本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管及其制造方法，更詳細(xì)而言，涉及一種為了增加發(fā)光二極管的光提取效率而在AlGaInP發(fā)光二極管的上部以高質(zhì)量生長(zhǎng)與AlGaInP系物質(zhì)相比具有較大的帶隙和較小的折射率的GaN層。

背景技術(shù)：

AlGaInP系發(fā)光二極管為將所注入的電能轉(zhuǎn)換為具有約570～630nm范圍內(nèi)的特定波長(zhǎng)的光的半導(dǎo)體元件。特定波長(zhǎng)的變化由發(fā)光二極管所具有的帶隙(band gap)的大小來(lái)決定，而帶隙的大小是能夠通過改變Al和Ga的組成比來(lái)容易調(diào)節(jié)，例如，越增加Al組成比則波長(zhǎng)越短。

AlGaInP系發(fā)光二極管一般利用能夠進(jìn)行高質(zhì)量薄膜生長(zhǎng)的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)來(lái)制造。AlGaInP系發(fā)光二極管基本上具有在n型AlGaInP物質(zhì)與p型AlGaInP物質(zhì)中間存在以特定波長(zhǎng)計(jì)算出的、未被摻雜的AlGaInP系高效率活性層的結(jié)構(gòu)。并且，由于活性層、n型層及p型層具有相對(duì)較高的電阻，在考慮通用的發(fā)光二極管時(shí)，各層大部分生長(zhǎng)為1μm以下的厚度(總厚度<3μm)。

由于這種AlGaInP系發(fā)光二極管的光效率通過內(nèi)部量子效率和光提取效率來(lái)決定，因此為了增加發(fā)光二極管的光效率而需要增加這些效率中的至少一個(gè)。內(nèi)部量子效率的增加通過擴(kuò)大活性層的發(fā)射區(qū)域增加效率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常該方法主要使用活性層的多層結(jié)構(gòu)、電流擴(kuò)散層以及電子-空穴溢出防止層等。光提取效率的增加通過使從活性層中發(fā)射出的光順利地穿透到外部而增加效率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法使用反射膜、光子晶體(photonic crystal)以及表面凹凸形成(紋理)等。

為了增加光提取效率，在前述的方案中表面凹凸形成使用最廣泛，且作為多種方法來(lái)使用。特別是，像AlGaInP系發(fā)光二極管的情況，一般利用磷酸系化學(xué)刻蝕方法對(duì)用作上部電流擴(kuò)散層的Gap層表面進(jìn)行處理，從而將表面制造為粗糙的凹凸形狀以形成光的散射面。但是，由于這種化學(xué)刻蝕方法在Gap表面產(chǎn)生缺陷或污染而成為降低AlGaInP系發(fā)光二極管特性的主要原因。因此，需要即使不依賴化學(xué)刻蝕方法也能夠形成用于增加光提取效率的表面凹凸的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于增加AlGaInP系發(fā)光二極管的光提取效率。

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在不使用化學(xué)刻蝕方法的情況下通過形成表面凹凸來(lái)增加光提取效率的AlGaInP系發(fā)光二極管。

此外，本發(fā)明的目的在于AlGaInP系發(fā)光二極管中在不變更生長(zhǎng)系統(tǒng)的情況下在發(fā)光二極管的表面上生長(zhǎng)凹凸型GaN層。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明的AlGaInP系發(fā)光二極管的特征在于，在上部表面上形成有GaN層。所述GaN層優(yōu)選為凹凸型GaN層，并優(yōu)選通過沉積來(lái)形成。所述GaN層形成于發(fā)光二極管外延層的最上層，因此所述上部表面可以是電流擴(kuò)散層或半導(dǎo)體層的表面。

所述GaN層為與在AlGaInP系發(fā)光二極管中使用的所有物質(zhì)相比具有相對(duì)較高的帶隙和較小的折射率的物質(zhì)層，因此能夠增加AlGaInP系發(fā)光二極管的光提取效率。在此，“具有相對(duì)較高的帶隙”是指帶隙大于AlGaInP系發(fā)光二極管的其它生長(zhǎng)物質(zhì)，使得不吸收從AlGaInP系發(fā)光二極管發(fā)射出的光而使其透射。此外，“具有相對(duì)較小的折射率”是指折射率小于AlGaInP系發(fā)光二極管的其它生長(zhǎng)物質(zhì)，所述GaN層的折射率為n＝2.5。所述GaN層的折射率小于AlGaInP系的折射率(n＝3.0～3.5)，并且大于最終包圍發(fā)光二極管的封裝材料即環(huán)氧基的折射率(n＝1.5～1.8)。

