CN109378367B - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管，所述发光二极管包括本征GaN层，所述本征GaN层具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通。本发明通过在发光二极管的本征GaN层制造空气可自由流通的孔隙，利用空气的流动性将元件在工作时产生的热量自然而然带出元件，对比现有技术，本发明中的导热介质(即空气)与LED元件的发热部分直接接触，大大提升了散热效率，使元件内部热应力分布更均匀，延长了LED寿命，同时，量子阱结构内电子和空穴辐射复合效率会得到提高，即元件的发光效率上升，同时，本发明直接改进LED的外延层结构达到散热的目的，不需要后期在外部添加新的散热结构，降低了生产成本。本发明同时提供了一种具有上述有益效果的发光二极管的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，特别是涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
半导体作为光电子产业的基础，对光电子产业的发展具有极大的影响。半导体电子器件在社会生产实践中已经发挥越来越大的作用，其中GaN基半导体被称为继第一代Si和第二代GaAs的第三代半导体材料。第三代半导体具有禁带宽度大，电子漂移速度快，介电常数小，导热性能好等优点。但是随着第三代半导体光电子器件技术的日益成熟，有待攻克的难题越发显得困难重重。
一般来说，LED灯工作是否稳定，品质好坏，与灯体本身散热至关重要，如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响，目前的主要散热方式包括：铝散热鳍片、导热塑料壳、表面辐射处理、空气流体力学、风扇、导热管、液态球泡等技术。但这些技术都不是从芯片自身结构上来解决的，效果不佳，且均需要添加新结构，增加了后期生产的成本，同时，由于现有技术中的散热结构设置在离元件的发光部分较远的外部，因此元件的发光部分的内部热量不能及时发散出去，迫使温度升高，温度升高会造成量子阱结构内电子与空穴辐射复合几率降低，即元件发光效率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管及其制作方法，以从二极管自身结构上解决工作发热问题，降低生产成本，提升散热效果，延长元件寿命，同时提高量子阱结构内电子与空穴辐射复合几率，提升元件发光效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，从蓝宝石衬底向外依次为成核层、粗糙层、第一本征半导体层、N型GaN层、量子阱结构、第二本征半导体层及P型GaN层，所述发光二极管包括本征GaN层，所述本征GaN层具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；
所述本征GaN层设置在所述第一本征半导体层与所述N型GaN层之间。
可选地，在上述发光二极管中，所述本征GaN层包括GaN立柱区和GaN融合区；
所述GaN立柱区包括按预设图案排列的GaN立柱；
所述GaN融合区为板状GaN结构。
可选地，在上述发光二极管中，所述GaN立柱的长和宽的范围为1.8微米至2.2微米，包括端点值。
可选地，在上述发光二极管中，相邻的所述GaN立柱间的间距范围为500纳米至600纳米，包括端点值。
可选地，在上述发光二极管中，所述GaN立柱的高度范围为15微米至50微米，包括端点值。
可选地，在上述发光二极管中，所述本征GaN层的厚度范围为200微米至300微米，包括端点值。
本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，包括：
将蓝宝石衬底高温退火；
在经退火处理的所述蓝宝石衬底表面依次设置成核层、粗糙层及第一本征半导体层；
在所述第一本征半导体层表面设置本征GaN层；
对所述本征GaN层进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙；
在经过刻蚀的所述本征GaN层表面依次设置N型GaN层、量子阱结构、第二本征半导体层及P型GaN层。
可选地，在上述发光二极管的制作方法中，所述对所述本征GaN层进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙包括：
按预设图案在所述本征GaN层上刻蚀出GaN立柱，称为GaN立柱区，相邻立柱间形成空气可自由流通的孔隙；
使所述GaN立柱上端横向生长，最终融合，形成GaN融合区，得到经过刻蚀的所述本征GaN层。
可选地，在上述发光二极管的制作方法中，所述本征GaN层的生长时间的范围为50分钟至60分钟，包括端点值。
可选地，在上述发光二极管的制作方法中，所述GaN融合区在生长时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
