專利名稱：一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，是目前最有前景的新一代節(jié)能，環(huán)保光源，廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。發(fā)光二極管芯片是半導(dǎo)體晶片，是發(fā)光二極管的核心組件。發(fā)光二極管芯片為半導(dǎo)體晶體，是下游發(fā)光二極管應(yīng)用組件的核心?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管芯片通常包括襯底和外延層，外延層包括依次層疊在襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、量子阱發(fā)光層和P型層，量子阱發(fā)光層為由量子壘層和量子阱層交替生長形成的多層結(jié)構(gòu)。在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:現(xiàn)有的發(fā)光二極管芯片，外延層與藍(lán)寶石襯底的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致在界面處產(chǎn)生強(qiáng)的應(yīng)力作用以及大量的位錯和缺陷，以致η型層和不摻雜的GaN層在界面接觸處也會產(chǎn)生晶格失配；而晶格失配將產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致隨后生長的量子阱發(fā)光層也會產(chǎn)生缺陷，減小了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率，降低了發(fā)光二極管的亮度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法。所述技術(shù)方案如下:`
—方面，本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管芯片，所述芯片包括:襯底、依次層疊在所述襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、量子阱發(fā)光層、ρ型層，所述不摻雜的GaN層的與所述η型層接觸的表面上設(shè)有若干個孔洞，每個所述孔洞中沉積有熒光粉，且每個所述孔洞中的所述熒光粉的厚度小于所述孔洞的深度。優(yōu)選地，所述若干個孔洞均勻分布在所述不摻雜的GaN層的與所述η型層接觸的
表面上。具體地，相鄰的所述孔洞的孔心的間距為I 8 μ m。具體地,所述孔洞的深度為0.2 I μ m,所述孔洞的孔徑為0.5 4μ m。具體地，所述熒光粉的厚度為20 lOOnm。優(yōu)選地，所述η型層包括第一 η型層和第二 η型層，所述第一 η型層包括若干個依次層疊在所述不摻雜的GaN層上的且η型摻雜濃度依次遞增的子η型層，所述第二 η型層包括若干個依次層疊在所述第一 η型層上的且所述η型摻雜濃度相同的子η型層，且所述第二 η型層的厚度大于所述第一 η型層的厚度。優(yōu)選地,所述ρ型層包括ρ型AlxInyGa1IyN層和ρ型接觸層；其中，0 < χ < I,O ^ y < I，x+y < I。優(yōu)選地，所述ρ型層的ρ型摻雜為Mg摻雜，且其中Mg與Ga的摩爾比為1/100 1/4。另一方面，本發(fā)明實施例還提供了 一種發(fā)光二極管的制造方法，所述方法包括:提供襯底，并在所述襯底上生長緩沖層；在所述緩沖層上生長不摻雜的GaN層；在所述不摻雜的GaN層的表面刻蝕若干個孔洞，并在所述孔洞中蒸渡熒光粉，且每個所述孔洞中的所述熒光粉的厚度小于所述孔洞的深度；在所述不摻雜的GaN層上依次生長η型層、量子阱發(fā)光層以及P型層。具體地，所述在所述不摻雜的GaN層的表面刻蝕若干個孔洞，具體包括:采用反應(yīng)離子刻蝕法在不摻雜的GaN層的表面刻蝕孔洞，所述孔洞均勻分布在所述不摻雜的GaN層的表面。本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在不摻雜的GaN層上設(shè)置若干個孔洞，η型層位于帶有孔洞的不摻雜的GaN層上，減小了 GaN層與η型層的晶格不匹配的差異，以及降低了 η型層中的缺陷密度，有利于外延層中應(yīng)力的釋放和減少了缺陷對量子阱有源區(qū)的影響，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和亮度；且孔洞中設(shè)有熒光粉，熒光粉能吸收發(fā)光二極管內(nèi)未提取出來的光子，而激發(fā)躍遷釋放出長于量子阱發(fā)光層發(fā)出的光峰值波長的光子，由于這些光子不會被量子阱發(fā)光層吸收，從而增加了發(fā)光二極管的外量子效率，提高了發(fā)光二極管亮度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例一提供的一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例二提供的一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例三提供的一種發(fā)光二極管芯片的制造方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實施例一本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管芯片，如圖1所示，該芯片包括:襯底11、依次層疊在襯底11上的緩沖層12、不摻雜的GaN層16、η型層13、量子阱發(fā)光層14、ρ型層15，不摻雜的GaN層16的與η型層13接觸的表面上設(shè)有若干個孔洞161，每個孔洞161中沉積有熒光粉162，且每個孔洞161中的熒光粉162的厚度小于孔洞161的深度。