一种发光二极管及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及半导体发光技术领域， 具体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) 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 照明性能指标的日益大幅度提高， 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、 发光率高、 电子饱和和漂移速度高、 化学 性质稳定等特点， 引起了人们的广泛关注。
请参照图 1， 为现有的一种 LED 结构的剖面示意图， 该 LED 包括 ： 图形化蓝宝石衬 底 11， 该衬底上形成有预定图案 ； 依次位于蓝宝石衬底 11 上的 n 型半导体层 12、 多量子阱 (MQW， Multi-Quantum Well) 层 13 和 p 型半导体层 14。 其中， n 型半导体层 12 通常由 n-GaN 构成， p 型半导体层 14 通常由 p-GaN 构成。为简洁起见， 图 1 中未示出电极， 通常图 1 所示 的结构还包括有连接 n 型半导体层 12 的第一电极、 和连接 p 型半导体层 14 的第二电极。 第 一电极通常与电源负极连接， 第二电极通常与电源正极连接。
请参照图 2， 图 2 为图 1 所示的多量子阱层 13 的剖面示意图。多量子阱层 13 通常 包括多个势垒层 131 以及被势垒层 131 隔开的多个有源层 132。所述有源层也被称为势阱 层或活性层， 所述有源层 132 的导带能量和价带能量之间的能量带隙小于势垒层 131 的能 量带隙， 所述有源层 132 和势垒层 131 均由 III-V 半导体化合物构成。
LED 在用于发光时， 将第一电极连接至电源负极， 第二电极连接至电源正极， 由于 n 型半导体层 12 与 p 型半导体层 14 的掺杂类型， 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移， 在 PN 结正向偏压下， 在 PN 结区 附近或阱里， 导带中的高能量的电子落到价带与空穴复合后， 多余的能量以光和热的形式 释放出来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管及其制造方法， 无需在发光二 极管中设置电流扩展层即可避免或减轻电流聚集效应。 本发明还可以提高发光二极管的内 量子效率。
为解决上述技术问题， 本发明提供方案如下 ：
一种发光二极管， 包括 ：
第一半导体层、 和位于所述第一半导体层上方的第二半导体层 ；
夹设在所述第一半导体层和第二半导体层之间的多量子阱层， 所述多量子阱层包 括至少两个多量子阱结构， 相邻的多量子阱结构之间相互连接以使得第一半导体层和第二 半导体层相隔离， 其中， 所述至少两个多量子阱结构的厚度各不相等， 且沿第一位置到第二 位置的方向， 逐渐递减 ；
所述第一位置是所述第一半导体层上用于沉积 N 电极的位置， 所述第二位置是所述第二半导体层上用于沉积 P 电极的位置。
优选地， 上述的发光二极管中，
所述多量子阱层的上表面为阶梯状的台阶面， 以使得所述多量子阱层在沿层高方 向形成与第二半导体层相接触的断面。
优选地， 上述的发光二极管中，
所述多量子阱层的下表面为阶梯状的台阶面， 以使得所述多量子阱层在沿层高方 向形成与第一半导体层相接触的断面。
优选地， 上述的发光二极管中， 各个所述多量子阱结构的横向长度均相同。
优选地， 上述的发光二极管中，
从所述第一位置开始的第 n 个所述多量子阱结构的厚度 tn ＝ (rqt1-nrgl)/rq， 其中 n ＞ 1， t1 为从所述第一位置开始的第 1 个所述多量子阱结构的厚度， rg 为所述第一半导体 层的单位长度电阻， rq 为所述多量子阱结构的单位长度电阻， l 为所述多量子阱结构的横向 长度。
