CN102255009A

CN102255009A - Led芯片的制造方法

Info

Publication number: CN102255009A
Application number: CN2011101722177A
Authority: CN
Inventors: 于洪波; 肖德元; 程蒙召; 张汝京
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明提出一种LED芯片的制造方法，包括如下步骤：提供半导体衬底，在半导体衬底上采用金属有机化学气相淀积依次生长氮化物成核层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、多量子阱、P型氮化物层；在P型氮化物层上沉积掩膜层；蚀刻掩膜层以形成周期性图形结构窗口，所述周期性图形结构窗口内暴露出P型氮化物层；采用金属有机化学气相淀积外延的方法，在周期性图形结构窗口内、P型氮化物层表面上，形成掺杂锥形结构；去除掩膜层，形成由P型氮化物层和掺杂锥形结构构成的P型外延层。由上述技术方案的实施，提供了一种实现LED芯片的制造方法，以提高氮化物发光二极管的取光效率。

Description

LED芯片的制造方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片的制造方法，尤其涉及金属有机化学气相淀积(MOCVD)外延方法生长掺杂锥形结构，以提高取光效率的制造方法。

背景技术

传统的荧光灯中需使用水银蒸汽及铅成分，如果荧光灯破碎，水银蒸汽和铅则会挥发到大气中，成为不断污染空气的源头，并对人体造成伤害。因此，人们正在寻求新一代的照明光源。1964年，世界上第一只红色III-V族稼砷磷(GaAsP)发光二极管(LED，Light Emitting Diode)诞生，这也就预示着固体发光时代的来临，紧接着橙色、黄色和黄绿色LED也相继问世，唯独蓝光LED的空缺造成一直不能实现全色显示。1994年，研制出氮化镓(GaN)LED，实现了蓝光半导体发光，使LED能够发出从红外线到蓝光之间不同波长的光线，从而可能实现由蓝光半导体发光材料转化成白光的白光LED。白光LED无需使用水银蒸汽和铅，且易回收，不会对环境造成污染，从而对环境起到保护作用。由于LED不仅具有节能、环保、寿命长三大优点，还具有体积小、驱动电压低、响应快速、彩色可调、聚光性能好等优点，因此，随着LED发光强度的不断提高，应用领域也不断扩大，并逐步进入照明领域。

随着以氮化物为基础的高亮度LED应用的开发，新一代绿色环保固体照明光源氮化物LED已成为研究的重点，尤其是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色LED的开发。以GaN、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)合金为主的III族氮化物半导体材料具有宽的直接带隙、内外量子效率高、高热导率、耐高温、抗腐蚀、抗震性、高强度和高硬度等特性，是世界上目前制造高亮度发光器件的理想材料。

由于LED器件的制造一般采用横向结构，体型是长方体，左右两面相互平行，虽然有源区发出的光大部分从P型区的顶部出射，但是，由于半导体材料与空气的折射率差异较大，导致LED光从折射率大的芯片发射到折射率小的空气时，会在半导体与空气的界面发生全发射，未经处理的半导体LED结构表面大约只有很少一部分的光从芯片内部逃逸出来，从而导致芯片的出光效率非常低。由于芯片的出光效率是决定半导体照明芯片的发光效率的主要原因，因此，提升氮化物LED的发光效率和增大光的取出效率对提高器件的外部量子效率起着非常关键的作用。

为了提高外部量子效率，人们正在试图从技术上尝试各种能提高芯片出光率的方法，比如表面粗化(Surface roughing)，破坏光在半导体与空气界面的全反射，增加光的出射效率，提高芯片的光提取效率。另外，比较成功的提高光取出效率的方法是将LED芯片做成倒金字塔形、锥形等。当制作成倒金字塔(TIP，Truncated Inverted Pyramid)形状(侧面与垂直方向成一定角度)时，芯片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于全反射临界角的角度出射；同时，射到顶面大于全反射临界角的光可以从侧面出射，从而大大提高了芯片的出光效率。表面粗化或倒金字塔型的形成是一般是通过蚀刻等工艺改变表面的腐蚀深度、形状和坡度，因此容易造成在各个方向上腐蚀不均匀，甚至造成腐蚀不充分和过蚀的现象。因此，在LED芯片结构中难以形成均匀一致的深度、形状和坡度，提高取光效率的倾斜面也难以准确控制。还会造成裂片等问题，降低产品生产的良率。

