CN102683521B - 发光二极管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管的制造方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面依次沉积n型GaN层、多量子阱叠层和p型GaN层；降低生长温度，开始生长粗化层；关闭镓源，升高温度至p型GaN外延层生长温度以上，再结晶形成晶体状粗化层；完成后续LED生长及芯片工序。本发明的方法采用了在外延过程中改变生长条件的原位粗化方式，简化了工续，并辅以高温再结晶工艺，使粗化层的晶体缺陷及损伤减少。

Description

发光二极管的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体照明器件技术领域，具体涉及一种发光二极管(LED)的制造方法。

背景技术

半导体发光二极管(LED)具有低成本、长时间保持稳定发光源的特点，特别是氮化镓(GaN)材料的引入，使白光LED成为可能。以基于宽禁带半导体材料氮化稼(GaN)和铟氮化稼(InGaN)的发光二极管为代表的近紫外线、蓝绿色和蓝色等短波长发光二极管在1990年代后期得到广泛应用，在基础研究和商业应用上取得了很大进步。

目前，普遍应用的GaN基发光二极管的典型结构如图1所示，GaN基发光二极管的结构包括蓝宝石衬底10，在衬底10表面利用MOCVD工艺沉积的n型GaN层201，由n型掺杂的AlGaN层203、InGaN发光层205(包括单量子肼或多量子肼)和p型掺杂的AlGaN层207组成的发光单元，以及p型GaN层209。此外还包括利用LPCVD工艺或磁控溅射工艺沉积的透明导电氧化物(TCO)接触层211，和通过沉积、掩模、光刻和刻蚀等工艺形成的p电极213和n电极215。

随着芯片制造工艺水平的不断提高，发光二极管要求的发光效率与亮度不断的增加，传统的制造工艺已不能满足未来的应用。导致GaN基发光二极管外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延层和空气的反射系数差异较大导致的全反射问题。GaN和空气的反射系数分别是2.5和1，因此光能够传播出去的临界角约为23°，光只有在临界角构成的锥体内才能逸出有源层，一旦大于临界角，光将无法逸出，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率。

通过对GaN基LED的p型表面的粗化处理，改变GaN与空气界面的几何形状，光就能在多次反射后经由一个合适的界面射出，出光率也随之提高，并可提高其发光强度。如果在LED的上表面直接利用打磨的方式使其表面粗糙化，该方法势必对有源层及透明电极会造成一定的损伤，制作也较为困难，故而很多时候都采用芯片阶段刻蚀成型或其他复杂工艺。目前主流的方法主要包括两种：随机表面粗化和图形表面粗化。随机表面粗化，主要是利用晶体的各向异性，通过化学腐蚀实现对芯片表面进行粗化；图形表面粗化是利用光刻、干法(湿法)刻蚀等工艺，实现对芯片表面的周期性规则图形结构的粗化效果。也有采用自然光刻法，就是先用旋转镀膜的方法将聚苯乙烯球镀在LED的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法将未遮蔽的表面腐蚀，形成了粗糙的LED表面。也有人利用激光辐照的方法在传统的GaN发光二极管上部p-GaN表面形成纳米级粗糙层。

这些方法虽然能够提高发光效率，但是工艺复杂，且由于外延层p-GaN层较薄，对其表面处理易导致器件损伤，影响到多量子阱层，从而降低LED的性能，进而影响LED可靠性。

发明内容

本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，采用了在外延过程中改变生长条件的原位粗化方式，简化了工续，并辅以高温再结晶工艺，使粗化层的晶体缺陷及损伤减少。

本发明提供的一种发光二极管的制造方法，包括：

A、提供衬底；

B、在所述衬底表面依次沉积n型GaN层、多量子阱叠层和p型GaN层；

C、降低生长温度，开始生长粗化层；

D、关闭镓源，升高温度至p型GaN外延层生长温度以上，再结晶形成晶体状粗化层；

E、完成后续LED生长及芯片工序。

所述步骤C中降低后的生长温度为500℃-650℃。

所述步骤D的镓源为镓的金属氧化物源。

所述步骤D中升高后的温度为900℃-1100℃。

所述再结晶的反应时间为5-15分钟。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为GaN基发光二极管的结构示意图；

图2为说明本发明发光二极管制造方法的流程图；

图3至图7为说明本发明方法实施例的器件结构示意图。

所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。

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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的核心思想是外延生长过程中，利用高温再结晶工艺在原位(insitu)粗化形成具有粗糙表面的漫反射层，以增加出光层的发光效率。

图2为说明本发明发光二极管制造方法的流程图，如图1所示，本发明的方法首先提供衬底(步骤S201)，例如蓝宝石衬底；然后在衬底表面依次沉积n型GaN层、多量子阱叠层以及p型GaN层(步骤S202)；随后本发明的方法降低生长温度，开始生长粗化层(步骤S203)；接下来，关闭镓源，升高温度至p型GaN外延层生长温度以上，再结晶形成晶体状粗化层(步骤S204)；然后完成后续LED生长及芯片工序(步骤S205)。

图3至图7为说明本发明方法实施例的器件结构示意图。如图所示，根据实施例，本发明的方法首先提供衬底10，并在衬底10上表面依次形成LED芯片各层系，包括n型GaN层201、n型掺杂的AlGaN层203、InGaN发光层205、p型掺杂的AlGaN层207和p型GaN层209，如图3所示。然后，本发明的方法降低生长温度至500℃-650℃之间，开始生长p型GaN粗化层310，如图4所示。在生长的过程结束后，关闭镓的MO(金属氧化物)源，保留其它MO源和反应气体，升高温度至p型GaN外延层生长温度以上，在900℃-1100℃范围内，再结晶5-15分钟形成晶体状粗化层320，如图5所示。

形成粗化层320之后，本发明的方法在粗化层320表面沉积透明导电接触层211，如图6所示；随后，利用掩模、光刻等工艺形成p电极213和n电极215，如图7所示。

同时，该工序还可与p型GaN活化工艺相结合，在p型GaN层209实现低温p型活化的同时，也完成了p型GaN粗化层的生长，随后的高温再结晶过程则达到粗化的目的，从而进一步减少工艺步骤降低成本。更主要的是，本发明的粗化层为再结晶层，损伤小，而且微小晶面呈结晶取向，具有进一步提高出光效率的作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种发光二极管的制造方法，包括：

A、提供衬底；

B、在所述衬底表面依次沉积n型GaN层、多量子阱叠层和p型GaN层；

C、降低生长温度，开始生长粗化层；

D、关闭镓源，升高温度至p型GaN外延层生长温度以上，再结晶形成晶体状粗化层；

E、完成后续LED生长及芯片工序，即在晶体状粗化层的表面沉积透明导电接触层；采用掩模、光刻工艺在透明导电接触层上形成p电极和n电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤C中降低后的生长温度为500℃-650℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤D的镓源为镓的金属氧化物源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤D中升高后的温度为900℃-1100℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述再结晶的反应时间为5-15分钟。