一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件及其制造方法
【專利摘要】本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件及其制造方法，包括1）在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、n型氮化鎵基外延層、有源層和p型氮化鎵基層；2）在p型氮化鎵層上表面蝕刻出凹槽；3）用金屬反射材料填充p型氮化鎵層上的凹槽；4）制備電流阻擋層，該電流阻擋層覆蓋所述金屬反射材料；5）在電流阻擋層制備透明導(dǎo)電層，最后再制備p型電極和n型電極。本發(fā)明能夠提升發(fā)光元件外量子效率,并且成本低、工藝簡(jiǎn)單且可靠性高。
【專利說(shuō)明】一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氮化鎵基發(fā)光元件技術(shù)，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種同時(shí)具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，能源的消耗越來(lái)越大，全球范圍的能源短缺已成為了大家的共識(shí)。而半導(dǎo)體發(fā)光元件所具有的高耐久性、壽命長(zhǎng)、輕巧、低耗電等優(yōu)點(diǎn)，使其成為各國(guó)政府、院校和相關(guān)機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)。從現(xiàn)有技術(shù)看，氮化鎵基發(fā)光元件是目前實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的基礎(chǔ)。隨著外延生長(zhǎng)和芯片工藝技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，它的內(nèi)量子效率可達(dá)到90%以上。相對(duì)來(lái)說(shuō)，外量子效率還較低，一般僅有40%左右，因此，如何提升外量子效率是半導(dǎo)體發(fā)光元件的一個(gè)重要課題。
[0003]中國(guó)專利200610092282.8公開(kāi)了一種具有金屬反射層的發(fā)光二極管封裝及其制造方法。其中，發(fā)光二級(jí)管芯片被密封體覆蓋，圍繞密封體的側(cè)表面設(shè)置有金屬反射層，以在密封體的頂表面形成光透射表面，從而使光損失減小，一定程度上提升了外量子效率，然而它并未考慮位于頂表面的金屬電極對(duì)光的吸收而造成的外量子效率損失。
[0004]中國(guó)專利申請(qǐng)201010200860.1公開(kāi)了一種側(cè)面具有上反射層的氮化鎵基倒裝發(fā)光二極管及其制備方法，其側(cè)面兼具布拉格反射層和金屬反射層，能夠在一定程度上提升外量子效率，但它也未考慮位于發(fā)光表面的金屬電極對(duì)光的吸收而造成的外量子效率損失。
[0005]中國(guó)發(fā)明專利200980149203.4公開(kāi)了一種用于發(fā)光二極管芯片的復(fù)合高反射層。復(fù)合高反射層沉積在P型層上，電流擴(kuò)散層設(shè)于反射層和P型層之間。復(fù)合高反射層由多個(gè)不同材料的子層組成，相對(duì)于傳統(tǒng)的分布式布拉格反射體和金屬接觸反射層具有更高的反射率，但是其結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，成本高昂。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)201210183838.X公開(kāi)了一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制作方法，其包括襯底，外延層由P型層、發(fā)光區(qū)、η型層組成，金屬反射層形成于外延層上，電流阻擋層完全包覆在金屬反射層上，P電極形成于電流擴(kuò)展層上，η電極形成于η型層上。這種方案直接將金屬反射層制作在外延層上，然而金屬層直接與P型氮化鎵外延層接觸粘合不牢，容易發(fā)生電極脫落的現(xiàn)象，導(dǎo)致該方案可靠性較低。
