CN105591000A - Led结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED结构及其形成方法。该LED结构包括：衬底；位于衬底之上的第一导电类型半导体层；位于第一导电类型半导体层之上的多量子阱发光层，多量子阱发光层包括X个量子阱，多量子阱发光层的顶部具有多个盲孔，盲孔贯穿Y个量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y；位于多量子阱之上的第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体层填充多个盲孔；与第一导电类型半导体层相连的第一电极；以及与第二导电类型半导体层相连的第二电极。本发明缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于第二导电类型载流子向下传输，使得整个多量子阱发光层中的载流子分布更加均匀，从而提高了载流子复合率，提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED(LightEmittingDiode，发光二极管)制造技术领域，具体涉及一种LED结构及其形成方法。
背景技术
LED有长寿命，无污染，低功耗等特点，它作为一种绿色环保灯具已经在逐步推广使用并得到广泛认可。目前使用的LED结构多为GaN基LED。GaN基LED中，电子的迁移率高达300cm2/V·s，而空穴的迁移率仅有5-20cm2/V·s，同时电子的有效质量又比空穴的有效质量小很多，所以导致电子的移动速率比空穴的移动速率快很多。另一方面，由于GaN材料一直存在P型掺杂困难的问题，虽然采用二次退火的方式使p-GaN得到了活化，但活化后的p-GaN空穴浓度仍只有5E17左右，而n-GaN的电子浓度可达1E19左右，所以导致电子浓度远大于空穴浓度。以上原因一方面导致电子存在严重的溢流，另一方面导致电子与空穴在多量子阱发光层中分布严重不均匀，靠近p-GaN的量子阱中电子和空穴浓度高，而靠近n-GaN的量子阱中空穴浓度非常低，载流子分布不均匀，所以发光基本只局限于多量子阱中靠近p-GaN的1～2个量子阱以内，严重影响了发光效率。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种具有电载流子复合率高、发光效率高、使用寿命长的LED结构及其形成方法。
根据本发明第一方面实施例的LED结构，可以包括：衬底；位于所述衬底之上的第一导电类型半导体层；位于所述第一导电类型半导体层之上的多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括X个量子阱，所述多量子阱发光层的顶部具有多个盲孔，所述盲孔贯穿Y个所述量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y；位于所述多量子阱之上的第二导电类型半导体层，所述第二导电类型半导体层填充所述多个盲孔；第一电极，所述第一电极与所述第一导电类型半导体层相连；以及第二电极，所述第二电极与所述第二导电类型半导体层相连。
根据本发明实施例的LED结构中，缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于第二导电类型载流子向下传输，增大了靠近第一导电类型半导体层中的量子阱中的第二导电类型载流子的浓度。同时，第二导电类型载流子向下传输过程中也会以横向移动的方式扩散到其他量子阱。这样使得整个多量子阱发光层中的载流子分布更加均匀，从而提高了载流子复合率，提升LED结构的发光效率。
另外，根据本发明上述实施例的LED结构还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述X与Y的差值为1或2。这意味着多个盲孔的底部与第一导电类型半导体层的顶部之间仅相隔1至2个量子阱，显著缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于将第二导电类型载流子输送到多量子阱发光层的较深处。
在本发明的一个实施例中，所述多个盲孔的深度不同。该实施例有利于将第二导电类型载流子横向扩散到不同深度的量子阱中，使得第二导电类型载流子在多量子阱发光层中的分布更加均匀，从而提高了LED结构的发光效率。
在本发明的一个实施例中，所述多个盲孔的深度相同。该实施例中，多个盲孔易于统一地加工。
