CN103022306B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有透明导电层的发光二极管及其制作方法，其发光二极管，包括：衬底；发光外延层，由从下至上依次为第一限制层、发光层和第二限制层的半导体材料层堆叠而成，形成于衬底之上；电流阻挡层，形成于所述发光外延层的局部区域之上；透明导电结构，形成于所述电流阻挡层之上并延伸至所述发光外延层的表面，划分为出光区和非出光区，其中非出光区与电流阻挡层对应，其厚度大于出光区的厚度，使得该结构与发光外延层形成良好的欧姆接触且减少对光的吸收；P电极，形成于透明导电结构的非出光区之上。该结构可以保证电流扩展性，降低工作电压且减少对光的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管及其制作方法，更具体地是具有透明导电层的发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（LED）经过多年的发展，已经广泛用于显示、指示、背光、照明等不同领域。III-V族化合物是当前主流的用于制作发光二极管的半导体材料，其中以氮化镓基材料和铝镓铟磷基材料最为普遍。传统的P型III-V族半导体材料的电流扩展性能一般较差，为了使电流能够均匀地注入发光层，常常需要在p型材料层上加一透明导电层。在众多可作为透明导电层的材料中，诸如：氧化铟锡（ITO）、氧化镉锡（CTO）、氧化铟（InO）和氧化锌（ZnO）等，均可使用于提高电流的扩散效果，其中ITO（Indium Tin Oxide 氧化铟锡）是被最广泛应用的一种，ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两个性能指标：电阻率和透光率，由于ITO可同时具有低电阻率及高光穿透率的特性，符合了导电性及透光性良好的要求。与其它透明的半导体导电薄膜相比，ITO具有良好的化学稳定性和热稳定性。
目前，采用溅镀（英文为sputtering）ITO以其优越的性能逐渐成为代替蒸镀（英文为evaporation deposition）ITO的一个重要趋势，主要是基于溅镀的ITO具有降低电压和提高亮度的优势。但是，溅镀的ITO膜表面较为平滑，导致与金属电极粘附性差。特别当经过高于250℃的温度后，由于ITO和金属电极材料的热膨胀系数相差较大，膜层间的应力也相应地增大，将导致电极粘附性大大降低。
业界解决此类掉电极的方法主要有：对ITO膜进行粗化，调整镀膜的工艺参数等。但是，目前这些技术仍然不完善，具有相应的缺点。如对ITO采用溶液进行湿法粗化，由于溅镀的ITO微观结构一般是由大小为30nm~100nm的晶粒拼接而成，湿法粗化对于每个晶粒蚀刻是各向同性的，导致粗化后仍然表面较平整。而调整镀膜的工艺参数，一般采用分段式镀膜或者降低速率等，而往往还要兼顾光电参数和电极粘附性，使得工艺参数调整较为困难
发明内容
本发明提出了一种具有透明导电层的发光二极管及其制作方法，其可以保证电流扩展性，降低工作电压且减少对光的吸收。
根据本发明的第一个方面，发光二极管，包括：衬底；发光外延层，由从下至上依次为第一限制层、发光层和第二限制层的半导体材料层堆叠而成，形成于衬底之上；电流阻挡层，形成于所述发光外延层的局部区域之上；透明导电结构，形成于所述电流阻挡层之上并延伸至所述发光外延层的表面，划分为出光区和非出光区，其中非出光区与电流阻挡层对应，其厚度大于出光区的厚度，使得该结构与发光外延层形成良好的欧姆接触且减少对光的吸收；P电极，形成于透明导电结构的非出光区之上。
进一步地，所述透明导电结构包括：第一透明导电层，形成于所述电流阻挡层之上，其图案与所述电流阻挡层的图案对应；第二透明导电层，披覆于第一透明导电层及电流阻挡层之上并延伸至所述发光外延层的表面，且第二透明导电层的下表面面积大于电流阻挡层的上表面面积。
进一步地，所述第二透明导电层与P电极的接触的表面为粗糙面。
进一步地，所述第一透明导电层的厚度为300~5000Å。
进一步地，所述第二透明导电层的厚度为300~5000Å。
进一步地，所述第一透明导电层或第二透明导电层的材料选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种。
进一步地，所述第二透明导电层的材料与第一透明导电层的材料相同。
根据本发明的第二个方面，发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一衬底，在其外延生长发光外延层，从下至上依次沉积第一限制层、发光层和第二限制层；
2）在发光外延层的局部区域形成电流阻挡层；
