CN110783439A - 集成dbr的垂直结构led及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及照明、显示和光通信技术领域，尤其涉及一种集成DBR的垂直结构LED及其形成方法。所述集成DBR的垂直结构LED包括：导电衬底，所述导电衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；第一DBR层，位于所述导电衬底的所述第一表面上；外延层，位于所述第一DBR层上，包括沿垂直于所述导电衬底的方向依次叠置的第一接触层、量子阱层和第二接触层，所述外延层的厚度小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长；第二DBR层，位于所述外延层背离所述第一DBR层的表面。本发明在LED器件内部形成谐振腔，显著提升电光转换效率，实现了对LED器件发光品质的改善。

Description

集成DBR的垂直结构LED及其形成方法

技术领域

本发明涉及照明、显示和光通信技术领域，尤其涉及一种集成DBR的垂直结构LED及其形成方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有体积小、效率高、寿命长等优点，在照明、显示和光通信领域具有广泛的应用前景。传统的发光二极管以蓝宝石为生长衬底。然而，由于蓝宝石衬底不导电，所以传统的发光二极管通常是采用电极在同一侧的横向结构。这种横向结构至少存在以下两个方面的缺点：一方面，电流在N型层中横向流动不等距，存在电流拥堵现象，导致发光二极管器件局部发热量较高，影响器件性能；另一方面，蓝宝石衬底的导热性较差，限制了发光二极管器件的散热，影响发光二极管器件的使用寿命。为了克服横向发光二极管器件的缺陷，现有技术中出现了垂直结构发光二极管。

然而，在现有的垂直结构发光二极管中，由于厚膜的限制，存在许多光学约束模式(Confined Mode)。当电子注入、垂直结构发光二极管发光时，大部分出射光会被限制在发光二极管外延层的厚膜中，造成膜内传输、吸收，极大的降低了发光二极管的出光效率。

因此，如何提高LED的响应速度，提高LED内部的光电转换效率，以满足不同应用的需求，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种集成DBR的垂直结构LED及其形成方法，用于解决现有的LED响应速度慢、光电转换效率低的问题，以满足不同应用的需求，扩大LED的应用领域。

为了解决上述问题，本发明提供了一种集成DBR的垂直结构LED，包括：

导电衬底，所述导电衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

第一DBR层，位于所述导电衬底的所述第一表面上；

外延层，位于所述第一DBR层上，包括沿垂直于所述导电衬底的方向依次叠置的第一接触层、量子阱层和第二接触层，所述外延层的厚度小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长；

第二DBR层，位于所述外延层背离所述第一DBR层的表面。

可选的，在沿所述导电衬底指向所述第一DBR层的方向上，所述外延层包括：

第二接触层，位于所述导第一DBR层表面；

电子阻挡层，位于所述第二接触层表面；

量子阱层，位于所述电子阻挡层表面；

超晶格层，位于所述量子阱层表面；

第一接触层，位于所述超晶格层表面。

可选的，还包括：

金属键合层，位于所述导电衬底的所述第一表面；

金属反射层，位于所述金属键合层表面，所述第一DBR层位于所述金属反射层表面，且所述金属反射层沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第一DBR层，以与所述第二接触层电性接触；

第一电极，所述第一电极沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第二DBR层，以与所述第一接触层电性接触；

第二电极，位于所述导电衬底的所述第二表面上。

可选的，所述金属反射层、所述第一电极和所述第二电极的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种集成DBR的垂直结构LED的形成方法，包括如下步骤：

形成初始外延层和第一DBR层于一生长衬底表面，所述第一DBR层位于所述初始外延层背离所述生长衬底的表面，所述初始外延层包括沿垂直于所述生长衬底的方向依次叠置的缓冲层、初始第一接触层、量子阱层和第二接触层；

形成一导电衬底，所述导电衬底包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

以所述第一表面朝向所述第一DBR层的方向键合所述生长衬底与所述导电衬底；

去除所述生长衬底、所述缓冲层，并减薄所述初始第一接触层，以减薄后的所述初始第一接触层作为第一接触层，形成包括第一接触层、量子阱层和所述第二接触层的外延层，所述外延层的厚度小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长；

