CN102332516A - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光二极管及其制造方法。其中上述发光二极管包括：第一半导体层；沉积所述第一半导体层的上表面的第一多量子阱层；沉积在所述第一多量子阱层的部分上表面上的第二多量子阱层；第二半导体层，所述第二半导体层沉积在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面上，其中，所述第二半导体层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。本发明能够提高载流子的复合速率，进而提高LED的内量子效率，改善LED的发光效率。

Description

一种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技术领域，具体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)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的日益大幅度提高，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、发光率高、电子饱和和漂移速度高、化学性质稳定等特点，引起了人们的广泛关注。

请参照图1，为现有的一种LED结构的剖面示意图，该LED包括：图形化蓝宝石衬底11，该衬底上形成有预定图案；依次位于蓝宝石衬底11上的n型半导体层12、多量子阱(MQW，Multi-Quantum Well)层13和p型半导体层14。其中，n型半导体层12通常由n-GaN构成，p型半导体层14通常由p-GaN构成。为简洁起见，图1中未示出电极，通常图1所示的结构还包括有连接n型半导体层12的第一电极、和连接p型半导体层14的第二电极。第一电极通常与电源负极连接，第二电极通常与电源正极连接。

请参照图2，图2为图1所示的多量子阱层13的剖面示意图。多量子阱层13通常包括多个势垒层131以及被势垒层131隔开的多个有源层132。所述有源层也被称为势阱层或活性层，所述有源层132的导带能量和价带能量之间的能量带隙小于势垒层131的能量带隙，所述有源层132和势垒层131均由III-V半导体化合物构成。

LED在用于发光时，将第一电极连接至电源负极，第二电极连接至电源正极，由于n型半导体层12与p型半导体层14的掺杂类型，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，在PN结正向偏压下，在PN结区附近或阱里，导带中的高能量的电子落到价带与空穴复合后，多余的能量以光和热的形式释放出来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管及其制造方法，用以提高发光二极管的内量子效率。

为解决上述技术问题，本发明提供方案如下：

一种发光二极管，包括：

第一半导体层；

形成在所述第一半导体层的上表面的第一多量子阱层；

形成在所述第一多量子阱层的部分上表面上的第二多量子阱层；

第二半导体层，所述第二半导体层形成在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面上，其中，所述第二多量子阱层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

优选地，上述的发光二极管中，

所述第一半导体层为用于提供第一类型载流子的半导体层；

所述第二半导体层为用于提供第二类型载流子的半导体层。

优选地，上述的发光二极管中，所述第二多量子阱层由多个相互分离的多量子阱结构组成。

优选地，上述的发光二极管中，所述多个相互分离的多量子阱结构呈一条状排列或呈一柱状排列。。

优选地，上述的发光二极管中，所述第一多量子阱层的层厚为2～10nm。

优选地，上述的发光二极管中，所述第二多量子阱层的层厚为10～50nm，所述多量子阱结构的宽度为100～700nm，相邻的多量子阱结构之间的间距为10～50nm。

优选地，上述的发光二极管中，还包括：

衬底，所述第一半导体层沉积在所述衬底之上；

与所述第一半导体层连接的第一电极；以及

与所述第二半导体层连接的第二电极。

本发明还提供了一种发光二极管的制造方法，包括：

沉积形成第一半导体层；

在所述第一半导体层的上表面上沉积形成第一多量子阱层；

形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层，其中，所述第二多量子阱层形成在所述第一多量子阱层的部分上表面，而所述第二半导体层沉积在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面，且所述第二多量子阱层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

优选地，上述的制作方法中，所述形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层包括：

在所述第一多量子阱层的部分上表面上，沉积所述第二半导体层的半导体材料；

在所述第一多量子阱层的未被所述半导体材料覆盖的上表面上沉积形成所述第二多量子阱层；

在所述第二多量子阱层和已沉积的所述半导体材料上继续沉积所述半导体材料，以形成所述第二半导体层。

优选地，上述的制作方法中，

所述形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层包括：

在所述第一多量子阱层上沉积所述第二半导体层的半导体材料；

对已沉积的所述半导体材料进行刻蚀，以去除所述第一多量子阱层的部分上表面上覆盖的所述半导体材料，使所述第一多量子阱层的部分上表面裸露；

在所述第一多量子阱层裸露的部分上表面上沉积形成所述第二多量子阱层；

在所述第二多量子阱层和已沉积的所述半导体材料上继续沉积所述半导体材料，形成所述第二半导体层。

从以上所述可以看出，本发明提供的发光二极管及其制造方法，通过增加第二多量子阱层与第二半导体层接触的侧面，使得空穴或电子能够由半导体层侧向注入至量子阱，这样使得空穴更容易到达底层量子阱，并且载流子在整个多量子阱中的分布密度也变得均匀，因此本发明能够提高载流子的复合速率，进而提高LED的内量子效率，改善LED的发光效率。