本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在不摻雜的GaN層上設(shè)置若干個孔洞，η型層位于帶有孔洞的不摻雜的GaN層上，減小了 GaN層與η型層的晶格不匹配的差異，以及降低了 η型層中的缺陷密度，有利于外延層中應(yīng)力的釋放和減少了缺陷對量子阱有源區(qū)的影響，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和亮度；且孔洞中設(shè)有熒光粉，熒光粉能吸收發(fā)光二極管內(nèi)未提取出來的光子，而激發(fā)躍遷釋放出長于量子阱發(fā)光層發(fā)出的光峰值波長的光子，由于這些光子不會被量子阱發(fā)光層吸收，從而增加了發(fā)光二極管的外量子效率，提高了發(fā)光二極管亮度。實施例二本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管芯片，參見圖2，該芯片包括:襯底21、依次層疊在襯底21上的緩沖層22、不摻雜的GaN層26、η型層23、量子阱發(fā)光層24、P型層25，不摻雜的GaN層26的與η型層23接觸的表面上設(shè)有若干個孔洞261，每個孔洞261中沉積有熒光粉262，且每個孔洞261中的熒光粉262的厚度小于孔洞261的深度。具體地，本發(fā)明實施例中以高純Η2或Ν2作為載氣，以TMGa、TMAUTMIn和NH3分別作為Ga、Al、In和N源。具體地，該襯底21可以為藍(lán)寶石襯底。優(yōu)選地，若干個孔洞261均勻分布在不摻雜的GaN層26的與η型層23接觸的表面上。具體地，相鄰的孔洞261的孔心的間距為I 8 μ m。具體地，孔洞261的深度為0.2 I μ m，孔洞261的孔徑為0.5 4 μ m。

優(yōu)選地，熒光粉262的厚度為20 lOOnm。具體地，在本實施例中，熒光粉252可以為吸收藍(lán)光發(fā)出黃光的YAG(Y3Al5O12ICe3+)、綠光的 TG ((SrCa) Ga2S4: Eu2+)或者紅光的 SCS((SrCa)SiEu2+)的熒光粉。優(yōu)選地，η型層23包括第一 η型層和第二 η型層，第一 η型層包括若干個依次層疊在不摻雜的GaN層上的且η型摻雜濃度依次遞增的子η型層，第二 η型層包括若干個依次層疊在第一 η型層上的且η型摻雜濃度相同的子η型層，且第二 η型層的的厚度大于第一 η型層的厚度。具體地，第一 η型層的厚度可以為0.6μπι I μ m，第二 η型層的厚度可以為
3μ m 4 μ m0具體地，η型層23的η型摻雜可以為Si摻雜。具體地，可以采用SiH4為摻雜劑。具體地，在本實施例中，量子阱發(fā)光層24可以為3 20個周期的InaGa1J層(O
<a < I)/GaN層多量子阱，其中，N與Ga摩爾比為300 5000。具體地，量子阱發(fā)光層24的厚度為3 μ m 4 μ m。優(yōu)選地，p型層25包括P型AlxInyGa1IyN層和p型接觸層；其中，0 < x < l,0^y
<I，x+y < I ο可選地，P型AlxInyGa1TyN層的厚度為IOOnm 200nm，p型接觸層的厚度為5nm 20nm。P型AlxInyGa1^N層的禁帶寬度大于量子阱發(fā)光層24的最后一層的禁帶寬度。具體地，P型AlxInyGanyN層的禁帶寬度為4eV 5.5eV。通過使P型AlxInyGa^N層的禁帶寬度大于量子阱發(fā)光層24的最后一層的禁帶寬度，有利于增加電子和空穴在量子阱發(fā)光層復(fù)合發(fā)光的概率，提高內(nèi)量子效率。具體地，P型層25的P型摻雜可以為Mg摻雜，且其中Mg與Ga的摩爾比為1/100 1/4。具體地，可以采用Cp2Mg為摻雜劑。
可選地,該芯片還包括依次沉積在P型層上的IT0(Indium Tin Oxides,納米銦錫金屬氧化物)透明導(dǎo)電層27和Si02鈍化層28。本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在不摻雜的GaN層上設(shè)置若干個孔洞，η型層位于帶有孔洞的不摻雜的GaN層上，減小了 GaN層與η型層的晶格不匹配的差異，以及降低了 η型層中的缺陷密度，有利于外延層中應(yīng)力的釋放和減少了缺陷對量子阱有源區(qū)的影響，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和亮度；且孔洞中設(shè)有熒光粉，熒光粉能吸收發(fā)光二極管內(nèi)未提取出來的光子，而激發(fā)躍遷釋放出長于量子阱發(fā)光層發(fā)出的光峰值波長的光子，由于這些光子不會被量子阱發(fā)光層吸收，從而增加了發(fā)光二極管的外量子效率，提高了發(fā)光二極管亮度。