[0007]另一方面，P層電流擴(kuò)展不均勻也是造成氮化鎵基發(fā)光元件外量子效率較低的重要原因。為了使氮化鎵基發(fā)光元件電流擴(kuò)展更加均勻，通常會(huì)在電極下面引入一電流阻擋層，在電極下面置入一層不導(dǎo)電的二氧化硅作為電流阻擋層，從而阻止電流大量注入電極正下方的發(fā)光層而造成電流聚集，使電流向電極各方向更均勻地?cái)U(kuò)展。但是二氧化硅的弓I入，較大地增加了設(shè)備成本和生產(chǎn)成本，也使工藝更加復(fù)雜化。
[0008]因此，當(dāng)前迫切需要一種成本低、工藝簡(jiǎn)單且可靠性高的提升發(fā)光元件外量子效率的方案。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提出一種成本低、工藝簡(jiǎn)單且可靠性高的能夠提升發(fā)光元件外量子效率的、具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件及其制造方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件制造方法，包括下列步驟:1)在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、η型氮化鎵基外延層、有源層和P型氮化鎵基層；2)在P型氮化鎵層上表面蝕刻出凹槽；3)用金屬反射材料填充P型氮化鎵層上的凹槽；4)制備電流阻擋層，該電流阻擋層覆蓋所述金屬反射材料；5)在電流阻擋層制備透明導(dǎo)電層，最后再制備P型電極和η型電極。
[0011]其中，所述步驟3)中，所述金屬反射材料為鋁、銀、銠或者它們中任意二者或三者的合金。
[0012]其中，所述步驟3)中，填充所述凹槽的金屬反射層厚度略大于凹槽深度，使金屬反射層部分從所述凹槽中溢出。
[0013]其中，所述步驟3)中，通過(guò)電子束蒸鍍方法或者磁控濺射方法或者化學(xué)鍍膜方法得到所述金屬反射層。
[0014]其中，所述凹槽的深度不小于50 A
[0015]其中，填充所述凹槽的金屬反射層不小于100人。
[0016]其中，所述步驟4)中，在空氣下對(duì)所述金屬反射層進(jìn)行熱退火處理或者在氧氣環(huán)境下做快速退火，在所填充的金屬反射層表面形成金屬氧化物，該金屬氧化物形成所述電流阻擋層。
[0017]其中，所述步驟3)中，所述凹槽的形狀與P型電極圖案匹配。
[0018]其中，所述步驟3)中，所述凹槽是一個(gè)形狀與所述P型電極圖案匹配的連續(xù)的凹槽，或者所述凹槽由多個(gè)間隙性柱狀孔洞組成，所述多個(gè)間隙性柱狀孔洞排列成的形狀與所述P型電極圖案匹配。
[0019]其中，所述步驟4)中，所述電流阻擋層可置換為絕緣性氧化物層或致密性金屬層。
[0020]其中，所述步驟4)中，所述電流阻擋層可置換為二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、鎘或鉬。
[0021]另外，本發(fā)明還提供了一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件，包括襯底和依次制備在所述襯底上的緩沖層、η型氮化鎵層、有源層、P型限制層、P型氮化鎵層，P型氮化鎵層上表面具有凹槽，凹槽中具有金屬反射層，金屬反射層上表面制備有電流阻擋層，電流阻擋層上制備透明電流擴(kuò)展層，所述η型氮化鎵層上制備有η極金屬焊墊，所述透明電流擴(kuò)展層上制備有P極金屬焊墊。
[0022]其中，所述金屬反射層為鋁、銀、銠或者它們中任意二者或三者的合金層。
[0023]其中，所述電流阻擋層為所述金屬反射層的金屬氧化后形成的金屬氧化物層。
[0024]其中，所述金屬反射層為鋁反射層，所述電流阻擋層為氧化鋁層，所述鋁反射層與所述P型氮化鎵層的凹槽之間具有鋁原子擴(kuò)散層。
[0025]其中，所述電流阻擋層為絕緣性氧化物層或致密性金屬層。
[0026]其中，所述電流阻擋層可置換為二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、鎘或鉬層。
[0027]其中，所述凹槽的形狀與P型電極圖案匹配。
[0028]其中，所述凹槽是一個(gè)形狀與所述P型電極圖案匹配的連續(xù)的凹槽，或者所述凹槽由多個(gè)間隙性柱狀孔洞組成，所述多個(gè)間隙性柱狀孔洞排列成的形狀與所述P型電極圖
案匹配。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0030]1、本發(fā)明金屬反射層與氮化鎵層接觸面積增加，使兩者的粘合力增大，金屬反射層不易脫落，可靠性高；
