一种LED外延结构及其制作方法与流程

本发明涉及led半导体技术领域，具体涉及一种led外延结构及其制作方法。

背景技术

gan材料属于第三代半导体材料，具有禁带宽度大、耐高温、性能稳定等特点等优点。其结构为一种六角纤锌矿。

目前制备gan材料主要采用mocvd(等离子体增强化学的气相沉积法)设备在蓝宝石衬底、si衬底等衬底材料上生长制备。led(发光二级管英文名：lightemittingdiode)是利用gan材料制备而成的半导体器件，广泛应用于日常照明、屏幕显示、交通指示灯、生物医疗、农业等人类生产生活的方方面面，并在其中起着重要的作用。led从芯片结构上分类主要有正装结构、倒装结构、垂直结构三大类，其中正装结构是主流结构。

目前，led主要的技术难点在于亮度提升、性能提升、成本控制等方面。如何提升亮度是led芯片面临的主要技术难点，基于此工程技术人员尝试着在结构、材料、膜系等方面积极探索，如下：

申请号为201610418150.3的发明专利提供一种高亮度青光led外延结构及生长工艺，led外延结构下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底、非掺杂gan层、n型gan层、gan应力释放复合层、多量子阱有源发光层、低温p型gan层、势垒阻挡algan层、高温p型gan层，生长gan应力释放复合层：gan应力释放复合层包括vpu层、vpn层，vpn层gan膜厚度30-50nm，利用tega提供ga源，si掺杂浓度2×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，sih4提供si掺杂；生长多量子阱有源发光层：采取了窄阱宽垒设计，压力在200-250torr之间阱垒厚度在1:5-1:8之间；量子阱发光层由8-15个周期的ingan/gan/gan2阱垒结构组成；本发明可以生长出高亮度的青光led外延片。

申请号为201510738076.9的发明申请公开了一种提高led亮度的外延生长方法，包括步骤：处理蓝宝石衬底；生长低温缓冲层；生长不掺杂si的gan层；生长掺杂si的n型gan层；生长掺杂si的n型gan层；生长应力释放层；生长发光层；生长掺杂mg、al的p型gan层；生长高温掺杂mg的p型gan层；最后降温至650-680℃，保温20-30min，关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。本发明由于周期性生长了ninn/ngan超晶格层作为应力释放出，有效的释放了生长的发光层内部的应力，提高了空穴和电子的复合效率，进而提高内部量子效率。

申请号为201510059259.8的发明提供一种高亮度gan基led外延结构及其制作方法，所述外延结构包括：依次层叠的成核层、未掺杂gan层、n型gan层、超晶格结构、周期性多量子阱结构、algan层、低温p型alingan层、p型电子阻挡层及p型gan层。所述多量子阱结构中的势阱分三步生长，一方面可以减小电子和空穴波函数的空间分离，提高辐射性复合效率；另一方面在量子阱生长过程中先通一段时间in源，可以使in源在量子阱中分布更加均匀，从而进一步提高了发光效率。通过三步生长多量子阱结构的方法实现了亮度的提高和量子效率下降的改善。

为了解决亮度提升的技术难点，设计一种新的led结构及其制作方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种led外延结构，采用包覆式反射电流阻挡层新结构，可以提高电流阻挡层对光的反射，减少电极对光的吸收，进而提升led芯片的亮度，具体技术方案如下：

一种led外延结构，包括包覆式反射电流阻挡层结构，所述包覆式反射电流阻挡层结构包括电流阻挡层以及设置在所述电流阻挡层内部的反射镜。反射镜的设置，与电流阻挡层的结合，此复合结构既能够提高电流阻挡层对光的反射作用且又能够减少电极对光的吸收，使得led外延结构的亮度得到大大提高。包覆式反射电流阻挡层结构采用电流阻挡层和反射镜的结合，具有镜面反射和漫反射的双重作用，对光的反射率高，与传统的氧化硅膜层比较，本发明的包覆式反射电流阻挡层结构反射效果要高出20-30％。

以上技术方案中优选的，所述反射镜被所述电流阻挡层完全包覆住设置。采用完全包覆结构，既能提高反射效果，又能保护内部的反射镜不被腐蚀、氧化等(反射镜采用比较活泼的金属或合金)，提高产品的可靠性(如使用寿命等等)。如果反射镜不被完全包覆，反射镜势必被腐蚀、氧化等，电流阻挡层对光的反射率也会降低且产品的使用寿命也会大大缩短。

