CN105633229B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管及其制作方法，其利用选择性生长方式形成分段的量子井，避免光子在LED内量子井的再吸收效应，使得外部萃取效率提升，亮度增加。所述发光二极管包括发光二极管，依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述第一半导体层的上表面至少划分为第一生长区和第二生长区，所述有源层通过选择性外延生长的方式仅形成于所述第一生长区，所述第二半导体层通过外延生长覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体为一种发光二极管及其制作方法。
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。随着 LED 应用的越来越广泛，进一步提高发光效率已势在必行。
LED光效主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。由于半导体材料的折射率与空气或者封装材料（如环氧树脂）的差异较大，造成严重的全反射，使光被反射回来，而反射回来的光于LED内部来回震荡，在光子震荡的路径中会被吸光的衬底以及能隙接近的量子井吸收，造成亮度损失。
发明内容
本发明针对上述问题，本发明利用选择性生长方式形成分段的量子井，避免光子在LED内量子井的再吸收效应，使得外部萃取效率提升，亮度增加。
本发明的技术方案为：发光二极管，依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述第一半导体层的上表面至少划分为第一生长区和第二生长区，所述有源层通过选择性外延生长的方式仅形成于所述第一生长区，所述第二半导体层通过外延生长覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。
优先地，所述发光二极管还包括一位于所述第一半导体层和有源层之间的第一半导体缓冲层，其通过外延生长的方式仅形成于所述第一半导体层的第一生长区。
优选地，所述发光二极管还包括一位于所述第二半导体层和有源层之间的第二半导体缓冲层，其通过外延生长的方式覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。
在一些实施例中，所述第一半导体层的上表面可划分为第一生长区、第二生长区和第三生长区，其中第一、第三生长区通过第二生长区间隔开，所述有源层通过外延生长的方式仅形成于所述第一生长区和第三生长区，形成交错型有源层，所述第二半导体层通过外延生长覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。如此，可维持与传统有源层基本相同的发光面积，但利用交错设计避免光在反射过程中二次吸收。
进一步地，位于第一生长区和第三生长区的有源层可以分别发射不同波段光线，两者混合形成白光。
进一步地，所述有源层可以为不同形态量子井，如使用双异质结构搭配量子井结构。在具体实施例中，位于第一生长区的有源层为量子阱结构，位于第三生长区的有源层为双异质结构。双异质结构具有较宽的井与垒，因此对于高温时载子溢流的状况会比量子井结构来的减轻，搭配双异质结构可以改善量子井结构在高温时的缺点。
进一步地，所述第一生长区和第三生长区的面积分别为S1和S3，两者的关系为：S1＞S3。
本发明同时提供了一种发光二极管的制作方法，包括步骤：1）衬底，在所述衬底上形成第一半导体层；2）将所述第一半导体层的上表面至少划分为第一生长区和第二生长区；3）采用选择性外延生长的方式在所述第一半导体层的第一生长区形成有源层；4）在所述有源层和第一半导体层的第二生长区外延生长第二半导体层。
优选地，所述步骤2）中，首先在第一半导体层的第一生长区继续生长第一半导体层，接着再生长有源层。
优选地，所述步骤2）中，首先在第一半导体层的第一生长区继续生长第一半导体层，接着生长一第一半导体缓冲层，最后生长所述有源层。
优选地，所述步骤4）中，在所述有源层和第一半导体层的第二生长区首先外延生长一第二半导体缓冲层层，接着生长所述第二半导体层。
在一些实施例中，所述步骤2）中，将所述第一半导体层的上表面至少划分为第一生长区、第二生长区和第三生长区，其中第一、第三生长区通过第二生长区间隔开；所述步骤3）中在第一半导体层的第一生长区和第三生长区外延生长有源层，形成交错型有源层。
优选地，所述步骤3）分两次外延生长有源层，首先在第一生长区生长第一有源层，接着在第三生长区生长第二有源层。
在一些实施例，所述第一有源层和第二有源层分别发射不同波段光线，两者混合形成白光。
在一些实施例，所述第一有源层为量子阱结构，第二有源层为双异质结构。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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，与本发明的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1 是根据本发明实施的一种LED外延结构剖视图。
图2是制作图1所示LED外延结构的过程示意图。
图3是图2所示步骤3中第一半导体层表面的图案。
图4是根据本发明实施的一种LED芯片结构剖视图。
图5是根据本发明实施的另一种LED芯片结构剖视图。
图6是根据本发明实施的另一种LED外延结构剖视图。
图7和图8分别显示了传统LED的光路径和根据本发明实施的LED的光路径。
