CN105449057B - 一种集成多孔状反射层的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成多孔状反射层的发光二极管,在衬底上依次生成低温缓冲层、高温缓冲层、多孔状反射层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层及透明导电层,P电极设置在透明导电层上,衬底为绝缘衬底时,N电极设置在N型掺杂层上,衬底为导电衬底时,N电极设置在衬底背面;多孔状反射层的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成。本发明可以提高外量子效率,且可适用于垂直结构LED芯片,而不会对LED芯片的工作电压造成影响。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域,尤其是指一种集成多孔状反射层的发光二极管。
背景技术
发光二极管(LED)的发展与半导体光电技术、照明光源技术的发展紧密相关。随着LED应用领域的不断扩展,人们对LED芯片的性能也提出了越来越高的要求。为了提高LED的外量子效率,常用做法是在LED芯片中制作分布布拉格反射层(DBR),从而把射向芯片底部的光反射回芯片的顶部。在四元系AlGaInP LED芯片中,由于AlAs和GaAs的折射率差较大(Δn=0.53),两者之间晶格匹配,并且导电性优异,因此可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)直接外延生长AlAs/GaAs DBR。而在GaN LED芯片中,AlN和GaN的折射率差Δn只有0.35,其所组成的AlN/GaN DBR的反射带宽较窄。并且AlN和GaN两者之间有2.5%的晶格失配,难以通过MOCVD直接外延生长高质量的AlN/GaN DBR。此外,由于AlN的导电性较差,直接在外延层中***AlN/GaN DBR会造成LED芯片的工作电压升高。由于AlN/GaN DBR的上述缺点,在GaN LED中不适合直接外延生长AlN/GaN DBR。
传统做法是在衬底的背面通过电子束蒸镀的方式制作SiO2/TiO2DBR。如图1所示,在衬底10上依次设置低温缓冲层20、高温缓冲层30、N型掺杂层40、有源层50、电子阻挡层60、P型接触层70,透明导电80。P型电极901设置在透明导电层80的正面,N型电极902设置在N型掺杂层40的正面。SiO2/TiO2DBR 100制作于衬底10的背面。
由于SiO2和TiO2均为绝缘介质,若将SiO2/TiO2DBR直接集成在垂直结构的LED芯片中,会阻碍电流的垂直流动,造成芯片工作电压异常升高,因此SiO2/TiO2DBR难以在垂直结构的LED芯片中使用,目前绝大部分应用于水平结构的LED芯片中。此外,SiO2/TiO2DBR与衬底的粘附性较差。若衬底清洁不够彻底,很容易造成SiO2/TiO2DBR脱落,影响LED芯片的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成多孔状反射层的发光二极管,多孔状反射层可以提高LED芯片的外量子效率,且可适用于垂直结构LED芯片,而不会对LED芯片的工作电压造成影响。
为达成上述目的,本发明解决方案为:
一种集成多孔状反射层的发光二极管,在衬底上依次生成低温缓冲层、高温缓冲层、多孔状反射层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层及透明导电层,P电极设置在透明导电层上,衬底为绝缘衬底时,N电极设置在N型掺杂层上,衬底为导电衬底时,N电极设置在衬底背面;多孔状反射层的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成。
进一步,N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3,满足关系式N1<N2<N3。
进一步,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
进一步,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
进一步,N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
进一步,N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
进一步,N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-100nm。
进一步,N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-50nm。
进一步,N型轻掺层和N型重掺层的厚度d满足d=λ/4neff,其中λ为有源区所发出光的波长,neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
进一步,与高温缓冲层接触的为N型轻掺层,与N型掺杂层接触的为N型重掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层,与N型掺杂层接触的为N型轻掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型轻掺层,与N型掺杂层接触的也为N型轻掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层,与N型掺杂层接触的也为N型重掺层。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法,包括以下步骤:
一,使用MOCVD在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层;所述低温缓冲层、高温缓冲层、交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层构成外延层;
二,在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层;
三,经过标准的光刻过程,在透明导电层上定义出切割道;
四,使用ICP腐蚀切割道,直到切割道处的透明导电层和外延层被完全腐蚀,暴露出切割道处的衬底;
五,将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中,并向外延片施加正向偏压,对外延片进行电化学腐蚀,将交替层叠的N型轻掺层与N型重掺层制作成多孔状反射层;
六,若衬底为绝缘衬底,则经过标准的光刻过程,在透明导电层上定义出台面,然后使用ICP刻蚀出台面,再在透明导电层上制作P电极,在N型掺杂层上制作N电极;若衬底为导电衬底,则直接在透明导电层上制作P电极,在导电衬底的背面制作N电极;
七,将外延片切割成独立的发光二极管器件。
进一步,N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3,满足关系式N1<N2<N3。
进一步,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
进一步,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
进一步,N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
进一步,N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
