一种发光二极管及其制作方法与流程

本发明属于发光二极管芯片领域，具体涉及一种发光二极管及其制作方法。

背景技术：

由于发光二极管具有寿命长、体积小、高耐震性、发热度小以及耗电量低等优点，发光二极管已被广泛地应用于家电产品以及各式仪器之指示灯或光源。近年来，由于发光二极管朝向多色彩以及高亮度化发展，发光二极管的应用范围已拓展至大型户外显示广告牌及交通号志灯等，未来甚至可以取代钨丝灯和水银灯以成为兼具省电和环保功能的照明灯源，成为市场主流趋势。

在已知技术中，通常在蓝宝石（Sapphire Substrate）磊晶基板上形成氮化镓（GaN）磊晶层以制作发光二极管，后续利用半导体制程技术在蓝宝石基板上制作出氮化镓基发光二极管。目前，发出紫-蓝-绿-黄光的氮化镓基发光二极管中的p型电极和n型电极结构通常采用Cr/Al/Ti/Pt/Au结构，而Ti/Pt/Au层在紫/蓝/绿/黄光波段（380~550nm）对光的吸收非常强，其反射率均低于80%，其如图1和图2所示，从发光层（如MQW量子阱层）侧面发出的光（如光线a），有很大部分会被Ti/Pt/Au层所吸收（如光线b），最终只有少部分光线（如光线c）有效取出，从而影响了发出紫/蓝/绿/黄光波段（380~550nm）的氮化镓基发光二极管中发光层之MQW侧面光的萃取效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种发光二极管及其制作方法，解决发光二极管中发光层侧面光的萃取效率问题。

为达到上述目的，根据本发明的第一方面，提出一种发光二极管结构。该发光二极管包括：磊晶基板；N型半导体层，位于所述磊晶基板表面之上；发光层，位于所述N型半导体层表面之上，定义发光层的上表面为第一表面，发光层的下表面为第二表面；P型半导体层，位于所述发光层第一表面之上；P型金属电极，位于所述P型半导体层表面之上；包含金属反射层结构的N型金属电极，位于局部裸露之N型半导体层表面之上，定义金属反射层结构的上表面为第三表面，金属反射层结构的下表面为第四表面；其特征在于：所述第三表面的高度大于等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于等于第二表面的高度。

根据本发明的第二方面，还提出一种发光二极管结构的制作工艺。此芯片制作工艺包括下列步骤。提供磊晶基板；形成N型半导体层于所述磊晶基板表面之上；形成发光层于所述N型半导体层表面之上，定义发光层的上表面为第一表面，发光层的下表面为第二表面；形成P型半导体层于所述发光层第一表面之上；从P型半导体层表面往下形成局部裸露之N型半导体层表面；形成P型金属电极于所述P型半导体层表面之上，以及形成包含金属反射层结构的N型金属电极于所述局部裸露之N型半导体层表面之上，其中所述第三表面的高度大于等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于等于第二表面的高度。

在本发明的一些实施例中，所述第三表面的高度大于等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于等于第二表面的高度，以减少N型金属电极的吸光作用。

在本发明的一些实施例中，所述P型、N型金属电极厚度为500nm~10μm。

在本发明的一些实施例中，所述N型金属电极包括金属隔离层、金属反射层以及金属电极层。

在本发明的一些实施例中，所述N型金属电极从下至上依次包括第一金属隔离层、金属反射层、第二金属隔离层以及金属电极层。

在本发明的一些实施例中，所述金属反射层为Al、Ag、Ni、Zn中的一种或其组合，其厚度为50~1500nm。

在本发明的一些实施例中，所述金属隔离层为Cr、Ti、Pt、Al、Ag、Ni、W的一种或其组合，其厚度为1~500nm。

在本发明的一些实施例中，所述金属隔离层为多层堆叠结构或者包覆结构。

在本发明的一些实施例中，所述金属层为Au，其厚度为50~3000nm。

在本发明的一些实施例中，所述磊晶基板为Al₂O₃、SiC、Si中的一种或其组合。

在本发明的一些实施例中，在所述磊晶基板上形成u型半导体层。

在本发明的一些实施例中，在所述P型半导体层表面之上形成透明导电层。

在本发明的一些实施例中，所述透明导电层为氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种或其组合。

在本发明的一些实施例中，所述形成局部裸露之N型半导体层表面的方法包括干式蚀刻或湿式蚀刻方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1和图2为已知的发光二极管结构的剖面图，其中图2为图1虚线框的放大图。

