专利名称：发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术：
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用 于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其 中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱 和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件 领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。然而，目前半导体发光二极管存在着发光效率低的问题。对于普通的未经封装的 发光二极管，其出光效率一般只有百分之几，大量的能量聚集在器件内部不能出射，既造成 能量浪费，又影响器件的使用寿命。因此，提高半导体发光二极管的出光效率至关重要。基于上述的应用需求，许多种提高发光二极管出光效率的方法被应用到器件结构 中，例如表面粗糙化法，金属反射镜结构等。在申请号为200510066898. 3的中国专利中公开了一种全角度反射镜结构GaN基 发光二极管及其制作方法。参考图1，所述发光二极管包括衬底1、生长在衬底1上的全角 度反射镜4、以及制作在全角度反射镜4上的GaN LED芯片13。所述GaN LED芯片13包括 蓝宝石衬底5、N型GaN层6、有源区量子阱层7、P型GaN层8、P型电极9、P型焊盘10、N型 电极U、N型焊盘12 ；其中，所述全角度反射镜4生长在衬底1上，其是由高折射率3和低 折射率2堆叠排列成的，高折射率层3与蓝宝石衬底5接触，低折射率层2和衬底1接触， 高折射率层的折射率nH >低折射率层的折射率& >蓝宝石材料的折射率n，且满足θ
< 9,，其中，11、1111、1^为折射率。该专利通过在发光二极管下表面形成全角度反射镜结构， 可以将GaN材料所发光在全角度范围内以高反射率向上反射，来提高发光二极管的出光效 率。然而，该发光二极管制造方法需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠 而成的薄膜结构，制作工艺非常复杂，制作成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管，以解决现有的发光二极管出光效率低的 问题。本发明的另一目的在于提供一种制作工艺简单的发光二极管制造方法，以提高发 光二极管的出光效率。为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，包括蓝宝石衬底；依次位于 所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，所述蓝宝石衬底在靠近外延层的表面 上具有多个锥形结构。在所述的发光二极管中，所述锥形结构为四棱锥结构，所述四棱锥结构的底面为 正方形，四个倾斜面为大小相等的等腰三角形，相邻的四棱锥结构共用一个边，且相邻的四棱锥结构之间的夹角为60度 120度。在所述的发光二极管中，所述锥形结构为三棱锥结构、六棱锥结构、八棱锥结构或 圆锥结构。在所述的发光二极管中，所述发光二极管还包括位于所述蓝宝石衬底和外延层之 间的缓冲层。所述发光二极管还包括位于所述帽层上的透明导电层。在所述的发光二极管中，所述发光二极管还包括第一电极、第二电极和深度延伸 至所述外延层的开口，其中，所述第一电极位于所述透明导电层上方，用于连接透明导电层 和电源正极；所述第二电极位于所述开口内，用于连接外延层和电源负极。在所述的发光二极管中，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层包 括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层的材料为P型掺杂 的氮化镓。相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法，该发光二极管制造方法包括提 供蓝宝石衬底；刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个锥形结构；在所述多个锥形结构上方依次 形成外延层、有源层和帽层。在所述的发光二极管制造方法中，所述锥形结构为四棱锥结构，所述四棱锥结构 的底面为正方形，四个倾斜面为大小相等的等腰三角形，相邻的四棱锥结构共用一个边，且 相邻的四棱锥结构之间的夹角为60度 120度。在所述的发光二极管制造方法中，所述锥形结构为三棱锥结构、六棱锥结构、八棱 锥结构或圆锥结构。在所述的发光二极管制造方法中，形成所述多个锥形结构的步骤包括在所述蓝 宝石衬底上形成多个光刻胶台；对所述光刻胶台进行烘烤；以烘烤后的光刻胶台为掩膜， 执行感应耦合等离子体刻蚀工艺，直至所述烘烤后的光刻胶台被完全去除，其中，蓝宝石衬 底的刻蚀速率与烘烤后的光刻胶台的刻蚀速率之比在1 1. 8的范围内。在所述的发光二极管制造方法中，所述光刻胶台的横截面为三角形、四边形、六边 形、八边形或圆形。在所述的发光二极管制造方法中，在所述感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气 体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr 2Τοπ·，底板射频功率为 400W 600W，线圈射频功率为300W 500W。在所述的发光二极管制造方法中，对所述光刻胶台进行烘烤的温度为120°C ^O0C。在所述的发光二极管制造方法中，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化镓；所述 有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层的材料为 P型掺杂的氮化镓。在所述的发光二极管制造方法中，在形成所述外延层之前，还包括在所述蓝宝石 衬底上形成缓冲层。在形成所述帽层之后，还包括在所述帽层上形成透明导电层。在所述的发光二极管制造方法中，在形成所述透明导电层之后，还包括在所述透 明导电层上方形成第一电极；形成深度延伸至所述外延层的开口 ；在所述开口内形成第二 电极。由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点