[0031]2、在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，凹槽外的鋁層被氧化成致密的氧化鋁層，氧化鋁層與P型氮化鎵層形成三維盒子結(jié)構(gòu)保護(hù)了孔洞內(nèi)的鋁層不被氧化，同時(shí)金屬與氮化鎵層接觸面積的增加使兩者的粘合力增大，從而根本上解決了金屬鋁反射層與P型氮化鎵層接觸時(shí)易脫落的問(wèn)題。同時(shí)，使用退火形成的金屬氧化層作為電流阻擋層，避免二氧化硅的引入，簡(jiǎn)化了工藝，降低了成本；
[0032]3、在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在P型氮化鎵外延層上形成的孔洞結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加了鋁層與P型氮化鎵外延層的接觸面積，即進(jìn)一步增大了鋁層與P型氮化鎵外延層的粘合力，具有更高的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的P型氮化鎵外延層上制作凹槽的截面示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金屬鋁填充孔洞結(jié)構(gòu)時(shí)的截面示意圖；
[0035]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋁層退火后氧化鋁層及鋁層擴(kuò)散截面示意圖；
[0036]圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件的截面示意圖。
[0037]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0038]100:襯底110:緩沖層120:n型氮化鎵層
[0039]130:有源層140:p型限制層 150:p型氮化鎵層
[0040]151:凹槽160:招鍍層161:鋁原子擴(kuò)散層
[0041]162:鋁反射層 163:氧化鋁層170:透明導(dǎo)電層
[0042]181:p極金屬焊盤(pán)182:n極金屬焊盤(pán)
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件。對(duì)于氮化鎵基發(fā)光元件，為了減少由有源層發(fā)出的光射向金屬電極而被焊盤(pán)吸收，一種辦法是在金屬電極和P型氮化鎵外延層之間引入一層金屬反射層，如銀或鋁反射層。但是銀和鋁直接與P型氮化鎵外延層接觸粘合不牢，容易發(fā)生電極脫落的現(xiàn)象，因此阻礙了金屬反射電極的應(yīng)用。而本實(shí)施例克服了上述問(wèn)題。
[0045]本實(shí)施例的具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件的制備步驟依次如下:
[0046]步驟1:首先在一藍(lán)寶石襯底100上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)依次外延生長(zhǎng)緩沖層110、η型氮化鎵層120、有源層130、ρ型限制層140、ρ型氮化鎵層150。通過(guò)蝕刻去除部分區(qū)域的P型氮化鎵基外延層和有源層，暴露出部分η型氮化鎵層以便制作η極金屬焊盤(pán)。[0047]步驟2:如圖1所示，通過(guò)干法刻蝕ICP使局部η型氮化鎵層暴露出來(lái)，再使用干法刻蝕ICP在較小功率條件下刻蝕P型氮化鎵層150，形成凹槽151，凹槽深度在50人以上。該凹槽151俯視角度的形狀與ρ型電極形狀相匹配。
[0048]步驟3:如圖2所示，在形成的凹槽上采用化學(xué)鍍膜方法或者電子束蒸鍍方法或者磁控濺射方法制作金屬鋁鍍層160，根據(jù)孔洞結(jié)構(gòu)的深度其厚度在100人以上。其中，通過(guò)磁控濺射方法或者化學(xué)鍍膜方法得到的鋁層將具有更好的凹槽填充效果。一般來(lái)說(shuō)，金屬鋁鍍層160的厚度略大于凹槽151深度，使部分金屬鋁鍍層160從凹槽151中溢出。
[0049]步驟4:如圖3所示，鋁層在空氣氛圍下進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚砘蛘咴谘鯕夥諊驴焖偻嘶穑ㄟ^(guò)控制氧氣流量、溫度及時(shí)間使凹槽151外圍溢出的鋁充分氧化形成致密的氧化鋁，這樣，金屬鋁鍍層的被氧化的上層部分形成氧化鋁電流阻擋層163，未被氧化的下層部分形成金屬鋁反射層162 (也可稱為包覆鋁層)。氧化鋁層與ρ型氮化鎵層形成三維盒子結(jié)構(gòu)保護(hù)了凹槽內(nèi)的鋁層不被氧化。同時(shí)高溫?zé)嵬嘶鹛幚碇?，鋁層與P型氮化鎵層形成共晶鍵合，形成鋁原子擴(kuò)散層161，使得鋁與ρ型氮化鎵緊密粘合。并且凹槽151也增加了鋁層與P型氮化鎵外延層的接觸面積，從而增大了鋁層與氮化鎵層的粘合力，這些因素的影響下從根本上解決了金屬鋁反射層與P型氮化鎵層接觸時(shí)易脫落的問(wèn)題。
