CN109817776A - 一种发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管芯片，包括：衬底；以及，在所述衬底上依次形成的缓冲层、第一类型半导体层、发光层、电子阻挡层、第二类型半导体层和电流扩散层；所述电子阻挡层上排布有孔洞，所述孔洞向下延伸至发光层表面。该发光二极管芯片，通过在电子阻挡层上蚀刻出规则排布的孔洞，可有效释放电子阻挡层与多量子阱发光层中之间的应力，从而减小极化场强带来的影响，提高LED芯片的发光效率。本发明还提供一种发光二极管芯片的制作方法。

Description

一种发光二极管芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体的，涉及一种发光二极管芯片及其制作方法。

背景技术

现通常的氮化镓发光二极管结构包含有衬底、n型半导体层、多量子阱发光层、电子阻挡层、p型半导体层以及透明导电层结构。

上述结构的多量子阱发光层一般采用InGaN/GaN多量子阱结构作为发光层，其中发光区域为InGaN阱层，由于InGaN与GaN之间存在晶格失配，使得InGaN/GaN多量子阱内存在严重的极化场强，该极化场强导致进入量子阱的电子和空穴发生相分离，严重影响发光效率，且晶格失配越大，极化场强越强，对发光效率的影响越严重。另一方面，由于氮化镓LED结构中，n型层电子的浓度比较高，可以达到10²¹/cm3数量级，并且迁移率较大，可以达到200~500 cm2/V.S，而p型层中空穴的载流子浓度非常小，只有10¹⁷/cm3数量级左右，比电子要小三个数量级，并且空穴的迁移率叶非常小，只有5~20 cm2/V.比电子的迁移率小非常多，因此电子通常溢流到p层与空穴发生非辐射符合，这大大降低了发光效率。

为了解决这个问题，通常采用在多量子阱发光层与p型层之间插入一能带较高的电子阻挡层来阻挡电子的溢流。但该电子阻挡层与发光层之间存在晶格失配，晶格失配越大，则极化场强更大，严重影响了发光效率。如何在提高电子阻挡层作用的同时降低其对发光效率的影响，成为提高LED发光效率的关键。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种发光二极管芯片，该发光二极管芯片可减小电子阻挡层与发光层之间的极化场强，提高发光效率。

本发明提供一种发光二极管芯片，包括：衬底；以及，在所述衬底上依次形成的缓冲层、第一类型半导体层、发光层、电子阻挡层、第二类型半导体层和电流扩散层；所述电子阻挡层上排布有孔洞，所述孔洞向下延伸至发光层表面。

在一个实施例中，所述发光层为InGaN/GaN多量子阱层。

在一个实施例中，所述电子阻挡层为AlGaN层，其中Al的百分比含量为15-50%。

在一个实施例中，所述孔洞的直径为0.3-3.0微米。

在一个实施例中，相邻孔洞之间的间距为0.3-3.0微米。

在一个实施例中，所述缓冲层包括：

半导体成核层，所述半导体成核层设置在所述衬底上；以及

半导体本征层，所述半导体层本征层设置在所述半导体成核层以及所述第一类型半导体层之间。

在一个实施例中，发光二极管芯片进一步包括：应力释放层，所述应力释放层设置在所述第一类型半导体层以及所述发光层之间，所述应力释放层为多周期的InGaN/GaN层。

本发明还提供一种发光二极管芯片的制作方法，包括

提供衬底；

在衬底上依次形成缓冲层、第一类型半导体层、发光层和电子阻挡层；

在电子阻挡层上制作具有规则排布孔洞的掩膜层，对电子阻挡层进行刻蚀处理，将孔洞刻蚀至发光层表面，得到具有规则排布的孔洞的电子阻挡层；

在电子阻挡层上沉积形成第二类型半导体层；

在所述第二类型半导体层上形成电流扩散层。

在一个实施例中，，所述在衬底上形成缓冲层，具体包括：

在衬底上沉积形成半导体成核层；

在所述半导体成核层上沉积形成半导体本征层。

在一个实施例中，在形成第一类型半导体层之后，在所述第一类型半导体层上形成应力释放层，然后在应力释放层上形成发光层，所述应力释放层为多周期的InGaN/GaN层。

本发明提供的发光二极管芯片，通过在电子阻挡层上蚀刻出规则排布的孔洞，可有效释放电子阻挡层与多量子阱发光层中之间的应力，从而减小极化场强带来的影响，提高LED芯片的发光效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的发光二极管芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的发光二极管芯片的电子阻挡层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的发光二极管芯片的电子阻挡层的另一结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明提供一种发光二极管芯片，包括：衬底1；以及，在所述衬底1上依次形成的缓冲层、第一类型半导体层4、发光层6、电子阻挡层7、第二类型半导体层8和电流扩散层10；所述电子阻挡层7上设有规则排布的孔洞71，所述孔洞71向下延伸至发光层6表面。