實施例3本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管芯片的制造方法，可以用來制造實施例1或?qū)嵤├?提供的芯片。在本發(fā)明的實施例中，以高純Η2或Ν2作為載氣，以TMGa、TMAl、TMIn和NH3分別作為Ga、Al、In和N源。參見圖3，該方法包括:步驟301:提供襯底，并在襯底上生長緩沖層。具體地，該襯底可以為藍(lán)寶石襯底，該緩沖層為低溫GaN層。具體地,將藍(lán)寶石襯底放置在石墨盤上并送入MOCVD (Metal-organic ChemicalVapor Deposition,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)反應(yīng)腔中，加熱至1060°C后,在氫氣環(huán)境里對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行退火處理，清潔襯底表面，然后進(jìn)行氮化處理；然后將溫度下降到500°C 650°C，通入三甲基鎵(TMGa)和氨氣(NH3)，在襯底上生長15 30nm厚的低溫GaN層,此生長過程中，生長壓力為300Torr 760Torr，NH3與TMGa的摩爾比為500 3000。步驟302:在緩沖層上生長不摻雜的GaN層。具體地，將步驟301后的襯底溫度升高到1000°C 1200°C，對緩沖層在原位進(jìn)行退火處理，退火時間在5 10分鐘；退火之后，將溫度調(diào)節(jié)到1000°C 1200°C之間，在較低的Ga與N的摩爾比條件下外延生長厚度為0.8 μ m 2 μ m的高溫的不摻雜的GaN層，此生長過程中，生長壓力為50Torr 760Torr，NH3與TMGa的摩爾比為300 3000。步驟303:在不摻雜的GaN層的表面刻蝕若干個孔洞，并在孔洞中蒸渡熒光粉，且每個孔洞中的熒光粉的厚度小于孔洞的深度。具體地，采用反應(yīng)離子刻蝕法在不摻雜的GaN層的表面刻蝕孔洞，孔洞均勻分布在不摻雜的GaN層的表面。優(yōu)選地，相鄰的孔洞的孔心的間距為I 8 μ m?？蛇x地，熒光粉可以為黃光的YAG(Y3Al5O12 = Ce3+)熒光粉。更具體地,采用RIE (Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕法)在不摻雜的GaN層的表面上均勻地刻蝕若干個孔洞，其中，孔洞的深度為0.2 I μ m，孔洞的孔洞徑為0.5 4 μ m,相鄰孔洞的孔洞心的間距為I 8 μ m。然后在刻蝕好的孔洞中蒸鍍熒光粉，熒光粉的厚度為20 lOOnm，然后在N2環(huán)境下退火30min，退回溫度為200°C。步驟304:在不摻雜的GaN層上依次生長η型層、量子阱發(fā)光層以及P型層。具體地，η型層包括第一 η型層和第二 η型層，第一 η型層包括若干個依次層疊在不摻雜的GaN層上的且η型摻雜濃度依次遞增的子η型層，第二 η型層包括若干個依次層疊在第一 η型層上的且η型摻雜濃度相同的子η型層，且第二 η型層的厚度大于第一 η型層的厚度。通過設(shè)置第一 η型層和第二 η型層，第二 η型層的晶體缺陷小于第一 η型層，在第二型層上生長量子阱發(fā)光層24，可以降低量子阱發(fā)光層24的缺陷密度。具體地,在不摻雜的GaN層上生長第一 η型層，第一 η型層的厚度為0.6 μ m I μ m，其生長的溫度為1000°C 1200°C，生長壓力在50Torr 760Torr，NH3與TMGa摩爾比為300 3000。然后在第一 η型層上生長第二 η型層，第二 η型層的厚度為3 μ m 4 μ m，其生長的溫度為1000°C 1200°C，生長壓力在50Torr 760Torr，V/III摩爾比為300 3000。具體地，η型層的η型摻雜可以為Si摻雜。具體地，可以采用SiH4為摻雜劑。具體地，量子阱發(fā)光層24為3 20個周期的InaGai_aN層(O < a < I)/GaN層多量子阱，其中，NH3與TMGa摩爾比為300 5000。具體地，量子阱發(fā)光層24的厚度為3 μ m
4μ m0具體地，接著在第二 η型層上生長量子阱發(fā)光層，生長溫度為1000°C 1200°C，生長壓力在50Torr 760Torr，NH3與TMGa摩爾比為300 3000。具體地，P型層包括P型AlxInyGanyN層和p型接觸層；其中，0<χ<1，0彡y
<I，x+y < I ο可選地，P型AlxInyGa1TyN層的厚度為IOOnm 200nm，p型接觸層的厚度為5nm 20nmo具體地，P型層中的P型摻雜為Mg摻雜，且其中Mg與Ga的摩爾比為1/100 1/4。具體地，可以采用Cp2Mg為摻雜劑。具體地，在量子阱發(fā)光層上生長P型AlxInyGanyN層，P型AlxInyGai_x_yN層的厚度為IOOnm 200nm,其生長溫度為950°C 1050°C，生長壓力在50Torr 500Torr，NH3與TMGa摩爾比為1000 20000 ;在p型AlxInyGai_x_yN層上生長p型接觸層，P型接觸層的生長厚度為5nm 20nm，其生長溫度為850°C 1050°C，生長壓力在IOOTorr 760Torr，NH3與TMGa摩爾比為1000 20000。接著將反應(yīng)腔的溫度降至650 850°C，純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火處理10 15min，然后降至室溫，結(jié)束外延層的生長。