在本发明的一个实施例中，所述第二导电类型半导体层包括：轻掺杂第二导电类型半导体子层，所述轻掺杂第二导电类型半导体子层填充所述多个盲孔；和重掺杂第二导电类型半导体子层，所述重掺杂第二导电类型半导体子层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层之上。该实施例中，将第二导电类型半导体层划分为轻掺杂和重掺杂的两个子层，轻掺杂第二导电类型半导体子层的载流子浓度更大，更有利于载流子在量子阱中的移动，同时避免重掺杂第二类型半导体子层与多量子阱发光层之间的直接接触，防止多量子阱发光层中的载流子与重掺杂第二类型半导体子层的缺陷发生非辐射复合。
在本发明的一个实施例中，还包括：第一导电类型载流子阻挡层，所述第一导电类型载流子阻挡层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层与所述重掺杂第二导电类型半导体子层之间。该实施例中的第一导电类型载流子阻挡层可以有效减少第一导电类型载流子的溢流现象。
根据本发明第二方面实施例的LED结构的形成方法，可以包括步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成第一导电类型半导体层；在所述第一导电类型半导体层之上形成多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括X个量子阱；在所述多量子阱发光层的顶部形成多个盲孔，所述盲孔贯穿Y个所述量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y；沉积第二导电类型半导体材料，以填充所述多个盲孔并且在所述多量子阱发光层之上形成第二导电类型半导体层；形成与所述第一导电类型半导体层相连的第一电极；以及形成与所述第二导电类型半导体层相连的第二电极。
根据本发明实施例的形成方法得到的LED结构中，缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于第二导电类型载流子向下传输，增大了靠近第一导电类型半导体层中的量子阱中的第二导电类型载流子的浓度。同时，第二导电类型载流子向下传输过程中也会以横向移动的方式扩散到其他量子阱。这样使得整个多量子阱发光层中的载流子分布更加均匀，从而提高了载流子复合率，提升LED结构的发光效率。
另外，根据本发明上述实施例的LED结构的形成方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述X与Y的差值为1或2。这意味着多个盲孔的底部与第一导电类型半导体层的顶部之间仅相隔1至2个量子阱，显著缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于将第二导电类型载流子输送到多量子阱发光层的较深处。
在本发明的一个实施例中，所述多个盲孔的深度不同。该实施例有利于将第二导电类型载流子横向扩散到不同深度的量子阱中，使得第二导电类型载流子在多量子阱发光层中的分布更加均匀，从而提高了LED结构的发光效率。
在本发明的一个实施例中，所述多个盲孔的深度相同。该实施例中，多个盲孔易于统一地加工。
在本发明的一个实施例中，所述形成第二导电类型半导体层包括：形成轻掺杂第二导电类型半导体子层，所述轻掺杂第二导电类型半导体子层填充所述多个盲孔；和形成重掺杂第二导电类型半导体子层，所述重掺杂第二导电类型半导体子层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层之上。该实施例中，通过二次生长的方式形成轻掺杂和重掺杂的两个子层，轻掺杂第二导电类型半导体子层的载流子浓度更大，更有利于载流子在量子阱中的移动，同时避免重掺杂第二类型半导体子层与多量子阱发光层之间的直接接触，防止多量子阱发光层中的载流子与重掺杂第二类型半导体子层的缺陷发生非辐射复合。
在本发明的一个实施例中，还包括步骤：在所述轻掺杂第二导电类型半导体子层与所述重掺杂第二导电类型半导体子层之间形成第一导电类型载流子阻挡层。该实施例中的第一导电类型载流子阻挡层可以有效减少第一导电类型载流子的溢流现象。
附图说明
图1是本发明第一实施例的LED结构的示意图。
图2是本发明第二实施例的LED结构的示意图。
图3是本发明第三实施例的LED结构的示意图。
图4是本发明一个实施例的LED结构的形成方法的流程示意图。
图5a-5h是本发明一个实施例的LED结构的形成方法的具体过程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图1-图3描述本发明实施例的LED结构。