为了解决上述问题，提高III族氮化物发光器件来的内部量子效率和出光效率，在实际的实施过程中仍然存在相当大的壁垒，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决第三代半导体材料使用面临的最主要的问题。

实用新型内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现LED芯片的制造方法，以提高氮化物LED的取光效率。

为解决上述问题，本发明提出的一种实现LED芯片的制造方法，包括如下步骤：

提供半导体衬底，在半导体衬底上采用MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition)依次生长氮化物成核层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、多量子阱、P型氮化物层；

在P型氮化物层上沉积掩膜层；

蚀刻掩膜层以形成周期性图形结构窗口，所述周期性图形结构窗口内暴露出P型氮化物层；

采用金属有机化学气相淀积外延的方法，在周期性图形结构窗口内、P型氮化物层表面上，形成掺杂锥形结构；

去除掩膜层，形成由P型氮化物层和掺杂锥形结构构成的P型外延层。

从上述技术方案可见，采用MOCVD外延的方法，在掩膜层的周期性图形结构窗口内、P型氮化物层上生长了掺杂锥形结构，在去除掩膜层后，由P型氮化物层和掺杂锥形结构形成了P型外延层。由于在掩膜层上制备了开口尺寸大小一致、间距均匀的周期性图形结构窗口后，结合所述MOCVD外延方法，就能得到形状相同、大小统一的周期性的掺杂锥形结构。并且，通过调整MOCVD生长条件，也可以控制掺杂锥形结构的高度和形状，使掺杂锥形结构的倾斜面与垂直方向的角度统一，以提高准确控制取光效率的倾斜面。

通常，采用湿法或干法蚀刻工艺对表面粗化形成锥形结构。然而，由于蚀刻不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用，因此难以通过蚀刻等工艺控制表面的腐蚀深度、形状和坡度，形成高度和横向尺寸均匀的锥形结构。不仅如此，刻蚀的方法破坏了半导体材料本身，造成了高密度的晶体缺陷，容易形成光子的非辐射复合中心，从而降低LED器件的发光效率。本发明通过采用生产中通用的掩模+腐蚀的方法，在P型氮化物的表面形成尺寸均匀的开口结构。然后，再次使用MOCVD方法，制备所期许的锥形结构，从而避免了蚀刻工艺的缺陷，扩大了光线在半导体和空气界面发生全发射时的临界角，从而提高出光效率；由于在P型氮化物层表面上生长了周期性的掺杂锥形结构，改善了以往腐蚀形成的金字塔形、锥形等结构的密度分布不均匀的缺点，得到了密度分布均匀的掺杂锥形结构，提高了氮化物LED元件的出光均匀性和出光效率。

附图说明

图1显示了本发明一种氮化物LED结构的制作流程。

图2a至图2e显示了图1流程的制作方法。

图3显示了本发明一种MOCVD选区二次外延生长的尖锥状多面体的示意图。

图4显示了本发明一种尖锥状结构取光效率示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

下面以图1所示的制作流程为例，结合附图2a至2e，对LED芯片的制作工艺进行详细描述。

S100：提供半导体衬底10，在半导体衬底10上采用MOCVD依次生长氮化物成核层11、非掺杂氮化物层12、N型氮化物层13、多量子阱16、P型氮化物层19。

参见图2a，提供半导体衬底10，在半导体衬底10上采用通常的MOCVD法，依次生长氮化物成核层11、未掺杂的非掺杂氮化物层12、掺杂的N型氮化物层13，然后，在N型氮化物层13上生长多量子阱16，最后在多量子阱16上生长P型氮化物层19。其中，在多量子阱16上依次生长的掺杂的第一氮化物层17和掺杂的第二氮化物层18构成了P型氮化物层19。上述过程具体如下：

首先，在半导体衬底10表面上形成一层厚度均匀、表面平坦的氮化物成核层11，以改变半导体衬底10表面接合型，以利后续其他材料生长。氮化物成核层11可以为GaN膜、厚度为

其次，氮化物成核层11上生长未掺杂的非掺杂氮化物层12，以利结晶聚合成连续平整的基地层。非掺杂氮化物层12可以为GaN膜、厚度为

然后，在非掺杂氮化物层12上生长掺杂的N型氮化物层13。掺杂N型氮化物层13可以为GaN膜、厚度为

其掺杂物可以为N型掺杂物，N型掺杂物可以为Si或其它，优选Si，其掺杂浓度为5×1017cm-3到1×1019cm-3。Si由于掺杂技术简单、易于控制，所以是N型氮化物中常使用的N型掺杂剂。