本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在不摻雜的GaN層上刻蝕孔洞，在帶有孔洞的不摻雜的GaN層上生長η型層，由于孔洞的存在為η型層的側(cè)向外延生長提供了基礎(chǔ)，η型層通過側(cè)向外延生長，降低了 GaN層的位錯和該層中的缺陷密度，有利于外延層中應(yīng)力的釋放，且減小了該層與不摻雜的GaN層晶格不匹配的差異，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和亮度；且孔洞中設(shè)有熒光粉，熒光粉能吸收發(fā)光二極管內(nèi)未提取出來的光子，而激發(fā)躍遷釋放出長于量子阱發(fā)光層發(fā)出的光峰值波長的光子，由于這些光子不會被量子阱發(fā)光層吸收，從而增加了發(fā)光二極管的外量子效率，提高了發(fā)光二極管亮度。上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較 佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管芯片，所述芯片包括襯底、依次層疊在所述襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、量子阱發(fā)光層、P型層，其特征在于，所述不摻雜的GaN層的與所述η型層接觸的表面上設(shè)有若干個孔洞，每個所述孔洞中沉積有熒光粉，且每個所述孔洞中的所述熒光粉的厚度小于所述孔洞的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述若干個孔洞均勻分布在所述不摻雜的GaN層的與所述η型層接觸的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片，其特征在于，相鄰的所述孔洞的孔心的間距為I 8μ m0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的芯片，其特征在于，所述孔洞的深度為0.2 I μ m，所述孔洞的孔徑為0.5 4 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芯片，其特征在于，所述熒光粉的厚度為20 lOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述η型層包括第一η型層和第二 η型層，所述第一 η型層包括若干個依次層疊在所述不摻雜的GaN層上的且η型摻雜濃度依次遞增的子η型層，所述第二 η型層包括若干個依次層疊在所述第一 η型層上的且所述η型摻雜濃度相同的子η型層，且所述第二 η型層的厚度大于所述第一 η型層的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述P型層包P型AlxInyGa^yN層和ρ型接觸層；其中，O < X < 1,0 ≤ y < I, x+y < I。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的芯片，其特征在于，所述P型層的P型摻雜為Mg摻雜，且其中Mg與Ga的摩爾比為1/100 1/4。
9.一種發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述方法包括: 提供襯底，并在所述襯底上生長緩沖層； 在所述緩沖層上生長不摻雜的GaN層； 在所述不摻雜的GaN層的表面刻蝕若干個孔洞，并在所述孔洞中蒸鍍熒光粉，且每個所述孔洞中的所述熒光粉的厚度小于所述孔洞的深度； 在所述不摻雜的GaN層上依次生長η型層、量子阱發(fā)光層以及P型層。
10.根據(jù)權(quán)利要9所述的方法，其特征在于，所述在所述不摻雜的GaN層的表面刻蝕若干個孔洞，具體包括: 采用反應(yīng)離子刻蝕法在不摻雜的GaN層的表面刻蝕孔洞，所述孔洞均勻分布在所述不摻雜的GaN層的表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。該芯片包括襯底、依次層疊在襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、n型層、量子阱發(fā)光層、p型層，不摻雜的GaN層的與n型層接觸的表面上設(shè)有若干個孔洞，每個孔洞中沉積有熒光粉，且每個孔洞中的熒光粉的厚度小于孔洞的深度。本發(fā)明通過在不摻雜的GaN層上設(shè)置若干個孔洞，n型層位于不摻雜的GaN層上，減小了GaN層與n型層的晶格不匹配的差異，降低了n型層中的缺陷密度，有利于外延層中應(yīng)力的釋放和減少了缺陷對量子阱有源區(qū)的影響，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和亮度；且孔洞中設(shè)有熒光粉，增加了發(fā)光二極管的外量子效率，提高了發(fā)光二極管亮度。
文檔編號H01L33/20GK103117346SQ20131004074
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者張建寶, 劉權(quán) 申請人:華燦光電股份有限公司