CN104425669A - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制作方法，所述发光二极管至少包括基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；所述基板上形成有一底部到达所述N型半导体层中的凹陷区域；所述P型半导体层上自下而上分别形成有P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；所述N型InyGa1-yN层上形成有ITO薄膜层；所述ITO薄膜层上形成有P电极；所述凹陷区域的N型半导体层上形成有N电极。本发明利用P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层作为ITO薄膜层与P型半导体层之间的接触层，可以改善结性能，并降低接触电阻，通过调整P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层的厚度和掺杂浓度，可有效降低发光二极管的工作电压，降低器件功耗，并提高发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件领域，涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用，尤其是LED以其优异的性能被业界普遍认为是第四代光源的理想选择，LED光源在发光效率、使用寿命、回应时间、环保等方面均优于白炽灯、荧光灯等传统光源。
氮化镓(GaN)基化合物为直接带隙宽禁带半导体，其带隙从1.8-6.2eV连续可调，并且具有很高的击穿电压，因而被广泛应用于高亮度蓝绿光发光二极管、蓝紫光激光二极管(LD，Laser Diode)和高电子迁移率场效应晶体管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)。近年来，高亮度蓝绿光LED发展迅速，已成为全彩色高亮度大型户外显示屏、交通信号灯等必需的发光器件，同时，由蓝光LED激发黄色荧光粉制作的白光LED已大量应用于背光源、汽车照明等领域，并在固体照明光源领域显示了巨大的应用潜力。
随着氮化镓基材料的产业化，高亮度的发光二极管最受瞩目。目前高亮度的氮化镓基材料主要通过提高光提取效率和内量子效率来增强出光强度。光提取效率主要采用图形化衬底、p型层的粗化和激光剥离工艺等来实现。而提高内量子效率的进展相对较慢，主要受氮化镓基材料p型层中空穴浓度较低、量子阱(MQW)中的压电场较强和异质结构中的缺陷密度较高等几个方面的抑制。
目前GaN基发光二极管中均使用电流扩展层，起到扩散注入电流提高亮度的作用。目前电流扩展层一般采用ITO薄膜，ITO是一种高简并的n型半导体，自由载流子主要来源于Sn对In的替位式取代和氧空位，在晶格中，每一个Sn取代In的位置后会提供一个自由电子进入导带，同时氧空位也作为施主提供电子，因此，薄膜一般具有较高的载流子浓度和较低的电阻率，导电性能可以与金属导体相比。ITO薄膜的禁带宽度约为3.85eV，在可见光波段透过率一般在85％以上，同时红外区(1.2pm)的反射也可超过90％，对微波有明显的减弱作用。由于其良好的导电性和透光性，被广泛用于LED芯片透明电极薄膜上。
但是由于ITO薄膜与P型半导体层的接触电阻较高，发光二极管的工作电压较高，使得发光二极管的功耗较大。所以，如何在扩散注入电流提高亮度的同时降低发光二极管的工作电压以降低功耗是急需解决的问题。
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作方法，用于解决现有技术中发光二极管的工作电压高、功耗较大的问题。
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，所述发光二极管至少包括基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；所述基板上形成有一底部到达所述N型半导体层中的凹陷区域；所述P型半导体层上自下而上分别形成有P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；所述N型InyGa1-yN层上形成有ITO薄膜层；所述ITO薄膜层上形成有P电极；所述凹陷区域的N型半导体层上形成有N电极。
可选地，所述P型InxGa1-xN层满足0<x<0.3，所述P型InxGa1-xN层的厚度小于30nm；所述N型InyGa1-yN层满足0<y<0.3，所述N型InyGa1-yN层的厚度小于30nm。
可选地，所述P型InxGa1-xN层的厚度范围是0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层的厚度范围是0.5～5nm。
可选地，所述P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3；所述N型InyGa1-yN层采用硅烷作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。
本发明还提供一种发光二极管的制作方法，所述发光二极管的制作方法至少包括以下步骤：
