專利名稱：發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)光二極管一般包括基板、成長在所述基板上的氮化鎵(GaN)緩沖層、成長在所述氮化鎵(GaN)緩沖層上的的半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)。上述發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生以下問題所述發(fā)光結(jié)構(gòu)朝向基板一側(cè)發(fā)出的光線進入基板后，被限制在基板內(nèi)直到能量消耗殆盡，從而造成光損失，影響發(fā)光二極管的光取出效率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種具有較高光取出效率的發(fā)光二極管及其制造方法。一種發(fā)光二極管，包括基板、緩沖層、半導(dǎo)體層及半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，緩沖層位于基板之上，半導(dǎo)體層位于緩沖層之上，半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)位于半導(dǎo)體層上，所述半導(dǎo)體層內(nèi)掩埋若干空隙。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的發(fā)光二極管的半導(dǎo)體層內(nèi)部掩埋空隙，空隙可以反射半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)朝向基板一側(cè)發(fā)出的光線，從而提高光取出效率。一種發(fā)光二極管制造方法，其包括以下步驟提供基板；于基板上形成陣列分布的若干柱體；高溫下重新生長所述陣列分布的若干柱體以形成內(nèi)部掩埋若干空隙的半導(dǎo)體層；于所述半導(dǎo)體層上形成一半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)。下面參照附圖，結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述。


圖1為本發(fā)明實施方式中的發(fā)光二極管的剖面示意圖。圖2為本發(fā)明的一較佳實施方式中在基板上形成緩沖層、半導(dǎo)體層及金屬層后的剖面示意圖。圖3為圖2中形成金屬掩膜后的剖面示意圖。圖4為圖3中蝕刻半導(dǎo)體層后的剖面示意圖。圖5為圖4中去除金屬掩膜后的剖面示意圖。圖6為圖5的半導(dǎo)體層在電子顯微鏡下的俯視圖。圖7為圖5的半導(dǎo)體層在電子顯微鏡下的縱向剖視立體圖。主要元件符號說明發(fā)光二極管10基板100緩沖層200露出部分201沒有露出部分202
半導(dǎo)體層300,400
柱體301
間隙302
界面411
空隙413,4130,4131
半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500
η型半導(dǎo)體層510
發(fā)光層520
P型半導(dǎo)體層530
露出部分601
沒有露出部分602
金屬層700
金屬掩膜701
孔洞702
金屬顆粒70具體實施例方式下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。請參閱圖1，本發(fā)明實施方式提供的發(fā)光二極管10包括一基板100、一成長在所述基板100上的緩沖層200、一成長在所述緩沖層200上的具有若干空隙(air-void) 413的半導(dǎo)體層400、一成長在所述半導(dǎo)體層400上的半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500。所述基板100的材料可以為藍寶石、碳化硅、硅等材料構(gòu)成。在本實施方式中所述基板100的材料為藍寶石。緩沖層200的材料可以為氮化物，例如feiN、A1N、InN, MgxNy/GaN、SixNy/feiN、 LxGahNAnyGahyN及h/lfamN的任意一項組合，緩沖層200的厚度優(yōu)選為20nm_30nm。半導(dǎo)體層400沒有摻雜雜質(zhì)，半導(dǎo)體層400的材料可以為GaN、A1N、InN及
的任意一項組合。半導(dǎo)體層400朝向發(fā)光結(jié)構(gòu)500具有一界面411。若干空隙413呈彌散狀掩埋于半導(dǎo)體層400內(nèi)。該若干空隙413中至少一部分在基板100上的投影重疊。進一步而言，該若干空隙413中的一部分空隙4130比其它空隙4131靠近于所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500，該一部分空隙4130與其他空隙4131錯落分布。所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500射向基板100的部分光線被空隙4130反射，然，相鄰空隙4130之間不存在全反射結(jié)構(gòu)，其他光線射過相鄰空隙4130之間且繼續(xù)射向基板100?？障?131起到補充反射的作用，空隙4131進一步反射射過相鄰空隙4130之間的光線。所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500包括形成在所述半導(dǎo)體層400的界面411上的η型半導(dǎo)體層510、形成在所述η型半導(dǎo)體層510上的發(fā)光層520以及形成在所述發(fā)光層520上的ρ 型半導(dǎo)體層530。η型半導(dǎo)體層510、發(fā)光層520及ρ型半導(dǎo)體層530的材料為氮化物，所述發(fā)光層520可以為單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子井結(jié)構(gòu)或是多重量子井結(jié)構(gòu)。請一并參閱圖2-圖7，本發(fā)明實施方式提供的一種發(fā)光二極管的制造方法包括以下幾個步驟