图3和图4为本发明实施例1的发光二极管结构的剖面图，其中图4为图3虚线框的放大图。

图5~图9为本发明实施例2的发光二极管结构制作工艺流程剖面图。

图中各标号表示：100：磊晶基板；200：发光外延层；201：u型半导体层；202：N型半导体层；203：发光层；204：P型半导体层；300：透明导电层；400：N型金属电极；401：第一金属隔离层；402：金属反射层；403：第二金属隔离层；404：金属电极层；500：P型金属电极；501：第一金属隔离层；502：金属反射层；503：第二金属隔离层；504：金属电极层；600：光刻胶。

具体实施方式

为了能进一步地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成，另外，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要之限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，以专利权利要求范围为准。

为解决已知发光二极管中发光层侧面光的萃取效率问题，本发明提出一种发光二极管结构及其制作方法，解决发光层侧面发出的光有很大部分会被金属电极层吸收的问题，以提升发光二极管的亮度，下面实施例将配合图示说明本发明发光二极管结构的制作方法。

实施例1

请参考图3和图4，其为实施例1的发光二极管结构的剖面图。发光二极管结构包括：磊晶基板100；u型半导体层201；N型半导体层202，位于所述磊晶基板表面之上；发光层203，位于所述N型半导体层表面之上，定义发光层的上表面为第一表面，发光层的下表面为第二表面；P型半导体层204，位于所述发光层203第一表面之上；透明导电层300，位于所述P型半导体层204表面之上；P型金属电极500，位于所述透明导电层300表面之上，P型金属电极500从下至上依次包括第一金属隔离层501、金属反射层502、第二金属隔离层503和金属电极层504；N型金属电极400，位于局部裸露之N型半导体层表面之上，N型金属电极400从下至上依次包括第一金属隔离层401、金属反射层402、第二金属隔离层403和金属电极层404，定义金属反射层402的上表面为第三表面，下表面为第四表面；其中第三表面的高度大于等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于等于第二表面的高度。

上述发光二极管结构，所述第三表面的高度大于或者等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于或者等于第二表面的高度，本实施例中优选所述第三表面的高度大于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于第二表面的高度；所述磊晶基板100选用Al₂O₃、SiC、Si中的一种或其组合，本实施例中优选为Al₂O₃作为磊晶基板（Sapphire Substrate）；所述u型半导体层201、N型半导体层202、发光层203和P型半导体层204构成发光外延层200，其中，u型半导体层201为u-GaN层（非故意掺杂氮化镓）结构，N型半导体层202为N-GaN层（N型氮化镓）结构，发光层203为氮化铝镓（AlGaN）多量子阱（MQW）有源层，P型半导体层204为P-GaN层（P型氮化镓）结构；所述透明导电层300选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种或其组合，本实施例中优选为氧化铟锡（ITO）作为电流扩展层；所述P型金属电极500从下至上依次包括：第一金属隔离层501、金属反射层502、第二金属隔离层503和金属电极层504，其中第一金属隔离层501选用Cr、Ti、Pt、Al、Ag、Ni、W的一种或其组合，其厚度为1~500nm，本实施优选Cr/Al/Ti的多层堆叠结构，厚度分别介于1~5nm、50~200nm和50~200nm，金属反射层502选用Al、Ag、Ni、Zn中的一种或其组合，其厚度为50~1500nm，本实施优选Al作为金属反射层，其厚度为50~1500nm，优选厚度介于100~500nm，第二金属隔离层503选用Cr、Ti、Pt、Al、Ag、Ni、W的一种或其组合，其厚度为1~500nm，本实施优选Ti/Pt的多层堆叠结构，厚度分别介于50~200nm、50~200nm，金属电极层选用Au，其厚度为50~3000nm，优选厚度介于1000~2000nm。类似的，N型金属电极400从下至上依次包括：第一金属隔离层401、金属反射层402、第二金属隔离层403和金属电极层404，其与P型金属电极对应的各结构层的材料、厚度相同。需要说明的是，所述金属隔离层可以是多层堆叠结构，也可以是包覆结构，如此则金属隔离层可以将诸如Al、Ag等活泼的金属反射层包裹，从而增加电极结构的可靠性。

已知发光二极管结构中，从发光层（量子阱）侧面发出的光有很大部分会被N型金属电极层（如Cr/Al/Ti/Pt/Au层）所吸收，从而影响了发光效率的有效萃取。而本实施例1的发光二极管结构，通过优化电极材料与厚度，能有效地降低发光层侧向的光取出被N型金属电极吸光的机率，从而提高取光效率。从图3和图4可以看出，与现有发光二极管（图1和图2）相比，从发光层（MQW量子阱层）侧面发出的光（如光线a），被金属电极所吸收的光线大大减弱（如光线b），而经由金属反射层反射后取出的光线增强（如光线c），因此光萃取效率得以提升。

