一种发光二极管及其制造方法

摘要

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管包括衬底、以及依次层叠在衬底上的第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ‑Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层，绝缘钝化层上设有延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至金属层的第二凹槽，第一电极设置在绝缘钝化层上并通过第一凹槽延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层，第二电极设置在绝缘钝化层上并通过第二凹槽延伸至金属层。本发明通过Ⅱ‑Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，进而提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。

权利要求

1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层，所述绝缘钝化层上设有延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至所述金属层的第二凹槽，第一电极设置在所述绝缘钝化层上并通过所述第一凹槽延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层，第二电极设置在所述绝缘钝化层上并通过所述第二凹槽延伸至所述金属层；所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素为O、S、Se、Te中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，所述Ⅰ族元素用于替代所述Ⅱ族 元素形成空穴，所述Ⅴ族元素用于替代所述Ⅵ族元素形成空穴。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅰ族元素为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，所述Ⅴ族元素为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属层为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述绝缘钝化层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镓中的任一种。

7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层交替层叠，N为正整数。

8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：在衬底上依次形成第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层，所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层；

在所述绝缘钝化层上开设延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至所述金属层的第二凹槽；

在所述绝缘钝化层上设置通过所述第一凹槽延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一电极，以及通过所述第二凹槽延伸至所述金属层的第二电极。

说明书

一种发光二极管及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

[0002] 作为新一代环保型固态光源，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度快、易于调制和集成等优点，在信息显示、图像处理、照明等领域得到广泛应用。Ⅲ族氮化物基LED的发光波长涵盖了整个可见光波段，已成为人们关注的焦点。

[0003] LED包括衬底、以及依次层叠在衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置透明导电层上。在第二电极和第一电极通电的情况下，n型Ⅲ族氮化物半导体层中的电子、p型Ⅲ族氮化物半导体层中的空穴注入有源层复合发光。

[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

[0005] 随着LED制造技术的成熟，LED向高亮度、大功率、低损耗的方向发展，要求LED在大的注入电流下保持较高的效率，但LED中空穴的浓度和迁移率均远小于电子，电子和空穴的注入效率不平衡，有源层中没有足够的空穴与电子复合，大量电子溢出有源层，形成无效的电流注入，造成LED的外量子效率在大的电流注入下随着注入电流的增加而衰减。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术外量子效率衰减的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管及其制造方法。所述技术方案如下：

[0007] 一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层，所述绝缘钝化层上设有延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至所述金属层的第二凹槽，第一电极设置在所述绝缘钝化层上并通过所述第一凹槽延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层，第二电极设置在所述绝缘钝化层上并通过所述第二凹槽延伸至所述金属层。

[0008] 可选地，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素为O、S、Se、Te中的一种或多种。

[0009] 可选地，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，所述Ⅰ族元素用于替代所述Ⅱ组元素形成空穴，所述Ⅴ族元素用于替代所述Ⅵ族元素形成空穴。

[0010] 优选地，所述Ⅰ族元素为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，所述Ⅴ族元素为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。

[0011] 可选地，所述金属层为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种。

[0012] 可选地，所述绝缘钝化层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镓中的任一种。

[0013] 可选地，所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。

[0014] 可选地，所述有源层包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层交替层叠，N为正整数。

[0015] 可选地，所述衬底为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。

[0016] 另一方面，本发明实施例提供了一种上述发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：

[0017] 在衬底上依次形成第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层；

[0018] 在所述绝缘钝化层上开设延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至所述金属层的第二凹槽；

[0019] 在所述绝缘钝化层上设置通过所述第一凹槽延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一电极，以及通过所述第二凹槽延伸至所述金属层的第二电极。

[0020] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0021] 通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，进而提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且电极侧设有金属层，可以将光线反射到衬底发出，由于衬底的折射率处于GaN材料和空气之间，因此将会有更多光线的出射角小于全反射临界角，进而提高LED的光提取效率，同时也可以避免电极对光线的吸收，进一步有效提高LED的光提取效率。另外，光线从衬底发出，可以将电极直接焊接在散热基板上，有源层发光产生的热量迅速通过电极传递到散热基板，大幅降低了结温，提高了器件的效率和使用寿命。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管的结构示意图；

[0024] 图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的制造方法的流程图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0026] 实施例一

[0027] 本发明实施例提供了一种发光二极管，适用于显示屏、背光源、白光照明等，参见图1，该发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的第一Ⅲ族氮化物半导体层2、有源层3、第二Ⅲ族氮化物半导体层4、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层5、金属层6、绝缘钝化层7，绝缘钝化层7上设有延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层2的第一凹槽11、以及延伸至金属层6的第二凹槽12，第一电极8设置在绝缘钝化层7上并通过第一凹槽11延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层2，第二电极9设置在绝缘钝化层7上并通过第二凹槽12延伸至金属层6。

[0028] 在本实施例中，第一Ⅲ族氮化物半导体层2用于向有源层3注入电子，第二Ⅲ族氮化物半导体层4用于向有源层3注入空穴，金属层6用于将有源层3发出的光向衬底1方向反射。第一电极8和第二电极9焊接在散热基板上。

