CN105336826A - 一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，在衬底上依次生长外延层；在外延层上制作透明导电层；在透明导电层上定义出切割道；腐蚀切割道至透明导电层和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处衬底；将暴露出切割道的外延片浸没在酸性电解液中，施加正向偏压，进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层制作成多孔状反射层；若衬底为绝缘衬底，在透明导电层上制作P电极，在N型掺杂层上制作N电极；若衬底为导电衬底，在透明导电层上制作P电极，在导电衬底的背面制作N电极；将外延片切割成独立的发光二极管器件。本发明可以提高外量子效率，且可适用于垂直结构LED芯片，而不会对LED芯片的工作电压造成影响。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其是指一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法。
背景技术
发光二极管(LED)的发展与半导体光电技术、照明光源技术的发展紧密相关。随着LED应用领域的不断扩展，人们对LED芯片的性能也提出了越来越高的要求。为了提高LED的外量子效率，常用做法是在LED芯片中制作分布布拉格反射层(DBR)，从而把射向芯片底部的光反射回芯片的顶部。在四元系AlGaInPLED芯片中，由于AlAs和GaAs的折射率差较大(Δn＝0.53)，两者之间晶格匹配，并且导电性优异，因此可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)直接外延生长AlAs/GaAsDBR。而在GaNLED芯片中，AlN和GaN的折射率差Δn只有0.35，其所组成的AlN/GaNDBR的反射带宽较窄。并且AlN和GaN两者之间有2.5％的晶格失配，难以通过MOCVD直接外延生长高质量的AlN/GaNDBR。此外，由于AlN的导电性较差，直接在外延层中插入AlN/GaNDBR会造成LED芯片的工作电压升高。由于AlN/GaNDBR的上述缺点，在GaNLED中不适合直接外延生长AlN/GaNDBR。
传统做法是在衬底的背面通过电子束蒸镀的方式制作SiO2/TiO2DBR。如图1所示，在衬底10上依次设置低温缓冲层20、高温缓冲层30、N型掺杂层40、有源层50、电子阻挡层60、P型接触层70，透明导电80。P型电极901设置在透明导电层80的正面，N型电极902设置在N型掺杂层40的正面。SiO2/TiO2DBR100制作于衬底10的背面。
由于SiO2和TiO2均为绝缘介质，若将SiO2/TiO2DBR直接集成在垂直结构的LED芯片中，会阻碍电流的垂直流动，造成芯片工作电压异常升高，因此SiO2/TiO2DBR难以在垂直结构的LED芯片中使用，目前绝大部分应用于水平结构的LED芯片中。此外，SiO2/TiO2DBR与衬底的粘附性较差。若衬底清洁不够彻底，很容易造成SiO2/TiO2DBR脱落，影响LED芯片的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，以提高外量子效率，且可适用于垂直结构LED芯片，而不会对LED芯片的工作电压造成影响。
为达成上述目的，本发明解决方案为：
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，包括以下步骤：
一，使用MOCVD在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层；所述低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层构成外延层；
二，在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层；
三，经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出切割道；
四，使用ICP腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底；
五，将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层制作成多孔状反射层；
六，若衬底为绝缘衬底，则经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出台面，然后使用ICP刻蚀出台面，再在透明导电层上制作P电极，在N型掺杂层上制作N电极；若衬底为导电衬底，直接在透明导电层上制作P电极，在导电衬底的背面制作N电极；
七，将外延片切割成独立的发光二极管器件。
进一步，N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3，需满足关系式N1＜N2＜N3。
进一步，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
进一步，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
进一步，N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
进一步，N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
一种集成多孔状反射层的发光二极管，在衬底上依次生成低温缓冲层、高温缓冲层、多孔状反射层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层及透明导电层，P电极设置在透明导电层上，衬底为绝缘衬底时，N电极设置在N型掺杂层上，衬底为导电衬底时，N电极设置在衬底背面；多孔状反射层的组成材料为N型GaN，由具有多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成。
进一步，N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3，需满足关系式N1＜N2＜N3。
进一步，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
进一步，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
进一步，N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
进一步，N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
进一步，N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-100nm。
进一步，N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-50nm。
进一步，N型轻掺层和N型重掺层的厚度d满足d＝λ/4neff，其中λ为有源区所发出光的波长，neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
进一步，与高温缓冲层接触的为N型轻掺层，与N型掺杂层接触的为N型重掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层，与N型掺杂层接触的为N型轻掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型轻掺层，与N型掺杂层接触的也为N型轻掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层，与N型掺杂层接触的也为N型重掺层。
采用上述方案后，本发明将N型轻掺层和N型重掺层腐蚀成多孔状结构，具有该多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成多孔状反射层。多孔状反射层的组成材料均为N型GaN，因此可以通过MOCVD外延生长直接集成在GaNLED的外延层中。并且多孔状反射层还具有良好的导电性，可以集成在垂直结构的LED芯片中而不会对LED芯片的工作电压造成负面影响。
