專利名稱：一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，特別是能提高內(nèi)量子效率及外量子效率的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
以GaN材料為代表的III-V族氮化物半導(dǎo)體材料，在紫外/藍光/綠光LED、激光器、光電探測器，以及在高溫高頻大功率電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于GaN以及AlN等材料體單晶很難獲得，目前普遍應(yīng)用的氮化物器件主要是異質(zhì)外延在藍寶石A1203、碳化硅SiC、硅Si、氧化鋅ZnO或者砷化鎵GaAs襯底上，或同質(zhì)外延生長在自支撐氮化鎵GaN襯底上。除了自支撐氮化鎵襯底外，其它襯底材料和III-V族氮化物材料之間都存在很大的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)的差異，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，使得氮化物外延層中存在很大的殘余應(yīng)力和諸多的晶體缺陷，嚴(yán)重影響了材料的晶體質(zhì)量，進而限制了 III-V族氮化物器件性能的提高。另外，對于氮化物發(fā)光二極管器件，由于氮化鎵GaN和空氣間存在較大的折射率差異，光的出射角很小，絕大部分光被全反射回到發(fā)光二極管器件的內(nèi)部，這既降低了光的提取效率又增加了散熱的難度。為了解決氮化物材料外延過程中晶格失配以及熱失配所帶來的問題，人們提出了一系列的較為成熟的技術(shù)方案。其中，圖形化襯底技術(shù)可以有效緩解襯底和氮化物外延層異質(zhì)外延生長過程中由于晶格失配帶來的應(yīng)力，使外延層得到有效的弛豫，同時采用側(cè)向生長技術(shù)(Epitaxial Lateral Overgrowth ;EL0G)和橫向嘉晶法(Lateral Epitaxial Pattern Substrate ;LEPS)來減少外延層中的穿透位錯密度，從而降低氮化物外延層材料中的缺陷密度，提高了材料的晶體質(zhì)量，如已公開的美國專利US 6，870，193、CN 1209793C。同時圖形化襯底技術(shù)也是一個能夠有效提升氮化物發(fā)光二極管器件發(fā)光效率的方法，在美國專利US 6，870，193所公開的技術(shù)中，所述發(fā)光元件是一種具備凹部或凸部結(jié)構(gòu)的形成于襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光元件，與平坦襯底情況相比較，此種結(jié)構(gòu)的光在半導(dǎo)體層的橫向傳播時，光刻通過凹部或凸部產(chǎn)生散射或繞射的效果，可以大幅度發(fā)光二極管的光提取效率?，F(xiàn)有技術(shù)中，圖形化襯底的制作大都采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)制備出光刻圖形，然后以光刻膠、二氧化硅Si02、氮化硅SiN或金屬Ni層作為掩膜，再利用干法刻蝕或濕法刻蝕的方法對襯底刻蝕出圖形化結(jié)構(gòu)。但是，上述工藝過程復(fù)雜，大幅增加成本，并且圖形受光刻版圖的限制，極不適合于氮化物半導(dǎo)體器件的商業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制造方法。它通過在襯底表面形成不規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)量子效率和光提取效率，改善器件的光學(xué)性能，具有工藝簡單，制作成本低，適用于大規(guī)模量產(chǎn)的特點。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn)、一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，它包括襯底以及外延生長于襯底表面上的發(fā)光結(jié)構(gòu)。發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于襯底上的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型半導(dǎo)體層。N型半導(dǎo)體層上設(shè)置有N型歐姆接觸電極，P型半導(dǎo)體層上設(shè)置有P型歐姆接觸電極。其結(jié)構(gòu)特點是，所述襯底上表面被腐蝕形成不規(guī)則凹部與凸部表面，N型半導(dǎo)體層在外延生長過程中將襯底上表面的凹部與凸部填滿。在上述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中，所述襯底采用藍寶石A1203、碳化硅SiC、硅Si、砷化鎵GaAs、氮化鋁AlN或者氮化鎵GaN襯底。一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法，它包括如下步驟
