CN105489725B - 一种led芯片结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED芯片结构及制作方法，包括：衬底、位于衬底之上的第一导电类型半导体层、发光层以及第二导电类型半导体层组成的发光外延层、位于第一导电类型半导体层上的第一电极以及位于第二导电类型半导体层上的第二电极，其特征在于：在所述发光外延层中插入颗粒介质层，作为掩膜层，以控制穿透位错均匀性，从而在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，以改善电流分布和注入均匀性，提高发光效率。

Description

一种LED芯片结构及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种LED芯片结构及制作方法。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。氮化镓材料作为第三代半导体在绿色照明领域，包括背光、照明、景观等有这越来越广泛的应用。不过由于P型掺杂元素Mg在GaN中的激活能偏高及H的钝化效应，导致空穴浓度水平较低；另一方面，由于空穴的有效质量偏大，其迁移率很低，造成了空穴注入效率较低，特别是在大尺寸LED产品，ITO的电流扩展瓶颈变得突出，空穴注入发生明显的拥堵效应，严重影响GaN基LED的发光效率。
为了改善LED芯片的空穴电流的注入均匀性提高发光效率，目前主要方法是通过加入芯片工艺改变单颗芯片范围内的空穴电流分布，例如增加金属电极扩展条数量、制作电流扩展层（ITO孔洞）、增加电流阻挡层（SiO2阻挡图形）等，不过这些工艺或者在改善电流扩展能力的同时降低了光出射效率，或者使得芯片的制程更加复杂，不仅会造成良率损失，同时也提高了LED芯片制造成本。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种LED芯片结构及制作方法，通过在所述发光外延层内部插入颗粒介质层，作为掩膜层，用于在所述发光外延层中形成可控的非均匀分布的V型坑，进而通过调控V型坑的分布，有效改善电流分布和注入均匀性，提高LED芯片的发光效率。
本发明的第一方面，提供一种LED芯片结构，包括：衬底、位于衬底之上的第一导电类型半导体层、发光层以及第二导电类型半导体层组成的发光外延层、位于第一导电类型半导体层上的第一电极以及位于第二导电类型半导体层上的第二电极，其特征在于：在所述发光外延层中插入颗粒介质层，用于在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，用于在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，以改善电流分布和注入均匀性，提高发光效率。
优选地，所述V型坑密度在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
优选地，所述V型坑尺寸在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
优选地，所述颗粒介质层对应的掩膜面积与V型坑密度呈反向对应关系。
优选地，所述V型坑密度介于1×106cm-2至1×109cm-2。
优选地，所述颗粒介质层的尺寸为1~1000nm，所述V型坑的尺寸为1~1000nm。
优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。
优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。
优选地，所述颗粒介质层材质为氮化镁(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化钛(TixOy)或氧化锆(ZrxOy)或氧化铪(HfxOy)或氧化钽(TaxOy)或其组合。
本发明的第二方面，再提供一种LED芯片结构的制作方法，包括以下工艺步骤：
（1）提供一衬底；
（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层、发光层以及第二导电类型半导体层组成的发光外延层；
（3）分别在所述第一导电类型半导体层上与第二导电类型半导体层上制作第一电极与第二电极；
其特征在于：在所述发光外延层的生长过程中插入颗粒介质层，用于在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，用于在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，以改善电流分布和注入均匀性，提高发光效率。
优选地，所述V型坑密度在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
优选地，所述V型坑尺寸在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
优选地，所述颗粒介质层对应掩膜面积与V型坑密度呈反向对应关系。
优选地，所述V型坑密度介于1×106cm-2至1×109cm-2。
优选地，所述颗粒介质层的尺寸为1~1000nm，所述V型坑的尺寸为1~1000nm。
优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。
优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。