需要知晓的是，发光二极管结构中的各层材料的选择为本领域技术人员的已知技术，可以根据需要灵活选择。本领域技术人员还可以根据需要加入以下可选步骤以进一步改善LED结构的发光效果：形成缓冲层（Buffer）、形成电子阻挡层（EBL）等等。此亦为本领域技术人员的已知技术，本文不赘述。

实施例2

以下是以图3和图4的芯片结构为范例来介绍芯片制作工艺，以使得所述芯片的第三表面的高度大于或者等于第一表面的高度，所述第四表面的高度小于或者等于第二表面的高度。该芯片结构可使用以下各个步骤形成。

请参照图5～图9，其分别为本发明发光二极管结构制作工艺流程剖面图。芯片制作工艺包括下列步骤（1）～（4）。步骤（1）是形成发光外延层于磊晶基板之上；步骤（2）是从发光外延层表面往下形成局部裸露之平台表面；步骤（3）是形成透明导电层于所述P型半导体层表面之上；步骤（4）是分别制作P型金属电极和N型金属电极。

先参照图5，提供磊晶基板100；再形成氮化镓基发光外延层200于磊晶基板100之上，具体步骤为：形成u型半导体层201、N型半导体层202于所述磊晶基板100表面之上；形成发光层203于所述N型半导体层202表面上；形成P型半导体层204于所述发光层表面203之上；所述形成发光外延层的方法可以选用气相外延法（Vapor Phase Epitaxy；VPE）或液相外延法（Liquid Phase Epitaxy；LPE）或有机金属气相外延法（Metal Organic Vapor Epitaxy；MOVPE）。本实施例优选MOVPE工艺。

接着，参照图6，从P型半导体层204表面往下蚀刻，形成局部裸露之N型半导体层202表面，蚀刻方法包括干式蚀刻或湿式蚀刻方法，本实施例优选ICP干法蚀刻工艺。由于过浅的N型半导体层平台蚀刻深度，容易产生局部裸露之N型半导体层平台周围的取光被N型金属电极吸光的问题，所以本步骤的蚀刻深度宜尽量深一些，并配合后续N型金属电极的高度（尤其是金属反射层的高度与发光层的高度匹配），以便减少金属电极吸光，增加出光几率。

接着，参照图7，形成透明导电层300于所述P型半导体层204表面之上，透明导电层300的材质可以选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）中的一种或其组合，本实施例优选为氧化铟锡（ITO）作为电流扩展层。

最后，参照图8和图9，分别在透明导电层300和局部裸露之N型半导体层202表面上制作P型金属电极和N型金属电极，电极厚度为500nm~10μm。具体来说，先在透明导电层300和局部裸露之N型半导体层202表面上涂覆光阻胶600，并通过开电极图形光罩，露出电极窗口，然后再沉积金属电极结构（图8中仅示出N型金属电极400，未示出P型金属电极），最后去除光刻胶。金属电极结构的沉积方法可以采用蒸镀或者溅镀或者原子层沉积或者其他镀膜方法，本实施例优选蒸镀方法。需要特别说明的是，为了制作电极结构，使得N型金属电极结构与发光层之量子阱的厚度（高度）匹配，在金属镀膜工艺前，需要先量测N型半导体层平台深度，以及结合量子阱的高度，然后优化N型金属电极中金属隔离层、金属反射层、金属电极层等各层的材料以及厚度（高度），从而使得发光层203的第三表面的高度大于或者等于金属反射层402的第一表面的高度，发光层203的第四表面的高度小于或者等于金属反射层402的第二表面的高度。

需要说明的是，上述实施例的P型金属电极和N型金属电极是通过同一道黄光光罩工艺同时制作，也可以是分开制作。P型、N型金属电极中各对应金属层的材料和厚度可以相同，也可以不同。此外，与发光层之量子阱匹配的N型金属电极结构应为包含金属反射层结构，而P型金属电极可以是常规电极结构，或者包含金属反射层的金属电极结构。

由上述本发明实施方式可知，本发明是通过N型半导体层平台深度以及金属反射电极结构的优化，可解决现有发光二极管结构因金属电极吸光而影响器件出光效率的问题，从而提升发光二极管的亮度。此外，采用本发明的优化电极结构，可以在不改变常规表面金属层（Au）厚度的情况下，降低电压；在保持电压光电特性的前提，减少贵金属Au的厚度，从而减少用量，降低成本。