金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制造方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┝艘环N金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，包括外延片襯底和制備在外延片襯底上的多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)由下至上依次為緩沖層、第一型半導(dǎo)體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導(dǎo)體層和透明電流擴(kuò)展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極制備在透明電流擴(kuò)展層之上，且第一型金屬電極和透明電流擴(kuò)展層與第二型半導(dǎo)體層之間由絕緣層隔開。本申請還提供了相應(yīng)的發(fā)光二極管制作方法。本發(fā)明能夠明顯改善發(fā)光二極管芯片在制造過程中有源區(qū)面積大幅減小的情況，可以有效的提高發(fā)光二極管的光功率。
【專利說明】 金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，本發(fā)明涉及一種具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes, LEDs)由于具有電光轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得基于LED的半導(dǎo)體照明被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型固體冷光源和最具發(fā)展前景的高新【技術(shù)領(lǐng)域】之一。
[0003]半導(dǎo)體照明廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是要提高其電光轉(zhuǎn)換效率。其中，提高氮化物L(fēng)ED芯片的內(nèi)量子效率和出光效率是提高LED的整體電光轉(zhuǎn)換效率的有效途徑之一。LED芯片的內(nèi)量子效率主要取決于外延材料的質(zhì)量和外延結(jié)構(gòu)，而出光效率主要與芯片結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，需要從材料、外延結(jié)構(gòu)、芯片表面、側(cè)面以及背面形態(tài)等方面去提高LED芯片的內(nèi)量子效率與出光效率。
[0004]對于在藍(lán)寶石襯底上外延生長的水平結(jié)構(gòu)功率型發(fā)光二極管芯片，其p-n電極位于同一側(cè)，由于電流的流動(dòng)會遵守最短路線的路徑，因此在大電流操作條件下容易導(dǎo)致電流堵塞。進(jìn)一步會形成熱積效應(yīng)，降低功率型發(fā)光二極管芯片的內(nèi)量子效率，導(dǎo)致有源區(qū)發(fā)光不均勻。因此需要對功率型發(fā)光二極管芯片的電極圖形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使注入電流在發(fā)光二極管芯片有源區(qū)均勻分布，避免電流堵塞現(xiàn)象。
[0005]在水平結(jié)構(gòu)功率型發(fā)光二極管芯片制造過程中，第一型歐姆接觸電極的形成需要通過微加工工藝對發(fā)光二極管外延層進(jìn)行刻蝕，暴露出第一型摻雜的GaN層。
[0006]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的GaN基功率型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，圖1中下方的是GaN基功率型發(fā)光二極管表面的俯視圖，上方的是GaN基功率型發(fā)光二極管沿A-A面的剖面示意圖，該GaN基功率型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)由下至上依次為外延層襯底100、低溫緩沖層101、第一型半導(dǎo)體層102、多量子阱活性層103、電子阻擋層104、第二型半導(dǎo)體層105、透明電流擴(kuò)展層106。
[0007]第二型歐姆接觸電極制作在透明電流擴(kuò)展層106之上，具體地，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)在電流阻擋層107之上制作透明電流擴(kuò)展層106，然后再在透明電流擴(kuò)展層106上制作第二型金屬導(dǎo)線108，從而形成第二型歐姆接觸電極。而對于第一型歐姆接觸電極，在其制作過程中，則需要通過微加工工藝對發(fā)光二極管外延層進(jìn)行刻蝕，暴露出第一型半導(dǎo)體層102的部分區(qū)域，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)在第一型半導(dǎo)體層102暴露出的區(qū)域制作第一型金屬導(dǎo)線109，從而形成第一型歐姆接觸電極。
