專利名稱：具有四方環(huán)狀結構反射層氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法
具有四方環(huán)狀結構反射層氮化鎵基發(fā)光二極管技術領域
本發(fā)明屬于半導體技術領域，特別涉及一種具有四方環(huán)狀結構反射層氮化鎵基發(fā)光二極管。
背景技術：
半導體發(fā)光二極管應用日益廣泛，特別是在照明方面有取代白熾燈和熒光燈的趨勢，但是目前還面臨一些技術上的問題，特別是光取出效率比較低，通常影響光取出效率主要有三個方面的原因一種是由于材料對光的吸收，另一種是光在穿過不同介質時產(chǎn)生全反射。
發(fā)光二極管發(fā)光效率的提高一直是技術的追求目標，提高外延材料的質量，通過透明襯底鍵合，厚電流擴展窗口，這些都對效率的提高起到很好的效果。但是，當光離開二極管內部時，其無論如何都無法避免發(fā)生損耗，造成損耗的主要原因，是由于形成發(fā)光二極管表面層的半導體材料具有高折射系數(shù)。高的光折射系數(shù)會導致光在該半導體材料表面產(chǎn)生全反射，從而使發(fā)光二極管內部發(fā)出的光無法充分地發(fā)射出去。目前，業(yè)內已經(jīng)通過表面粗化技術來改善光在二極管內部的全反射，從而提高發(fā)光效率，然而，由于現(xiàn)有技術通常僅對發(fā)光二極管部分組成結構的表面進行粗化處理，這導致了其粗糙化表面分布不均勻，因此無法有效的提升發(fā)光效率。
同時,發(fā)光二極管發(fā)出的光是由其內部結構中的發(fā)光層產(chǎn)生的,發(fā)光層發(fā)出的光主要是通過發(fā)光二極管的正面發(fā)出，而從其側面發(fā)出的光必須先經(jīng)過發(fā)光二極管內部結構的全反射，使光線的光路發(fā)生改變才能由側面發(fā)出。這就導致了現(xiàn)有發(fā)光二極管正面出光過多而側面出光不足，因此也就造成發(fā)光二極管出光的不均勻。
圖I為現(xiàn)有的發(fā)光二極管結構。圖I中，襯底101上依次形成GaN緩沖層102、η 型GaN層103、多量子阱發(fā)光層(MQW) 104、ρ型AlGaN層105、ρ型GaN層106、透明電極層 107，P金屬電極112 ;而η型GaN層103上形成η金屬電極111。其中GaN緩沖層102表面被粗化處理，以形成納米級的鋸齒狀的表面粗化層122。襯底101下方還形成有金屬反射層 100，從而多量子阱發(fā)光層104發(fā)出光經(jīng)過金屬反射層100的反射后由發(fā)光二極管的正面或側面透出(圖I中未示出)，以提高發(fā)光效率。
在圖I所示的發(fā)光二極管結構中，由于粗化層僅形成于發(fā)光二極管的內部，即GaN 緩沖層102的表面上，因此，由多量子阱發(fā)光層104產(chǎn)生的光雖然經(jīng)過粗化層122的反射， 能夠在一定的程度上提高側面的發(fā)光效率，但是，這種處于發(fā)光二極管內部中的粗化層還不足以進一步提聞發(fā)光效率。
而且，參見圖I所示結構的發(fā)光二極管，可見多量子阱發(fā)光層104發(fā)出的光大多由發(fā)光二極管的正面透出，即由透明電極層107的上表面透出，僅有少量的光經(jīng)過透明電極層107的全反射后由發(fā)光二極管的側面透出。因此，圖I所示結構的發(fā)光二極管的發(fā)光均勻性還有待改善。發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的問題，提出了一種具有粗化表面以及反射層的發(fā)光二極管的制造方法，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和發(fā)光均勻性。
本發(fā)明提出制造方法包括以下步驟
(I)在襯底上采用MOCVD外延生長GaN緩沖層，所述襯底的材料為藍寶石、碳化硅、 硫化鋅或者砷化鎵；
(2)利用堿性溶液對GaN緩沖層的表面進行腐蝕，從而在GaN緩沖層表面上形成表面粗化層；
(3)在GaN緩沖層被粗化的表面上采用MOCVD或者分子束磊晶工藝(MBE)來依次形成η型GaN層、多量子阱發(fā)光層(MQW)、ρ型AlGaN層以及ρ型GaN層的層疊結構；