在MOCVD生长完成LED外延层后，通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层。经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出切割道。然后使用电感耦合等离子体(ICP)腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底。
接着将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀。在电化学腐蚀的过程中，N型掺杂层、N型轻掺层和N型重掺层会被表面反型层(surfaceinversionlayer)的空穴所氧化，形成镓氧化物。该镓氧化物随即溶解于酸性电解液中，剩下的未被氧化的部分则形成多孔状结构。电化学腐蚀的速率取决于外加正向偏压的大小以及外延层的电导率。在一定的外加正向偏压下，外延层的电导率越高，也即其掺杂浓度越高，则电化学腐蚀的速率越快，所形成的孔的直径也越大。通过控制N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3，可以使N型掺杂层在电化学腐蚀的过程中不被氧化并腐蚀，而N型轻掺层和N型重掺层则分别形成直径不同的多孔状结构。
为了达到上述目的，所述N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3，需满足关系式N1＜N2＜N3。其中，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。优选地，N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。优选地，N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。形成于N型轻掺层和N型重掺层中的孔的平均直径的范围为0-100nm。优选地，孔的平均直径的范围为0-50nm。
含有孔洞的N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率可以表示为neff＝[(1-x)nGaN 2+xnair 2]1/2,其中nGaN是GaN的折射率，nair是空气的折射率，x是孔洞所占的体积比。由于N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径大小不同，孔洞所占的体积比也不同，因此N型轻掺层与N型重掺层具有不同的有效折射率。所述具有不同有效折射率的多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠，组成多孔状反射层。为了使多孔状反射层能够反射从有源区所发出的光，所述N型轻掺层和N型重掺层的厚度需满足关系式d＝λ/4neff，其中λ为LED有源区所发出的光的波长，neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
附图说明
图1是现有技术发光二极管的结构示意图；
图2是本发明第一实施例结构示意图；
图3是本发明第二实施例结构示意图；
图4是本发明第三实施例结构示意图；
图5是本发明第四实施例结构示意图；
图6是本发明第五实施例结构示意图；
图7是本发明第六实施例结构示意图；
图8是本发明第七实施例结构示意图；
图9是本发明第八实施例结构示意图。
标号说明
衬底10低温缓冲层20
高温缓冲层30N型掺杂层40
有源层50电子阻挡层60
P型接触层70透明导电层80
P型电极901N型电极902
SiO2/TiO2DBR100
衬底1N电极11
低温缓冲层2高温缓冲层3
多孔状反射层4N型轻掺层41
N型重掺层42N型掺杂层5
N电极51有源层6
电子阻挡层7P型接触层8
透明导电层9P电极91
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
参阅图2所示，本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管，在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9，P电极91设置在透明导电层9上，本实施例中，衬底1为绝缘衬底，譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种，N电极51设置在N型掺杂层5上。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN，由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中，与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41，与N型掺杂层5接触的为N型重掺层42。当然，也可以，与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42，与N型掺杂层5接触的为N型轻掺层41，如图4所示。
其中，N型轻掺层41的掺杂浓度N2为1×1018cm-3，N型重掺层42的掺杂浓度N3为1×1020cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d＝λ/4neff，其中λ为LED有源区所发出的光的波长，neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，包括以下步骤：
一，提供一衬底1，衬底1为绝缘衬底，譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种；使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8；所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层；
二，在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9；
三，经过标准的光刻过程，在透明导电层9上定义出切割道；
四，使用ICP腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底1；
五，将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加1.5V的正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4；
六，经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出台面，然后使用ICP刻蚀出台面，再在透明导电层上制作P电极91，在N型掺杂层上制作N电极51；
七，将外延片切割成独立的发光二极管器件。
参阅图3所示，本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管另一实施例，在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9，P电极91设置在透明导电层9上，本实施例中，衬底1为导电衬底，譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN，由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中，与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41，与N型掺杂层5接触的为N型重掺层42。当然，也可以，与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42，与N型掺杂层5接触的为N型轻掺层41，如图5所示。
其中，N型轻掺层41的掺杂浓度N2为8×1017cm-3，N型重掺层42的掺杂浓度N3为5×1019cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d＝λ/4neff，其中λ为LED有源区所发出的光的波长，neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，包括以下步骤：