[0029] 具体地，第一电极8与第一Ⅲ族氮化物半导体层2电连接，第二电极9与金属层6电连接。

[0030] 可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中的Ⅱ族元素可以为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中的Ⅵ族元素可以为O、S、Se、Te中的一种或多种。

[0031] 可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中掺杂的p型掺杂剂可以为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，Ⅰ族元素用于替代Ⅱ组元素形成空穴，Ⅴ族元素用于替代Ⅵ族元素形成空穴。

[0032] 可选地，Ⅰ族元素可以为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，Ⅴ族元素可以为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。

[0033] 可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底，如蓝宝石衬底为透明的，不会对有源层发出的光线进行吸收，而且蓝宝石衬底的折射率(1.75)小于GaN材料的折射率(2.5)，有利于更多光线的出射角小于全反射临界角，从而有效提高LED的光提取效率。

[0034] 可选地，第一Ⅲ族氮化物半导体层2可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。

[0035] 可选地，有源层3可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。

[0036] 可选地，第二Ⅲ族氮化物半导体层4可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。

[0037] 可选地，金属层6可以为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种，具有高反射率，有利于将有源层发出的光线反射到衬底射出。

[0038] 可选地，绝缘钝化层7可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镓中的任一种。

[0039] 可选地，第一电极8的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极9的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。

[0040] 本发明实施例通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，进而提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且电极侧设有金属层，可以将光线反射到衬底发出，由于衬底的折射率处于GaN材料和空气之间，因此将会有更多光线的出射角小于全反射临界角，进而提高LED的光提取效率，同时也可以避免电极对光线的吸收，进一步有效提高LED的光提取效率。另外，光线从衬底发出，可以将电极直接焊接在散热基板上，有源层发光产生的热量迅速通过电极传递到散热基板，大幅降低了结温，提高了器件的效率和使用寿命。

[0041] 实施例二

[0042] 本发明实施例提供了一种发光二极管的制造方法，适用于制造实施例一提供的发光二极管，参见图2，该制造方法包括：

[0043] 步骤201：在衬底上依次形成第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层、金属层、绝缘钝化层。

[0044] 在本实施例中，第一Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入电子，第二Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入空穴，金属层用于将有源层发出的光向衬底方向反射。

[0045] 可选地，衬底可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底，如蓝宝石衬底为透明的，不会对有源层发出的光线进行吸收，而且蓝宝石衬底的折射率(1.75)小于GaN材料的折射率(2.5)，有利于更多光线的出射角小于全反射临界角，从而有效提高LED的光提取效率。

[0046] 可选地，第一Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。

[0047] 可选地，有源层可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。

[0048] 可选地，第二Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。

[0049] 可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素可以为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素可以为O、S、Se、Te中的一种或多种。

[0050] 可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂可以为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，Ⅰ族元素用于替代Ⅱ组元素形成空穴，Ⅴ族元素用于替代Ⅵ族元素形成空穴。

[0051] 可选地，Ⅰ族元素可以为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，Ⅴ族元素可以为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。

[0052] 可选地，金属层可以为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种，具有高反射率，有利于将有源层发出的光线反射到衬底射出。

[0053] 可选地，绝缘钝化层可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镓中的任一种。

[0054] 具体地，该步骤201可以包括：

[0055] 采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)技术在衬底上依次生长第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层；

[0056] 采用电子溅射技术在Ⅱ-Ⅵ族半导体层上形成金属层；

[0057] 在金属层上沉积绝缘钝化层。

[0058] 步骤202：在绝缘钝化层上开设延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至金属层的第二凹槽。

[0059] 具体地，该步骤202可以包括：

[0060] 采用光刻技术和等离子体刻蚀技术在绝缘钝化层上开设延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一凹槽、以及延伸至金属层的第二凹槽。

[0061] 步骤203：在绝缘钝化层上设置通过第一凹槽延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一电极，以及通过第二凹槽延伸至金属层的第二电极。

[0062] 具体地，第一电极与第一Ⅲ族氮化物半导体层电连接，第二电极与金属层电连接。

[0063] 可选地，第一电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。

[0064] 具体地，该步骤203可以包括：

[0065] 采用溅射技术在绝缘钝化层上设置通过第一凹槽延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的第一电极，以及通过第二凹槽延伸至金属层的第二电极。

[0066] 在本实施例中，在执行步骤201-步骤203之后，将第一电极和第二电极焊接在散热基板上。

[0067] 本发明实施例通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，进而提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且电极侧设有金属层，可以将光线反射到衬底发出，由于衬底的折射率处于GaN材料和空气之间，因此将会有更多光线的出射角小于全反射临界角，进而提高LED的光提取效率，同时也可以避免电极对光线的吸收，进一步有效提高LED的光提取效率。另外，光线从衬底发出，可以将电极直接焊接在散热基板上，有源层发光产生的热量迅速通过电极传递到散热基板，大幅降低了结温，提高了器件的效率和使用寿命。

[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。