附图说明

图1为现有的一种LED结构的剖面示意图；

图2为图1所示的多量子阱层13的剖面示意图；

图3为图1所示的多量子阱层13的载流子密度的示意图；

图4为本发明实施例的LED的一种剖面结构的示意图；

图5A～5E为制造图4所示LED的第一种制作过程示意图；

图6A～6F为制造图4所示LED的第二种制作过程示意图；

图7A～7D为制造图4所示LED的第三种制作过程示意图；

图8A～8E为制造图4所示LED的第四种制作过程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种LED及其制造方法，通过改变现有技术中LED的多量子阱结构，使之从“一维多量子阱”改变成“二维/三维多量子阱”，使得载流子复合速率得到提高，从而提高了LED的内量子效率，改善了LED的发光效率。以下将结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例所述的LED，具体包括：

第一半导体层；

形成在所述第一半导体层的上表面的第一多量子阱层；

形成在所述第一多量子阱层的部分上表面上的第二多量子阱层；

第二半导体层，所述第二半导体层形成在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面上，其中，所述第二多量子阱层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

从以上所述可以看出，本发明实施例的LED包括两层多量子阱层，其中第一多量子阱层将第一、第二半导体层隔离，以避免第一、第二半导体层直接接触所导致的载流子泄露问题；同时，所述第二多量子阱层是由多个沿水平方向分离的多量子阱组成，因此本发明实施例的第二多量子阱层增加了沿层高方向上与第二半导体接触的侧面，从而相对于现有技术的多量子阱层增加了一个/两个维度，因此本实施例的第一、第二多量子阱层形成了一种二维/三维的多量子阱结构。

图3为现有技术LED的载流子密度的示意图，从图3可以看出，现有技术的LED中，与p型半导体层14相邻的顶层量子阱上的空穴密度非常大，而从顶层量子阱往下的各个量子阱的空穴密度逐渐降低。类似的，与n型半导体层12相邻的底层量子阱上的电子密度非常大，而从底层量子阱往上的各个量子阱的电子密度逐渐降低。即，顶层量子阱空穴密度大，而低层量子阱电子密度大。由于多量子阱中的载流子密度存在上述特点，现有的LED中的载流子复合速率受到限制，从而严重限制了LED的内量子效率(IQE，Internal QuantumEfficiency)。

反观本发明实施例所述的LED，由于第二多量子阱层在层高方向上与第二半导体层发生接触，即第二多量子阱层与第二半导体层形成在沿层高方向的接触面(侧面)。而现有技术的LED结构中仅包括一层多量子阱层，且该多量子阱层仅能在上表面或下表面与半导体层接触，因此，相比于现有技术，本发明实施例的第二多量子阱层除了与第二半导体层接触的上表面外，还包括有与第二半导体层直接接触的侧面。由于增加了上述侧面，使得第二半导体层的载流子(如空穴或电子)能够从侧面注入至量子阱，这就是本发明实施例中所述的“侧向注入”。侧向注入使得空穴更容易到达底层量子阱(以第一半导体层为n型、第二半导体层为p型为例)，因此本发明实施例LED能够提高载流子复合速率，并使得载流子在整个多量子阱中的分布密度变得均匀，达到提高LED的内量子效率，改善LED的发光效率的目的。

本发明实施例中，所述第一半导体层具体可以是用于提供第一类型载流子的第一导电类型半导体层，所述第二半导体层为用于提供第二类型载流子的第二导电类型半导体层。

更为具体的，所述第一导电类型半导体层为n型半导体层，第二导电类型半导体层为p型半导体层；或者，第一导电类型半导体层为p型半导体层，第二导电类型半导体层为n型半导体层。其中n型半导体层可以由n-GaN构成，p型半导体层可以由p-GaN构成。

