CN102185053A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：衬底；依次位于衬底上的n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及电流扩散层；其中，插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量，由于超晶格结构对于载流子迁移存在一定的缓冲作用，同时载流子又可以有效的隧穿，因此会导致电流在电流扩散层与插入层的接触面和插入层内部重新分布，防止电流拥堵；而且，由于插入层本身存在一定的遂穿效应，因此不会导致正向电压的明显升高；同时，由于插入层在P型半导体层和电流扩散层之间对电流起到缓冲的效果，而增加了器件的ESD性能。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发光领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED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，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等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。目前，一般的LED结构采用了在p型半导体层(通常是p型氮化物如p型氮化镓)之后直接生长电流扩散层(Spreading layer)，例如铟氮化镓层(InGaN layer)或者铟锡氧化物层(ITO layer)，传统的氮化镓基LED会由于在p型半导体层中的低电流分布而遭遇不均匀光辐射。一般的，这个缺点能够通过半透明接触层或者器件横向电流的交叉电极阵列而得到克服。

然而，在传统的LED结构设计中，由于p型氮化物本身相对高的电阻导致了其电流的分散存在拥堵现象，电流主要集中在不能有效发光的p型电极之下，从而导致了发光的不均匀和发光效率的下降。为此当前主要提出的解决办法是在p型氮化物之上沉积透明的电流扩散层(如ITO或者Ni/Au)，以使电流尽可能的扩散到电极之外的发光区域；或者，直接在p型材料之上生长n型的氮化镓，以利用n型的高电导率形成隧道结的结构，不过这并没有取得理想的效果。

CN101694858A专利提出了一种LED外延结构及其制造方法，该结构在发光层和p型氮化物层中间插入由不掺杂的Al_xIn_yGa_1-x-yn层和p型Al_xIn_yGa_1-x-yn层交替构成的插入层，对于材料的ESD防护性能起到了保护作用，而且并未降低材料的其他性能，但是其对于电流的均匀扩散并未起到明显的效果。

CN101183642A专利提出了一种p-GaN低阻欧姆接触的制备方法，该方法使用p-InGaN/p-AlGaN超晶格层作为p-GaN的顶层，以降低接触电阻，但是该方法对于电流的均匀扩散也并未起到理想的效果。

发明内容

本发明提供一种发光二极管及其制造方法，以实现电流的有效分散，提高发光效率的同时却不降低材料的其它性能，并可增加器件的ESD防护性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，包括：衬底；依次位于衬底上的n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及电流扩散层；所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量。

可选的，在所述发光二极管中，0.01＜x1＜0.3，0≤y1＜0.2，0≤x2＜0.1，0≤y2＜0.2；所述插入层包括2～40层超晶格结构。

可选的，在所述的发光二极管中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述p型半导体层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述电流扩散层。

可选的，在所述的发光二极管中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述电流扩散层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述p型半导体层。

可选的，在所述的发光二极管中，所述插入层的厚度在5nm至200nm之间。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括依次形成于所述衬底和n型半导体层之间的缓冲层和非掺杂氮化物层。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括：深度延伸至所述n型半导体层的开口；形成于所述开口内的n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；形成于所述电流扩散层上的p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

可选的，在所述的发光二极管中，还包括：形成于所述衬底远离所述n型半导体层表面上的n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；形成于所述电流扩散层上的p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

相应的，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及电流扩散层，其中，所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，0.01＜x1＜0.3，0≤y1＜0.2，0≤x2＜0.1，0≤y2＜0.2，所述插入层包括2～40层超晶格结构。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述p型半导体层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述电流扩散层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述电流扩散层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述p型半导体层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，所述插入层的厚度在5nm至200nm之间。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，还包括在所述衬底和n型半导体层之间依次形成缓冲层和非掺杂氮化物层。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，还包括：形成深度延伸至所述n型半导体层的开口；在所述开口内形成n型电极，所述n型半导体层通过n型电极与一电源负极电连接；在所述电流扩散层上形成p型电极，所述p型半导体层通过p型电极与一电源正极电连接。

可选的，在所述的发光二极管制造方法中，还包括：在所述衬底远离所述n型半导体层的表面上形成n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；在所述电流扩散层上形成p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

