CN104103722B - 发光二极管晶粒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管晶粒，包括：基板；形成在基板上的未掺杂GaN层，所述未掺杂GaN层中形成有空气间隙，所述空气间隙与覆盖于其上的未掺杂GaN层共同组成多层布拉格反射层；以及依次形成在未掺杂GaN层之上的N型GaN层、活性层以及P型GaN层。由于空气间隙与未掺杂GaN层的折射率的差值较大，使到所形成的布拉格反射层的反射率较高，进而提高了发光二极管晶粒的出光效率。本发明还提供了一种发光二极管的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件，尤其涉及一种具有较高出光效率的发光二极管晶粒以及相应的发光二极管的制造方法。
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电半导体元件。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。
发光二极管晶粒通常包括基板，依次形成在基板之上的缓冲层、N型半导体层、活性层、P型半导体层。然而，活性层发出的朝向基板的光线容易被缓冲层以及基板所吸收，从而降低发光二极管晶粒的整体出光效率。为解决光线被基板以及缓冲层吸收的问题，通常在缓冲层与N型半导体层之间设置一层布拉格反射层，用以将活性层发出的朝向基板的光线反射向上，以增加出光效率。所述布拉格反射层通常由多层折射率不同的半导体层交叠而成。由于半导体层之间的折射率差别较小，使得该种结构的布拉格反射层对光线的反射率较低，导致发光二极管晶粒的出光效率提升效果不佳。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可有效提高出光效率的发光二极管及相应的发光二极管的制造方法。
一种发光二极管晶粒，包括：
基板；
形成在基板上的未掺杂GaN层，所述未掺杂GaN层中形成有空气间隙，所述空气间隙与覆盖于其上的未掺杂GaN层共同组成多层布拉格反射层；以及依次形成在未掺杂GaN层之上的N型GaN层、活性层以及P型GaN层。
一种发光二极管晶粒的制造方法，包括：
提供一个基板；
在基板上成长未掺杂GaN层，所述未掺杂GaN层的表面包括相邻设置的第一区域和第二区域；
蚀刻未掺杂GaN层的表面的第一区域以形成多个凹部；
在未掺杂GaN层的凹部底面以及第二区域表面生长半导体叠层，所述半导体叠层包括交替层叠的AlN层与未掺杂GaN层，AlN层位于半导体叠层底部，未掺杂GaN层位于半导体叠层顶部；
蚀刻位于第二区域表面的AlN层以去除AlN层及位于其上的未掺杂GaN层；
在未掺杂GaN层的表面依次成长N型GaN层、活性层以及P型GaN层；
去除位于第一区域的AlN层以在未掺杂GaN层内部形成空气间隙，所述空气间隙与位于其上的未掺杂GaN层形成布拉格反射层；以及
切割所述基板以及形成于其上的半导体层以形成多个发光二极管晶粒。
在上述发光二极管晶粒及发光二极管晶粒的制造方法中，由于空气间隙与未掺杂GaN层之间的折射率差别较大，所形成的布拉格反射层将具有较高的反射率，以将活性层所发出的朝向基板的光线反射向上，从而有效提高发光二极管晶粒的出光效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图2是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第一个步骤。
图3是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第二个步骤。
图4是图3所制备的半导体结构的俯视图。
图5是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第三个步骤。
图6是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第四个步骤。
图7是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第五个步骤。
图8是图7所制备的半导体结构的俯视图。
图9是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第六个步骤。
图10是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第七个步骤。
图11是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第八个步骤。
图12是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第九个步骤。
