一种发光二极管及制作方法与流程

1.本发明涉及发光半导体技术领域，特别是涉及一种发光二极管及制作方法。


背景技术：

2.图形化蓝宝石衬底是目前发光二极管(lightemitting diode，即led)外延芯片的主流基板。图形化蓝宝石衬底可以较好地缓解蓝宝石衬底和氮化镓外延生长中的应力，降低氮化镓外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量，同时可以提升光提取效率。
3.为了增强蓝宝石衬底的出光效率，一种普遍的方法是在蓝宝石衬底上制造锥形的凸起结构。另一种方法则是采用sio2与蓝宝石相结合的衬底，如图1所示，该种衬底的凸起结构是由sio2与蓝宝石共同组合形成的，该种衬底虽然能够进一步提升出光效率，但是在凸起结构的顶端容易出现纵向缺陷，并且该纵向缺陷还会在外延生长过程中进一步延伸至有源层中，有源层中的缺陷会很容易将电子空穴捕获，使电子空穴无法产生辐射复合，进而影响发光效率。
4.因此，在外延过程中需要设法避免上述缺陷产生，以进一步提升led的发光效率。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管及制作方法，以进一步提升led的发光效率。
6.本发明提供一种发光二极管，所述发光二极管包括：
7.图形化衬底，包括基板，所述基板的上表面具有若干个凸起，所述凸起包括依序叠置于所述基板上表面的台体及锥体，所述锥体与所述基板的制备材料不同；
8.缓冲层，沉积形成于所述凸起的侧壁表面及所述基板的表面；
9.外延层，覆盖于所述缓冲层的上表面；
10.至少一个所述凸起的顶端设置有孔洞结构，所述孔洞结构自所述锥体的顶端延伸至所述外延层中。
11.可选地，所述外延层包括依序叠置的三维生长层及二维生长层，所述三维生长层靠近所述缓冲层；所述三维生长层的上表面高于所述凸起的顶端，且所述孔洞结构延伸至所述二维生长层。
12.可选地，所述台体与基板的材料相同。
13.可选地，所述凸起的高度为1.7-2.2μm，所述三维生长层的厚度为2-3μm。
14.可选地，所述二维生长层的厚度为1.5-2μm。
15.可选地，所述外延层的折射率》所述基板的折射率》所述锥体的折射率。
16.可选地，所述缓冲层的材料为aln、algan、alingan中的一种或任意种。
17.可选地，所述基板的材料为蓝宝石、sic、si、zno中的一种或任意种，所述锥体的材料为蓝宝石、sic、si、zno、sio2、sin、sio中的一种或任意种。
18.可选地，所述外延层包括第一半导体层、有源层、以及与所述第一半导体层导电类
型相反的第二半导体层。
19.可选地，所述孔洞结构为中空的六棱柱，所述六棱柱横截面的外接圆直径为0.1-0.5μm。
20.可选地，所述孔洞结构内部为真空或含有填充气体，所述填充气体为n2、nh3、惰性气体中的一种或若干种的组合。
21.本发明还提供一种发光二极管的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
22.提供基板，并在所述基板上沉积介质层；
23.刻蚀所述介质层及基板的上层区域，形成若干个凸起，所述凸起包括依序叠置于所述基板上的台体及锥体，所述锥体和基板的材料不同；
24.于所述凸起的侧壁表面及刻蚀后所述基板的表面沉积缓冲层；
25.在所述缓冲层表面形成外延层，所述外延层中形成有至少一个起始于所述凸起顶端的孔洞结构。
26.可选地，所述外延层包括依序形成于所述缓冲层上的三维生长层及二维生长层，所述三维生长层的上表面高于所述凸起的顶端，且所述孔洞结构延伸至所述二维生长层。
27.可选地，在外延形成所述三维生长层时，通过控制横向生长速度，在所述凸起的顶端形成凹洞；随着所述二维生长层的外延生长，所述凹洞延伸成为所述孔洞结构。
28.可选地，所述三维生长层的厚度为2-3μm，其形成的工艺条件为：保持生长温度950-1080℃，反应室压力100-300torr，
ⅴ
/ⅲ比为800-1000。
29.可选地，所述二维生长层的厚度为1.5-2μm，其形成的工艺条件为：保持生长温度1080-1140℃，反应室压力100-300torr，
ⅴ
/ⅲ比为1000-1200。
30.可选地，所述台体与基板的材料相同。
31.可选地，所述外延层的折射率》所述基板的折射率》所述锥体的折射率。
32.可选地，所述缓冲层的材料为aln、algan、alingan中的一种或任意种。
33.可选地，所述基板的材料为蓝宝石、sic、si、zno中的一种或任意种，所述锥体的材料为蓝宝石、sic、si、zno、sio2、sin、sio中的一种或任意种。