优选地， 上述的发光二极管中，
在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面为一逐渐下 降的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面为一 逐渐上升的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面包括 呈逐渐下降的阶梯状的台阶面的部分和呈逐渐上升的阶梯状的台阶面的部分。
本发明还提供了一种发光二极管的制造方法， 包括 ：
沉积第一半导体层 ；
对所述第一半导体层进行刻蚀， 使得所述第一半导体层形成一呈阶梯状的台阶面 的上表面 ；
在所述第一半导体层上形成多量子阱层 ； 以及
在所述多量子阱层上形成第二半导体层 ；
形成与所述第一半导体层连接的 N 电极， 以及形成与所述第二半导体层连接的 P 电极 ；
其中， 所述多量子阱层包括至少两个多量子阱结构， 相邻的多量子阱结构之间相 互连接以使得第一半导体层和第二半导体层相隔离， 其中， 所述至少两个多量子阱结构的 厚度各不相等， 且沿第一位置到第二位置的方向， 逐渐递减 ； 所述第一位置是所述第一半导 体层上用于沉积 N 电极的位置， 所述第二位置是所述第二半导体层上用于沉积 P 电极的位 置。
优选地， 上述的制造方法中， 所述在所述第一半导体层上形成多量子阱层， 包括 ： 首先沉积具有水平上表面的多量子阱层， 然后对沉积的该多量子阱层进行刻蚀， 使各个多 量子阱结构的厚度不等， 且沿预定的所述第一位置到预定的所述第二位置的方向， 逐渐递 减， 其中， 沉积在所述第一半导体层的上表面中的每个台阶面的多量子阱层部分为一个多 量子阱结构。
优选地， 上述的制造方法中， 所述多量子阱层的上表面为阶梯状的台阶面， 以使得所述多量子阱层在沿层高方向形成与第二半导体层相接触的断面。
优选地， 上述的制造方法中， 所述多量子阱层的下表面为阶梯状的台阶面， 以使得 所述多量子阱层在沿层高方向形成与第一半导体层相接触的断面。
优选地， 上述的制造方法中， 各个所述多量子阱结构的横向长度均相同。
优选地， 上述的制造方法中， 从所述第一位置开始的第 n 个所述多量子阱结构的 厚度 tn ＝ (rqt1-nrgl)/rq， 其中 n ＞ 1， t1 为从所述第一位置开始的第 1 个所述多量子阱结 构的厚度， rg 为所述第一半导体层的单位长度电阻， rq 为所述多量子阱结构的单位长度电 阻， l 为所述多量子阱结构的横向长度。
优选地， 上述的制造方法中， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量 子阱层的上表面为一逐渐下降的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面为一 逐渐上升的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面包括 呈逐渐下降的阶梯状的台阶面的部分和呈逐渐上升的阶梯状的台阶面的部分。
从以上所述可以看出， 本发明提供的发光二极管及其制造方法， 通过增加多量子 阱层与半导体层接触的断面， 使得空穴或电子能够由半导体层侧向注入至量子阱， 这样使 得空穴更容易到达底层量子阱， 并且载流子在整个多量子阱中的分布密度也变得均匀， 因 此本发明能够提高载流子的复合速率， 进而提高 LED 的内量子效率， 改善 LED 的发光效率。 并且， 本发明将多量子阱层设计成具有独特厚度变化的多个多量子阱， 避免了 N 电极处的 电流聚集效应， 从而可以无需在 LED 中设置现有技术中的电流扩展层。 附图说明
图 1 为现有的一种 LED 结构的剖面示意图 ； 图 2 为图 1 所示的多量子阱层 13 的剖面示意图 ； 图 3 为图 1 所示的多量子阱层 13 的载流子密度的示意图 ； 图 4 为本发明实施例的 LED 的一种剖面结构的示意图 ； 图 5 为本发明实施例的 LED 的另一种剖面结构的示意图 ； 图 6 为本发明实施例的 LED 的又一种剖面结构的示意图 ； 图 7A ～ 7G 为制造图 4 所示 LED 的流程示意图。具体实施方式
