阅读说明：本技术 一种发光二极管及其制作方法 (Light emitting diode and manufacturing method thereof ) 是由 王绘凝 夏宏伟 栗伟 许圣贤 洪灵愿 彭康伟 林素慧 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种发光二极管及其制作方法,其在透明电流扩展层的生长过程中,先沉积一层第一透明电流扩展层,并通过低温退火,形成具有固定晶格取向的晶体薄层,然后以此结晶好的晶体薄层为生长基板,继续生长第二透明电流扩展层,并再次进行高温退火,最终形成高结晶质量的透明导电薄膜,与现有技术相比,该透明导电薄膜具有更大的晶粒尺寸,并具有更好的透光性以及电流扩展性。(The invention relates to a light emitting diode and a manufacturing method thereof, wherein in the growth process of a transparent current expansion layer, a first transparent current expansion layer is firstly deposited, a crystal thin layer with fixed lattice orientation is formed through low-temperature annealing, then a second transparent current expansion layer is continuously grown by taking the crystallized crystal thin layer as a growth substrate, and high-temperature annealing is carried out again to finally form a transparent conductive film with high crystallization quality.)

一种发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，具体是涉及一种发光二极管及其制作方法。

背景技术

透明导电薄膜，例如氧化铟锡(ITO)、镓掺杂氧化铟锡(GTO)、氧化锌(ZnO)镓掺杂氧化锌(GZO)等薄膜具有对可见光具有较好的透过率(如ITO对可见光的透过率大于80％)，具有较低的电阻率(如ITO的电阻率为10^-3～10^-4Ω·cm)，较宽的带隙(如ITO的带隙为3.6～3.9eV)以及较高的折射率(如ITO的折射率为1.8～2.0)，是一种光电性能优异的半导体功能材料，在LED中作为电流扩展层得以广泛的应用。

目前，透明导电薄膜的生长方式是在室温下通过磁控溅射的方式形成一定厚度的薄膜，以ITO薄膜为例，ITO靶材在室温下通过磁控溅射的方式形成一定厚度的ITO薄膜，但室温溅射形成的ITO薄膜无法形成规则的晶体结构，因此在生长完ITO薄膜后需要经过高温退火，高温退火后的ITO薄膜会进行重结晶并形成具有固定晶格方向的晶体。

申请人在长期的研究中发现，虽然高温退火可以有效的改善ITO薄膜的结晶质量，但在晶体生长过程中，底层的结晶质量对于后续体材料的生长有着决定性的影响。对于磁控溅射的物理沉积过程，落到基板上的原子基团都要经过沉积、扩散、成核、合并、成膜的过程，而基板本身的晶格结构以及表面状况对于所生长材料的晶体结构有着重要的影响，而现有技术所制得的ITO薄膜经高温退火后的结晶的晶粒尺寸仍较小，体电阻较高，还具有优化的空间。

发明内容

本发明旨在提供一种发光二极管的制造方法，以解决现有的发光二极管的透明导电薄膜晶粒尺寸较小、体电阻较大的问题。

具体方案如下：

一种发光二极管的制作方法，包括以下步骤：

1)提供具有外延结构的衬底，该外延结构至少包括依次生长在衬底表面上的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；

2)在第二导电型半导体层上整面溅射镀形成连续的第一透明电流扩展层，并对该第一透明电流扩展层在第一温度以及氧气氛围内进行第一次退火；

3)在第一次退火后的第一透明电流扩展层上整面溅射镀形成将该第一透明电流扩展层完全覆盖且连续的第二透明电流扩展层，并对第二透明电流扩展层在第二温度以及氧气氛围内进行第二次退火，所述第二温度高于第一温度。