5
所述发光二极管的蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个锥形结构，所述锥 形结构可以增加蓝宝石衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二 极管的光利用率；并且，由于形成了多个锥形结构，可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹 配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确 保器件不易破裂；此外，本发明提供的发光二极管制造方法的工艺步骤简单。
图1为现有的发光二极管的示意图；图2为本发明一实施例的发光二极管的示意图；图3为本发明一实施例的锥形结构的俯视图；图4为本发明一实施例的发光二极管制造方法的流程示意图；图5A 5E为本发明一实施例的发光二极管制造方法的剖面示意图；图6为本发明一实施例的圆形光刻胶台的俯视图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。本发明的核心思想在于，提供一种发光二极管，所述发光二极管包括蓝宝石衬 底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，蓝宝石衬底在靠近外延 层的表面上具有多个锥形结构。所述锥形结构可以增加光的反射，提高发光二极管的外量 子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于形成了多个锥形结构，可提高蓝宝石 衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二 极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂；此外，本发明提供的发光二极管制造方法的工 艺步骤较少，制作成本较低。请参考图2，其为本发明一实施例的发光二极管的示意图。所述发光二极管为以 蓝宝石(sapphire)为衬底的发光二极管，所述发光二极管为氮化镓基的蓝光二极管。如图 2所示，所述发光二极管包括蓝宝石衬底200，外延层220、有源层230、帽层M0，所述蓝宝 石衬底200在靠近外延层220的表面上具有多个锥形结构201。所述锥形结构201可以改 变全反射临界角，增加蓝宝石衬底200对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提 高发光二极管的光利用率；并且，所述锥形结构201可提高蓝宝石衬底200与其它膜层(在 本实施例中为缓冲层210)的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的缓冲层210的晶体缺 陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂。如图3所示，并结合图2，在本实施例中，所述锥形结构201优选为四棱锥结构，所 述四棱锥结构的底面为正方形，所述四棱锥结构的四个倾斜面为大小相等的等腰三角形， 相邻的四棱锥结构共用一个边(即所述四棱锥结构是紧密排列的)，相邻的四棱锥结构之 间的夹角α为60度 120度，该角度下蓝宝石衬底200对光的反射性能更佳，可最大程度 的提高发光二极管的外量子效率。然而应当认识到，本发明的锥形结构并不局限于四棱锥结构。在本发明其它实施 例中，所述锥形结构还可以是其它形状的锥形结构，例如，三棱锥结构、六棱锥结构、八棱锥结构或圆锥结构，相邻的锥形结构的夹角也可相应的调整。进一步的，所述发光二极管还包括缓冲层210，所述缓冲层210位于所述蓝宝石衬 底200和外延层220之间，所述缓冲层210可进一步改善蓝宝石衬底200与氮化镓材料之 间的晶格常数失配的问题，所述缓冲层210 —般采用低温条件下生长的氮化镓薄膜。其中，所述外延层220、有源层230和帽层240依次位于所述蓝宝石衬底200上方， 所述外延层220、有源层230和帽层240构成发光二极管的管芯；其中，外延层220的材料 为N型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层230包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层 的材料为铟氮化镓(InGaN)，用于发出波长为470nm的蓝光；所述帽层240的材料为P型掺 杂的氮化镓(P-GaN)。由于所述外延层220与帽层240的掺杂类型相反，N型掺杂的氮化镓 通过外部电压驱动使电子漂移，P型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使空穴漂移，所述空穴 和电子在多量子阱有源层(也称为活性层)中相互重新结合，从而反射光。进一步的，所述发光二极管还包括透明导电层(TCL) 250，所述透明导电层250位 于帽层240上方。由于P型掺杂的氮化镓的电导率比较小，因此在帽层240表面沉积一层 金属的电流扩散层，有助于提高电导率，所述透明导电层250的材料例如是Ni/Au材料。此外，由于蓝宝石衬底200不导电，为了将发光二极管的管芯连接到电源正负极， 所述发光二极管还包括第一电极沈0、第二电极270和深度延伸至所述外延层220的开口 221，其中，所述第一电极260位于所述透明导电层250上方，用于连接透明导电层250和电 源正极；所述第二电极270位于所述开口 221内，用于连接外延层220和电源负极。所述发光二极管用于发光时，将第一电极260连接至电源正极、第二电极270连接 至电源负极，发光二极管管芯通过第一电极260与电源正极相连，通过第二电极270与电源 负极相连，发光二极管管芯中的有源层230在电流作用下发光，所述多个锥形结构201增加 光的反射，提高发光二极管的外量子效率。