本发明提供了一种 LED 及其制造方法， 通过改变现有技术中 LED 的多量子阱层， 将 其打断成多个连续的多量子阱结构， 且各个多量子阱结构具有不同的厚度， 在提高载流子 复合速率的同时， 还可以省去现有技术中的电流扩展层。 以下将结合附图， 通过具体实施例 对本发明作进一步的说明。
请参照图 4， 本发明实施例所述的 LED， 具体包括 ：
第一半导体层 22、 和位于所述第一半导体层 22 上方的第二半导体层 24 ；
夹设在所述第一半导体层 22 和第二半导体层 24 之间的多量子阱层 23， 所述多量 子阱层 23 包括至少两个多量子阱结构 231， 相邻的多量子阱结构 231 之间相互连接以使得第一半导体层 22 和第二半导体层 24 相隔离， 其中， 所述至少两个多量子阱结构 231 的厚度 t 各不相等， 且沿第一位置到所述第二位置的方向， 逐渐递减 ； 所述第一位置是所述第一半 导体层上用于沉积 N 电极 25 的位置， 所述第二位置是所述第二半导体层上用于沉积 P 电极 26 的位置。
图 4 中， 所述 LED 还包括 ： 沉积在所述第一位置的 N 电极 25、 和沉积在所述第二位 置的 P 电极 26。换言之， 所述至少两个多量子阱结构 231 的厚度 t 各不相等， 沿所述 N 电极 25 到所述 P 电极 26 的方向， 逐渐递减。
具体的， 本发明实施例中， 所述第一半导体层 22 为 n 型半导体层， 所述第二半导体 层 24 为 p 型半导体层 ； 其中 n 型半导体层可以由 n-GaN 构成， p 型半导体层可以由 p-GaN 构成。
从图 4 可以看出， 本发明实施例中第一半导体层 22 的上表面为阶梯状的台阶面， 沉积在每个台阶面的多量子阱层部分为一个多量子阱结构 231， 这样， 所述多量子阱层 23 由各个台阶面上的多个多量子阱结构 231 组成， 相邻的多量子阱结构 231 首尾相连， 即相邻 的多量子阱结构 231 在侧面相接触， 从而形成上述连接。并且在沿所述 N 电极 25 到 P 电极 26 的方向， 各个多量子阱结构 231 的厚度逐渐递减。 图 3 为现有技术 LED 的载流子密度的示意图， 从图 3 可以看出， 现有技术的 LED 中， 与 p 型半导体层 14 相邻的顶层量子阱上的空穴密度非常大， 而从顶层量子阱往下的各个量 子阱的空穴密度逐渐降低。类似的， 与 n 型半导体层 12 相邻的底层量子阱上的电子密度非 常大， 而从底层量子阱往上的各个量子阱的电子密度逐渐降低。即， 顶层量子阱空穴密度 大， 而低层量子阱电子密度大。由于多量子阱中的载流子密度存在上述特点， 现有的 LED 中 的载流子复合速率受到限制， 从而严重限制了 LED 的内量子效率 (IQE， Internal Quantum Efficiency)。
反观本发明实施例图 4 所示的 LED， 可以看出， 多量子阱层 23 的上表面为阶梯状的 台阶面， 这样， 多量子阱层 23 能够在沿层高方向形成与第二半导体层 24 相接触的断面， 使 得空穴能够从该断面侧向注入至多量子阱， 从而可以解决现有技术中因为第二半导体层 24 与多量子阱层 23 之间的空穴拥挤效应导致的载流子复合速率受限的问题。类似的， 多量子 阱层 23 的下表面也为阶梯状的台阶面， 这样， 多量子阱层 23 能够在沿层高方向形成与第一 半导体层 22 相接触的断面， 使得电子能够从该断面侧向注入至多量子阱， 由此本实施例可 以提高载流子复合速率， 进而提高 LED 的内量子效率， 改善了 LED 的发光效率。
并且， 图 3 所示的现有技术的 LED， 通常需要采用在电极下方设置电流扩展层， 以 使得整个外延层的电流分布均匀， 用以减轻或避免 LED 电流易集中在电极下方的部分区 域， 从而极易产生电流聚集效应， 导致 LED 发光、 发热不均匀， 使用寿命下降等问题。
