专利名称：发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造领域，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。具体请参考图1，其为现有技术的一种发光二极管的剖面示意图。如图1所示，所 述发光二极管为L型结构的氮化镓基的发光二极管，所述发光二极管为蓝宝石衬底的发光 二极管。所述发光二极管包括蓝宝石衬底100 ；依次位于蓝宝石衬底100上的缓冲层110、 η型半导体层120、有源层130、ρ型半导体层140。由于蓝宝石衬底100不导电，因此，所述 发光二极管还需要形成深度延伸至η型半导体层120的开口 121，其中，η型电极150位于 所述开口 121内，用于连接η型半导体层120和电源负极，ρ型电极160位于ρ型半导体层 140上方，用于连接ρ型半导体层140和电源正极。其中，η型半导体层120的材料通常是η型掺杂的氮化镓(n-GaN)；所述有源层130 通常包括多量子阱有源层，多量子阱有源层的材料例如是铟氮化镓(InGaN)；所述ρ型半导 体层140的材料通常是ρ型掺杂的氮化镓(P-GaN)。所述发光二极管用于发光时，将第一电 极150电连接至电源负极、第二电极160电连接至电源正极，由于η型半导体层120与ρ型 半导体层140的掺杂类型相反，η型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使电子漂移，ρ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 层或发光层)中相互重新结合，从而反射光。在所述的发光二极管中，缓冲层110的材料通常是低温生长的氮化镓，所述缓冲 层用于改善衬底100与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题，减小形成于衬底上的其它 膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率。然而，氮化镓材料成本非常高，不利于降 低生产成本。现有技术中还公开了一种硅衬底GaN基的发光二极管，由于硅衬底与氮化镓半导 体材料之间的晶格失配高达17%，且存在金属镓对硅表面回熔的问题，为获得硅衬底上高 质量的氮化镓基半导体材料，现有技术一般采用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)技 术，在硅衬底上依次生长氮化铝(AlN)缓冲层与氮化镓外延层，详细内容可参见申请号为 200910186565的中国专利申请。但由于氮化铝为非良导体，一般采用“水平型(或L型)” 的器件结构，或者将氮化铝连同硅衬底一起腐蚀剥离掉后再制成“垂直型(或V型)”电极 结构，制作工艺较为复杂。
发明内容
本发明提供一种发光二极管及其制造方法，以解决硅衬底与氮化镓材料之间的晶 格常数失配及应力的问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种发光二极管，包括硅衬底；形成于所述硅 衬底上的缓冲层；依次形成于所述缓冲层上的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电 类型半导体层，其特征在于，所述缓冲层的材料为SiC或hN。可选的，在所述的发光二极管中，所述缓冲层的材料由3C_SiC以及形成于3C_SiC 上的4H-SiC或6H-SiC组成。可选的，在所述的发光二极管中，所述发光二极管还包括形成于所述第二导电类 型半导体层上的透明导电层。所述发光二极管还包括第一导电类型电极和第二导电类型电 极，所述第一导电类型电极位于硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上，所述第二导 电类型电极位于透明导电层上。 可选的，在所述的发光二极管中，所述第一导电类型为η型，所述第二导电类型为 P型。所述第一导电类型半导体层的材料为n-GaN，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InGaN ；所述第二导电类型半导体层的材料为p_GaN。所述硅衬底 和缓冲层中掺入了 η型杂质离子。相应的，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括提供硅衬底；在所述硅 衬底上形成缓冲层，所述缓冲层的材料为3比或^N ；在所述缓冲层上依次形成第一导电类 型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层。可选的，在所述发光二极管制造方法中，在所述硅衬底上形成缓冲层的步骤包括 在所述硅衬底上形成3C-SiC ；在3C-SiC上形成4H-SiC或6H_SiC。利用化学气相沉积方式 在所述硅衬底上形成3C-SiC。利用升华法在3C-SiC上形成4H-SiC或6H_SiC。可选的，在所述发光二极管制造方法中，形成第二导电类型半导体层之后，还包 括在第二导电类型半导体层上形成透明导电层；在所述透明导电层上形成第二导电类型 电极；在所述硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一导电类型电极。可选的，在所述发光二极管制造方法中，所述第一导电类型为η型，所述第二导电 类型为P型。所述第一导电类型半导体层的材料为n-GaN，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InGaN ；所述第二导电类型半导体层的材料为p_GaN。