發光二極體及其製作方法

《發光二極體及其製作方法》是廈門市三安光電科技有限公司於2012年4月23日申請的發明專利，該專利申請號為2012101194109，公布號為CN102629652A，專利公布日2012年8月8日，發明人是黃少華、吳志強。

該發明公開了一種具有n型漸變緩衝層的發光二極體及其製作方法。其中，一種發光二極體的外延結構，包括：生長襯底；n型漸變緩衝層，位於所述生長襯底之上；n型限制層，位於所述n型漸變緩衝層之上；有源層，位於所述n型限制層上；p型限制層，位於所述有源層上。該發明利用離子植入法將緩衝層轉化為n型漸變緩衝層，在保證獲得高質量的外延結構的同時，其套用於垂直結構的發光二極管晶片，能夠有效降低接觸阻抗。

2017年12月，《發光二極體及其製作方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《發光二極體及其製作方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：發光二極體及其製作方法
• 公布日：2012年8月8日
• 公布號：CN102629652A
• 申請日：2012年4月23日
• 申請號：2012101194109
• 申請人：廈門市三安光電科技有限公司
• 發明人：黃少華、吳志強
• 地址：福建省廈門市思明區呂嶺路1721-1725號
• 分類號：H01L33/00(2010.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

截止到2012年，氮化鎵基發光二極體的套用已從顯示、指示、按鍵背光等領域逐步擴大到液晶背光和照明領域，發光效率也逐年攀升。由於缺少同質體單晶材料，氮化鎵基材料的外延生長通常在異質襯底上進行。採用藍寶石生長氮化鎵基的高效率藍綠光發光二級管是2012年之前最普及的技術之一，為了得到高質量的外延結構，普遍在襯底與發光外延層之間插入一未摻雜的緩衝層。

氮化鎵基發光二極體晶片有兩種基本結構，橫向結構（Lateral）和垂直結構（Vertical）。橫向結構晶片的兩個電極在晶片的同一側，電流在n型和p型限制層中橫向流動不等的距離，容易造成電極堵塞。垂直結構的晶片的兩個電極分別在外延層的兩側，由於圖形化電極和全部的p-類型限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過外延層，極少橫向流動的電流，可以改善平面結構的電流分布問題，提高發光效率，也可以解決P極的遮光問題，提升發光二極體晶片的發光面積。

參看附圖1和2，垂直結構的氮化鎵基發光二極體晶片的製作工藝一般包括下述步驟：在生長襯底上生長一未摻雜緩衝層和氮化鎵基發光外延層（依次包括n-GaN層、有源層p-GaN層等），在p-GaN層上鍵合一導電支持襯底，該導電支持基板的另一面層疊p電極；移除生長襯底，製作n電極。由於n電極接觸於n型氮化鎵層，因此需要經過乾式蝕刻將底層未參雜的緩衝層蝕刻至n型氮化鎵層，此方法於生產中較難控制，且其接觸阻抗較高，進而會衍生出較高的組件熱阻。當產品套用於超高功率產品中，較高的熱阻會影響其組件的發光效率以及壽命，因此影響了組件整體的特性表現。

發明內容

專利目的

《發光二極體及其製作方法》的目的即在於改進現有技術的上述局限，提供一種具有n型漸變緩衝層的發光二極體及其製作方法。

技術方案

根據《發光二極體及其製作方法》的第一個方面，一種發光二極體的外延結構，其包括：生長襯底；n型漸變緩衝層，位於所述生長襯底之上；n型限制層，位於所述n型漸變緩衝層之上；有源層，位於所述n型限制層上；p型限制層，位於所述有源層上。

根據該發明的第二個方面，一種發光二極體的外延生長方法，包括步驟：（1）提供生長襯底，在其上外延生長一未摻雜的緩衝層；（2）通過離子植入法，將所述緩衝層形成一n型漸變緩衝層；（3）在所述n型漸變緩衝層上二次外延生長一n型限制層；（4）在所述n型限制層上外延生長一有源層；（5）在所述有源層上外延生長一p型限制層。

根據該發明的第三個方面，一種垂直發光二極體的晶片結構，包括：導電基板；發光外延層位於所述導電基板上，其包括n型限制層，p型限制層，及夾在兩層之間的有源層；n型漸變緩衝層結構形成於所述n型限制層之上；n電極形成於n型漸變層結構上。