图13是本发明实施例所提供的发光二极管的制造方法的第十个步骤。
图14是本发明另一实施例所提供的基板以及未掺杂GaN层。
主要元件符号说明
| 发光二极管晶粒 | 100 |
| 基板 | 110 |
| 未掺杂GaN层 | 120 |
| 空气间隙 | 121 |
| 第一区域 | 122 |
| 第二区域 | 123 |
| 凹部 | 124 |
| 半导体叠层 | 125 |
| AlN层 | 1251 |
| 第二未掺杂GaN层 | 1252 |
| SiO2保护层 | 126 |
| N型GaN层 | 130 |
| N型电极 | 131 |
| 活性层 | 140 |
| P型GaN层 | 150 |
| P型电极 | 151 |
| 切割道 | 160 |
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
以下参照图示，对本发明的发光二极管晶粒及发光二极管晶粒的制造方法进行进一步的说明。
请参见图1，本发明实施例提供的发光二极管晶粒100包括基板110，形成在基板110之上的未掺杂GaN层120，依次形成在未掺杂GaN层120之上的N型GaN层130、活性层140以及P型GaN层150。一P型电极151及一N型电极131分别与P型GaN层150及N型GaN层130电连接。
所述基板110可以是蓝宝石基板、硅基板或者是碳化硅基板。在本实施例中，基板110为蓝宝石基板。所述活性层140可以是多量子阱层。
所述未掺杂GaN层120中形成有空气间隙121，所述空气间隙121与覆盖于其上的未掺杂GaN层120共同组成布拉格反射层。在本实施例中，所述空气间隙121的厚度D1满足以下关系：D1=λ/(4n1)，覆盖在空气间隙121之上的未掺杂GaN层120的厚度D2满足以下关系：D2=λ/(4n2)，其中，λ为活性层140所发出光线的峰值波长，n1为空气的折射率，n2为未掺杂GaN层120的折射率。可见，若活性层发出的光线的峰值波长λ为365nm的话，由于空气的折射率n1=1，未掺杂GaN层120的折射率n2=2.48，此时，空气间隙121的厚度D1为91.2nm，覆盖在空气间隙121之上的未掺杂GaN层120的厚度D2为36.7nm。根据需要，所述未掺杂GaN层120中亦可形成多个空气间隙121，所述多个空气间隙121与间隔于其中的多个未掺杂GaN层120共同组成布拉格反射层。
对于布拉格反射器来说，其对光线的反射率R可通过下式计算：
R = [n0(n2)2N- ns(n1)2N]2/[n0(n2)2N+ ns(n1)2N]2
其中n0为起始介质的折射率，ns为终点介质的折射率，n1、n2分别为交替设置在起始介质与终点介质之间的两层不同介质的折射率，N为两层不同介质所重复的对数。
可见，在起始介质的折射率n0与终点介质ns的折射率固定的情况下，n1与n2之间的差别越大，布拉格反射器对光线的反射率就越高。
而在本发明所提供的发光二极管晶粒100中，由于空气的折射率（n1=1）要小于半导体材料的折射率，采用未掺杂GaN层120与空气间隙121所制成布拉格反射器，其对活性层140所发出的光线将具有较高的反射率，从而将活性层140所发出的朝向基板110的光线反射向上，从而提高发光二极管晶粒100的出光效率。同时，从上述反射率计算公式可看出，如果要达到相同的反射率，两层不同介质的折射率n1、n2差别越大，两层不同介质重复的对数N就越小。一般的布拉格反射层需要15到30对折射率不同的材料组合才能达到高反射率。而在本发明的发光二极管晶粒中，由于布拉格反射层由未掺杂GaN层120与空气间隙121制成，其折射率差异很大。因此，只需2-3对即可达到高反射率。可见，在实现布拉格反射层具有相同的反射率的情况下，本发明的发光二极管晶粒100具有叠层数量少，生产更为容易，制造成本更低的优点。
上述的发光二极管晶粒100的制造方法包括以下步骤。
请参见图2，首先提供一个基板110。所述基板110可以是蓝宝石基板、硅基板或者是碳化硅基板。
请参见图3，在基板110上成长未掺杂GaN层120，所述未掺杂GaN层120的表面包括在水平面内交替排布的第一区域122和第二区域123。请一并参见图4，在本实施例中，所述第一区域122和第二区域123为相邻设置的条形区域且布满整个未掺杂GaN层120。
请参见图5，蚀刻未掺杂GaN层120表面的第一区域122以在对应第一区域122的部分形成多个凹部124。在本实施例中，所述凹部124通过等离子蚀刻方法制成。根据需要，所述凹部124的深度由后续所容纳的AlN层1251与第二未掺杂GaN层1252的对数所决定，其应该可以至少容纳一对AlN层1251与第二未掺杂GaN层1252。
