CN115295699A - 发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管及其制备方法，至少包括：半导体叠层，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、有源层和第二半导体层；第一电极，与所述第一半导体层连接；第二电极，与所述第二半导体层连接；所述第一电极和/或第二电极依次包括接触层、反射层、中间层和Au层，所述中间层包括交替叠置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度不大于所述Pt层的厚度，所述Au层包覆接触层、反射层及中间层。本发明可以有效提高电极的热稳定性，削弱电极受应力的影响，从而提高发光二极管的可靠性以及延长发光二极管的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管，简称“LED”(Light-Emitting Diode，LED)，具有节能环保、安全耐用、光电转化率高、可控性强等特点，被广泛应用于显示器、汽车照明、通用照明背光源等相关领域。
在常规的LED结构中，通常包括半导体发光叠层和设置于半导体发光叠层上的电极，其中，半导体发光叠层能提供空穴和电子，而电极用于与外部电源接触，以将电流引入半导体发光叠层。当通过电极给发光二极管加上正向电压后，半导体发光叠层中的空穴和电子会随之迁移至多量子阱区域，在多量子阱区域（MQW）内发生复合从而产生辐射光。由于在产品实际应用中，通常会采用较高的电流来驱动发光二极管，且现有传统的电极结构的稳定性和热稳定性较差，易导致电极发生烧伤，从而导致发光二极管失效。
因此，如何提高电极的热稳定性，延长发光二极管的使用寿命，已成为本领域技术人员需要解决的问题。
说明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制备方法，以提升LED电极的热稳定性，延长发光二极管的使用寿命。
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管，至少包括：半导体叠层，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、有源层和第二半导体层；第一电极，与所述第一半导体层连接；第二电极，与所述第二半导体层连接；其特征在于，所述第一电极和/或第二电极依次包括接触层、反射层、中间层和Au层，所述中间层包括交替叠置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度不大于所述Pt层的厚度，所述Au层包覆接触层、反射层及中间层
优选的，所述Au层的厚度为10000Å～20000Å，所述中间层的厚度为1600Å～9600Å。
优选的，所述Au层的厚度与中间层的厚度比例介于1:1~5:1。
优选的，所述中间层中Ni层和Pt层的层数相同，Ni层和Pt层的层数均设置为1~4层。
优选的，单层的Ni层的厚度为800Å～1200Å，单层的Pt层的厚度为800Å～1200Å。
优选的，所述Au层的厚度与单层Ni层的厚度比例介于1:1~20:1，所述Au层的厚度与单层Pt层的厚度比例介于1:1~20:1。
优选的，所述第一电极和/或第二电极的每一上层对每一相邻下层进行包覆。
优选的，所述接触层的材料为Cr、Ti或者Nb，所述反射层的材料为Al或者Ag。
优选的，所述半导体叠层、第一电极和第二电极的表面还设置有钝化层。
优选的，所述钝化层的材料为SiO2、SiC、SiN、Al2O3或前述任意组合。
优选的，所述发光二极管为正装发光二极管、倒装发光二极管或者垂直发光二极管。
本发明还提供一种发光二极管及其制备方法，包括如下步骤：
提供一衬底，于所述衬底上生长半导体叠层，所述半导体叠层包括依次沉积的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
在第一半导体层和第二半导体层上形成电极制作区，并于第一半导体层、第二半导体层上的电极制作区分别制作第一电极、第二电极；
其特征在于：所述第一电极和/或第二电极依次包括接触层、反射层、中间层和Au层，所述中间层包括交替叠置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度不大于所述Pt层的厚度，所述Au层包覆接触层、反射层及中间层。
优选的，还包括在所述半导体叠层、第一电极和第二电极表面沉积钝化层。
优选的，所述第一电极和第二电极采用蒸镀的方式制备形成。
优选的，所述Ni层的蒸镀速率不小于1Å/s。
与现有技术相比，本发明所述的发光二极管及其制备方法至少具备如下有益效果：
（1）由于Ni、Pt金属具有较高的耐热性，且导热、导电和老化性能优，通过在电极内设置Ni层和Pt层，可极大的提高电极的热稳定性；