3）在所述电流阻挡层之上制作透明导电结构，并延伸至所述发光外延层的表面，其中与电流阻挡层相当的区域为非出光区，直接与发光外延层接触的区域为出光区，非出光区的厚度大于出光区的厚度，使得该结构与发光外延层形成良好的欧姆接触且减少对光的吸收；
4）在所述透明导电结构的非出光区之上制作P电极。
进一步地，所述步骤3）具体包括：
在所述电流阻挡层上形成第一透明导电层；
在所述第一透明导电层上形成第二透明导电层，并延伸至所述发光外延层的表面；
从而构成透明导电结构，其中非出光区包括第一、第二透明导电层，出光区不包括第一透明导电层。
进一步地，在所述步骤3中，采用蒸镀沉积法形成第一透明导电层，采用磁控溅射法形成第二透明导电层，其在所述第二透明导电层与P电极接触的表面形成粗糙结构。
进一步地，在所述步骤3中，采用磁控溅射法形成第一透明导电层，采用蒸镀沉积法形成第二透明导电层，其在所述第二透明导电层与P电极接触的表面形成粗糙结构。
进一步地，所述第一透明导电层的厚度为300~5000Å。
进一步地，所述第二透明导电层的厚度为300~5000Å。
进一步地，所述第一透明导电层或第二透明导电层的材料选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种。
进一步地，所述第二透明导电层的材料与第一透明导电层的材料相同。
在本发明的透明导电结构中， P电极下方对应的区域的厚度大于其他区域的厚度，从而保证了透明导电层与发光外延层形成良好的欧姆接触且减少对光的吸收，有效降低了LED芯片电压，同时提高出光效率。更进一步的，P电极的正下方为多层透明导电层的结构，其他区域为单层透明导电的结构，多层透明导电层结构至少一层是采用蒸镀方式镀膜，只需侧重于形成一定的粗糙度，不必采用特别调试的镀膜参数，从而最大限度地保证对膜层之间的应力释放，保证了双层透明导电层与金属电极的粘附性。
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。
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。
图1~6为根据本发明实施例1的具有交替附着层电极的发光二极管芯片的流程示意图。
图7~12为根据本发明实施例2的具有交替附着层电极的发光二极管芯片的流程示意图。
图中各标号表示：
101，201：衬底；102，202：第一限制层；103，203：发光层；104，204：第二限制层；105，205：电流阻挡层；106，206：第一透明导电层；107，207：第二透明导电层；108，208：P电极；109，209：N电极。
具体实施方式
下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。
实施例
1
如图6所示，一种具有透明导电层的发光二极管器件，包括：衬底101；发光外延层，由从下至上依次为第一限制层102、发光层103和第二限制层104的半导体材料层堆叠而成，形成于衬底101之上；电流阻挡层105，形成于所述发光外延层第二限制层104的局部区域之上；第一透明导电层106，形成于所述电流阻挡层105之上，且第一透明导电层106与电流阻挡层105的接触面积等于电流阻挡层105的上表面面积；第二透明导电层107，披覆于第一透明导电层106及电流阻挡层105之上并延伸至所述发光外延层第二限制层104的表面，且第二透明导电层107的下表面面积大于电流阻挡层105的上表面面积；P电极108，形成于具有粗糙区域的第二透明导电层107之上；N电极109，形成于裸露的第二限制层104之上。
在本器件结构中，只有在电流阻挡层105之上才具有双层透明导电层的结构，且该双层透明导电层只位于P电极108下方，其他绝大部分的发光外延层区域之上为单层的透明导电层，不仅保证了电流扩展性，降低LED芯片电压，还可避免形成大面积且厚的透明导电层而增加对光的吸收，导致光效的降低。
下面结合制备方法对上述结构做具体描述。上述具有透明导电层的发光二极管的制备方法，包括下面步骤：
如图1所示，提供一蓝宝石衬底101，然而应当认识到，所述衬底还可以选用碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底中的一种；利用MOCVD技术蓝宝石衬底101上依次成长第一限制层（N型半导体层）102，发光层103及第二限制层（P型半导体层）104，构成发光外延层；通过黄光光罩、干法蚀刻等工艺技术，刻蚀部分发光外延层，使其裸露出部分第二限制层（P型半导体层）104。
