CN112614921A

CN112614921A - 一种发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN112614921A
Application number: CN202011634459.9A
Authority: CN
Inventors: 蒋振宇; 马爽; 闫春辉
Original assignee: Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute
Current assignee: Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-04-06

Abstract

本申请涉及发光二极管领域，具体公开一种发光二极管及其制造方法，该发光二极管包括：外延层，包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；半导体电极，半导体电极以埋入方式设置于第一半导体层内，其中半导体电极与第一半导体层具有相同的掺杂类型，并沿第一半导体层的主表面呈网格状设置，半导体电极的导电率高于第一半导体层的导电率。通过上述方式，本申请可实现更佳的第一半导体层区域内的电流扩散，能够增加发光二极管的发光面积，并提升发光二极管的发光效率。

Description

一种发光二极管及其制造方法

技术领域

本申请涉及发光二极管领域，特别是一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。发光二极管以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可作为光源而广泛应用于照明领域。

传统的氮化物(氮化物材料包括AlN、GaN、InN以及三者的合金化合物)紫外和可见光发光二极管结构中，由电子形成的电流从n型电极经过n型氮化物半导体层横向扩散注入到发光有源区，而由空穴形成的电流从p型电极经过p型氮化物半导体层横向扩散注入到发光有源区。由于n型氮化物和p型氮化物材料掺杂困难，材料电阻大，导致电流扩散的不均匀，从而引起发光二极管发光效率的降低以及耐大注入电流能力减弱等问题。此外，对于Al组分较高的AlGaN材料而言，存在p型和n型掺杂困难、材料载流子迁移率低、电阻率高、电流扩散能力弱，且与金属难以形成欧姆接触的问题，导致发光效率较低。

发明内容

为解决现有技术存在的发光二极管电流扩散困难的技术问题，本申请提出一种发光二极管及其制造方法，可实现更佳的第一半导体层区域内的电流扩散，能够增加发光二极管的发光面积，并提升发光二极管的发光效率。

一方面，本申请提供了一种发光二极管，该发光二极管包括：外延层，包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；半导体电极，半导体电极以埋入方式设置于第一半导体层内，其中半导体电极与第一半导体层具有相同的掺杂类型，并沿第一半导体层的主表面呈网格状设置，半导体电极的导电率高于第一半导体层的导电率。

另一方面，本申请提供了一种发光二极管的制造方法，该方法包括：形成第一半导体层；在第一半导体层上图案化出沟槽，其中沟槽呈网格状设置；在沟槽内形成半导体电极，其中半导体电极的导电率高于第一半导体层的导电率。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请中半导体电极以埋入方式设置于第一半导体层内，半导体电极与第一半导体层具有相同的掺杂类型，电流可从半导体电极直接注入第一半导体层内，并沿第一半导体层横向扩散注入有源层，由于半导体电极的导电率高于第一半导体层的导电率，因此，通过上述结构可实现更佳的第一半导体层区域内的电流扩散。此外，由于本申请的半导体电极沿第一半导体层的主表面呈网格状设置，因此，除了半导体电极与金属电极接触的区域需要刻蚀之外，第一半导体层的其他区域不需要进行刻蚀，从而增加了发光二极管的发光面积，提升了发光二极管的发光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。其中：

图1是根据本申请第一实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图2是根据本申请第二实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图3是根据本申请第三实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图4是根据本申请第四实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图5是根据本申请一实施例提供的发光二极管的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供一种发光二极管，该发光二极管可以为正装结构、倒装结构或垂直结构，在此不做限定。

如图1所示，本申请实施例的发光二极管10包括：衬底11、外延层12、半导体电极13。在本实施例中，衬底11可以采用例如蓝宝石、SiC、AlN或其他适当材料。

外延层12包括依次层叠设置于衬底11的一侧主表面上的第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。第一半导体层121和第二半导体层123可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。

其中，在第一半导体层121为n型半导体层时，其主要作用是提供复合发光的电子，具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的氮化镓系化合物半导体。有源层122为电子-空穴复合区域，可以具有单异质结、双异质结、单量子肼和多量子肼的结构。相应的，第二半导体层123可以为P型半导体层，其主要作用是提供复合发光的空穴，具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的氮化镓系化合物半导体。