本发明所提供的发光二极管，从蓝宝石衬底向外依次为成核层、粗糙层、第一本征半导体层、N型GaN层、量子阱结构、第二本征半导体层及P型GaN层，所述发光二极管包括本征GaN层，所述本征GaN层具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；所述本征GaN层设置在所述第一本征半导体层与所述N型GaN层之间。本发明通过在发光二极管的本征GaN层制造空气可自由流通的孔隙，利用空气的流动性将元件在工作时产生的热量自然而然带出元件，对比现有技术，本发明中的导热介质(即空气)与LED元件的发热部分直接接触，不需要通过其他结构传导，大大提升了散热效率，同时，使元件内部热应力分布更均匀，元件更不易损坏，延长了LED寿命，除此之外，由于散热效率的提高，量子阱结构内电子和空穴辐射复合效率会得到提高，即元件的发光效率上升，另外，本发明直接改进LED的外延层结构达到散热的目的，不需要后期在外部添加新的散热结构，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为现有技术中LED的结构示意图；
图2为本发明的一种具体实施方式所提供的发光二极管的结构示意图；
图3为本发明的另一种具体实施方式所提供的发光二极管的结构示意图；
图4为本发明的另一种具体实施方式所提供的发光二极管的本征GaN层的结构示意图；
图5为本发明的一种具体实施方式所提供的发光二极管的制作方法的流程示意图；
图6为本发明的另一种具体实施方式所提供的发光二极管的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
图1为现有技术中发光二极管的结构示意图，图中各个外延层均为实心结构，工作时产生的热量难以散发，一般来说，LED灯工作是否稳定，品质好坏，与灯体本身散热至关重要，市场上的高亮度LED灯的散热，常常采用自然散热，具体有铝散热鳍片、导热塑料壳、表面辐射处理、空气流体力学、风扇、导热管、液态球泡等技术，但效果并不理想。
热量集中在尺寸很小的LED芯片内，LED芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降；当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每上升2℃，可靠性下降10％。当多个LED密集排列组成白光照明***时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。因此如果LED不能很好散热、它的寿命也会严重受到影响。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种发光二极管，其具体实施方式一的结构示意图如图2所示：
所述发光二极管从蓝宝石衬底101向外依次为成核层102、粗糙层103、第一本征半导体层104、N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109，所述发光二极管包括本征GaN层105，所述本征GaN层105具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；
所述本征GaN层105设置在所述第一本征半导体层104与所述N型GaN层106之间。
上述成核层102是生长粗糙层103前的预备工作，是外延层的一部分，生长成核层102可使粗糙层103晶格结构更好。
如图2所示，上述本征GaN层105内部设置了三个横向贯通上述本征GaN层105的椭圆形通孔，当然，本具体实施方式中提及的孔隙，可以是一个，也可以是多个，可以是规则几何形，也可以是不规则形状，但不论如何，都应保证空气可在其中自由流通，图2的结构仅为一例，并不代表本具体实施方式的所有情况。
上述N型GaN层106的厚度为2.5微米，当然，也可根据实际情况做相应调整。
上述本征GaN属于本征半导体，本征半导体是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，然而在实际情况中，很难做到半导体材料的完全纯净，因此，本征半导体也指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。
本发明所提供的发光二极管，从蓝宝石衬底101向外依次为成核层102、粗糙层103、第一本征半导体层104、N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109，所述发光二极管包括本征GaN层105，所述本征GaN层105具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；所述本征GaN层105设置在所述第一本征半导体层104与所述N型GaN层106之间。本发明通过在发光二极管的本征GaN层105制造空气可自由流通的孔隙，利用空气的流动性将元件在工作时产生的热量自然而然带出元件，对比现有技术，本发明中的导热介质(即空气)与LED元件的发热部分直接接触，不需要通过其他结构传导，大大提升了散热效率，同时，使元件内部热应力分布更均匀，元件更不易损坏，延长了LED寿命，除此之外，由于散热效率的提高，量子阱结构107内电子和空穴辐射复合效率会得到提高，即元件的发光效率上升，另外，本发明直接改进LED的外延层结构达到散热的目的，不需要后期在外部添加新的散热结构，降低了生产成本。
在具体实施方式一的基础上，进一步对孔隙的大小形状作限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3和图4所示：
所述发光二极管从蓝宝石衬底101向外依次为成核层102、粗糙层103、第一本征半导体层104、N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109，所述发光二极管包括本征GaN层105，所述本征GaN层105具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；
