CN103515490B - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制造方法，于半导体衬底上依次形成N‑GaN层、量子阱层、P‑GaN层，然后刻蚀出多个直至N‑GaN层的孔道并制备绝缘内壁，同时在所述P‑GaN层上制备绝缘层，并刻蚀出桥接各该孔道的绝缘结构，接着对所述孔道填充电极材料使其与N‑GaN层形成欧姆接触，于所述绝缘结构的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P‑GaN层表面形成厚度小于所述绝缘结构厚度的透明导电层，以完成制备。本发明采用点状的N电极代替传统的线状N电极，有效的增加了发光二极管的亮度，点状电极有利于大电流下芯片电流的扩散，使电流密度分布更均匀，有效的提高了发光二极管的发光效率，并提高了发光二极管的寿命。本发明制作工艺简单，效果显著，适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。
现有的正装结构的发光二极管，一般包括蓝宝石衬底、依次层叠于所述蓝宝石衬底上的N-GaN层、量子阱层、P-GaN层，然后需刻蚀掉部分的量子阱层、P-GaN层形成用于制备N电极的平台，然后在此平台上制备线状的N电极。这种N电极的制备工艺容易造成芯片有效发光面积的损失，降低了芯片的发光亮度。而且，由于N电极位置的限制，在较大的电流下，电流在芯片的分布密度往往不均匀而影响芯片的发光效率和发光二极管的寿命。
因此，提供一种具有新型电极结构的发光二极管实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，用于解决现有技术中的制备线状N电极而导致发光二极管发光亮度降低、电流密度分布不均匀，从而造成发光二极管发光效率降低和寿命缩短的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管的制造方法，所述制作方法至少包括步骤：1)提供一半导体衬底，于所述半导体衬底上依次形成N-GaN层、量子阱层、P-GaN层；2)刻蚀所述P-GaN层及量子阱层，形成从所述P-GaN层贯穿至所述N-GaN层的间隔排列的多个孔道；3)于所述孔道的内壁形成绝缘内壁，并同时于所述P-GaN层表面形成绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成桥接各该孔道的绝缘结构；4)于所述孔道内填充电极材料，并使该电极材料与所述N-GaN层形成欧姆接触；5)于所述绝缘结构的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P-GaN层表面形成透明导电层，所述透明导电层的厚度小于所述绝缘结构的厚度，以绝缘隔离所述绝缘结构上表面的透明导电层与所述P-GaN层表面的透明导电层，以完成所述发光二极管的制造。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一个优选方案，所述步骤2)中，采用感应耦合等离子体刻蚀法ICP对所P-GaN层及量子阱层进行刻蚀以形成所述的多个孔道。
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述间隔排列的多个孔道呈直线、曲线、矩形、正方形排列、或具有位错的平行线状排列。
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述孔道的截面为圆形、椭圆形、圆角的矩形或圆角的正方形。
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述绝缘内壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，厚度为50～500nm。
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述透明导电层的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu或上述任意组合的合金材料。
本发明还提供一种发光二极管，至少包括：半导体衬底；依次层叠于所述半导体衬底上的N-GaN层、量子阱层、P-GaN层；多个孔道，各该孔道贯穿所述P-GaN层及量子阱层；绝缘结构，包括结合于各该孔道内壁的绝缘内壁、以及结合于所述P-GaN层表面且桥接各该绝缘内壁的绝缘层，各该绝缘内壁内填充有电极材料，且所述电极材料与所述N-GaN层电性连接；第一透明导电层，结合于所述绝缘层表面且与各该孔道内的电极材料电性连接；第二透明导电层，结合于所述P-GaN层表面，且其厚度小于所述绝缘层的厚度。
作为本发明的发光二极管的一个优选方案，所述多个具有绝缘内壁的孔道呈直线、曲线、矩形、正方形排列、或具有位错的平行线状排列。
作为本发明的发光二极管的一个优选方案，所述孔道的截面为圆形、椭圆形、圆角的矩形或圆角的正方形。
在本发明的发光二极管中，所述绝缘内壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，厚度为50～500nm。
在本发明的发光二极管中，所述第一透明导电及第二透明导电层的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。
在本发明的发光二极管中，所述电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu或上述任意组合的合金材料。
