GaN)层；当所述衬底100为硅衬底时，所述第一缓冲层110和第二缓冲层120为氮化铝层；再或者，当所述衬底100为硅衬底时，先在所述衬底100上生长一层氮化铝层101，然后在所述氮化铝层101上形成第一缓冲层110和第二缓冲层120，所述第一缓冲层110和第二缓冲层120均为低温条件下生长的氮化镓(LT GaN)层。在形成所述第二缓冲层120的过程中，使得填充在所述凹槽110a内的第二缓冲层120中必然形成了空洞121。
本发明实施例的发光二极管为双异质结构的发光二极管，双异质结构的发光二极管比同质结构或者单异质结构有很多优点，可以更有效的载流子限制，从而导致更有效的载流子复合，使得发光二极管的发光更亮。本发明实施例的发光二极管的双异质结构包括：所述第一导电半导体层130、有源层140、第二导电半导体层150。
其中，所述第一导电半导体层130为N型氮化物半导体层，具体的，第一导电半导体层130为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂的氮化铝镓(AlyGa1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层。
其中，所述第二导电半导体层150为P型氮化物半导体层，具体的，所述第二导电半导体层150为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂的氮化铝镓(AlyGa1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层，优选的，P型掺杂物可以为镁。
其中，所述有源层140为单一量子阱结构或多层量子阱结构，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。具体的，所述有源层140包括层叠设置的氮化铟镓(InxGa1-xN，x表示铟的摩尔份数，0＜x＜1)层和氮化镓层。优选的，所述有源层140中氮化铟镓层的厚度约为2纳米，氮化镓层的厚度约为10纳米。由于所述第一导电半导体层130与所述第二导电半导体层150的掺杂类型相反，N型掺杂的第一导电半导体层130通过外部电压驱动使电子(electron)漂移至能带隙较低的氮化铟镓层的导电带，P型掺杂的第二导电半导体层150通过外部电压驱动使空穴(hole)漂移至能带隙较低的氮化铟镓层的价电带。由于氮化镓层的能带隙大于氮化铟镓层，因此，利用氮化镓层和氮化铟镓层之间的能带隙差异，电子和空穴聚集在所述单层或多层量子阱结构的有源层140中结合，从而使得所述有源层140发光。优选的，所述第一导电半导体层130为N型掺杂的氮化铝镓层，所述第二导电半导体层150为P型掺杂的氮化铝镓层，由于氮化铝镓的能带隙大于氮化镓和氮化铟镓的能带隙，可以防止电子和空穴从量子阱漂移至发光二极管的两端电极。
所述接触层160可以由P型氮化物半导体形成。如果用P型掺杂的氮化镓或者氮化铝镓形成，可以获得结晶性优良的接触层，特别是如果用氮化镓形成P型接触层，则可以使所述接触层160与所述正电极170达到良好的欧姆接触。所述正电极170和负电极180的材料可以为含Ni和Au的金属材料。
请参阅图3，图3是本发明的发光二极管的制造方法的流程图。下面结合图4到图8，详细说明本发明的发光二极管的制造方法。
如图4所示，首先，提供一衬底100。所述衬底100的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓、尖晶石，以及晶格常数接近氮化物半导体的单晶氮化物。当所述衬底100为硅衬底时，可先在所述衬底100上生长一层氮化铝层101。
如图5所示，接着，在所述氮化铝层101上形成第一缓冲层110，所述第一缓冲层110可以采用现有技术的制造方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)的方法形成。在本实施例中，形成所述第一缓冲层110的步骤中，腔室压力例如为100～600Torr，温度为500～800℃，所述第一缓冲层110的厚度例如为1～10μm。由于衬底100与第一缓冲层110之间存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和热胀失配，所以不可避免地会在第一缓冲层110中引入大量的位错(dislocation)111。
如图6所示，然后，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式刻蚀所述第一缓冲层110，由于第一缓冲层110具有位错的区域刻蚀速率较快，而无位错区域刻蚀速率相对较慢，因此在所述第一缓冲层110的表面形成多个凹槽110a。
在刻蚀过程中，刻蚀气体例如为三氯化硼和氯气的混合物，腔室气压为10到30毫托，底板功率为200到400瓦，线圈功率为100到200瓦，三氯化硼的流量为5～50sccn，氯气的流量为10～100sccm。优选地，如图6和图9所示，所述凹槽110a的高宽比大于或等于1.2∶1，所述凹槽110a的高度(本实施例中是指最大高度)H为1～3μm，所述凹槽110a的宽度W为1～2μm，所述凹槽110a的长度L为1～10μm。所述凹槽110a的密度大于或等于108/cm2，每个凹槽110a内可形成有一个空洞121，相应的，空洞121的密度也大于或等于108/cm2，外延层线性位错的密度至少可以降低至107/cm2以下。
如图7所示，在所述第一缓冲层110上形成凹槽110a之后，在所述第一缓冲层110具有凹槽110a的一侧表面形成第二缓冲层120，所述第二缓冲层120可以采用现有技术的制造方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。结合图10所示，由于沉积工艺的特性所致，在形成所述第二缓冲层120的过程中，凹槽中心位置无法完全填充到(凹槽侧壁附近相对容易覆盖上第二缓冲层)，随着第二缓冲层的逐步沉积，其中心形成了空洞而顶部逐渐趋于平缓，直至最终形成了顶部平滑而中心位置具有空洞的第二缓冲层120。
如图8所示，所述第二缓冲层120形成后，在所述第二缓冲层120的表面采用外延生长技术形成第一导电半导体层130。所述第一导电半导体层130的材料为N型氮化物半导体层，具体的，所述第一导电半导体层130为N型掺杂氮化镓层或为氮化铝镓(AlyGa1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层。
随后，在所述第一导电半导体层130表面覆盖有源层140。所述有源层140可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法。所述有源层140为单一量子阱结构或多层量子阱结构，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。具体的，所述有源层140包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。优选的，所述有源层140中氮化铟镓层的厚度约为2纳米，氮化镓层的厚度约为10纳米。