形成第二DBR层于所述外延层背离所述第一DBR层的表面。

可选的，形成初始外延层和第一DBR层于一生长衬底表面的具体步骤包括：

提供一生长衬底；

沿垂直于所述生长衬底的方向依次沉积所述缓冲层、所述初始第一接触层、超晶格层、所述量子阱层、电子阻挡层和所述第二接触层于所述生长衬底表面，形成初始外延层；

形成第一DBR层于所述第二接触层表面。

可选的，形成第一DBR层于所述第二接触层表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第一DBR层，形成沿垂直于所述生长衬底的方向贯穿所述第一DBR层的第一接触窗口，暴露所述第二接触层；

形成覆盖所述第一DBR层表面且填充满所述第一接触窗口的金属反射层。

可选的，所述初始外延层的厚度大于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长。

可选的，形成第二DBR层于所述外延层背离所述第一DBR层的表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第二DBR层，形成沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第二DBR层的第二接触窗口，暴露所述第一接触层；

形成至少填充满所述第二接触窗口的第一电极；

形成覆盖所述导电衬底的所述第二表面的第二电极。

可选的，所述导电衬底的第一表面具有金属键合层，用于与所述金属反射层键合；

所述金属反射层、所述第一电极和所述第二电极的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。

本发明提供的集成DBR的垂直结构LED及其形成方法，通过设置第一DBR层和第二DBR层于LED器件结构中，使得LED器件内部形成谐振腔，显著提升电光转换效率，实现对LED器件发光品质的改善，根据应用需求不同，使得该LED器件可作为发光器件、探测器件等，用于照明、显示和光通信等多个领域；同时，由于LED器件中外延层的厚度小于器件的发光波长，使得器件内部的波导模式被显著抑制，降低了器件内部的吸收损耗，提高了LED器件的出光效率。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中集成DBR的垂直结构LED的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中集成DBR的垂直结构LED的形成方法流程图；

附图3A-3M是本发明具体实施方式在形成集成DBR的垂直结构LED的过程中主要的工艺截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的集成DBR的垂直结构LED及其形成方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种集成DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜)的垂直结构LED，附图1是本发明具体实施方式中集成DBR的垂直结构LED的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的集成DBR的垂直结构LED，包括：

导电衬底10，所述导电衬底10具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

第一DBR层12，位于所述导电衬底10的所述第一表面上；

外延层11，位于所述第一DBR层12上，包括沿垂直于所述导电衬底10的方向依次叠置的第一接触层115、量子阱层112和第二接触层114，所述外延层11的厚度d小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长；

第二DBR层13，位于所述外延层11背离所述第一DBR层12的表面。

具体来说，所述导电衬底10可以为金属材料衬底，也可以为低阻硅衬底，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在沿垂直于所述导电衬底10的方向上，所述第一DBR层12与所述第二DBR层13分布于所述外延层11的相对两侧，从而在LED内部形成谐振腔，显著提升电光转换效率，实现对LED器件发光品质的改善。本具体实施方式中，对所述一DBR层12与所述第二DBR层13的厚度没有限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。为了简化制造工序，所述一DBR层12与所述第二DBR层13的材料优选为相同。图1中的箭头表示集成DBR的垂直结构LED发射光线的方向。集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长具体是指，集成DBR层的垂直结构LED的中心发光波长。

可选的，在沿所述导电衬底10指向所述第一DBR层12的方向上，所述外延层11包括：

第二接触层114，位于所述导第一DBR层12表面；

电子阻挡层113，位于所述第二接触层114表面；

量子阱层112，位于所述电子阻挡层113表面；

超晶格层111，位于所述量子阱层112表面；

第一接触层115，位于所述超晶格层111表面。

具体来说，所述第一接触层115可以为n-型接触层，相应的，所述第二接触层114为p-型接触层；或者，所述第一接触层115为p-型接触层，相应的，所述第二接触层114为n-型接触层。以下以所述第一接触层115为n-GaN层、所述第二接触层114为p-GaN层为例进行说明。所述电子阻挡层113可以为p-型电子阻挡层，所述量子阱层112可以为InGaN/GaN多量子阱层，所述超晶格层115可以为GaN超晶格层。