（2）由于Ni层相较于其他金属层具有更大的应力，通过Ni层和Pt层的交替设置，可以减小Ni层内的应力，且通过调整Ni层的厚度不大于Pt层的厚度，能进一步改善Ni层应力的影响，避免后续出现的翘金异常，从而提高电极的质量；
（3）因交替叠置的Ni层和Pt层的结构，仅需要相对较薄的Au层就能保证电极的正常使用。减小了Au层的厚度，便降低了发光二极管的生产成本。
附图说明
图1示出实施例1中发光二极管的剖面结构示意图。
图2示出实施例1中电极的放大示意图。
图3示出实施例2中发光二极管的剖面结构示意图。
图4示出实施例2中电极的放大示意图。
图5示出电极的制作示意图。
图6示出应用现有技术、实施例1和实施例2中电极的发光二极管的股价图。
附图标注：
10、衬底；20、半导体叠层；21、第一半导体层；22、有源层；23、第二半导体层；30、第一电极；40、第二电极；51、接触层；52、反射层；53、中间层；531、Ni层；532、Pt层；54、Au层。
具体实施例
以下实施例将随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或说明书未描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。
在以下实施例中，用于指示方向的用语，例如“上”、“下”，“前”、“后”、“左”、和“右”，仅指在附图中的方向。因此，方向性用语是用于说明而不是限制本发明。
在本发明提供的实施例中，公开了一种发光二极管，本发明的发光二极管可以为正装发光二极管、倒装发光二极管或者垂直发光二极管，以下实施例将均以正装结构的发光二极管为例来进行说明。
实施例1
参看附图1，本发明提供的发光二极管，其至少包括：半导体叠层20，半导体叠层20自下而上依次包括层叠的第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23；设置于半导体叠层20上的电极结构，电极结构与半导体叠层20电性连接。
具体的，半导体叠层20是由多层III-V族氮化物半导体层层叠形成，其中第一半导体层21和/或第二半导体层23可以具有单层结构或多层结构，且掺杂有不同的掺杂剂，用以提供空穴和电子。第一半导体层21为p或n掺杂物，第二半导体层23为n或p掺杂物。其中，p型掺杂杂质类型可以为Mg、Zn、Ca、 Sr、或者Ba，n型掺杂杂质类型可以为Si、Ge、或者Sn，本发明不排除其他的元素等效替代的掺杂。有源层22为电子和空穴复合提供光辐射的区域，具体的辐射波段介于390~950nm，如蓝、绿、红、黄、橙、红外光，有源层22可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。有源层22包含阱层和垒层，其中垒层具有比阱层更大的带隙。通过调整有源层22中半导体材料的组成比，以期望辐射出不同波长的光。
半导体叠层20还可以包括其它层材料，如电流扩展层或电流阻挡层等，根据掺杂浓度或组分含量不同进行设置为不同的多层。本发明的半导体叠层是20通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD) 和外延生长等方式形成于衬底10上。衬底10可选用蓝宝石衬底，但不以此为限，例如可为SiC、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP以及Ge中的任意一种或者几种的组合，还可以对衬底10进行图形化处理，改变光的传播路径，从而增加发光二极管的出光效率。本发明对此不作特别限制，且衬底10在后续工艺中可被减薄或者去除。
继续参看附图1，电极结构设置于半导体叠层20上，其包括第一电极30和第二电极40。具体的，刻蚀第二半导体层23至第一半导体层21，露出部分第一半导体层21表面，在露出的第一半导体层21表面制作第一电极30，在第二半导体层23上制作第二电极40，使得第一电极30、第二电极40分别与第一半导体层21、第二半导体层23实现电性连接。
参看附图2，本实施例的第一电极30和/或第二电极40包括多层叠层结构，该多层叠层结构自下而上依次包括接触层51、反射层52、中间层53和Au层54。其中，接触层51能增加电极结构与半导体叠层20的粘合力，避免电极结构发生脱落；反射层52能将射向电极结构的光反射回发光二极管内部，然后再从其他方向发出，从而降低电极结构对光的吸收，提高发光二极管的亮度；中间层53为本发明的核心，能提高电极的热稳定性，延长发光二极管的使用寿命；Au层54作为打线层，其具有良好的导电、导热性能，用于后续将电极结构与外部器件进行连接。