如图2和3所示，在发光外延层上沉积电流阻挡层105，沉积方式可选用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等，所述电流阻挡层105的材料可选用二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）或氧化铝（Al2O3）中一种或组合；在所述电流阻挡层105上采用蒸镀沉积法形成氧化铟锡（ITO）第一透明导电层106，氧化铟锡（ITO）第一透明导电层106的厚度为300~5000Å，然而应当认识到，所述第一透明导电层106的材料还可以选用氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种，沉积后的电流阻挡层105和第一透明导电层106通过同一道黄光光罩作业，然后通过湿法蚀刻或剥离等工艺技术获得预定的图形。
如图4和5所示，在所述氧化铟锡（ITO）第一透明导电层106上，采用磁控溅射法形成氧化铟锡（ITO）第二透明导电层107，氧化铟锡（ITO）第二透明导电层107的厚度为300~5000Å，由于第一透明导电层106是采用蒸镀沉积法获得，所以上表面较为粗糙，而第二透明导电层107采用磁控溅射法获得，其除了披覆于第一透明导电层106上的部分区域（即非出光区的第二透明导电层）较为粗糙，其他披覆于第二限制层104上的部分区域（即出光区的第二透明导电层）则较为光滑，而上表面较为粗糙的第二透明导电层107正好位于P电极正下方且与P电极直接接触，增强了电极与半导体层的吸附力，提高发光二极管的可靠性，上表面较为光滑的单层第二透明导电层位于外延层之上，保证了电流扩展性，降低LED芯片电压，还可避免形成大面积且厚的透明导电层而增加对光的吸收，导致光的损失；然而应当认识到，所述第二透明导电层107的材料还可以选用氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种。
如图6所示，进行退火热处理，热处理温度为200~400℃；在所述第二透明导电层107上，蒸镀或溅射形成P电极108；在所述裸露的第二限制层104上，蒸镀或溅射形成N电极109，P电极108和N电极109可以通过同一道黄光光罩作业，剥离等工艺技术形成，如此完成具有双层透明导电层的发光二极管的制备。
实施例
2
如图12所示，另一种具有透明导电层的发光二极管器件，其与实施例1中的发光二极管器件大体架构相同，二者的差异主要在于：本实施例的第一透明导电层206与电流阻挡层205的接触面积小于电流阻挡层205的上表面面积；第一透明导电层206的上表面不具有粗糙状。
如图7~12所示，另一种具有透明导电层的发光二极管器件的制作方法，与实施例1中的发光二极管器件的制作方法大致相同，区别主要在于：第一透明导电层206和第二透明导电层207的镀膜方式不同。具体来说：
如图7所示，提供一蓝宝石衬底201；利用MOCVD技术蓝宝石衬底201上依次成长第一限制层（N型半导体层）202，发光层203及第二限制层（P型半导体层）204，构成发光外延层；通过黄光光罩、干法蚀刻等工艺技术，刻蚀部分发光外延层，使其裸露出部分第二限制层（P型半导体层）204。
如图8和9所示，在发光外延层上沉积电流阻挡层205，沉积方式选用化学气相沉积（CVD）；在所述电流阻挡层205上采用磁控溅射法形成氧化铟锡（ITO）第一透明导电层206，氧化铟锡（ITO）第一透明导电层206的厚度为300~5000Å，沉积后的电流阻挡层205和第一透明导电层206通过同一道黄光光罩作业，然后通过湿法蚀刻或剥离等工艺技术获得预定的图形。
如图10和11所示，在所述氧化铟锡（ITO）第一透明导电层206上，采用蒸镀沉积法形成氧化铟锡（ITO）第二透明导电层207，氧化铟锡（ITO）第二透明导电层207的厚度为300~5000Å，由于第一透明导电层206是采用磁控溅射法获得，所以上表面较为光滑，而第二透明导电层207采用蒸镀沉积法获得，其除了披覆于第一透明导电层206上的部分区域（即非出光区的第二透明导电层）较为粗糙，其他披覆于第二限制层204上的部分区域（即出光区的第二透明导电层）也会较为粗糙，而上表面较为粗糙的第二透明导电层207正好位于P电极正下方且与P电极直接接触，增强了电极与半导体层的吸附力，提高发光二极管的可靠性，单层的第二透明导电层位于外延层之上，保证了电流扩展性，降低LED芯片电压，还可避免形成大面积且厚的透明导电层而增加对光的吸收，导致光的损失。
如图12所示，进行退火热处理，热处理温度为200~400℃；在所述第二透明导电层207上，蒸镀或溅射形成P电极208；在所述裸露的第二限制层204上，蒸镀或溅射形成N电极209，P电极208和N电极209可以通过同一道黄光光罩作业，剥离等工艺技术形成，如此完成具有双层透明导电层的发光二极管的制备。