本发明提供的发光二极管芯片，通过在电子阻挡层7上蚀刻出规则排布的孔洞71，可有效释放电子阻挡层7与多量子阱发光层6中之间的应力，从而减小极化场强带来的影响，提高LED芯片的发光效率。

在本发明的一个实施例中，所述衬底1为蓝宝石，优选为图形化衬底；所述第一类型半导体层4为N型GaN层，第二类型半导体层8为P型GaN层，所述发光层6为InGaN/GaN多量子阱层，电子阻挡层7为AlGaN层，电流扩散层10为ITO层。当然，第一类型半导体层4可以为P型半导体层，第二类型半导体层8可以为N型半导体层，技术人员可根据实际需要设置。

与传统的外延片结构相比，由于电子阻挡层AlGaN与发光层InGaN、GaN之间存在晶格失配，加剧了多量子阱发光层InGaN的极化场强，影响发光效率，而本发明在电子阻挡层7中蚀刻出了具有规则性图形排布的孔洞71，可有效释放AlGaN电子阻挡层与多量子阱中InGaN之间的应力，从而减小极化场强带来的影响，提高LED芯片的发光效率。进一步的，采用上述结构的电子阻挡层，可增大AlGaN电子阻挡层中Al的含量，优选的，AlGaN层中Al的百分比含量为15~50%，如此可增加电子阻挡层的禁带宽度，提高对电子的阻挡作用，从而大大提高LED芯片的发光效率。

具体的，所述电子阻挡层7的孔洞71的形状可以为圆形，如图2所示，也可以为六边形等其它形状，如图3所示。所述孔洞71的直径为0.3-3.0微米；相邻孔洞71之间的间距为0.3-3.0微米，优选的，孔洞71均匀的排布在电子阻挡层上。所述孔洞71的深度与电子阻挡层7的厚度一致，即孔洞向下延伸至发光层6表面。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲层包括：半导体成核层2和半导体层本征层3，所述半导体成核层2设置在所述衬底1上；所述半导体本征层3设置在所述半导体成核层2以及所述第一类型半导体层4之间。具体的，所述半导体成核层2为GaN成核层，所述半导体本征层3为GaN本征层。

在本发明一个实施例中，所述发光二极管芯片还包括应力释放层5，所述应力释放层5设置在所述第一类型半导体层4以及所述发光层6之间，所述应力释放层为多周期的InGaN/GaN层。

本发明还提供一种发光二极管芯片的制作方法，包括

S1、提供衬底1；

S2、在衬底1上依次形成缓冲层、第一类型半导体层4、发光层6和电子阻挡层7；

S3、在电子阻挡层7上制作具有规则排布孔洞的掩膜层，对电子阻挡层进行刻蚀处理，将孔洞71刻蚀至发光层6表面，得到具有规则排布的孔洞的电子阻挡层7；

S4、在电子阻挡层7上沉积形成第二类型半导体层8；

S5、在所述第二类型半导体层8上形成电流扩散层10。

在本发明的一个实施例中，在所述衬底上形成缓冲层时，具体包括如下步骤：

在衬底1上沉积形成半导体成核层2；

在所述半导体成核层2上沉积形成半导体本征层3。

在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，在形成第一类型半导体层4之后，在所述第一类型半导体层4上形成应力释放层5，然后在应力释放层5上形成发光层6；具体的所述应力释放层5为多周期的InGaN/GaN层。

下面提供一个具体实施例详细阐述本发明的LED芯片的制作方法，对本发明中LED芯片及其有益效果也会在制作方法中作详细说明，在具体实施过程中，本发明LED外延层的生长采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积法）的方法。

1、提供衬底1，采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法对衬底进行图形化，图形化衬底结构为周期性排列的尖锥状图形化衬底，尖锥状的直径为2.0~2.8um，高度为1.5~1.788um，间距为0.2~1.0um，图形化衬底为蓝宝石。

本发明采用的图形化衬底结构为周期性排列的尖锥状结构，也包括表面突起的台阶状结构、柱状结构等。

2、在衬底1上利用金属有机化合物气相沉积的方法外延生长氮化镓成核层2。

3、在氮化镓成核层2上高温生长氮化镓本征层3，高温氮化镓本征层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氮化镓的三维和二维生长，使外延表面平整，缺陷较少，工艺参数的控制过程中温度范围在1000℃至1300℃之间，优选1000℃至1100℃；压强范围在100mbar至400mbar之间，优选200~300mbar；III/V族化合物比例在600~1500之间，优选900~1200之间；

