CN102064252A

CN102064252A - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102064252A
Application number: CN 201010559789
Authority: CN
Inventors: 张汝京
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2011-05-18

Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：衬底；依次位于所述衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层；形成于所述p型半导体层中的p型掩埋式电极层；深度延伸至所述n型半导体层的开口；形成于所述开口内的第一电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接；形成于所述p型半导体层上的第二电极，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。所述p型掩埋式电极层可提升对发光有贡献的空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发光领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。

具体请参考图1，其为现有技术的发光二极管的剖面示意图。如图1所示，现有的一种发光二极管包括：衬底100；依次位于衬底100上的缓冲层110、n型半导体层120、有源层130、p型半导体层140；以及第一电极150和第二电极160。其中，所述缓冲层110的材料通常是低温生长的氮化镓；n型半导体层120的材料通常是n型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层130通常包括多量子阱有源层，多量子阱有源层的材料例如是铟氮化镓(InGaN)；所述p型半导体层140的材料通常是p型掺杂的氮化镓(p-GaN)，通常是在氮化镓中掺杂镁(Mg)原子来形成p-GaN。所述发光二极管用于发光时，将第一电极150电连接至电源负极、第二电极160电连接至电源正极，由于n型半导体层120与p型半导体层140的掺杂类型相反，n型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使电子漂移，p型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使空穴漂移，所述空穴和电子在多量子阱有源层(也称为活性层或发光层)中相互重新结合，从而反射光。

然而，现有技术的发光二极管存在以下缺点：该发光二极管的背景载流子(电子)浓度太高，而p型掺杂水平较低，进而导致空穴载流子浓度太低。其中，对于n型掺杂方面，背景载流子与n空位、替位式Si、替位式O等有关；对于p型掺杂方面，H补偿受主Mg，使掺Mg的GaN成为半绝缘。但是，由于Mg具有较高的电离能(约250meV)，即使经过低能电子束辐照(LEEBI)或快速热退火(RTA)工艺处理后，部分Mg可以被激活，空穴浓度可达到10¹⁸/cm³，但仍然不能很好地满足器件需要。

随着人们环保节能意识的增强，如何提高对发光有贡献的空穴浓度，提高发光二极管的性能，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种发光二极管及其制造方法，以提高对发光二极管的空穴浓度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，包括：衬底；依次位于所述衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层；形成于所述p型半导体层中的p型掩埋式电极层；深度延伸至所述n型半导体层的开口；形成于所述开口内的第一电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接；形成于所述p型半导体层上的第二电极，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括位于所述p型半导体层上的透明导电层，所述第二电极通过所述透明导电层与所述p型掩埋式电极层电连接。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括位于所述衬底和n型半导体层之间的缓冲层。

可选的，在所述的发光二极管中，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。

可选的，在所述的发光二极管中，所述n型半导体层的材料为n型掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述p型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。所述第一电极和第二电极的材料为钛铝合金或钛金合金。

相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法，包括：提供衬底；在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层和p型半导体层；在所述p型半导体层中形成p型掩埋式电极层；形成深度延伸至所述n型半导体层的开口；在所述开口内形成第一电极，并在所述p型半导体层上形成第二电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，在所述p型半导体层中形成p型掩埋式电极层的步骤包括：在所述p型半导体层上形成图形化掩膜层；以所述图形化掩膜层为掩膜，执行离子注入工艺，以在所述p型半导体层中形成离子注入区；去除所述图形化掩膜层；执行退火工艺，以将所述离子注入区转变为p型掩埋式电极层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述离子注入工艺注入的离子为铍离子、锌离子或镁离子，注入能量为500eV～10KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。所述退火工艺的退火温度为800℃～1200℃，退火时间为1秒～200秒。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，在形成深度延伸至所述n型半导体层的开口之前，还包括：在所述p型半导体层上形成透明导电层，所述第二电极通过所述透明导电层与p型掩埋式电极层电连接。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，在所述衬底上形成n型半导体层之前，还包括：在所述衬底上形成缓冲层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在形成p型半导体层之后，在p型半导体层中额外形成了p型掩埋式电极层，在发光二极管发光时，所述p型掩埋式电极层可提升对发光有贡献的空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率。

附图说明

图1是现有技术的发光二极管的剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的发光二极管的俯视图；

图3是图2所示发光二极管沿A-A方向的剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的发光二极管制造方法的流程图；

图5A～5E为本发明实施例提供的发光二极管制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

具体实施方式

在背景技术中已经提及，现有的发光二极管发展的主要障碍在于该发光二极管的背景载流子(电子)浓度太高，而p型掺杂水平较低，进而导致空穴载流子浓度太低。因此，本发明提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管在p型半导体层中额外形成了p型掩埋式电极层，在发光二极管发光时，所述p型掩埋式电极层可提升对发光有贡献的空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率。