可选的，在所述发光二极管制造方法中，在所述硅衬底上形成缓冲层之前，还包 括执行第一次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV 500KeV， 注入剂量为IO1Vcm2 IOlfVcm2。形成所述缓冲层之后，还包括执行第二次离子注入工艺， 注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV 500KeV，注入剂量为IO1Vcm2 1016/cm2。与现有技术相比，本发明的发光二极管的缓冲层的材料为碳化硅(SiC)或氮化铟 (InN)，所述SiC或hN的晶格常数介于硅衬底和形成于缓冲层上的氮化镓材料的晶格常 数之间并较为接近，可以解决硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力的问题，减 小形成于衬底上的其它膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率；并且，所述SiC或 InN材料具有良好的导电和导热性能，有利于提高发光二极管的导电和散热性能；此外，所 述SiC或InN与氮化镓相比成本更低。
图1是现有技术的发光二极管的剖面示意图；图2是本发明实施例的发光二极管的示意图；图3为本发明实施例的发光二极管制造方法的流程图；图4A 4D为本发明实施例的发光二极管制造方法的各步骤相应结构的剖面示意 图。
具体实施例方式本发明的核心思想在于，提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管的 缓冲层的材料为SiC或hN，所述SiC或InN的晶格常数介于硅衬底和形成于缓冲层上的氮 化镓材料的晶格常数之间并较为接近，可解决硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数失配及 应力的问题，减小形成于衬底上的膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率；并且， SiC或InN材料具有良好的导电和导热性能，有利于提高发光二极管的导电和导热性能；此 夕卜，SiC或InN材料与氮化镓相比成本更低。请参考图2，其为本发明实施例的发光二极管的示意图。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硅衬底200 ；形成于所述硅衬底200 上的缓冲层210 ；依次形成于所述缓冲层210上的第一导电类型半导体层220、有源层230 和第二导电类型半导体层对0，其中，所述缓冲层210的材料为SiC或hN。众所周知，SiC(碳化硅)在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构，这些成 分相同，形态，构造和物理特性有差异的晶体称为同质多象变体，目前已经发现的SiC多象 变体有200多种。一般的，SiC多象变体是由数字和符号组成，其中C、H、R分别代表立方、 六方、菱形晶格结构，字母前的数字代表堆积周期中SiC原子的密排层数目。例如，3C就代 表SiC变体是由周期为3层的SiC原子密排为立方晶格结构；4H代表SiC变体是由周期为 4层的原子密排形成的六方晶格结构；6H代表SiC变体是由周期为6层的原子密排形成的 六方晶格结构；15R代表SiC变体是由周期为15的原子层密排堆积形成的菱形结构。较佳的，所述缓冲层210的材料由3C_SiC层211以及形成于3C_SiC层211上的 4H-SiC或6H-SiC层212组成。其中，所述4H_SiC和6H_SiC材料的晶格常数均为3. 08，与 GaN的晶格常数(3. 189)非常接近，有利于解决硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数失配 及应力的问题，减小形成于衬底上的其它膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率; 而尽管所述3C-SiC的晶格常数(4. 36)虽与GaN的晶格常数差别相对较大，但是，与直接在 硅衬底200上生长4H-SiC或6H-SiC材料相比，在硅衬底200上先形成3C_SiC之后再于 3C-SiC上形成4H-SiC或6H-SiC的制造工艺较为简单。因此，在本实施例中，采用3C_SiC 和4H-SiC(或6H-SiC)的堆叠结构来作为缓冲层，可在制造工艺简单的前提下获得相对较 佳的光学性能。其中，第一导电类型为η型，第二导电类型为P型；所述第一导电类型半导体层 220的材料为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 InGaN，用于发出波长为470nm的蓝光；所述第二导电类型半导体层MO的材料为p_GaN。其中，所述发光二极管还包括形成于第二导电类型半导体层240上的透明导电层 (TCL) 250，由于p-GaN的电导率比较小，因此在第二导电类型半导体层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M/Au材料。较佳的，所述发光二极管还包括第一导电类型电极270和第二导电类型电极沈0， 所述第一导电类型电极270位于硅衬底200远离第一导电类型半导体层220的表面(即硅 衬底200的背面)上，所述第二导电类型电极260直接形成于透明导电层250上。在本实施例中，所述第二导电类型电极沈0为ρ型电极，所述第一导电类型电极 270为η型电极，所述硅衬底200和缓冲层210中掺入了 η型杂质离子(磷离子或砷离子)。 由于所述SiC或InN材料均具有良好的导电性能，而所述硅衬底200掺入了 η型杂质离子 后即具有良好的导电性能。