以上技术方案中优选的，所述反射镜的边缘到所述电流阻挡层的边缘的距离为400-1000埃米，优选600-800埃米，更优选650-700埃米。充分发挥电流阻挡层和反射镜的相互作用，提高产品的亮度。

以上技术方案中优选的，所述反射镜的材料为铝或铝合金。既能对光具有很好的反射率，又兼顾制作成本，实用性强。铝合金也可以是铜铝合金(即铝原料中掺杂微量的铜)。

以上技术方案中优选的，所述反射镜的形状为长方体、正方体、圆柱体以及多面体中的至少一种；所述反射镜的厚度为200-600埃米，优选的300-500，更优选的400-450。反射镜的厚度选择合适，rta(快速热退火，温度575摄氏度，10分钟)合金过程中不会团聚，增强对光的镜面反射和漫反射。反射镜不能太大，太大不利于全包覆制作，反射镜裸露会影响产品的性能。

以上技术方案中优选的，所述电流阻挡层的材质为二氧化硅；所述电流阻挡层的厚度为400-2000埃米，优选的600-1500埃米，更优选的800-1200埃米。电流阻挡层厚度合适，能够很好地实现对反射镜的包覆。

以上技术方案中优选的，还包括衬底处理、生长缓冲层、生长n型半导体层、生长多量子阱层、生长p型半导体层、生长电流扩展层、制作p电极和n电极以及生长透明绝缘层；

所述缓冲层、n型半导体层、多量子阱层以及p型半导体层依次设置在所述衬底上；

所述包覆式反射电流阻挡层结构位于所述p型半导体层和电流扩展层之间；

所述透明绝缘层设置在所述电流扩展层和n型半导体层上；

所述p电极同时设置在所述p型半导体层、电流阻挡层以及电流扩展层上(可优选p电极位置位于所述p型半导体层上，p电极线贯穿所述电流阻挡层位于电流扩展层上)；

所述n电极设置在所述n型半导体层上。

以上技术方案中优选的，所述衬底的材质为蓝宝石衬底、硅衬底以及碳化硅衬底中的至少一种；

所述缓冲层的厚度为20-40nm；

所述n型半导体层为n型氮化镓层，其厚度为2-4μm；

所述多量子阱层的厚度为2.5-3.5nm；

所述p型半导体层为p型氮化镓层，其厚度为50-100nm；

所述电流扩展层为ito层，其厚度为330-3000埃米；

所述透明绝缘层的材质为二氧化硅以及氮化硅中的至少一种，其厚度为500-3000埃米。

本发明还公开一种上述任意一种led外延结构的制作方法，包括制作包覆式反射电流阻挡层结构，具体是：

首先，生长第一电流阻挡层；

其次，采用蒸镀工艺和黄光光刻工艺(为常规技术，包括匀胶、曝光、显影、坚膜等步骤)在第一电流阻挡层上制作出反射镜；

最后，在具有发射镜结构的第一电流阻挡层上生长第二电流阻挡层对反射镜进行完全包覆，得到包覆式反射电流阻挡层结构。

以上技术方案中优选的，还包括在衬底上制作缓冲层、n型半导体层、多量子阱层、p型半导体层、电流扩展层、透明绝缘层、p电极以及n电极，具体是：

在所述衬底上通过mocvd设备依次生长出缓冲层、n型半导体层、多量子阱层以及p型半导体层，得到led外延片；

在led外延片生长包覆式反射电流阻挡层结构，其中：第一电流阻挡层的厚度为400-1000埃米；反射镜的厚度为200-600埃米；蒸镀过程中镀锅转速为3-8转/min，合金的镀率为1-6a/s；黄光光刻工艺中黄光曝光量为100-140mj/cm²之间，曝光间距为15-30μm，黄光坚膜温度为140-160℃；反射镜的形貌为长方体、正方体、多面体以及圆柱体中的至少一种；第二电流阻挡层的厚度为400-1000埃米；