优选的，采用加热溅射镀膜的方式在外延结构上形成连续的第一透明电流扩展层和/或第二透明电流扩展层，在加热溅射镀膜过程中同时完成所述第一次退火和/或第二次退火。

优选的，采用常温溅射镀膜的方式在外延结构上形成连续的第一透明电流扩展层和/或第二透明电流扩展层，常温溅射镀膜完成后，再分别进行所述第一次退火和/或第二次退火。

优选的，所述第一温度为200～400℃，所述第二温度为500～600℃。

优选的，在步骤3)之后，第一透明电流扩展层的结晶颗粒与第二透明电流扩展层的结晶颗粒尺寸相同。

优选的，所述第一透明电流扩展层以第一速率生长，第二透明电流扩展层以第二速率生长，其中第一速率低于第二速率。

优选的，第一透明电流扩展层由以下步骤制得：

21)采用整面溅射镀的方式在外延结构上形成连续的第一透明电流扩展层；

22)对第一透明电流扩展层进行退火；

23)制作光罩图形，该光罩图形覆盖住第二导电型半导体层，并蚀刻掉其它区域的第一透明电流扩展层，以仅保留第二导电型半导体层上的第一透明电流扩展层。

优选的，所述第一透明电流扩展层和第二透明电流扩展层采用相同的材料制得。

本发明还提供了一种具有高结晶质量的透明导电薄膜的发光二极管，具体方案如下：

一种发光二极管，包括：衬底；依次层叠生长于衬底表面上的第一导电型半导体层、有源层和第二导电型半导体层；透明电流扩展层，位于第二导电型半导体层上；所述透明电流扩展层包括两层连续的无孔洞的膜层，分别为第一透明电流扩展层和第二透明电流扩展层，所述第一透明电流扩展层具有下表面和上表面，下表面接触第二导电型半导体层，第二透明电流扩展层包覆住第一透明电流扩展层的上表面和侧壁，并在第一透明电流扩展层侧壁周围接触第二导电型半导体层；所述第一透明电流扩展层的致密性小于第二透明电流扩展层的致密性。

优选的，所述第一透明电流扩展层在第二导电型半导体层表面上的覆盖面积为至少70％。

优选的，所述第一透明电流扩展层的边缘距离第二导电型半导体层的边缘至少具有5微米，但不超过20微米。

优选的，所述第一透明电流扩展层的厚度为150～1000埃，所述第二透明电流扩展层的厚度为150～1000埃。

优选的，第二透明电流扩展层的厚度不小于第一透明电流扩展层的厚度。

优选的，所述的第一透明电流扩展层与第二透明电流扩展层的材料相同。

优选的，所述的第二透明电流扩展层与第一透明电流扩展层的材料为ITO、GTO、GZO、ZnO中的一种。

优选的，还包括：一局部电流阻挡层，其位于第二导电型半导体层上；一电极，其位于局部电流阻挡层的上方；第一和第二透明电流扩展层完全覆盖电流阻挡层的上表面或侧壁。

优选的，还包括：一局部电流阻挡层，其位于第二导电型半导体层上；一电极，其位于局部电流阻挡层的上方；第一和第二透明电流扩展层延伸至局部电流阻挡层的上表面和电极下表面之间，并且在局部电流阻挡层的上方和电极下方之间第一和第二透明电流扩展层具有开口，在所述开口内电极的部分下表面与局部电流阻挡层接触。

本发明提供的发光二极管的制作方法与现有技术相比较具有以下优点：本发明所提供制作方法，在透明电流扩展层的生长过程中，先沉积一层第一透明电流扩展层，并通过低温退火，形成具有固定晶格取向的晶体薄层，然后以此结晶好的晶体薄层为生长基板，继续生长第二透明电流扩展层，并再次进行高温退火，最终形成高结晶质量的透明导电薄膜，与现有技术的一次退火相比，二次退火形成的透明导电薄膜具有更大的晶粒尺寸，晶体质量优于一次退火的晶体质量，能够提高透明电流扩展层的透光性以及电流扩展性，实现降低体电阻的目的。

附图说明

图1示出了实施例1中的发光二极管的剖面结构示意图。

图2示出了现有技术中的透明电流扩展层在未退火前的表面形貌的SEM图、第一透明电流扩展层在低温退火后的表面形貌的SEM图、在低温退火后的第一透明电流扩展层上生长第二透明电流扩展层后的表面形貌的SEM图。

图3示出了采用现有技术一次高温退火工艺形成的ITO薄膜表面形貌的SEM图、以及采用本发明提供的两次退火工艺形成的ITO薄膜表面形貌的SEM图。

图4示出了实施例2中的发光二极管的剖面结构示意图。

图5示出了实施例3中的发光二极管的剖面结构示意图。

图6示出了实施例4中的发光二极管的剖面结构示意图。

图7示出了实施例5中的发光二极管的剖面结构示意图。

附图标记说明：

100：衬底；101：第一导电型半导体层；102：有源层；103：第二导电型半导体层；104：第一透明电流扩展层；105：第二透明电流扩展层；106：P电极；107：N电极；108：钝化层；109：局部电流阻挡层。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

本实施例提供了一种发光二极管及其制作方法，其中发光二极管的剖面结构如图1所示，该发光二极管包括衬底100，依次层叠生长于衬底100表面上的第一导电型半导体层101、有源层102和第二导电型半导体层103，形成于第二导电型半导体层103上的第一透明电流扩展层104、形成于第一透明电流扩展层104上的第二透明电流扩展层105，形成于第二透明电流扩展层105上的P电极106和形成于裸露的第一导电型半导体层101上的N电极107。