所述GaN層或凹凸型GaN層使成為妨礙來(lái)自活性層的光向發(fā)光二極管的外部發(fā)射的主要原因的全反射量大幅減少，由此增加光提取效率。在此，用語(yǔ)“凹凸型”是指在表面上形成有微細(xì)的凹凸圖案，也可以理解為具有粗糙表面特性的圖案。

所述GaN層在相對(duì)較低的溫度下生長(zhǎng)，優(yōu)選在約400～700℃下生長(zhǎng)，更優(yōu)選在約500～550℃下生長(zhǎng)。因此，在MOCVD系統(tǒng)中，為了生長(zhǎng)所述GaN層，能夠利用在約670～800℃下生長(zhǎng)的AlGaInP系發(fā)光二極管的生長(zhǎng)系統(tǒng)。即，能夠在相同的MOCVD中生長(zhǎng)AlGaInP系發(fā)光二極管的各層之后降低系統(tǒng)內(nèi)的溫度，并在最上部層生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN層。

在生長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行過度摻雜(Doping)的情況下，所述GaN層可具有粗糙的表面。在此，過度摻雜是指在沉積時(shí)將例如Mg、Si、Zn等摻雜前驅(qū)體氣體的流動(dòng)率(flow rate)設(shè)定為約300sccm以上，優(yōu)選設(shè)定為約400sccm以上。具有越增加前驅(qū)體氣體的流動(dòng)率則表面越粗糙的傾向。如果在MOCVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)一定厚度的GaN層之后，使過度摻雜后的GaN層生長(zhǎng)，則能夠生長(zhǎng)凹凸型高質(zhì)量GaN層。

優(yōu)選地，所述GaN層生長(zhǎng)為具有100～2000nm的厚度。這是因?yàn)?，在與上述范圍相比厚度較薄的情況下，由于受到約50～60nm厚度的粗糙緩沖層的影響而難以進(jìn)行高質(zhì)量生長(zhǎng)，并且在與上述范圍相比厚度較厚的情況下，由于通常具有約2000～2300nm的厚度的上部電極被GaN層埋設(shè)而在最終燈的封裝時(shí)發(fā)生不良的可能性較高。

在本發(fā)明中，所述AlGaInP系發(fā)光二極管通過在基板上生長(zhǎng)第一型AlGaInP系半導(dǎo)體層、活性層及第二型AlGaInP系半導(dǎo)體層之后，在其之上優(yōu)選生長(zhǎng)凹凸型GaN層來(lái)制造。在此，第一型及第二型分別表示n型及p型或p型及n型。所述生長(zhǎng)可通過MOCVD等在所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)來(lái)執(zhí)行，所述凹凸型GaN層可通過在如上所規(guī)定的過度摻雜環(huán)境中沉積GaN來(lái)生長(zhǎng)。

優(yōu)選地，為了提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，在所述基板與第一型半導(dǎo)體層之間生長(zhǎng)DBR層，在所述第二型半導(dǎo)體層與GaN層之間生長(zhǎng)電流擴(kuò)散層。在所述GaN層的生長(zhǎng)之后，在其之上沉積上部電極，并在基板下方沉積下部電極。對(duì)所述上部電極的沉積來(lái)說，由于與發(fā)光二極管的GaP物質(zhì)或AlGaInP物質(zhì)的電阻相比，GaN的電阻相對(duì)較大，因此在GaN層中例如通過刻蝕來(lái)去除待形成電極的部分之后，在已去除的區(qū)域中沉積上部電極。

(三)有益效果

根據(jù)本發(fā)明，通過在AlGaInP系發(fā)光二極管的生長(zhǎng)時(shí)使具有較高的帶隙和較小的折射率的GaN層生長(zhǎng)在上部表面上，從而能夠增加AlGaInP系發(fā)光二極管的光提取效率。

特別是，由于在AlGaInP系發(fā)光二極管的生長(zhǎng)之后，所述GaN層在相同的系統(tǒng)中直接生長(zhǎng)為凹凸型而無(wú)需附加化學(xué)刻蝕處理或額外的工序，因此不會(huì)產(chǎn)生發(fā)光二極管的缺陷或污染，能夠穩(wěn)定地大幅增加發(fā)光二極管的效率，并且能夠除去用于形成凹凸的附加工序步驟。