1）提供一基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；
2）对所述基板进行部分刻蚀，在所述基板中形成一凹陷区域，所述凹陷区域底部到达所述N型半导体层中；
3）在所述P型半导体层上自下而上依次形成P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；
4）在所述N型InyGa1-yN层上形成一ITO薄膜层；
5）在所述ITO薄膜层上形成P电极，在所述凹陷区域的N型半导体层上形成N电极。
可选地，所述P型InxGa1-xN层满足0<x<0.3，所述P型InxGa1-xN层的厚度小于30nm；所述N型InyGa1-yN层满足0<y<0.3，所述N型InyGa1-yN层的厚度小于30nm。
可选地，所述P型InxGa1-xN层的厚度范围是0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层的厚度范围是0.5～5nm。
可选地，所述P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3；所述N型InyGa1-yN层采用硅烷作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。
如上所述，本发明的发光二极管及其制作方法，具有以下有益效果：利用P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层作为ITO薄膜层与P型半导体层之间的接触层，降低接触电阻，通过调整P型InyGa1-yN层和N型InxGa1-xN层的厚度和掺杂浓度，可有效降低发光二极管的工作电压，降低器件功耗，并提高发光效率，此外，还可以优化所述P型半导体层与所述ITO薄膜层之间的结性能，进一步提高发光二极管的性能。
附图说明
图1显示为本发明的发光二极管的剖面结构示意图。
图2显示为本发明的发光二极管的制作方法中基板的剖面示意图。
图3显示为本发明的发光二极管的制作方法中在基板中形成凹陷区域的示意图。
图4显示为本发明的发光二极管的制作方法中在P型半导体上依次形成P型InxGa1-xN层、N型InyGa1-yN层及ITO薄膜层的示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 N型半导体层
3 发光层
4 P型半导体层
5 P型InxGa1-xN层
6 N型InyGa1-yN层
7 ITO薄膜层
8 P电极
9 N电极
10 凹陷区域
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4。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。
实施例1
本发明提供一种发光二极管，请参阅图1，所述发光二极管至少包括基板，所述基板自下而上依次包括衬底1、N型半导体层2、发光层3及P型半导体层4；所述基板上形成有一底部到达所述N型半导体层2中的凹陷区域；所述P型半导体层4上自下而上依次形成有P型InxGa1-xN层5和N型InyGa1-yN层6，其中0<x<1，0<y<1；所述N型InyGa1-yN层6上形成有ITO薄膜层7；所述ITO薄膜层7上形成有P电极8；所述凹陷区域的N型半导体层2上形成有N电极9。
具体的，所述衬底1可以是蓝宝石衬底，也可以是其它半导体衬底，例如硅衬底或SOI。所述衬底1表面还可包括GaN缓冲层（未图示）。所述N型半导体层2为N型GaN层，所述发光层3为多重量子阱，其材料可为In掺杂的GaN，所述P型半导体层4为P型GaN层。所述ITO薄膜层7的作用是扩散注入电流提高发光二极管的亮度。所述P型InxGa1-xN层5和N型InyGa1-yN层6位于所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间，可以进一步改善所述ITO薄膜层7与所述P型半导体层4之间的接触性能，降低接触电阻，从而降低发光二极管的工作电压，降低器件功耗。N型InyGa1-yN层具有比ITO薄膜更好的电流扩散能力，N型InyGa1-yN层的存在可以进一步提高发光二极管的发光效率。由于ITO薄膜为N型，N型InyGa1-yN层相对于P型InxGa1-xN层与ITO薄膜层的接触性能更好，更有利于电流的扩散。
此外，由于所述ITO薄膜层7为N型导电薄膜，所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层形成一个反置PN结，通常为了提高反置PN结的隧穿效果，必须提高P型半导体层的掺杂浓度并降低ITO薄膜层的电阻，但是P型半导体层的p型激活效率较低，想要得到高空穴浓度的P型很困难，而降低ITO薄膜的电阻往往靠提高N型电子浓度，但是这也会导致ITO晶体质量下降，增加光的吸收，不利于提高发光效率。本发明的发光二极管中，所述P型InxGa1-xN层5与N型InyGa1-yN层6存在于所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间，P型InxGa1-xN层5可以提高P型半导体层的掺杂浓度，同时N型InyGa1-yN层6可以降低ITO薄膜层的电阻，从而可以增大隧穿效果，优化所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层6之间的结性能。同时，通过进一步优化所述P型InxGa1-xN层5与N型InyGa1-yN层6中的x和y值，可以进一步改善所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层6之间的结性能，进一步提高发光二极管的性能。