与现有技术相比，本发明在p型半导体层和电流扩散层之间设置了插入层，所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量，因此所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的能带宽度要大于In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的能带宽度，所述超晶格结构对于载流子迁移存在一定的缓冲作用，同时载流子又可以有效的隧穿，因此会导致电流在电流扩散层与插入层的接触面和插入层内部重新分布，防止电流拥堵；而且，由于插入层本身存在一定的遂穿效应，因此不会导致正向电压的明显升高；同时，由于插入层在P型半导体层和电流扩散层之间对电流起到缓冲的效果，而增加了器件的ESD性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的发光二极管的结构示意图；

图2为图1所示的发光二极管的插入层的示意图；

图3为本发明一实施例的发光二极管制造方法的流程示意图；

图4A～4B为本发明一实施例的发光二极管制造方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图；

图5为本发明另一实施例的发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的发光二极管及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明一实施例的发光二极管的结构示意图。在此以氮化镓基的蓝光二极管为例，所述发光二极管包括：衬底100；依次位于所述衬底100上的n型半导体层120、有源层130、p型半导体层140、插入层150以及电流扩散层160。

如图2所示，所述插入层150包括至少一层超晶格结构151，所述超晶格结构151由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b组成，其中，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a的In含量，因此In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b的能带宽度要大于In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a的能带宽度。经本申请发明人多次实验证明，所述超晶格结构对于载流子迁移存在一定的缓冲作用，同时载流子又可以有效的隧穿，因此会导致电流在电流扩散层160与插入层150的接触面和插入层150内部重新分布，防止电流拥堵；而且，由于插入层150本身存在一定的遂穿效应，因此不会导致正向电压的明显升高；同时，由于插入层150在p型半导体层140和电流扩散层160之间对电流起到缓冲的效果，而增加了器件的ESD性能。

其中，0.01＜x1＜0.3，0≤y1＜0.2，0≤x2＜0.1，0≤y2＜0.2。在本实施例中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a优选为In_0.1Al_0.025Ga_0.875N(即x1＝0.1，y1＝0.025)，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b优选为Al_0.025Ga_0.975N(即x2＝0，y2＝0.025)，上述材料比较容易利用现有的机台加工制作，可降低生产成本和工艺难度。

其中，所述插入层150可包括2～40层超晶格结构151。如图2所示，在本实施例中，所述超晶格结构151的数量为5层，该设置可取得较为理想的效果，同时也可避免层数过多而增加生产成本。

在本实施例中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a靠近p型半导体层140，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b靠近电流扩散层160。当然，在本发明的另一个具体实施例中，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层151a也可以靠近所述电流扩散层160，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层151b靠近p型半导体层140，同样可实现本发明的目的。

优选的，所述插入层150的厚度在5nm至200nm之间，即，多个超晶格结构151的总厚度在5nm至200nm之间，将插入层150设置为上述厚度，在确保不会由于插入层太薄而不能有效改善电流扩散效果的同时，又可确保电子注入时不会受影响。需要强调的是，在本发明的其他具体实施例中，所述插入层150的层数和厚度也可略作调整。

进一步的，所述发光二极管还包括依次形成于衬底100和n型半导体层120之间的缓冲层111和非掺杂氮化物层112。所述缓冲层111和非掺杂氮化物层112有利于解决衬底100与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力的问题，减小形成于衬底上的其它膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率。

在本实施例中，所述发光二极管为水平结构的发光二极管，如图1所示，所述发光二极管还包括：深度延伸至n型半导体层120的开口、形成于开口内的n型电极170、以及形成于电流扩散层160上的p型电极180。其中，所述开口贯穿电流扩散层160、插入层150、p型半导体层140、有源层130以及部分n型半导体层120，所述n型半导体层120通过n型电极170与电源负极电连接，所述p型半导体层140通过p型电极180与电源正极电连接。

在本发明的另一实施例中，所述发光二极管为垂直结构的发光二极管，如图5所示，所述发光二极管还包括：形成于所述衬底200远离所述n型半导体层220表面上的n型电极270、以及形成于所述电流扩散层260上方的p型电极280。其中，插入层250位于p型半导体层240与电流扩散层260之间。所述n型半导体层220通过n型电极270与电源负极电连接；所述p型半导体层240通过p型电极280与电源正极电连接。所述发光二极管用于发光时，将p型电极280连接至电源正极、n型电极270连接至电源负极，发光二极管管芯中的有源层230在电流作用下发光。

