CN102185068A

CN102185068A - 发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN102185068A
Application number: CN2011101171140A
Authority: CN
Inventors: 肖德元; 王津洲
Original assignee: XI'AN SHENGUANG ANRUI OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN SHENGUANG ANRUI OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明涉及一种发光二极管及其制备方法，所述发光二极管包括第一导电半导体层，覆盖所述第一导电半导体层的有源层，覆盖所述有源层的第二导电半导体层，所述第一导电半导体层邻近所述有源层的一侧形成有多个高密度凸起，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。本发明的发光二极管具有较大的发光面积。

Description

发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode，LED)及其制备方法。

背景技术

发光二极管由于具有寿命长、能耗低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，发光二极管在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。

请参阅图1，图1是一种现有技术的发光二极管的剖面结构示意图。所述发光二极管包括衬底11、缓冲层(buffer layer)12、N型接触层(N contact layer)13、N型覆盖层(N active layer)14、有源层(light emitting layers)15、P型覆盖层(P active layer)16、P型接触层(P contact layer)17、与所述P型接触层17连接的正电极18以及与所述N型接触层13连接的负电极19。所述发光二极管是双异质(Double Heterogeneous，DH)结构的发光二极管，其中异质结构包括：N型覆盖层14、有源层15和P型覆盖层16。所述有源层15为所述发光二极管的发光层。所述N型覆盖层14为N型掺杂氮化镓层，所述P型覆盖层16为P型掺杂氮化镓层。类似的，美国专利US 5777350也公布了一种氮化物半导体发光器件。

然而，由于氮化镓体单晶很难获得，所以，目前氮化镓材料的生长主要通过在蓝宝石(Sapphire，AL₂O₃)衬底上进行异质外延的手段获得，最主要的外延生长技术有金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及卤化物气相外延(HVPE)等。由于蓝宝石衬底与氮化镓外延层存在很大的晶格失配(lattice mismatch)和热胀失配，所以不可避免地会在氮化镓外延层中引入大量的位错(dislocation)。

美国北卡罗来纳州立大学(NCSU)的研究人员最近提出了一种新的氮化镓生长方法，如图2到图4所示。首先，在蓝宝石衬底21上依次形成缓冲层22和氮化镓层23，所示氮化镓层23中存在大量位错24，如图2所示。然后，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀(matchless inductively coupled plasma-reactiveion etching)的方式刻蚀所述氮化镓层23，使得所述氮化镓层23在邻近所述蓝宝石衬底21处形成纳米线(nanowires)25，如图3所示。采用外延生长技术(epitaxial overgrowth)，在所述氮化镓层23表面再生长外延氮化镓层26以覆盖所述纳米线25，由所述氮化镓层23和外延氮化镓层26形成的氮化镓层在邻近所述蓝宝石衬底21处形成空穴(void)27。由于所述空穴27的存在，所述氮化镓层中的位错被吸收(dislocation trapping)，从而降低了所述氮化镓层的位错密度(dislocation density)，有利于提高发光二极管的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够增加发光面积的发光二极管。

本发明的另一目的在于提供上述发光二极管的制备方法。

一种发光二极管，包括第一导电半导体层，覆盖所述第一导电半导体层的有源层，覆盖所述有源层的第二导电半导体层，所述第一导电半导体层邻近所述有源层的一侧的表面形成有多个凸起，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述发光二极管还包括衬底和设置于所述第一导电半导体层与所述衬底之间的缓冲层。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述发光二极管还包括覆盖所述第二导电半导体层的接触层。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述凸起的侧面与所述第一导电半导体层的垂直方向的夹角范围是0到45度。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述凸起为柱形凸起。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述有源层包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述有源层中的氮化铟镓层的厚度为2纳米，所述氮化镓层的厚度为10纳米。

上述发光二极管优选的一种技术方案，所述凸起之间的距离范围是200纳米到500纳米，所述凸起的高度范围是200纳米到1000纳米。

一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：提供一衬底，在所述衬底上一侧第一导电半导体层；刻蚀所述第一导电半导体层，使所述第一导电半导体层的表面形成多个凸起；形成有源层，所述有源层覆盖所述第一导电半导体层具有凸起一侧的表面；在所述有源层表面覆盖第二导电半导体层，所述第二导电半导体层与所述第一导电半导体层具有相反掺杂类型。

上述方法优选的一种技术方案，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。

上述方法优选的一种技术方案，形成所述第一导电半导体层前，在所述衬底上形成缓冲层，所述第一导电半导体层覆盖所述缓冲层。

上述方法优选的一种技术方案，在所述有源层表面覆盖第二导电半导体层后，在所述第二导电半导体层的表面形成接触层。

上述方法优选的一种技术方案，刻蚀所述接触层、第二导电半导体层和有源层，使所述第一导电半导体层的部分表面暴露，在所述第一导电半导体层暴露的表面形成所述发光二极管的负极。

