CN103311391A - 发光二极管晶粒及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管晶粒，包括基板以及形成在基板上的电学层，所述基板和电学层之间形成过渡层，所述过渡层包括表面平整的平整区和表面粗糙的图案区，所述电学层与过渡层的平整区表面接触且所述电学层与过渡层之间夹设有球形氮化铝，所述电学层与过渡层的图案区之间形成间隙。本发明通过在电学层与基板之间先形成具有粗糙表面的过渡层，进而在该过渡层与该电学层间形成球形氮化铝，该氮化铝与该粗糙表面相匹配并与该电学层之间形成间隙，可提高发光层发出的朝向基板的光线经全反射向上出射的几率，从而提高发光二极管晶粒的出光效率。本发明还涉及一种该发光二极管晶粒的制造方法。

Description

发光二极管晶粒及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管晶粒及其制作方法，尤其涉及一种具有高出光效率的发光二极管晶粒及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。发光二极管以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可作为光源而广泛应用于照明领域。
现有的发光二极管晶粒通常包括基板以及在基板表面生长的半导体发光结构。然而上述结构存在以下问题：半导体发光结构所发出的朝向基板一侧的光线在进入基板后，会被基板所吸收，从而降低发光二极管晶粒的出光效率。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种具有较高出光效率的发光二极管晶粒及其制作方法。
一种发光二极管晶粒，包括基板以及形成在基板上的电学层，所述基板和电学层之间形成过渡层，所述过渡层包括表面平整的平整区和表面粗糙的图案区，所述电学层与过渡层的平整区表面接触且所述电学层与过渡层之间夹设有球形氮化铝，所述电学层与过渡层的图案区之间形成间隙。
一种发光二极管晶粒的制作方法，其包括以下步骤：
提供一基板；在基板上磊晶形成过渡层，所述过渡层包括表面平整的平整区及表面粗糙的图案区；在该过渡层的上表面形成铝膜；对铝膜用氨气做氮化处理，使铝膜和氨气在高温下反应形成氮化铝，并在所述过渡层的平整区表面形成球形氮化铝；在形成有氮化铝的过渡层表面上生长电学层，使所述电学层与过渡层的平整区表面接触且所述电学层与过渡层之间夹设该球形氮化铝，使电学层与过渡层的图案区之间形成间隙。
本发明通过在电学层与基板之间先形成具有粗糙表面的过渡层，进而在该过渡层与该电学层间形成球形氮化铝，该氮化铝与该粗糙表面相匹配并与该电学层之间形成间隙，可提高发光层发出的朝向基板的光线经全反射向上出射的几率，从而提高发光二极管晶粒的出光效率。
附图说明
图1为本发明的发光二极管晶粒的示意图。
图2为本发明的发光二极管晶粒的制作方法步骤一和步骤二所提供的基板和过渡层的示意图。
图3为本发明的发光二极管晶粒的制作方法步骤三所得到的发光二极管晶粒的示意图。
图4为本发明的发光二极管晶粒的制作方法步骤三及步骤四的示意图。
图5为本发明的发光二极管晶粒的制作方法经步骤三和步骤四所得到的发光二极管晶粒的示意图。
图6为本发明的发光二极管晶粒的制作方法步骤五所得到的发光二极管晶粒的示意图。
图7为图6所示发光二极管晶粒的局部放大图。
图8为本发明的发光二极管晶粒的制作方法步骤六所得到的发光二极管晶粒的示意图。
主要元件符号说明
发光二极管晶粒 100
基板 10
缓冲层 20
第一过渡层 30
第二过渡层 40
氮化铝 50
电学层 60
平整区 41
图案区 42
沟槽 43
间隙 51
第一半导体层 61
发光层 62
第二半导体层 63
第一P型层 631
第二P型层 632
第一电极 70
第二电极 71
铝膜 80
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
如图1所示，为本发明第一实施例提供的发光二极管晶粒100，其包括：一基板10、形成在该基板10上的一缓冲层20、形成在该缓冲层20上的过渡层、形成在该过渡层上的氮化铝50、及形成在该过渡层上且覆盖该氮化铝50的一电学层60。
所述基板10呈规则的平板状，其可由蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)或氮化镓(GaN)等材料制成，本实施例中优选为蓝宝石，以控制发光芯片的制造成本。
所述过渡层包括一第一过渡层30及形成在该第一过渡层30上的一第二过渡层40。所述缓冲层20、第一过渡层30及第二过渡层40可通过有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)或氢化物气相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)等方式依次生长于基板10表面。本实施例中，第一过渡层30及第二过渡层40均为未掺杂的氮化镓，具体的，所述第一过渡层30在1000度至1200度的温度环境下生长而成，优选的温度为1150度，此时其上表面呈现光滑平整状态；所述第二过渡层40在700度至900度的温度环境下生长而成，优选温度为850度，此时其上表面形成粗糙结构，该粗糙结构包括平整区41和图案区42（见图2），所述图案区42包括若干突起，相邻突起间形成沟槽43。
所述氮化铝50位于该第二过渡层40的上表面。具体的，部分氮化铝50呈球形并位于所述平整区41上，部分氮化铝50填设于所述图案区42的若干沟槽43中而与沟槽43的形状一致。所述氮化铝50自第二过渡层40的上表面向上延伸，该填设于该沟槽43中的氮化铝50与该电学层60之间形成有间隙53。