具体的，所述P型InxGa1-xN层5中，In的组分x的取值范围优选为0<x<0.3；所述N型InyGa1-yN层5中，In的组分y的取值范围优选为0<y<0.3。本实施例中，优选采用x=y，对接触性能的改善及结性能的优化效果更好。所述P型InxGa1-xN层5的厚度小于30nm，所述N型InyGa1-yN层6的厚度小于30nm。本实施例中，所述P型InxGa1-xN层5的厚度范围优选为0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层6的厚度范围优选为0.5～5nm。所述P型InxGa1-xN层5或N型InyGa1-yN层6的厚度过厚将会影响发光二极管的出光效率。
具体的，所述P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。所述N型层InyGa1-yN采用硅烷（SiH4）作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。在此掺杂浓度范围内，P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层作为P型半导体层与ITO薄膜层之间的接触层，接触性能更好。
本发明的发光二极管通过在P型半导体层与ITO薄膜层之间设置P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层，不仅可以有效改善P型半导体层与ITO薄膜层的接触性能，降低发光二极管的工作电压，从而降低器件功耗，还可以优化所述P型半导体层与所述ITO薄膜层之间的结性能，进一步提高发光二极管的性能。
实施例2
本发明提供一种发光二极管的制作方法，至少包括以下步骤：
1）提供一基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；
2）对所述基板进行部分刻蚀，在所述基板中形成一凹陷区域，所述凹陷区域底部到达所述N型半导体层中；
3）在所述P型半导体层上自下而上依次形成P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；
4）在所述N型InyGa1-yN层上形成一ITO薄膜层；
5）在所述ITO薄膜层上形成P电极，在所述凹陷区域的N型半导体层上形成N电极。
图2至图4为本发明一个实施例的发光二极管的制作方法，所述示意图只是实例，在此不应过度限制本发明保护的范围。
请参阅图2，执行步骤1），提供一基板，所述基板自下而上依次包括衬底1、N型半导体层2、发光层3及P型半导体层4。
具体的，所述衬底1可以是蓝宝石衬底，也可以是其它半导体衬底，例如硅衬底或SOI。所述衬底1表面还可包括GaN缓冲层（未图示）。所述N型半导体层2为N型GaN层，所述发光层3为多重量子阱，其材料可为In掺杂的GaN，所述P型半导体层4为P型GaN层。
请参阅图3，执行步骤2），对所述基板进行部分刻蚀，在所述基板中形成一凹陷区域10，所述凹陷区域10底部到达所述N型半导体层2中。
具体的，采用常规的MESA（平台）刻蚀在所述基板中形成所述凹陷区域10，所述N型半导体层2部分被刻蚀掉。
请参阅图4，执行步骤3）及步骤4），首先执行步骤3），在所述P型半导体层4上形成一P型InxGa1-xN层5，其中0<x<1，再在所述P型InxGa1-xN层上形成一N型InyGa1-yN层6，其中0<y<1。
具体的，所述P型InxGa1-xN层5和所述N型InyGa1-yN层6可通过外延法等形成，其中，所述P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3；所述N型InyGa1-yN层采用硅烷（SiH4）作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。
所述P型InxGa1-xN层5中，In的组分x的取值范围优选为0<y<0.3；所述N型InyGa1-yN层6中，In的组分y的取值范围优选为0<x<0.3。所述P型InxGa1-xN层5的厚度小于30nm，所述N型InyGa1-yN层6的厚度小于30nm。本实施例中，所述P型InxGa1-xN层5的厚度范围优选为0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层6的厚度范围优选为0.5～5nm。
再执行步骤4），继续在所述N型InyGa1-yN层6上形成一ITO薄膜层7。