反观本发明实施例图 4 所示的 LED， 可以看出， 由于本发明实施例中各个多量子阱 结构 231 的厚度在从所述第一位置至所述第二位置的方向上逐渐递减， 从而改变了从 N 电 极经由各个多量子阱结构 231 到达 P 电极 26 的路径上的电阻， 为整个 LED 结构中的电流扩 展提供了更好的电流通路， 从而使得沿各个多量子阱结构 231 到达 P 电极 26 的电流的分布 更为均匀， 避免了 N 电极处的电流聚集效应， 从而可以无需设置现有技术中的电流扩展层。
如图 4 所示， 本发明实施例中， 所示 LED 还可以包括 ：
衬底 21， 如图形化蓝宝石衬底， 所述第一半导体层 22 沉积在所述衬底 21 之上 ；
本实施例中各个所述多量子阱结构 231 的横向长度可以相同， 也可以不同。作为 一个优选实施方式， 在各个所述多量子阱结构 231 的横向长度均相同时， 假设从所述第一 位置开始的第 1 个所述多量子阱结构的厚度为 t1， 则从所述第一位置开始的第 n 个所述多 量子阱结构的厚度 tn ＝ (rqt1-nrgl)/rq， 这里 n ＞ 1， rg 为所述第一半导体层的单位长度电 阻， rq 为所述多量子阱结构的单位长度电阻， l 为所述多量子阱结构的横向长度 ( 即第一 半导体层 22 的上表面台阶面的踏步宽度 )。按照以上公式所确定的各个多量子阱结构的 厚度， 使得从 N 电极经由各个多量子阱结构 231 到达 P 电极 26 的各个路径上的电阻近似相 等， 从而能够使得电流在整个 LED 结构中分布均匀， 很好地克服了现有技术中的电流聚集 效应， 从而使得本实施例所述 LED 中无需设置现有技术中的电流扩展层。
图 4 中， 在沿所述 N 电极 25 到所述 P 电极 26 的方向， 所述多量子阱层 23 的上表 面呈一逐渐下降的阶梯状的台阶面。 以下请参照图 5 ～ 6， 进一步说明本发明实施例可以采 用的 LED 的结构， 当然这些结构不应被看作本发明的限制。
请参照图 5 所示的 LED， 包括图形化蓝宝石衬底 31、 n 型半导体层 32、 多量子阱层 33、 p 型半导体层 34、 与 N 型半导体层 32 连接的 N 电极 35、 和与 P 型半导体层 34 连接的 N 电极 36。其中， 多量子阱层 33 同样包括多个连续的多量子阱结构， 其中相邻的多量子阱结 构首尾相连用以隔离 n 型半导体层 32 和 p 型半导体层 34。可以看出， 图 5 中的多量子阱 层 33 的上表面， 在沿沉积所述 N 电极 35 的第一位置到沉积所述 P 电极 36 的第二位置的方 向， 呈一逐渐上升的阶梯状的台阶面。 图 6 所示的 LED， 包括图形化蓝宝石衬底 41、 n 型半导体层 42、 多量子阱层 43、 p型 半导体层 44、 与 N 型半导体层 42 连接的 N 电极 45、 和与 P 型半导体层 44 连接的 N 电极 46。 其中， 多量子阱层 43 同样包括多个连续的多量子阱结构， 其中相邻的多量子阱结构首尾相 连用以隔离 n 型半导体层 42 和 p 型半导体层 44。可以看出， 图 6 中的多量子阱层 43 的上 表面， 在沿沉积所述 N 电极 35 的第一位置到沉积所述 P 电极 36 的第二位置的方向， 首先是 呈一逐渐上升的阶梯状的台阶面， 然后是呈一逐渐下降的阶梯状的台阶面。 当然， 本实施例 的多量子阱层 43 的上表面， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 还可以是首先呈逐 渐下降的阶梯状的台阶面， 然后是呈一逐渐上升的阶梯状的台阶面 ； 或者是上升和下降的 阶梯状的台阶面的各种组合。即， 本发明实施例的多量子阱层 43 的上表面， 既包括呈逐渐 下降的阶梯状的台阶面的部分， 还包括呈逐渐上升的阶梯状的台阶面的部分。