电学层60也可以通过机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)或氢化物气相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)等方式生长于第二过渡层40表面。电学层60包括依次生长在第二过渡层40上的第一半导体层61、发光层62、第二半导体层63。第一半导体层61的上表面未被发光层62以及第二半导体层63完全覆盖而部分裸露在外。本实施例中第一半导体层61优选为N型氮化镓层，发光层62优选为多重量子阱(muti-quantum well)层，第二半导体层63优选为P型氮化镓层。本实施例中，所述第二半导体层63包括自发光层的上表面向上生长的第一P型层631和自该第一P型层631上表面向上生长的第二P型层632，优选地，该第一P型层631由P型氮化铝镓(AlGaN)组成；该第二P型层632由P型氮化镓(GaN)组成。
发光二极管晶粒100还包括第一电极70和第二电极71，该第一电极70形成在第一半导体层61外露的表面上，该第二电极71形成在第二半导体层63的顶面上。第一电极70和第二电极71可利用真空蒸镀或溅镀的方法形成。为确保电流均匀地从第二电极71输入第二半导体层63内部，还可在第二电极71与第二半导体层63之间形成一透明导电层(图未示)。该透明导电层可采用氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等材料制作，优选采用氧化铟锡，以降低对出光造成的阻碍。
以下，将结合其他附图对本发明上述发光二极管晶粒100的制造方法进行详细说明。
请参阅图2，首先提供一基板10。基板可由蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)等材料制成，本实施例中优选为蓝宝石。
在基板10上依次磊晶形成缓冲层20、第一过渡层30及第二过渡层40。该缓冲层20、第一过渡层30及第二过渡层40可通过有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)或氢化物气相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)等方式生长于基板10表面。本实施例中，第一过渡层30及第二过渡层40均为未掺杂的氮化镓。具体的，所述第一过渡层30在1000度至1200度的温度环境下成长而成，优选温度为1150度，此时其上表面呈现光滑平整状态。所述第二过渡层40在700度至900度的温度环境下成长而成，优选温度为850度，此时其上表面形成参差状的粗糙结构，该粗糙结构包括平整区41和图案区42，所述图案区42包括若干突起，相邻突起间形成沟槽43。
请参阅图3，在第二过渡层40的表面镀上一层铝膜80，本实施例中，铝膜80是采用蒸镀的方式形成，该蒸镀而成的铝膜厚度为500A。
请参阅图4和图5，采用金属有机气相沉积方法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）在铝膜的表面做氮化处理。本实施例中在约700度温度下对铝膜做氮化处理，当温度加热到铝的熔点（660度）时，位于平整区41上的铝膜80熔化并因热聚集而形成球形颗粒，位于图案区42上的铝膜80熔化后填充至沟槽43内；当温度到达700度时，在基板10的表面注入氨气（NH3）（如图4中箭头所指），此时氨气（NH3）与熔融态的铝在高温下反应形成氮化铝（AlN）50。如此，位于该平整区的氮化铝50呈球形，其直径约为50-100nm，位于该图案区42的沟槽43中的氮化铝50填充在沟槽43底部而并未填满该沟槽43，以于该图案区42与电学层60之间形成若干间隙51。
进一步的，在1150度（优选）的温度环境下继续生长第一半导体层61。在第二过渡层40上表面磊晶生长第一半导体层61时，位于平整区41与图案区42的交界处的磊晶颗粒会因侧向增长的原因而横跨过沟槽43顶部，使得第一半导体层61与位于沟槽43底部且未填满沟槽43的氮化铝50之间留有间隙51，此时第二过渡层40与该第一半导体层61之间的错位密度降低，从而减低第一半导体层61的缺陷密度。
请参阅图6至图8，采用金属有机气相沉积方法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)或氢化物气相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)等方式在第一半导体层61上继续生长发光层62及第二半导体层63。本实施例中第一半导体层61优选为N型氮化镓层，发光层62优选为多重量子阱(muti-quantum well)层，第二半导体层63优选为P型氮化镓层。本实施例中，所述第二半导体层包括自发光层的上表面向上生长的第一P型层631和自该第一P型层631上表面向上生长的第二P型层632，优选地，该第一P型层631可以由P型氮化铝镓(AlGaN)组成；该第二P型层632可以由P型氮化镓(GaN)组成。
请再次参阅图1，移除电学层60的左侧区域以局部外露第一半导体层61的表面，分别在外露的第一半导体层61的表面和第二半导体层63顶面上形成第一电极70和第二电极71。第一电极70和第二电极71可利用真空蒸镀或溅镀的方法形成。第一电极70和第二电极71的制作材料可以是钛（Ti）、铝（Al）、银（Ag）、镍（Ni）、钨（W）、铜（Cu）、钯（Pd）、铬（Cr）和金（Au）中的任意之一者或其合金。为确保电流均匀地从第二电极71输入第二半导体层63内部，在制作第二电极71之前还可在第二半导体层63顶面形成一透明导电层(图未示)。该透明导电层可采用氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等材料制作，优选采用氧化铟锡，以降低对出光造成的阻碍。