[0008]容易看出，現(xiàn)有技術(shù)中在制作第一型歐姆接觸電極時(shí)，由于需要通過微加工工藝刻蝕來暴露出第一型半導(dǎo)體層102的部分區(qū)域，因此不可避免地會造成發(fā)光二極管芯片有源區(qū)面積的大幅減小，導(dǎo)致發(fā)光二極管芯片有源區(qū)面積的利用率下降，進(jìn)而致使功率型發(fā)光二極管芯片的光功率的下降。
[0009]綜上所述，當(dāng)前迫切需要一種能夠避免發(fā)光二極管芯片有源區(qū)面積大幅減小且能夠提高光功率的發(fā)光二極管及其制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為克服現(xiàn)有的缺陷，本發(fā)明提出一種能夠避免發(fā)光二極管芯片有源區(qū)面積大幅減小且能夠提高光功率的發(fā)光二極管及其制造方法。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，包括外延片襯底和制備在外延片襯底上的多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)由下至上依次為緩沖層、第一型半導(dǎo)體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導(dǎo)體層和透明電流擴(kuò)展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極制備在透明電流擴(kuò)展層之上，且第一型金屬電極和透明電流擴(kuò)展層與第二型半導(dǎo)體層之間由絕緣層隔開，第二型金屬電極的焊盤正下方和透明電流擴(kuò)展層之間由電流阻擋層隔開，所述第一型金屬電極通過多個(gè)填充金屬的微孔與所述第一型半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)電連接，所述微孔中的金屬與微孔所穿過的發(fā)光二極管各層之間具有側(cè)壁絕緣層，所述發(fā)光二極管的最上層沉積有鈍化保護(hù)層。 [0012]其中，所述微孔具有一定的坡度，形成倒梯形結(jié)構(gòu)。
[0013]其中，所述微孔的坡度的傾斜角為30°~70°。
[0014]其中，所述微孔處具有電性連接微結(jié)構(gòu)，電性連接微結(jié)構(gòu)的整體尺寸在20unT50um之間。
[0015]其中，所述電性連接微結(jié)構(gòu)以一定間距分布在所述第一型電極的導(dǎo)線上。
[0016]其中，所述電性連接微結(jié)構(gòu)的間距與所述電性連接微結(jié)構(gòu)的整體尺寸的比值在1~4之間。
[0017]其中，所述微孔中的側(cè)壁絕緣層的內(nèi)孔尺寸至少小于所述微孔尺寸5um。
[0018]其中，所述微孔是圓形或者正多邊形，或者帶有波浪的圓形或正多邊形，或者帶有鋸齒的圓形或正多邊形。
[0019]其中，所述透明電流擴(kuò)展層可以采用氧化銦錫(Indium Tin Oxides簡寫ITO)、RuOx, IrOx, Ga/Al等第三主族元素?fù)诫s的ZnO等材料制作。
[0020]其中，所述透明電流擴(kuò)展層的厚度為i = 其中λ為入射光波長，η為所述透明


In
電流擴(kuò)展層材料的折射率，m為整數(shù)。
[0021]其中，所述電流阻擋層材料是Si02、SiNx薄膜，或者是A2O3薄膜。
[0022]其中，所述鈍化保護(hù)層材料是SiO2、SiNx薄膜,或者是A2O3薄膜。
[0023]其中，所述側(cè)壁絕緣層的介質(zhì)材料是Si02、Si3N4, TiO2, Al2O3、旋涂玻璃、聚酰亞胺或者苯環(huán)丁烯。
[0024]其中，所述發(fā)光二極管發(fā)光層表面粗化。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制備方法，包括下列步驟:
[0026]I)在外延片襯底上依次制備緩沖層、第一型半導(dǎo)體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導(dǎo)體層；
[0027]2)在外延片表面刻蝕出多個(gè)微孔以暴露出第一型半導(dǎo)體層；
[0028]3)在外延片表面沉積絕緣材料，使所述多個(gè)微孔內(nèi)附著絕緣材料形成側(cè)壁絕緣層；并在第二型導(dǎo)線正下方位置制備電流阻擋層；
[0029]4)制備透明電流擴(kuò)展層；
[0030]5)制作第一型金屬電極和第二型金屬電極，并在所述多個(gè)微孔中充滿金屬，使所述第一型金屬電極通過所述多個(gè)微孔中的金屬與所述第一型半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)電連接；
[0031 ] 6 )制作鈍化保護(hù)層，并使金屬焊盤裸露在外以備電性連接。其中，所述步驟2 )中，采用30°?70°的傾斜角刻蝕出微孔，使微孔呈倒梯形結(jié)構(gòu)。
[0032]其中，所述步驟3)中，可以采用lift-off或濕法腐蝕工藝制備所述側(cè)壁絕緣層。
[0033]其中，所述步驟6)中，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、濺射法(sputter )、原子層沉積法(ALD )沉積絕緣材料。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0035]1、本發(fā)明能夠有效的改善發(fā)光二極管芯片有源區(qū)面積大幅減小的問題。
[0036]2、本發(fā)明能夠提高發(fā)光二極管的光功率。