具体的，接触层51的材料包括Cr、Ti或者Nb；反射层52的材料包括Al或者Ag；中间层53包括交替叠置的Ni层531和Pt层532，且Ni层531更靠近反射层52。Ni、Pt金属具有较高的耐热性，且导热、导电和老化性能优。通过在电极结构内设置交替叠置的Ni层531和Pt层532，可极大的提高电极的热稳定性，延长发光二极管的使用寿命，并且由于Ni层531相较于其他金属层具有更大的应力，交替设置的 Ni层531和Pt层532可以减小Ni层531内的应力，同时进一步调整Ni层531的厚度，使得Ni层531的厚度小于或者等于Pt层532的厚度，以进一步改善Ni层531应力的影响，避免后续出现的翘金异常，从而提高电极的质量。除此之外，因交替叠置的Ni层531和Pt层532的存在，仅需要相对较薄的Au层54就能保证电极的正常使用。减小了Au层54的厚度，便降低了发光二极管的生产成本。特别需要说明的是，Au层54必须包覆接触层51、反射层52及中间层53，以保证电极的正常使用。
更为具体的，接触层51为Cr层，反射层52为Al层，中间层53为Ni/Pt叠层。Cr层的厚度优选为10Å ~50Å ，Al层的厚度优选为800Å~1200Å，中间层53的厚度优选为1600Å～9600Å，其中，交替设置的Ni层531和Pt层532优选为1~4对，即Ni层531和Pt层532的层数相同，且均为1~4层。因Ni/Pt的导电性相对Au较差，所以Ni层531和Pt层532的单层厚度不宜过大，进一步的优选，单层的Ni层531的厚度为800Å～1200Å，单层的Pt层532的厚度为800Å～1200Å。本实施例的Au层54厚度相比于现有技术中的Au层厚度较薄，过厚的Au层会造成电极结构过于粗大，影响发光二极管的综合性能，优选Au层54的厚度为10000Å～20000Å。
较佳的，Au层54的厚度与中间层53的厚度比例优选介于1:1~5:1，以保证Au层54能完全将下层的金属层包覆，且能避免Au层54过厚造成亮度下降，同时还能避免过高的电极斜坡，不利于后续通过钝化层的覆盖，造成发光二极管的VF4良率降低。进一步的，Au层54的厚度与单层Ni层531的厚度比例介于1:1~20:1，Au层54的厚度与单层Pt层532的厚度比例介于1:1~20:1，此时对电极结构的包覆和良率性能达到最佳。
为了保护裸露的电极结构和半导体叠层20在发光二极管的制作、转移、使用等过程中不被损坏、污染、氧化等，在半导体叠层20、第一电极30和第二电极40的表面设置钝化层（图未示出），钝化层延伸至电极顶面，但并非将电极完全包覆，以在电极上露出部分区域的顶表面，用于与外部电路键合连接。为使光发射出去，钝化层须采用透光性材料制备而成，并且绝缘、不易与空气反应被氧化，钝化层材料优选自SiO2、SiC、SiN、Al2O3等或前述任意组合，本实施例优选SiO2。
实施例2
本实施例与实施例1具有多个相同的特征，在这里，对于相同的特征就不再一一叙述，仅对区别进行叙述。本实施例与实施例1的区别在于第一电极30和/或第二电极40的每一上层对每一相邻下层进行完全包覆，具体参看附图3和4。
作为示例说明的，电极结构自下而上包括Cr层、Al层、第一Ni层、第一Pt层、第二Ni层、第二Pt层、Au层。Cr层、Al层、第一Ni层、第一Pt层、第二Ni层、第二Pt层和Au层54均与半导体叠层20接触，其中，Al层包覆Cr层，第一Ni层包覆Al层，第一Pt层包覆第一Ni层，第二Ni层包覆第一Pt层，第二Pt层包覆第二Ni层，Au层包覆第二Pt层，具体可参看附图4。
进一步的，Cr层的厚度优选为10 Å ~5 0 Å，Al层的厚度优选为800 Å ~1200 Å，中间层53的厚度优选为1600Å～9600Å，其中，交替设置的Ni层531和Pt层532优选为1~4对，即Ni层531和Pt层532的层数均为1~4层。因Ni/Pt的导电性相对Au较差，所以Ni层531和Pt层532的单层厚度不宜过大，进一步的优选，单层的Ni层531的厚度为800Å～1200Å，单层的Pt层532的厚度为800Å～1200Å。本实施例的Au层54厚度相比于现有技术中的Au层厚度较薄，过厚的Au层54会造成电极结构过于粗大，影响发光二极管的综合性能，优选Au层54的厚度为10000Å～20000Å。
更进一步的，Au层54的厚度与中间层53的厚度比例优选介于1:1~5:1，以保证Au层54能完全将下层的金属层完全包覆，且能避免Au层54过厚造成亮度下降，同时还能避免过高的电极斜坡，不利于后续通过钝化层（图未示出）的覆盖，造成发光二极管的VF4良率降低。进一步的，Au层54的厚度与单层Ni层531的厚度比例介于1:1~20:1，Au层54的厚度与单层Pt层532的厚度比例介于1:1~20:1，此时对电极结构的包覆和良率性能达到最佳。