[0050]步驟5:如圖4所示，在步驟4的元件半成品表面采用電子束蒸發(fā)方法依次鍍上透明導(dǎo)電層170和電極焊盤(pán)層，電極焊盤(pán)層包括P極金屬焊盤(pán)181和η極金屬焊盤(pán)182。具體地，在P型氮化鎵層和氧化鋁層上形成一透明導(dǎo)電層，退火，使透明導(dǎo)電層與P型氮化鎵基外延層之間形成歐姆接觸；在透明導(dǎo)電層上形成P極金屬焊盤(pán)181并制作ρ金屬電極，在暴露出的η型氮化鎵層上形成η極金屬焊盤(pán)182并制作η金屬電極，退火后形成良好的發(fā)光元件。
[0051]根據(jù)上述步驟I至5，就可以制備出同時(shí)具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件。由于注入電流均勻地分布在中央局部之外的發(fā)光層中，同時(shí)金屬反射層避免了電極焊盤(pán)對(duì)有源層發(fā)射光的吸收，因此，本實(shí)施例大大地提高了發(fā)光元件的取光效率(即外量子效率)。同時(shí)，本實(shí)施例的反射層和電流阻擋層的制備簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，因此具有成本低的優(yōu)勢(shì)。
[0052]參考圖4，上述方法所制備的發(fā)光元件包括襯底100和依次制備在所述襯底上的緩沖層110、η型氮化鎵層120、有源層130、ρ型限制層140、ρ型氮化鎵層150、鋁鍍層160和透明電流擴(kuò)展層170，所述η型氮化鎵層120上制備有η極金屬焊墊182 (可連接η型金屬電極)，所述透明電流擴(kuò)展層150上制備有ρ極金屬焊墊181 (可連接ρ型金屬電極)。其中，P型氮化鎵層150上表面具有凹槽151，鋁鍍層160填充在凹槽151中并且其厚度略大于凹槽151的深度，使部分金屬鋁鍍層160從凹槽151中溢出。具體地，所述鋁鍍層160包括與鋁原子擴(kuò)散層161、鋁反射層162和氧化鋁層163，其中鋁原子擴(kuò)散層161是鋁層與ρ型氮化鎵層的接觸部位共晶鍵合形成，它是與P型氮化鎵層接觸層，位于鋁反射層162與ρ型氮化鎵層的凹槽151之間，其形狀凹槽151的形狀基本一致。鋁反射層162被鋁原子擴(kuò)散層161中，鋁反射層162上表面具有氧化鋁層163，氧化鋁層163可作為電流阻擋層。
[0053]圖3所示的金屬填充層也可采用與鋁類似的其它反射性金屬或合金，如銀、銠等或者鋁、銀、銠等金屬的合金。僅用來(lái)避免外部因素對(duì)金屬的污染和加大金屬與P型氮化鎵層的接觸面積。
[0054]上述實(shí)施例中，可通過(guò)將金屬反射材料表面氧化后形成的金屬氧化物層，將該金屬氧化物層作為電流阻擋層，金屬反射層與P型氮化鎵層之間的接觸部位共晶鍵合形成金屬原子擴(kuò)散層。在其它實(shí)施例中，也可以采用傳統(tǒng)的電流阻擋層，即通過(guò)直接在金屬反射層上用傳統(tǒng)工藝制備絕緣性氧化物層或致密性金屬層，例如二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、鎘或鉬層等，形成電流阻擋層。
[0055]上述實(shí)施例中，對(duì)于P型氮化鎵層150的凹槽，本實(shí)施例中，凹槽151是一個(gè)形狀與所述P型電極圖案匹配的連續(xù)的凹槽。
[0056]本發(fā)明適用于所有具有電極結(jié)構(gòu)的大功率、小功率、高壓等的芯片結(jié)構(gòu)。
[0057]最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件制造方法，包括下列步驟: 1)在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、η型氮化鎵基外延層、有源層和P型氮化鎵基層； 2)在P型氮化鎵層上表面蝕刻出凹槽； 3)用金屬反射材料填充P型氮化鎵層上的凹槽； 4)制備電流阻擋層，該電流阻擋層覆蓋所述金屬反射材料； 5)在電流阻擋層制備透明導(dǎo)電層，最后再制備P型電極和η型電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述金屬反射材料為鋁、銀、銠或者它們中任意二者或三者的合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟3)中，填充所述凹槽的金屬反射層厚度略大于凹槽深度，使金屬反射層部分從所述凹槽中溢出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟3)中，通過(guò)電子束蒸鍍方法或者磁控濺射方法或者化學(xué)鍍膜方法得到所述金屬反射層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述凹槽的深度不小于50 Α。