因此，在掺入了 η型杂质离子之后，可直接在硅衬底200的背面 上形成第一导电类型电极270，从而形成垂直的发光二极管结构(也可称为V型结构)。所述发光二极管用于发光时，将第二导电类型电极260连接至电源正极、第一导 电类型电极270连接至电源负极，发光二极管管芯通过第二导电类型电极260与电源正极 相连，通过第一导电类型电极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。相比于传统的由蓝宝石衬底制成的水平型(或L型)发光二极管结构而言， 垂直的发光二极管结构导电和散热效果更好，并且有利于节约芯片面积，提高芯片利用率。相应的，本发明还提供一种发光二极管制造方法。请参考图3，其为本发明实施例 的发光二极管制造方法的流程示意图，该方法包括以下步骤步骤S300，提供硅衬底；步骤S310，在所述硅衬底上形成缓冲层，所述缓冲层的材料为SiC或MN ；步骤S320，在所述缓冲层上依次形成第一导电类型半导体层、有源层和第二导电 类型半导体层。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4Α，首先，执行步骤S300，提供硅衬底400。在本实施例中，所述硅衬底400 为P型掺杂的硅衬底(P-Si)，所述硅衬底400的电阻率例如是1 20 Ω . Cm。当然，所述硅 衬底400还可以是η型掺杂的硅衬底(n-Si)；并且，本发明也并不限定硅衬底的电阻率。参考图4B，接着，执行步骤S310，在所述硅衬底400上形成缓冲层410。在本实施例 中，所述缓冲层410的材料为SiC (碳化硅)；当然，所述缓冲层410的材料还可以是InN (氮 化铟)。所述SiC或InN材料的晶格常数与氮化镓材料的晶格常数较为接近，可以解决硅 衬底与氮化镓材料之间的晶格常数失配的问题，减小形成于硅衬底上的其它膜层的晶体缺 陷，提高发光二极管的内量子效率；并且，SiC或InN材料具有良好的导电和导热性能，有利 于提高发光二极管的导电和导热性能；此外，SiC或InN与氮化镓相比成本更低。较佳的，所述缓冲层的材料为3C_SiC以及形成于3C_SiC上的4H_SiC或6H_SiC， 采用3C-SiC和4H-SiC (或6H-SiC)的堆叠结构作为缓冲层，可在制造工艺简单的前提下获 得相对较佳的光学性能。在本实施例中，首先，利用化学气相沉积(CVD)方式在所述硅衬底400上生长 3C-SiC层411 ；之后，利用升华法(Lely法)在3C_SiC层411上生长4H_SiC或6H_SiC层 412。其中，所述化学气相沉积工艺所使用的气体为C3H8、H2和SiH4的混合气体，反应温度
7例如为1200°C 1400°C ；所述升华法的反应温度例如为^00°C，利用升华的方式在所述 3C-SiC上生长的必然是4H-SiC或6H-SiC单晶体。可以理解的是，上述数值并不用于限定 本发明，还可利用其它公知的生长技术和工艺在硅衬底400上形成SiC或MN材料。参考图4C，接下来，在缓冲层410上依次形成第一导电类型半导体层420、有源层 430、第二导电类型半导体层440，所述第一导电类型半导体层420、有源层430和第二导电 类型半导体层440构成发光二极管的管芯。在本实施例中，所述第一导电类型为η型，第二 导电类型为P型。所述第一导电类型半导体层420的材料为η型掺杂的氮化镓(n-GaN)； 所述有源层430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)；所 述第二导电类型半导体层440的材料为P型掺杂的氮化镓(P-GaN)。可利用常规的金属有 机化学气相沉积(MOCVD)工艺形成第一导电类型半导体层420、有源层430和第二导电类型 半导体层440。继续参考图4C，在形成第二导电类型半导体层440之后，在所述第二导电类型半 导体层440上形成透明导电层450，所述透明导电层450有助于提高电导率，所述透明导电 层450的材料可采用Ni/Au材料。参考图4D，随后，在透明导电层450上形成第二导电类型电极460 ；在硅衬底400 远离第一导电类型半导体层420的表面(即硅衬底400的背面)上形成第一导电类型电极 470。在本实施例中，第二导电类型电极460为ρ型电极，第一导电类型电极470为η型 电极。由于所述硅衬底400为ρ型掺杂的硅衬底(p-Si)，优选的，在所述硅衬底400上形 成缓冲层410之前，先执行第一次离子注入工艺，以在所述ρ型掺杂的硅衬底中掺入η型离 子；并在形成缓冲层410的步骤之后，再执行第二次离子注入工艺，以在所述缓冲层410中 注入η型离子，从而形成垂直的发光二极管结构，垂直的发光二极管结构相比于传统的水 平型(或L型)发光二极管结构而言，散热效果更好，并且有利于节约芯片面积，提高芯片 利用率。在本实施例的发光二极管制造方法中，通过执行两次离子注入工艺来在硅衬底 400和缓冲层410中注入η型离子，可使注入的离子更为均勻，导电效果更好。其中，所述第 一次离子注入工艺的注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV 500KeV，注入剂量 为IO1Vcm2 IOlfVcm2 ；所述第二次离子注入工艺的注入离子为砷离子或磷离子，注入能量 为 50KeV 500KeV，注入剂量为 IO1Vcm2 IO1Vcm20然而应当认识到，仅在形成缓冲层410后执行一次离子注入工艺，同样能达到使 硅衬底400和缓冲层410均掺入η型离子以导电的目的。或者，直接提供η型掺杂的硅衬 底，也能达到同样的导电目的。并且，所述第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺的注 入离子、注入能量和注入剂量也可根据具体的导电要求来做相应的调整。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。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，包括硅衬底；形成于所述硅衬底上的缓冲层；依次形成于所述缓 冲层上的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层，其特征在于，所述缓冲 层的材料为SiC或hN。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的材料由3C-SiC以及形 成于3C-SiC上的4H-SiC或6H_SiC组成。
