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。

CN 1858918A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 11、 N型焊盘 12; 其中， 所述全角度反射镜 4 生长在衬底 1上， 其是由高折射率层 3和低折射率层 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 n _H >低折射率层的折射率 ¾>蓝宝石材料的折射率 n,且满足 sin- ¹ ― < tan ¹ , 其中， η、 η _Η . ¾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， 不利于推 广应用。

因此， 提供一种制作工艺简单， 且可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， 成为本领域技术人员亟待解决的问题。

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， 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双 焦距微透镜结构。

在所述发光二极管中， 还包括位于蓝宝石衬底和外延层之间的緩冲层 。

在所述发光二极管中， 还包括位于所述帽层上的透明导电层。

在所述发光二极管中，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的制造方法， 该制造方法包括： 提供 蓝宝石衬底； 刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个双焦距微透镜 结构； 在所述蓝宝 石衬底上方依次形成外延层、 有源层和帽层。

在所述发光二极管的制造方法中， 形成多个双焦距微透镜结构的步骤包括： 在所述蓝宝石衬底上形成多个圓柱形光刻胶台 ； 对所述圓柱形光刻胶台进行烘 烤， 使所述圓柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶； 以所述球冠状光刻胶为掩膜， 执行第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺； 执行第二次感应耦合等离子体刻蚀工 艺， 所述第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈 功率小于第一次感应耦合等 离子体刻蚀工艺的线圈功率。

在所述发光二极管的制造方法中， 在第一次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 板功率为 200W〜300W, 线圈功率为 300 W〜500W。

在所述发光二极管的制造方法中， 在第二次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 板功率为 200W〜300W, 线圈功率为 270 W〜450W。

在所述发光二极管的制造方法中， 在温度为 120°C〜250°C的范围内， 对圓柱 形光刻胶台进行烘烤， 以使圓柱形光刻胶台成为球冠状光刻胶。

在所述发光二极管的制造方法中， 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。

在所述发光二极管的制造方法中， 在形成所述外延层之前， 还包括： 在所述 蓝宝石衬底上形成緩冲层。

在所述发光二极管的制造方法中， 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。

在所述发光二极管的制造方法中， 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： 所述发光二极管的蓝宝石衬底在靠近外延层的 表面上具有多个双焦距微透 镜结构， 所述双焦距微透镜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， 由于形成了多个双焦距微透镜 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， 易于实施。 附图说明

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发光二极管制造方法的� �程示意图；

图 4A〜4E为本发明一实施例的发光二极管制造方� �的剖面示意图； 图 5为本发明一实施例的圓柱形光刻胶台的俯视� �。 具体实施方式

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双焦距 微透镜结构。 所述双焦距微透镜 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， 由于形成了多个双焦距微透镜结构， 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 240, 所述蓝宝石衬底 200在靠近外延层 220的表面上具有多 个双焦距 透镜结构 201。

在本实施例中，双焦距微透镜结构 201是由上下两部分组成， 下部分为直径 较大的圓台状结构， 上部分为直径较小的圓台状结构。 所述双焦距微透镜结构 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， 所述双焦距微透镜结 构 201可提高蓝宝石衬底 200与其它膜层（在本实施例中为緩冲层 210 )的晶格 匹配度， 减小形成于蓝宝石衬底上的緩冲层 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。

所述发光二极管还包括緩冲层 210,所述緩冲层 210位于所述蓝宝石衬底 200 和外延层 220之间， 所述緩冲层 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， 所述緩冲层 210—般采用低温条件下生长的氮 化镓薄膜。

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� �， 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。

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 260、 第二电极 270和深度延伸至所述外 延层 220的开口 221 (即开口 221贯穿透明导电层 250、 帽层 240、 有源层 230 和部分外延层 220 ), 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， 所述多个双焦距微透镜结构 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的制造方法， 具体请参考图 3 , 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， 所述发光二极管的制造 方法包括以下步骤：

530, 提供蓝宝石衬底；

531 , 刻蚀所述蓝宝石衬底以形成多个双焦距微透镜 结构；

532, 在所述蓝宝石衬底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 的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 4A, 首先， 提供蓝宝石衬底 200, 所述蓝宝石衬底 200是由 A1 ₂ 0 ₃ 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 4B, 然后， 可通过涂胶、 曝光和显影工艺， 在所述蓝宝石衬底 200 上形成多个圓柱形光刻胶台 280。

并结合图 5所示，所述圓柱形光刻胶台 280是指光刻胶台的俯视（从垂直于 蓝宝石衬底 200表面的方向看）形状为圓形。 图中， 多个圓柱形光刻胶台 280 均匀分布， 排成二维阵列， 然而根据设计要求也可排列成其它形式。 可选的， 所述圓柱形光刻胶台 280的厚度 hi Α θΛμπι〜5μιη, 直径 D是 Ιμιη〜10μιη, 间 距 Ο.ΐμη！〜 1μιη。 可以理解的是， 本领域技术人员可根据实际要获得的双焦距微 透镜结构的尺寸相应的调整圓柱形光刻胶台的 尺寸。

参考图 4C, 随后， 对所述圓柱形光刻胶台 280进行烘烤， 使所述圓柱形光 刻胶台 280成为球冠状光刻胶 281。 在本实施例中， 在温度为 120°C〜250°C的范 围内， 对圓柱形光刻胶台 280进行烘烤， 所述圓柱形光刻胶台 280在高于光刻 胶的玻璃软化温度下， 由于表面张力的作用成为球冠状光刻胶 281。

参考图 4D, 其后， 以所述球冠状光刻胶 281为掩膜， 执行两步感应耦合等 离子体（Inductive Coupled Plasma, ICP )刻蚀工艺， 直至所述球冠状光刻胶 281 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双焦 距微透镜结构 201。

在本实施例中， 首先， 执行第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺； 然后， 执行 第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺， 所述第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的 线圈功率 （coil power ) 小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线圈 功率， 以 形成上部分直径较小、 下部分直径较大的双焦距微透镜结构。 所述双焦距微透 镜结构 201的高度 h2可以为 3μιη〜5μιη。

可选的，在第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺 中，所采用的刻蚀气体可以是 三氯化硼（BC1 ₃ )、 氦气（He )和氩气（Ar )的混合气体， 其中， 三氯化硼的流 量例如是 20〜1000sccm, 氦气的流量例如是 20〜500sccm, 氩气的流量例如是

20〜500sccm;腔室压力为 50mTorr〜2Torr,底板功率（ late power )为 200W〜300W, 线圈功率为 300W〜500W。 在第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺中， 刻蚀气体与 第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺相同， 且保持腔室压力不变， 同时， 底板功 率也保持不变， 只需改变线圈功率， 使第二次感应耦合等离子体刻蚀工艺的线 圈功率小于第一次感应耦合等离子体刻蚀工艺 的线圈功率， 例如 270 W〜450 W。

当然，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上形成双焦距微透镜结构 的目的。

参考图 4E, 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， 在具有多个双焦距微透镜结构 201 的蓝宝石衬底 200上 形成緩冲层 210, 所述緩冲层 210完全覆盖多个双焦距微透镜结构 201。

在形成緩冲层 210之后， 在所述緩冲层 210上依次形成外延层 220、 有源层 230、 帽层 240, 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 )工艺形成緩冲层 210、 外延层 220、 有源层 230、 帽层 240以及透明导电层 250。

请再次参考图 2, 随后， 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 220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双 焦距微透镜结构， 所述双焦距微 透镜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， 所述双焦距微透镜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。