提供一基板100。于基板100上形成一緩沖層200，緩沖層200的生長溫度大約為450攝氏度-800 攝氏度，緩沖層200的厚度優(yōu)選為20nm-30nm。于緩沖層200上形成一半導(dǎo)體層300，該半導(dǎo)體層300的生長溫度為450攝氏度-1000攝氏度，其生長優(yōu)選溫度為700攝氏度-800攝氏度，半導(dǎo)體層300的厚度優(yōu)選為 150nm_250nmo于該半導(dǎo)體層300上形成一金屬層700，該金屬層700的材料可以為鎳、鉬、金或者鉻，金屬層700的厚度為10nm-500nm，優(yōu)選為50nm-100nm。將該金屬層700高溫熱處理以形成金屬掩膜701 (metal hard mask)，金屬掩膜 701上具有使得部分半導(dǎo)體層300露出的若干孔洞702。具體而言，將上述步驟的產(chǎn)物在氮氣環(huán)境下高溫熱處理，溫度為500攝氏度-1000攝氏度，熱處理時間為2-10分鐘。進一步而言，高溫熱處理的溫度優(yōu)選為800攝氏度-1000攝氏度，高溫處理的時間優(yōu)選為7-10分鐘。金屬層700在高溫熱處理過程中由于內(nèi)聚效應(yīng)形成金屬掩膜701，該金屬掩膜701包括若干陣列排布的金屬顆粒703 (self-assembled nanocluster)，相鄰金屬顆粒703間隔形成孔洞702，金屬顆粒703的直徑可以為50nm-100nm，孔洞702的直徑可以為50nm_100nm， 半導(dǎo)體層300的露出部分601通過孔洞702與外界接觸，半導(dǎo)體層300的沒有露出部分602 被金屬顆粒703覆蓋。蝕刻半導(dǎo)體層300。金屬掩膜701的金屬顆粒703覆蓋半導(dǎo)體層300的沒有露出部分601，故半導(dǎo)體層300的沒有露出部分601不被蝕刻；半導(dǎo)體層300的露出部分602沿金屬掩膜701的孔洞702方向被蝕刻，從而半導(dǎo)體層300僅留下被金屬顆粒703覆蓋的沒有露出部分602以形成分布于緩沖層200上的柱體301，即半導(dǎo)體層300被有選擇性蝕刻成陣列分布的若干柱體301，相鄰柱體301相互間隔形成間隙302 (請一并參閱圖6-圖7)，間隙302的密度與金屬顆粒703分布在半導(dǎo)體層300上的密度相關(guān)。柱體301的頂端被金屬掩膜701披覆。在本實施方式中，半導(dǎo)體層300的露出部分602被蝕刻至緩沖層200，使得部分的緩沖層200露出，緩沖層200的露出部分201通過該若干間隙302與外界接觸，緩沖層200的沒有露出部分202被柱體301披覆。在其他實施方式中，半導(dǎo)體層300的露出部分602沿孔洞702方向亦可僅被部分蝕刻，而不被蝕刻至緩沖層200。上述實施方式均使得半導(dǎo)體層300被有選擇性蝕刻成陣列分布的若干柱體301。蝕刻的方法可以采用濕式蝕刻或者干式蝕刻。去除金屬掩膜701，使得半導(dǎo)體層300的柱體301的頂端與外界接觸。高溫下重新生長半導(dǎo)體層300從而得到掩埋空隙413的半導(dǎo)體層400，重新生長的溫度優(yōu)選為1000攝氏度以上。具體而言，將半導(dǎo)體層300放入金屬有機化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中，在高溫環(huán)境下半導(dǎo)體層300再次生長并再結(jié)晶(recrystalizing)，半導(dǎo)體層300的外側(cè)相對其內(nèi)部較早接觸反應(yīng)氣體，半導(dǎo)體層300的外側(cè)的反應(yīng)速度相對較快，在間隙302內(nèi)的空氣被完全排出之前，半導(dǎo)體層300的外側(cè)已經(jīng)閉合使得半導(dǎo)體層300內(nèi)部與外界隔離， 且半導(dǎo)體層300的頂端閉合形成界面411，從而間隙302內(nèi)的空氣不能被完全排出，最終殘留在半導(dǎo)體層400的空氣即為空隙413，空隙413最終呈彌漫狀(不規(guī)則地)分布于半導(dǎo)體層400中。于半導(dǎo)體層400的界面411上形成一半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500，其采用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或者分子束外延生長(MBE)制程工藝。半導(dǎo)體層400內(nèi)部掩埋空隙413，基于全反射原理，所述發(fā)光層520朝向緩沖層 200發(fā)出的一部分光線在半導(dǎo)體層400被空隙413反射至所述發(fā)光二極管10的出光側(cè)，減少射向緩沖層200以及基板100的光線，從而提升了所述發(fā)光二極管10的光取出效率。進一步而言，本發(fā)明采用金屬熱處理工藝形成金屬掩膜701，完全不同于現(xiàn)有的半導(dǎo)體黃光微影制程，并且本發(fā)明的金屬掩膜701的孔洞702相對較小，使得最終形成的空隙413相對較密，進一步提高光取出效率。更進一步而言，空隙413呈三維立體態(tài)分布于半導(dǎo)體層400內(nèi)，即使半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500射向基板100的部分光線射過相鄰空隙4130之間，位于空隙4130下方的空隙4131 進一步反射射過相鄰空隙4130之間的光線，起到補充反射作用，更進一步提高光取出效率。另，由于半導(dǎo)體層400經(jīng)過高溫重新生長，所以半導(dǎo)體層400具有較佳的晶格品質(zhì)，從而生長在界面411上的半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500亦具有較佳的晶格品質(zhì)。上述發(fā)光二極管的制造方法中采用有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和蝕刻的方法獲得陣列分布的若干柱體301，亦可以采用分子束磊晶(MBE)的方法直接在基板100上形成陣列分布的若干柱體301，而無需形成金屬掩膜701、蝕刻半導(dǎo)體層300和去除金屬掩膜701 的步驟，具體可參閱 E. Calleja 等人在文獻 Physical Review B，Vol. 62，No. M (2000 年 12 月)中發(fā)表的"Luminescence Properties and Defects in GaN Nanocolumns Grown by Molecular Beam Epitaxy” 一文。后續(xù)的高溫下重新生長及形成半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)500的步驟如前所述，在此不予贅述。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管，包括基板、緩沖層、半導(dǎo)體層及半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，緩沖層位于基板之上，半導(dǎo)體層位于緩沖層之上，半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)位于半導(dǎo)體層上，其特征在于所述半導(dǎo)體層內(nèi)掩埋若干空隙。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述若干空隙呈彌散狀分布于所述半導(dǎo)體層內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1至2中任意一項所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述若干空隙中至少一部分在基板上的投影重疊。