可选的，所述集成DBR的垂直结构LED还包括：

金属键合层17，位于所述导电衬底10的所述第一表面；

金属反射层14，位于所述金属键合层17表面，所述第一DBR层12位于所述金属反射层14表面，且所述金属反射层14沿垂直于所述导电衬底10的方向贯穿所述第一DBR层12，以与所述第二接触层114电性接触；

第一电极15，所述第一电极15沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第二DBR层，以与所述第一接触层电性接触；

第二电极16，位于所述导电衬底10的所述第二表面上。

具体来说，所述第一电极15与所述第二电极16沿垂直于所述导电衬底10的方向分布于所述外延层11的相对两侧，电流几乎全部沿垂直于所述导电衬底10的方向流过所述氮化物外延层，几乎没有横向流动的电流，提高了电注入效率。同时将包括所述第二接触层114、所述电子阻挡层113、所述量子阱层112、所述超晶格层111和所述第一接触层115的所述外延层11的厚度d设置为小于自所述第二DBR层13射出的所述光线的波长，使得所述垂直结构LED不受约束模式的限制，减少甚至是消除了发光二极管发出的光线在所述外延层11内部的传输，降低了内部吸收损耗，使得LED的出光效率大幅度提高。另外，所述金属反射层14的设置能够对光线进行反射，从而减少了光线损失，进一步增强了LED的出光效率。

可选的，所述金属反射层14、所述第一电极15和所述第二电极16的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。为了进一步减少出射光线的损失，所述金属反射层14的材料更优选为Ni/Au或者Ni/Ag。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种集成DBR的垂直结构LED的形成方法，附图2是本发明具体实施方式中集成DBR的垂直结构LED的形成方法流程图，附图3A-3M是本发明具体实施方式在形成集成DBR的垂直结构LED的过程中主要的工艺截面示意图，本具体实施方式形成的集成DBR的垂直结构LED的示意图可参见图1。如图1、图2、图3A-图3M所示，本具体实施方式提供的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，包括如下步骤：

步骤S21，形成初始外延层31和第一DBR层12于一生长衬底30表面，所述第一DBR层12位于所述初始外延层31背离所述生长衬底30的表面，所述初始外延层31包括沿垂直于所述生长衬底30的方向依次叠置的缓冲层311、初始第一接触层312、量子阱层112和第二接触层114，如图3B所示。

可选的，形成初始外延层31和第一DBR层12于一生长衬底30表面的具体步骤包括：

提供一生长衬底30；

沿垂直于所述生长衬底30的方向依次沉积所述缓冲层311、所述初始第一接触层312、超晶格层111、所述量子阱层112、电子阻挡层113和所述第二接触层114于所述生长衬底30表面，形成初始外延层31，如图3A所示，

形成第一DBR层12于所述第二接触层114表面，如图3B所示。

具体来说，所述生长衬底20可以为Ⅲ-Ⅴ族材料衬底、蓝宝石衬底或者硅衬底，在本具体实施方式中，所述生长衬底30优选为晶向111的Si衬底。所述缓冲层311用于降低所述生长衬底30与所述初始第一接触层312之间的应力。所述第一DBR层12的材料，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本具体实施方式对此不作限定。

可选的，形成第一DBR层12于所述第二接触层114表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第一DBR层12，形成沿垂直于所述生长衬底30的方向贯穿所述第一DBR层12的第一接触窗口32，暴露所述第二接触层114，如图3C所示；

形成覆盖所述第一DBR层12表面且填充满所述第一接触窗口32的金属反射层14。

具体来说，在形成所述第一DBR层12之后，以所述第二接触层114为刻蚀截止层、采用光刻工艺对所述第一DBR层12进行刻蚀，形成暴露所述第二接触层114的第一接触窗口32，如图3C所示；然后，沉积金属材料至所述第一DBR层12表面和所述第一接触窗口32内，形成与所述第二接触层114电性连接的所述金属反射层14，如图3D所示。所述金属反射层14覆盖整个所述第一DBR层12背离所述生长衬底30的表面，从而更好的减少光线的损失。