请参考图2和图3，其中，图2是本发明实施例提供的发光二极管的俯视图，图3是图2所示发光二极管沿A-A方向的剖面示意图。所述发光二极管为氮化镓基的蓝光二极管，所述发光二极管包括：

衬底200，在本实施例中，所述衬底200为蓝宝石衬底。然而应当认识到，所述衬底200的材料还可以是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)或氧化镁(MgO)中的一种或其任意组合。

缓冲层210，所述缓冲层210位于衬底200上方，所述缓冲层210可改善衬底200与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题。较佳的，所述缓冲层210采用低温条件下生长的氮化镓薄膜。

n型半导体层220、有源层230、p型半导体层240依次位于缓冲层210上方。在本实施例中，所述n型半导体层220的材料为n型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层230包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓(InGaN)，用于发出波长为470nm的蓝光；所述p型半导体层240的材料为p型掺杂的氮化镓(p-GaN)。

所述发光二极管还包括形成于p型半导体层240中的p型掩埋式电极层270，所述p型掩埋式电极层270可使发光二极管具有较高的空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率。所述p型掩埋式电极层270中掺杂了p型掺杂剂，所述p型掺杂剂优选为铍(Be)、锌(Zn)或镁(Mg)。

如图2所示，在本实施例中，所述p型掩埋式电极层270包括：间隔排列的第一弧形分支271、第一矩形分支272、第二矩形分支273和第四弧形分支274；与上述四个分支垂直连接的第三矩形分支275；以及与第三矩形分支275连接的半圆形分支276，所述第二电极260位于所述半圆形分支276的正上方。将p型掩埋式电极层270设置为上述形状，可使发光二极管的空穴浓度分布的更为均匀。可以理解的是，p型掩埋式电极层270的形状并不局限于此，只要使所述p型掩埋式电极层270均匀分布在p型半导体层240中，达到使发光二极管的空穴浓度分布均匀的目的即可，例如，所述p型掩埋式电极层270也可呈梳齿状。

较佳的，所述发光二极管还包括透明导电层(TCL)280，所述透明导电层280位于所述p型半导体层240和p型掩埋式电极层270上方。由于p型掺杂的氮化镓的电导率比较小，因此在p型半导体层240表面沉积一层金属的电流扩散层，有助于提高电导率。所述透明导电层280的材料优选为镍金合金(Ni/Au)，或者是氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化镍(NiO)中的一种或其组合。

所述发光二极管还包括深度延伸至n型半导体层220的开口221、形成于开口221内的第一电极250、以及形成于p型半导体层240上的第二电极260。其中，所述n型半导体层220通过第一电极250与电源负极电连接，所述p型半导体层240通过p型掩埋式电极层270和第二电极260与电源正极电连接。优选的，第一电极250和第二电极260在一步工艺中同时形成，其材料均为钛铝合金(Ti/Al)或钛金合金(Ti/Au)。

所述发光二极管用于发光时，将第一电极250电连接至电源负极、并将第二电极260电连接至电源正极，使得所述n型半导体层220通过第一电极250与电源负极相连，所述p型半导体层240和p型掩埋式电极层270通过第二电极260与电源正极相连，n型半导体层220通过外部电压驱动使电子漂移，p型半导体层240和p型掩埋式电极层270通过外部电压驱动使空穴漂移，所述p型掩埋式电极层270增加了对发光有贡献的空穴浓度，从而增加了空穴和电子在多量子阱有源层(也称为活性层或发光层)中相互重新结合的机率，提高了发光二极管的发光效率。

相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法。请参考图4，其为本发明实施例所提供的发光二极管的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S410，提供衬底；

步骤S420，在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层和p型半导体层；

步骤S430，在所述p型半导体层中形成p型掩埋式电极层；

步骤S440，形成深度延伸至所述n型半导体层的开口；

步骤S450，在所述开口内形成第一电极，并在所述p型半导体层上形成第二电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。

下面将结合剖面示意图对本发明的发光二极管制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

参考图5A，首先，提供衬底500，在本实施例中，所述衬底500的材料为氧化铝(Al₂O₃)，所述衬底500用以形成氮化镓基的蓝光二极管。当然，所述衬底500的材料还可以是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)或氧化镁(MgO)中的一种或其任意组合。

继续参考图5A，接下来，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺，在所述衬底500上形成缓冲层510，所述缓冲层510可改善衬底500与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题。

继续参考图5A，之后，在所述缓冲层510上依次形成n型半导体层520、有源层530以及p型半导体层540，所述n型半导体层520、有源层530和p型半导体层540构成发光二极管的管芯。所述n型半导体层520的材料为n型掺杂的氮化镓；所述有源层530包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述p型半导体层540的材料为p型掺杂的氮化镓。