CD將襯底放入反應(yīng)腔體內(nèi)；
@ 向反應(yīng)腔體內(nèi)通入腐蝕性氣體對襯底進行腐蝕，使襯底上表面形成不規(guī)則的凹部與凸部表面；
Q將襯底從反應(yīng)腔體內(nèi)取出，并清洗襯底表面；
于襯底表面上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)，發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于該襯底上的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型半導(dǎo)體層，N型半導(dǎo)體層上設(shè)置有N型歐姆接觸電極，P型半導(dǎo)體層上設(shè)置有P型歐姆接觸電極。在上述制作方法中，所述反應(yīng)腔體采用金屬有機物氣相化學(xué)淀積腔體、分子束外延腔體、氫化物氣相外延腔體或者專門特制的高溫反應(yīng)腔體。在上述制作方法中，所述腐蝕性氣體采用HCl。在上述制作方法中，所述不規(guī)則凹部與凸部結(jié)構(gòu)的尺寸通過改變反應(yīng)腔體的溫度、腐蝕性氣體的通入流量和時間參數(shù)來控制。在上述制作方法中，所述清洗襯底表面采用去離子水清洗的濕法清洗或者等離子體清洗、惰性氣體吹掃的干法清洗工藝。本發(fā)明由于采用了上述結(jié)構(gòu)和方法，通過用腐蝕性氣體對襯底腐蝕，在襯底表面形成不規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)之后，即可在襯底表面上異質(zhì)外延氮化物半導(dǎo)體材料。可以利用側(cè)向生長技術(shù)和橫向磊晶法來降低氮化物外延層中的缺陷密度，提高內(nèi)量子效率，進而改善器件性能。另外通過襯底表面的凹凸結(jié)構(gòu)可以對發(fā)光二極管器件內(nèi)部的光產(chǎn)生散射與繞射效果，減小全反射發(fā)生的幾率，提高發(fā)光二極管器件的光提取效率。本發(fā)明提出的襯底表面粗化方法，工藝簡單，制作成本低，特別適用于大規(guī)模量產(chǎn)。為使本發(fā)明的技術(shù)方案和特點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細描述。


圖I至圖4是本發(fā)明的制作方法步驟示意 圖4也是本發(fā)明發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式參看圖4，本發(fā)明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括襯底10以及外延生長于襯底10表面的發(fā)光結(jié)構(gòu)。襯底10采用藍寶石A1203、碳化硅SiC、硅Si、砷化鎵GaAs、氮化鋁AlN或者氮化鎵GaN襯底。發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于襯底10上的N型半導(dǎo)體層21、發(fā)光層22和P型半導(dǎo)體層23。N型半導(dǎo)體層21上設(shè)置有N型歐姆接觸電極210，P型半導(dǎo)體層上23設(shè)置有P型歐姆接觸電極230。襯底10上表面被腐蝕形成不規(guī)則凹部11與凸部12表面，N型半導(dǎo)體層21在外延生長過程中將襯底10上表面的凹部11與凸部12填滿。
參看圖I至圖4，為本發(fā)明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法包括
'2>將襯底10放入反應(yīng)腔體3內(nèi)，襯底10采用藍寶石A1203、碳化硅SiC、硅Si、砷化鎵GaAs、氮化鋁AlN或者氮化鎵GaN襯底，反應(yīng)腔體3采用金屬有機物氣相化學(xué)淀積腔體、分子束外延腔體、氫化物氣相外延腔體或者專門特制的高溫反應(yīng)腔體。 向反應(yīng)腔體3內(nèi)通入腐蝕性氣體4對襯底10進行腐蝕，使襯底10上表面形成多個不規(guī)則的凹部11與凸部12，該腐蝕性氣體4優(yōu)選容易對襯底10形成腐蝕的氣體HC1。不規(guī)則凹部11與凸部12結(jié)構(gòu)的尺寸通過改變反應(yīng)腔體3的溫度、腐蝕性氣體4通入的流量和時間參數(shù)來控制。Q將襯底10從反應(yīng)腔體3內(nèi)取出，并清洗襯底10表面。清洗襯底10表面采用去離子水清洗的濕法清洗或者等離子體清洗、惰性氣體吹掃的干法清洗工藝。@于襯底10表面上形成發(fā)光結(jié)構(gòu),發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于該襯底10上的N型半導(dǎo)體層21、發(fā)光層22和P型半導(dǎo)體層23，N型半導(dǎo)體層21上設(shè)置有N型歐姆接觸電極210，P型半導(dǎo)體層23上設(shè)置有P型歐姆接觸電極230，用以為該發(fā)光結(jié)構(gòu)提供電壓。