接着，在掺杂的N型氮化物层13上生长多量子阱16，作为有源区。通过调整含In的窄禁带宽度氮化物膜14和宽禁带宽度的氮化物膜15的周期数，且让窄禁带宽度的氮化物膜14和宽禁带宽度的氮化物膜15交替排列，形成了所述的多量子阱16。其中，含In的窄禁带宽度氮化物膜14可以为InGaN膜，厚度为

形成温度为700～900℃；宽禁带宽度的氮化物膜15可以为GaN膜，厚度为形成温度为700～900℃。

紧接着，在多量子阱16上生长掺杂的第一氮化物层17，掺杂第一氮化物层17可以为氮化铝镓(AlGaN)、厚度为其掺杂物可以为P型掺杂物，P型掺杂物可以为镁(Mg)或锌(Zn)或其它，其掺杂浓度为1×1018cm-3到5×1019cm-3；

最后，在掺杂的第一氮化物层17上生长掺杂的第二氮化物层18，掺杂第二氮化物层18可以为GaN膜、厚度为

其掺杂物可以为P型掺杂物，P型掺杂物可以为Mg或Zn或其它，其掺杂浓度为1×1018cm-3到5×1019cm-3；

在第一氮化物层17和第二氮化物层18中进行掺杂，提高空穴浓度，改善P型氮化物层19的导电性，从而获得了高质量的P型掺杂，提高了基于氮化物材料的LED结构质量。

掺杂的N型氮化物层13为多量子阱16的电子来源，掺杂的第一氮化物层17为多量子阱16的空穴来源，电子和空穴被局限在多量子阱16中，在有源区电子和空穴复合，释放出能量，进而发出光。同时，掺杂的第一氮化物层17利用AlGaN膜的高能隙可以阻挡来源于掺杂的N型氮化物层13的电子从多量子阱16中溢出，增强了空穴与电子复合的效率，提高发光强度。

S101：在P型氮化物层19上沉积掩膜层20。

参见图2b，在P型氮化物层19上采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)沉积掩膜层20。

PECVD法是利用反应气体在等离子体中发生分解而在衬底上沉积的过程。利用PECVD制备的非晶态硅品质高，原材料消耗少，成本低，且工艺简单。

所述掩膜层20可以是非晶态硅，该非晶态硅可以为二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SixNy)，优选SiO2，厚度分别为

S102：蚀刻掩膜层20以形成周期性图形结构窗口21，所述周期性图形结构窗口21内暴露出P型氮化物层19。

参见图2c，在掩膜层20上沉积光刻胶(图中未示出)，采用通常的光刻方法形成周期性图形窗口的光刻胶，暴露出掩膜层20表面，以光刻胶为掩膜对掩膜层20进行湿法蚀刻，暴露出P型氮化物层19表面，从而在掩膜层20中制备了周期性图形结构窗口21。其中，周期性图形结构窗口21的尺寸(CD)为

各窗口21的尺寸大小一致、间距均匀。

在掩膜层20上可以用光刻技术，优选纳米压印方法(NIL，Nano ImprintLithography)对光刻胶进行处理，制造出周期性图形结构窗口的光刻胶，周期性图形结构窗口21可以为周期性的圆形开口或其它，圆形开口的直径大小为

S103：在掩膜层20的周期性图形结构窗口21内、P型氮化物层19表面上，采用MOCVD外延的方法，生长掺杂锥形结构22。

参见图2d，LED芯片采用通常的方法被清洗后，利用MOCVD选区二次外延的方法，在图2c所示的器件结构表面进行外延生长，由于掩膜层20的材料为非晶态硅，采用MOCVD选区二次外延时，掩膜层20上不发生反应，因此，经过该外延生长步骤后，仅在掩膜层20的周期性图形结构窗口21内、P型氮化物层19表面上形成掺杂锥形结构22，即实现选区(窗口21)内外延生长。所述掺杂锥形结构22可以为GaN，其锥形高度为

所述掺杂锥形结构22可以为在顶部具有金字塔型、锥形、尖锥金字塔型或其它结构，只要保证LED芯片的体型不再是左右两面相互平行，而是侧面有坡度，从而达到提高取光效率的目的。

