专利名称：具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管，尤其是一种具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光 二极管及其制作工艺。
背景技术：
发光二极管(英文为Light Emitting Diode，简称LED)是利用半导体的P-N结电 致发光原理制成的一种半导体发光器件。LED具有无污染、亮度高、功耗小、寿命长、工作电 压低、易小型化等优点。自20世纪90年代氮化镓(GaN)基LED开发成功以来，随着研究 的不断进展，其发光亮度也不断提高，应用领域也越来越广。随着功率型GaN基LED的效率 不断提升，用GaN基LED半导体灯替代现有的照明光源将成为势不可挡的趋势。然而半导 体照明要进入千家万户，还有许多问题需要解决，其中最核心的就是生产成本和发光效率。目前，适合商用的蓝绿光LED都是基于GaN的III-V族化合物半导体材料。市场上 销售的GaN基LED外延生长大部分是采用蓝宝石(Al2O3)衬底或碳化硅(SiC)衬底制备的。 SiC衬底非常昂贵，用其制备的LED成本很高；而蓝宝石的晶格常数和热膨胀系数与GaN相 比相差很大，导致了 GaN基生长层的穿透位错密度高达IO8 IOicicnT2。高位错密度的存在 限制了其光电子器件性能的进一步提高，因此提高发光效率和提升使用寿命必须设法降低 衬底与GaN之间的位错密度。有改善LED发光效率的方法主要有采用图形衬底、透明衬底、分布布拉格反射镜 (英文为Distributed Bragg Reflector，简称DBR)结构、表面微结构、倒装芯片、芯片键合、 激光剥离技术等。其中较广泛使用的蓝宝石图形衬底技术(英文为Patterned Sapphire Substrates，简称PSS)，即在蓝宝石衬底上制作图形化的掩膜，通常采用的是二氧化硅 (SiO2)或金属掩膜；刻蚀蓝宝石；去掉掩膜，得到凹凸图案的蓝宝石衬底(参见文献[1] S Kitamuraj K Hiramatsu and N Sawaki. Fabrication of GaN hexagonal pyramids on dot-patterned GaN/sapphire substrates via selective metalorganic vapor phase epitaxy [J]. Jpn. J. App 1. Phys.，1995，34: L1184 - L1186 ; [2] W K Wang, D S Wuuj S H Linj et al. Efficiency Improvement of Near-Ultraviolet InGaN LEDs Using Patterned Sapphire Substrates[J]. IEEE Photo. Technol. Lett.，2005， 17(2): 288-290 )。但由于蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法腐蚀，整片图形做好一致 性、均勻性都有一定难度，制作过程对设备和工艺要求很高，PSS衬底价格偏高，LED生产成 本也较高。
中国发明专利申请(CN101388427)所公开的一种发光二极管元件的制造方法，结 合磊晶方式及蚀刻方式，使该发光二极管磊晶层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结 构形状，使发光二极管磊晶层结构成为非矩形的斜面，由此改善发光二极管组件界面全反 射的现象。但该发明仅通过改变磊晶层的侧面形状进而降低全反射，并未形成贯穿孔洞结 构，故其光取出率的提高受一定限制。
发明内容
为解决上述发光二极管的所存在的问题，本发明旨在提供一种具有双层交错贯穿 孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺。本发明可以有效地降低氮化镓基外延生长中的 位错密度、提高晶格质量，并具有改善光电器件的性能、提高发光效率的优点。为达到上述目的，本发明提供的是外延层侧面具有双层交错贯穿孔洞结构的氮化 镓基发光二极管，其包括衬底及形成于衬底上的第一外延层、第二外延层，该第一外延层包 含P-GaN层，第二外延层包含P-GaN层、发光区和N-GaN层，第二外延层上设置有导电层， 导电层上设置有P电极，N-GaN层上设置有N电极，其特征在于发光二极管第一外延层及 第二外延层侧面具有双层十字交错排列的贯穿孔洞结构。制备上述具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺，其步骤如 下
1)在衬底上镀第一过渡层；
2)通过光罩、蚀刻，得第一图形化过渡层；
3)在第一图形化过渡层长第一外延层；
4)在第一外延层上镀第二过渡层；
5)通过光罩、蚀刻，得与第一图形化过渡层成十字交错排列的第二图形化过渡
层；
6)在第二图形化过渡层长第二外延层；
7)在第二外延层上镀保护层；
8)切割出所定义尺寸的芯粒；
9)通过湿蚀刻，去除衬底上的第一图形化过渡层、第二图形化过渡层及第二外延 层上的保护层，形成双层十字交错排列的贯穿孔洞结构；
10)在第二外延层上制作导电层；
11)通过光罩、蚀刻工艺制作P电极和N电极。本发明中的衬底材料选用蓝宝石或碳化硅，过渡层选自Si02、SiNx, TiO2或前述的 任意组合之一；第一图形化过渡层、第二图形化过渡层均呈周期性分布，并且第一图形化过 渡层的形状、第二图形化过渡层的形状均为矩形或多边形；保护层选自Si02、SiNx, TiO2或 前述的任意组合之一；芯粒切割方法选用激光切割或钻石刀切割；孔洞呈周期性分布；孔 洞的形状为矩形或除矩形外的多边形；湿蚀刻采用的蚀刻液选自HF、NH4F, CH3COOH, H2SO4, H2O2或前述的任意组合之一；导电层材料选自Ni/Au合金、Ni/ITO合金、ITO或前述的任意 组合之一。本发明的有益效果是本发明使发光二极管芯粒形成具有双层十字交错贯穿孔洞 结构，有效地降低GaN基外延生长中的位错密度、改善晶格质量、提升光电器件的性能、提 高发光效率。
