CN105449057A - 一种集成多孔状反射层的发光二极管 - 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，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。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。
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，多孔状反射层可以提高LED芯片的外量子效率，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，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，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。
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，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。
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，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。
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，其特征在于：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。
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，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，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，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，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，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，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，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，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，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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