CN1897319B - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种发光二极管(LED)及其制造方法，LED具有实现更高的发光效率和更好的光输出性能的改进结构。LED包括：在衬底上形成的n-GaN层，其具有多个突起，因而具有非均匀表面，其中，突起的侧面相对于衬底的上表面倾斜第一倾斜角α(35°≤α≤90°)；在n-GaN层的表面上以共形方式形成的有源层，其中，在突起的侧表面上形成的有源层的表面相对于衬底的上表面倾斜第二倾斜角β(35°≤β≤α)；在有源层的表面上以共形方式形成的p-GaN层，其中，在有源层的倾斜部分的表面上形成的p-GaN层的表面相对于衬底的上表面倾斜第三倾斜角γ(20°≤γ＜β)；及在n-GaN层的预定区域上形成的对应于p电极的n电极。

Description

发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，更具体而言，涉及具有提高发光效率和光输出效率的改进结构的发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种半导体器件，在向其施加电能时，其通过电子从高能级点向低能级点跃迁而发光。LED消耗的能量是常规光源的1/12，所具有的寿命却是常规光源的100倍，响应速度是常规光源的1000倍。此外，LED以低能耗发出高亮度的光，因而被认为是显示非常大的电子符号的最佳光源。LED的光的颜色随着所采用的化合物材料而变化，例如GaP或GaAs。在数十年以前已经开发出了红色和绿色LED，它们在各种工业领域和家庭电子设备当中得到了广泛应用。
根据光的方向，将LED划分为顶发射发光二极管(TLED)和倒装芯片发光二极管(FCLED)。TLED通过p型化合物半导体层和形成欧姆接触的p型电极发光。P型电极是在p型化合物半导体层上依次加载的Ni和Au的叠层。但是，由Ni和Au形成的p型电极是半透明的，并且采用了p型电极的TLED具有低光利用效率和低发光特性。在FCLED中，在形成于p型化合物半导体层上的反射电极上反射有源层中生成的光，所述反射光通过衬底出射。反射电极由具有高光反射特性的材料形成，例如Ag、Al和Rh。其中采用了反射电极的FCLED具有高光利用效率和高发光特性。
已经开发出了具有微反射器结构的LED，以提高常规LED的光输出效率。在采用氮化物半导体制造具有微反射器结构的LED时，能够通过蚀刻p-GaN层或蚀刻有源层的下部获得非均匀结构。但是，在通过蚀刻p-GaN层获得的非均匀结构中，由于p-GaN层的厚度减薄，可能使电流注入产生问题。而且，在通过蚀刻有源层的下部获得的非均匀结构中，由于减小了有源层的面积，可能降低发光效率。此外，在n-GaN层和p-GaN层之间需要电绝缘层，由此使电极形成工艺复杂化。因此，需要提高LED的发光效率和光输出效率的改进结构。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管(LED)及其制造方法，所述LED具有提高发光效率和光输出效率的改进结构。
根据本发明的一方面，提供了一种发光二极管(LED)，包括：在衬底上形成的n-GaN层，其具有多个突起，因而具有非均匀表面，其中，所述突起的侧面相对于衬底的上表面倾斜第一倾斜角α(35°≤α≤90°)；在所述n-GaN层的表面上以共形的方式形成的有源层，其中，在所述突起的侧表面上形成的有源层的表面相对于衬底的上表面倾斜第二倾斜角β(35°≤β≤α)；在所述有源层的表面上以共形的方式形成的p-GaN层，其中，在所述有源层的倾斜部分的表面上形成的p-GaN层的表面相对于衬底的上表面倾斜第三倾斜角γ(20°≤γ＜β)；在p-GaN层上形成的p电极；以及在所述n-GaN层的预定区域上形成的，对应于p电极的n电极。
根据本发明的一方面，提供了一种LED的制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成n-GaN层；对所述n-GaN层构图，以形成多个突起，其中，在所述n-GaN层上所述突起的侧面相对于所述衬底的上表面倾斜第一倾斜角α(35°≤α≤90°)；在所述n-GaN层的表面上形成有源层，其中，在所述突起的侧表面上形成的所述有源层的表面相对于所述衬底的上表面倾斜第二倾斜角β(35°≤β≤α)；在所述有源层的表面上形成p-GaN层，其中，在所述有源层的倾斜部分的表面上形成的p-GaN层的表面相对于衬底的上表面倾斜第三倾斜角γ(20°≤γ≤β)；暴露所述n-GaN层的预定区域，从而在其上形成n电极；以及在所述p-GaN层上形成p电极。
所述第三倾斜角γ优选处于20°到40°的范围，所述第一倾斜角α优选处于35°到70°的范围。所述p电极可以由具有高反射率的金属形成，在p-GaN层和p电极之间进一步***厚度等于发射光波长的四分之一的SiO2层。所述p-GaN层的表面与所述有源层的倾斜表面和所述突起的侧面不平行。