如上所述，本发明的发光二极管及其制造方法，具有以下有益效果：于半导体衬底上依次形成N-GaN层、量子阱层、P-GaN层，然后刻蚀出多个直至N-GaN层的孔道并制备绝缘内壁，同时在所述P-GaN层上制备绝缘层，并刻蚀出桥接各该孔道的绝缘结构，接着对所述孔道填充电极材料使其与N-GaN层形成欧姆接触，于所述绝缘结构的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P-GaN层表面形成厚度小于所述绝缘结构厚度的透明导电层，以完成制备。本发明采用点状的N电极代替传统的线状N电极，有效的增加了发光二极管的亮度，点状电极有利于大电流下芯片电流的扩散，使电流密度分布更均匀，有效的提高了发光二极管的发光效率，并提高了发光二极管的寿命。本发明制作工艺简单，效果显著，适用于工业生产。
附图说明
图1显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤1)所呈现的剖面结构示意图。
图2a～图2d显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤2)所呈现的剖面结构与平面结构示意图。
图3a～图4b显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤3)所呈现的剖面结构示意图。
图5显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤4)所呈现的剖面结构示意图。
图6显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤5)所呈现的剖面结构示意图。
元件标号说明
101 半导体衬底
102 N-GaN层
103 量子阱层
104 P-GaN层
105 第一透明导电层
106 绝缘层
107 第二透明导电层
108 绝缘内壁
109 电极材料
110 绝缘结构
112 孔道
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图6所示，本发明提供一种发光二极管的制造方法，所述制作方法至少包括步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一半导体衬底101，于所述半导体衬底101上依次形成N-GaN层102、量子阱层103、P-GaN层104。
所述半导体衬底101为蓝宝石衬底或图形蓝宝石衬底。在本实施例中，所述半导体衬底101为蓝宝石衬底。当然，在其它的实施例中，所述半导体衬底101可能为Si衬底或SiC衬底等。然后以(CH3)3Ga、NH3、SiH4为反应原料，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述蓝宝石衬底上生长N-GaN层102；以(CH3)3In、(CH3)3Ga、NH3为反应原料，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述N-GaN层102上生长InGaN/GaN量子阱层103；以(CH3)3Ga、NH3、Mg(C5H5)2为反应原料，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述的InGaN/GaN量子阱层103上生长P-GaN层104，以形成所述的发光外延结构。当然，生长方式可采用普通的二维生长法或者悬空生长法，可根据需要可以选择更多不同的生长方式。
如图2a～图2d所示，然后进行步骤2)，刻蚀所述P-GaN层104及量子阱层103，形成从所述P-GaN层104贯穿至所述N-GaN层102的间隔排列的多个孔道112。
具体地，采用感应耦合等离子体刻蚀法ICP对所述P-GaN层104及量子阱层103进行刻蚀以形成所述的多个孔道112。所述间隔排列的多个孔道112呈直线(如图2b所示)、曲线(未予图示)、矩形(如图2c所示)、正方形、或具有位错的平行线状排列(如图2d所示)。在本实施例中，所述多个孔道112呈矩形排列。所述孔道112的截面为圆形、椭圆形、圆角的矩形或圆角的正方形。在本实施例中，所述孔道112的截面为圆形。
如图3a～4b所示，接着进行步骤3)，于所述孔道112的内壁形成绝缘内壁108，并同时于所述P-GaN层104表面形成绝缘层106，刻蚀所述绝缘层106，形成桥接各该孔道的绝缘结构110。
在本实施例中，采用化学气相沉积法于所述孔道112内壁形成绝缘内壁108，同时在所述P-GaN层104表面形成绝缘层106。所述绝缘内壁108及绝缘层106为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，厚度为50～500nm。在本实施例中，所述绝缘内壁108及绝缘层106为SiO2层，厚度为200nm。接着采用感应耦合等离子体刻蚀法ICP刻蚀所述绝缘层106，形成桥接各该孔道的绝缘结构110，其结构如图4b所示。
如图5所示，接着进行步骤4)，于所述孔道112内填充电极材料109，并使该电极材料109与所述N-GaN层102形成欧姆接触。
采用蒸镀的方式于所述孔道112内填充电极材料109，所述电极材料109为Au、Pt、Ti、Al、Cu或上述任意组合的合金材料。在本实施例中，所述电极材料109为Au。填充电极材料109后，对所得结构进行退火，以使所述电极材料109与所述N-GaN层102形成欧姆接触。
如图6所示，接着进行步骤5)，于所述绝缘结构110的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P-GaN层104表面形成透明导电层107及105，所述透明导电层107及105的厚度小于所述绝缘结构110的厚度，以绝缘隔离所述绝缘结构110上表面的透明导电层107与所述P-GaN层104表面的透明导电层105，以完成所述发光二极管的制造。