上述方法优选的一种技术方案，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式刻蚀所述第一导电半导体层。

上述方法优选的一种技术方案，所述凸起的侧面与所述第一导电半导体层的垂直方向的夹角范围是0到45度。

上述方法优选的一种技术方案，所述凸起为柱形凸起。

上述方法优选的一种技术方案，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。

上述方法优选的一种技术方案，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。

上述方法优选的一种技术方案，所述有源层包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。

上述方法优选的一种技术方案，所述有源层中的氮化铟镓层的厚度为2纳米，所述氮化镓层的厚度为10纳米。

上述方法优选的一种技术方案，所述凸起之间的距离范围是200纳米到500纳米，所述凸起的高度范围是200纳米到1000纳米。

上述方法优选的一种技术方案，刻蚀所述第一导电半导体层形成凸起的步骤中，刻蚀气体为三氯化硼和氯的混合物，腔室气压为10到30毫托，底板功率为200到400瓦，线圈功率为100到200瓦。

与现有技术相比，本发明的发光二极管包括第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层，第一导电半导体层邻近有源层的一侧形成有凸起，所述有源层覆盖所述第一导电半导体层，由于所述凸起的存在，增加了所述有源层在所述第一、第二导电半导体层之间的面积，从而增加了发光二极管的发光面积。

附图说明

图1是一种现有技术的发光二极管的剖面结构示意图。

图2到图4是一种现有技术的氮化镓生长方法的各步骤示意图。

图5是本发明的发光二极管的一种实施例的剖面结构示意图。

图6是本发明的发光二极管的制备方法的流程图。

图7到图12是本发明的发光二极管的制备方法的各步骤示意图。

图13是本发明的发光二极管的另一种实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明的发光二极管包括第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层，第一导电半导体层邻近有源层的一侧形成有多个凸起，所述有源层覆盖第一导电半导体层，由于所述凸起的存在，增加了所述有源层在所述第一、第二导电半导体层之间的面积，从而增加了发光二极管的发光面积。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

请参阅图5，图5是本发明的发光二极管的剖面结构示意图。所述发光二极管包括衬底31、缓冲层32、第一导电半导体层33、有源层36、第二导电半导体层37、接触层38，与所述接触层38连接的所述发光二极管的正电极39。所述第一导电半导体层33的一部分暴露，所述发光二极管的负电极40与所述第一导电半导体层33的暴露部分连接。所述第一导电半导体层33与所述第二导电半导体层37具有相反掺杂类型。所述第一导电半导体层33邻近所述有源层36的一侧表面形成有多个柱形凸起35，优选的，所述柱形凸起35之间的间隙宽度范围为200到500纳米，所述柱形凸起35的高度范围是200到1000纳米。

具体的，所述衬底31的材料可以为蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、尖晶石(MgAL₂O₄)，以及晶格常数接近氮化物半导体的单晶氮化物。优选的，所述衬底为蓝宝石衬底或者硅衬底。

所述缓冲层32覆盖所述衬底31，用于缓和所述第一导电半导体33与所述衬底31的晶格常数失配。所述缓冲层32的厚度通常为数百埃，材料通常为氮化镓或者氮化铝(AlN)，优选的，当所述衬底31为蓝宝石衬底时，所述缓冲层32为低温条件下生长的氮化镓(LT GaN)层；当所述衬底31为硅衬底时，所述缓冲层32为氮化铝层。当然，如果所述衬底31的材料为晶格常数非常接近氮化物半导体的碳化硅或者氧化锌，则可省略所述缓冲层32。

本发明的发光二极管为双异质结构的发光二极管，双异质结构的发光二极管比同质结构或者单异质结构有很多优点，可以更有效的载流子限制，从而导致更有效的载流子复合，使得发光二极管的发光更亮。本发明的发光二极管的双异质结构包括：所述第一导电半导体层33、有源层36、第二导电半导体层37。所述第一导电半导体层33邻近所述有源层36的一侧形成有柱形凸起35，所述有源层36覆盖所述第一导电半导体层33有柱形凸起35的表面，因此，所述有源层36在对应所述柱形凸起35的位置处也形成凸起，即所述有源层36与所述柱形凸起35自对准(self align)。所述柱形凸起35可以为由纳米线条形成的凸起。

所述第一导电半导体层33为N型氮化物半导体层，具体的，所述第一导电半导体层33为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂的氮化铝镓(Al_yGa_1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层。