当然，本发明实施例中，所示LED还可以包括：

衬底，如图形化蓝宝石衬底，所述第一半导体层沉积在所述衬底之上；

与所述第一半导体层连接的第一电极；以及

与所述第二半导体层连接的第二电极。

以下结合图4所给出的本发明实施例的LED的剖面结构示意图，对本发明进行更为详细的说明。

图4所示的LED，包括：图形化蓝宝石衬底21；依次位于蓝宝石衬底21上的n-GaN层22、第一多量子阱层23、第二多量子阱层24和p-GaN层25。图4所示的结构还可以包括有连接n-GaN层22的第一电极、和连接p-GaN层24的第二电极。第一电极通常与外部的电源负极连接，第二电极通常与外部的电源正极连接(为简洁起见，图4中未示出上述电极)。

可以看出，图4中，第一多量子阱层23将第一、第二半导体层隔离，以避免第一、第二半导体层直接接触所导致的载流子泄露问题；同时，第二多量子阱层24是由多个在水平方向上分离的多量子阱结构组成，因此本发明实施例的第二多量子阱层24增加了在层高方向上与第二半导体接触的侧面241，从而相对于现有技术的多量子阱层增加了一个/两个维度，因此本实施例的第一、第二多量子阱层形成了一种二维/三维的多量子阱结构。

本发明实施例中，优选地，第二多量子阱层24中的每个所述多量子阱结构均包括相同数量的量子阱，每个所述多量子阱结构的厚度均相同。

本发明实施例中，优选地，第二多量子阱层24中的多个相互分离的多量子阱结构呈一条状排列，也可以呈一柱状排列。

本发明实施例还针对图4还给出了一种优选的结构参数，请参照图4，所述第一多量子阱层23的层厚T为2～10nm，所述第二多量子阱层24的层厚H为10～50nm；所述多量子阱结构的宽度W为100～700nm，相邻的多量子阱结构之间的间距S为10～50nm。具有上述参数特征的多量子阱结构，可以看作是一个量子点，从而具有更好的载流子限制效应。采用上述柱状排列的多量子阱结构能够形成光子晶体结构，从而提高出光效率。

本发明实施例还给出了上述LED的制作方法，具体包括：

沉积形成第一半导体层；

在所述第一半导体层的上表面上沉积形成第一多量子阱层；

形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层，其中，所述第二多量子阱层形成在所述第一多量子阱层的部分上表面，而所述第二半导体层沉积在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面，且所述第二多量子阱层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

以下结合附图，对上述制作方法，通过几种具体实施方式作进一步的说明。

请参照图5A～5E，示出了图4所示LED的第一种制作流程图，具体为：

图5A：沉积作为第一半导体层的n-GaN层22，具体可以沉积在图形化蓝宝石衬底21之上。

图5B：在n-GaN层22上沉积第一多量子阱层23。

图5C：在第一多量子阱层23上沉积p-GaN材料，形成一图案化的p-GaN子层251，p-GaN子层251仅覆盖第一多量子阱层23的部分上表面，包括多个呈条状排列的长条状凸起。

图5D：在所述长条状凸起之间形成的沟缝中沉积第二多量子阱层24，从而第二多量子阱层24包括有沿层高方向上的侧面241，在该侧面241与p-GaN子层251形成接触。这里，优选地，p-GaN子层251的厚度，与第二多量子阱层24的厚度相同。

图5E：在图5D中的结构上继续沉积p-GaN材料，具体沉积在p-GaN子层251的上表面和第二多量子阱层24的上表面上，从而与p-GaN子层251融合形成p-GaN层24。

请参照图6A～6F，示出了图3所示LED的第二种制作流程图，具体包括以下步骤：

图6A：沉积作为第一半导体层的n-GaN层22，具体可以沉积在图形化蓝宝石衬底21之上。

图6B：在n-GaN层22上沉积第一多量子阱层23。

图6C：在第一多量子阱层23上沉积p-GaN材料，完全覆盖第一多量子阱层23的上表面，形成一p-GaN材料层250。

图6D：对所述p-GaN材料层250进行刻蚀，使其形成一图案化的p-GaN子层251，所述p-GaN子层251仅覆盖第一多量子阱层23的部分上表面，包括多个呈条状排列的长条状凸起。