可选的，所述初始外延层30的厚度L大于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长。

步骤S22，形成一导电衬底30，所述导电衬底30包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，如图3E所示。

步骤S23，以所述第一表面朝向所述第一DBR层12的方向键合所述生长衬底30与所述导电衬底10，如图3H所示。

具体来说，所述导电衬底10的第一表面还形成有金属键合层17，如图3F所示。在键合所述生长衬底30与所述导电衬底10的过程中，以所述金属键合层17朝向所述金属反射层14的方式键合，如图3G所示，键合后的结构如图3H所示。所述金属反射层14与所述金属键合层17的材料均为金属材料，从而有助于加强所述生长衬底30与所述导电衬底10之间的键合强度。所述金属键合层17可以为NiSn键合层。

步骤S24，去除所述生长衬底30、所述缓冲层311，并减薄所述初始第一接触层312，以减薄后的所述初始第一接触层312作为第一接触层115，形成包括第一接触层115、量子阱层112和所述第二接触层114的外延层11，所述外延层11的厚度小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长，如图3J所示。

具体来说，在键合所述生长衬底30与所述导电衬底10之后，先剥离所述生长衬底30，如图3I所示。之后，去除所述缓冲层311，并减薄所述初始第一接触层312，形成包括第一接触层115、量子阱层112和所述第二接触层114的外延层11，所述第一接触层115为减薄后残留的所述初始第一接触层312，如图3J所示。经过本步骤的减薄工艺，形成的所述外延层11的厚度d小于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长，从而有助于降低LED器件的热效应，并使得LED器件的响应速度大幅度提高。

步骤S25，形成第二DBR层13于所述外延层11背离所述第一DBR层12的表面，如图3K所示。

可选的，形成第二DBR层13于所述外延层11背离所述第一DBR层12的表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第二DBR层13，形成沿垂直于所述导电衬底10的方向贯穿所述第二DBR层13的第二接触窗口33，暴露所述第一接触层115，如图3L所示；

形成至少填充满所述第二接触窗口33的第一电极15；

形成覆盖所述导电衬底10的所述第二表面的第二电极16，如图3M所示。

具体来说，所述第二DBR层13的形成方法可以与所述第一DBR层12的材料、以及形成方法均相同。在形成所述第二DBR层13之后，以所述第一接触层115作为刻蚀截止层、采用光刻工艺对所述第二DBR层13进行刻蚀，形成暴露所述第一接触层115的第二接触窗口33，如图3L所示；然后，沉积金属材料至所述第一接触窗口33内，形成与所述第一接触层115电性连接的所述第一电极15，如图3D所示。在本步骤中，所述第一电极15可以仅填充于所述第一接触窗口33内；也可以在填充满所述第一接触窗口33的同时，覆盖所述第二DBR层13朝向所述第一接触窗口33一侧的顶面边缘区域。与所述金属反射层14完全覆盖所述第一DBR层12的整个表面不同，所述第一电极15至多只能覆盖所述第二DBR层13朝向所述第一接触窗口33一侧的顶面边缘区域，使得光线能够从所述第二DBR层13射出。所述第二电极16覆盖所述导电衬底10的整个所述第二表面。可选的，在沿垂直于所述导电衬底10的方向上，所述第二接触窗口33的投影与所述第一接触窗口32的投影重合。

可选的，所述导电衬底10的第一表面具有金属键合层17，用于与所述金属反射层14键合；

所述金属反射层14、所述第一电极15和所述第二电极16的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。

本具体实施方式提供的集成DBR的垂直结构LED及其形成方法，通过设置第一DBR层和第二DBR层于LED器件结构中，使得LED器件内部形成谐振腔，显著提升电光转换效率，实现对LED器件发光品质的改善，根据应用需求不同，使得该LED器件可作为发光器件、探测器件等，用于照明、显示和光通信等多个领域；同时，由于LED器件中外延层的厚度小于器件的发光波长，使得器件内部的波导模式被显著抑制，降低了器件内部的吸收损耗，提高了LED器件的出光效率。