参考图5B，本发明的关键步骤是，在所述p型半导体层540中形成p型掩埋式电极层570，以增加发光二极管的空穴浓度。

其中，所述p型掩埋式电极层570可通过以下步骤形成：首先，在p型半导体层540上形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层例如是图形化的光刻胶层或图形化的二氧化硅层，所述图形化掩膜层将需要进行离子注入的区域暴露出来；接着，以所述图形化掩膜层为掩膜，执行离子注入工艺，即可在所述图形化掩膜层未覆盖的p型半导体层中形成离子注入区，所述离子注入区内具有浓度较高的p型离子；随后，利用湿法或干法的方式去除所述图形化掩膜层；最后，执行退火工艺，以激活所述离子注入区内的p型离子，从而形成p型掩埋式电极层，所述p型掩埋式电极层570相比于p型半导体层540，具有较高的空穴浓度，大大提高了发光二极管的发光效率。

在本实施例中，所述离子注入工艺注入的离子可以为铍(Be)离子、锌(Zn)离子或镁(Mg)离子，注入能量为500eV～10KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。退火工艺的退火温度为800℃～1200℃，退火时间为1秒～200秒。需要说明的是，本发明并不局限于上述数值，也可根据器件的要求来调整注入能量和注入剂量，并相应的调整退火温度和退火时间，来控制要达到的注入深度和空穴浓度。

并且，在本发明其它实施例中，也可利用其它方式(如低能电子束辐照方式)来激活离子注入区内的p型离子，从而使发光二极管具有较高的空穴浓度。

参考图5C，其后，在形成p型掩埋式电极层570之后，在p型半导体层540上形成透明导电层580，所述透明导电层580有助于提高电导率，所述透明导电层580的材料可采用镍金合金(Ni/Au)。

参考图5D，接下来，利用曝光、显影和刻蚀技术，形成深度延伸至所述n型半导体层520的开口521。在本实施例中，所述开口521贯穿所述透明导电层580、p型半导体层540、有源层530以及部分厚度的n型半导体层520。可以理解的是，所述开口521也可仅贯穿所述透明导电层580、p型半导体层540以及有源层530，同样能达到使n型半导体层520与第一电极550电连接的目的。

参考图5E，在所述开口521内形成第一电极550，并在透明导电层580上形成第二电极560，所述n型半导体层520通过所述第一电极550与电源负极电连接，所述p型半导体层540通过所述p型掩埋式电极层570和第二电极560与电源正极电连接。优选的，所述第一电极550和第二电极560在一步工艺中同时形成，以提高生产效率。

所述发光二极管用于发光时，所述n型半导体层520通过第一电极550与电源负极相连，所述p型半导体层540和p型掩埋式电极层570通过第二电极560与电源正极相连。n型半导体层520通过外部电压驱动使电子漂移，p型半导体层540和p型掩埋式电极层570通过外部电压驱动使空穴漂移。由于所述p型掩埋式电极层570的存在，增加了对发光有贡献的空穴浓度，从而增加了空穴和电子在多量子阱有源层中相互重新结合的机率，提高了发光二极管的发光效率，进而提高了发光二极管的性能。

需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施例，对本发明进行修改、替换和变形。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种发光二极管，包括：

衬底；

依次位于所述衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层；

形成于所述p型半导体层中的p型掩埋式电极层；

深度延伸至所述n型半导体层的开口；

形成于所述开口内的第一电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接；

形成于所述p型半导体层上的第二电极，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括位于所述p型半导体层上的透明导电层，所述第二电极通过所述透明导电层与所述p型掩埋式电极层电连接。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括位于所述衬底和n型半导体层之间的缓冲层。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。

5.如权利要求1至4中任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层的材料为n型掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述p型半导体层的材料为p型掺杂的氮化镓。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为钛铝合金或钛金合金。

7.一种发光二极管制造方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层和p型半导体层；

在所述p型半导体层中形成p型掩埋式电极层；

形成深度延伸至所述n型半导体层的开口；

在所述开口内形成第一电极，并在所述p型半导体层上形成第二电极，所述n型半导体层通过所述第一电极与电源负极电连接，所述p型半导体层通过所述p型掩埋式电极层和第二电极与电源正极电连接。

8.如权利要求7所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在所述p型半导体层中形成p型掩埋式电极层的步骤包括：

在所述p型半导体层上形成图形化掩膜层；

以所述图形化掩膜层为掩膜，执行离子注入工艺，以在所述p型半导体层中形成离子注入区；

去除所述图形化掩膜层；

执行退火工艺，以将所述离子注入区转变为p型掩埋式电极层。

9.如权利要求8所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述离子注入工艺注入的离子为铍离子、锌离子或镁离子，注入能量为500eV～10KeV，注入剂量为10¹⁴/cm²～10¹⁶/cm²。

10.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述退火工艺的退火温度为800℃～1200℃，退火时间为1秒～200秒。

11.如权利要求8或10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在形成深度延伸至所述n型半导体层的开口之前，还包括：在所述p型半导体层上形成透明导电层，所述第二电极通过所述透明导电层与p型掩埋式电极层电连接。

12.如权利要求8或10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在所述衬底上形成n型半导体层之前，还包括：在所述衬底上形成缓冲层。