图6E：在所述长条状凸起之间形成的沟缝中沉积第二多量子阱层24，从而第二多量子阱层24包括有沿层高方向上的侧面241，在该侧面241与p-GaN子层251形成接触。这里，优选地，p-GaN子层251的厚度，与第二多量子阱层24的厚度相同。

图6F：在图6D中的结构上继续沉积p-GaN材料，具体沉积在p-GaN子层251的上表面和第二多量子阱层24的上表面上，从而与p-GaN子层251融合形成p-GaN层24。

请参照图7A～7D，示出了图4所示LED的第三种制作流程图，具体为：

图7A：沉积作为第一半导体层的n-GaN层22，具体可以沉积在图形化蓝宝石衬底21之上。

图7B：在n-GaN层22上沉积第一多量子阱层23。

图7C：在第一多量子阱层23上沉积图案化的第二多量子阱层24，第二多量子阱层24仅覆盖第一多量子阱层23的部分上表面，包括多个呈条状排列的长条状凸起。

图7D：在所述第二多量子阱层24的上表面和第一多量子阱层23的上表面沉积p-GaN层24。

请参照图8A～8E，示出了图3所示LED的第四种制作流程图，具体包括以下步骤：

图8A：沉积作为第一半导体层的n-GaN层22，具体可以沉积在图形化蓝宝石衬底21之上。

图8B：在n-GaN层22上沉积第一多量子阱层23。

图8C：在第一多量子阱层23上继续沉积多量子阱层240，所述多量子阱层240完全覆盖第一多量子阱层23的上表面。

图8D：对所述多量子阱层240进行刻蚀，使其形成一图案化的第二多量子阱层24，所述第二多量子阱层24仅覆盖第一多量子阱层23的部分上表面，包括多个呈条状排列的长条状凸起。

图8E：在所述第二多量子阱层24的上表面和第一多量子阱层23的上表面沉积p-GaN层24。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：

第一半导体层；

形成在所述第一半导体层的上表面的第一多量子阱层；

形成在所述第一多量子阱层的部分上表面上的第二多量子阱层；

第二半导体层，所述第二半导体层形成在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面上，其中，所述第二多量子阱层包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，

所述第一半导体层为用于提供第一类型载流子的半导体层；

所述第二半导体层为用于提供第二类型载流子的半导体层。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二多量子阱层由多个相互分离的多量子阱结构组成。

4.如权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述多个相互分离的多量子阱结构呈一条状排列或呈一柱状排列。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一多量子阱层的层厚为2～10nm。

6.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第二多量子阱层的层厚为10～50nm，所述多量子阱结构的宽度为100～700nm，相邻的多量子阱结构之间的间距为10～50nm。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括：

衬底，所述第一半导体层沉积在所述衬底之上；

与所述第一半导体层连接的第一电极；以及

与所述第二半导体层连接的第二电极。

8.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：

沉积形成第一半导体层；

在所述第一半导体层的上表面上沉积形成第一多量子阱层；

形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层，其中，所述第二多量子阱层形成在所述第一多量子阱层的部分上表面，而所述第二半导体层沉积在所述第二多量子阱层的上表面以及所述第一多量子阱层未被所述第二多量子阱层覆盖的上表面，且所述第二多量子阱包括有在层高方向上与所述第二半导体层相接触的侧面。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，

所述形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层包括：

在所述第一多量子阱层的部分上表面上，沉积所述第二半导体层的半导体材料；

在所述第一多量子阱层的未被所述半导体材料覆盖的上表面上沉积形成所述第二多量子阱层；

在所述第二多量子阱层和已沉积的所述半导体材料上继续沉积所述半导体材料，以形成所述第二半导体层。

10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，

所述形成第二多量子阱层及沉积第二半导体层包括：

在所述第一多量子阱层上沉积所述第二半导体层的半导体材料；

对已沉积的所述半导体材料进行刻蚀，以去除所述第一多量子阱层的部分上表面上覆盖的所述半导体材料，使所述第一多量子阱层的部分上表面裸露；

在所述第一多量子阱层裸露的部分上表面上沉积形成所述第二多量子阱层；

在所述第二多量子阱层和已沉积的所述半导体材料上继续沉积所述半导体材料，形成所述第二半导体层。

Images