[0037]3、本發(fā)明工藝條件簡單、制作成本低、制程容易控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的GaN基功率型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其中下方的是GaN基功率型發(fā)光二極管表面的俯視圖，上方的是GaN基功率型發(fā)光二極管沿A-A面的剖面示意圖；
[0039]圖2 (a)示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的GaN基功率型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，其中下方的是發(fā)光二極管表面的俯視圖；上方的是該發(fā)光二極管沿A-A面的剖面示意圖；其第一導(dǎo)線為非連續(xù)性電性連接，其微結(jié)構(gòu)是圓形；
[0040]圖2 (b)是圖2 (a)所示的GaN基功率型發(fā)光二極管的第一型電極導(dǎo)線的微結(jié)構(gòu)局部放大圖；
[0041]圖3 Ca)是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中的GaN基功率型發(fā)光二極管的表面的俯視圖；
[0042]圖3 (b)是圖3 (a)所示的GaN基功率型發(fā)光二極管的第一型導(dǎo)線的微結(jié)構(gòu)局部放大圖；
[0043]圖4 Ca)是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例中的GaN基功率型發(fā)光二極管的表面的俯視圖；
[0044]圖4 (b)是圖4 (a)所示的GaN基功率型發(fā)光二極管的第一型導(dǎo)線的微結(jié)構(gòu)局部放大圖；
[0045]圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的電性連接微結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖中A表示第二型金屬節(jié)點(diǎn)，B代表側(cè)壁絕緣層；C代表透明電流擴(kuò)展層；D是微孔所穿過的外延片各層；
[0046]圖6 (a)是本發(fā)明可采用的另一種電極圖案的示意圖(圖中未示出電性連接微結(jié)構(gòu));
[0047]圖6 (b)是本發(fā)明可采用的又一種電極圖案的示意圖(圖中未示出電性連接微結(jié)構(gòu))。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0049]實(shí)施例一[0050]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，該方法包括下列步驟:
[0051](I)首先采用金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法在藍(lán)寶石襯底上依次沉積緩沖層、第一型半導(dǎo)體層n-GaN、量子阱、InGaN電子阻擋層、第二型半導(dǎo)體層p_GaN外延層，形成完整的發(fā)光二極管PN結(jié)結(jié)構(gòu)；
[0052](2)采用合金爐對生長完畢的外延片進(jìn)行退火處理，激發(fā)P-GaN的Mg摻雜受主；
[0053](3)采用化學(xué)試劑清洗的方法處理外延片表面后進(jìn)行臺階刻蝕，暴露出第一型半導(dǎo)體層n-GaN，此工序即為MESA刻蝕工藝；不同于現(xiàn)有技術(shù)，本步驟并非對外延片表面的整片區(qū)域進(jìn)行刻蝕，而是在外延片表面刻蝕出一系列的微孔，從所刻蝕的微孔中暴露出第一型半導(dǎo)體層n-GaN，這些微孔組成微孔陣列，用于在第一型半導(dǎo)體層n_GaN與第一型金屬導(dǎo)線之間形成非連續(xù)性電性連接；在MESA刻蝕時(shí)，所刻蝕出的微孔具有一定的坡度，形成倒梯形結(jié)構(gòu)，其傾斜角30° -70°，這樣利于絕緣層附著以及增加側(cè)壁出光面積，從而在微孔內(nèi)形成側(cè)壁絕緣層；
[0054](4)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法在晶圓表面沉積一層SiO2,通過光刻版的設(shè)計(jì)，使得此絕緣層一部分作為第二型金屬導(dǎo)線與第二型半導(dǎo)體層之間的電流阻擋層(絕緣層)，另一部分形成微孔中的側(cè)壁絕緣層，用于將微孔中的第一型金屬導(dǎo)線與微孔所穿過的外延片各層隔開；
[0055](5)使用薄膜蒸發(fā)設(shè)備在外延片表面蒸鍍一層ITO透明導(dǎo)電薄膜，其厚度根據(jù)入射光波長和ITO折射率而變化，可通過如下公式確定:
【權(quán)利要求】