前述各实施例的发光二极管芯片中，一方面 ，P电极的正下方为双层透明导电层的结构，且双层透明导电层的结构中至少一层是采用蒸镀方式镀膜，只需侧重于形成一定的粗糙度，不必采用特别调试的镀膜参数（一般业界蒸镀ITO要考虑到光电参数，通常将ITO膜镀的相对比较致密），从而最大限度地保证对膜层之间的应力释放，保证了双层透明导电层与金属电极的粘附性。另一方面，只有在电流阻挡层之上才具有双层透明导电层的结构，且该双层透明导电层只位于P电极下方，其他绝大部分的发光外延层区域之上为单层的透明导电层，不仅保证了电流扩展性，降低LED芯片电压，还可避免形成大面积且厚的透明导电层而增加对光的吸收，导致光的损失。
前述两个实施例所述的发光二极管制作工艺，相对于传统结构仅增加了第一透明导电层的镀膜工艺，且和电流阻挡层同做一道黄光光罩，不需增加黄光光罩次数，降低成本。
本发明的核心思想在于，在与P电极直接接触的正下方形成具有粗糙表面的透明导电层且为双层的透明导电层结构，而其他绝大部分的发光外延层区域之上为单层的透明导电层，不仅保证了电流扩展性，降低LED芯片电压，还可避免形成大面积且厚的透明导电层而增加对光的吸收，导致光效的降低。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.发光二极管，包括：衬底；发光外延层，由从下至上依次为第一限制层、发光层和第二限制层的半导体材料层堆叠而成，形成于衬底之上；电流阻挡层，形成于所述发光外延层的局部区域之上；透明导电结构，形成于所述电流阻挡层之上并延伸至所述发光外延层的表面，划分为出光区和非出光区，其中非出光区与电流阻挡层对应，其厚度大于出光区的厚度，该透明导电结构保证电流扩展性，降低工作电压且减少对光的吸收；P电极，形成于透明导电结构的非出光区之上；其中：所述透明导电结构包括：第一透明导电层，形成于所述电流阻挡层之上，其图案与所述电流阻挡层的图案对应；第二透明导电层，披覆于第一透明导电层及电流阻挡层之上并延伸至所述发光外延层的表面，且第二透明导电层的下表面面积大于电流阻挡层的上表面面积。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明导电层与P电极的接触的表面为粗糙面。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明导电层的厚度为300~5000Å。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明导电层的厚度为300~5000Å。
5.发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一衬底，在其外延生长发光外延层，从下至上依次沉积第一限制层、发光层和第二限制层；
2）在发光外延层的局部区域形成电流阻挡层；
3）在所述电流阻挡层之上制作透明导电结构，并延伸至所述发光外延层的表面，其中与电流阻挡层相当的区域为非出光区，直接与发光外延层接触的区域为出光区，非出光区的厚度大于出光区的厚度，该透明导电结构保证电流扩展性，降低工作电压且减少对光的吸收；
4）在所述透明导电结构的非出光区之上制作P电极；
其中所述步骤3）具体包括：
在所述电流阻挡层上形成第一透明导电层；
在所述第一透明导电层上形成第二透明导电层，并延伸至所述发光外延层的表面；
从而构成透明导电结构，其中非出光区包括第一、第二透明导电层，出光区不包括第一透明导电层。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的制作方法，在所述步骤3中，采用蒸镀沉积法形成第一透明导电层，采用磁控溅射法形成第二透明导电层，其在所述第二透明导电层与P电极接触的表面形成粗糙结构。
7.根据权利要求5所述的发光二极管的制作方法，在所述步骤3中，采用磁控溅射法形成第一透明导电层，采用蒸镀沉积法形成第二透明导电层，其在所述第二透明导电层与P电极接触的表面形成粗糙结构。
8.根据权利要求5所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一透明导电层的厚度为300~5000Å。
9.根据权利要求5所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第二透明导电层的厚度为300~5000Å。
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