请参见图6，在具有凹部124的未掺杂GaN层120的表面生长半导体叠层125，所述半导体叠层125除覆盖在第一区域122的凹部124外，还覆盖在未掺杂GaN层120表面的第二区域123。在本实施例中，所述半导体叠层125包括交替层叠的AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252。所述半导体叠层125的底部为AlN层1251，所述半导体叠层125的顶部为第二未掺杂GaN层1252。在本实施例中，所述半导体叠层125包括两对AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252。根据需要，所述半导体叠层125亦可包括一对或者多对AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252。在包括一对AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252的情况下，可先在具有凹部124的未掺杂GaN层120表面生长AlN层1251，然后再在AlN层1251的表面生长第二未掺杂GaN层1252。在包括两对或者多对AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252的情况下，可依以上顺序多次重复生长形成多层交替的结构。
请参见图7-8，在未掺杂GaN层120以及位于第一区域122的半导体叠层125的侧面形成一层SiO2保护层126。所述SiO2保护层126环绕未掺杂GaN层120以设置在GaN层120的周缘侧面。在本实施例中，所述SiO2保护层126的厚度为300nm。
请参见图9，蚀刻去除位于第二区域123的AlN层1251以及位于其上的第二未掺杂GaN层1252。在本实施例中，去除位于第二区域的AlN层1251的方式为将上述晶片浸泡至加热的KOH溶液之中。由于KOH溶液对AlN层1251的蚀刻速度远大于对第二未掺杂GaN层1252的蚀刻速度，因此未被SiO2保护层126覆盖的、位于第二区域123上的AlN层1251将首先被蚀刻而去除。相应地，附着在第二区域123的AlN层1251上的第二未掺杂GaN层1252也相应从晶片上脱离。而对于形成在第一区域122的凹部124内的半导体叠层125，其中顶部覆盖有第二未掺杂GaN层1252，其侧面暴露的AlN层1251又覆盖有SiO2保护层126，因而当位于第二区域123上的AlN层1251被蚀刻而去除时，所述位于第一区域122的AlN层1251将不会被KOH溶液所蚀刻，也就是说，位于第一区域122的凹部124内的半导体叠层125保存完好。根据需要，所述KOH溶液加热到70摄氏度到90摄氏度的范围内。
请参见图10，在第二区域123上的半导体叠层125（即AlN层1251以及位于其上的第二未掺杂GaN层1252）被去除之后，去除所述SiO2保护层126以暴露出位于第一区域122的AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252的侧面。
请参见图11，在未掺杂GaN层120以及第二未掺杂GaN层1252的表面依次成长N型GaN层130、活性层140以及P型GaN层150。其中，所述活性层140可以是多量子阱层。
请参见图12，在以上所形成的半导体结构上形成多个纵横交错的切割道160，所述切割道160从P型GaN层150延伸至未掺杂GaN层120。图12中仅示出沿第二区域123的延伸方向形成的切割道160。为方便描述，可将该方向的切割道160定义为纵向切割道。可以理解地，横向切割道，也即延伸穿过第一区域122和第二区域123的切割道160会暴露出位于第一区域122的AlN层1251的侧面。
请参见图13，去除位于第一区域122的AlN层1251以在未掺杂GaN层120的内部形成空气间隙121。所述空气间隙121与位于其上的第二未掺杂GaN层1252共同形成布拉格反射层。在本实施例中，利用加热的KOH溶液蚀刻去除位于第一区域122的AlN层1251。所述KOH溶液加热到70摄氏度到90摄氏度的范围内。根据需要，所述空气间隙121的厚度D1满足以下关系：D1=λ/(4n1)，覆盖在空气间隙121之上的未掺杂GaN层120的厚度D2满足以下关系：D2=λ/(4n2)，其中，λ为活性层140所发出光线的峰值波长，n1为空气的折射率，n2为未掺杂GaN层120的折射率。
沿所述切割道160切割以上所形成的半导体结构以形成多个发光二极管晶粒100，然后分别在N型GaN层130及P型GaN层150之上制作N型电极131与P型电极151。
可以理解的是，在上述方法中，亦可不设置切割道160而直接将图11所形成的半导体结构直接放入KOH溶液里面而对AlN层1251进行蚀刻，此时，KOH溶液将从整个晶圆的侧面开始对AlN层1251进行蚀刻。