之后，在所述有源层140的表面覆盖第二导电半导体层150，所述第二导电半导体层150与所述第一导电半导体层130具有相反掺杂类型。所述第二导电半导体层150可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。所述第二导电半导体层150的材料为P型掺杂氮化镓或者P型掺杂的氮化铝镓(AlyGa1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)，优选的，P型掺杂物可以为镁。
其后，在所述第二导电半导体层150的表面覆盖接触层160，并在接触层160的表面形成发光二极管的正电极170。所述接触层160可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。所述接触层160的材料可以为氮化镓或者氮化铝镓。所述正电极170的材料可以为含Ni和Au的金属材料。
接着，刻蚀所述接触层160、第二导电半导体层150、有源层140，使所述第一导电半导体层130的部分表面暴露，在所述第一导电半导体层130暴露的表面形成所述发光二极管的负电极180，如图8所示。刻蚀所述接触层160、第二导电半导体层150、有源层140可以采用现有技术的刻蚀方法。所述负电极180的材料可以为含Ni和Au的金属材料。
在本发明其它实施例中，第一缓冲层110邻近第二缓冲层120的表面形成有多个凹槽110a，但由于制备工艺存在误差，所述凹槽110a的侧面并非一定与第一缓冲层110的表面严格垂直，所述凹槽110a也可为上大下小的梯形，例如凹槽110a的侧面与第一导电半导体层33的垂直方向的夹角范围可以是45到135度，当然所述凹槽还可以是其他形状的凹槽，并不限于上述实施方式所述。
与现有技术的方法相比，本发明的第二缓冲层中形成有空洞，由于所述空洞的存在，外延层线性位错被终止于这些空洞，所述氮化镓层中的位错被吸收，从而降低了氮化镓层的位错密度，借以提高了器件的内量子效率；此外，由于所述空洞的折射率与外延层材料的折射率相差较大，从有源区向衬底发射的光，绝大部分被反射回来，再从发光二极管的表面或两侧发射出去，提高了器件的外量子效率，增加了发光二极管的发光强度。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明并不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (19)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层邻近第二缓冲层的表面形成有多个凹槽，位于所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞；
形成于所述第二缓冲层上的第一导电半导体层、有源层以及第二导电半导体层，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层为氮化镓层。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述凹槽的高宽比大于或等于1.2∶1。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓或尖晶石。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。
6.如权利要求1或5所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括形成于所述第二导电半导体层上的接触层。
7.如权利要求1或5中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。
8.一种发光二极管制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成第一缓冲层；
刻蚀所述第一缓冲层，使所述第一缓冲层表面形成多个凹槽；
形成第二缓冲层，所述第二缓冲层覆盖所述第一缓冲层具有凹槽一侧的表面，使得所述凹槽内的第二缓冲层中形成有空洞；
在所述第二缓冲层上依次形成第一导电半导体层、有源层以及第二导电半导体层，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。
9.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述凹槽的高宽比大于或等于1.2∶1。
10.如权利要求8或9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式刻蚀所述第一缓冲层。
11.如权利要求10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，刻蚀所述第一缓冲层的步骤中，刻蚀气体为三氯化硼和氯的混合物，腔室气压为5～100毫托，底板功率为200～400瓦，线圈功率为100～200瓦。
12.如权利要求8或9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，利用金属有机化合物化学气相沉积的方式在所述衬底上形成第一缓冲层。
13.如权利要求12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成第一缓冲层的步骤中，腔室压力为100～600Torr，温度为500～800℃。
14.如权利要求8或9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，利用金属有机化合物化学气相沉积的方式形成第二缓冲层。
15.如权利要求14所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成第二缓冲层的步骤中，腔室压力为100～1000mTorr，温度为800～1000℃。
16.如权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓或尖晶石。
17.如权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。
18.如权利要求8或17所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述发光二极管还包括：在所述第二导电半导体层上形成接触层。
19.如权利要求8或17所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。
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