CN102376830B - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管，包括基板、缓冲层、半导体层及半导体发光结构，缓冲层位于基板之上，半导体层位于缓冲层之上，半导体发光结构位于半导体层上，所述半导体层内掩埋若干空隙。与现有技术相比，本发明的发光二极管的半导体层内部掩埋空隙，空隙可以反射半导体发光结构朝向基板一侧发出的光线，从而提高光取出效率。本发明还公开一种发光二极管制造方法。

Description

发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
在现有技术中，发光二极管一般包括基板、成长在所述基板上的氮化镓(GaN)缓冲层、成长在所述氮化镓(GaN)缓冲层上的的半导体发光结构。上述发光二极管的结构容易产生以下问题：所述发光结构朝向基板一侧发出的光线进入基板后，被限制在基板内直到能量消耗殆尽，从而造成光损失，影响发光二极管的光取出效率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有较高光取出效率的发光二极管及其制造方法。
一种发光二极管，包括基板、缓冲层、半导体层及半导体发光结构，缓冲层位于基板之上，半导体层位于缓冲层之上，半导体发光结构位于半导体层上，所述半导体层内掩埋若干空隙。
与现有技术相比，本发明的发光二极管的半导体层内部掩埋空隙，空隙可以反射半导体发光结构朝向基板一侧发出的光线，从而提高光取出效率。
一种发光二极管制造方法，其包括以下步骤：提供基板；于基板上形成阵列分布的若干柱体，相邻柱体之间间隔形成间隙；高温下重新生长所述阵列分布的若干柱体以将相邻柱体之间的间隙内的空气与外界隔离为若干空隙，从而形成内部掩埋若干空隙的半导体层；于所述半导体层上形成一半导体发光结构；所述若干空隙弥散分布于高温下重新生长后的所述半导体层内,所述若干空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近于所述半导体发光结构，所述一部分空隙与所述其他空隙错落分布。其中,于基板上形成阵列分布的若干柱体包括以下步骤：于基板上形成一缓冲层；于缓冲层上形成一半导体层；于所述半导体层上形成金属层；将该金属层高温热处理以形成金属掩膜；蚀刻所述半导体层未被所述金属掩膜遮蔽的部分以形成阵列分布的若干柱体；以及去除金属掩膜。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施方式中的发光二极管的剖面示意图。
图2为本发明的一较佳实施方式中在基板上形成缓冲层、半导体层及金属层后的剖面示意图。
图3为图2中形成金属掩膜后的剖面示意图。
图4为图3中蚀刻半导体层后的剖面示意图。
图5为图4中去除金属掩膜后的剖面示意图。
图6为图5的半导体层在电子显微镜下的俯视图。
图7为图5的半导体层在电子显微镜下的纵向剖视立体图。
主要元件符号说明
发光二极管            10
基板                  100
缓冲层                200
露出部分              201
没有露出部分          202
半导体层              300、400
柱体                  301
间隙                  302
界面                  411
空隙                  413、4130、4131
半导体发光结构        500
n型半导体层           510
发光层                520
p型半导体层           530
露出部分              601
没有露出部分          602
金属层                700
金属掩膜              701
孔洞                  702
金属颗粒              703
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施方式提供的发光二极管10包括一基板100、一成长在所述基板100上的缓冲层200、一成长在所述缓冲层200上的具有若干空隙(air-void)413的半导体层400、一成长在所述半导体层400上的半导体发光结构500。
所述基板100的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅等材料构成。在本实施方式中所述基板100的材料为蓝宝石。