优选地，所述颗粒介质层材质为氮化镁(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化钛(TixOy)或氧化锆(ZrxOy)或氧化铪(HfxOy)或氧化钽(TaxOy)或其组合。
本发明相对于现有技术，至少包括以下技术效果：本发明通过在发光外延层生长过程中引入并控制颗粒介质层的分布（掩膜面积、密度、宽度、深度等），以控制单颗芯片区域内穿透位错均匀性，从而控制V型坑的分布均匀性，以有效改善电流分布和注入均匀性，提高LED芯片的发光效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图中标示：11：衬底；21：第一导电类型半导体层；22：发光层；23：第二导电类型半导体层；31：第一电极；32：第二电极；41A、41B、41C、41D、41E、41F：颗粒介质层；51A、51B、51C、51D、51E、51F：V型坑。
图1为本发明实施例1制作的LED芯片结构的剖视示意图。
图2为本发明实施例1制作的LED芯片结构的俯视示意图。
图3为图1中的V型坑放大示意图。
图4为本发明实施例2制作的LED芯片结构的剖视示意图。
图5为本发明实施例2制作的LED芯片结构的俯视示意图。
图6为图4中的V型坑放大示意图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
实施例1
请参照图1~图3，本实施例提供一种LED芯片结构制作方法，包括以下工艺步骤：
（1）提供一衬底11，可以选用蓝宝石（Al2O3）、SiC、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP以及Ge中的至少一种，本实施例优选蓝宝石衬底。
（2）在衬底11上外延生长缓冲层（图中未示出），优选InAlGaN半导体材料，外延生长方法可以选用MOCVD（金属有机化学气相沉积）方法、CVD（化学气相沉积）方法、PECVD（等离子体增强化学气相沉积）方法、MBE（分子束外延）方法、HVPE（氢化物气相外延）方法，优选MOCVD，但实施例不限于此，缓冲层用以减少由于衬底1和第一导电类型半导体层之间的晶格常数差而导致的晶格错配，改善外延生长质量。
（3）在缓冲层上依次外延生长U-GaN层和N-GaN层，构成第一导电类型半导体层21，U-GaN层能够减少由于衬底和N-GaN层之间的晶格常数差导致的晶格错配。而且，U-GaN层能够增强形成在该层上的半导体层结晶性能，其中在U-GaN层的生长过程中插入颗粒介质层（41A、41B、41C），作为掩膜层，其尺寸为1~1000nm，用于在发光外延层中形成非均匀分布的V型坑（51A、51B、51C），尺寸为1~1000nm，V型坑密度介于1×106cm-2至1×109cm-2，从第二电极32（后续制作）下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大，即51A<51B<51C。此外，颗粒介质层的掩膜面积在发光外延层内部的水平分布是从第二电极32下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，即41A>41B>41C，颗粒介质层的对应掩膜面积与V型坑的密度呈反向对应关系。需要说明的是，颗粒介质层也可以是在U-GaN层生长之前沉积于衬底或者缓冲层（如有）之上，如此则颗粒介质层在发光外延层中的位置处于第一导电类型半导体层的下表面，即U-GaN层的下表面，本实施例不以此为限。
（4）在第一导电类型半导体层21上，继续外延生长多量子阱层，作为发光层22，多量子阱层选用InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），通过交替地堆叠多个阱层和多个势垒层形成，交替堆叠次数优选4~20次。
（5）在发光层22上继续外延生长电子阻挡层、P-GaN层以及接触层构成第二导电类型半导体层23。
（6）分别在第一导电类型半导体层21上与第二导电类型半导体层22上制作第一电极31与第二电极32。
通过上述方法制作的LED芯片结构，从下至上依次包括：衬底11、缓冲层（图中未示出）、包括U-GaN层和N-GaN层的第一导电类型半导体层21、发光层22以及包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层的第二导电类型半导体层23，在第一导电类型半导体层21中插入颗粒介质层（41A、41B、41C），尺寸为1~1000nm，用于在外延层中形成非均匀分布的V型坑（51A、51B、51C），尺寸为1~1000nm，V型坑的密度介于1×106cm-2至1×109cm-2，从第二电极32（后续制作）下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大，即51A<51B<51C。颗粒介质层的材质为氮化镁(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化钛(TixOy)或氧化锆(ZrxOy)或氧化铪(HfxOy)或氧化钽(TaxOy)或其组合，本实施例优选氧化硅。此外，氧化硅颗粒介质层的掩膜面积在发光外延层内部的水平分布是从第二电极32下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，即41A>41B>41C，颗粒介质层的对应掩膜面积与V型坑的密度呈反向对应关系。需要说明的是，颗粒介质层还可以插入于发光层或第二导电类型半导体层中。