(4)在ρ型GaN層的表面旋涂光刻膠，顯影后露出其部分表面，此后采用等離子體對上述層疊結構進行干法蝕刻，直至蝕刻到η型GaN層的一部分為止；優(yōu)選為保留η型GaN 層的厚度的1/2 ;干法蝕刻后形成圖2所示的臺階結構；
(5)在ρ型GaN層表面上進行光刻工藝，以便在P型GaN層的表面四周形成四方環(huán)形凹槽；
(6)采用濺鍍工藝或者電子束蒸發(fā)工藝在ρ型GaN層四周的凹槽上形成反射層；
(7)對濺鍍反射層后的ρ型GaN層表面進行化學機械拋光(CMP)工藝，以使得反射層與P型GaN層的表面平坦化；
(8)在ρ型GaN層表面上采用濺鍍工藝形成透明電極層；
(9)將完成臺階結構的氮化鎵基發(fā)光二極管浸泡在堿性溶液中，以便形成表面粗化層；
(10)對襯底進行減薄，優(yōu)選將襯底的厚度的1/2至2/3去除；此后在襯底的下方采用濺鍍工藝形成金屬反射層；
(11)在η型GaN層的臺階表面形成η型電極，在透明電極層的上表面形成P型電極；
其中，該反射層的材料可以是Al/Ag合金金屬反射層，也可以是AlAsAlxGahAs或 AlInPzi(AlxGah)yIrvyP 分布布拉格反射層(DBR)；
其中，反射層的外環(huán)與所述ρ型GaN層的側邊重合，即如圖3所示的陰影部分；
其中，表面粗化層為納米級的鋸齒狀。
附圖I為現(xiàn)有技術中僅有部分粗化表面的發(fā)光二極管結構示意圖。
附圖2為本發(fā)明提出的制造方法所制得的具有粗化表面以及反射層的發(fā)光二極管的結構示意圖。
附圖3為圖2所示發(fā)光二極管的平面結構示意圖。
具體實施方式
圖2為由本發(fā)明提出的制造方法制得的發(fā)光二極管，其具有全面粗化的表面，并且具有反射層，因此能夠大幅度的提高發(fā)光效率以及發(fā)光均勻性。
本發(fā)明的制造方法包括如下步驟
(I)在襯底201上采用MOCVD外延生長GaN緩沖層202，所述襯底的材料為藍寶石、 碳化娃、硫化鋅或者砷化鎵；
(2)利用堿性溶液對GaN緩沖層202的表面進行腐蝕，從而在GaN緩沖層202表面上形成納米級的鋸齒狀的表面粗化層222 ;在本發(fā)明中，除了可以利用堿性溶液腐蝕GaN 緩沖層202的表面以形成表面粗化層222以外，也可以利用等離子體蝕刻機對GaN緩沖層 202的表面進行干法蝕刻來完成，還可以通過先浸泡在堿性溶液中進行濕法蝕刻、然后再利用等離子體蝕刻機進行干法蝕刻相結合來完成。對于濕法蝕刻和干法蝕刻相結合來形成表面粗化層的工藝來說，本發(fā)明并沒有限定必須先濕法蝕刻后干法蝕刻，采用先干法蝕刻在濕法蝕刻同樣也是可以的；
(3)在GaN緩沖層202被粗化的表面上采用MOCVD或者分子束磊晶工藝(MBE)來依次形成η型GaN層203、多量子阱發(fā)光層(MQW) 204、ρ型AlGaN層205以及ρ型GaN層206 的層疊結構；
(4)在ρ型GaN層206的表面旋涂光刻膠，顯影后露出其部分表面，此后采用等離子體對上述層疊結構進行干法蝕刻，直至蝕刻到η型GaN層203的一部分為止；優(yōu)選為保留 η型GaN層203的厚度的1/2 ;干法蝕刻后形成圖2所示的臺階結構；(5)在ρ型GaN層206表面上進行光刻工藝，以便在P型GaN層206的表面四周形成四方環(huán)形凹槽；
(6)采用濺鍍工藝或者電子束蒸發(fā)工藝在ρ型GaN層四周的凹槽上形成反射層231,該反射層231的材料可以是Al/Ag合金金屬反射層，也可以是AlAs/AipahAs或 Al InP/(AlxGa1JyIn1^yP分布布拉格反射層(DBR);由圖2的上方俯視看過去，反射層231的外環(huán)與所述發(fā)光二極管的側邊重合，即如圖3所示的陰影部分；
(7)對濺鍍反射層231后的P型GaN層206表面進行化學機械拋光(CMP)工藝，以使得反射層231與ρ型GaN層206的表面平坦化；
(8)在ρ型GaN層206表面上采用濺鍍工藝形成透明電極層207 ；
(9)將完成臺階結構的氮化鎵基發(fā)光二極管浸泡在堿性溶液中，以便形成表面粗化層221 ；
(10)對襯底201進行減薄，優(yōu)選將襯底201的厚度的1/2至2/3去除；此后在襯底201的下方采用濺鍍工藝形成金屬反射層200 ；