进一步，如图1所示，半导体电极13以埋入方式设置于第一半导体层121。其中，第一半导体层121可以为n型半导体层，具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的半导体层，对应的半导体电极13为n型半导体电极，具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的半导体电极。或者，第一半导体层121可以为p型半导体层，具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的半导体层，对应的半导体电极13为p型半导体电极，具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的半导体电极。

半导体电极13沿第一半导体层121的主表面呈网格状设置，且半导体电极13的导电率高于第一半导体层121的导电率。

区别于现有技术的情况，本申请中半导体电极13以埋入方式设置于第一半导体层121内，半导体电极13与第一半导体层121具有相同的掺杂类型，电流可从半导体电极13直接注入第一半导体层121内，并沿第一半导体层121横向扩散注入有源层122，由于半导体电极13的导电率高于第一半导体层121的导电率，因此，通过上述结构可实现更佳的第一半导体层121区域内的电流扩散。此外，由于本申请的半导体电极13沿第一半导体层121的主表面呈网格状设置，因此，除了半导体电极13与金属电极14接触的区域需要刻蚀之外，第一半导体层121的其他区域不需要进行刻蚀，从而增加了发光二极管10的发光面积，提升了发光二极管的发光效率。

在一实施例中，发光二极管10进一步包括金属电极14，金属电极14设置于半导体电极13背离第一半导体层121的一侧，需要说明的是，半导体电极13的禁带宽度低于第一半导体层121的禁带宽度，由于半导体电极13具有较窄的禁带宽度，在低温(室温或小于等于300℃)条件下，半导体电极13与金属电极14接触时更容易形成良好的欧姆接触，进而有效降低接触电阻。

区别于现有技术，本申请在具有较大禁带宽度的第一半导体层121与金属电极14之间设置具有较小禁带宽度的半导体电极13，在低温条件下，半导体电极13与金属电极14接触时更容易形成良好的欧姆接触，避免高温退火工艺，能够解决现有技术中因高温退火工艺而引起的技术问题，降低制造成本，并提高发光二极管10的辐射功率。

在一实施例中，半导体电极13中的铝组分含量小于第一半导体层121内中的铝组分含量。

上述第一半导体层121的材料可以为n型AlGaN，AlGaN是直接带隙半导体，通过调节铝含量使AlGaN的禁带宽度从3.4eV(GaN)连续变化到6.2eV(AlN)，对应波长为200nm～365nm的紫外线，处于近紫外到深紫外的波段范围。相应的，半导体电极13的材料可以为n型GaN(禁带宽度为3.4eV)、n型InGaN(通过调节In、Ga含量使其禁带宽度为0.7eV-3.4eV)、n型AlGaN(通过调节Al含量使其禁带宽度为3.4eV-6.2eV)、n型AlInGaN(通过调节Al、In含量使其禁带宽度为1.9eV-6.2eV)。

其中，第一半导体层121的厚度为20nm～5000nm，第一半导体层121的掺杂浓度在1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。上述半导体电极13的厚度为1nm～500nm，半导体电极13的掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3～1×10²²cm^-3。

在一实施例中，金属电极14的材料为Al、Cr、Ti的一种或多种组合，在金属电极14与半导体电极13形成良好的欧姆接触的同时，可以与半导体电极13形成全反射结构。

如图2所示，在一实施例中，第二半导体层123背离第一半导体层121的一侧形成有凹陷区1231，凹陷区1231外露部分半导体电极13，金属电极14设置于凹陷区1231内，且金属电极14设置成与凹陷区1231内的半导体电极13接触。

如图3所示，在一实施例中，第一半导体层121背离第二半导体层123的一侧形成有凹陷区1211，凹陷区1211外露部分半导体电极13，金属电极14设置于凹陷区1211内，且金属电极14设置成与凹陷区1211内的半导体电极13接触。

如图4所示，在一实施例中，第一半导体层121在朝向第二半导体层123的一侧设置有沟槽1212，沟槽1212沿第一半导体层121的主表面呈网格状设置，半导体电极13埋入于沟槽1212内。

进一步地，第一半导体层121朝向第二半导体层123的一侧与半导体电极13朝向第二半导体层123的一侧彼此平齐，或第一半导体层121朝向第二半导体层123的一侧与半导体电极13朝向第二半导体层123的一侧之间的高度差小于或等于0.5微米。