一，提供一衬底1，衬底1为导电衬底，譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面；使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8；所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层；
二，在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9；
三，经过标准的光刻过程，在透明导电层9上定义出切割道；
四，使用ICP腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底1；
五，将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加3V的正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4；
六，在透明导电层9上制作P电极91，在导电衬底1的背面制作N电极11；
七，将外延片切割成独立的发光二极管器件。
参阅图7所示，本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管另一实施例，在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9，P电极91设置在透明导电层9上，本实施例中，衬底1为导电衬底，譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面。
衬底1为绝缘衬底，譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种时，N电极51设置在N型掺杂层5上，如图6所示。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN，由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中，与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42，与N型掺杂层5接触的也为N型重掺层42。
当然，也可以，与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41，与N型掺杂层5接触的也为N型轻掺层41，如图8及图9所示。图8所示衬底1为绝缘衬底，譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种时，N电极51设置在N型掺杂层5上；图9所示衬底1为导电衬底，譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种时，N电极11设置在衬底1背面。
其中，N型轻掺层41的掺杂浓度N2为5×1017cm-3，N型重掺层42的掺杂浓度N3为2×1020cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d＝λ/4neff，其中λ为LED有源区所发出的光的波长，neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，包括以下步骤：
一，提供一衬底1，衬底1为导电衬底，譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面；使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8；所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层；
二，在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9；
三，经过标准的光刻过程，在透明导电层9上定义出切割道；
四，使用ICP腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底1；
五，将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加1V的正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4；
六，在透明导电层9上制作P电极91，在导电衬底1的背面制作N电极11；
七，将外延片切割成独立的发光二极管器件。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (10)
1.一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
一，使用MOCVD在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层；所述低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层构成外延层；
二，在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层；
三，经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出切割道；
四，使用ICP腐蚀切割道，直到切割道处的透明导电层和外延层被完全腐蚀，暴露出切割道处的衬底；
五，将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中，并向外延片施加正向偏压，对外延片进行电化学腐蚀，将交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层制作成多孔状反射层；
六，若衬底为绝缘衬底，则经过标准的光刻过程，在透明导电层上定义出台面，然后使用ICP刻蚀出台面，再在透明导电层上制作P电极，在N型掺杂层上制作N电极；若衬底为导电衬底，则直接在透明导电层上制作P电极，在导电衬底的背面制作N电极；
七，将外延片切割成独立的发光二极管器件。
2.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3，需满足关系式N1＜N2＜N3。
3.如权利要求2所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
4.如权利要求3所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
5.如权利要求2所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
6.如权利要求5所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
7.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-100nm。
8.如权利要求7所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-50nm。
9.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法，其特征在于：N型轻掺层和N型重掺层的厚度d满足d＝λ/4neff，其中λ为有源区所发出光的波长，neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
10.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管，其特征在于：与高温缓冲层接触的为N型轻掺层，与N型掺杂层接触的为N型重掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层，与N型掺杂层接触的为N型轻掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型轻掺层，与N型掺杂层接触的也为N型轻掺层；或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层，与N型掺杂层接触的也为N型重掺层。
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