根據該發明的第四個方面，一種垂直發光二極體晶片的製作方法，包括步驟：（1）提供生長襯底，在其上外延生長一未摻雜的緩衝層；（2）通過離子植入法，將所述緩衝層變成一n型漸變緩衝層；（3）在所述n型漸變緩衝層上二次外延生長一n型限制層、一有源層和一p型限制層，構成發光二極體的外延結構；（4）在所述p型限制層上形成一金屬反射層；（5）提供一導電基板，將導電基板與所述外延結構粘結；（6）移除所述生長襯底，露出n型漸變緩衝層表面；（7）在所述露出的n型漸變緩衝層表面上製作n電極，在所述導電基板背面製作p電極；（8）切割形成垂直發在該發明中，所述生長襯底可為平坦表面或為一有規則圖案的表面結構。

所述n型漸變緩衝層的n型摻雜濃度為1×10以上，其n型摻雜呈高斯分布，其接近所述生長襯底一側為高摻雜。

改善效果

《發光二極體及其製作方法》的有益效果是：採用該發明能夠使得垂直晶片經過翻轉後可以直接的將電極接觸於表層，並且透過離子植入可以得到高濃度的參雜且不會造成二次外延成長上的困難，此技術大大的提升了垂直晶片的元件特性。

附圖說明

附圖用來提供對《發光二極體及其製作方法》的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與該發明的實施例一起用於解釋該發明，並不構成對該發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪製。

圖1～2是傳統垂直氮化鎵基發光二極體晶片的製作過程截面圖。

圖3～10是該發明第一實施例的垂直氮化鎵基發光二極體晶片的製作過程截面圖。其中，圖6為該發明第一實施例所示的發光二極體的外延結構示意圖，圖10是該發明第一實施例所示的垂直氮化鎵基發光二極體晶片結構示意圖。

圖11～13是該發明第二實施例的垂直氮化鎵基發光二極體晶片的製作過程截面圖。

圖14為該發明中n型漸變緩衝層中n型摻雜的分布示意圖。

圖中各標號表示：110：生長襯底，120：u-doped緩衝層；131：n-GaN層；132：多量子阱有源層；133：p-GaN層；160：導電基板；170：n電極；180：p電極；210，310：生長襯底；220，320：u-doped緩衝層；221，321：n型漸變緩衝層高摻雜端；222，322：n型漸變緩衝層低摻雜端；223：n型漸變緩衝層；231，331：n-GaN層；232，332：多量子阱有源層；233，333：p-GaN層；240，340：金屬反射層；250，350：金屬鍵合層；260，360：導電基板；270，370：n電極；280，380：p電極。

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權利要求

1.一種發光二極體的外延結構，其包括：生長襯底；n型漸變緩衝層，位於所述生長襯底之上；n型半導體層，位於所述n型漸變緩衝層之上；有源層，位於所述n型半導體層上；p型半導體層，位於所述有源層上。

2.根據權利要求1所述的發光二極體的外延結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜呈高斯分布，其接近所述生長襯底一側為高摻雜。

3.根據權利要求1所述的發光二極體的外延結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜濃度為1×10以上。

4.一種發光二極體的外延生長方法，包括步驟：（1）提供生長襯底，在其上外延生長一未摻雜的緩衝層；（2）通過離子植入法，將所述緩衝層形成一n型漸變緩衝層；（3）在所述n型漸變緩衝層上二次外延生長一n型半導體層；（4）在所述n型半導體層上外延生長一有源層；（5）在所述有源層上外延生長一p型半導體層。

5.根據權利要求1所述的發光二極體的外延生長方法，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜呈高斯分布，其接近所述生長襯底一側為高摻雜。

6.一種垂直發光二極體的晶片結構，包括：導電基板；發光外延層位於所述導電基板上，其包括n型半導體層，p型半導體層，及夾在兩層之間的有源層；n型漸變緩衝層結構形成於所述n型半導體層之上；n電極形成於n型漸變層結構上。

7.根據權利要求6所述的一種垂直發光二極體的晶片結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜濃度為1×10以上，其範圍為1×10～1×10。

8.根據權利要求6所述的一種垂直發光二極體的晶片結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜呈高斯分布，其接近n型半導體層的一側為低摻雜，其摻雜為摻雜濃度為1×10～5×10。

9.根據權利要求6所述的一種垂直發光二極體的晶片結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層遠離n型半導體層的一側的為高摻雜區，其摻雜濃度為5×10～1×10。

10.根據權利要求6所述的一種垂直發光二極體的晶片結構，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的表面為平坦面或圖案化的凹凸表面。

11.一種垂直發光二極體晶片的製作方法，包括步驟：（1）提供生長襯底，在其上外延生長一未摻雜的緩衝層；（2）通過離子植入法，將所述緩衝層變成一n型漸變緩衝層；（3）在所述n型漸變緩衝層上二次外延生長一n型半導體層、一有源層和一p型半導體層，構成發光二極體的外延結構；（4）在所述p型半導體層上形成一金屬反射層；