附圖說明

圖1是示意性地表示由MOCVD系統(tǒng)制造的普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的應(yīng)用凹凸GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管b的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖2的(a)是本發(fā)明的具有凹凸型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管的電子顯微鏡表面照片，(b)是表示所述發(fā)光二極管中GaP窗口層和凹凸型GaN層的垂直結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡側(cè)面照片，(c)是表示對(duì)照片(a)的一部分進(jìn)行定性分析的數(shù)據(jù)的圖表。

圖3是表示關(guān)于普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的應(yīng)用平坦型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管b及應(yīng)用凹凸型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管c的光發(fā)射模式圖。

圖4是表示普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的具有平坦型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管b及具有凹凸型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管c的光致發(fā)光(photo-luminescence；PL)特性的圖表。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的附加方式、特征及優(yōu)點(diǎn)包括關(guān)于代表性實(shí)施例的下述說明，該說明應(yīng)結(jié)合所附的附圖來(lái)理解。為了助于明確理解本發(fā)明，在各圖中放大或省略或者示意性地表示局部組件。此外，各組件的大小并不是完全反映實(shí)際大小。下述實(shí)施例是為了讓本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解并容易實(shí)施本發(fā)明而舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的，并不能解釋為限制本發(fā)明。普通技術(shù)人員應(yīng)知道在本發(fā)明的思想和目的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行多種變更和修改。

圖1是示意性地簡(jiǎn)略表示由MOCVD系統(tǒng)制造的普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的應(yīng)用凹凸型GaN層2的AlGaInP系發(fā)光二極管b的結(jié)構(gòu)。普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的AlGaInP系發(fā)光二極管b均具有在基板8上依次生長(zhǎng)并層積有反射層7、下部約束層6、活性層5、上部約束層4及窗口層3的層結(jié)構(gòu)，基板8的下表面上形成有下部電極9，窗口層3的上表面上形成有上部電極1。這些結(jié)構(gòu)的具體形成可根據(jù)所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的AlGaInP發(fā)光二極管的制造工序來(lái)執(zhí)行。

對(duì)普通AlGaInP系發(fā)光二極管和本發(fā)明的AlGaInP系發(fā)光二極管均可包含的各層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的說明，由于本發(fā)明的發(fā)光二極管為AlGaInP系，因此所述活性層5為(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP層。根據(jù)需要，所述活性層5可應(yīng)用單層、量子阱結(jié)構(gòu)、多重量子阱結(jié)構(gòu)等。優(yōu)選地，所述活性層5由多層構(gòu)成，由于改變x值的同時(shí)形成層而整個(gè)活性層形成有多重量子阱。因此，更多的電子向所述多重量子阱中的低能級(jí)聚集，其結(jié)果電子容易從導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到價(jià)帶，從而能夠增大發(fā)光效果。所述下部約束層6為n型AlGaInP層，上部約束層4為P型AlGaInP層。

所述基板8為n型GaAs基板。由于GaAs基板的光吸收性較大，因此從活性層4向下部或基板方向發(fā)射的光被GaAs基板吸收而降低發(fā)光二極管的效率。因此，如本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解，為了在不去除GaAs基板的情況下增加發(fā)光效率，在基板8上生長(zhǎng)由多層構(gòu)成的反射層7，由此使從活性層4向基板8方向發(fā)射的光朝向前面(上部)方向反射。所述反射層7為分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector；DBR)層，其由根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)選自AlGaInP/AlGaInP、AlAs/AlGaAs、AlAs/GaAs及AlAs/AlGaInP等中的反復(fù)多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)由活性層4即(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP層的組成比決定。

形成于上部約束層4上的上部窗口層3本質(zhì)上為用于擴(kuò)散電流的層，其由透明且電阻率較小的材料沉積而形成，優(yōu)選為P型GaP層。為了實(shí)現(xiàn)電流擴(kuò)散效果和上部側(cè)面的發(fā)射圓錐體區(qū)域的擴(kuò)大效果，所述窗口層3生長(zhǎng)為數(shù)微米至數(shù)十微米的厚度，優(yōu)選生長(zhǎng)為約15μm以上的厚度。

具有對(duì)活性層5施加陽(yáng)極電壓的作用的上部電極1和具有對(duì)活性層5施加陰極電壓的作用的下部電極9可分別使用作為AlGaInP系歐姆接觸(ohmic contact)物質(zhì)的AuGe和AuBe，并且電極物質(zhì)的附加例在本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中廣為人知。

