CN105957928B - 一种谐振腔发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振腔发光二极管及其制造方法，属于半导体技术领域。所述谐振腔发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的下分布式布拉格反射镜DBR、N型层、有源层、P型层、透明导电层、钝化层、下DBR，所述P型层和所述透明导电层上设置有P型电极，所述N型层上设置有N型电极，所述下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，所述图形单元和所述上DBR均采用氧化物材料。本发明通过下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元和上DBR均采用氧化物材料，不会由于高掺杂浓度的Al影响RCLED的外延质量，可以在保证外延质量的情况下提高下DBR的反射率，而且实现成本低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种谐振腔发光二极管及其制造方法。
背景技术
近年来，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)作为新一代绿色光源，广泛应用于照明、背光、显示、指示等领域。谐振腔发光二极管(Resonant Cavity LightEmitting Diode，简称RCLED)是一种辐射区在光学腔中的LED。光学腔的谐振波长与有源区的发光波长接近或谐振，因此光学腔也称为谐振腔，来自谐振腔内部的发光区的自发辐射特性由于谐振腔效应而得到增强。
RCLED的基本结构包括上反射镜和下反射镜，夹在上反射镜和下反射镜中间的有源层，以及传导电极。其中，下反射镜通常采用交替层叠的AlGaN层和GaN层，或者交替层叠的InAlGaN层和GaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
对于从上面出光的RCLED，上反射镜的反射率要小于下反射镜。现有的下反射镜主要通过提高Al在GaN中的掺杂浓度达到下反射镜高反射率的要求，但高掺杂浓度的Al会影响RCLED的外延质量，造成RCLED晶格失配，出现大量位错和缺陷，极大影响RCLED的应用。
发明内容
为了解决现有技术无法兼容高反射率和外延质量的问题，本发明实施例提供了一种谐振腔发光二极管及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种谐振腔发光二极管，所述谐振腔发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的下分布式布拉格反射镜DBR、N型层、有源层、P型层、透明导电层、钝化层、上DBR，所述P型层和所述透明导电层上设置有P型电极，所述N型层上设置有N型电极，所述下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，所述图形单元和所述上DBR均采用氧化物材料；
所述上DBR和所述下DBR之间的距离D满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表所述上DBR和所述下DBR之间的不同层，λ为所述谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为所述上DBR和所述下DBR之间各层的折射率。
可选地，所述图形单元为相互平行的上底面和下底面、以及连接所述上底面和所述下底面的侧面围成的多面体，所述上底面的面积小于所述下底面的面积，所述下底面与所述衬底相接触。
优选地，所述上底面与所述下底面之间的距离为1μm～3μm，所述下底面中两点之间的最大距离为2μm～8μm，所述侧面与所述下底面之间的最大夹角为30°～60°。
可选地，所述图形单元包括交替层叠的高下折射层和低下折射层，所述高下折射层采用的材料包括TiO2、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，所述低下折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种。
优选地，所述高下折射层和所述低下折射层的层数之和为10层～72层。
可选地，所述上DBR包括交替层叠的高上折射层和低上折射层，所述高上折射层采用的材料包括TiO2、Ti3O5、HfO2、ZrO2和Nb2O3的至少一种，所述低上折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种。
优选地，所述高上折射层和所述低上折射层的层数之和为10层～72层。
另一方面，本发明实施例提供了一种谐振腔发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上形成下分布式布拉格反射镜DBR，所述下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，所述图形单元采用氧化物材料；
在所述下DBR上依次生长N型层、有源层、P型层；
在所述P型层上开设从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽；
在所述P型层上形成透明导电层；
在所述透明导电层、所述N型层上形成钝化层；
在所述钝化层上形成上DBR，所述上DBR采用氧化物材料；
对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，并在所述P型层和所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极；
所述上DBR和所述下DBR之间的距离D满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表所述上DBR和所述下DBR之间的不同层，λ为所述谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为所述上DBR和所述下DBR之间各层的折射率。
可选地，所述对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，并在所述P型层和所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极，包括：
在所述上DBR上涂覆一层光刻胶；
对所述光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的所述光刻胶；
