具有四方环状结构反射层氮化镓基发光二极管

摘要

本发明提出了一种具有四方环状结构反射层的的发光二极管的制造方法，该方法包括：在衬底的下表面形成金属反射层；所述衬底的上表面上依次形成有GaN缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层（MQW）、p型AlGaN层、p型GaN层、透明电极层，p金属电极；在所述n型GaN层上形成n金属电极；所述GaN缓冲层的表面被粗化处以及所述发光二极管的上表面、所有侧面形成有表面粗化层。其中，所述p型GaN层的上表面形成有四方环状结构的反射层。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种具有四方环状结构反 射层氮化镓基发光二极管。

背景技术

半导体发光二极管应用日益广泛，特别是在照明方面有取代白炽 灯和荧光灯的趋势，但是目前还面临一些技术上的问题，特别是光取 出效率比较低，通常影响光取出效率主要有三个方面的原因：一种是 由于材料对光的吸收，另一种是光在穿过不同介质时产生全反射。

发光二极管发光效率的提高一直是技术的追求目标，提高外延材 料的质量，通过透明衬底键合，厚电流扩展窗口，这些都对效率的提 高起到很好的效果。但是，当光离开二极管内部时，其无论如何都无 法避免发生损耗，造成损耗的主要原因，是由于形成发光二极管表面 层的半导体材料具有高折射系数。高的光折射系数会导致光在该半导 体材料表面产生全反射，从而使发光二极管内部发出的光无法充分地 发射出去。目前，业内已经通过表面粗化技术来改善光在二极管内部 的全反射，从而提高发光效率，然而，由于现有技术通常仅对发光二 极管部分组成结构的表面进行粗化处理，这导致了其粗糙化表面分布 不均匀，因此无法有效的提升发光效率。

同时，发光二极管发出的光是由其内部结构中的发光层产生的， 发光层发出的光主要是通过发光二极管的正面发出，而从其侧面发出 的光必须先经过发光二极管内部结构的全反射，使光线的光路发生改 变才能由侧面发出。这就导致了现有发光二极管正面出光过多而侧面 出光不足，因此也就造成发光二极管出光的不均匀。

图1为现有的发光二极管结构。图1中，衬底101上依次形成 GaN缓冲层102、n型GaN层103、多量子阱发光层（MQW）104、p型 AlGaN层105、p型GaN层106、透明电极层107，p金属电极112； 而n型GaN层103上形成n金属电极111。其中GaN缓冲层102表面 被粗化处理，以形成纳米级的锯齿状的表面粗化层122。衬底101下 方还形成有金属反射层100，从而多量子阱发光层104发出光经过金 属反射层100的反射后由发光二极管的正面或侧面透出（图1中未示 出），以提高发光效率。

在图1所示的发光二极管结构中，由于粗化层仅形成于发光二极 管的内部，即GaN缓冲层102的表面上，因此，由多量子阱发光层 104产生的光虽然经过粗化层122的反射，能够在一定的程度上提高 侧面的发光效率，但是，这种处于发光二极管内部中的粗化层还不足 以进一步提高发光效率。

而且，参见图1所示结构的发光二极管，可见多量子阱发光层 104发出的光大多由发光二极管的正面透出，即由透明电极层107的 上表面透出，仅有少量的光经过透明电极层107的全反射后由发光二 极管的侧面透出。因此，图1所示结构的发光二极管的发光均匀性还 有待改善。

发明内容

本发明针对现有技术的问题，提出了一种具有粗化表面以及反射 层的发光二极管的制造方法，从而提高发光二极管的发光效率和发光 均匀性。

本发明提出制造方法包括以下步骤：

（1）在衬底上采用MOCVD外延生长GaN缓冲层，所述衬底的材 料为蓝宝石、碳化硅、硫化锌或者砷化镓；

（2）利用碱性溶液对GaN缓冲层的表面进行腐蚀，从而在GaN 缓冲层表面上形成表面粗化层；

（3）在GaN缓冲层被粗化的表面上采用MOCVD或者分子束磊晶 工艺（MBE）来依次形成n型GaN层、多量子阱发光层（MQW）、p型 AlGaN层以及p型GaN层的层叠结构；

（4）在p型GaN层的表面旋涂光刻胶，显影后露出其部分表面， 此后采用等离子体对上述层叠结构进行干法蚀刻，直至蚀刻到n型 GaN层的一部分为止；优选为保留n型GaN层的厚度的1/2；干法蚀 刻后形成图2所示的台阶结构；