其中，第一半导体层121包括第一子半导体层1213和第二子半导体层1214，半导体电极13设置于第一子半导体层1213背离有源层122的一侧，第二子半导体层1214位于半导体电极13背离第一子半导体层1213的一侧，第二子半导体层1214覆盖半导体电极13并填充于半导体电极13之间的间隙。

可选地，第一子半导体层1213和第二子半导体层1214为一体结构，且第一子半导体层1213和第二子半导体层1214的材料相同。

如图4所示，可选地，发光二极管10进一步包括：反射镜图案16，在第一半导体层121远离有源层122的一侧形成该反射镜图案16，经反射镜图案16所反射的光线可在半导体电极13的外围输出。反射镜图案16可以采用透明导电材料做欧姆接触，比如氧化铟锡(ITO)，ITO上再镀上其他的金属反射镜或DBR反射镜。在其他实施例中，反射镜图案16可以同时具备反射镜和欧姆接触的功能，如包括银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)或其他适当金属的金属层。其中，反射镜图案16的沉积方法可以通过电子束、溅射、真空蒸镀或者电镀的方式来实现。

如图5所示，本申请还提出一种发光二极管的制造方法，该方法可用于制造上述实施例中的发光二极管10。该方法包括以下步骤：

S10：提供衬底11。

衬底11可以采用例如蓝宝石、SiC、AlN或其他适当材料。

进一步地，衬底11的一侧主表面上可以生长缓冲层15。在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子半导体层沉积工艺，在衬底11的一侧主表面上生长缓冲层15。

S20：在衬底11的一侧生长形成第一子半导体层1213。

具体地，第一子半导体层1213可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、或化学气相沉积法、或分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)等生长方法依次形成。

S30：在第一子半导体层1213远离衬底11的一侧图案化出沟槽1212，沟槽1212呈网格状设置。

S40：在沟槽1212内形成半导体电极13，其中半导体电极13的导电率高于第一子半导体层1213的导电率。

具体地，半导体电极13的沉积方法可以通过MBE、MOCVD、电子束、溅射、真空蒸镀或者电镀的方式来实现。采用掩膜对导电材料层进行刻蚀以实现完成图形化，保留的导电材料层将作为半导体电极13，其中半导体电极13相互连接且呈网格状分布。

S50：在第一子半导体层1213上形成第二子半导体层1214，第二子半导体层1214覆盖半导体电极13。

其中第一子半导体层1213与第二子半导体层1214组成第一半导体层121，半导体电极13的导电率高于第一半导体层121的导电率。

具体地，可以采用MOCVD等方法在半导体电极13背离及第一子半导体层1213的一侧以及第一子半导体层1213上生长第二子半导体层1214，具体可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、或化学气相沉积法、或分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)等生长方法形成第二子半导体层1214。

其中，第一子半导体层1231、第二子半导体层1214的材料可以为n型AlGaN，AlGaN是直接带隙半导体，通过调节铝含量使AlGaN的禁带宽度从3.4eV(GaN)连续变化到6.2eV(AlN)，对应波长为200nm～365nm的紫外线，处于近紫外到深紫外的波段范围。该半导体电极13的材料可以为n型GaN(禁带宽度为3.4eV)、n型InGaN(通过调节In、Ga含量使其禁带宽度为0.7eV-3.4eV)、n型AlGaN(通过调节Al含量使其禁带宽度为3.4eV-6.2eV)、n型AlInGaN(通过调节Al、In含量使其禁带宽度为1.9eV-6.2eV)。

S60：在第二子半导体层1213背离第一子半导体层1214的一侧依次生长有源层122和第二半导体层123。

具体地，可以采用MOCVD等方法在第二子半导体层1213背离第一子半导体层1214的一侧依次生长有源层122以及第二半导体层123，具体可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、或化学气相沉积法、分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)等方法依次生长有源层122以及第二半导体层123。

有源层122可为下列任一种结构：单层量子阱(SQW)以及多层量子阱(MQW)，第二半导体层123可以为p型半导体层，具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的GaN层，也可以掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的AlGaN层。