（5）提供一導電基板，將導電基板與所述外延結構粘結；（6）移除所述生長襯底，露出n型漸變緩衝層表面；（7）在所述露出的n型漸變緩衝層表面上製作n電極，在所述導電基板背面製作p電極；（8）切割形成垂直發光二級管晶片。

12.根據權利要求11所述的一種垂直發光二極體晶片的製作方法，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜濃度為1×1018以上，其範圍為1×1018～1×1020。

13.根據權利要求11所述的一種垂直發光二極體晶片的製作方法，其特徵在於：所述n型漸變緩衝層的n型摻雜呈高斯分布，其接近n型半導體層的一側為低摻雜。

14.根據權利要求11所述的一種垂直發光二極體晶片的製作方法，其特徵在於：所述步驟（2）中在緩衝層中注入矽離子，形成n型漸變緩衝層。

實施方式

實施例一

以下結合圖3～10對該發明的第一個優選實施例進行詳細說明。一種發光二極體的製作工藝，其步驟如下：如圖3所示，先提供生長襯底210，其表面為一平整表面，該生長襯底可選用藍寶石。

如圖4所示，形成一未摻雜（u-doped）的緩衝層220於生長襯底210上，厚度大於100埃，可選用200埃。

如圖5所示，利用離子植入法將矽離子注入於未摻雜的緩衝層220形成一n型的漸變緩衝層結構221及222，其中矽離子呈現高斯分布且221的濃度高於222的濃度。矽摻雜的濃度分布如圖14所示，其摻雜濃度的漸變範圍為1×10～1×10，其中靠近生長襯底的一端221的摻雜濃度的範圍為5×10～1×10，遠離生長襯底的一端222的摻雜濃度的範圍為1×10～5×10，在該實施例中，n型摻雜緩衝層的濃度從1×10漸變至5×10。

如圖6所示，在n型漸變緩衝層223上進行二次外延生長，其依次為：n-GaN層231，多量子阱有源層232，p-GaN層233，完成外延片的生長工藝。

如圖7所示，在p-GaN層233上蒸鍍一金屬反射層240，提供一導電基板260（如矽片），分別在導電基板260和金屬反射層240形成一金屬鍵合層250，並透過高壓加熱法將外延片與導電基板260相互黏貼。金屬反射層240的材料選用氧化鎳/銀的組合，其中氧化鎳的厚度需小於10A；金屬鍵合層250的材料可為金、金錫合金、銀錫銅、錫金、錫銅中的一種或其組合。

如圖8所示，移除生長襯底210。移除生長襯底的方法可為雷射剝離或研磨減薄法。

如圖9所示，在n型漸變緩衝層223上製作n電極270。

如圖10所示，在導電襯底260的背面製作p電極，切割形成垂直結構的發光二極體晶片。

該實施中，首先在生長襯底上生長一未摻雜的緩衝層，接著利用離子植入法，將緩衝層變為摻雜呈高斯分布的n型漸變結構，靠近n-GaN限制層的端呈低摻雜狀態，在低摻雜端232繼續進行二長外延生長，保證了發光外延結構的晶格質量；而在靠近生長襯底的一端221呈高摻雜狀態，其電阻值相對較低，在後續的垂直晶片的製作工藝中，直接移除生長襯底後，即可直接製作電極，而不用像傳統工藝中，需將未摻雜的緩衝層蝕刻，且避免了熱阻問題。

實施例二

參考圖11-13，該實施例與實施例一的區別主要在於：該實施例採用了圖形化的生長襯底310，如圖11所示，生長襯底310表面具有規則起伏的圖案。

如圖12所示，在圖形化的生長襯底310依序形成具有高低起伏的n型的漸變緩衝層結構321及322，其中n型的漸變緩衝層221濃度高於222，n-GaN層331於n型的漸變緩衝層322上，有源層332形成於n-GaN層331上，p-GaN層333形成於有源層332上。關於漸變緩衝層的n型摻雜濃度可參考實施例一。

如圖13所示，在p-GaN層333形成金屬反射層340；分別在金屬反射層340和導電基板360上形成一金屬鍵合層350，並透過高壓加熱法將如圖12所示的外延結構與導電基板360相互黏貼；移除生長襯底310，在具有規則起伏的圖案的n型的漸變緩衝層321上製作n電極370；在導電襯底7的背面製作p電極380。

該實施例在實施例一的基礎上，利用圖形化的生長襯底，一方面在外延生長緩衝層的過程中，可以進一步有效提升外延結構的質量；另一方面，將生長襯底上的圖案轉移至n型漸變緩衝層上，在製作成垂直結構的晶片後，n型漸變緩衝層做為器件的出光面，可作為一個導光器，減少了全反射，可以提高出光效果。

榮譽表彰

2017年12月，《發光二極體及其製作方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。