当在第一电极70和第二电极71两端施加正向电压时，第二P型层632中的空穴和第一半导体层61中的电子将在电场的作用下在发光层62中复合，能量以光线的形式释放。
发光层62发出的朝向基板10的光线传输向平整区41表面的球形氮化铝50上时，由于球形氮化铝50的表面呈倾斜形状，其增大了光线在球形氮化铝50表面的入射角。因此，发光层62所发出的光线射到球形氮化铝50的表面时较易发生全反射，然后反转向上，继而从第二P型层632的表面出射。
发光层62发出的朝向基板10的光线传输向图案区42时，由于填充在沟槽43底部的氮化铝50与所述第一半导体层61之间形成有间隙51并且氮化镓的折射率(2.4)与空气的折射率(1.0)差异较大，使得发光层62所发出的光线射到第一半导体层61和空气的临界面时较易发生全反射，然后反转向上，继而从第二P型层632的表面出射。
也就是，位于第一半导体层61与基板10之间的若干球形氮化铝50及位于沟槽43中的间隙51交叉结合，一方面可提高发光层62发出的朝向基板10的光线经全反射向上出射的几率，从而提高发光二极管晶粒100的出光效率，同时又可增强反射区域密度的均匀度。
本发明通过在第一半导体层61与基板10之间先形成具有粗糙表面的第二过渡层40，进而在该第二过渡层40与该第一半导体层61间形成氮化铝50，该氮化铝50与该粗糙表面相匹配并与该第一半导体层61之间形成间隙51，可提高发光层62发出的朝向基板10的光线经全反射向上出射的几率，从而提高发光二极管晶粒100的出光效率。
应该指出，上述实施方式仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种发光二极管晶粒，包括基板以及形成在基板上的电学层，其特征在于：所述基板和电学层之间形成过渡层，所述过渡层包括表面平整的平整区和表面粗糙的图案区，所述电学层与过渡层的平整区表面接触且所述电学层与过渡层之间夹设有球形氮化铝，所述电学层与过渡层的图案区之间形成间隙。
2.如权利要求1所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述图案区与平整区均为若干且交替排列，所述图案区包括若干沟槽。
3.如权利要求2所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述沟槽中填设有所述氮化铝，所述间隙形成于所述沟槽中的氮化铝与电学层之间。
4.如权利要求1所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述过渡层包括第一过渡层和设于该第一过渡层表面的第二过渡层，所述平整区及图案区形成于该第二过渡层的上表面。
5.如权利要求4所述的发光二极管晶粒，其特征在于：还包括一缓冲层，所述缓冲层形成于该基板的上表面，所述第一过渡层形成于该缓冲层的上表面。
6.如权利要求4所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第一过渡层和第二过渡层均为未掺杂的氮化镓或N型氮化镓材料制成。
7.如权利要求4所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述电学层包括依次生长在基板上的第一半导体层、发光层及第二半导体层，所述间隙形成于所述电学层的第一半导体层与过渡层的图案区之间。
8.一种发光二极管晶粒的制作方法，其包括以下步骤：
提供一基板；
在基板上磊晶形成过渡层，所述过渡层包括表面平整的平整区及表面粗糙的图案区；
在该过渡层的上表面形成铝膜；
对铝膜用氨气做氮化处理，使铝膜和氨气在高温下反应形成氮化铝，并在所述过渡层的平整区表面形成球形氮化铝；
在形成有氮化铝的过渡层表面上生长电学层，使所述电学层与过渡层的平整区表面接触且所述电学层与过渡层之间夹设该球形氮化铝，使电学层与过渡层的图案区之间形成间隙。
9.如权利要求8所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：该电学层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，该方法还包括分别在第一半导体层和第二半导体层表面上形成第一电极和第二电极的步骤。
10.如权利要求8所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述过渡层包括第一过渡层和设于该第一过渡层表面的第二过渡层，所述平整区及图案区形成于该第二过渡层的上表面。
11.如权利要求10所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述第一过渡层在1000度至1200度的温度范围内形成，所述第二过渡层在750度至900度的的温度范围内形成。
12.如权利要求10所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述电学层生长的温度环境为1000度至1200度。
13.如权利要求8所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述铝膜的厚度为500A。
14.如权利要求8所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述过渡层的图案区与平整区均为若干且交替排列，所述图案区包括若干沟槽。
15.如权利要求14所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于：所述沟槽中填设有所述氮化铝，所述间隙形成于所述沟槽中的氮化铝与电学层之间。
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