(11)在η型GaN層203的臺階表面形成η型電極211，在透明電極層207的上表面形成P型電極212 ；電極211和212的形成方法可采用本領域常規(guī)的工藝來形成，比如首先在透明電極層207的表面上旋涂光刻膠，顯影后露出將要形成電極212的透明電極層207 的表面，此后通過濺鍍工藝以形成電極212 ;電極211的形成方法與此相同。
參見圖2，襯底201下方形成有金屬反射層200，從而多量子阱發(fā)光層204發(fā)出光經(jīng)過金屬反射層200的反射后由發(fā)光二極管的正面或側面透出(圖2中未示出)，以提高發(fā)光效率。
而且，為了能夠大幅度的提高發(fā)光二極管2的發(fā)光效率，在本發(fā)明提出的制造方法除了在GaN緩沖層202表面進行粗化處理，以形成納米級的鋸齒狀的表面粗化層222以外，還將發(fā)光二極管2的上表面，即透明電極層207的上表面進行粗化處理，與此同時，還進一步將發(fā)光二極管2的所有側面同樣進行粗化處理，從而形成如圖2所示的表面粗化層 221。這種粗化處理可以通過將發(fā)光二極管2浸泡在堿性溶液中進行濕法蝕刻，利用堿性溶液對其表面進行腐蝕來完成。也可以利用等離子體蝕刻機對發(fā)光二極管進行干法蝕刻來完成，還可以通過先浸泡在堿性溶液中進行濕法蝕刻、然后再利用等離子體蝕刻機進行干法蝕刻相結合來完成。對于濕法蝕刻和干法蝕刻相結合來形成表面粗化層的工藝來說，本發(fā)明并沒有限定必須先濕法蝕刻后干法蝕刻，采用先干法蝕刻在濕法蝕刻同樣也是可以的。
通過對發(fā)光二極管2的整個外表面進行粗化處理后，多量子阱發(fā)光層204發(fā)出的光在到達發(fā)光二極管2的各個表面后，在透射臨界角之外的光由于經(jīng)過表面粗化層的多次折射，最后可進入臨界角內由各個表面透射出來，從而使得發(fā)光二極管2發(fā)出更多的光，因此也就提高了發(fā)光效率。
為了解決現(xiàn)有技術中發(fā)光二極管發(fā)光均勻性不足的問題，本發(fā)明提出的制造方法還進一步制得了反射層。參見圖2，在ρ型GaN層206中設有四方環(huán)狀結構的反射層231， 該四方環(huán)狀結構的反射層231可以是Al/Ag合金金屬反射層，也可以是AlAs/AlxGai_xAs或 AlInP/(AlxGa1JyIn1^yP分布布拉格反射層(DBR)。該四方環(huán)狀結構的反射層231可以設置在P型GaN層206的上表面(如圖2所示)，也可以設置在ρ型AlGaN層205的上表面(圖2 中未示出)，或者設置在P型GaN層206或ρ型AlGaN層205的下表面亦可。
參見圖2，通過設置四方環(huán)狀結構的反射層231，由多量子阱發(fā)光層204發(fā)出的光的一部分直接由發(fā)光二極管2的正面透出，而另一部分則經(jīng)過四方環(huán)狀結構的反射層231 的反射后由發(fā)光二極管2的側面透出。由于有四方環(huán)狀結構的反射層231的存在，那么能夠到達發(fā)光二極管2正面的光就被限制為圖2中四方環(huán)狀結構的反射層231的環(huán)內部分， 而由四方環(huán)狀結構的反射層231反射的光將只能從發(fā)光二極管2的側面透出，因此，這種設計就能提高發(fā)光二極管正面和側面的發(fā)光均勻性。
圖3為圖2的平面示意圖，即由圖2的上方俯視而得的示意圖。參見圖3，反射層 231為四方環(huán)狀結構，發(fā)光二極管2的多量子阱發(fā)光層204發(fā)出的光的一部分由圖3中的區(qū)域300透出，而另一部分光由于反射層231的反射而從發(fā)光二極管的側面透出。
再次參見圖2，并結合圖3，本發(fā)明設計的四方環(huán)狀結構反射層的外環(huán)與發(fā)光二極管的側邊完全重合，通過這樣的設計，由發(fā)光二極管內部發(fā)出的一部分光經(jīng)由四方環(huán)狀結構的反射層反射后，可以均勻的由發(fā)光二極管的四個側面透出，而其余沒有經(jīng)過四方環(huán)狀結構反射層反射的光則經(jīng)由區(qū)域300直接透出，通過調整四方環(huán)狀結構反射層的內環(huán)和外環(huán)之間的距離，從而也就能夠調整該四方環(huán)狀結構反射層的反射面積，在P型GaN層表面積固定的情況下，也就能夠調整反射層面積和區(qū)域300面積的比例，從而也就能夠調整從區(qū)域300透射的光與從發(fā)光二極管側面透射光的比例。因此，通過設置不同面積的四方環(huán)狀反射層，就可以根據(jù)具體需要來調整發(fā)光二極管的出光均勻性。