缓冲层200的材料可以为氮化物，例如GaN、AlN、InN、MgxNy/GaN、SixNy/GaN、InxGa1-xN/InyGa1-yN及InxAlyGa1-x-yN的任意一项组合，缓冲层200的厚度优选为20nm-30nm。
半导体层400没有掺杂杂质，半导体层400的材料可以为GaN、AlN、InN及InxAlyGa1-x-yN的任意一项组合。半导体层400朝向发光结构500具有一界面411。若干空隙413呈弥散状掩埋于半导体层400内。该若干空隙413中至少一部分在基板100上的投影重叠。进一步而言，该若干空隙413中的一部分空隙4130比其它空隙4131靠近于所述半导体发光结构500，该一部分空隙4130与其他空隙4131错落分布。所述半导体发光结构500射向基板100的部分光线被空隙4130反射，然，相邻空隙4130之间不存在全反射结构，其他光线射过相邻空隙4130之间且继续射向基板100。空隙4131起到补充反射的作用，空隙4131进一步反射射过相邻空隙4130之间的光线。
所述半导体发光结构500包括形成在所述半导体层400的界面411上的n型半导体层510、形成在所述n型半导体层510上的发光层520以及形成在所述发光层520上的p型半导体层530。n型半导体层510、发光层520及p型半导体层530的材料为氮化物，所述发光层520可以为单异质结构、双异质结构、单量子井结构或是多重量子井结构。
请一并参阅图2-图7，本发明实施方式提供的一种发光二极管的制造方法包括以下几个步骤：
提供一基板100。
于基板100上形成一缓冲层200，缓冲层200的生长温度大约为450摄氏度-800摄氏度，缓冲层200的厚度优选为20nm-30nm。
于缓冲层200上形成一半导体层300，该半导体层300的生长温度为450摄氏度-1000摄氏度，其生长优选温度为700摄氏度-800摄氏度，半导体层300的厚度优选为150nm-250nm。
于该半导体层300上形成一金属层700，该金属层700的材料可以为镍、铂、金或者铬，金属层700的厚度为10nm-500nm，优选为50nm-100nm。
将该金属层700高温热处理以形成金属掩膜701(metal hard mask)，金属掩膜701上具有使得部分半导体层300露出的若干孔洞702。具体而言，将上述步骤的产物在氮气环境下高温热处理，温度为500摄氏度-1000摄氏度，热处理时间为2-10分钟。进一步而言，高温热处理的温度优选为800摄氏度-1000摄氏度，高温处理的时间优选为7-10分钟。金属层700在高温热处理过程中由于内聚效应形成金属掩膜701，该金属掩膜701包括若干阵列排布的金属颗粒703(self-assembled nanocluster)，相邻金属颗粒703间隔形成孔洞702，金属颗粒703的直径可以为50nm-100nm，孔洞702的直径可以为50nm-100nm，半导体层300的露出部分601通过孔洞702与外界接触，半导体层300的没有露出部分602被金属颗粒703覆盖。
蚀刻半导体层300。金属掩膜701的金属颗粒703覆盖半导体层300的没有露出部分601，故半导体层300的没有露出部分601不被蚀刻；半导体层300的露出部分602沿金属掩膜701的孔洞702方向被蚀刻，从而半导体层300仅留下被金属颗粒703覆盖的没有露出部分602以形成分布于缓冲层200上的柱体301，即半导体层300被有选择性蚀刻成阵列分布的若干柱体301，相邻柱体301相互间隔形成间隙302(请一并参阅图6-图7)，间隙302的密度与金属颗粒703分布在半导体层300上的密度相关。柱体301的顶端被金属掩膜701披覆。在本实施方式中，半导体层300的露出部分602被蚀刻至缓冲层200，使得部分的缓冲层200露出，缓冲层200的露出部分201通过该若干间隙302与外界接触，缓冲层200的没有露出部分202被柱体301披覆。在其他实施方式中，半导体层300的露出部分602沿孔洞702方向亦可仅被部分蚀刻，而不被蚀刻至缓冲层200。上述实施方式均使得半导体层300被有选择性蚀刻成阵列分布的若干柱体301。蚀刻的方法可以采用湿式蚀刻或者干式蚀刻。
去除金属掩膜701，使得半导体层300的柱体301的顶端与外界接触。
高温下重新生长半导体层300从而得到掩埋空隙413的半导体层400，重新生长的温度优选为1000摄氏度以上。具体而言，将半导体层300放入金属有机化学气相沉积反应器中，在高温环境下半导体层300再次生长并再结晶(recrystalizing)，半导体层300的外侧相对其内部较早接触反应气体，半导体层300的外侧的反应速度相对较快，在间隙302内的空气被完全排出之前，半导体层300的外侧已经闭合使得半导体层300内部与外界隔离，且半导体层300的顶端闭合形成界面411，从而间隙302内的空气不能被完全排出，最终残留在半导体层400的空气即为空隙413，空隙413最终呈弥漫状(不规则地)分布于半导体层400中。