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)

1.一种集成DBR的垂直结构LED，其特征在于，包括：

导电衬底，所述导电衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

第一DBR层，位于所述导电衬底的所述第一表面上；

外延层，位于所述第一DBR层上，包括沿垂直于所述导电衬底的方向依次叠置的第一接触层、量子阱层和第二接触层，所述外延层的厚度小于集成DBR的垂直结构LED发射的光线的波长；

第二DBR层，位于所述外延层背离所述第一DBR层的表面。

2.根据权利要求1所述的集成DBR的垂直结构LED，其特征在于，在沿所述导电衬底指向所述第一DBR层的方向上，所述外延层包括：

第二接触层，位于所述导第一DBR层表面；

电子阻挡层，位于所述第二接触层表面；

量子阱层，位于所述电子阻挡层表面；

超晶格层，位于所述量子阱层表面；

第一接触层，位于所述超晶格层表面。

3.根据权利要求2所述的集成DBR的垂直结构LED，其特征在于，还包括：

金属键合层，位于所述导电衬底的所述第一表面；

金属反射层，位于所述金属键合层表面，所述第一DBR层位于所述金属反射层表面，且所述金属反射层沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第一DBR层，以与所述第二接触层电性接触；

第一电极，所述第一电极沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第二DBR层，以与所述第一接触层电性接触；

第二电极，位于所述导电衬底的所述第二表面上。

4.根据权利要求3所述的集成DBR的垂直结构LED，其特征在于，所述金属反射层、所述第一电极和所述第二电极的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。

5.一种集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：

形成初始外延层和第一DBR层于一生长衬底表面，所述第一DBR层位于所述初始外延层背离所述生长衬底的表面，所述初始外延层包括沿垂直于所述生长衬底的方向依次叠置的缓冲层、初始第一接触层、量子阱层和第二接触层；

形成一导电衬底，所述导电衬底包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

以所述第一表面朝向所述第一DBR层的方向键合所述生长衬底与所述导电衬底；

去除所述生长衬底、所述缓冲层，并减薄所述初始第一接触层，以减薄后的所述初始第一接触层作为第一接触层，形成包括第一接触层、量子阱层和所述第二接触层的外延层，所述外延层的厚度小于集成DBR的垂直结构LED发射的光线的波长；

形成第二DBR层于所述外延层背离所述第一DBR层的表面。

6.根据权利要求5所述的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，形成初始外延层和第一DBR层于一生长衬底表面的具体步骤包括：

提供一生长衬底；

沿垂直于所述生长衬底的方向依次沉积所述缓冲层、所述初始第一接触层、超晶格层、所述量子阱层、电子阻挡层和所述第二接触层于所述生长衬底表面，形成初始外延层；

形成第一DBR层于所述第二接触层表面。

7.根据权利要求6所述的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，形成第一DBR层于所述第二接触层表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第一DBR层，形成沿垂直于所述生长衬底的方向贯穿所述第一DBR层的第一接触窗口，暴露所述第二接触层；

形成覆盖所述第一DBR层表面且填充满所述第一接触窗口的金属反射层。

8.根据权利要求6所述的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，所述初始外延层的厚度大于集成DBR层的垂直结构LED发射的光线的波长。

9.根据权利要求7所述的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，形成第二DBR层于所述外延层背离所述第一DBR层的表面之后，还包括如下步骤：

刻蚀所述第二DBR层，形成沿垂直于所述导电衬底的方向贯穿所述第二DBR层的第二接触窗口，暴露所述第一接触层；

形成至少填充满所述第二接触窗口的第一电极；

形成覆盖所述导电衬底的所述第二表面的第二电极。

10.根据权利要求9所述的集成DBR的垂直结构LED的形成方法，其特征在于，所述导电衬底的第一表面具有金属键合层，用于与所述金属反射层键合；

所述金属反射层、所述第一电极和所述第二电极的材料均为镍、金、银中的一种或两种以上的组合。

Images