所述透明导电层107及105的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。在本实施例中，所述透明导电层107及105为ITO层。所述透明导电层107及105的厚度小于所述绝缘结构110的厚度，因此可以使所述绝缘结构110上表面的透明导电层107与所述P-GaN层104表面的透明导电层105隔离，以绝缘所述绝缘结构110上表面的透明导电层107与所述P-GaN层104表面的透明导电层105，以完成所述发光二极管的制造。
请参阅图6，本发明还提供一种发光二极管，至少包括：半导体衬底101；依次层叠于所述半导体衬底101上的N-GaN层102、量子阱层103、P-GaN层104；多个孔道112，各该孔道112贯穿所述P-GaN层104及量子阱层103；
绝缘结构110，包括结合于各该孔道112内壁的绝缘内壁108、以及结合于所述P-GaN层104表面且桥接各该绝缘内壁的绝缘层，各该绝缘内壁108内填充有电极材料109，且所述电极材料109与所述N-GaN层102电性连接；
第一透明导电层107，结合于所述绝缘层106表面且与各该孔道112内的电极材料109电性连接；
第二透明导电层105，结合于所述P-GaN层104表面，且其厚度小于所述绝缘层的厚度。
所述半导体衬底101为蓝宝石衬底或图形蓝宝石衬底。在本实施例中，所述半导体衬底101为蓝宝石衬底，当然，在其他的实施例中，所述半导体衬底101也可以为Si衬底或SiC衬底等。
所述多个具有绝缘内壁108的孔道112呈直线、曲线、矩形、正方形排列、或具有位错的平行线状排列。所述孔道112的截面为圆形、椭圆形、圆角的矩形或圆角的正方形。在本实施例中，所述孔道112呈矩形排列，所述孔道112的截面为圆形。
所述绝缘内壁108及绝缘层106为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，厚度为50～500nm。在本实施例中，所述绝缘内壁108及绝缘层106为SiO2层，厚度为200nm。
所述第一透明导电105及第二透明导电层107的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。在本实施例中，所述第一透明导电层105及第二透明导电层107的材料为ITO。
由于所述第二透明导电层105的厚度小于所述绝缘层的厚度，故可以使所述第一透明导电层105与所述第二透明导电层107绝缘隔离。
在本实施例中，所述发光二极管还包括形成于其表面的保护层，用于保护芯片不被氧化和腐蚀。
综上所述，本发明的发光二极管及其制造方法，于半导体衬底上依次形成N-GaN层、量子阱层、P-GaN层，然后刻蚀出多个直至N-GaN层的孔道并制备绝缘内壁，同时在所述P-GaN层上制备绝缘层，并刻蚀出桥接各该孔道的绝缘结构，接着对所述孔道填充电极材料使其与N-GaN层形成欧姆接触，于所述绝缘结构的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P-GaN层表面形成厚度小于所述绝缘结构厚度的透明导电层，以完成制备。本发明采用点状的N电极代替传统的线状N电极，有效的增加了发光二极管的亮度，点状电极有利于大电流下芯片电流的扩散，使电流密度分布更均匀，有效的提高了发光二极管的发光效率，并提高了发光二极管的寿命。本发明制作工艺简单，效果显著，适用于工业生产。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括步骤：
1)提供一半导体衬底，于所述半导体衬底上依次形成N-GaN层、量子阱层、P-GaN层；
2)刻蚀所述P-GaN层及量子阱层，形成从所述P-GaN层贯穿至所述N-GaN层的间隔排列的多个孔道；
3)于所述孔道的内壁形成绝缘内壁，并同时于所述P-GaN层表面形成绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成桥接各该孔道的绝缘结构；
4)于所述孔道内填充电极材料，并使该电极材料与所述N-GaN层形成欧姆接触；
5)于所述绝缘结构的上表面及没被所述绝缘结构覆盖的P-GaN层表面形成透明导电层，所述透明导电层的厚度小于所述绝缘结构的厚度，以绝缘隔离所述绝缘结构上表面的透明导电层与所述P-GaN层表面的透明导电层，以完成所述发光二极管的制造。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用感应耦合等离子体刻蚀法ICP对所述P-GaN层及量子阱层进行刻蚀以形成所述的多个孔道。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述间隔排列的多个孔道呈直线、曲线、矩形排列、或具有位错的平行线状排列。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述孔道的截面为圆形、椭圆形或圆角的矩形。
5.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述绝缘内壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，厚度分别为50～500nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述透明导电层的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。
7.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu或上述任意组合的合金材料。
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