以上所述僅為本發(fā)明的一項具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的技術(shù)路線之內(nèi)，所做的任何修改、替換或改進，也均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，它包括襯底(10)以及外延生長于襯底(10)表面上的發(fā)光結(jié)構(gòu)，發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于襯底(10)上的N型半導(dǎo)體層(21 )、發(fā)光層(22)和P型半導(dǎo)體層(23)，N型半導(dǎo)體層(21)上設(shè)置有N型歐姆接觸電極(210)，P型半導(dǎo)體層上(23)設(shè)置有P型歐姆接觸電極(230)，其特征在于，所述襯底(10)上表面被腐蝕形成不規(guī)則凹部(11)與凸部(12)表面，N型半導(dǎo)體層(21)在外延生長過程中將襯底(10)上表面的凹部(11)與凸部(12)填滿。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底(10)采用藍寶石A1203、碳化硅SiC、硅Si、砷化鎵GaAs、氮化鋁AlN或者氮化鎵GaN襯底。
3.一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法，它包括如下步驟 ①將襯底(10)放入反應(yīng)腔體(3)內(nèi)； 向反應(yīng)腔體(3)內(nèi)通入腐蝕性氣體(4)對襯底(10)進行腐蝕，使襯底(10)上表面形成不規(guī)則的凹部(11)與凸部(12)表面； @將襯底(10)從反應(yīng)腔體(3)內(nèi)取出，并清洗襯底(10)表面； 于襯底(10)表面上形成發(fā)光結(jié)構(gòu),發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于該襯底(10)上的N型半導(dǎo)體層(21)、發(fā)光層(22)和P型半導(dǎo)體層(23)，N型半導(dǎo)體層(21)上設(shè)置有N型歐姆接觸電極(210)，P型半導(dǎo)體層(23)上設(shè)置有P型歐姆接觸電極(230)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔體(3)采用金屬有機物氣相化學(xué)淀積腔體、分子束外延腔體、氫化物氣相外延腔體或者專門特制的高溫反應(yīng)腔體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法法，其特征在于，所述腐蝕性氣體(4)采用HCl。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述不規(guī)則凹部(11)與凸部(12)結(jié)構(gòu)的尺寸通過改變反應(yīng)腔體(3)的溫度、腐蝕性氣體(4)的通入流量和時間參數(shù)來控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述清洗襯底(10)表面采用去離子水清洗的濕法清洗或者等離子體清洗、惰性氣體吹掃的干法清洗工藝。
全文摘要
一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制作方法，涉及光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明發(fā)光二極管包括襯底以及外延生長于襯底表面上的發(fā)光結(jié)構(gòu)。發(fā)光結(jié)構(gòu)包括依次形成于襯底上的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型半導(dǎo)體層。N型半導(dǎo)體層上設(shè)置有N型歐姆接觸電極，P型半導(dǎo)體層上設(shè)置有P型歐姆接觸電極。其結(jié)構(gòu)特點是，所述襯底上表面被腐蝕形成不規(guī)則凹部與凸部表面，N型半導(dǎo)體層在外延生長過程中將襯底上表面的凹部與凸部填滿。本發(fā)明通過在襯底表面形成不規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)量子效率和光提取效率，改善器件的光學(xué)性能，具有工藝簡單，制作成本低，適用于大規(guī)模量產(chǎn)的特點。
文檔編號H01L33/00GK102637798SQ20111003733
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者吳東海, 李志翔 申請人:同方光電科技有限公司