專利名稱：具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，尤其是一種具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光 二極管及其制作工藝。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(英文為Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED)是利用半導(dǎo)體的P-N結(jié)電 致發(fā)光原理制成的一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。LED具有無污染、亮度高、功耗小、壽命長、工作電 壓低、易小型化等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代氮化鎵(GaN)基LED開發(fā)成功以來，隨著研究 的不斷進(jìn)展，其發(fā)光亮度也不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。隨著功率型GaN基LED的效率 不斷提升，用GaN基LED半導(dǎo)體燈替代現(xiàn)有的照明光源將成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。然而半導(dǎo) 體照明要進(jìn)入千家萬戶，還有許多問題需要解決，其中最核心的就是生產(chǎn)成本和發(fā)光效率。目前，適合商用的藍(lán)綠光LED都是基于GaN的III-V族化合物半導(dǎo)體材料。市場(chǎng)上 銷售的GaN基LED外延生長大部分是采用藍(lán)寶石(Al2O3)襯底或碳化硅(SiC)襯底制備的。 SiC襯底非常昂貴，用其制備的LED成本很高；而藍(lán)寶石的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與GaN相 比相差很大，導(dǎo)致了 GaN基生長層的穿透位錯(cuò)密度高達(dá)IO8 IOicicnT2。高位錯(cuò)密度的存在 限制了其光電子器件性能的進(jìn)一步提高，因此提高發(fā)光效率和提升使用壽命必須設(shè)法降低 襯底與GaN之間的位錯(cuò)密度。有改善LED發(fā)光效率的方法主要有采用圖形襯底、透明襯底、分布布拉格反射鏡 (英文為Distributed Bragg Reflector，簡(jiǎn)稱DBR)結(jié)構(gòu)、表面微結(jié)構(gòu)、倒裝芯片、芯片鍵合、 激光剝離技術(shù)等。其中較廣泛使用的藍(lán)寶石圖形襯底技術(shù)(英文為Patterned Sapphire Substrates，簡(jiǎn)稱PSS)，即在藍(lán)寶石襯底上制作圖形化的掩膜，通常采用的是二氧化硅 (SiO2)或金屬掩膜；刻蝕藍(lán)寶石；去掉掩膜，得到凹凸圖案的藍(lán)寶石襯底(參見文獻(xiàn)[1] S Kitamuraj K Hiramatsu and N Sawaki. Fabrication of GaN hexagonal pyramids on dot-patterned GaN/sapphire substrates via selective metalorganic vapor phase epitaxy [J]. Jpn. J. App 1. Phys.，1995，34: L1184 - L1186 ; [2] W K Wang, D S Wuuj S H Linj et al. Efficiency Improvement of Near-Ultraviolet InGaN LEDs Using Patterned Sapphire Substrates[J]. IEEE Photo. Technol. Lett.，2005， 17(2): 288-290 )。但由于藍(lán)寶石襯底比較堅(jiān)硬，無論是干法刻蝕還是濕法腐蝕，整片圖形做好一致 性、均勻性都有一定難度，制作過程對(duì)設(shè)備和工藝要求很高，PSS襯底價(jià)格偏高，LED生產(chǎn)成 本也較高。
中國發(fā)明專利申請(qǐng)(CN101388427)所公開的一種發(fā)光二極管元件的制造方法，結(jié) 合磊晶方式及蝕刻方式，使該發(fā)光二極管磊晶層從底部開始蝕刻，形成側(cè)面外懸凸出的結(jié) 構(gòu)形狀，使發(fā)光二極管磊晶層結(jié)構(gòu)成為非矩形的斜面，由此改善發(fā)光二極管組件界面全反 射的現(xiàn)象。但該發(fā)明僅通過改變磊晶層的側(cè)面形狀進(jìn)而降低全反射，并未形成貫穿孔洞結(jié) 構(gòu)，故其光取出率的提高受一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述發(fā)光二極管的所存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種具有雙層交錯(cuò)貫穿 孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作工藝。