可以理解的是，在上述方法中，亦可不设置SiO2保护层126。此时，在定义第一区域122时，可将第一区域122设置成不延伸出未掺杂GaN层120的侧面，如图14所示。此时，后续形成的凹部124完全位于未掺杂GaN层120之中。在第一区域122形成凹部124以及在未掺杂GaN层120表面形成半导体叠层125后，位于第一区域122的AlN层1251的表面将完全被第二未掺杂GaN层1252所覆盖。因此，在蚀刻去除位于第二区域123的AlN层1251时，无需利用SiO2保护层126对位于第一区域122的AlN层1251进行保护。在蚀刻去除位于第二区域123的AlN层1251后，可以继续进行后续过程。
在上述制造方法中，所述半导体叠层125并不限于包括AlN层1251和第二未掺杂GaN层1252。根据需要，可用N型GaN层取代所述AlN层1251。所述N型GaN层的掺杂浓度在8×1018到1×1020cm-3之间。在蚀刻去除N型GaN层时，可以使用KOH溶液并搭配光化学蚀刻法（PEC）去除所述N型GaN层而形成空气间隙121。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种发光二极管晶粒的制造方法，包括：
提供一个基板；
在基板上成长未掺杂GaN层，所述未掺杂GaN层的表面包括相邻设置的第一区域和第二区域；
蚀刻未掺杂GaN层的表面的第一区域以形成多个凹部；
在未掺杂GaN层的表面生长半导体叠层，所述半导体叠层包括交替层叠的AlN层与未掺杂GaN层，AlN层位于半导体叠层底部，未掺杂GaN层位于半导体叠层顶部；
蚀刻位于第二区域的AlN层以去除AlN层及位于其上的未掺杂GaN层；
在未掺杂GaN层的凹部底面以及第二区域的表面依次成长N型GaN层、活性层以及P型GaN层；
去除位于第一区域的AlN层以在未掺杂GaN层内部对应该去除的AlN层位置形成空气间隙，所述空气间隙与位于其上的未掺杂GaN层形成布拉格反射层；以及
切割所述基板以及形成于其上的半导体层以形成多个发光二极管晶粒。
2.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，在蚀刻第二区域的AlN层之前，在未掺杂GaN层以及位于第一区域的AlN层的侧面形成一层SiO2保护层，在第二区域的AlN层被蚀刻去除之后，所述SiO2保护层被去除以暴露出未掺杂的GaN层以及位于第一区域的AlN层的侧面。
3.如权利要求2所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述SiO2保护层的厚度为300nm。
4.如权利要求2所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，利用KOH溶液蚀刻所述AlN层。
5.如权利要求2所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，在蚀刻位于第一区域的AlN层之前，在形成在基板之上的半导体结构中形成多个纵横交错的切割道，所述切割道从P型GaN层延伸至未掺杂GaN层并暴露出位于第一区域的AlN层的侧面。
6.如权利要求5所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，沿所述切割道切割所述基板以及形成于其上的半导体层以形成多个发光二极管晶粒。
7.如权利要求1-6任意一项所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述空气间隙的厚度D1满足以下关系：D1＝λ/(4n1),覆盖在空气间隙之上的未掺杂GaN层的厚度D2满足以下关系：D2＝λ/(4n2)，其中，λ为活性层所发出光线的峰值波长，n1为空气的折射率，n2为未掺杂GaN层的折射率。
8.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述第一区域不延伸出未掺杂GaN层的侧面，从而使后续形成的凹部位于未掺杂GaN层之中。
9.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，在生长半导体叠层的过程中，用N型GaN层取代所述AlN层。
10.如权利要求9所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述N型GaN层的掺杂浓度在8×1018到1×1020cm-3之间。
11.如权利要求9所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，利用KOH溶液搭配光化学蚀刻法蚀刻去除半导体叠层中的N型GaN层。
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