在设定图形的所述光刻胶的保护下，对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，形成从所述上DBR延伸到所述透明导电层的凹槽、从所述上DBR延伸到所述P型层的凹槽、从所述上DBR延伸到所述N型层的凹槽；
在所述光刻胶、所述透明层、所述P型层、所述N型层上形成电极；
剥离设定图形的所述光刻胶，形成所述P型电极和所述N型电极。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元和上DBR均采用氧化物材料，不会由于高掺杂浓度的Al影响RCLED的外延质量，可以在保证外延质量的情况下提高下DBR的反射率，而且实现成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种谐振腔发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种谐振腔发光二极管的制造方法的流程图；
图3a-图3g是本发明实施例二提供的谐振腔发光二极管制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种一种谐振腔发光二极管，参见图1，该谐振腔发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的下分布式布拉格反射镜(Distributed BraggReflector，简称DBR)2、N型层3、有源层4、P型层5、透明导电层6、钝化层7、下DBR 8，P型层5和透明导电层6上设置有P型电极9，N型层3上设置有N型电极10。
在本实施例中，下DBR 8包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元和上DBR均采用氧化物材料。
可选地，图形单元可以为相互平行的上底面和下底面、以及连接上底面和下底面的侧面围成的多面体，上底面的面积小于下底面的面积，下底面与衬底相接触。
优选地，上底面与下底面之间的距离可以为1μm～3μm，下底面中两点之间的最大距离可以为2μm～8μm，侧面与下底面之间的最大夹角可以为30°～60°。
更优选地，上底面与下底面之间的距离可以为1.5μm～2μm，下底面中两点之间的最大距离可以为2μm～3.5μm。
可选地，图形单元可以包括交替层叠的高下折射层和低下折射层，高下折射层采用的材料包括TiO2、Ti2O5、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，低下折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种，稳定性好，吸收系数低。
优选地，高下折射层采用的材料可以为Ti2O5，低下折射层采用的材料可以为SiO2，实现工艺成熟。
优选地，高下折射层和低下折射层的层数之和可以为10层～72层，不需要较多层数即可实现较高的反射率，生产效率高，实现成本低。
可选地，上DBR 2可以包括交替层叠的高上折射层和低上折射层，高上折射层采用的材料包括TiO2、Ti3O5、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，低上折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种，稳定性好，吸收系数低。
优选地，高上折射层和低上折射层的层数之和可以为10层～72层，不需要较多层数即可实现较高的反射率，生产效率高，实现成本低。
可选地，上DBR和下DBR之间的距离D可以满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表上DBR和下DBR之间的不同层，λ为谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为上DBR和下DBR之间各层的折射率。
容易知道，形成谐振腔的条件在于形成驻波，驻波要求反射波与出射波相消，即反射波与反射波的相位差为π。由于波长/折射率为光在介质中的等效波长，k为奇数，因此上DBR和下DBR之间的距离等于1/2波长、3/2波长、5/2波长等，可以满足谐振腔的条件(反射波与反射波的相位差为π)。
具体地，N型层3为N型GaN层，有源层4包括交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层5为P型GaN层。
可选地，衬底1可以为002面蓝宝石衬底、SiC衬底或者Si衬底。
可选地，透明导电层6采用的材料可以包括氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)、石墨烯、以及氧化锌(ZnO)中的至少一种。
优选地，透明导电层6采用的材料可以为ITO，使用最为普遍。
可选地，钝化层7的厚度可以为10nm～500nm。
优选地，钝化层7的厚度可以为80nm。
可选地，钝化层7采用的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中的至少一种，对发光二极管进行保护，避免反向漏电等问题，提高发光二极管的可靠性。
优选地，钝化层7采用的材料可以为氧化硅，以便使用腐蚀溶液开孔形成电极。
可选地，P型电极9采用的材料可以包括金、银、铝、镍、铂、钛中的至少一种。
优选地，P型电极9可以为依次层叠的铬层、铝层、铬层、钛层、铬层，以适用接触、反光、导电等作用。
可选地，N型电极10采用的材料可以包括金、银、铝、铬、镍、铂、钛中的至少一种。
本发明实施例通过下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元和上DBR均采用氧化物材料，不会由于高掺杂浓度的Al影响RCLED的外延质量，可以在保证外延质量的情况下提高下DBR的反射率，而且实现成本低。
实施例二
本发明实施例提供了一种谐振腔发光二极管的制造方法，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：在衬底上形成下DBR。
图3a为执行步骤201后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR。
在本实施例中，下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元采用氧化物材料。
可选地，衬底可以为002面蓝宝石衬底、SiC衬底或者Si衬底。
可选地，图形单元可以为相互平行的上底面和下底面、以及连接上底面和下底面的侧面围成的多面体，上底面的面积小于下底面的面积，下底面与衬底相接触。
优选地，上底面与下底面之间的距离可以为1μm～3μm，下底面中两点之间的最大距离可以为2μm～8μm，侧面与下底面之间的最大夹角可以为30°～60°。