本發(fā)明可以有效地降低氮化鎵基外延生長中的 位錯(cuò)密度、提高晶格質(zhì)量，并具有改善光電器件的性能、提高發(fā)光效率的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的是外延層側(cè)面具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞結(jié)構(gòu)的氮化 鎵基發(fā)光二極管，其包括襯底及形成于襯底上的第一外延層、第二外延層，該第一外延層包 含P-GaN層，第二外延層包含P-GaN層、發(fā)光區(qū)和N-GaN層，第二外延層上設(shè)置有導(dǎo)電層， 導(dǎo)電層上設(shè)置有P電極，N-GaN層上設(shè)置有N電極，其特征在于發(fā)光二極管第一外延層及 第二外延層側(cè)面具有雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)。制備上述具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝，其步驟如 下
1)在襯底上鍍第一過渡層；
2)通過光罩、蝕刻，得第一圖形化過渡層；
3)在第一圖形化過渡層長第一外延層；
4)在第一外延層上鍍第二過渡層；
5)通過光罩、蝕刻，得與第一圖形化過渡層成十字交錯(cuò)排列的第二圖形化過渡
層；
6)在第二圖形化過渡層長第二外延層；
7)在第二外延層上鍍保護(hù)層；
8)切割出所定義尺寸的芯粒；
9)通過濕蝕刻，去除襯底上的第一圖形化過渡層、第二圖形化過渡層及第二外延 層上的保護(hù)層，形成雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)；
10)在第二外延層上制作導(dǎo)電層；
11)通過光罩、蝕刻工藝制作P電極和N電極。本發(fā)明中的襯底材料選用藍(lán)寶石或碳化硅，過渡層選自Si02、SiNx, TiO2或前述的 任意組合之一；第一圖形化過渡層、第二圖形化過渡層均呈周期性分布，并且第一圖形化過 渡層的形狀、第二圖形化過渡層的形狀均為矩形或多邊形；保護(hù)層選自Si02、SiNx, TiO2或 前述的任意組合之一；芯粒切割方法選用激光切割或鉆石刀切割；孔洞呈周期性分布；孔 洞的形狀為矩形或除矩形外的多邊形；濕蝕刻采用的蝕刻液選自HF、NH4F, CH3COOH, H2SO4, H2O2或前述的任意組合之一；導(dǎo)電層材料選自Ni/Au合金、Ni/ITO合金、ITO或前述的任意 組合之一。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明使發(fā)光二極管芯粒形成具有雙層十字交錯(cuò)貫穿孔洞 結(jié)構(gòu)，有效地降低GaN基外延生長中的位錯(cuò)密度、改善晶格質(zhì)量、提升光電器件的性能、提 高發(fā)光效率。


圖1 圖10是本發(fā)明制作具有低折射率孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的流程剖視 4圖11是本發(fā)明實(shí)施例圖2的俯視圖12是本發(fā)明實(shí)施例圖4第二過渡層通過光罩、蝕刻后得到的第二圖形化過渡層的俯 視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作 工藝進(jìn)一步說明。如圖1所示，在藍(lán)寶石襯底201上鍍SiNx第一過渡層202。如圖2、圖11所示，通過光罩、蝕刻，得呈周期性分布的矩形狀第一圖形化 渡層203。如圖3所示，在第一圖形化SiNx過渡層203層生長第一外延層，其中第一外延層 由P-GaN層204組成。如圖4所示，在第一外延層204上鍍第二過渡層205。如圖12所示，通過光罩、蝕刻，得與第一 SiNx圖形化過渡層203和成十字交錯(cuò)排 列的第二圖形化SiNx過渡層206。如圖5所示，在第二圖形化SiNx過渡層206上生長第二外延層；其中第二外延層 由P-GaN層207、發(fā)光區(qū)208和N-GaN層209組成。如圖6所示，在第二外延層上鍍SiO2保護(hù)層210。如圖7所示，采用鉆石刀切割出所定義尺寸的芯粒。如圖8所示，通過濕蝕刻，去除藍(lán)寶石襯底201上的第一 SiNx圖形化過渡層203、 第二圖形化SiNx過渡層206及第二外延層上的保護(hù)層210，形成雙層十字交錯(cuò)貫穿的呈周 期性分布的孔洞結(jié)構(gòu)211，濕蝕刻采用的蝕刻液由HF、NH4F、CH3C00H、H2SO4、H2O2組成。如圖9所示，在第二外延層上制作Ni/ITO合金導(dǎo)電層212。 如圖10所示，通過光罩、蝕刻工藝制作P電極213和N電極214。如圖10所示，依照上述工藝制備的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極 管，包括藍(lán)寶石襯底201及形成于藍(lán)寶石襯底201上的第一外延層204、第二外延層，該第 一外延層包含P-GaN層，第二外延層包含P-GaN層207、發(fā)光區(qū)208和N-GaN層，第二外延 層上設(shè)置有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層上設(shè)置有P電極213，N-GaN層209上設(shè)置有N電極214，發(fā)光二 極管第一外延層204及第二外延層側(cè)面具有雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)。