[发明专利]具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其是一种具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺。

背景技术

发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。LED具有无污染、亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、 易小型化等优点。自20世纪90年代氮化镓（GaN）基LED开发成功以来，随着研究的不断进展，其发光亮度也不断提高，应用领域也越来越广。随着功率型GaN基LED的效率不断提升，用GaN基LED半导体灯替代现有的照明光源将成为势不可挡的趋势。然而半导体照明要进入千家万户，还有许多问题需要解决，其中最核心的就是生产成本和发光效率。

目前，适合商用的蓝绿光LED都是基于GaN的III-V族化合物半导体材料。市场上销售的GaN基LED外延生长大部分是采用蓝宝石（Al₂O₃）衬底或碳化硅（SiC）衬底制备的。SiC衬底非常昂贵，用其制备的LED成本很高；而蓝宝石的晶格常数和热膨胀系数与GaN相比相差很大，导致了GaN基生长层的穿透位错密度高达10⁸～10¹⁰cm^-2 。高位错密度的存在限制了其光电子器件性能的进一步提高，因此提高发光效率和提升使用寿命必须设法降低衬底与GaN之间的位错密度。

有改善LED发光效率的方法主要有采用图形衬底、透明衬底、分布布拉格反射镜（英文为Distributed Bragg Reflector，简称DBR）结构、表面微结构、倒装芯片、芯片键合、激光剥离技术等。其中较广泛使用的蓝宝石图形衬底技术（英文为Patterned Sapphire Substrates，简称PSS），即在蓝宝石衬底上制作图形化的掩膜，通常采用的是二氧化硅 （SiO₂）或金属掩膜；刻蚀蓝宝石；去掉掩膜，得到凹凸图案的蓝宝石衬底（参见文献[1] S Kitamura, K Hiramatsu and N Sawaki. Fabrication of GaN hexagonal pyramids on dot-patterned GaN/sapphire substrates via selective metalorganic vapor phase epitaxy[J]. Jpn. J. Appl. Phys., 1995, 34: L1184–L1186；[2] W K Wang, D S Wuu, S H Lin, et al. Efficiency Improvement of Near-Ultraviolet InGaN LEDs Using Patterned Sapphire Substrates[J].IEEE Photo. Technol. Lett., 2005, 17(2): 288-290）。但由于蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法腐蚀，整片图形做好一致性、均匀性都有一定难度，制作过程对设备和工艺要求很高，PSS衬底价格偏高，LED生产成本也较高。  

    中国发明专利申请（CN101388427）所公开的一种发光二极管元件的制造方法，结合磊晶方式及蚀刻方式，使该发光二极管磊晶层从底部开始蚀刻，形成侧面外悬凸出的结构形状，使发光二极管磊晶层结构成为非矩形的斜面，由此改善发光二极管组件界面全反射的现象。但该发明仅通过改变磊晶层的侧面形状进而降低全反射，并未形成贯穿孔洞结构，故其光取出率的提高受一定限制。  

发明内容

为解决上述发光二极管的所存在的问题，本发明旨在提供一种具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管及其制作工艺。本发明可以有效地降低氮化镓基外延生长中的位错密度、提高晶格质量，并具有改善光电器件的性能、提高发光效率的优点。

为达到上述目的，本发明提供的是外延层侧面具有双层交错贯穿孔洞结构的氮化镓基发光二极管，其包括衬底及形成于衬底上的第一外延层、第二外延层，该第一外延层包含P-GaN层，第二外延层包含 P-GaN 层、发光区和N-GaN 层，第二外延层上设置有导电层，导电层上设置有P电极，N-GaN 层上设置有N电极，其特征在于：发光二极管第一外延层及第二外延层侧面具有双层十字交错排列的贯穿孔洞结构。

制备上述具有双层交错贯穿孔洞的氮化镓基发光二极管的制作工艺，其步骤如下：

1)    在衬底上镀第一过渡层；

2)    通过光罩、蚀刻，得第一图形化过渡层；