第一导电型半导体层101、有源层102和第二导电型半导体层103采用外延制程生长于衬底的表面上；第一透明电流扩展层104、第二透明电流扩展层105、P电极106和N电极107采用芯片制程形成于上述的外延结构上。现结合制备方法来对上述结构做具体的描述，上述结构的发光二极管的制作方法包括以下步骤：

1)提供具有外延结构的衬底100，该外延结构至少包括依次生长在衬底表面上的第一导电型半导体层101、有源层102和第二导电型半导体层103；外延结构采用外延生长的方式在衬底100的表面上依次生长第一导电型半导体层101、有源层102和第二导电型半导体层103。

其中，衬底100可以为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、硅衬底等。在本实施例中，衬底选用蓝宝石衬底，外延结构形成于蓝宝石衬底的c-plane面上，定义蓝宝石衬底的c-plane面为正面，相对的另一面为背面。

第一导电型半导体层101、有源层102以及第二导电型半导体层103是构成发光二极管发光单元的基本外延结构，在此基础上，还可在这些外延结构层的基础上增加其它对LED芯片的性能具有优化作用的功能结构层。本实施例中，以第一导电型半导体层为N型GaN层，有源层为GaN基多量子阱层，第二导电型半导体层为P型GaN层为例来进行说明，但并不限定于此，例如还可以是AlGaInP系的外延结构，该AlGaInP系外延结构可生长于砷化镓衬底上。外延结构可以通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、外延生长(Epitaxy Growth Technology)和原子束沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)等方式形成在衬底上。

通过蚀刻的方法定义出芯片尺寸，并蚀刻出台面以暴露出第一导电型半导体层101。本实施例中的蚀刻采用的是ICP(感应耦合等离子体刻蚀)干蚀刻的方法，但也可以采用诸如湿法蚀刻的方式来进行刻蚀。

2)在第二导电型半导体层103上整面溅射镀形成第一透明电流扩展层104，并对该第一透明电流扩展层104在第一温度以及氧气氛围内进行第一次退火。

本实施例中制备第一透明电流扩展层104的方式是：

21)采用整面溅射镀的方式在外延结构层上形成连续的第一透明电流扩展层104，第一透明电流扩展层104的材料可以是ITO、GTO、GZO、ZnO中的一种。

22)利用退火工艺对第一透明电流扩展层104进行第一次退火，第一次退火温度为200～400℃，第一次退火在氧气氛围内进行，即进行低温退火，在低温退火的情况下，不会对第二导电型半导体层103与第一透明电流扩展层104的界面造成损伤。

23)制作光罩图形，该光罩图形覆盖住第二导电型半导体层103，并蚀刻掉其它区域的第一透明电流扩展层104，以仅保留第二导电型半导体层103上的第一透明电流扩展层104，第一透明电流扩展层104的厚度为150～1000埃

3)在第一次退火后的第一透明电流扩展层104上形成将该第一透明电流扩展层104完全覆盖住且连续的第二透明电流扩展层105，并对第二透明电流扩展层105在第二温度以及氧气氛围内进行第二次退火，其中第二温度为500～600℃。第二透明电流扩展层105的材料可以是ITO、GTO、GZO、ZnO中的一种。第二透明电流扩展层105的厚度为150～1000埃

在第二透明电流扩展层105完成第二次退火后，可通过现有芯片工艺制作P、N电极，并裂片得到发光二极管芯片颗粒。例如，可利用光刻和湿法蚀刻的方式定义出第二透明电流扩展层105的图形，并通过光刻和蒸镀工艺制作P电极和N电极，P、N电极的材料可以是Au、Sn、Ni其合金等可用于共晶的金属材料。裂片可通过正裂、背裂或者激光隐切的方式来实现。

需明确的是，虽然本实施例所制得的发光二极管芯片是以正装结构为例来进行说明的，但并不限定于此，倒装结构、垂直结构的发光二极管芯片同样适用于此方法。

本发明所提供的发光二极管的制作方法，在透明电流扩展层的生长过程中，先沉积一层第一透明电流扩展层104，并通过低温(200～400℃)的第一次退火，形成具有固定晶格取向的晶体薄层，然后以此结晶好的晶体薄层为生长基板，继续生长第二透明电流扩展层105，并再次进行高温(500～600℃)的第二次退火，最终形成高结晶质量的透明导电薄膜。

