CN103515503B - 一种垂直结构发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直结构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层及第一透明导电层，然后刻蚀出多个孔道并制备绝缘侧壁，同时在第一透明导电层上制备绝缘层，接着于各孔道填充电极材料使其与N‑GaN层形成欧姆接触并同时于所述绝缘层上形成电极材料层，然后将所述电极材料层与导电支撑衬底进行键合，导电支撑衬底为芯片的N电极部分，剥离半导体衬底，从N‑GaN层开始刻蚀至所述第一透明导电层，最后制备P电极以完成制备。本发明将通常的垂直结构异侧电极制作在芯片的同侧，简化工艺；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。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，特别是涉及一种垂直结构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。
现有的垂直结构的发光二极管的制造工艺，一般于蓝宝石衬底上制备依次层叠于所述蓝宝石衬底上的N-GaN层、量子阱层、P-GaN层及透明导电层，然后键合透明导电层及支撑衬底并剥离所述蓝宝石衬底，最后于N-GaN层上制备线状的N电极。这种结构的发光二极管其P、N电极位于芯片的异侧，制备工艺较复杂，而且线状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电极形状的限制，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垂直结构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垂直结构发光二极管及其制造方法，用于解决现有技术中异侧电极制备工艺复杂、线状N电极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，本发明提供一种垂直结构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层及第一透明导电层；2）刻蚀所述第一透明导电层、P-GaN层及量子阱层，形成从所述第一透明导电层贯穿至所述N-GaN层的间隔排列的多个孔道；3）于各该孔道的内壁形成绝缘侧壁，并于所述第一透明导电层表面形成绝缘层；4）于各该孔道内填充电极材料并同时于所述绝缘层表面形成电极材料层，并使该电极材料与所述N-GaN层形成欧姆接触，形成N电极；5）提供一表面具有电极层的支撑衬底，键合所述电极材料层及所述电极层；6）剥离所述半导体衬底；7）刻蚀所述N-GaN层、量子阱层及P-GaN层以露出部分的第一透明导电层，并于该第一透明导电层上制备P电极，以完成所述垂直结构发光二极管的制造。
在本发明的垂直结构发光二极管的制造方法所述步骤2）中，采用感应耦合等离子体刻蚀法ICP对所述第一透明导电层、P-GaN层及量子阱层进行刻蚀以形成所述的多个孔道。
在本发明的垂直结构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。
在本发明的垂直结构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。
在本发明的垂直结构发光二极管的制造方法中，所述绝缘侧壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，所述绝缘侧壁及绝缘层的厚度均为50~500nm。
在本发明的垂直结构发光二极管的制造方法中，所述第一透明导电及电极材料层的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。
在本发明的垂直结构发光二极管的制造方法中，所述电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
在本发明的垂直结构发光二极管的制造方法中，所述电极层为金属反射层，其材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
本发明还提供一种垂直结构发光二极管，至少包括：支撑衬底；电极层，结合于所述支撑衬底表面；依次层叠于所述电极层上的电极材料层、绝缘层、第一透明导电层、P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，其中，所述第一透明导电层上具有P电极制备区域；多个具有绝缘侧壁的孔道，各该孔道贯穿所述量子阱层、P-GaN层、第一透明导电层及绝缘层，且各该孔道内填充有电极材料，所述电极材料，一端与所述N-GaN层电性连接，另一端与所述电极材料层电性连接；P电极，形成于所述P电极制备区域表面。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述多个具有绝缘侧壁的孔道呈直线、曲线、矩形、正方形排列、或具有位错的平行线状排列。
在本发明的垂直结构发光二极管中，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。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述绝缘侧壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，所述绝缘侧壁及绝缘层的厚度均为50~500nm。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述第一透明导电层的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述电极材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述电极层为金属反射层，其材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
如上所述，本发明的垂直结构发光二极管及其制造方法，具有以下有益效果：本发明提供垂直结构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层及第一透明导电层，然后刻蚀出多个孔道并制备绝缘侧壁，同时在第一透明导电层上制备绝缘层，接着于各孔道填充电极材料使其与N-GaN层形成欧姆接触并同时于所述绝缘层上形成电极材料层，然后将所述电极材料层与导电支撑衬底进行键合，导电支撑衬底为芯片的N电极部分，剥离半导体衬底，从N-GaN层开始刻蚀至所述第一透明导电层，最后制备P电极以完成制备。本发明将通常的垂直结构异侧电极制作在芯片的同侧，简化工艺；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显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图2a~图2d显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图3显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤3）所呈现的结构示意图。
图4显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤4）所呈现的结构示意图。
图5显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤5）所呈现的结构示意图。
图6显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤6）所呈现的结构示意图。
图7显示为本发明的垂直结构发光二极管的制造方法步骤7）所呈现的结构示意图。
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 电极材料层
108 绝缘侧壁
109 电极材料
110 电极层
111 支撑衬底
112 孔道
113 P电极
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7。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7所示，本发明提供一种垂直结构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及第一透明导电层105。