至此，上述描述已經(jīng)詳細的說明了本發(fā)明的發(fā)光二極管結構，現(xiàn)對于現(xiàn)有的發(fā)光二極管，本發(fā)明提出的結構能夠大幅度提高發(fā)光效率的同時，還能夠進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光均勻性。前文的描述的實施例僅僅只是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其并非用于限定本發(fā)明。本領域技術人員在不脫離本發(fā)明精神的前提下，可對本發(fā)明做任何的修改，而本發(fā)明的保護范圍由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.ー種具有四方環(huán)狀結構反射層的發(fā)光二極管的制造方法，包括以下步驟 (I)在襯底上采用MOCVD外延生長GaN緩沖層，所述襯底的材料為藍寶石、碳化硅、硫化鋅或者砷化鎵； (2 )利用堿性溶液對GaN緩沖層的表面進行腐蝕，從而在GaN緩沖層表面上形成表面粗化層； (3)在GaN緩沖層被粗化的表面上采用MOCVD或者分子束磊晶エ藝(MBE)來依次形成η型GaN層、多量子阱發(fā)光層(MQW)、ρ型AlGaN層以及ρ型GaN層的層疊結構； (4)在P型GaN層的表面旋涂光刻膠，顯影后露出其部分表面，此后采用等離子體對上述層疊結構進行干法蝕刻，直至蝕刻到η型GaN層的一部分為止；優(yōu)選為保留η型GaN層的厚度的1/2 ;干法蝕刻后形成圖2所示的臺階結構； (5)在ρ型GaN層表面上進行光刻エ藝，以便在ρ型GaN層的表面四周形成四方環(huán)形凹槽； (6)采用濺鍍エ藝或者電子束蒸發(fā)エ藝在P型GaN層四周的凹槽上形成反射層； (7)對濺鍍反射層后的ρ型GaN層表面進行化學機械拋光(CMP)エ藝，以使得反射層與P型GaN層的表面平坦化； (8)在ρ型GaN層表面上采用濺鍍エ藝形成透明電極層； (9)將完成臺階結構的氮化鎵基發(fā)光二極管浸泡在堿性溶液中，以便形成表面粗化層； (10)對襯底進行減薄，優(yōu)選將襯底的厚度的1/2至2/3去除；此后在襯底的下方采用濺鍍エ藝形成金屬反射層； (II)在η型GaN層的臺階表面形成η型電極，在透明電極層的上表面形成ρ型電極。
2.如權利要求I所述的制造方法，其特征在于 所述反射層的材料可以是Al/Ag合金金屬反射層，也可以是AlAsAlxGahAs或Al InP/(AlxGa1JyIrvyP分布布拉格反射層(DBR)。
3.如權利要求I或2所述的制造方法，其特征在于 所述表面粗化層都為納米級鋸齒狀粗化層。
4.如權利要求1-3任意之一所述的制造方法，其特征在于 所述反射層的外環(huán)與所述P型GaN層的側邊重合。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有四方環(huán)狀結構反射層的的發(fā)光二極管的制造方法，該方法包括在襯底的下表面形成金屬反射層；所述襯底的上表面上依次形成有GaN緩沖層、n型GaN層、多量子阱發(fā)光層(MQW)、p型AlGaN層、p型GaN層、透明電極層，p金屬電極；在所述n型GaN層上形成n金屬電極；所述GaN緩沖層的表面被粗化處以及所述發(fā)光二極管的上表面、所有側面形成有表面粗化層。其中，所述p型GaN層的上表面形成有四方環(huán)狀結構的反射層。
文檔編號H01L33/22GK102983231SQ201210434769
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權日2012年11月5日
發(fā)明者虞浩輝, 周宇杭 申請人:江蘇威納德照明科技有限公司