CN102420279A - 氮化镓基发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管及其制作方法。本发明设计了双层透明导电层结构，第一层透明扩展层形成于p型半导体层上，P电极设置在外延结构层的中心区域，在p电极的四周设计了孔洞结构，孔洞结构里形成第二透明扩展层，并与n电极连接，形成一个等势面。电流从p电极注入后，通过第一透明扩展层向整个发光面扩散并由p型半导体层流向n型层，由于第二透明扩展层与n电极处于同一电势，电流向第二透明扩展层扩散，最后到达n电极。本发明保证了电流从p电极流向n电极的过程中都是均匀分布在外延发光层的，且P层的电流经过路径更短，同时改变了部分出光面的结构，从而有效地提高了发光效率。

Description

氮化镓基发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一氮化镓基发光二极管及其制作方法，更具体的是一种具有双透明电流扩展层的氮化镓基发光二极管及其制作方法。

背景技术

近年来，以氮化镓基宽带隙半导体材料为代表的半导体照明技术的发展引起全世界范围内的广泛关注。随着外延和芯片工艺技术的不断改进，氮化镓基发光二极管的发光效率得到不断提升。然而，要真正意义上普及半导体照明，仍然需要在现有的光效水平上继续提高。发光二极管的光效主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。目前，超高亮度LED的内量子发光效率已经有非常大的改善，最高已经达到80%以上。

 一般氮化镓基发光二极管的结构，具有一外延发光叠层，其包含一第一半导体层、 一有源层及一第二半导体层，其中有源层位于第一半导体层与第二半导体层之间；另设置电极于外延发光叠层的上方。由于电极与外延发光叠层只有一小部分的接触，使得电流容易局限在所接触部分的区域，导致电流由电极流入外延发光叠层中的有源层时，只集中在电极正下方的位置，造成水平方向上的分布并不均匀，无法完全利用有源层的发光面积，而影响发光二极管的取光效率。为了改善电流分布的不均匀性，有人对电极的结构进行了研究，如图1所示，提出了扩展条式的电极结构。

发明内容

为了有效提高氮化镓基发光二极管的取光效率，本发明提出了一种具有双透明导电层的氮化镓基发光二极管及其制作方法。

根据本发明的一方面，提供了一种氮化镓基发光二极管，其包括：一衬底；一半导体外延层沉积在衬底上，其至下而上包括n半导体型层，有源层，p型半导体层；一第一透明电流扩展层形成于p型半导体层上；一第一电极，形成于第一透明电流扩展层上，并位于外延层的中心区域；一孔洞系列分布在第一电极的四周，其贯穿p型半导体层、有源层，底部位于n型半导体层；一第一绝缘层，形成于第一透明电流扩展层上，并向孔洞系列的侧壁延伸，覆盖第一透明电流扩展层及孔洞系列的侧壁，露出第一电极及孔洞系列的底部的n型层；一第二透明电流扩展层ITO形成于前述第一绝缘层上，并覆盖孔洞系列的底部，所述第二透明电流扩展层与第一电极隔离；一第二电极形成于n型半导体层上。

优选地，所述孔洞的数量至少两个。 

优选地，所述孔洞的侧壁为弧线形，根据外延材料的折射率可选取孔洞侧壁的最佳弧度。弧线形的侧壁一方面增加了出光的面积，另一方面，弧形侧壁的存在减小了光从外延层折射到第二种介质时的入射角，从而减少了全反射。

优选地，所述氮化镓基发光二极管还包括一第二绝缘层形成于第二透明电流扩展层上。

根据本发明的另一方面，提供了一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其包括如下步骤： 1）提供一衬底，在所述衬底的正表面上沉积一半导体外延层，其至下而上包括n型半导体层，有源层，p型半导体层；2）在p型半导体层上形成一第一透明电流扩展层；3）图形化第一透明电流扩展层表面，定义p电极区、n电极区及孔洞区，其中p电极区位于第一透明电流扩展层的中央区域，孔洞分布在p电极区的四周，蚀刻孔洞区和n电极区的p型半导体层、有源层，直至露出n型半导体层，形成孔洞和n电极台面；4）在第一透明电流扩展层及孔洞的侧壁蒸镀一第一绝缘层，露出第一电极、孔洞底部的n型半导体层及n电极台面；5）在第一绝缘层上形成一第二透明电流扩展层，并向孔洞底部和n电极台面延伸；6）在第一透明电流扩展层的P电极区形成P电极，在n电极台面上形成n电极。