相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法，具体请参考图4，其为本发明一 实施例的发光二极管制造方法的流程示意图，所述发光二极管制造方法包括以下步骤S40，提供蓝宝石衬底；S41，刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个锥形结构；S42，在所述多个锥形结构上方依次形成外延层、有源层和帽层。下面将结合剖面示意图对本发明的发光二极管制造方法进行更详细的描述，其中 表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍 然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道， 而并不作为对本发明的限制。参考图5A，首先，提供蓝宝石衬底200，所述蓝宝石衬底200是由Al2O3形成的，在 本实施例中，所述蓝宝石衬底200用以形成氮化镓基的蓝光二极管。参考图5B，然后，可通过涂胶、曝光和显影工艺，在所述蓝宝石衬底200上形成多 个光刻胶台观0。在本实施例中，如图5B和图6所示，光刻胶台280是指四棱柱光刻胶台， 即光刻胶台280的横截面(平行于蓝宝石衬底方向的截面)是四边形，优选为正方形。所述 光刻胶台280的厚度hi例如是0. Ιμπι 5μπι，边长L例如是0. Ιμπι 5μπι。可以理解的 是，本领域技术人员可根据实际要获得的锥形结构的形状相应的调整光刻胶台的形状。例 如，所述光刻胶台的横截面还可以是三角形、六边形、八边形或圆形。
参考图5C，随后，对所述光刻胶台280进行烘烤，使所述光刻胶台280发生流动，从 而形成烘烤后的光刻胶台观1。可选的，在温度为120°C 250°C的范围内，对所述光刻胶台280进行烘烤，所述 光刻胶台280在高于光刻胶的玻璃软化温度下，由于表面张力的作用表面被圆弧化或锥形 化。具体的说，当所述光刻胶台为圆柱形光刻胶台时，经过烘烤后所述圆柱形光刻胶台会变 为球冠状；当所述光刻胶台的横截面为三角形或四边形或其它多边形时，所述光刻胶台被 烘烤后表面被锥形化(烘烤后的光刻胶台底部尺寸较大、顶部尺寸较小)。参考图5D，其后，以所述烘烤后的光刻胶台281为掩膜，执行一步感应耦合等离子 体anductive Coupled Plasma，I CP)刻蚀工艺，直至所述烘烤后的光刻胶台被完全刻 蚀掉，即可在所述蓝宝石衬底200靠近外延层的表面上形成多个锥形结构201。在所述感应 耦合等离子体刻蚀工艺中，可使蓝宝石衬底的刻蚀速率与烘烤后的光刻胶台的刻蚀速率之 比在1 1. 8的范围内，以形成多个锥形结构。在本实施例中，所述锥形结构201优选为四 棱锥结构，所述四棱锥结构的底面为正方形，所述四棱锥结构的四个倾斜面为大小相等的 等腰三角形，相邻的四棱锥结构共用一个边，且相邻的四棱锥结构之间的夹角α为60度 120度，所述锥形结构201的高度可以为0. Iym 5μπι。在本实施例中，可通过使底板射频功率(plate power)大于线圈射频功率 (Coilpower)，来控制感应耦合等离子体刻蚀工艺的刻蚀选择比之比在1 1. 8的范围内。 当然，本发明并不局限于此，可通过控制其它刻蚀工艺参数来达到控制感应耦合等离子体 刻蚀工艺的刻蚀选择比的目的。进一步的，在所述感应耦合等离子体刻蚀工艺中，刻蚀气体例如为三氯化硼 (BCl3)、氦气(Ar)和氩气(He)的混合气体，腔室压力例如为50mTorr 2Torr，底板射频功 率为400W 600W，线圈射频功率为300W 500W。可以理解的是，上述描述并不用于限定本发明，本领域技术人员可根据刻蚀机台 的实际情况，相应的调整刻蚀气体以及各项工艺参数，并相应的调整刻蚀选择比，以达到在 蓝宝石衬底200上形成锥形结构201的目的。参考图5E，为了进一步改善蓝宝石衬底200与氮化镓材料之间的晶格常数失配的 问题，接下来，在具有多个锥形结构201的蓝宝石衬底200上形成缓冲层210，所述缓冲层 210完全覆盖多个锥形结构201。在形成缓冲层210之后，在所述缓冲层210上依次形成外延层220、有源层230、帽 层M0，所述外延层220、有源层230和帽层240构成发光二极管的管芯。所述外延层220 的材料为N型掺杂的氮化镓；所述有源层230包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的 材料为铟氮化镓；所述帽层240的材料为P型掺杂的氮化镓。在形成帽层240之后，在所述帽层240上形成透明导电层250，所述透明导电层 250有助于提高电导率，所述透明导电层250的材料可采用Ni/Au材料。可利用常规的金属 有机化学气相沉积(MOCVD)工艺形成缓冲层210、外延层220、有源层230、帽层MO以及透 明导电层250。请再次参考图2，最后，在所述透明导电层250上方形成第一电极260，用于连接透 明导电层250和电源正极；并利用光刻和刻蚀的方法，形成深度延伸至所述外延层230的开 口 221，再在所述开口 221内形成第二电极270，用于连接外延层220和电源负极，从而形成
8了如图2所示的发光二极管。需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上 述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施 例，对本发明进行修改、替换和变形。综上所述，本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管的蓝宝 石衬底在靠近外延层的表面上具有多个锥形结构，所述锥形结构一方面可以增加光的反 射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；另一方面，所述锥形 结构可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体 缺陷，提高发光二极管的内量子效率，并可确保器件不易破裂；此外，与现有技术相比，本发 明的发光二极管制造方法工艺简单，制作成本较低。