34.可选地，所述外延层包括第一半导体层、有源层、以及与所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层。
35.可选地，所述孔洞结构为中空的六棱柱，所述六棱柱横截面的外接圆直径为0.1-0.5μm。
36.可选地，所述孔洞结构内部为真空或含有填充气体，所述填充气体为n2、nh3、惰性气体中的一种或若干种的组合。
37.可选地，所述凸起的高度为1.7-2.2μm。
38.如上所述，本发明提供一种发光二极管及制作方法，该发光二极管形成于图形化衬底上，该图形化衬底的凸起包括叠置的锥体及台体，该锥体的形成有利于提升发光二极管的出光效率。同时通过调整外延生长条件，还在该凸起的顶端形成有孔洞结构，该孔洞结构不仅有效规避了从凸起侧壁生长的外延层在合并时的应力问题，从而避免纵向缺陷的产生，提升了内量子效率；同时，该孔洞结构的内部为真空或填充有气体，其与周围外延层材料的折射率相差更大，因此更容易发生全反射，从而提升出光效率。经测试本发明中发光二极管的发光亮度、抗静电能力均有提高，从而具有较高的产业实用价值。
附图说明
39.图1显示为现有技术中外延层出现纵向缺陷的电镜照片。
40.图2显示为本发明中在基板上沉积介质层的结构示意图。
41.图3显示为本发明中形成凸起的结构示意图。
42.图4显示为本发明中形成缓冲层的结构示意图。
43.图5显示为本发明中形成孔洞结构的结构示意图。
44.图6显示为本发明中形成第一半导体层、有源层、及第二半导体层的结构示意图。
45.图7显示为本发明中形成三维生长层的电镜照片。
46.图8显示为本发明中生长三维生长层时，在凸起顶端形成凹洞的电镜照片。
47.图9显示为本发明中孔洞结构和凸起的俯视电镜照片。
48.图10-11显示为本发明中孔洞结构的电镜照片。
49.元件标号说明
[0050]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
图形化衬底
[0051]
12
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凸起
[0052]
13
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缓冲层
[0053]
20
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凹洞
[0054]
21
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孔洞结构
[0055]
101
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基板
[0056]
102
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介质层
[0057]
111
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台体
[0058]
121
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锥体
[0059]
201
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三维生长层
[0060]
202
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二维生长层
[0061]
301
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第一半导体层
[0062]
302
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有源层
[0063]
303
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第二半导体层
具体实施方式
[0064]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0065]
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0066]
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也