所述第二导电半导体层37为P型氮化物半导体层，具体的，所述第二导电半导体层37为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂的氮化铝镓(Al_yGa_1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层，优选的，P型掺杂物可以为镁。

所述有源层36为单一量子阱结构或多层量子阱结构，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。具体的，所述有源层36包括层叠设置的氮化铟镓(In_xGa_1-xN，x表示铟的摩尔份数，0＜x＜1)层和氮化镓层。优选的，所述有源层36中氮化铟镓层的厚度约为2纳米，氮化镓层的厚度约为10纳米。由于所述第一导电半导体层33与所述第二导电半导体层37的掺杂类型相反，N型掺杂的第一导电半导体层33通过外部电压驱动使电子(electron)漂移至能带隙较低的氮化铟镓层的导电带，P型掺杂的第二导电半导体层37通过外部电压驱动使空穴(hole)漂移至能带隙较低的氮化铟镓层的价电带。由于氮化镓层的能带隙大于氮化铟镓层，因此，利用氮化镓层和氮化铟镓层之间的能带隙差异，电子和空穴聚集在所述单层或多层量子阱结构的有源层36中结合，从而使得所述有源层36发光。由于所述第一导电半导体层33表面有柱形凸起35，因此，所述有源层36在所述第一、第二导电半导体层33、37之间的面积增加，从而使得更多的载流子在所述有源层37中复合，增加了发光二极管的发光面积。优选的，所述第一导电半导体层33为N型掺杂的氮化铝镓层，所述第二导电半导体层37为P型掺杂的氮化铝镓层，由于氮化铝镓的能带隙大于氮化镓和氮化铟镓的能带隙，可以防止电子和空穴从量子阱漂移至发光二极管的两端电极。

所述接触层38可以由P型氮化物半导体形成。如果用P型掺杂的氮化镓或者氮化铝镓形成，可以获得结晶性优良的接触层，特别是如果用氮化镓形成P型接触层，则可以使所述接触层38与所述正电极39达到良好的欧姆接触。所述正电极39和负电极40的材料可以为含Ni和Au的金属材料。

请参阅图6，图6是本发明的发光二极管的制备方法的流程图。下面结合图7到图12，详细说明本发明的发光二极管的制备方法。

首先，提供一衬底31，在所述衬底31上依次形成缓冲层32和第一导电半导体层33。如图7所示。所述衬底31的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓、尖晶石，以及晶格常数接近氮化物半导体的单晶氮化物。所述缓冲层32和第一导电半导体层33可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。当所述衬底31为蓝宝石衬底时，所述缓冲层32为低温条件下生长的氮化镓层；当所述衬底31为硅衬底时，所述缓冲层32为氮化铝层。所述缓冲层32形成后，在所述缓冲层32的表面采用外延生长技术形成第一导电半导体层33。所述第一导电半导体层33的材料为N型氮化物半导体层，具体的，所述第一导电半导体层33为N型掺杂氮化镓层或为氮化铝镓(Al_yGa_1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)层。

然后，刻蚀所述第一导电半导体层33，所述第一导电半导体层33的表面形成多个柱形凸起35，如图8所示。在刻蚀过程中，刻蚀气体为三氯化硼和氯的混合物，腔室气压为10到30毫托，底板功率为200到400瓦，线圈功率为100到200瓦。所述柱形凸起35之间的间隙宽度范围为200到500纳米，所述柱形凸起35的高度范围是200到1000纳米。具体的，所述柱形凸起35可以为采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式形成的纳米线条凸起。

所述第一导电半导体层33表面形成柱形凸起35后，在所述第一导电半导体层33表面覆盖有源层36，如图9所示。由于所述第一导电半导体层33表面柱形凸起35的存在，所述有源层36在所述柱形凸起35位置处也对应形成凸起。所述有源层36可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法。所述有源层36为单一量子阱结构或多层量子阱结构，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。具体的，所述有源层36包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。优选的，所述有源层36中氮化铟镓层的厚度约为2纳米，氮化镓层的厚度约为10纳米。

之后，在所述有源层36的表面覆盖第二导电半导体层37，如图10所示。所述第二导电半导体层37与所述第一导电半导体层33具有相反掺杂类型。所述第二导电半导体层37可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。所述第二导电半导体层37的材料为P型掺杂氮化镓或者P型掺杂的氮化铝镓(Al_yGa_1-yN，y表示铝的摩尔份数，0＜y＜1)，优选的，P型掺杂物可以为镁。

在所述第二导电半导体层37的表面覆盖接触层38，并在接触层38的表面形成发光二极管的正电极39，如图11所示。所述接触层38可以采用现有技术的制备方法形成，如采用金属有机化合物化学气相沉积的方法形成。所述接触层38的材料可以为氮化镓或者氮化铝镓。所述正电极39的材料可以为含Ni和Au的金属材料。