更优选地，上底面与下底面之间的距离可以为1.5μm～2μm，下底面中两点之间的最大距离可以为2μm～3.5μm。
可选地，图形单元可以包括交替层叠的高下折射层和低下折射层，高下折射层采用的材料包括TiO2、Ti2O5、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，低下折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种，稳定性好，吸收系数低。
优选地，高下折射层采用的材料可以为Ti2O5，低下折射层采用的材料可以为SiO2，实现工艺成熟。
优选地，高下折射层和低下折射层的层数之和可以为10层～72层，不需要较多层数即可实现较高的反射率，生产效率高，实现成本低。
具体地，该步骤201可以包括：
在衬底上沉积氧化物材料；
采用光刻工艺对氧化物材料进行刻蚀，得到呈阵列排列的若干图形单元。
步骤202：在下DBR上依次生长N型层、有源层、P型层。
图3b为执行步骤202后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层。
具体地，N型层为N型GaN层，有源层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层为P型GaN层。
具体地，该步骤202可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术在下DBR上依次生长N型层、有源层、P型层。
可选地，该步骤201可以包括：
在下DBR上形成缓冲层；
在缓冲层上依次生长N型层、有源层、P型层。
可以理解地，先形成一层缓冲层，有利于N型层、有源层、P型层的生长，提高晶体质量。
步骤203：在P型层上开设从P型层延伸至N型层的凹槽。
图3c为执行步骤203后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层，100为凹槽。
具体地，该步骤203可以包括：
采用光刻工艺在P型层上开设从P型层延伸至N型层的凹槽。
更具体地，采用光刻工艺在P型层上开设从P型层延伸至N型层的凹槽，可以包括：
在P型层上形成一层光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，采用感应耦合等离子体刻蚀(Inductive Coupled Plasma，简称ICP)技术在P型层上开设从P型层延伸至N型层的凹槽；
剥离光刻胶。
其中，凹槽的深度大于P型层和有源层的厚度之和，且凹槽的深度小于P型层、有源层和N型层的厚度之和。
步骤204：在P型层上形成透明导电层。
图3d为执行步骤204后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层，6为透明导电层，100为凹槽。
可选地，透明导电层采用的材料可以包括氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)、石墨烯、以及氧化锌(ZnO)中的至少一种。
优选地，透明导电层采用的材料可以为ITO，使用最为普遍。
具体地，该步骤204可以包括：
采用物理气相相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)在P型层和N型层上沉积透明导电层；
采用光刻工艺去除N型层上的透明导电层，留下P型层上的透明导电层。
更具体地，采用光刻工艺去除N型层上的透明导电层，留下P型层上的透明导电层，可以包括：
在透明导电层上形成一层光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在设定图形的光刻胶的保护下，对透明导电层进行腐蚀清洗，留下P型层上的透明导电层；
剥离光刻胶。
步骤205：在透明导电层、N型层上形成钝化层。
图3e为执行步骤205后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层，6为透明导电层，7为钝化层，100为凹槽。
可选地，钝化层的厚度可以为10nm～500nm。
优选地，钝化层的厚度可以为80nm。
可选地，钝化层采用的材料可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中的至少一种，对发光二极管进行保护，避免反向漏电等问题，提高发光二极管的可靠性。
优选地，钝化层采用的材料可以为氧化硅，以便使用腐蚀溶液开孔形成电极。
具体地，该步骤205可以包括：
采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)技术在透明导电层、N型层上形成钝化层。
步骤206：在钝化层上形成上DBR。
图3f为执行步骤206后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层，6为透明导电层，7为钝化层，8为上DBR，100为凹槽。
在本实施例中，上DBR采用氧化物材料。
可选地，上DBR可以包括交替层叠的高上折射层和低上折射层，高上折射层采用的材料包括TiO2、Ti3O5、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，低上折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种，稳定性好，吸收系数低。
优选地，高上折射层和低上折射层的层数之和可以为10层～72层，不需要较多层数即可实现较高的反射率，生产效率高，实现成本低。
具体地，该不好走206可以包括：
采用电子束蒸发或者原子层沉积技术在钝化层上形成上DBR。
步骤207：对上DBR、钝化层、透明导电层进行刻蚀，并在P型层和透明导电层上设置P型电极，在N型层上设置N型电极。
图3g为执行步骤207后的谐振腔发光二极管的结构示意图。其中，1为衬底，2为下DBR，3为N型层，4为有源层，5为P型层，6为透明导电层，7为钝化层，8为上DBR，9为P型电极，10为N型电极，100为凹槽。
可选地，P型电极采用的材料可以包括金、银、铝、镍、铂、钛中的至少一种。
优选地，P型电极可以为依次层叠的铬层、铝层、铬层、钛层、铬层，以适用接触、反光、导电等作用。
可选地，N型电极采用的材料可以包括金、银、铝、铬、镍、铂、钛中的至少一种。
具体地，该步骤207可以包括：
在上DBR上涂覆一层光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在设定图形的光刻胶的保护下，采用ICP技术对上DBR、钝化层、透明导电层进行刻蚀，形成从上DBR延伸到透明导电层的凹槽、从上DBR延伸到P型层的凹槽、从上DBR延伸到N型层的凹槽；