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，填充所述凹槽的金屬反射層不小于100 Α,
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟4)中，在空氣下對(duì)所述金屬反射層進(jìn)行熱退火處理或者在氧氣環(huán)境下做快速退火，在所填充的金屬反射層表面形成金屬氧化物，該金屬氧化物形成所述電流阻擋層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述凹槽的形狀與P型電極圖案匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述凹槽是一個(gè)形狀與所述P型電極圖案匹配的連續(xù)的凹槽，或者所述凹槽由多個(gè)間隙性柱狀孔洞組成，所述多個(gè)間隙性柱狀孔洞排列成的形狀與所述P型電極圖案匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟4)中，所述電流阻擋層可置換為絕緣性氧化物層或致密性金屬層。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光元件制造方法，其特征在于，所述步驟4)中，所述電流阻擋層可置換為二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、鎘或鉬層。
12.—種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件，其特征在于，該發(fā)光元件按權(quán)利要求1~11中任意一項(xiàng)所述的發(fā)光元件制造方法制成。
13.一種具有反射和電流阻擋特性的發(fā)光元件，包括襯底和依次制備在所述襯底上的緩沖層、η型氮化鎵層、有源層、P型限制層、P型氮化鎵層，P型氮化鎵層上表面具有凹槽，凹槽中具有金屬反射層，金屬反射層上表面制備有電流阻擋層，電流阻擋層上制備透明電流擴(kuò)展層，所述η型氮化鎵層上制備有η極金屬焊墊，所述透明電流擴(kuò)展層上制備有P極金屬焊墊。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述金屬反射層為鋁、銀、銠或者它們中任意二者或三者的合金層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述電流阻擋層為所述金屬反射層的金屬氧化后形成的金屬氧化物層，所述金屬反射層與所述P型氮化鎵層之間形成金屬原子擴(kuò)散層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述金屬反射層為鋁反射層，所述電流阻擋層為氧化鋁層，所述鋁反射層與所述P型氮化鎵層的凹槽之間具有鋁原子擴(kuò)散層。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述電流阻擋層可置換為絕緣性氧化物層或致密性金屬層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述電流阻擋層可置換為二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、鎘或鉬層。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述凹槽的形狀與P型電極圖案匹配。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述凹槽是一個(gè)形狀與所述P型電極圖案匹配的連續(xù)的凹槽，或者所述凹槽由多個(gè)間隙性柱狀孔洞組成，所述多個(gè)間隙性柱狀孔洞排列成的形 狀與所述P型電極圖案匹配。
【文檔編號(hào)】H01L33/14GK103887384SQ201210559322
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】李琦 申請(qǐng)人:廣東量晶光電科技有限公司