以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變化；因此，所有等 同的技術(shù)方案均屬本發(fā)明的保護(hù)范疇，由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管，包括襯底及形成于襯底上的第一外延層、第二外延層，該第一外延層包含P GaN層，第二外延層包含 P GaN 層、發(fā)光區(qū)和N GaN 層，第二外延層上設(shè)置有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層上設(shè)置有P電極，N GaN 層上設(shè)置有N電極，其特征在于發(fā)光二極管第一外延層及第二外延層側(cè)面具有雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)。
2.具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝，其步驟如下1)在襯底上鍍第一過渡層；2)通過光罩、蝕刻，得第一圖形化過渡層；3)在第一圖形化過渡層長第一外延層；4)在第一外延層上鍍第二過渡層；5)通過光罩、蝕刻，得與第一圖形化過渡層成十字交錯(cuò)排列的第二圖形化過渡層；6)在第二圖形化過渡層長第二外延層；7)在第二外延層上鍍保護(hù)層；8)切割出所定義尺寸的芯粒；9)通過濕蝕刻，去除襯底上的第一圖形化過渡層、第二圖形化過渡層及第二外延 層上的保護(hù)層，形成雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)；10)在第二外延層上制作導(dǎo)電層；11)通過光罩、蝕刻工藝制作P電極和N電極。
3.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于襯底材料選用藍(lán)寶石或碳化硅。
4.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于過渡層選自Si02、SiNx, TiO2或前述的任意組合之一。
5.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于第一圖形化過渡層、第二圖形化過渡層均呈周期性分布。
6.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于第一圖形化過渡層的形狀、第二圖形化過渡層的形狀均為矩形或多邊形。
7.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于保護(hù)層選自Si02、SiNx, TiO2或前述的任意組合之一。
8.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于芯粒切割方法選用激光切割或鉆石刀切割。
9.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工藝， 其特征在于孔洞呈周期性分布。
10.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工 藝，其特征在于孔洞的形狀為矩形或除矩形外的多邊形。
11.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工 藝，其特征在于濕蝕刻采用的蝕刻液選自HF、NH4F、CH3COOH、H2SO4、H2O2或前述的任意組合之O
12.如權(quán)利要求2所述的具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作工 藝，其特征在于導(dǎo)電層材料選自Ni/Au合金、Ni/ITO合金、ITO或前述的任意組合之一。
全文摘要
具有雙層交錯(cuò)貫穿孔洞的氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作工藝，在襯底上鍍第一過渡層；通過光罩、蝕刻得第一圖形化過渡層；在第一圖形化過渡層長第一外延層；第一外延層上鍍第二過渡層；通過光罩、蝕刻，得與第一圖形化過渡層成十字交錯(cuò)排列的第二圖形化過渡層；在第二圖形化過渡層長第二外延層；第二外延層上鍍保護(hù)層；切割出所定義尺寸的芯粒；通過濕蝕刻去除襯底上的第一圖形化過渡層、第二圖形化過渡層及第二外延層上的保護(hù)層，形成雙層十字交錯(cuò)排列的貫穿孔洞結(jié)構(gòu)；在第二外延層上制作導(dǎo)電層；通過光罩、蝕刻制作P電極、N電極。本發(fā)明芯粒的雙層十字交錯(cuò)貫穿孔洞結(jié)構(gòu)，有效降低GaN基外延生長中的位錯(cuò)密度、改善晶格質(zhì)量、提高發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/20GK101931039SQ20101025999
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者吳志強(qiáng), 林素慧 申請(qǐng)人:廈門市三安光電科技有限公司