本实施例通过设置电极结构的每一上层对每一相邻下层进行完全包覆，上层的金属层能有效的保护下方的金属层，使其在提高电极的耐高温能力的基础上，进一步提高电极的稳固和抗应力的性能。例如，Al极为活泼，而包覆Al层的第一Ni层具有较好的稳定性，能有效防止Al层中的Al出现的溶解、迁移、上窜、老化异常等问题。Au层54作为电极结构的顶层，能保证电极结构具有良好的导电性能，且由于Au为惰性金属，相比于Al来说，Au不易出现老化的异常现象，还能有效保护其下方的包覆的金属层，进而提高整个电极结构的质量。
实施例3
本实施例还提供了上述发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
（1）提供一衬底10，在该衬底10上生长半导体叠层20，半导体叠层20包括依次沉积的第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23；
形成半导体叠层20的方法没有特别限制，例如金属有机化学气相沉积（MOCVD），分子束外延法（MBE）、卤化物气相外延法（HPVE法）、溅射法，离子镀法，电子喷淋法等。本实施优选常规的MOCVD法制作而成，沉积过程中通过控制温度及MO源的比例，来实现第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23的沉积。
（2）在半导体叠层20远离衬底10的一侧表面形成台阶（MESA），以露出第一半导体层21，并划分出电极结构的制作区域；
台阶（MESA）的制作是为了使得半导体叠层20露出第一半导体层21区域，以便于后续蒸镀金属电极。台阶（MESA）的制作可以采用蚀刻的方法形成，刻蚀方法可以为干法蚀刻、湿法蚀刻或者两者的组合。例如，可先在第二半导体层23表面涂布光阻，然后通过曝光得到指定的图形，接着可采用ICP（Inductively Coupled Plasma）蚀刻方法，利用设备的上电极加低频（LF）感应耦合产生等离子体，下电极加高频（HF）来产生偏置电压提供离子能量，通过等离子体进行物理和化学蚀刻半导体叠层。气体可采用Cl2、BCl3、CF4等进行混合使用，最终实现台阶（MESA）的制作。本实施不针对MESA的制作方法进行特别的限定。
（3）在第一半导体层21和第二半导体层23上划分出电极制作区域，并于第一半导体层21、第二半导体层23上的电极制作区制作电极；
在露出的第一半导体层21表面和第二半导体层23表面制作电极结构，该电极结构包括第一电极30和第二电极40，其中，第一电极30与第一半导体层21电性连接，第二电极40与第二半导体层23电性连接。关于电极结构的制作，可先对半导体叠层20表面涂布的光刻胶，然后进行曝光得到执行的光刻图形，将需镀电极结构区域的光刻胶去除，再通过蒸镀镀膜机蒸镀上电极结构，最后利用物理和化学的方法，剥离表面多余的光刻胶和金属，得到所要的新型电极。关于制作形成上述实施例1和实施例2中不同的电极结构，是通过调整电极结构的制作区域处的光罩图形来实现的。例如，若要制作如实施例2中的电极结构，则是需要形成上窄下宽的电极制作区域，可参看附图5，具体可采用负胶来开电极的图形光罩。
第一电极30和第二电极40可以采用蒸镀方式制备形成。具体的，在半导体叠层20上的电极制作区域通过蒸镀方式依次制备10~50 Å的接触层51、800~1200 Å的反射层52、1600Å～9600Å的中间层53和10000Å～20000Å的Au层54，其中，中间层53为交替的多层结构，其采用多次蒸镀的方式（以交替堆叠两对Ni/Pt层为例说明），具体为依次蒸镀800Å～1200Å的Ni层531、800Å～1200Å的Pt层532、800Å～1200Å的Ni层531、800Å～1200Å的Pt层532。其中，蒸镀的Ni层531的厚度小于等于Pt层532的厚度，以改善较大应力影响。除此之外，在蒸镀Ni层531的过程中，Ni层531的蒸镀速率不小于1Å/s。通过提高Ni层531的蒸镀速率，能有效降低Ni层531的应力，提高整体电极的质量和可靠性。
在完成整体电极蒸镀后，还需在半导体叠层20、第一电极30和第二电极40表面（电极的侧面及部分顶面）生长钝化层，以避免裸露的电极结构和半导体叠层20在发光二极管的制作、转移、使用等过程中不被损坏、污染、氧化等。
通过将应用现有技术、实施例1和实施例2（中间层为两对Ni/Pt层）中电极的发光二极管在相同的高结温环境下，持续验证336小时，得到附图6中的测试结果。
附图6示出应用现有技术、实施例1和实施例2的发光二极管的股价图。需要说明的是，△VF是指老化336小时后VF上升比例数据，△VF越高代表电压上升越高，二极管的可靠性越差，其热稳定性也越差。其中，股价图中方框面积大小表示数据的波动情况，方框面积越大则表示数据波动范围越大，越不稳定，而股价图中竖线的顶端和底端分别指出△VF的最低值和最高值。