可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
[0067]
在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0068]
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
[0069]
本技术的发明人发现：通常带有凸起结构的纯蓝宝石衬底都是采取侧向外延技术提升晶体质量，在凸起结构的侧壁可以直接外延磊晶，外延时会产生一些横向插排缺陷，这些横向插排缺陷会与c面产生的纵向插排缺陷相互抵消，从而避免缺陷的产生。但是对于凸起上部为sio2的衬底来说，由于sio2上无法直接外延，所以外延生长主要在凸起下部的蓝宝石侧壁以及底部c面的蓝宝石表面完成，侧向外延能力明显消弱，最终会在图形顶端合并处很容易产生一根纵向缺陷，如图1所示。因此本技术的发明人在凸起的顶端形成一孔洞结构，孔洞结构能够对凸起侧面的氮化镓在顶端处合并时产生的应力进行分解，从而能够在外延生长时消除纵向缺陷，进而提高发光二极管的发光效率。
[0070]
实施例一
[0071]
本实施例提供一种发光二极管的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
[0072]
s1：提供基板101，并在所述基板101上沉积介质层102，如图2所示；
[0073]
s2：刻蚀所述介质层102及基板101的上层区域，形成若干个凸起12，从而得到图形化衬底1，其中，所述凸起12包括依序叠置于所述基板上的台体111及锥体121，所述锥体121和基板101的材料不同，如图3-4所示；
[0074]
s3：于所述凸起12的侧壁表面及刻蚀后所述基板101的表面沉积缓冲层13；
[0075]
s4：在所述缓冲层13表面形成外延层，所述外延层中形成有至少一个起始于所述锥体12顶端的孔洞结构21，如图5-6所示。
[0076]
具体地，步骤s2中，所述锥体121为所述介质层102刻蚀后得到，所述台体111为所述基板101的上层区域刻蚀后得到，即所述台体111与基板101的材料相同，所述锥体121对应位于所述台体111上，所述凸起12可以是球冠、圆锥、多棱锥等形状，若干个所述凸起12的形状可以相同也可以不同，可以呈随机排布或周期性阵列排布，此外，相邻凸起12之间的间距可以根据需要进行设定，此处不作过多限制。
[0077]
进一步地，所述外延层的折射率》所述基板101的折射率》所述锥体121的折射率。
[0078]
具体地，所述基板101的材料为蓝宝石、sic、si、zno中的一种或任意种，优选为蓝宝石；所述锥体121的材料为蓝宝石、sic、si、zno、sio2、sin、sio中的一种或任意种，优选为sio2。应当理解的是，所述锥体121为所述介质层102刻蚀后得到，因此本实施例中所述锥体121与所述介质层102的材料相同。
[0079]
本实施例中以基板101材料为蓝宝石、锥体121材料为sio2为例，二氧化硅材料的折射率约为1.45，蓝宝石材料的折射率约为1.78，对于主体材料为gan的外延层来说，二氧化硅与gan之间的折射率差更大(gan材料的折射率约为2.5)，从而外延层发出的光线到达所述图形化衬底1后更容易发生全反射，相对于单独的蓝宝石材料作为衬底而言，本发明中
带有所述锥体121的衬底更有利于发光二极管出光效率的提升。
[0080]
进一步地，所述缓冲层13的材料为aln、algan、alingan中的一种或任意种，优选为aln。所述缓冲层13可采用mocvd或pvd磁控溅射技术进行沉积。所述缓冲层13可以改善所述基板101与外延层的晶格失配，例如所述基板101及外延层的材料分别选用蓝宝石及gan，所述缓冲层13可以减弱因蓝宝石与gan之间晶格失配造成的应力影响，从而提高外延生长的质量，以及得到较好的表面状况以及外延片均匀性，从而提高外延层的发光效率。
[0081]
进一步地，所述外延层包括依序形成于所述缓冲层13上的三维生长层201及二维生长层202，所述三维生长层201的上表面高于所述凸起12的顶端，且所述孔洞结构21延伸至所述二维生长层202。
[0082]
具体地，所述孔洞结构21是在生长所述三维生长层201的过程中开始形成。
[0083]
进一步地，在外延形成所述三维生长层201时，通过控制横向生长速度，在所述凸起12的顶端形成凹洞20，随着所述二维生长层202的外延生长，所述凹洞20延伸成为所述孔洞结构21。
[0084]