（5）在p型GaN层表面上进行光刻工艺，以便在p型GaN层的 表面四周形成四方环形凹槽；

（6）采用溅镀工艺或者电子束蒸发工艺在p型GaN层四周的凹 槽上形成反射层；

（7）对溅镀反射层后的p型GaN层表面进行化学机械抛光（CMP） 工艺，以使得反射层与p型GaN层的表面平坦化；

（8）在p型GaN层表面上采用溅镀工艺形成透明电极层；

（9）将完成台阶结构的氮化镓基发光二极管浸泡在碱性溶液中， 以便形成表面粗化层；

（10）对衬底进行减薄，优选将衬底的厚度的1/2至2/3去除； 此后在衬底的下方采用溅镀工艺形成金属反射层；

（11）在n型GaN层的台阶表面形成n型电极，在透明电极层的 上表面形成p型电极；

其中，该反射层的材料可以是Al/Ag合金金属反射层，也可以是 AlAs/Al_xGa_1-xAs或AlInP/(Al_xGa_1-x)yIn_1-yP分布布拉格反射层（DBR）；

其中，反射层的外环与所述p型GaN层的侧边重合，即如图3 所示的阴影部分；

其中，表面粗化层为纳米级的锯齿状。

附图说明

附图1为现有技术中仅有部分粗化表面的发光二极管结构示意 图。

附图2为本发明提出的制造方法所制得的具有粗化表面以及反 射层的发光二极管的结构示意图。

附图3为图2所示发光二极管的平面结构示意图。

具体实施方式

图2为由本发明提出的制造方法制得的发光二极管，其具有全面 粗化的表面，并且具有反射层，因此能够大幅度的提高发光效率以及 发光均匀性。

本发明的制造方法包括如下步骤：

（1）在衬底201上采用MOCVD外延生长GaN缓冲层202，所述 衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硫化锌或者砷化镓；

（2）利用碱性溶液对GaN缓冲层202的表面进行腐蚀，从而在 GaN缓冲层202表面上形成纳米级的锯齿状的表面粗化层222；在本 发明中，除了可以利用碱性溶液腐蚀GaN缓冲层202的表面以形成表 面粗化层222以外，也可以利用等离子体蚀刻机对GaN缓冲层202的 表面进行干法蚀刻来完成，还可以通过先浸泡在碱性溶液中进行湿法 蚀刻、然后再利用等离子体蚀刻机进行干法蚀刻相结合来完成。对于 湿法蚀刻和干法蚀刻相结合来形成表面粗化层的工艺来说，本发明并 没有限定必须先湿法蚀刻后干法蚀刻，采用先干法蚀刻在湿法蚀刻同 样也是可以的；

（3）在GaN缓冲层202被粗化的表面上采用MOCVD或者分子束 磊晶工艺（MBE）来依次形成n型GaN层203、多量子阱发光层（MQW） 204、p型AlGaN层205以及p型GaN层206的层叠结构；

（4）在p型GaN层206的表面旋涂光刻胶，显影后露出其部分 表面，此后采用等离子体对上述层叠结构进行干法蚀刻，直至蚀刻到 n型GaN层203的一部分为止；优选为保留n型GaN层203的厚度的 1/2；干法蚀刻后形成图2所示的台阶结构；

（5）在p型GaN层206表面上进行光刻工艺，以便在p型GaN 层206的表面四周形成四方环形凹槽；

（6）采用溅镀工艺或者电子束蒸发工艺在p型GaN层四周的凹 槽上形成反射层231，该反射层231的材料可以是Al/Ag合金金属反 射层，也可以是AlAs/Al_xGa_1-xAs或AlInP/(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP分布布拉格 反射层（DBR）；由图2的上方俯视看过去，反射层231的外环与所述 发光二极管的侧边重合，即如图3所示的阴影部分；

（7）对溅镀反射层231后的p型GaN层206表面进行化学机械 抛光（CMP）工艺，以使得反射层231与p型GaN层206的表面平坦 化；

（8）在p型GaN层206表面上采用溅镀工艺形成透明电极层207；

（9）将完成台阶结构的氮化镓基发光二极管浸泡在碱性溶液中， 以便形成表面粗化层221；

（10）对衬底201进行减薄，优选将衬底201的厚度的1/2至 2/3去除；此后在衬底201的下方采用溅镀工艺形成金属反射层200；

（11）在n型GaN层203的台阶表面形成n型电极211，在透明 电极层207的上表面形成p型电极212；电极211和212的形成方法 可采用本领域常规的工艺来形成，比如首先在透明电极层207的表面 上旋涂光刻胶，显影后露出将要形成电极212的透明电极层207的表 面，此后通过溅镀工艺以形成电极212；电极211的形成方法与此相 同。