本发明第一实施例的LED结构如图1所示，可以包括：图形化的衬底1、成核层2、缓冲层3、第一导电类型半导体层4、第二导电类型载流子阻挡层5、多量子阱发光层6、低掺杂第二类型半导体子层7、第一导电类型载流子阻挡层8、重掺杂第二导电类型半导体子层9、透明导电层10、第二电极11和第一电极12。其中，多量子阱发光层6包括六个量子阱(即X＝6)，且多量子阱发光层6的顶部具有多个盲孔。多个盲孔的深度相同，均贯穿五个量子阱(即Y＝5)这样易于同时加工形成。每个盲孔并不贯穿所有量子阱层(即X＞Y)，盲孔的底部仍位于多量子阱发光层6之中，不会因为孔贯穿了整个多量子发光阱6而导致短路。需要说明的是，该实施例中的成核层2、缓冲层3、第二导电类型载流子阻挡层5和透明导电层10均为可选的而非必须的结构层，本领域技术人员可以根据实际需要灵活设计。衬底1在其他实施例中也可以采用非图形化的衬底，此处选用图形化的衬底仅仅是示例，而非本发明的限制。
该实施例的LED中至少具有以下优点：
(1)通过设置盲孔使得第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离显著缩短，有利于第二导电类型载流子向下传输，增大了靠近第一导电类型半导体层中的量子阱中的第二导电类型载流子的浓度。同时，第二导电类型载流子向下传输过程中也会以横向移动的方式扩散到其他量子阱。这样使得整个多量子阱发光层中的载流子分布更加均匀，从而提高了载流子复合率，提升LED结构的发光效率。
(2)轻掺杂第二导电类型半导体子层和重掺杂第二导电类型半导体子层的双层结构，与现有技术中的单层的第二导电类型半导体层相比，轻掺杂第二导电类型半导体子层的载流子浓度更大，更有利于载流子在量子阱中的移动，同时避免重掺杂第二类型半导体子层与多量子阱发光层之间的直接接触，防止多量子阱发光层中的载流子与重掺杂第二类型半导体子层的缺陷发生非辐射复合。
(3)通过设置第一导电类型载流子阻挡层，可以有效减少第一导电类型载流子的溢流现象。
在本发明的一个实施例中，多个盲孔的深度也可以不相同。本发明第二实施例的LED结构如图2所示，可以看出多个盲孔贯穿的量子阱个数为2至5不等(即Y＝2或3或4或5)。该实施例有利于将第二导电类型载流子横向扩散到不同深度的量子阱中，使得第二导电类型载流子在多量子阱发光层中的分布更加均匀，从而提高了LED结构的发光效率。
尽管图1和图2示出的实施例的LED结构中，第一电极12和第二电极11为水平结构的形式，但在其他实施例中也可以采用垂直结构的形式。
本发明第三实施例的LED结构如图3所示，可以看出通过背面减薄工艺去除掉了图形化的衬底1、成核层2和缓冲层3，然后在器件底部形成了第一电极12。图3所示的实施例的LED结构中第一电极12和第二电极11为垂直结构的形式。
下面参考附图4描述本发明实施例的LED结构的形成方法。
本发明实施例的LED结构的形成方法如图4所示，可以包括以下步骤：
A.提供衬底。
B.在衬底之上形成第一导电类型半导体层。
C.在第一导电类型半导体层之上形成多量子阱发光层。多量子阱发光层包括X个量子阱。
D.在量子阱发光层的顶部形成多个盲孔，盲孔贯穿Y个量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y。
E.沉积第二导电类型半导体材料，以填充多个盲孔并且在多量子阱发光层之上形成第二导电类型半导体层。
F.形成与第一导电类型半导体层相连的第一电极。
G.形成与第二导电类型半导体层相连的第二电极。
需要说明的是，还可以在LED结构中形成成核层、缓冲层、第二导电类型载流子阻挡层和透明导电层等可选的结构层，此为本领域技术人员的已知知识，可以根据实际需要灵活设计，本文不赘述。
根据本发明实施例的形成方法得到的LED结构中，缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于第二导电类型载流子向下传输，增大了靠近第一导电类型半导体层中的量子阱中的第二导电类型载流子的浓度。同时，第二导电类型载流子向下传输过程中也会以横向移动的方式扩散到其他量子阱。这样使得整个多量子阱发光层中的载流子分布更加均匀，从而提高了载流子复合率，提升LED结构的发光效率。
在本发明的一个实施例中，X与Y的差值为1或2。这意味着多个盲孔的底部与第一导电类型半导体层的顶部之间仅相隔1至2个量子阱，显著缩短了第二导电类型半导体层局部区域与第一导电类型半导体层之间的距离，有利于将第二导电类型载流子输送到多量子阱发光层的较深处。