所述本征GaN层105设置在所述第一本征半导体层104与所述N型GaN层106之间；
所述本征GaN层105包括GaN立柱区1051和GaN融合区1052；
所述GaN立柱区1051包括按预设图案排列的GaN立柱；
所述GaN融合区1052为板状GaN结构。
本具体实施方试与具体实施方式一的不同之处在于，进一步对上述孔隙的形状作了限定，其余部分均与具体实施方式一中相同，在此不再赘述。
上述GaN立柱的长和宽的范围为1.8微米至2.2微米，包括端点值，如1.80微米、2.00微米火2.20微米中任一个。
上述GaN立柱的高度的范围为15微米至50微米，包括端点值，如15.0微米、17.0微米或50.0微米中的任一个。
上述GaN立柱，相邻两个GaN立柱间的距离的范围为500纳米至600纳米，包括端点值，如500.0纳米、555.5纳米或600.0纳米中的任一个。
特别需要注意的是，本发明中因为要对上述本征GaN层105进行开孔，使得空气可在上述孔隙间流动，为保证设置孔隙后不影响发光二极管发光且孔隙要足够大使空气可通过，本发明中的上述本征GaN层105对比现有技术中的本征GaN层105，厚度有所增加，本发明中的本征GaN层105的厚度范围具体为200微米至300微米，包括端点值，如200.0微米、250.5微米或300.0微米中任一个。
图4为本具体实施方式中本征GaN层105的结构示意图，上述本征GaN层105由上述GaN立柱区1051和上述GaN融合区1052构成，上述GaN融合区1052为不含任何孔隙的实心板状结构。
本具体实施方式具体限定了孔隙形状，为由立柱分割的孔隙造型，加工过程便捷，空气在其中受阻较小，且与空气的接触面均匀分布在上述本征GaN之各处，使散热更均匀，避免了各处温度不均引起热应力分布不均导致元件损坏的问题。
本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，称为具体实施方式三，其流程示意图如图5所示，包括：
步骤S101：将蓝宝石衬底101高温退火。
步骤S102：在经退火处理的所述蓝宝石衬底101表面依次设置成核层102、粗糙层103及第一本征半导体层104。
上述设置成核层102的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在650摄氏度的环境中生长3分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
上述设置粗糙层103的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积方法在950摄氏度的环境中生长15分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
上述设置第一本征半导体层104的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积方法在1050摄氏度的环境中生长15分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
步骤S103：在所述第一本征半导体层104表面设置本征GaN层105。
上述本征GaN层105具体可通过氢化物气相外延(HVPE)的方法获得，GaN在氢化物气相外延中生长的速度远大于其他方法，可节省时间，提高效率。
上述本征GaN层105的生长时间的范围为50分钟至60分钟，包括端点值，如50.0分钟、55.3分钟火60.0分钟中任一个。
上述本征GaN层105在生长时的怀静温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值，如800.0摄氏度、825.0摄氏度或850.0摄氏度中任一个。
步骤S104：对所述本征GaN层105进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙。
步骤S105：在经过刻蚀的所述本征GaN层105表面依次设置N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109。
上述设置N型GaN层106的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积方法在1050摄氏度的环境中生长60分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
上述量子阱结构107为5个周期的交替生长的InGaN层与GaN层；其中，上述InGaN层具体的设置过程为通过金属有机化学气相沉积方法在700摄氏度的环境中生长3分钟；上述GaN层具体的设置过程为通过金属有机化学气相沉积方法在850摄氏度的环境中生长7分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
上述设置第二本征半导体层108的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积方法在900摄氏度的环境中生长15分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