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种发光二极管，包括蓝宝石衬底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，所述蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个锥形结构。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述锥形结构为四棱锥结构。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述四棱锥结构的底面为正方形，四 个倾斜面为大小相等的等腰三角形，相邻的四棱锥结构共用一个边，且相邻的四棱锥结构 之间的夹角为60度 120度。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述锥形结构为三棱锥结构、六棱锥 结构、八棱锥结构或圆锥结构。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括位于所述蓝 宝石衬底和外延层之间的缓冲层。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括位于所述帽 层上的透明导电层。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括第一电极、第 二电极和深度延伸至所述外延层的开口，其中，所述第一电极位于所述透明导电层上方，用于连接透明导电层和电源正极；所述第二电极位于所述开口内，用于连接外延层和电源负极。
8.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层的材料为N型掺杂的氮化 镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓；所述帽层 的材料为P型掺杂的氮化镓。
9.一种发光二极管制造方法，其特征在于，包括提供蓝宝石衬底；刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个锥形结构；在所述多个锥形结构上方依次形成外延层、有源层和帽层。
10.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述锥形结构为四棱锥结构。
11.如权利要求10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述四棱锥结构的底面 为正方形，四个倾斜面为大小相等的等腰三角形，相邻的四棱锥结构共用一个边，且相邻的 四棱锥结构之间的夹角为60度 120度。
12.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述锥形结构为三棱锥结 构、六棱锥结构、八棱锥结构或圆锥结构。
13.如权利要求10或12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成所述多个锥形 结构的步骤包括在所述蓝宝石衬底上形成多个光刻胶台；对所述光刻胶台进行烘烤；以烘烤后的光刻胶台为掩膜，执行感应耦合等离子体刻蚀工艺，直至所述烘烤后的光 刻胶台被完全去除，其中，蓝宝石衬底的刻蚀速率与烘烤后的光刻胶台的刻蚀速率之比在 1 1.8的范围内。
14.如权利要求13所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述光刻胶台的横截面 为三角形、四边形、六边形、八边形或圆形。
15.如权利要求14所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在所述感应耦合等离 子体刻蚀工艺中，刻蚀气体为三氯化硼、氦气和氩气的混合气体，腔室压力为50mTorr 2Torr，底板射频功率为400W 600W，线圈射频功率为300W 500W。
16.如权利要求13所述的发光二极管制造方法，其特征在于，对所述光刻胶台进行烘 烤的温度为120°C 250°C。
17.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述外延层的材料为N型 掺杂的氮化镓；所述有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层的材料为铟氮化镓； 所述帽层的材料为P型掺杂的氮化镓。
18.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在形成所述外延层之前， 还包括在所述蓝宝石衬底上形成缓冲层。
19.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在形成所述帽层之后，还 包括在所述帽层上形成透明导电层。
20.如权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在形成所述透明导电层之 后，还包括在所述透明导电层上方形成第一电极；形成深度延伸至所述外延层的开口；在所述开口内形成第二电极。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括蓝宝石衬底；依次位于所述蓝宝石衬底上方的外延层、有源层和帽层；其中，所述蓝宝石衬底在靠近外延层的表面上具有多个锥形结构。所述锥形结构可以增加蓝宝石衬底对光的反射，提高发光二极管的外量子效率，从而提高发光二极管的光利用率；并且，由于形成了多个锥形结构，可提高蓝宝石衬底与其它膜层的晶格匹配度，减小形成于蓝宝石衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率。
文档编号H01L33/22GK102130256SQ201010508108
公开日2011年7月20日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者张汝京, 程蒙召, 肖德元, 许继仁 申请人:映瑞光电科技(上海)有限公司