根据本发明，能够获得具有提高的发光效率和光输出效率的LED。
附图说明
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和益处将变得更加显见，附图中：
图1是根据本发明实施例的发光二极管(LED)的示意性截面图；
图2是说明图1中的LED的光输出效率随p-GaN层的倾斜角度的增大而变化的曲线图；
图3是说明有源层的面积随着层倾角的增大而变化的曲线图；
图4是说明图1中的LED的光输出效率的曲线图；
图5A到图5G是说明根据本发明实施例的图1中的LED的制造过程的流程图；
图6是说明图5C中的已构图n-GaN层的上表面的光学显微照片；以及
图7是说明图5E中的p-GaN层的上表面的光学显微照片。
具体实施方式
现在，将参考附图描述本发明的优选实施例。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。
图1是根据本发明实施例的发光二极管(LED)的示意性截面图。参考图1，LED包括在衬底10上交替布置的n-GaN层20和在n-GaN层20的预定表面区域上形成的有源层30、p-GaN层40、p电极50和n电极60。在本实施例中，光从有源层30发出，并被反射至在p-GaN层40上形成的p电极50，所述反射光通过衬底10出射。
所形成的n-GaN层20具有多个突起22，因而具有粗糙表面。突起22具有以第一倾斜角α(35°≤α≤90°)相对于衬底10的上表面倾斜的侧面22a。在n-GaN层20的表面上，以共形的方式在n-GaN层20上形成有源层30。有源层30具有倾斜面30a，倾斜面30a具有相对于衬底10的上表面的第二倾斜角β(35°≤β≤α)。第二倾斜角β小于等于第一倾斜角α。有源层30的表面面积可以随着第二倾斜角β增大而增大，发光效率可以随着面积增大而增大。有源层30的第二倾斜角β优选具有可能的最大值。
在有源层30的表面上形成p-GaN层40。p-GaN层40具有倾斜面40a，倾斜面40a具有相对于衬底10的第三倾斜角γ(20°≤γ＜β)。p-GaN层40的倾斜面40a可以具有比有源层30的倾斜面30a小的倾斜角。因此，能够提高在p-GaN层40上形成的p电极50的光反射效率。P电极50由具有良好的光反射特性的金属形成，例如Ag、Al和Rh。根据试验结果，以处于20°和40°之间的第三倾斜角γ和处于35°和70°之间的第一倾斜角α获得了最大光输出效率。根据本发明实施例，在所形成的p-GaN层40的倾斜面40a的倾斜角小于有源层30的倾斜面30a和突起22的侧面22a的倾斜角时，一同增大了有源层30的发光效率和p电极50的光反射效率。在这种情况下，还提高了光输出效率。
优选在p-GaN层40和p电极50之间可以进一步***厚度等于发射光波长的四分之一的SiO2层。SiO2层能够改善p电极50的光反射特性。
图2是说明图1中的LED的光输出效率随p-GaN层的倾斜角度的增大而变化的曲线图。图3是说明图1的LED中，有源层的面积随着层倾角的增大而变化的曲线图。参考图2和3，在p-GaN层的倾斜角处于20°和30°之间时，将光输出效率提高到了最大值。而且，随着有源层的倾斜角的增大，有源层的面积也增大。
图4是说明根据本发明实施例图1中的LED的光输出效率的曲线图。图5A到图5G是分别说明根据本发明实施例的图1中的LED的制造过程的流程图。
参考图5A到图5C，首先，提供带有n-GaN层18的衬底10，n-GaN层18具有预定厚度。之后，通过诸如干刻蚀的方法对n-GaN层18构图。在具有与第一倾斜角α(35°≤α≤90°)一样大的倾斜角的n-GaN层18的侧面22a上形成多个突起22，从而获得了具有突起22的n-GaN层20。第一倾斜角α可以处于35°和70°之间。
参考图5D，以共形的方式在p-GaN层20的表面上形成有源层30。而且，在相对于衬底10的上表面具有第二倾斜角β(35°≤β≤α)的突起22的侧面22a上形成有源层30的倾斜面30a。可以通过改变诸如温度、压力以及V族元素与III族元素之间的成分比(NH3∶TMGa)的过程变量，而调整有源层30的垂直生长与横向生长之间的比率，由此能够控制第二倾斜角β。例如，与基础生长条件相比，提高温度，或降低压力，或者提高V族元素与III族元素之间的比率(NH3∶TMGa)，图案的倾斜度将逐渐降低。
参考图5E，以共形的方式在有源层30的表面上形成p-GaN层40。而且，在相对于衬底10的上表面具有第三倾斜角γ(20°≤γ＜β)的有源层30的倾斜面30a上形成p-GaN层40的倾斜面40a。同样地，可以通过改变诸如温度、压力以及V族元素与III族元素之间的成分比(NH3∶TMGa)的过程变量，而调整有源层30的垂直生长与横向生长之间的比率，由此控制第三倾斜角γ。例如，在与基础生长条件相比，提高温度，或降低压力，或者提高V族元素与III族元素之间的比率(NH3∶TMGa)时，图案的倾斜度将逐渐降低。第三倾斜角γ可以处于20°和30°之间。