相应的，本发明实施例还提供了一种发光二极管制造方法，参考图3，并结合图4A至图4B以及图1，该发光二极管制造方法包括如下步骤：

S300，提供一衬底；

如图4A所示，提供衬底100，由于本实施例提供的发光二极管为水平结构(也称为L形结构)，因此，所述衬底100可以是不导电的蓝宝石衬底，当然，其也可以是氮化镓衬底或碳化硅衬底或者硅衬底。

继续参考图4A，在形成n型半导体层120之前，还可以在所述衬底100上依次形成缓冲层111和非掺杂氮化物层112，所述缓冲层111例如是低温生长的氮化镓，所述非掺杂氮化物层112例如是非掺杂的氮化镓材料。

S310，在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及p型半导体层，其中，所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量。

具体如图4B所示，在非掺杂氮化物层112上依次形成n型半导体层120、有源层130、p型半导体层140、插入层150以及电流扩散层160。具体的说，可利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺形成n型半导体层120、有源层130、p型半导体层140、插入层150以及电流扩散层160。较佳的，可在同一腔室内完成上述工艺，只需更换不同的程序(通入不同的气体、控制气体流量)，即可实现上述目的，并可提高产能。本领域技术人员可根据金属有机化合物化学气相沉积机台的实际情况，相应的调整反应气体以及各项工艺参数，在此不再赘述，但是本领域技术人员应是知晓的。

在本发明的一个具体实施例中，在形成所述电流扩散层160之后，利用光刻和刻蚀的方法，形成深度延伸至n型半导体层120的开口；接着，在开口内形成n型电极170，所述n型半导体层120通过n型电极170与电源负极电连接；并在电流扩散层160上形成p型电极180，所述p型半导体层140通过p型电极180与电源正极电连接，最终，即可形成图1所示的水平结构的发光二极管。

在本发明的另一个具体实施例中，如图5所示，在形成电流扩散层260之后，可在所述衬底200远离n型半导体层220的表面上形成n型电极270，并在所述电流扩散层260上方形成p型电极280。其中，所述n型半导体层220通过n型电极270与电源负极电连接，p型半导体层240通过p型电极280与电源正极电连接，最终，即可形成垂直结构的发光二极管。

需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施例，对本发明进行修改、替换和变形。

Claims (18)

1.一种发光二极管，包括：

衬底；

依次位于所述衬底上的n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及电流扩散层；

其中，所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，0.01＜x1＜0.3，0≤y1＜0.2，0≤x2＜0.1，0≤y2＜0.2。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述插入层包括2～40层超晶格结构。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述p型半导体层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述电流扩散层。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述电流扩散层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述p型半导体层。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述插入层的厚度在5nm至200nm之间。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括依次形成于所述衬底和n型半导体层之间的缓冲层和非掺杂氮化物层。

8.如权利要求1至7中任一项所述的发光二极管，其特征在于，还包括：

深度延伸至所述n型半导体层的开口；

形成于所述开口内的n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；

形成于所述电流扩散层上的p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

9.如权利要求1至7中任一项所述的发光二极管，其特征在于，还包括：

形成于所述衬底远离所述n型半导体层表面上的n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；

形成于所述电流扩散层上的p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

10.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次形成n型半导体层、有源层、p型半导体层、插入层以及电流扩散层，其中，所述插入层包括至少一层超晶格结构，所述超晶格结构由In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层和In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层组成，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层的In含量小于所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层的In含量。

11.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，0.01＜x1＜0.3，0≤y1＜0.2，0≤x2＜0.1，0≤y2＜0.2。

12.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述插入层包括2～40层超晶格结构。

13.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述p型半导体层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述电流扩散层。

14.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述In_x1Al_y1Ga_1-x1-y1N层靠近所述电流扩散层，所述In_x2Al_y2Ga_1-x2-y2N层靠近所述p型半导体层。

15.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述插入层的厚度在5nm至200nm之间。

16.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，还包括在所述衬底和n型半导体层之间依次形成缓冲层和非掺杂氮化物层。

17.如权利要求10至16中任一项所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，还包括：

形成深度延伸至所述n型半导体层的开口；

在所述开口内形成n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；

在所述电流扩散层上形成p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

18.如权利要求10至16中任一项所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底远离所述n型半导体层的表面上形成n型电极，所述n型半导体层通过所述n型电极与一电源负极电连接；

在所述电流扩散层上形成p型电极，所述p型半导体层通过所述p型电极与一电源正极电连接。

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