优选地，在第二透明电流扩展层上形成一第二绝缘层，裸露出p电极及n电极的接线柱。

优选地，所述步骤3）通过干蚀刻形成孔洞和n电极台面。

优选地，所述步骤3）中形成的孔洞的侧壁为弧形的。

优选地，所述步骤3）通过干蚀刻，控制光刻胶的厚度，形成具有弧形侧壁的孔洞。

优选地，所述步骤3）通过干蚀刻，涂抹在第一透明电流扩展层上的光刻胶的厚度为非均匀的。

优选地，所述步骤3）通过干蚀刻，光刻胶呈现外凸型涂抹。

优选地，所述步骤3）通过干蚀刻，孔洞区中心的光刻胶厚度最薄，内圈边缘开始逐渐向外变厚，在孔洞区的外圈处达到平衡厚度。

本发明设计了双层透明导电层结构，第一层透明扩展层形成于p型半导体层上，P电极设置在外延结构层的中心区域，在p电极的四周设计了孔洞结构，在孔洞结构里形成第二透明扩展层，并与n电极连接，形成一个等势面。电流从p电极注入后，通过第一透明扩展层向整个发光面扩散并由p型半导体层流向n型层，由于第二透明扩展层与n电极处于同一电势，电流向第二透明扩展层扩散，最后到达n电极。本发明保证了电流从p电极流向n电极的过程中都是均匀分布在外延发光层的，且P层的电流经过路径更短，从而有效地提高了发光效率。

对于大尺寸芯粒来说，可增加孔洞数量，在保护电流均匀分布的同时，避免了传统的电流扩展条设计，减少金属遮光面积，更有利于出光。

进一步地，将孔洞的侧壁设计为弧形，根据具体的外延材料的折射率选择最佳的出光弧度，同时增加了出光面积。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。 

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。为了图形清晰，未有在每个图的标识做备注。

图1为一种现有发光二极管的电极结构分布图。

图2为依据本发明实施例的一种氮化镓基发光二极管的俯视图。

图3是沿图2中的箭头所表示的线A-A截取的示意性截面图。

图4为沿图2中的箭头所表示的线B-B截取的示意性截面图。

图5~图13为依据本发明实施例的一种氮化镓基发光二极管制备工艺的截面图。

图14~图15表示依据本发明实施例的电流分布图。

图中各标号表示：

001  ：衬底；110：n型半导体层；120：有源层；130：P型半导体层；210：第一透明电流扩展层；220：第二透明电流扩展层；310：第一绝缘层；320：第二绝缘层；410：P电极；411：电极扩展条；420：N电极；500：孔洞；600：P电极区；610：N电极台面；620：孔洞区；700：光刻胶。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 

实施例1

如图4所示，一种氮化镓基发光二极管，包括：衬底001，半导体外延层沉积在衬底001上，其至下而上包括n型半导体层110，有源层120，p型半导体层130；第一透明电流扩展层210形成于p型半导体层130上；第一电极410形成于第一透明电流扩展层210上，并位于外延层的中心区域；孔洞系列500分布在第一电极410的四周，其贯穿p型半导体层130和有源层120，底部位于n型半导体层110；第一绝缘层310形成于第一透明电流扩展层210上，并向孔洞500的侧壁延伸，覆盖第一透明电流扩展层210及孔洞500的侧壁，露出第一电极210及孔洞500底部的n型半导体层；第二透明电流扩展层220形成于前述第一绝缘层上310，并覆盖孔洞500的底部，且第一电极410隔离；第二电极形成于第二透明电流扩展层220上。

衬底001可以为蓝宝石衬底。

如图2所示，P电极最好位于外延层的中心区域，孔洞500围绕着P电极分布，孔洞的数量最好大于或等于两个，对于大尺寸的芯片，可适当增加孔洞的数量。

孔洞500的侧壁为弧形设计，当光从光密介质进入光光疏介质时可能发生全反射，而弧形的表面比垂直的表面有更大的出光角度和出光面积，即出光率更高。光在不同介质间传输存在着全反射，根据外延材料的折射率选取孔洞侧壁的弧度，使弧度尽量靠近全反射角的数值从而让光最大程度的输出。

如图3所示，为沿图2中的箭头所表示的线A-A截取的示意性截面图。第二透明电流扩展层220覆盖第一透明电流扩展层210，仅露出P电极区外，并向各个孔洞500的侧壁延伸，与n型半导体导层及N电极连接，形成了一个等势面。

如图14所示，电流从p电极410注入后，通过第一透明扩展层210向整个发光面扩散。如图15所示，电流到达p型半导体层130后，流向n型层110，由于第二透明扩展层与n电极处于同一电势，电流向第二透明扩展层扩散，最后到达n电极。此过程保证了电流从p电极流向n电极的过程中都是均匀分布。

实施例2

图5~图13为依据本发明实施例的一种氮化镓基发光二极管制备工艺的截面图。该制作工艺主要包括：外延生长步骤，第一透明电流扩展层形成步骤，图形化第一透明电流扩展层步骤，孔洞形成步骤，第一透明电流扩展层形成步骤和电极制作步骤。下面结合附图进行具体说明。