在led外延片和包覆式反射电流阻挡层结构上溅射一层ito作为电流扩展层；再通过黄光光刻工艺和蚀刻工艺制备成电流扩展层形貌；

利用黄光光刻工艺和icp刻蚀工艺刻蚀出n型半导体层及芯片形貌；

利用金属蒸镀的方法在电极位置蒸镀一层电极，金属电极的厚度为1.2-2.5um；经过炉管合金工艺，在300℃-350℃之间进行金属合金，形成合金电极；

在电极以外区域采用pecvd设备和黄光光刻工艺，制备出透明绝缘层，得到led外延结构。

还包括后续工艺，如研磨、精抛、切割、裂片、点测、分选等步骤，此些步骤为现有制作led芯片的常规步骤。

应用本发明的led外延结构的制作方法，效果是：制作工艺路线简单，有利于产业化；制作工艺中采用现有技术中成熟工艺(如蒸镀工艺、黄光光刻工艺、蚀刻工艺等)以及成熟的设备(pecvd设备)，技术参数容易控制，操作方便；采用本发明制作方法获得的led外延结构的led芯片产品，亮度得到大大提高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的led外延结构结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中包覆式反射电流阻挡层结构的示意图；

其中，1、衬底，2、缓冲层，3、n型半导体层，4、多量子阱层，5、p型半导体层，6、包覆式反射电流阻挡层结构，6.1、电流阻挡层，6.2、反射镜，7、电流扩展层，8、透明绝缘层，9、p电极，10、n电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1-图2，一种led外延结构，包括衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4、p型半导体层5、包覆式反射电流阻挡层结构6、电流扩展层7、透明绝缘层8、p电极9以及n电极10，详情如下：

所述衬底1的材质为蓝宝石衬底、硅衬底以及碳化硅衬底中的至少一种，此处优选蓝宝石衬底。所述缓冲层2的的厚度为20-40nm。所述n型半导体层3为n型氮化镓层，其厚度为2-4μm。所述多量子阱层4的厚度为2.5-3.5nm。所述p型半导体层5为p型氮化镓层，其厚度为50-100nm。

所述包覆式反射电流阻挡层结构包括电流阻挡层6.1以及设置在所述电流阻挡层内部的反射镜6.2，详见图1和图3，优选的：所述电流阻挡层6.1的材质为二氧化硅；所述电流阻挡层6.1的厚度为400-2000埃米；所述反射镜6.2被所述电流阻挡层6.1完全包覆住设置，所述反射镜6.2的边缘到所述电流阻挡层6.1的边缘的距离为400-1000埃米(图3中可选：所述反射镜6.2的上端边缘到所述电流阻挡层6.1的上端边缘的距离d1以及所述所述反射镜6.2的测面边缘到所述电流阻挡层6.1的侧面边缘的最小距离d2均为400埃米；所述反射镜6.2的下端边缘到所述电流阻挡层6.1的下端边缘的距离d3为1000埃米)；所述反射镜6.2的材料为铝或铝合金，所述反射镜6.2的形状为长方体、正方体、圆柱体以及多面体中的至少一种(还可以根据需求加工成其他不规则形状)，所述反射镜6.2的厚度为200-600埃米。

所述电流扩展层7为ito层，其厚度为330-3000埃米。

所述透明绝缘层8的材质为二氧化硅和/或者氮化硅，其厚度为500-3000埃米。

所述缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4以及p型半导体层5依次设置在所述衬底1上；所述包覆式反射电流阻挡层结构6位于所述p型半导体层5和电流扩展层7之间；所述透明绝缘层8设置在所述电流扩展层7和n型半导体层3上；所述p电极9同时设置在所述p型半导体层5、电流阻挡层6.1以及电流扩展层7上(此处优选的：p电极位置位于所述p型半导体层上，p电极线贯穿所述电流阻挡层位于电流扩展层上)；所述n电极10设置在所述n型半导体层3上。