通过图6能够发现，在相同条件下持续验证336小时，现有技术的发光二极管的△VF最小值为101%，△VF最大值105.2%；而实施例1的发光二极管的△VF最小值为100.8%，△VF最大值103.6%；实施例2的发光二极管的△VF最小值100.2%，△VF最大值为101.9%。综合对比，本发明的两个实施例的新结构相比于现有技术结构，其电极的热稳定性和老化性能有明显提高，且新结构的数据波动范围更小，更稳定。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.发光二极管，至少包括：
半导体叠层，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
第一电极，与所述第一半导体层连接；
第二电极，与所述第二半导体层连接；
其特征在于，所述第一电极和/或第二电极依次包括接触层、反射层、中间层和Au层，所述中间层包括交替叠置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度不大于所述Pt层的厚度，所述Au层包覆接触层、反射层及中间层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Au层的厚度为10000Å～20000Å，所述中间层的厚度为1600Å～9600Å。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述Au层的厚度与中间层的厚度比例介于1:1~5:1。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述中间层中Ni层和Pt层的层数相同，Ni层和Pt层的层数均设置为1~4层。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，单层的Ni层的厚度为800Å～1200Å，单层的Pt层的厚度为800Å～1200Å。
6.根据权利要求1或5所述的发光二极管，其特征在于，所述Au层的厚度与单层Ni层的厚度比例介于1:1~20:1，所述Au层的厚度与单层Pt层的厚度比例介于1:1~20:1。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和/或第二电极的每一上层对每一相邻下层进行包覆。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层的材料为Cr、Ti或者Nb，所述反射层的材料为Al或者Ag。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述半导体叠层、第一电极和第二电极的表面还设置有钝化层。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述钝化层的材料为SiO2、SiC、SiN、Al2O3或前述任意组合。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管为正装发光二极管、倒装发光二极管或者垂直发光二极管。
12.发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
提供一衬底，于所述衬底上生长半导体叠层，所述半导体叠层包括依次沉积的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
在第一半导体层和第二半导体层上形成电极制作区，并于第一半导体层、第二半导体层上的电极制作区分别制作第一电极、第二电极；
其特征在于：所述第一电极和/或第二电极依次包括接触层、反射层、中间层和Au层，所述中间层包括交替叠置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度不大于所述Pt层的厚度，所述Au层包覆接触层、反射层及中间层。
13.根据权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，还包括在所述半导体叠层、第一电极和第二电极表面沉积钝化层。
14.根据权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极采用蒸镀的方式制备形成。
15.根据权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述Ni层的蒸镀速率不小于1Å/s。
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| CN115579441A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-01-06 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 改善光效的发光二极管及其制备方法 |
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