所述MOCVD选区二次外延方法的具体工艺参数包括：反应室压强为100毫托至500毫托，反应温度为750摄氏度至1050摄氏度，反应物为NH3(氨气)与TMGa(三甲基镓)，其中，NH 3与TMGa的摩尔比为500至2000。

S104：去除掩膜层20，形成由P型氮化物层19和掺杂锥形结构22构成的P型外延层24。

参见图2e，采用通常的湿法蚀刻去除掩膜层20，暴露出P型氮化物层19，并在P型氮化物层19表面上完全暴露出掺杂锥形结构22。

MOCVD选区二次外延方法结束后，将LED芯片放在500到800℃和在氮气或空气的气氛下进行高温退火，采用掺杂剂生长的P型外延层24利用退火工艺，以激活P型外延层24中的掺杂物，实现P型掺杂，得到了浓度均匀的P型外延层24。

然后，再次使用MOCVD方法，制备所期许的锥形结构，扩大了光线在半导体和空气界面发生全发射时的临界角，从而提高出光效率；

通过采用生产中通用的掩模+腐蚀的方法，在P型氮化物19的表面制备了尺寸均匀的开口结构。然后，再次使用MOCVD方法，制备所期许的锥形结构22，从而避免了蚀刻工艺造成的缺陷。并且，由于晶体生长本身的特点，参见图3，掺杂锥形结构22的倾斜面23与垂直方向的夹角θ也统一(参见图4)。由此可见，能够根据实际需要调整MOCVD生长条件改善以往腐蚀工艺倾斜面23角度θ不稳定的缺陷，同时提高出光效率。由于在P型氮化物层19表面上生长了周期性的尺寸均匀的掺杂锥形结构22，改善了以往金字塔型、锥形等密度分布不均匀的缺点，得到了密度分布均匀的掺杂锥形结构22，提高了氮化物LED元件的取光效率。

最后，采用通常的氮化物LED器件制造工艺，对LED外延片制作P型电极和N型电极。P型外延层24的表面可以提供P型电极接合的界面。N型氮化物层13可以为N型电极的金属接触层。P型外延层24以空穴为主，N型氮化物层13主要是电子。当在LED芯片的电极上施加正向偏压之后，分别注入P型外延层24内和N型氮化物层13内的电子和空穴复合时以光子的形式发出光亮。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种LED芯片的制造方法，包括如下步骤：

提供半导体衬底，在半导体衬底上采用金属有机化学气相淀积依次生长氮化物成核层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、多量子阱、P型氮化物层；

在P型氮化物层上沉积掩膜层；

2.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述氮化物成核层为氮化镓，厚度为

3.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述非掺杂氮化物层为氮化镓，厚度为

4.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述N型氮化物层为N型掺杂氮化镓层，厚度为

5.根据权利要求4所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述N型掺杂氮化镓层中的掺杂物为硅，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3到1×10¹⁹cm^-3。

6.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述P型氮化物层至下而上的由掺杂第一氮化物层和掺杂第二氮化物层构成。

7.根据权利要求6所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述的掺杂第一氮化物层为P型掺杂氮化铝镓层，厚度为

8.根据权利要求6所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述的掺杂第一氮化物层为掺镁或锌的P型掺杂氮化铝镓层，其中镁或锌的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁹cm^-3。

9.根据权利要求6所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述的掺杂第二氮化物层为P型掺杂氮化镓层，厚度为

10.根据权利要求6所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述的掺杂第二氮化物层为掺镁或锌的P型掺杂氮化镓层，其中镁或锌的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁹cm^-3。

11.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述掩膜层为非晶态硅的二氧化硅，厚度为

12.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述掩膜层为非晶态硅的氮化硅，厚度为

13.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述周期性图形结构窗口为周期性的开口。

14.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述周期性图形结构窗口的大小为

15.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述掺杂锥形结构的顶部为锥形。

16.根据权利要求1或15所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述掺杂锥形结构为P型掺杂氮化镓材料，锥形高度为

17.根据权利要求16所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述的掺杂锥形结构为掺镁或锌的P型掺杂氮化镓层，其中镁或锌的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁹cm^-3。

18.根据权利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述金属有机化学气相淀积外延生长的反应室压强为100毫托至500毫托，反应温度为750摄氏度至1050摄氏度，反应物为NH₃与TMGa，其中，NH₃与TMGa的摩尔比为500至2000。