由于常规LED芯片的发光外延层，其内部V型坑在LED单颗芯片区域内分布相对均匀，如此靠近第二电极的发光外延层的电流扩展相对较差，而想要形成较优的电流扩展层，则需要第二电极（P电极）附近相对少、第一电极（N电极）附近相对多的V型坑分布状态。在P电极附近掩膜层面积较大（一般密度较大），向N电极方向掩膜层面积（一般密度较小）逐渐减小，如此掩膜层图形这样设计，主要是由于掩膜的面积越大（掩膜层面积占所在外延层水平面积不超过80%），更倾向于侧向外延生长，可以有效降低位错密度，从而可以得到较低的V型坑密度，形成V型坑的非均匀分布，即从第二电极到第一电极的V型坑密度逐渐增大，有效改善电流分布和注入均匀性，提高LED芯片的发光效率。
实施例2
请参照图4~图6，本实施例与实施例1的区别在于：实施例1的颗粒介质层大小相等，掩膜面积在发光外延层内部的水平分布是从第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，从而使得V型坑的密度从第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大；而本实施例的颗粒介质层尺寸大小不等，即在发光外延层内部的水平分布是从第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，即41D>41E>41F，掩膜面积逐渐减小，从而使得V型坑的尺寸（宽度和/或深度）从第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大，即51D<51E<51F。V型坑的尺寸越小（宽度越小和/或深度越浅），有助于改善靠近第二电极的发光外延层的电流扩展能力，从而改善电流分布和注入均匀性，提高LED芯片的发光效率。
综上实施例所述，本发明的核心思想在于：通过在发光外延层生长过程中引入并控制颗粒介质层的分布（掩膜面积、密度、宽度、深度等），以控制单颗LED芯片区域内穿透位错均匀性，从而控制V型坑的分布均匀性，以有效改善电流分布和注入均匀性，提高LED芯片的发光效率。
需要说明的是，虽然上述实施例示出的LED是水平式结构，本发明的核心思想同样适用于倒装式或者垂直或者高压LED等芯片结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED芯片结构，包括：衬底、位于衬底之上的第一导电类型半导体层、发光层以及第二导电类型半导体层组成的发光外延层、位于第一导电类型半导体层上的第一电极以及位于第二导电类型半导体层上的第二电极，其特征在于：在所述发光外延层中插入颗粒介质层，所述颗粒介质层对应的掩膜面积在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，以控制穿透位错均匀性，从而在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，所述V型坑对应的俯视图总面积在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大，以改善电流分布和注入均匀性，提高发光效率。
2.根据权利要求1所述的一种LED芯片结构，其特征在于：所述V型坑密度在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
3.根据权利要求1所述的一种LED芯片结构，其特征在于：所述V型坑尺寸在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
4.根据权利要求1所述的一种LED芯片结构，其特征在于：所述颗粒介质层对应的掩膜面积与V型坑密度呈反向对应关系。
5.根据权利要求1所述的一种LED芯片结构，其特征在于：所述V型坑密度介于1×106cm-2至1×109cm-2。
6.根据权利要求1所述的一种LED芯片结构，其特征在于：所述颗粒介质层的尺寸为1~1000nm，所述V型坑的尺寸为1~1000nm。
7.一种LED芯片结构的制作方法，包括以下工艺步骤：
（1）提供一衬底；
（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层、发光层以及第二导电类型半导体层组成的发光外延层；
（3）分别在所述第一导电类型半导体层上与第二导电类型半导体层上制作第一电极与第二电极；
其特征在于：在所述发光外延层的生长过程中插入颗粒介质层，所述颗粒介质层对应的掩膜面积在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变小，用于在所述发光外延层中形成非均匀分布的V型坑，所述V型坑对应的俯视图总面积在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大，以改善电流分布和注入均匀性，提高发光效率。
8.根据权利要求7所述的一种LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述V型坑密度在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
9.根据权利要求7所述的一种LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述V型坑尺寸在所述发光外延层内部的水平分布是从所述第二电极下方的中心部分朝向边缘部分的方向逐渐变大。
10.根据权利要求7所述的一种LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述颗粒介质层对应的掩膜面积与V型坑密度呈反向对应关系。
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