具体地，在外延形成所述三维生长层201时，由于所述锥体121的侧壁无法外延，因此整个生长过程偏三维(3d)，通过调整外延生长参数控制横向生长速度，就可以诱导产生所述孔洞结构21；同时，受原子迁移的影响，所述凸起12的顶端很难有原子附着进行外延生长，这也是产生所述孔洞结构21的原因。此外，如图7-8所示，使所述三维生长层201的上表面高于所述凸起12的顶端，是为了将所述凸起12之间的间隙填充起来，也是为了在所述凸起12的顶端形成凹洞20，进而在后续生长过程中生长为所述孔洞结构21。所述三维生长层201及二维生长层202可以是gan材料，但不局限于gan材料。也就是说，所述孔洞结构21也可适用于gan、gap、algainp等材料体系。
[0085]
进一步地，所述凸起的高度为1.7-2.2μm。所述三维生长层201的厚度为2-3μm，其形成的工艺条件为：保持生长温度950-1080℃，反应室压力100-300torr(优选为150torr)，
ⅴ
/ⅲ比为800-1000。
[0086]
进一步地，所述二维生长层202的厚度为1.5-2μm，其形成的工艺条件为：保持生长温度1080-1140℃，反应室压力100-300torr(优选为150torr)，
ⅴ
/ⅲ比为1000-1200。
ⅴ
/ⅲ比即为五族元素(如n源)与三族元素(如ga源)的摩尔比。
[0087]
进一步地，所述孔洞结构21为中空的六棱柱，所述六棱柱横截面的外接圆直径d为0.1-0.5μm，如图9所示，其中，所述外接圆直径可以通过三维生长层(3d)的厚度进行控制。考虑到成本和材料质量问题，直径太大会导致3d长很厚，同时浪费程序时间、影响材料质量；直径太小会导致孔洞的作用较低，因此从实际调试结果来看0.1～0.5μm范围内的直径最佳。所述孔洞结构21的高度通常为1μm以内，此处不做过分限制。
[0088]
需要说明的是，图9中是最开始生长三维生长层、二维生长层的俯视放大图，也即孔洞结构21的初始生长阶段，仅作为孔洞结构的示意，最终完全成型的孔洞结构实际没有图9中看起来这么大。
[0089]
进一步地，所述孔洞结构21的内部为真空或填充有气体，所述气体为n2、nh3、惰性气体中的一种或若干种的组合。
[0090]
具体地，在外延生长过程中，会通入n2、nh3、惰性气体等气体，因此所述孔洞结构21的内部为真空或填充有气体。
[0091]
本发明中所述孔洞结构21的形貌如图10-11所示，所述孔洞结构21不仅有效规避了从所述凸起12侧壁合并的外延层在图形顶端处的应力问题，避免了纵向缺陷的产生，进而减少有源层中缺陷的产生，提升了内量子效率。同时，由于所述孔洞结构21的内部为真空或填充有气体，折射率大约为1，因此相比于所述图形化衬底1中的锥体121(如二氧化硅材料)或基板101(如蓝宝石材料)，其与周围的外延层的折射率相差更大，因此，外延层发出的光线入射至所述孔洞结构21与外延层的交界面时，更容易发生全反射，从而提升出光效率。
[0092]
进一步地，所述外延层还包括形成在所述二维生长层202上的第一半导体层301、有源层302、以及与所述第一半导体层301导电类型相反的第二半导体层303，如图6所示。
[0093]
具体地，所述第一导电类型半导体层301与第二导电类型半导体层303的导电类型不同，可以是n型或p型，例如，所述第一导电类型半导体层301为n型、第二导电类型半导体层303为p型。所述有源层302为发生辐射复合的发光层，可以是单量子阱层或多量子阱层。所述有源层302可以是红光、绿光、蓝光等发光类型。
[0094]
实施例二
[0095]
本实施例提供一种发光二极管，如图6-11所示，所述发光二极管包括：
[0096]
图形化衬底1，包括基板101，所述基板101的上表面具有若干个凸起12，所述凸起12包括依序叠置于所述基板101上的台体111及锥体121，所述锥体121和基板101的制备材料不同；
[0097]
缓冲层13，沉积形成于所述凸起12的侧壁表面及所述基板101的表面；
[0098]
外延层，覆盖于所述缓冲层13的上表面；
[0099]
至少一个所述凸起12的顶端设置有孔洞结构21，所述孔洞结构21自所述凸起12的顶端延伸至所述外延层中。
[0100]
具体地，所述台体111可通过刻蚀所述基板101的上层区域得到，即所述台体111与基板101的材料相同。所述锥体121对应位于所述台体111上，所述凸起12可以是球冠、圆锥、多棱锥等形状，若干个所述凸起12的形状可以相同也可以不同，可以呈随机排布或周期性阵列排布，此外，相邻凸起12之间的间距可以根据需要进行设定，此处不作过多限制，
[0101]