采用上述方案后,本发明将N型轻掺层和N型重掺层腐蚀成多孔状结构,具有该多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成多孔状反射层。多孔状反射层的组成材料均为N型GaN,因此可以通过MOCVD外延生长直接集成在GaN LED的外延层中。并且多孔状反射层还具有良好的导电性,可以集成在垂直结构的LED芯片中而不会对LED芯片的工作电压造成负面影响。
在MOCVD生长完成LED外延层后,通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层。经过标准的光刻过程,在透明导电层上定义出切割道。然后使用电感耦合等离子体(ICP)腐蚀切割道,直到切割道处的透明导电层和外延层被完全腐蚀,暴露出切割道处的衬底。
接着将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中,并向外延片施加正向偏压,对外延片进行电化学腐蚀。在电化学腐蚀的过程中,N型掺杂层、N型轻掺层和N型重掺层会被表面反型层(surface inversion layer)的空穴所氧化,形成镓氧化物。该镓氧化物随即溶解于酸性电解液中,剩下的未被氧化的部分则形成多孔状结构。电化学腐蚀的速率取决于外加正向偏压的大小以及外延层的电导率。在一定的外加正向偏压下,外延层的电导率越高,也即其掺杂浓度越高,则电化学腐蚀的速率越快,所形成的孔的直径也越大。通过控制N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3,可以使N型掺杂层在电化学腐蚀的过程中不被氧化并腐蚀,而N型轻掺层和N型重掺层则分别形成直径不同的多孔状结构。
为了达到上述目的,所述N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3,需满足关系式N1<N2<N3。其中,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。优选地,N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。优选地,N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。形成于N型轻掺层和N型重掺层中的孔的平均直径的范围为0-100nm。优选地,孔的平均直径的范围为0-50nm。
含有孔洞的N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率可以表示为neff=[(1-x)nGaN 2+xnair 2]1/2,其中nGaN是GaN的折射率,nair是空气的折射率,x是孔洞所占的体积比。由于N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径大小不同,孔洞所占的体积比也不同,因此N型轻掺层与N型重掺层具有不同的有效折射率。所述具有不同有效折射率的多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠,组成多孔状反射层。为了使多孔状反射层能够反射从有源区所发出的光,所述N型轻掺层和N型重掺层的厚度需满足关系式d=λ/4neff,其中λ为LED有源区所发出的光的波长,neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
附图说明
图1是现有技术发光二极管的结构示意图;
图2是本发明第一实施例结构示意图;
图3是本发明第二实施例结构示意图;
图4是本发明第三实施例结构示意图;
图5是本发明第四实施例结构示意图;
图6是本发明第五实施例结构示意图;
图7是本发明第六实施例结构示意图;
图8是本发明第七实施例结构示意图;
图9是本发明第八实施例结构示意图。
标号说明
衬底10 低温缓冲层20
高温缓冲层30 N型掺杂层40
有源层50 电子阻挡层60
P型接触层70 透明导电层80
P型电极901 N型电极902
SiO2/TiO2 DBR 100
衬底1 N电极11
低温缓冲层2 高温缓冲层3
多孔状反射层4 N型轻掺层41
N型重掺层42 N型掺杂层5
N电极51 有源层6
电子阻挡层7 P型接触层8
透明导电层9 P电极91
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
参阅图2所示,本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管,在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9,P电极91设置在透明导电层9上,本实施例中,衬底1为绝缘衬底,譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种,N电极51设置在N型掺杂层5上。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中,与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41,与N型掺杂层5接触的为N型重掺层42。当然,也可以,与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42,与N型掺杂层5接触的为N型轻掺层41,如图4所示。
其中,N型轻掺层41的掺杂浓度N2为1×1018cm-3,N型重掺层42的掺杂浓度N3为1×1020cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d=λ/4neff,其中λ为LED有源区所发出的光的波长,neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法,包括以下步骤:
一,提供一衬底1,衬底1为绝缘衬底,譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种;使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8;所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层;
二,在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9;
三,经过标准的光刻过程,在透明导电层9上定义出切割道;
四,使用ICP腐蚀切割道,直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀,暴露出切割道处的衬底1;
五,将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中,并向外延片施加1.5V的正向偏压,对外延片进行电化学腐蚀,将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4;
六,经过标准的光刻过程,在透明导电层上定义出台面,然后使用ICP刻蚀出台面,再在透明导电层上制作P电极91,在N型掺杂层上制作N电极51;
七,将外延片切割成独立的发光二极管器件。
参阅图3所示,本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管另一实施例,在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9,P电极91设置在透明导电层9上,本实施例中,衬底1为导电衬底,譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中,与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41,与N型掺杂层5接触的为N型重掺层42。当然,也可以,与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42,与N型掺杂层5接触的为N型轻掺层41,如图5所示。