在本发明的一个实施例中，多个盲孔的深度不同。该实施例有利于将第二导电类型载流子横向扩散到不同深度的量子阱中，使得第二导电类型载流子在多量子阱发光层中的分布更加均匀，从而提高了LED结构的发光效率。
在本发明的一个实施例中，多个盲孔的深度相同。该实施例中，多个盲孔易于统一地加工。
在本发明的一个实施例中，形成第二导电类型半导体层包括两个步骤：(1)形成轻掺杂第二导电类型半导体子层，该轻掺杂第二导电类型半导体子层填充多个盲孔。(2)形成重掺杂第二导电类型半导体子层，重掺杂第二导电类型半导体子层位于轻掺杂第二导电类型半导体子层之上。该实施例中，通过二次生长的方式形成轻掺杂和重掺杂的两个子层，轻掺杂第二导电类型半导体子层的载流子浓度更大，更有利于载流子在量子阱中的移动，同时避免重掺杂第二类型半导体子层与多量子阱发光层之间的直接接触，防止多量子阱发光层中的载流子与重掺杂第二类型半导体子层的缺陷发生非辐射复合。
在本发明的一个实施例中，还可以包括步骤：在轻掺杂第二导电类型半导体子层与重掺杂第二导电类型半导体子层之间形成第一导电类型载流子阻挡层。该实施例中的第一导电类型载流子阻挡层可以有效减少第一导电类型载流子的溢流现象。
需要说明的是，第一电极和第二电极可以为水平结构的形式或者垂直结构的形式，本发明不做限定。
为使本领域技术人员更好地理解本发明的LED结构及其形成方法，申请人结合图5a至图5f介绍一个详细实施例如下。
步骤1.提供蓝宝石材料的衬底1，采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法对衬底1进行图形化。举例地，图形化衬底结构为周期性排列的尖锥状图形化衬底，尖锥状衬底的地面直径为2.0～2.7um，高度为1.5～1.7um，间距为0.3～1.0um。
需说明的是，其他实施例中也可以图形化加工为台阶状结构或柱状结构等其他表面突起。
步骤2.利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)等工艺在衬底1上外延生长成核层2。
步骤3.在成核层2上高温生长本征氮化镓(GaN)以形成缓冲层3。缓冲层3的生长过程中通过对温度、压强、III/V族化合物比例等工艺参数的控制实现GaN在图形化衬底1沟槽区域上方的横向外延生长。
步骤4.在缓冲层3上生长Si掺杂的n-GaN作为第一导电类型半导体层4。
步骤5.在第一导电类型半导体层4之上继续生长Si掺杂的n-AlGaN作为第二导电类型载流子阻挡层5(即空穴阻挡层)。
步骤6.在第二导电类型载流子阻挡层5上生长多量子阱发光层6。多量子阱发光层6的结构为InxGa1-xN/GaN(0＜x＜1)，其中势阱层厚度约为2-3纳米，势垒层厚度约为8-15纳米，量子阱的周期数目可以为1到10。多量子阱发光层6的生长温度约为700-850℃。
此时，外延片的结构示意图如图5a所示。
步骤7.在外延片顶部涂布光刻胶，进行曝光显影出特定图形，此时如图5b所示。该特定图形决定了未来形成的盲孔的横截面图形，可以为圆形、三角形、多边形等等，本发明不做限制。多个盲孔的横截面总面积约占外延层面积的10～50％。然后采用ICP蚀刻等工艺对外延层表面进行蚀刻，以在多量子阱发光层6上蚀刻出特定图形，此时如图5c所示。蚀刻深度为蚀刻到靠近第二导电类型载流子阻挡层5的1-2个量子阱即可，ICP蚀刻后的结构如图5d所示。随后去除残余的光刻胶，如图5e所示。
步骤8.在多量子阱发光层6上生长低掺杂p-GaN作为低掺杂第二类型半导体子层7，并通过工艺的控制，使低掺杂p-GaN沉积到所蚀刻的多量子阱发光层6中的盲孔区域内。
步骤9.在低掺杂第二类型半导体子层7上生长AlGaN材料的第一导电类型载流子阻挡层8(电子阻挡层)。
步骤10.在第一导电类型载流子阻挡层8上生长重掺杂p-GaN材料的重掺杂第二导电类型半导体子层9。
步骤11.对重掺杂第二导电类型半导体子层9进行活化。活化的方式为在温度为600-800℃的真空或氮气氛围下进行快速热退火，或者采用离子束进行轰击进行活化。此时如图5f所示。
步骤12.采用ICP蚀刻的方法将部分区域蚀刻到第一导电类型半导体层4，并在第一导电类型半导体层4中蚀刻出台阶状结构，台阶面高度为500～2000纳米。
步骤13.在重掺杂第二导电类型半导体子层9上采用蒸镀的方法生长透明导电层10，此时如图5g所示。透明导电层10的材料可以为ITO、CTO、ZnO:Al、Ni/Au、Ni/Pd/Au、Pt/Au等中的一种或多种的组合。透明导电层10的厚度约为1-1000纳米。