参见图2，衬底201下方形成有金属反射层200，从而多量子阱 发光层204发出光经过金属反射层200的反射后由发光二极管的正面 或侧面透出（图2中未示出），以提高发光效率。

而且，为了能够大幅度的提高发光二极管2的发光效率，在本发 明提出的制造方法除了在GaN缓冲层202表面进行粗化处理，以形成 纳米级的锯齿状的表面粗化层222以外，还将发光二极管2的上表面， 即透明电极层207的上表面进行粗化处理，与此同时，还进一步将发 光二极管2的所有侧面同样进行粗化处理，从而形成如图2所示的表 面粗化层221。这种粗化处理可以通过将发光二极管2浸泡在碱性溶 液中进行湿法蚀刻，利用碱性溶液对其表面进行腐蚀来完成。也可以 利用等离子体蚀刻机对发光二极管进行干法蚀刻来完成，还可以通过 先浸泡在碱性溶液中进行湿法蚀刻、然后再利用等离子体蚀刻机进行 干法蚀刻相结合来完成。对于湿法蚀刻和干法蚀刻相结合来形成表面 粗化层的工艺来说，本发明并没有限定必须先湿法蚀刻后干法蚀刻， 采用先干法蚀刻在湿法蚀刻同样也是可以的。

通过对发光二极管2的整个外表面进行粗化处理后，多量子阱发 光层204发出的光在到达发光二极管2的各个表面后，在透射临界角 之外的光由于经过表面粗化层的多次折射，最后可进入临界角内由各 个表面透射出来，从而使得发光二极管2发出更多的光，因此也就提 高了发光效率。

为了解决现有技术中发光二极管发光均匀性不足的问题，本发明 提出的制造方法还进一步制得了反射层。参见图2，在p型GaN层206 中设有四方环状结构的反射层231，该四方环状结构的反射层231可 以是Al/Ag合金金属反射层，也可以是AlAs/Al_xGa_1-xAs或 AlInP/(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP分布布拉格反射层（DBR）。该四方环状结构的 反射层231可以设置在p型GaN层206的上表面（如图2所示），也 可以设置在p型AlGaN层205的上表面（图2中未示出），或者设置 在p型GaN层206或p型AlGaN层205的下表面亦可。

参见图2，通过设置四方环状结构的反射层231，由多量子阱发 光层204发出的光的一部分直接由发光二极管2的正面透出，而另一 部分则经过四方环状结构的反射层231的反射后由发光二极管2的侧 面透出。由于有四方环状结构的反射层231的存在，那么能够到达发 光二极管2正面的光就被限制为图2中四方环状结构的反射层231的 环内部分，而由四方环状结构的反射层231反射的光将只能从发光二 极管2的侧面透出，因此，这种设计就能提高发光二极管正面和侧面 的发光均匀性。

图3为图2的平面示意图，即由图2的上方俯视而得的示意图。 参见图3，反射层231为四方环状结构，发光二极管2的多量子阱发 光层204发出的光的一部分由图3中的区域300透出，而另一部分光 由于反射层231的反射而从发光二极管的侧面透出。

再次参见图2，并结合图3，本发明设计的四方环状结构反射层 的外环与发光二极管的侧边完全重合，通过这样的设计，由发光二极 管内部发出的一部分光经由四方环状结构的反射层反射后，可以均匀 的由发光二极管的四个侧面透出，而其余没有经过四方环状结构反射 层反射的光则经由区域300直接透出，通过调整四方环状结构反射层 的内环和外环之间的距离，从而也就能够调整该四方环状结构反射层 的反射面积，在p型GaN层表面积固定的情况下，也就能够调整反射 层面积和区域300面积的比例，从而也就能够调整从区域300透射的 光与从发光二极管侧面透射光的比例。因此，通过设置不同面积的四 方环状反射层，就可以根据具体需要来调整发光二极管的出光均匀性。

至此，上述描述已经详细的说明了本发明的发光二极管结构，现 对于现有的发光二极管，本发明提出的结构能够大幅度提高发光效率 的同时，还能够进一步提高发光二极管的发光均匀性。前文的描述的 实施例仅仅只是本发明的优选实施例，其并非用于限定本发明。本领 域技术人员在不脱离本发明精神的前提下，可对本发明做任何的修改， 而本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。