在前述的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明所的AlGaInP系發(fā)光二極管b具有在所述窗口層3上生長(zhǎng)有GaN層的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選具有生長(zhǎng)有凹凸型GaN層2的結(jié)構(gòu)。所述凹凸型GaN層2是為了增加發(fā)光二極管的光提取效率而應(yīng)用的層，在不使用額外的處理或設(shè)備情況下，能夠在為了生長(zhǎng)AlGaInP系發(fā)光二極管b的其他層而使用的MOCVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)所述凹凸型GaN層2。

圖2是具有根據(jù)本發(fā)明制造的凹凸型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管的電子顯微鏡照片，(a)是表示上部表面的照片，(b)是表示生長(zhǎng)在窗口層上的GaN層的側(cè)面照片，(c)是表示對(duì)表面照片(a)的一部分進(jìn)行定性分析的數(shù)據(jù)。所述凹凸型GaN層通過以下方式生長(zhǎng)：在MOCVD系統(tǒng)中，500℃的溫度下，使用150sccm的TMGa、45000sccm的NH₃來(lái)沉積一定厚度的高質(zhì)量GaN層，之后，在相同的生長(zhǎng)環(huán)境中投入約400sccm的Cp2Mg的同時(shí)沉積GaN層。如表面照片(a)所示，在GaN層的表面上存在無(wú)數(shù)個(gè)彎曲并構(gòu)成微細(xì)的凹凸圖案。如側(cè)面照片(b)所示，能夠確認(rèn)在窗口層(GaP)的正上方均勻地生長(zhǎng)有約370nm厚度的凹凸型GaN層。此外，如圖表(c)所示，經(jīng)定性分析結(jié)果，從生長(zhǎng)在GaP窗口層上的層中確認(rèn)出“N”檢測(cè)標(biāo)識(shí)。由于AlGaInP系發(fā)光二極管在生長(zhǎng)時(shí)未使用“N”物質(zhì)，因此能夠判斷在GaP窗口層上生長(zhǎng)的高質(zhì)量物質(zhì)為GaN。

圖3是用于表示從活性層產(chǎn)生的光的發(fā)射根據(jù)GaN層的存在與否如何發(fā)生變化的圖，是表示從普通AlGaInP系發(fā)光二極管a和本發(fā)明的應(yīng)用平坦型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管b及應(yīng)用凹凸型GaN層的AlGaInP系發(fā)光二極管c中發(fā)射出的光的彼此不同的路線的圖。像發(fā)光二極管a的情況，從活性層的點(diǎn)光源所產(chǎn)生的光經(jīng)由具有彼此不同的折射率的上部約束層和窗口層向發(fā)光二極管的外部發(fā)射，相當(dāng)數(shù)量的光在窗口層的表面分界面被反射而轉(zhuǎn)向發(fā)光二極管的內(nèi)部。相反，像應(yīng)用平坦型GaN層的發(fā)光二極管b的情況，由于GaN物質(zhì)的折射率小，與發(fā)光二極管a相比，在表面分界面被反射的光減少很多。此外，像應(yīng)用凹凸型GaN層的發(fā)光二極管c的情況，由于表面的微細(xì)凹凸圖案而提供較大的臨界角，從而能夠進(jìn)一步顯著減少因全反射而向內(nèi)部反射的光。

圖4表示在具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的各發(fā)光二極管中測(cè)定出的光致發(fā)光(PL)特性。為了比較PL特性，平坦型GaN層和凹凸型GaN層分別生長(zhǎng)在與普通AlGaInP系發(fā)光二極管相同的條件下生長(zhǎng)的樣品上。由此可知，與普通AlGaInP系發(fā)光二極管相比，應(yīng)用平坦型GaN層的發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)強(qiáng)度增加了約1.8倍，應(yīng)用凹凸型GaN層的發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)的強(qiáng)度增加了約2.1倍。由于這些發(fā)光二極管在GaN層的生長(zhǎng)之前均具有相同的特性，因此可知光致發(fā)光的增加即發(fā)光二極管的效率增加是生長(zhǎng)本發(fā)明的GaN層的結(jié)果。

雖然本發(fā)明中記載了代表性的實(shí)施例，但應(yīng)理解為本發(fā)明在權(quán)利要求書中記載的權(quán)利要求的所有范圍內(nèi)具有受保護(hù)的權(quán)利。