如图2所示，图2中的(a)图为第一透明电流扩展层104在未退火前的表面形貌的SEM图。图2中的(b)图为第一透明电流扩展层104在低温退火的表面形貌的SEM图。图2中的(c)图为在低温退火(300℃)后的第一透明电流扩展层104上生长第二透明电流扩展层105后的表面形貌的SEM图。从图2中可以看出，在低温退火后的第一透明电流扩展层104上再生长第二透明电流扩展层105，可沿着底层材料的晶格取向继续生长并形成具有较大晶粒尺寸的晶体。

如图3所示，图3中的(a)图为采用现有技术一次高温退火(500℃)工艺形成的ITO薄膜表面形貌的SEM图，图3中的(b)图为采用本发明提供的两次退火(300℃和500℃)工艺形成的ITO薄膜表面形貌的SEM图。从图3中可以看出，与一次退火相比，二次退火形成的ITO薄膜具有更大的晶粒尺寸，说明二次退火形成的ITO晶体质量优于一次退火的ITO晶体质量，能够提高透明电流扩展层的透光性以及电流扩展性，实现降低体电阻的目的。

在本实施例中，第一透明电流扩展层104和第二透明电流扩展层105的材料可以相同也可以不同，但是优选两者由相同材料制成，以避免因材料不同而导致的内应力。

实施例2

本实施例提供了一种发光二极管及其制作方法，该发光二极管的结构与实施例1中的发光二极管大致相同，其差别在于，参考图4，其中第二透明电流扩展层105的致密性相比较于第一透明电流扩展层104的致密性更高，并且第二透明电流扩展层105的覆盖面积大于第一透明电流扩展层104的覆盖面积，第二透明电流扩展层105包覆住第一透明电流扩展层104的上表面和侧壁，并在第一透明电流扩展层104侧壁周围接触第二导电型半导体层103。

上述的发光二极管结构由以下方式来实现：第一透明电流扩展层104以第一速率生长，第二透明电流扩展层105以第二速率生长，其中第一速率低于第二速率。由于第一透明电流扩展层104的生长速率较慢，且第一透明电流扩展层104中相对含氧量会相对低一些，其与第二导电型半导体层103的欧姆接触好一些，但是其致密性相对较差；而第二透明电流扩展层105的生长速率较快，但其致密性更好，因此致密性较差的第一透明电流扩展层104被致密性较好的第二透明电流扩展层105包覆，致密性好的第二透明电流扩展层105能够更好的阻挡湿气，因此可提升发光二极管的高温高湿老化性能。

上述的不同致密度的第一透明电流扩展层104和第二透明电流扩展层105可通过以下方式来实现。

第一种方式：

(1)第一透明电流扩展层104采用常温溅射镀膜工艺，在镀膜时不通氧，或者氧气流速低，并且用较小的功率进行镀膜，然后在较低氧气流氛围内进行第一次退火，第一次退火温度为200～400℃。由于镀膜时的氧气流速低，镀膜腔体内氧含量低，形成的第一透明电流扩展层104的氧含量低，能够与第二导电型半导体层103形成良好的欧姆接触；镀膜功率小导致镀膜速率慢，可保护外延结构表面不被破坏，但是该第一透明电流扩展层104致密性相对较差；较低的退火温度以及较短的退火时间，不会对第一透明电流扩展层104与第二导电型半导体层103的界面造成损伤。

(2)第二透明电流扩展层105也采用常温溅射镀膜工艺，但其镀膜时的氧气流速比第一次高，并且用较大的功率进行镀膜，然后在比第一次氧气流速高的氛围内进行第二次退火，第二次退火温度为500～600℃,第二次退火的时间长于第一次退火。较高温度以及较长时间的第二次退火，使得第二透明电流扩展层105的物质充分结晶，最终形成高结晶质量的ITO薄膜。此外，第二透明电流扩展层105膜层在镀膜时的氧气流速比第一透明电流扩展层104膜层镀膜时高，且镀膜功率更高，使镀膜的速率更快，从而形成致密性高的膜层。

第二种方式：

(1)第一透明电流扩展层104采用加热溅射镀膜工艺，在镀膜时采用低的氧气流速、以及相对小的镀膜功率，镀膜时的温度为200～400℃，以在镀膜的同时完成第一次退火。由于镀膜时的氧气流速低，镀膜氛围内氧气含量相对低，形成的第一透明电流扩展层104能够与第二导电型半导体层103形成良好的欧姆接触；镀膜功率小使镀膜速率慢，可保护外延结构表面不被破坏，但是该第一透明电流扩展层104致密性相对较差；较低的镀膜温度以及较短的镀膜时间，不会对第一透明电流扩展层104与第二导电型半导体层103的界面造成损伤。