4.如權(quán)利要求1至2中任意一項所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述若干空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近于所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，所述一部分空隙與所述其他空隙錯落分布。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)射向基板的部分光線被所述一部分空隙反射，所述其他空隙反射射過相鄰的所述一部分空隙之間的光線。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于所述半導(dǎo)體層沒有摻雜雜質(zhì)。
7.一種發(fā)光二極管制造方法，其包括以下步驟 提供基板；于基板上形成陣列分布的若干柱體；高溫下重新生長所述陣列分布的若干柱體以形成內(nèi)部掩埋若干空隙的半導(dǎo)體層； 于所述半導(dǎo)體層上形成一半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于于基板上形成陣列分布的若干柱體包括以下步驟于基板上形成一緩沖層； 于緩沖層上形成另一半導(dǎo)體層； 于所述另一半導(dǎo)體層上形成金屬層； 將該金屬層高溫熱處理以形成金屬掩膜； 蝕刻所述另一半導(dǎo)體層以形成陣列分布的若干柱體； 去除金屬掩膜。
9.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于高溫下重新生長后的所述半導(dǎo)體層的外側(cè)閉合使得所述半導(dǎo)體層內(nèi)部與外界隔離。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于高溫下重新生長后的所述半導(dǎo)體層的頂端閉合形成一界面。
11.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述若干空隙彌散分布于高溫下重新生長后的所述半導(dǎo)體層內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11中所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述若干空隙中至少一部分在基板上的投影重疊。
13.如權(quán)利要求11中所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述若干空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近于所述半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，所述一部分空隙與所述其他空隙錯落分布。
14.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于高溫下重新生長所述陣列分布的若干柱體的溫度大于1000攝氏度。
15.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于于緩沖層上形成所述另一半導(dǎo)體層的溫度為450攝氏度-1000攝氏度。
16.如權(quán)利要求15所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于于緩沖層上形成所述另一半導(dǎo)體層的溫度為700攝氏度-800攝氏度。
17.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述半導(dǎo)體層的厚度為 150nm_250nmo
18.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述金屬掩膜包括若干陣列排布的金屬顆粒，相鄰金屬顆粒間隔形成孔洞。
19.如權(quán)利要求18所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于所述金屬顆粒的直徑介于50nm-100nm之間，所述孔洞的直徑介于50nm_100nm之間。
20.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管制造方法，其特征在于采用分子束磊晶的方法直接于基板上形成陣列分布的若干柱體。
21.一種發(fā)光二極管，包括基板、緩沖層、半導(dǎo)體層及半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，緩沖層位于基板之上，半導(dǎo)體層位于緩沖層之上，半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)位于半導(dǎo)體層上，其特征在于所述半導(dǎo)體層內(nèi)掩埋若干空隙，所述空隙由權(quán)利要求7-20中任意一項所述的方法制成。
全文摘要
一種發(fā)光二極管，包括基板、緩沖層、半導(dǎo)體層及半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)，緩沖層位于基板之上，半導(dǎo)體層位于緩沖層之上，半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)位于半導(dǎo)體層上，所述半導(dǎo)體層內(nèi)掩埋若干空隙。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的發(fā)光二極管的半導(dǎo)體層內(nèi)部掩埋空隙，空隙可以反射半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)朝向基板一側(cè)發(fā)出的光線，從而提高光取出效率。本發(fā)明還公開一種發(fā)光二極管制造方法。
文檔編號H01L33/02GK102376830SQ20101025752
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者凃博閔, 楊順貴, 黃世晟, 黃嘉宏 申請人:展晶科技(深圳)有限公司, 榮創(chuàng)能源科技股份有限公司