其中,N型轻掺层41的掺杂浓度N2为8×1017cm-3,N型重掺层42的掺杂浓度N3为5×1019cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d=λ/4neff,其中λ为LED有源区所发出的光的波长,neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法,包括以下步骤:
一,提供一衬底1,衬底1为导电衬底,譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面;使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8;所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层;
二,在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9;
三,经过标准的光刻过程,在透明导电层9上定义出切割道;
四,使用ICP腐蚀切割道,直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀,暴露出切割道处的衬底1;
五,将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中,并向外延片施加3V的正向偏压,对外延片进行电化学腐蚀,将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4;
六,在透明导电层9上制作P电极91,在导电衬底1的背面制作N电极11;
七,将外延片切割成独立的发光二极管器件。
参阅图7所示,本发明揭示的一种集成多孔状反射层的发光二极管另一实施例,在衬底1上依次生成低温缓冲层2、高温缓冲层3、多孔状反射层4、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8及透明导电层9,P电极91设置在透明导电层9上,本实施例中,衬底1为导电衬底,譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面。
衬底1为绝缘衬底,譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种时,N电极51设置在N型掺杂层5上,如图6所示。
多孔状反射层4的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层41与N型重掺层42交替层叠组成。本实施例中,与高温缓冲层3接触的为N型重掺层42,与N型掺杂层5接触的也为N型重掺层42。
当然,也可以,与高温缓冲层3接触的为N型轻掺层41,与N型掺杂层5接触的也为N型轻掺层41,如图8及图9所示。图8所示衬底1为绝缘衬底,譬如蓝宝石(sapphire)、氮化铝(AlN)中的一种时,N电极51设置在N型掺杂层5上;图9所示衬底1为导电衬底,譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种时,N电极11设置在衬底1背面。
其中,N型轻掺层41的掺杂浓度N2为5×1017cm-3,N型重掺层42的掺杂浓度N3为2×1020cm-3。N型轻掺层41和N型重掺层42的厚度需满足关系式d=λ/4neff,其中λ为LED有源区所发出的光的波长,neff为N型轻掺层41或N型重掺层42的有效折射率。
一种集成多孔状反射层的发光二极管制作方法,包括以下步骤:
一,提供一衬底1,衬底1为导电衬底,譬如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)中的一种。N电极11设置在衬底1背面;使用MOCVD在衬底1上依次生长低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8;所述低温缓冲层2、高温缓冲层3、交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42、N型掺杂层5、有源层6、电子阻挡层7、P型接触层8构成外延层;
二,在外延层上通过电子束蒸发或者溅射镀膜的方式制作透明导电层9;
三,经过标准的光刻过程,在透明导电层9上定义出切割道;
四,使用ICP腐蚀切割道,直到切割道处的透明导电层9和外延层被完全腐蚀,暴露出切割道处的衬底1;
五,将暴露出切割道的外延片完全浸没在酸性电解液中,并向外延片施加1V的正向偏压,对外延片进行电化学腐蚀,将交替层叠的N型轻掺层41与N型重掺层42制作成多孔状反射层4;
六,在透明导电层9上制作P电极91,在导电衬底1的背面制作N电极11;
七,将外延片切割成独立的发光二极管器件。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非对本案设计的限制,凡依本案的设计关键所做的等同变化,均落入本案的保护范围。
Claims (9)
1.一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:在衬底上依次生成低温缓冲层、高温缓冲层、多孔状反射层、N型掺杂层、有源层、电子阻挡层、P型接触层及透明导电层,P电极设置在透明导电层上,衬底为绝缘衬底时,N电极设置在N型掺杂层上,衬底为导电衬底时,N电极设置在衬底背面;多孔状反射层的组成材料为N型GaN,由具有多孔状结构的N型轻掺层与N型重掺层交替层叠组成;
N型轻掺层和N型重掺层的厚度d满足d=λ/4neff,其中λ为有源区所发出光的波长,neff为N型轻掺层或N型重掺层的有效折射率。
2.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型掺杂层的掺杂浓度N1、N型轻掺层的掺杂浓度N2、N型重掺层的掺杂浓度N3,满足关系式N1<N2<N3。
3.如权利要求2所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
4.如权利要求3所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型轻掺层的掺杂浓度N2的范围为5×1017cm-3-2×1018cm-3。
5.如权利要求2所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
6.如权利要求5所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型重掺层的掺杂浓度N3的范围为5×1019cm-3-2×1020cm-3。
7.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-100nm。
8.如权利要求7所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:N型轻掺层与N型重掺层中孔的直径为0-50nm。
9.如权利要求1所述的一种集成多孔状反射层的发光二极管,其特征在于:与高温缓冲层接触的为N型轻掺层,与N型掺杂层接触的为N型重掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层,与N型掺杂层接触的为N型轻掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型轻掺层,与N型掺杂层接触的也为N型轻掺层;或者与高温缓冲层接触的为N型重掺层,与N型掺杂层接触的也为N型重掺层。
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