具体实施方式
下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。
参看图1，根据本发明实施的一种发光二极管的外延结构，包括：衬底110，第一半导体层120、有源层122、第二半导体层124，其中第一半导体层120的上表面划分为第一生长区120a和第二生长区120b，其中有源层122选择性生长于第一生长区120a的表面上，呈分段式结构。
衬底110的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其表面结构可为平面结构或图案化图结构。当第一半导体层120为p 型半导体，第二半导体层124可为相异电性的n型半导体，反之，当第一半导体层120为n 型半导体，第二半导体层124可为相异电性的p型半导体。有源层122可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过半导体发光叠层时，激发有源层122发光出光线。当有源层122以氮化物为基础的材料时，会发出蓝或绿光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。在本实施例中，第一半导体层120为n型半导体、第二半导体层124为p型半导体，有源层122采用磷化铝铟镓系多量子阱结构。进一步地，在第一半导体层120与有源层122之间设置第一半导体缓冲层121，在有源层122和第二半导体层124之间设置第二半导体缓冲层123。具体的，第一半导体层120为Si掺杂的AlGaInP材料层，Si浓度为7×1017~1×1018，第二半导体层124为掺Mg的GaP材料层，掺杂浓度为1.5×1018以上，第一和第二半导体缓冲层均为(Al0.7Ga0.3)InP材料层。在其他实施例中，有源层122采用氮化物材料，可在第一半导体层120与有源层之间设置超晶格应力缓冲层121，在有源层122与第二半导体层124之间设置电子阻挡层等。
在本实施例中，第一半导体层120的上表面的图案设计主要考虑亮度提升需求，在保证有源层的有效发光面积的前提下，尽量减少有源层中量子阱的吸光。请参看图3，显示了一种较佳的图案，在该图案中，第一生长区120a为一系列相互分离的图案，其图案的形状可为圆形、方形、六边形等。如此当在第一半导体层的第一生长区120a的表面上选择性生长第二半导体缓冲层121、有源层122时，形成一系列分段式的量子阱结构。如此可避免光子在LED内量子井的再吸收效应。
下面结合图2和具体的制作方法对上述LED外延结构进行详细说明，在本实施例，以磷化铝铟镓系红光LED为例。
步骤1：在GaAs衬底采用MOCVD生长第一半导体层120；
步骤2：在第一半导体层120的上表面利用PECVD沉积约2um厚度的SiOx掩膜层200，再经由黄光工艺定义第一生长区120a和第二生长区120b，其中第二生长区以BOE蚀刻，蚀刻后再将光阻移除；
步骤3：将前述完成图形定义的外延片再经由MOCVD进行二外延生长，首先继续生长厚度50~100nm 的第一半导体层120，接着生长厚度50~70nm的第一半导体缓冲层121，接着完成有源层后停止生长；
步骤4：将第一半导体层的第一生长区120a的SiOx掩膜层200去除；
步骤5：再以MOCVD进一步完成第二半导体缓冲层123以及第二半导体层124的生长，其中第二半导体缓冲层123和第二半导体层124覆盖第一半导体层的第一生长区120a和有源层122的上表面。
在上述方法中，首先在第一半导体层120的上表面定义有源层的生长区，并采用选择性外延生长形成分段式量子阱结构，如此有效保证有源层之量子阱结构的外延质量及结构的完整性。
图4显示了采用图1所示外延结构制作的LED芯片结构剖视图，该LED芯片从下而上依次包括：导电基板140，由高反射率金属层132和低折射率介电层131构成的高反射率镜面系统，第二半导体层124，第二半导体缓冲层123，有源层122，第一半导体缓冲层121，第一半导体层120和顶面电极150。在该LED芯片结构中，去除衬底110，替换为减少吸光材料的导电基板140，同时在导电基板140和第二半导体层124之间设置高反射率镜面系统，从而进一步强化器件的取光效率。
图5显示了采用图1所示外延结构制作的另一种LED芯片结构剖视图，该LED芯片从下而上依次包括：导电基板140，由高反射率金属层132和低折射率介电层131构成的高反射率镜面系统，第一半导体层120，第一半导体缓冲层121，有源层122，第二半导体缓冲层123，第二半导体层124和顶面电极150。在该LED芯片结构中，采用两次键合技术，将衬底110更替换为减少吸光材料的导电基板140，同时在导电基板140和第一半导体层120之间设置高反射率镜面系统，从而进一步强化器件的取光效率。
图6显示了根据本发明实施的一种发光二极管的外延结构。该LED外延结构包括：衬底110、第一半导体层120、有源层122、第二半导体层124，其中第一半导体层120的上表面划分为第一生长区120a和第二生长区120b和第三生长区120c，其中第一生长区120a和第三生长区120c通过第二生长区120b分隔开，有源层120通过选择性外延生长于第一半导体层120的第一生长区120a和第三生长区120c，形成交错的结构，在维持与传统有源层基本相同的发光面积，利用交错设计避免光在反射过程中二次吸收。