1.一種金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，包括外延片襯底和制備在外延片襯底上的多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)由下至上依次為緩沖層、第一型半導(dǎo)體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導(dǎo)體層和透明電流擴(kuò)展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極制備在透明電流擴(kuò)展層之上，金屬電極保護(hù)焊盤和導(dǎo)線兩部分，且兩部分自然連接，第一型金屬電極和透明電流擴(kuò)展層與第二型半導(dǎo)體層之間由絕緣層隔開，第二型金屬電極的焊盤和透明電流擴(kuò)展層之間由電流阻擋層隔開，所述第一型金屬電極通過多個(gè)填充金屬的微孔與所述第一型半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)電連接，所述微孔中的金屬與微孔所穿過的發(fā)光二極管各層之間具有側(cè)壁絕緣層，所述發(fā)光二極管的最上層沉積有鈍化保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述微孔具有坡度，形成倒梯形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述微孔的坡度的傾斜角為30。~70° 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一型金屬電極在所述微孔處具有電性連接微結(jié)構(gòu)，電性連接微結(jié)構(gòu)的整體尺寸在20unT50um之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述電性連接微結(jié)構(gòu)以一定間距分布在所述第一型金屬電極的導(dǎo)線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述電性連接微結(jié)構(gòu)的間距與所述電性連接微結(jié)構(gòu)的整體尺寸的比值在I~4之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述微孔中的側(cè)壁絕緣層的內(nèi)孔尺寸至少小于所述微孔尺寸5um。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述微孔是圓形或者正多邊形，或者帶有波浪的圓形或正多邊形，或者帶有鋸齒的圓形或正多邊形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述透明電流擴(kuò)展層采用ITO、RuOx, IrOx或者第三主族元素?fù)诫s的ZnO制作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述透明電流擴(kuò)展層的厚度為t =mλ/2n，其中λ為入射光波長，η為所述透明電流擴(kuò)展層材料的折射率，m為整
數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述電流阻擋層材料是SiO2薄膜、SiNx薄膜或者Al2O3介質(zhì)膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述鈍化保護(hù)層的介質(zhì)材料是SiO2、Si3N4或者Al2O3。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述側(cè)壁絕緣層的介質(zhì)材料是Si02、Si3N4, TiO2, Al2O3、旋涂玻璃、聚酰亞胺或者苯環(huán)丁烯。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管發(fā)光層表面粗化。
15.一種金屬電極具有陣列型微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制備方法，包括下列步驟: I)在外延片襯底上依次制備緩沖層、第一型半導(dǎo)體層、多量子阱活性層、電子阻擋層和第二型半導(dǎo)體層；.2)在外延片表面刻蝕出多個(gè)微孔以暴露出第一型半導(dǎo)體層； .3)在外延片表面沉積絕緣材料，使所述多個(gè)微孔內(nèi)附著絕緣材料形成側(cè)壁絕緣層；并在第二型金屬電極焊盤的正下方位置制備電流阻擋層； .4)制備透明電流擴(kuò)展層； .5)制作第一金屬電極和第二型金屬電極，并在所述多個(gè)微孔中充滿金屬，使所述第一型金屬電極通過所述多個(gè)微孔中的金屬與所述第一型半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)電連接； .6 )制作鈍化保護(hù)層，并使金屬焊盤裸露在外以備電性連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，采用30° ^70°的傾斜角刻蝕出微孔，使微孔呈倒梯形結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟4)中，采用lift-off或濕法腐蝕工藝制備所述側(cè)壁絕緣層。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟6)中，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、濺射法、原子層沉積法沉積絕緣材料。
【文檔編號】H01L33/38GK103682021SQ201210349636
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月18日
【發(fā)明者】周圣軍, 王書方 申請人:廣東量晶光電科技有限公司