上述led外延结构的制作方法，具体包括以下步骤：

1、在所述衬底1上通过mocvd设备依次生长出缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4以及p型半导体层5，得到led外延片；具体生长过程可参照现有技术(此处公开其中一种)，如：在1000-1100℃的的氢气气氛下，通入100-130l/min的h2，保持反应腔压力100-300mbar，处理蓝宝石衬底8-10分钟；降温至500-600℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的nh3、50-100sccm的tmga、100-130l/min的h2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层；升高反应腔温度至1000-1200℃，升高反应腔压力至300-600mbar，通入流量为30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2、20-50sccm的sih4，持续生长2-4μm掺杂si的n型gan层，si掺杂浓度5×10¹⁸atoms/cm³-1×10¹⁹atoms/cm³；保持反应腔压力300-400mbar、温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-40sccm的tmga、1500-2000sccm的tmin、100-130l/min的n2，生长掺杂in的2.5-3.5nminxga(1-x)n层，所述x在0.20-0.25之间，发光波长450-455nm；升高温度750-850℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的n2，生长8-15nmgan层；然后重复生长inxga(1-x)n层，重复生长gan层，交替生长inxga(1-x)n/gan发光层，控制周期数为7-15；升高反应腔压力至400-900mbar、温度升高至950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的h2、1000-3000sccm的cp2mg，持续生长50-100nm的高温掺杂mg的p型gan层，mg掺杂浓度1×10¹⁹atoms/cm³-1×10²⁰atoms/cm³。

2、在led外延片上制作包覆式反射电流阻挡层结构6，具体是：首先，生长第一电流阻挡层(蒸镀或者溅射第一ito层)，第一电流阻挡层的厚度为400-1000埃米；其次，采用蒸镀工艺和黄光光刻工艺在第一电流阻挡层上制作出反射镜，其中：反射镜的厚度为200-600埃米；蒸镀过程中镀锅转速为3-8转/min，合金的镀率为1-6a/s；黄光光刻工艺中黄光曝光量为100-140mj/cm²之间，曝光间距为15-30μm，黄光坚膜温度为140-160℃；反射镜的形貌为长方体、正方体、多面体以及圆柱体中的至少一种；最后，在具有发射镜结构的第一电流阻挡层上生长第二电流阻挡层(蒸镀或者溅射第二ito层)对反射镜进行完全包覆，得到包覆式反射电流阻挡层结构6，其中：第二电流阻挡层的厚度为400-1000埃米。蒸镀和溅射是两种不同的方法制备ito层，都可以实现ito层的制作，溅射比蒸镀要好。

3、在led外延片和包覆式反射电流阻挡层结构6上溅射一层ito作为电流扩展层7；再通过黄光光刻工艺和蚀刻工艺制备成电流扩展层形貌，具体是采用现有常规方法制作：通过黄光匀胶(转速为2000rpm，时间为20秒)，曝光(曝光量100mj/cm²)，显影(3分钟)，利用ito蚀刻液腐蚀100秒左右。

4、利用黄光光刻工艺和icp刻蚀工艺刻蚀出n型半导体层3及芯片形貌，采用现有工艺完成。icp刻蚀工艺主要是利用等离子体刻蚀。

5、利用金属蒸镀的方法在电极位置蒸镀一层电极，金属电极的厚度为1.2-2.5um；经过炉管合金工艺，在300℃-350℃之间进行金属合金，形成合金电极，具体是采用现有工艺制作。

6、在电极以外区域采用pecvd设备和黄光光刻工艺，制备出透明绝缘层8，得到led外延结构，具体是采用现有工艺制作。

7、再经过后续工艺(如研磨、精抛、切割、裂片、点测、分选等步骤)，得到led芯片。具体采用与现有技术中相同的工艺，如：切割成635μm×635μm(25mil×25mil)的芯片颗粒，各自挑选100颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白色led，然后采用积分球在驱动电流条件下测试性能，本实施例所得led芯片的性能详见表1所示。

表1实施例1与对比例1-2的性能比较表

从表1中看出：

结合实施例1和对比例1可知，本发明技术方案与现有技术比较，本发明方案所得led产品的亮度比现有技术亮度高，具体提高2.1％。

结合实施例1和对比例2可知：本发明技术方案中反射镜完全被电流阻挡层包覆很重要，若不完全包覆(详见对比例2)，所得led产品的亮度与本发明所得led产品亮度相当，但是使用寿命与本发明所得产品比较明显缩短，产品的可靠性受到大大影响。

对比例1：

对比例1与实施例1不同之处为：将包覆式反射电流阻挡层结构替换为普通的电流阻挡层，无反射镜。

对比例2：

对比例2与实施例1不同之处为：包覆式反射电流阻挡层结构中的反射镜不是被电流阻挡层完全包覆，部分裸露。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。