参考图5F和5G，通过诸如干刻蚀的方法暴露n-GaN层20的预定表面区域，并在其上形成由导电材料构成的n电极60。之后，在p-GaN层40上形成由诸如Ag、Al和Rh的具有良好的光反射特性的金属构成的p电极50。通过这样的过程，获得了具有提高的发光效率和光输出效率的LED。
优选在p-GaN层40和p电极50之间可以进一步***厚度等于发射光波长的四分之一的SiO2层。SiO2层能够改善p电极50的光反射特性。
图6是说明图5C中的已构图n-GaN层的上表面的光学显微镜图。图7是说明图5E中的p-GaN层的上表面的光学显微镜图。
根据本发明，获得了具有提高的发光效率和光输出效率的LED。更具体地说，通过根据有源层的倾斜角增大有源层的表面面积，提高了LED内部的发光效率。另外，在p-GaN层的倾斜角小于有源层的倾斜角时，能够提高在p-GaN层上形成的反射电极的光反射效率。因此，与常规LED相比，根据本发明的LED的光输出效率提高了46％。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员的将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种发光二极管，包括：
在衬底上形成的n-GaN层，其具有多个突起，因而具有非均匀表面，其中，所述突起的侧面相对于衬底的上表面倾斜第一倾斜角α，35°≤α≤90°；
在所述n-GaN层的表面上以共形的方式形成的有源层，其中，在所述突起的侧面上形成的有源层的表面相对于衬底的上表面倾斜第二倾斜角β，35°≤β≤α；
在所述有源层的表面上以共形的方式形成的p-GaN层，其中，在所述有源层的倾斜部分的表面上形成的p-GaN层的表面相对于衬底的上表面倾斜第三倾斜角γ，20°≤γ＜β；
在p-GaN层上形成的p电极；以及
在所述n-GaN层的预定区域上形成的、对应于p电极的n电极。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述第三倾斜角γ处于从20°到40°的范围。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其中，所述第一倾斜角α处于从35°到70°的范围。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述p电极由具有高反射率的金属形成。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述p-GaN层的表面与所述有源层的倾斜表面和所述突起的侧面不平行。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其中，在所述p-GaN层和p电极之间进一步***厚度等于发射光波长的四分之一的SiO2层。
7.一种制造发光二极管的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成n-GaN层；
对所述n-GaN层构图，以形成多个突起，其中，所述突起的侧面相对于所述衬底的上表面倾斜第一倾斜角α，35°≤α≤90°；
在所述n-GaN层的表面上形成有源层，其中，在所述突起的侧面上形成的所述有源层的表面相对于所述衬底的上表面倾斜第二倾斜角β，35°≤β≤α；
在所述有源层的表面上形成p-GaN层，其中，在所述有源层的倾斜部分的表面上形成的p-GaN层的表面相对于衬底的上表面倾斜第三倾斜角γ，20°≤γ≤β；
暴露所述n-GaN层的预定区域，从而在其上形成n电极；以及
在所述p-GaN层上形成p电极。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在形成p-GaN层的过程中，通过调整所述p-GaN层的垂直生长与横向生长之间的比率控制所述第三倾斜角。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述第三倾斜角γ处于从20°到40°的范围。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一倾斜角α处于从35°到70°的范围。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述p电极由具有高反射率的金属形成。
12.如权利要求7所述的方法，其中，形成所述p-GaN层的倾斜表面，使之与所述有源层的倾斜表面和所述突起的侧面不平行。
13.如权利要求7所述的方法，还包括在形成p-GaN层和形成p电极之间在所述p-GaN层上形成厚度等于自所述有源层发出的光的波长的四分之一的SiO2层。
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