4、在氮化镓本征层3上生长Si掺杂n型氮化镓层4，Si掺杂浓度为5E18到2E20/cm3，厚度为1000~4000nm。

5、在n型氮化镓层4上生长多周期的InGaN/GaN的应力释放层5，其中GaN的厚度为20~40nm，InGaN的厚度为1~5nm，周期数为3~5个，InGaN的In含量为1~5%。也可以采用InGaN/GaN超晶格作为应力释放层，周期数为10~30，周期厚度为3~7nm。

6、在应力释放层5上生长多量子阱发光层6，多量子阱发光层的结构为InxGa1-xN/GaN（0＜x＜1）；势阱层厚度为2~4纳米，势垒层厚度为8~15纳米，量子阱的周期为1到15个周期。多量子阱结构的生长温度为700~850℃。

7、多量子阱发光层6上生长氮化铝镓电子阻挡层7，厚度为10~200纳米，AlGaN电子阻挡层中Al的百分比含量为15~50%。

8、在氮化铝镓电子阻挡层7生长完成后，取出外延片进行曝光、显影、蚀刻清洗等工艺，在氮化铝镓电子阻挡层上蚀刻出一定的孔洞71，排布在电子阻挡层上。孔洞的形状可以为圆形，也可以为六边型，孔洞的大小为0.3~3.0微米，相邻孔洞之间的间距为1.0~5.0微米，孔洞的深度与电子阻挡层的厚度一致。

9、在做完孔洞后的氮化铝镓电子阻挡层7上继续生长Mg掺杂p型氮化镓层8。

10、可选的，在p型氮化镓层8上生长p型InGaN接触层9。

11、对p型氮化镓层8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，也包含采用离子束进行轰击。

12、在外延层表面采用蒸镀的方式制备透明的电流扩散层10，电流扩散层10的厚度为1~1000纳米，优选80~300纳米，电流扩散层为ITO，也可以为包含CTO、ZnO:Al、Ni/Au、Ni/Pd/Au、Pt/Au等合金中的一种。

13、采用感应耦合等离子机体（inductively coupled plasma，简称 ICP）蚀刻的方法将导电层的部分区域蚀刻到n层GaN层4，并在n层GaN层蚀刻出台阶状结构，台阶面高度为500~2000纳米。

14、在电流扩散层10上采用蒸镀的方法生长制备金属p电极11，金属p电极为Ti/Au合金，也可以是Ni、Au、Al、Ti、Pd、Pt、Sn、Cr中任意两种或则多种金属的合金。金属p电极11的厚度为0.2~1微米。

15、采用蒸镀的方法在蚀刻出的n型氮化镓台阶表面和侧壁上制备金属n电极12，金属n电极12为Ti/Al合金，也包含Ti、Al、Au、Pt、Sn中两种或多种金属的合金，金属n电极的厚度为0.2~1微米。

综上所述，本发明提供的发光二极管芯片，通过在电子阻挡层上蚀刻出规则排布的孔洞，可有效释放电子阻挡层与多量子阱发光层中之间的应力，从而减小极化场强带来的影响，提高LED芯片的发光效率。

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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，但上述实施例不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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 (10)

1.一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：

衬底；

以及，在所述衬底上依次形成的缓冲层、第一类型半导体层、发光层、电子阻挡层、第二类型半导体层和电流扩散层；

所述电子阻挡层上排布有孔洞，所述孔洞向下延伸至发光层表面。

2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光层为InGaN/GaN多量子阱层。

3.如权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电子阻挡层为AlGaN层，其中Al的百分比含量为15-50%。

4.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述孔洞的直径为0.3-3.0微米。

5.如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，相邻孔洞之间的间距为0.3-3.0微米。

6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述缓冲层包括：

半导体成核层，所述半导体成核层设置在所述衬底上；以及

半导体本征层，所述半导体层本征层设置在所述半导体成核层以及所述第一类型半导体层之间。

7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，进一步包括：应力释放层，所述应力释放层设置在所述第一类型半导体层以及所述发光层之间，所述应力释放层为多周期的InGaN/GaN层。

8.一种发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，包括

提供衬底；

在衬底上依次形成缓冲层、第一类型半导体层、发光层和电子阻挡层；

在电子阻挡层上制作具有规则排布孔洞的掩膜层，对电子阻挡层进行刻蚀处理，将孔洞刻蚀至发光层表面，得到具有规则排布的孔洞的电子阻挡层；

在电子阻挡层上沉积形成第二类型半导体层；

在所述第二类型半导体层上形成电流扩散层。

9.根据权利要求8所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述在衬底上形成缓冲层，具体包括：

在衬底上沉积形成半导体成核层；

在所述半导体成核层上沉积形成半导体本征层。

10.根据权利要求8所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，在形成第一类型半导体层之后，在所述第一类型半导体层上形成应力释放层，然后在应力释放层上形成发光层，所述应力释放层为多周期的InGaN/GaN层。