从以上所述可以看出， 本发明实施例中多量子阱层包括多个多量子阱结构， 相邻 的多量子阱结构首尾相连， 并且在沿所述 N 电极到 P 电极的方向， 各个多量子阱结构的厚度 逐渐递减。
最后， 本发明实施例给出了制备图 4 所示的 LED 的具体步骤， 包括 ：
沉积作为第一半导体层 22 的 n-GaN 层， 具体可以沉积在图形化蓝宝石衬底 21 之 上；
对所述第一半导体层 22 进行刻蚀， 使得所述第一半导体层形成一呈阶梯状的台 阶面的上表面 ；
在所述第一半导体层 22 上形成多量子阱层 23 ； 以及
在所述多量子阱层 23 上形成第二半导体层 24 ；
其中， 所述多量子阱层包括至少两个多量子阱结构 231， 相邻的多量子阱结构 231
之间相互连接以使得第一半导体层和第二半导体层相隔离， 其中， 所述至少两个多量子阱 结构 231 的厚度各不相等， 且沿第一位置到第二位置的方向， 逐渐递减 ； 所述第一位置是所 述第一半导体层上用于沉积 N 电极的位置， 所述第二位置是所述第二半导体层上用于沉积 P 电极的位置。
以下结合图 7A ～ 7G， 对以上步骤作进一步详细说明。
形成所述第一半导体层 22， 可以首先沉积具有相同厚度的第一半导体层 ( 如图 7A 所示 )， 然后对第一半导体层进行刻蚀， 使之形成具有阶梯状的台阶面 ( 如图 7B 所示 )。
形成所述多量子阱层 23 时， 可以首先在所示第一半导体层 22 上沉积具有水平上 表面的多量子阱层 ( 如图 7C 所示 )， 然后对多量子阱层进行刻蚀， 使各个多量子阱结构的 厚度不等， 且沿预定的所述第一位置到预定的所述第二位置的方向， 逐渐递减 ( 如图 7D 所 示 )。这里， 沉积在第一半导体层 22 的上表面中的每个台阶面的多量子阱层部分为一个多 量子阱结构。
然后， 在图 7D 所示的多量子阱层之上， 沉积第二半导体层 24， 得到如图 7E 所示的 结构。
然后， 刻蚀去除所述第一半导体层 22 部分上表面之上的多量子阱层 23 和第二半 导体层 24， 使得所述第一半导体层 22 上的所述第一位置暴露， 如图 7F 所示。
然后， 在所述第一半导体层 22 上的所述第一位置处形成与所述第一半导体层 22 连接的 N 电极 25， 以及在所述第二半导体层 24 上的所述第二位置处形成与所述第二半导体 层 24 连接的 P 电极 26， 得到如图 7G 所示的结构。
优选地， 以上方法中， 所述多量子阱层的上表面为阶梯状的台阶面， 以使得所述多 量子阱层在沿层高方向形成与第二半导体层相接触的断面。
优选地， 以上方法中， 所述多量子阱层的下表面为阶梯状的台阶面， 以使得所述多 量子阱层在沿层高方向形成与第一半导体层相接触的断面。
优选地， 以上方法中， 各个所述多量子阱结构的横向长度均相同。更为具体的， 从 所述第一位置开始的第 n 个所述多量子阱的厚度 tn ＝ (rqt1-nrgl)/rq， 其中 n ＞ 1， t1 为从 所述第一位置开始的第 1 个所述多量子阱结构的厚度， rg 为所述第一半导体层的单位长度 电阻， rq 为所述多量子阱结构的单位长度电阻， l 为所述多量子阱结构的横向长度。
优选地， 以上方法中， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层 的上表面为一逐渐下降的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面为一 逐渐上升的阶梯状的台阶面 ；
或者， 在沿所述第一位置到所述第二位置的方向， 所述多量子阱层的上表面包括 呈逐渐下降的阶梯状的台阶面的部分和呈逐渐上升的阶梯状的台阶面的部分。
以上所述仅是本发明的实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来 说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以作出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。