(2)第二透明电流扩展层105也采用加热溅射镀膜工艺，镀膜时采用相对第一次镀膜更高的氧气流速、更大的镀膜功率，镀膜时的温度为500～600℃，以在镀膜的同时完成第二次退火，或者镀膜完成后，再进行退火，退火的温度为500～600℃。由于第二透明电流扩展层105的镀膜功率大、镀膜速率快、以及经过较高温度进行第二次退火，使得第二透明电流扩展层105的物质充分结晶，从而形成致密性高的膜层。

作为本实施例中的一优选方案，第一透明电流扩展层104在第二导电型半导体层103表面上的覆盖面积为至少70％，或者较佳的，第一透明电流扩展层104的边缘距离第二导电型半导体层103的边缘至少具有5微米，但不超过20微米，以使该第一透明电流扩展层104与第二导电型半导体层103之间具有良好的欧姆接触。较佳的，第二透明电流扩展层105在第二导电型半导体层103表面上的覆盖面积为至少90％。

实施例3

本实施例提供了一种发光二极管及其制作方法，该发光二极管的结构与实施例2中的发光二极管大致相同，其差别在于，参考图5，还包括一钝化层108，该钝化层108将第二透明电流扩展层105除P电极107外的表面区域以及第二透明电流扩展层105、有源层102和第二导电型半导体层103的侧壁都覆盖住。该钝化层108可以采用诸如二氧化硅等绝缘材料制成。钝化层108可以对外延结构起到绝缘隔离的作用。本实施例的P电极仅限为打线电极，在打线电极周围还可以设置连接打线电极的扩展电极，扩展电极为常规设计，在此不再赘述。

但由于钝化层108的包覆性不一定好，水汽仍然容易从钝化层108包覆的边缘进入透明电流扩展层与外延结构之间，如果透明电流扩展层不致密，水汽进入后透明电流扩展层容易烧伤，导致外延结构和透明电流扩展层之间的欧姆接触变差，因此实施例2中致密性好的第二透明电流扩展层105将致密性较差的第一透明电流扩展层104的上表面和侧壁包覆住，第二透明电流扩展层105可阻挡湿气进入第一透明电流扩展层104，因此可提升发光二极管的高温高湿老化性能。

实施例4

本实施例提供了一种发光二极管及其制作方法，该发光二极管的结构与实施例3中的发光二极管大致相同，其差别在于，参考图6，还包括一局部电流阻挡层109，该局部电流阻挡层109位于第二导电型半导体层103上，P电极106位于该局部电流阻挡层109的上方，P电极的底面和第二透明电流扩展层105的上表面接触；第一透明电流扩展层104和第二透明电流扩展层105完全覆盖局部电流阻挡层109的上表面和侧壁。该局部电流阻挡层的作用是阻挡电流从P电极106纵向向下传输至外延结构中，促进电流从P电极106向电流扩展层横向和纵向扩展。本实施例的P电极仅限为打线电极，在打线电极周围还可以设置连接打线电极的扩展电极，扩展电极为常规设计，在此不再赘述。

实施例5

本实施例提供了一种发光二极管及其制作方法，该发光二极管的结构与实施例3中的发光二极管大致相同，其差别在于，参考图7，还包括一局部电流阻挡层109，其位于第二导电型半导体层103上；P电极106其位于该局部电流阻挡层109的上方；第一透明电流扩展层104和第二透明电流扩展层105延伸至局部电流阻挡层109的上表面和P电极106下表面之间，并且在局部电流阻挡层的上方和电极下方之间第一和第二透明电流扩展层具有开口，在所述开口内电极的部分下表面与局部电流阻挡层接触。第一透明电流扩展层104和第二透明电流扩展层105覆盖局部电流阻挡层109部分上表面以及全部外周围侧壁。此时P电极106的底面和覆盖局部电流阻挡层109的上表面接触，P电极106侧壁与第二透明电流扩展层105的侧壁以及部分上表面接触。该局部电流阻挡层109的作用是阻挡电流从P电极106纵向向下传输至外延结构中，促进电流从P电极106向电流扩展层横向和纵向扩展。本实施例的P电极仅限为打线电极，在打线电极周围还可以设置连接打线电极的扩展电极，扩展电极为常规设计，在此不再赘述。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。