于半导体层400的界面411上形成一半导体发光结构500，其采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延生长(MBE)制程工艺。
半导体层400内部掩埋空隙413，基于全反射原理，所述发光层520朝向缓冲层200发出的一部分光线在半导体层400被空隙413反射至所述发光二极管10的出光侧，减少射向缓冲层200以及基板100的光线，从而提升了所述发光二极管10的光取出效率。进一步而言，本发明采用金属热处理工艺形成金属掩膜701，完全不同于现有的半导体黄光微影制程，并且本发明的金属掩膜701的孔洞702相对较小，使得最终形成的空隙413相对较密，进一步提高光取出效率。
更进一步而言，空隙413呈三维立体态分布于半导体层400内，即使半导体发光结构500射向基板100的部分光线射过相邻空隙4130之间，位于空隙4130下方的空隙4131进一步反射射过相邻空隙4130之间的光线，起到补充反射作用，更进一步提高光取出效率。
另，由于半导体层400经过高温重新生长，所以半导体层400具有较佳的晶格品质，从而生长在界面411上的半导体发光结构500亦具有较佳的晶格品质。
上述发光二极管的制造方法中采用有机化学气相沉积(MOCVD)和蚀刻的方法获得阵列分布的若干柱体301，亦可以采用分子束磊晶(MBE)的方法直接在基板100上形成阵列分布的若干柱体301，而无需形成金属掩膜701、蚀刻半导体层300和去除金属掩膜701的步骤，具体可参阅E.Calleja等人在文献Physical Review B,Vol.62,No.24(2000年12月)中发表的“LuminescenceProperties and Defects in GaN Nanocolumns Grown by Molecular Beam Epitaxy”一文。后续的高温下重新生长及形成半导体发光结构500的步骤如前所述，在此不予赘述。

Claims (10)

1.一种发光二极管制造方法，其包括以下步骤：
提供基板；
于基板上形成阵列分布的若干柱体，相邻柱体之间间隔形成间隙；
高温下重新生长所述阵列分布的若干柱体以将相邻柱体之间的间隙内的空气与外界隔离为若干空隙，从而形成内部掩埋若干空隙的半导体层；
于所述半导体层上形成一半导体发光结构；
所述若干空隙弥散分布于高温下重新生长后的所述半导体层内,所述若干空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近于所述半导体发光结构，所述一部分空隙与所述其他空隙错落分布；
其中,于基板上形成阵列分布的若干柱体包括以下步骤：
于基板上形成一缓冲层；
于缓冲层上形成一半导体层；
于所述半导体层上形成金属层；
将该金属层高温热处理以形成金属掩膜；
蚀刻所述半导体层未被所述金属掩膜遮蔽的部分以形成阵列分布的若干柱体；以及去除金属掩膜。
2.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于：高温下重新生长后的所述半导体层的外侧闭合使得所述半导体层内部与外界隔离。
3.如权利要求2所述的发光二极管制造方法，其特征在于：高温下重新生长后的所述半导体层的顶端闭合形成一界面。
4.如权利要求1中所述的发光二极管制造方法，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叠。
5.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于：高温下重新生长所述阵列分布的若干柱体的温度大于1000摄氏度。
6.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于：于缓冲层上形成所述半导体层的温度为450摄氏度-1000摄氏度。
7.如权利要求6所述的发光二极管制造方法，其特征在于：于缓冲层上形成所述半导体层的温度为700摄氏度-800摄氏度。
8.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于：所述半导体层的厚度为150nm-250nm。
9.如权利要求1所述的发光二极管制造方法，其特征在于：所述金属掩膜包括若干阵列排布的金属颗粒，相邻金属颗粒间隔形成孔洞。
10.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于：所述金属颗粒的直径介于50nm-100nm之间，所述孔洞的直径介于50nm-100nm之间。
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