步骤14.采用蒸镀等方法在透明导电层10上制备第二电极11(即金属P电极)。第二电极11的材料可以为Ti/Au合金，也可以是Ni、Au、Al、Ti、Pd、Pt、Sn、Cr中任意一种或多种金属的合金。第二电极11的厚度约为0.2-1微米。
步骤15.采用蒸镀等方法在蚀刻出的台阶状结构表面和侧壁上制备第二电极11(即金属N电极)。第一电极12的材料可以为Ti、Al、Au、Pt、Sn中一种或多种金属的合金。第一电极12的厚度约为0.2-1微米。
至此，形成了本发明实施例的LED结构，如图5h所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (12)
1.一种LED结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底之上的第一导电类型半导体层；
位于所述第一导电类型半导体层之上的多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括X个量子阱，所述多量子阱发光层的顶部具有多个盲孔，所述盲孔贯穿Y个所述量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y；
位于所述多量子阱之上的第二导电类型半导体层，所述第二导电类型半导体层填充所述多个盲孔；
第一电极，所述第一电极与所述第一导电类型半导体层相连；以及
第二电极，所述第二电极与所述第二导电类型半导体层相连。
2.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述X与Y的差值为1或2。
3.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述多个盲孔的深度不同。
4.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述多个盲孔的深度相同。
5.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述第二导电类型半导体层包括：
轻掺杂第二导电类型半导体子层，所述轻掺杂第二导电类型半导体子层填充所述多个盲孔；和
重掺杂第二导电类型半导体子层，所述重掺杂第二导电类型半导体子层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层之上。
6.如权利要求5所述的LED结构，其特征在于，还包括：
第一导电类型载流子阻挡层，所述第一导电类型载流子阻挡层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层与所述重掺杂第二导电类型半导体子层之间。
7.一种LED结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底之上形成第一导电类型半导体层；
在所述第一导电类型半导体层之上形成多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括X个量子阱；
在所述多量子阱发光层的顶部形成多个盲孔，所述盲孔贯穿Y个所述量子阱，其中X和Y为正整数且X＞Y；
沉积第二导电类型半导体材料，以填充所述多个盲孔并且在所述多量子阱发光层之上形成第二导电类型半导体层；
形成与所述第一导电类型半导体层相连的第一电极；以及
形成与所述第二导电类型半导体层相连的第二电极。
8.如权利要求7所述的LED结构的形成方法，其特征在于，所述X与Y的差值为1或2。
9.如权利要求7所述的LED结构的形成方法，其特征在于，所述多个盲孔的深度不同。
10.如权利要求7所述的LED结构的形成方法，其特征在于，所述多个盲孔的深度相同。
11.如权利要求7所述的LED结构的形成方法，其特征在于，所述形成第二导电类型半导体层包括步骤：
形成轻掺杂第二导电类型半导体子层，所述轻掺杂第二导电类型半导体子层填充所述多个盲孔；和
形成重掺杂第二导电类型半导体子层，所述重掺杂第二导电类型半导体子层位于所述轻掺杂第二导电类型半导体子层之上。
12.如权利要求11所述的LED结构的形成方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述轻掺杂第二导电类型半导体子层与所述重掺杂第二导电类型半导体子层之间形成第一导电类型载流子阻挡层。
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