接着，刻蚀所述接触层38、第二导电半导体层37、有源层36，使所述第一导电半导体层33的部分表面暴露，在所述第一导电半导体层33暴露的表面形成所述发光二极管的负电极40，如图12所示。刻蚀所述接触层38、第二导电半导体层37、有源层36可以采用现有技术的刻蚀方法。所述负电极40的材料可以为含Ni和Au的金属材料。

与现有技术的方法相比，本发明的发光二极管包括第一导电半导体层33、有源层36和第二导电半导体层37，第一导电半导体层33邻近有源层36的一侧形成有柱形凸起35，所述有源层36覆盖第一导电半导体层33，由于所述柱形凸起35的存在，增加了所述有源层36在所述第一、第二导电半导体层33、37之间的面积，从而增加了发光二极管的发光面积。本发明的发光二极管的制备方法工艺简单，制备成本低。

本发明的发光二极管的第一导电半导体层33的表面形成有柱形凸起35，但由于制备工艺存在误差，所述柱形凸起35的侧面并非与所述第一导电半导体层33的表面严格垂直，所述柱形凸起35的侧面与所述第一导电半导体层33的垂直方向的夹角范围可以是0到45度，如图13所述。本发明的发光二极管的第一导电半导体层33表面形成有柱形凸起35，但柱形凸起仅仅是本发明的一种优选实施方式，所述凸起还可以是其他形状的凸起，并不限于上述实施方式所述。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明并不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims

1.一种发光二极管，其特征在于，包括第一导电半导体层，覆盖所述第一导电半导体层的有源层，覆盖所述有源层的第二导电半导体层，所述第一导电半导体层邻近所述有源层的一侧表面形成有多个凸起，所述第一导电半导体层与所述第二导电半导体层具有相反掺杂类型。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括衬底和设置于所述第一导电半导体层与所述衬底之间的缓冲层。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括覆盖所述第二导电半导体层的接触层。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。

5.如权利要求1到4中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起的侧面与所述第一导电半导体层的垂直方向的夹角范围是0到45度。

6.如权利要求1到4中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起为柱形凸起。

7.如权利要求1到4中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。

8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。

9.如权利要求1到4中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。

10.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层中的氮化铟镓层的厚度为2纳米，所述氮化镓层的厚度为10纳米。

11.如权利要求1到4中任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述凸起之间的距离范围是200纳米到500纳米，所述凸起的高度范围是200纳米到1000纳米。

12.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一衬底，在所述衬底一侧形成第一导电半导体层；

刻蚀所述第一导电半导体层，使所述第一导电半导体层的表面形成多个凸起；

形成有源层，所述有源层覆盖所述第一导电半导体层具有凸起一侧的表面；

在所述有源层表面覆盖第二导电半导体层，所述第二导电半导体层与所述第一导电半导体层具有相反掺杂类型。

13.如权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述第一导电半导体层为N型掺杂氮化镓层或者N型掺杂氮化铝镓层，所述第二导电半导体层为P型掺杂氮化镓层或者P型掺杂氮化铝镓层。

14.如权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，形成所述第一导电半导体层前，在所述衬底上形成缓冲层，所述第一导电半导体层覆盖所述缓冲层。

15.如权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，在所述有源层表面覆盖第二导电半导体层后，在所述第二导电半导体层的表面形成接触层。

16.如权利要求15所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，刻蚀所述接触层、第二导电半导体层和有源层，使所述第一导电半导体层的部分表面暴露，在所述第一导电半导体层暴露的表面形成所述发光二极管的负电极。

17.如权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，采用无掩膜感应耦合等离子反应刻蚀的方式刻蚀所述第一导电半导体层。

18.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述凸起的侧面与所述第一导电半导体层的垂直方向的夹角范围是0到45度。

19.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述凸起为柱形凸起。

20.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述有源层为单一量子阱结构或多层量子阱结构。

21.如权利要求20所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述量子阱结构包含两种或两种以上不同能带隙的异质结构。

22.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述有源层包括层叠设置的氮化铟镓层和氮化镓层。

23.如权利要求22所述的发光二极管的制备方法，所述有源层中的氮化铟镓层的厚度为2纳米，所述氮化镓层的厚度为10纳米。

24.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述凸起之间的距离范围是200纳米到500纳米，所述凸起的高度范围是200纳米到1000纳米。

25.如权利要求12到17中任意一项所述的发光二极管的制备方法，刻蚀所述第一导电半导体层形成凸起的步骤中，刻蚀气体为三氯化硼和氯的混合物，腔室气压为10到30毫托，底板功率为200到400瓦，线圈功率为100到200瓦。