进一步地，所述外延层的折射率》所述基板的折射率》所述锥体的折射率。
[0102]
具体地，所述基板101的材料为蓝宝石、sic、si、zno中的一种或任意种，优选为蓝宝石；所述锥体121的材料为蓝宝石、sic、si、zno、sio2、sin、sio中的一种或任意种，优选为sio2。
[0103]
本实施例中以基板101材料为蓝宝石、锥体121材料为sio2为例，二氧化硅材料的折射率约为1.45，蓝宝石材料的折射率约为1.78，对于主体材料为gan的led芯片来说，二氧化硅与gan之间的折射率差更大(gan材料的折射率约为2.5)，从而led芯片发出的光线到达所述图形化衬底1后更容易发生全反射，相对于单独的蓝宝石材料作为衬底而言，本发明中的带有所述锥体121的图形化衬底1更有利于led出光效率的提升。
[0104]
进一步地，所述缓冲层13的材料为aln、algan、alingan中的一种或任意种，优选为aln。所述缓冲层13可采用mocvd或pvd磁控溅射技术进行沉积。所述缓冲层13可以改善所述基板101与外延层的晶格失配，例如所述基板101及外延层的材料分别选用蓝宝石及gan，所述缓冲层13可以减弱因蓝宝石与gan之间晶格失配造成的应力影响，从而提高外延生长的质量，以及得到较好的表面状况以及外延片均匀性，从而提高外延层的发光效率。
[0105]
进一步地，所述外延层包括依序叠置的三维生长层201及二维生长层202，所述三维生长层201靠近所述缓冲层13；所述三维生长层201的上表面高于所述凸起12的顶端，且所述孔洞结构21延伸至所述二维生长层202。所述凸起的高度为1.7-2.2μm，所述三维生长层的厚度为2-3μm，所述二维生长层的厚度为1.5-2μm。
[0106]
具体地，所述孔洞结构21是在生长所述三维生长层201的过程中开始形成，关于所述孔洞结构21的具体形成过程可参考实施例一，此处不再赘述。
[0107]
进一步地，所述外延层还包括形成于所述二维生长层201上的第一半导体层301、有源层302、以及与所述第一半导体层301导电类型相反的第二半导体层303。
[0108]
具体地，所述第一导电类型半导体层301与第二导电类型半导体层303的导电类型不同，可以是n型或p型，例如，所述第一导电类型半导体层301为n型、第二导电类型半导体层303为p型。所述有源层302为发生辐射复合的发光层，可以是单量子阱层或多量子阱层。所述有源层302可以是红光、绿光、蓝光等发光类型。
[0109]
进一步地，所述孔洞结构21为中空的六棱柱，所述六棱柱横截面的外接圆直径d为0.1-0.5μm。
[0110]
进一步地，所述孔洞结构21内部为真空或含有填充气体，所述填充气体为n2、nh3、惰性气体中的一种或若干种的组合。
[0111]
具体地，所述孔洞结构21不仅有效规避了从所述凸起12侧壁合并的外延层在图形顶端处的应力问题，避免了纵向缺陷的产生，进而减少有源层中缺陷的产生，提高外延生长质量，提升了内量子效率。同时，由于所述孔洞结构21的内部为真空或填充有气体，折射率大约为1，因此相比于所述图形化衬底中的锥体121(如二氧化硅材料)或基板101(如蓝宝石材料)，其与周围的外延层的折射率相差更大，因此，有源层发出的光线入射至所述孔洞结构21与外延层的交界面时，更容易发生全反射，从而提升出光效率。
[0112]
具体地，本实施例中的发光二极管可以由上述实施例一中的制作方法获得，但不局限于实施例一中的制作方法，具体结构也可参照实施例一的相关描述。
[0113]
由于所述孔洞结构能够减少有源层中的缺陷并提高出光效率，使得本发明中发光二极管的发光亮度、抗静电能力均有提高，在完成电极制作、封装等工艺后，经测试本发明中发光二极管的亮度提高0.5％，抗静电能力提高0.4％，从而具有较高的产业实用价值。
[0114]
综上所述，本发明提供一种发光二极管及制作方法，该发光二极管形成于图形化衬底上，该图形化衬底的凸起包括叠置的锥体及台体，该锥体的形成有利于提升发光二极管的出光效率。同时通过调整外延生长条件，还在该凸起的顶端形成有孔洞结构，该孔洞结构不仅有效规避了从凸起侧壁生长的外延层在合并时的应力问题，从而避免纵向缺陷的产生，提升了内量子效率；同时，该孔洞结构的内部为真空或填充有气体，其与周围外延层材料的折射率相差更大，因此更容易发生全反射，从而提升出光效率。经测试本发明中发光二极管的发光亮度、抗静电能力均有提高，从而具有较高的产业实用价值。
[0115]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。