图1 图10是本发明制作具有低折射率孔洞的氮化镓基发光二极管的流程剖视 4图11是本发明实施例图2的俯视图12是本发明实施例图4第二过渡层通过光罩、蚀刻后得到的第二图形化过渡层的俯 视图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作 工艺进一步说明。如图1所示，在蓝宝石衬底201上镀SiNx第一过渡层202。如图2、图11所示，通过光罩、蚀刻，得呈周期性分布的矩形状第一图形化 渡层203。如图3所示，在第一图形化SiNx过渡层203层生长第一外延层，其中第一外延层 由P-GaN层204组成。如图4所示，在第一外延层204上镀第二过渡层205。如图12所示，通过光罩、蚀刻，得与第一 SiNx图形化过渡层203和成十字交错排 列的第二图形化SiNx过渡层206。如图5所示，在第二图形化SiNx过渡层206上生长第二外延层；其中第二外延层 由P-GaN层207、发光区208和N-GaN层209组成。如图6所示，在第二外延层上镀SiO2保护层210。如图7所示，采用钻石刀切割出所定义尺寸的芯粒。如图8所示，通过湿蚀刻，去除蓝宝石衬底201上的第一 SiNx图形化过渡层203、 第二图形化SiNx过渡层206及第二外延层上的保护层210，形成双层十字交错贯穿的呈周 期性分布的孔洞结构211，湿蚀刻采用的蚀刻液由HF、NH4F、CH3C00H、H2SO4、H2O2组成。如图9所示，在第二外延层上制作Ni/ITO合金导电层212。 如图10所示，通过光罩、蚀刻工艺制作P电极213和N电极214。如图10所示，依照上述工艺制备的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极 管，包括蓝宝石衬底201及形成于蓝宝石衬底201上的第一外延层204、第二外延层，该第 一外延层包含P-GaN层，第二外延层包含P-GaN层207、发光区208和N-GaN层，第二外延 层上设置有导电层，导电层上设置有P电极213，N-GaN层209上设置有N电极214，发光二 极管第一外延层204及第二外延层侧面具有双层十字交错排列的贯穿孔洞结构。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的普通技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化；因此，所有等 同的技术方案均属本发明的保护范畴，由各权利要求限定。
权利要求
具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管，包括衬底及形成于衬底上的第一外延层、第二外延层，该第一外延层包含P GaN层，第二外延层包含 P GaN 层、发光区和N GaN 层，第二外延层上设置有导电层，导电层上设置有P电极，N GaN 层上设置有N电极，其特征在于发光二极管第一外延层及第二外延层侧面具有双层十字交错排列的贯穿孔洞结构。
2.具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺，其步骤如下1)在衬底上镀第一过渡层；2)通过光罩、蚀刻，得第一图形化过渡层；3)在第一图形化过渡层长第一外延层；4)在第一外延层上镀第二过渡层；5)通过光罩、蚀刻，得与第一图形化过渡层成十字交错排列的第二图形化过渡层；6)在第二图形化过渡层长第二外延层；7)在第二外延层上镀保护层；8)切割出所定义尺寸的芯粒；9)通过湿蚀刻，去除衬底上的第一图形化过渡层、第二图形化过渡层及第二外延 层上的保护层，形成双层十字交错排列的贯穿孔洞结构；10)在第二外延层上制作导电层；11)通过光罩、蚀刻工艺制作P电极和N电极。
3.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于衬底材料选用蓝宝石或碳化硅。
4.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于过渡层选自Si02、SiNx, TiO2或前述的任意组合之一。
5.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于第一图形化过渡层、第二图形化过渡层均呈周期性分布。
6.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于第一图形化过渡层的形状、第二图形化过渡层的形状均为矩形或多边形。
7.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于保护层选自Si02、SiNx, TiO2或前述的任意组合之一。
8.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于芯粒切割方法选用激光切割或钻石刀切割。
9.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺， 其特征在于孔洞呈周期性分布。
10.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工 艺，其特征在于孔洞的形状为矩形或除矩形外的多边形。
11.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工 艺，其特征在于湿蚀刻采用的蚀刻液选自HF、NH4F、CH3COOH、H2SO4、H2O2或前述的任意组合之O
12.如权利要求2所述的具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工 艺，其特征在于导电层材料选自Ni/Au合金、Ni/ITO合金、ITO或前述的任意组合之一。
全文摘要
具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺，在衬底上镀第一过渡层；通过光罩、蚀刻得第一图形化过渡层；在第一图形化过渡层长第一外延层；第一外延层上镀第二过渡层；通过光罩、蚀刻，得与第一图形化过渡层成十字交错排列的第二图形化过渡层；在第二图形化过渡层长第二外延层；第二外延层上镀保护层；切割出所定义尺寸的芯粒；通过湿蚀刻去除衬底上的第一图形化过渡层、第二图形化过渡层及第二外延层上的保护层，形成双层十字交错排列的贯穿孔洞结构；在第二外延层上制作导电层；通过光罩、蚀刻制作P电极、N电极。本发明芯粒的双层十字交错贯穿孔洞结构，有效降低GaN基外延生长中的位错密度、改善晶格质量、提高发光效率。
文档编号H01L33/20GK101931039SQ20101025999
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者吴志强, 林素慧 申请人:厦门市三安光电科技有限公司