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。最后在所述P-GaN层104上形成第一透明导电层105，所述第一透明导电层105的的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。在本实施例中，所述第一透明导电层105为ITO层。
如图2a~图2d所示，然后进行步骤2），刻蚀所述第一透明导电层105、P-GaN层104及量子阱层103，形成从所述第一透明导电层105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对所述第一透明导电层105、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3所示，接着进行步骤3），于各该孔道112的内壁形成绝缘侧壁108，并于所述第一透明导电层105表面形成绝缘层106。
在本实施例中，采用化学气相沉积法于所述孔道112内壁形成绝缘侧壁108，同时在所述第一透明导电层105表面形成绝缘层106。所述绝缘侧壁108及绝缘层106为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，所述绝缘侧壁108及绝缘层106的厚度均为50~500nm。在本实施例中，所述绝缘侧壁108及绝缘层106为SiO2层，厚度均为200nm。
如图4所示，接着进行步骤4），于各该孔道112内填充电极材料109并同时于所述绝缘层106表面形成电极材料层107，并使该电极材料与所述N-GaN层形成欧姆接触，形成N电极。
采用沉积的方式于所述孔道112内填充电极材料109并同时于所述绝缘层106表面形成电极材料层107，所述电极材料109为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag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5所示，接着进行步骤5），提供一表面具有电极层110的支撑衬底111，键合所述电极材料层107及所述电极层110。
所述电极层110为金属反射层，其材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。在本实施例中，所述电极层110为Au。所述支撑衬底为导热性良好的支撑结构，在本实施例中，所示支撑衬底111采用Si，当然，在其它的实施例中，所述支撑衬底111可以为Al等。然后键合所述电极材料层107及所述电极层110，以支撑芯片结构。
如图6所示，接着进行步骤6），剥离所述半导体衬底101。在本实施例中，采用激光剥离技术剥离所述半导体衬底101。
如图7所示，最后进行步骤7），刻蚀所述N-GaN层102、量子阱层103及P-GaN层104以露出部分的第一透明导电层105，并于该露出部分的第一透明导电层105上制备P电极113，以完成所述垂直结构发光二极管的制造。
在本实施例中，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述N-GaN层102、量子阱层103及P-GaN层104以露出部分的第一透明导电层105，并于该露出部分的第一透明导电层105上制备P电极113，所述P电极为Au，以完成所述垂直结构发光二极管的制造。
本实施例还提供一种垂直结构发光二极管，至少包括：支撑衬底111；电极层110，结合于所述支撑衬底111表面；依次层叠于所述电极层上的电极材料层107、绝缘层106、第一透明导电层105、P-GaN层104、量子阱层103及N-GaN层102，其中，所述第一透明导电层105上具有P电极制备区域；多个具有绝缘侧壁108的孔道，各该孔道贯穿所述量子阱层103、P-GaN层104、第一透明导电层105及绝缘层106，且各该孔道内填充有电极材料109，所述电极材料109，一端与所述N-GaN层102电性连接，另一端与所述电极材料层107电性连接；P电极112，形成于所述P电极制备区域表面。
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。
所述多个具有绝缘侧壁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。
所述绝缘侧壁108及绝缘层106为SiO2层、Si3N4层或SiO2与Si3N4复合层，所述绝缘侧壁108及绝缘层106的厚度均为50~500nm。在本实施例中，所述绝缘侧壁108及绝缘层106为SiO2层，厚度均为200nm。
所述第一透明导电105及的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。所述电极材料109为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。在本实施例中，所述第一透明导电层107的材料为ITO层，所述电极材料109为Au。
在本发明的垂直结构发光二极管中，所述电极层110为金属反射层，其材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
综上所述，本发明的垂直结构发光二极管及其制造方法，本发明提供垂直结构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层及第一透明导电层，然后刻蚀出多个孔道并制备绝缘侧壁，同时在第一透明导电层上制备绝缘层，接着于各孔道填充电极材料使其与N-GaN层形成欧姆接触并同时于所述绝缘层上形成电极材料层，然后将所述电极材料层与导电支撑衬底进行键合，导电支撑衬底为芯片的N电极部分，剥离半导体衬底，从N-GaN层开始刻蚀至所述第一透明导电层，最后制备P电极以完成制备。本发明将通常的垂直结构异侧电极制作在芯片的同侧，简化工艺；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 (8)
1.一种垂直结构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以下步骤：
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层及第一透明导电层；
2)刻蚀所述第一透明导电层、P-GaN层及量子阱层，形成从所述第一透明导电层贯穿至所述N-GaN层的间隔排列的多个孔道；
3)于各该孔道的内壁形成绝缘侧壁，并于所述第一透明导电层表面形成绝缘层；
4)于各该孔道内填充电极材料并同时于所述绝缘层表面形成电极材料层，并使该电极材料与所述N-GaN层形成欧姆接触，形成N电极；
5)提供一表面具有电极层的支撑衬底，键合所述电极材料层及所述电极层；
6)剥离所述半导体衬底；
7)刻蚀所述N-GaN层、量子阱层及P-GaN层以露出部分的第一透明导电层，并于该第一透明导电层上制备P电极，以完成所述垂直结构发光二极管的制造。
2.根据权利要求1所述的垂直结构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对所述第一透明导电层、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所述的垂直结构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所述的垂直结构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所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于：所述绝缘侧壁及绝缘层为SiO2层、Si3N4层、或SiO2与Si3N4复合层，所述绝缘侧壁及绝缘层的厚度均为50～500nm。
6.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于：所述第一透明导电的材料为ITO、ATO、FTO、或AZO。
7.根据权利要求1所述的垂直结构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、Ag或上述任意组合的合金材料。
8.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于：所述电极层为金属反射层，其材料为Au、Pt、Ti、Al、Cu、Ag或上述任意组合的合金材料。
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