在光刻胶、透明层、P型层、N型层上形成电极；
剥离设定图形的光刻胶，形成P型电极和N型电极。
可选地，在光刻胶、透明层、P型层、N型层上形成电极，可以包括：
采用蒸发技术在光刻胶、透明层、P型层、N型层上形成电极。
容易知道，采用蒸发技术形成电极，速率较快。
可选地，在光刻胶、透明层、P型层、N型层上形成电极，可以包括：
采用溅射技术在光刻胶、透明层、P型层、N型层上形成电极。
可选地，上DBR和下DBR之间的距离D可以满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表上DBR和下DBR之间的不同层，λ为谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为上DBR和下DBR之间各层的折射率。
容易知道，形成谐振腔的条件在于形成驻波，驻波要求反射波与出射波相消，即反射波与反射波的相位差为π。由于波长/折射率为光在介质中的等效波长，k为奇数，因此上DBR和下DBR之间的距离等于1/2波长、3/2波长、5/2波长等，可以满足谐振腔的条件(反射波与反射波的相位差为π)。
本发明实施例通过下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，图形单元和上DBR均采用氧化物材料，不会由于高掺杂浓度的Al影响RCLED的外延质量，可以在保证外延质量的情况下提高下DBR的反射率，而且实现成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种谐振腔发光二极管，所述谐振腔发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的下分布式布拉格反射镜DBR、N型层、有源层、P型层、透明导电层、钝化层、上DBR，所述P型层和所述透明导电层上设置有P型电极，所述N型层上设置有N型电极，其特征在于，所述下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，所述图形单元和所述上DBR均采用氧化物材料；
所述上DBR和所述下DBR之间的距离D满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表所述上DBR和所述下DBR之间的不同层，λ为所述谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为所述上DBR和所述下DBR之间各层的折射率。
2.根据权利要求1所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述图形单元为相互平行的上底面和下底面、以及连接所述上底面和所述下底面的侧面围成的多面体，所述上底面的面积小于所述下底面的面积，所述下底面与所述衬底相接触。
3.根据权利要求2所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述上底面与所述下底面之间的距离为1μm～3μm，所述下底面中两点之间的最大距离为2μm～8μm，所述侧面与所述下底面之间的最大夹角为30°～60°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述图形单元包括交替层叠的高下折射层和低下折射层，所述高下折射层采用的材料包括TiO2、HfO2、Ta2O5、ZrO2和Nb2O3的至少一种，所述低下折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种。
5.根据权利要求4所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述高下折射层和所述低下折射层的层数之和为10层～72层。
6.根据权利要求1-3任一项所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述上DBR包括交替层叠的高上折射层和低上折射层，所述高上折射层采用的材料包括TiO2、Ti3O5、HfO2、ZrO2和Nb2O3的至少一种，所述低上折射层采用的材料包括SiO2、Al2O3、MgO和MgF2的至少一种。
7.根据权利要求6所述的谐振腔发光二极管，其特征在于，所述高上折射层和所述低上折射层的层数之和为10层～72层。
8.一种谐振腔发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底上形成下分布式布拉格反射镜DBR，所述下DBR包括呈阵列排列的若干图形单元，所述图形单元采用氧化物材料；
在所述下DBR上依次生长N型层、有源层、P型层；
在所述P型层上开设从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽；
在所述P型层上形成透明导电层；
在所述透明导电层、所述N型层上形成钝化层；
在所述钝化层上形成上DBR，所述上DBR采用氧化物材料；
对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，并在所述P型层和所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极；
所述上DBR和所述下DBR之间的距离D满足如下公式：
D＝(1/2)*k*∑i(λ/ni)；
其中，k为奇数，∑i为对i取所有值时的λ/ni求和，i取不同值代表所述上DBR和所述下DBR之间的不同层，λ为所述谐振腔发光二极管产生光的中心波长，ni为所述上DBR和所述下DBR之间各层的折射率。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，并在所述P型层和所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极，包括：
在所述上DBR上涂覆一层光刻胶；
对所述光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的所述光刻胶；
在设定图形的所述光刻胶的保护下，对所述上DBR、所述钝化层、所述透明导电层进行刻蚀，形成从所述上DBR延伸到所述透明导电层的凹槽、从所述上DBR延伸到所述P型层的凹槽、从所述上DBR延伸到所述N型层的凹槽；
在所述光刻胶、所述透明层、所述P型层、所述N型层上形成电极；
剥离设定图形的所述光刻胶，形成所述P型电极和所述N型电极。
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