3.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形成于所述 第二导电类型半导体层上的透明导电层。
4.如权利要求3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导电类 型电极和第二导电类型电极，所述第一导电类型电极位于硅衬底远离第一导电类型半导体 层的表面上，所述第二导电类型电极位于透明导电层上。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电类型为η型，所述第二 导电类型为P型。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述第一导电类型半导体层的材料 为n-GaN，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InGaN ；所述第 二导电类型半导体层的材料为p-GaN。
7.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述硅衬底和缓冲层中掺入了η型杂 质离子。
8.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括提供硅衬底；在所述硅衬底上形成缓冲层，所述缓冲层的材料为SiC或MN ；在所述缓冲层上依次形成第一导电类型半导体层、有源层以及第二导电类型半导体层。
9.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在所述硅衬底上形成缓 冲层的步骤包括在所述硅衬底上形成3C-SiC层；在3C-SiC上形成4H-SiC层或6H_SiC层。
10.如权利要求9所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，利用化学气相沉积方式 在所述硅衬底上形成3C-SiC层。
11.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，利用升华法在3C-SiC 层上形成4H-SiC层或6H-SiC层。
12.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，形成第二导电类型半导 体层之后，还包括在第二导电类型半导体层上形成透明导电层。
13.如权利要求12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成所述透明导电层之 后，还包括在所述透明导电层上形成第二导电类型电极；在所述硅衬底远离第一导电类型半导体层的表面上形成第一导电类型电极。
14.如权利要求12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述第一导电类型为η 型，所述第二导电类型为P型。
15.如权利要求14所述的发光二极管制造方法，其特征在于，所述第一导电类型半 导体层的材料为n-GaN，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InGaN ；所述第二导电类型半导体层的材料为p_GaN。
16.如权利要求14所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在所述硅衬底上形成 缓冲层之前，还包括执行第一次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为 50KeV 500KeV，注入剂量为 IO1Vcm2 l(^6/cm2。
17.如权利要求16所述的发光二极管制造方法，其特征在于，形成所述缓冲层之后， 还包括执行第二次离子注入工艺，注入离子为砷离子或磷离子，注入能量为50KeV 500KeV，注入剂量为 IO1Vcm2 1016/cm2。
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硅衬底；形成于硅衬底上的缓冲层；依次形成于缓冲层上的第一导电类型半导体层、有源层和第二导电类型半导体层，所述缓冲层的材料为SiC或InN。所述SiC或InN的晶格常数介于硅衬底和形成于缓冲层上的氮化镓材料的晶格常数之间并较为接近，可以解决硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数失配及应力问题，减小形成于衬底上的其它膜层的晶体缺陷，提高发光二极管的内量子效率；并且，所述SiC或InN材料具有良好的导电和导热性能，有利于提高发光二极管性能。
文档编号H01L33/12GK102064255SQ20101058404
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张汝京, 张翼德, 牛崇实 申请人:西安神光安瑞光电科技有限公司