首先，提供衬底001，在衬底上沉积发光外延层，其至下而上包括n型半导体层110、有源层120、p型半导体层130       。衬底为绝缘性材料，可使用蓝宝石、硅、碳化硅等常用材料。发光外延层的沉积使用常规的外延生长工艺即可。其结构剖面图如图5所示。

下一步，如图6所示，在p型半导体层130上蒸镀第一透明电流扩展层210，可选用氮化铟锡（ITO）作为透明电流扩展层的材料。

下一步，如图7所示，采用光罩图形化第一透明电流扩展层210，定义出P电极区600、N电极台面610和孔洞区620，其中p电极区位于第一透明电流扩展层的中央区域，孔洞分布在p电极的四周，其光罩板图案如图8所示。蚀刻孔洞区620和n电极区610的p型半导体层、有源层，直至露出n型半导体层，形成孔洞500和n电极台面610。为了获得具有外凸弧形侧壁的孔洞，采用干蚀刻方法并控制光刻胶厚度实现。如图13所示，涂抹在第一透明电流扩展层210上的光刻胶700的厚度为非均匀的，孔洞区620的中心点小孔洞内无光刻胶，内圈边缘开始逐渐向外变厚，在孔洞区620的外圈处达到，整体形状呈现外凸型。在本实施例中，其平衡厚度大约为15um。

下一步，如图9所示，在第一透明电流扩展层210及孔洞500的侧壁蒸镀第一绝缘层310，露出p电极区600、孔洞500底部的n型半导体层110及n电极台面610。绝缘层为透光性的，可选用二氧化硅或其他类似材料。

下一步，如图10所示，在第一绝缘层310上蒸镀第二透明电流扩展层220，并向孔洞500底部和n电极台面610延伸。第二透明电流扩展层220的材料选择可与第一透明电流扩展层210的材料相同。

下一步，如图11所示，在p电极区600的第一透明电流扩展层上制作p电极410，在n电极台面的第二透明电流扩展层上制作n电极420。

下一步，如图12所示，在第二透明电流扩展层上220上蒸镀第二绝缘层320，完成制备工艺。绝缘层为透光性的，可选用二氧化硅或其他类似材料。

很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (12)

1.氮化镓基发光二极管，其包括：

一衬底，

一半导体外延层沉积在衬底上，其至下而上包括n型半导体层，有源层，p型半导体层；

一第一透明电流扩展层形成于p型半导体层上；

一第一电极，形成于第一透明电流扩展层上，并位于外延层的中心区域；

一孔洞系列分布在第一电极的四周，其贯穿p型半导体层、有源层，底部位于n型半导体层；

一第一绝缘层，形成于第一透明电流扩展层上，并向孔洞系列的侧壁延伸，覆盖第一透明电流扩展层及孔洞系列的侧壁，露出第一电极及孔洞系列的底部的n型半导体层；

一第二透明电流扩展层形成于前述第一绝缘层上，并覆盖孔洞系列的底部；

所述第二秀明电流扩展层与第一电极隔离；

一第二电极形成于n型半导体层上。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述孔洞的数量至少两个。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述孔洞的侧壁为弧线形。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于：还包括一第二绝缘层，形成于第二透明电流扩展层上。

5.一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：

    1）提供一衬底，在所述衬底的正表面上沉积一半导体外延层，其至下而上包括n型半导体层，有源层，p型半导体层；

    2）在p型半导体层上形成一第一透明电流扩展层；

    3）图形化第一透明电流扩展层表面，定义p电极区、n电极区及孔洞区，其中p电极区位于第一透明电流扩展层的中央区域，孔洞分布在p电极的四周，蚀刻孔洞区和n电极区的p型半导体层、有源层，直至露出n型半导体层，形成孔洞和n电极台面；

    4）在第一透明电流扩展层及孔洞的侧壁蒸镀一第一绝缘层，露出第一电极、孔洞底部的n型半导体层及n电极台面；

    5）在第一绝缘层上形成一第二透明电流扩展层，并向孔洞底部和n电极台面延伸；

    6）在p电极区的第一透明电流扩展层上形成p电极，在n电极台面的第二透明电流扩展层上形成n电极。

6.根据权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括步骤7）：在第二透明电流扩展层上形成一第二绝缘层。

7.根据权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3）通过干蚀刻形成孔洞和n电极台面。

8.根据权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：步骤3）所述的孔洞的侧壁为弧形的。

9.根据权利要求8所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：步骤3）通过干蚀刻，控制光刻胶的厚度，形成具有弧形侧壁的孔洞。

10.根据权利要求9所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：其中涂抹在第一透明电流扩展层上的光刻胶的厚度为非均匀的。

11.根据权利要求10所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述光刻胶呈现外凸型涂抹。

12.根据权利要求10或11所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：孔洞区中心的光刻胶厚度最薄，内圈边缘开始逐渐向外变厚，在孔洞区的外圈处达到平衡厚度。

Images