具体的，所述ITO薄膜层7可采用真空蒸镀法或溅射法形成，由于P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层作为接触层存在于P型半导体层与ITO薄膜层之间，接触电阻进一步降低，发光二极管的工作电压得以进一步降低。且由于所述ITO薄膜层7为N型导电薄膜，所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间本身会形成一个PN结，本发明的发光二极管中，所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层的存在，可以优化所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间的结性能，进一步提高发光二极管的性能。
请参阅前述图1，执行步骤5），在所述ITO薄膜层7上形成P电极8，在所述凹陷区域10的N型半导体层2上形成N电极9。至此，制作得到发光二极管。
本发明的发光二极管通过在P型半导体层与ITO薄膜层之间设置P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层，不仅可以有效改善P型半导体层与ITO薄膜层的接触性能，降低发光二极管的工作电压，从而降低器件功耗，还可以优化所述P型半导体层4与所述ITO薄膜层7之间的结性能，进一步提高发光二极管的性能。
综上所述，本发明的发光二极管及其制作方法，利用P型InxGa1-xN层/N型InyGa1-yN层作为ITO薄膜层与P型半导体层之间的接触层，降低接触电阻，通过调整P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层的厚度和掺杂浓度，可有效降低发光二极管的工作电压，降低器件功耗。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)
1.一种发光二极管，其特征在于：所述发光二极管至少包括基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；所述基板上形成有一底部到达所述N型半导体层中的凹陷区域；所述P型半导体层上自下而上分别形成有P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；所述N型InyGa1-yN层上形成有ITO薄膜层；所述ITO薄膜层上形成有P电极；所述凹陷区域的N型半导体层上形成有N电极。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述P型InxGa1-xN层满足0<x<0.3，所述P型InxGa1-xN层的厚度小于30nm；所述N型InyGa1-yN层满足0<y<0.3，所述N型InyGa1-yN层的厚度小于30nm。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述P型InxGa1-xN层的厚度范围是0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层的厚度范围是0.5～5nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3；所述N型InyGa1-yN层采用硅烷作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。
5.一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述发光二极管的制作方法至少包括以下步骤：
1）提供一基板，所述基板自下而上依次包括衬底、N型半导体层、发光层及P型半导体层；
2）对所述基板进行部分刻蚀，在所述基板中形成一凹陷区域，所述凹陷区域底部到达所述N型半导体层中；
3）在所述P型半导体层上自下而上依次形成P型InxGa1-xN层和N型InyGa1-yN层，其中0<x<1，0<y<1；
4）在所述N型InyGa1-yN层上形成一ITO薄膜层；
5）在所述ITO薄膜层上形成P电极，在所述凹陷区域的N型半导体层上形成N电极。
6.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P型InxGa1-xN层满足0<x<0.3，所述P型InxGa1-xN层的厚度小于30nm；所述N型InyGa1-yN层满足0<y<0.3，所述N型InyGa1-yN层的厚度小于30nm。
7.根据权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述P型InxGa1-xN层的厚度范围是0.5～5nm，所述N型InyGa1-yN层的厚度范围是0.5～5nm。
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P型InxGa1-xN层采用二茂镁作为掺杂源，镁的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3；所述N型InyGa1-yN层采用硅烷作为掺杂源，硅的掺杂浓度范围是1.0E19～1.0E21/cm3。
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