上述设置P型GaN层109的具体过程为，通过金属有机化学气相沉积方法在1000摄氏度的环境中生长20分钟，当然，上述温度和时间可根据实际情况做相应调整。
本发明所提供的发光二极管的制作方法，通过将蓝宝石衬底101高温退火；在经退火处理的所述蓝宝石衬底101表面依次设置成核层102、粗糙层103及第一本征半导体层104；在所述第一本征半导体层104表面设置本征GaN层105；对所述本征GaN层105进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙；在经过刻蚀的所述本征GaN层105表面依次设置N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109。本发明通过在发光二极管的本征GaN层105制造空气可自由流通的孔隙，利用空气的流动性将元件在工作时产生的热量自然而然带出元件，对比现有技术，本发明中的导热介质(即空气)与LED元件的发热部分直接接触，不需要通过其他结构传导，大大提升了散热效率，同时，使元件内部热应力分布更均匀，元件更不易损坏，延长了LED寿命，除此之外，由于散热效率的提高，量子阱结构107内电子和空穴辐射复合效率会得到提高，即元件的发光效率上升，另外，本发明直接改进LED的外延层结构达到散热的目的，不需要后期在外部添加新的散热结构，降低了生产成本。
在具体实施方式三的基础上，进一步对刻蚀进行限定，得到具体实施方式四，其流程示意图如图6所示，包括：
步骤S201：将蓝宝石衬底101高温退火。
步骤S202：在经退火处理的所述蓝宝石衬底101表面依次设置成核层102、粗糙层103及第一本征半导体层104。
步骤S203：在所述第一本征半导体层104表面设置本征GaN层105。
步骤S204：按预设图案在所述本征GaN层105上刻蚀出GaN立柱，称为GaN立柱区1051，相邻立柱间形成空气可自由流通的孔隙；使所述GaN立柱上端横向生长，最终融合，形成GaN融合区1052，得到经过刻蚀的所述本征GaN层105。
上述设置GaN融合区1052的方法具体为，将刻蚀好上述GaN立柱的基片通过氢化物气相外延的方法使其横向生长，使上述GaN立柱上端的缝隙融合，最终得到上述GaN融合区1052。
步骤S205：在经过刻蚀的所述本征GaN层105表面依次设置N型GaN层106、量子阱结构107、第二本征半导体层108及P型GaN层109。
本具体实施方试与具体实施方式三相比，限定了刻蚀孔隙的过程，其余步骤均与具体实施方式三相同，在此不再赘述。
本具体实施方式具体限定了孔隙的制作方法，先在上述本征GaN层105刻蚀出GaN立柱，再让上述GaN立柱顶端横向生长，连成一片，整个加工过程便捷，空气在形成的柱状结构间通过时中受阻较小，且与空气的接触面均匀分布在上述本征GaN之各处，使散热更均匀，避免了各处温度不均引起热应力分布不均导致元件损坏的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的发光二极管及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种发光二极管，从蓝宝石衬底向外依次为成核层、粗糙层、第一本征半导体层、N型GaN层、量子阱结构、第二本征半导体层及P型GaN层，其特征在于，所述发光二极管包括本征GaN层，所述本征GaN层具有孔隙，空气可在所述孔隙中自由流通；
所述本征GaN层设置在所述第一本征半导体层与所述N型GaN层之间；
所述本征GaN层包括GaN立柱区和GaN融合区；
所述GaN立柱区包括按预设图案排列的GaN立柱；
所述GaN融合区为板状GaN结构；
所述GaN立柱的长和宽的范围为1.8微米至2.2微米，包括端点值；
相邻的所述GaN立柱间的间距范围为500纳米至600纳米，包括端点值；
所述GaN立柱的高度范围为15微米至50微米，包括端点值。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述本征GaN层的厚度范围为200微米至300微米，包括端点值。
3.一种发光二极管的制作方法，其特征在于，包括：
将蓝宝石衬底高温退火；
在经退火处理的所述蓝宝石衬底表面依次设置成核层、粗糙层及第一本征半导体层；
在所述第一本征半导体层表面设置本征GaN层；
对所述本征GaN层进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙；
在经过刻蚀的所述本征GaN层表面依次设置N型GaN层、量子阱结构、第二本征半导体层及P型GaN层；
所述对所述本征GaN层进行刻蚀，形成空气可自由流通的孔隙包括：
按预设图案在所述本征GaN层上刻蚀出GaN立柱，称为GaN立柱区，相邻立柱间形成空气可自由流通的孔隙；
使所述GaN立柱上端横向生长，最终融合，形成GaN融合区，得到经过刻蚀的所述本征GaN层。
4.如权利要求3所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述本征GaN层的生长时间的范围为50分钟至60分钟，包括端点值。
5.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述GaN融合区在生长时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
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