图7和图8分别显示了传统LED的光路径和根据本发明实施的LED的光路径，有源层122发出了各个方向的光线 LA、LB，其中LA直接向上射出，LB向下通过镜面系统130反射后向上射出。在图7中，LB在经镜面系统反射后射向有源层的量子阱，被量子阱吸收，其最终射出LED外的LB1变弱；在图8中，由于有源层122为交错的量子阱结构，因此有源层发出的光线LB经镜面系统反射后，可经过量子阱122a和122c之间的连接区射出，不会被量子阱吸收。
作为本发明的一个较佳实施例，上述LED结构可分别在第一半导体层的第一生长区和第三生长区生长不同波长量子井，形成一混光LED 。例如在第一生长区生长蓝光量子阱120a，在第三生长区生长黄光量子阱120c。其中蓝光量子阱120a可采用InxGa1-xN/GaN超晶格结构，其中In组分x为0.1~0.3之间，黄光量子阱120c可采用InyGa1-yN/GaN超晶格结构，其中In组分y为0.3~0.6之间为宜，从而构成在水平方向直接混光的白光LED芯片。通过调整第一生长区和第三生长区的面积，进而调节蓝光和黄光产生的比例，进而可以调整白光的色温。
作为本发明的另一个较佳实施例，上述LED结构可分别在第一半导体层的第一生长区和第三生长区生长分别生长量子阱和双异质结构。由于双异质结构具有较宽的井与垒，因此对于高温时载流子溢流的状况会比量子井结构来的减轻，搭配双异质结构可以改善量子井结构在高温时由于发生严重的载流子溢流造成的亮度衰减。在本实施例中，在第一半导体层的第一生长区生长量子阱结构，在第三生长区生长双异质结构，其中量子阱结构的面积S1大于或等于双异质结构的面积S3，其较佳比例为1：1 ~ 5：1。
尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。
Claims (13)
1.发光二极管，依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于：所述第一半导体层的上表面划分为第一生长区、第二生长区和第三生长区，其中第一、第三生长区通过第二生长区间隔开，所述有源层通过外延生长的方式仅形成于所述第一生长区和第三生长区，其中第三生长区的有源层高于第一生长区的有源层，形成交错型有源层，所述第二半导体层通过外延生长覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：位于第一生长区和第三生长区的有源层分别发射不同波段光线，两者混合形成白光。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：位于第一生长区的有源层为量子阱结构，位于第三生长区的有源层为双异质结构。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第一生长区和第三生长区的面积分别为S1和S3，两者的关系为：S1＞S3。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：还包括一位于所述第一半导体层和有源层之间的第一半导体缓冲层，其通过外延生长的方式仅形成于所述第一半导体层的第一生长区和第三生长区。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：还包括一位于所述第二半导体层和有源层之间的第二半导体缓冲层，其通过外延生长的方式覆盖所述有源层及第一半导体层的第二生长区。
7.发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）衬底，在所述衬底上形成第一半导体层；
2）设置掩膜层，将所述第一半导体层的上表面划分为第一生长区、第二生长区和第三生长区，其中第一、第三生长区通过第二生长区间隔开；
3）采用选择性外延生长的方式在所述第一半导体层的第一生长区和第三生长区形成有源层，其中第三生长区的有源层高于第一生长区的有源层，形成交错型有源层；
4）去除掩膜层，在所述有源层和第一半导体层的第二生长区外延生长第二半导体层；
当向有源层注入电流时，有源层发射出的光一部分经反射后从第二生长区射出，所述第二生长区为一系列相互分离的图案，保证有源层的有效发光面积的前提下，尽量减少有源层的吸光。
8.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中首先在第一生长区生长第一有源层，接着在第三生长区生长第二有源层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一有源层和第二有源层分别发射不同波段光线，两者混合形成白光。
10.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一有源层为量子阱结构，第二有源层为双异质结构。
11.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，首先在第一半导体层的第一生长区和第三生长区继续生长第一半导体层，接着再生长有源层。
12.根据权利要求11所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，首先在第一半导体层的第一生长区和第三生长区继续生长第一半导体层，接着生长一第一半导体缓冲层，最后生长所述有源层。
13.根据权利要求11所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤4）中，在所述有源层和第一半导体层的第二生长区首先外延生长一第二半导体缓冲层，接着生长所述第二半导体层。
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