S70：从第二半导体层123背离第一半导体层121的一侧形成凹陷区1231，或者，从第一半导体层121背离第二半导体层123的一侧形成凹陷区1211，其中凹陷区1211、1231外露部分半导体电极13。

S80：在凹陷区1211、1231内形成金属电极14，其中金属电极14用于与半导体电极13形成欧姆接触。

金属电极14设置成与凹陷区1211内的半导体电极13接触，金属电极14设置成与凹陷区1231内的半导体电极13接触。

进一步地，金属电极14的材料为Al、Cr、Ti的一种或多种组合，在金属电极14与半导体电极13形成良好的欧姆接触的同时，可以与半导体电极13形成全反射结构。

值得注意的是，上述各流程步骤的执行顺序可以根据实际需要进行调整或删减。

区别于现有技术的情况，本申请中半导体电极以埋入方式设置于第一半导体层内，半导体电极与第一半导体层具有相同的掺杂类型，电流可从半导体电极直接注入第一半导体层内，并沿第一半导体层横向扩散注入有源层，由于半导体电极的导电率高于第一半导体层的导电率，因此，通过上述结构可实现更佳的第一半导体层区域内的电流扩散。此外，由于本申请的半导体电极沿第一半导体层的主表面呈网格状设置，因此，除了半导体电极与金属电极接触的区域需要刻蚀之外，第一半导体层的其他区域不需要进行刻蚀，从而增加了发光二极管的发光面积，提升了发光二极管的发光效率。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims

1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：

外延层，包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；

半导体电极，所述半导体电极以埋入方式设置于所述第一半导体层内，其中所述半导体电极与所述第一半导体层具有相同的掺杂类型，并沿所述第一半导体层的主表面呈网格状设置，所述半导体电极的导电率高于所述第一半导体层的导电率。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管进一步包括金属电极，所述金属电极用于与所述半导体电极形成欧姆接触，其中所述半导体电极的禁带宽度低于所述第一半导体层的禁带宽度。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层背离所述第一半导体层的一侧形成有凹陷区，所述凹陷区外露部分所述半导体电极，所述金属电极设置成与所述凹陷区内的半导体电极接触，或者所述第一半导体层背离所述第二半导体层的一侧形成有凹陷区，所述凹陷区外露部分所述半导体电极，所述金属电极设置成与所述凹陷区内的半导体电极接触。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层在朝向所述第二半导体层的一侧设置有沟槽，所述沟槽沿所述第一半导体层的主表面呈网格状设置，所述半导体电极埋入于所述沟槽内。

5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层朝向所述第二半导体层的一侧与所述半导体电极朝向所述第二半导体层的一侧彼此平齐，或所述第一半导体层朝向所述第二半导体层的一侧与所述半导体电极朝向所述第二半导体层的一侧之间的高度差小于或等于0.5微米。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层包括层叠设置的第一子半导体层和第二子半导体层，所述半导体电极埋入于所述第一子半导体层和第二子半导体层之间。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述半导体电极为n型GaN，所述第一半导体层为n型AlGaN。

8.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

形成第一半导体层；

在所述第一半导体层上图案化出沟槽，其中所述沟槽呈网格状设置；

在所述沟槽内形成半导体电极，其中所述半导体电极的导电率高于所述第一半导体层的导电率。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

在所述第一半导体层上形成有源层和第二半导体层；

从所述第二半导体层背离所述第一半导体层的一侧或所述第一半导体层背离所述第二半导体层的一侧形成凹陷区，其中所述凹陷区外露部分所述半导体电极；

在所述凹陷区内形成与所述半导体电极接触的金属电极，其中所述金属电极用于与所述半导体电极形成欧姆接触，其中所述半导体电极的禁带宽度低于所述第一半导体层的禁带宽度。

10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述形成第一半导体层的步骤包括：

形成第一子半导体层；

在所述第一子半导体层上形成第二子半导体层；

其中，所述在所述第一半导体层上图案化出沟槽的步骤和所述在所述沟槽内形成半导体电极的步骤介于所述形成第一子半导体层的步骤和所述在所述第一子半导体层上形成第二子半导体层的步骤之间，所述沟槽形成于所述第一子半导体层朝向所述第二子半导体层的一侧。