CN102738334B - 具有电流扩展层的发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电流扩展层的发光二极管，此发光二极管至少包含：由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层；在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；其中，所述n侧层由非本征掺杂缓冲层及复合式多电流扩展层依次层叠构成；所述复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成；所述第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，所述第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层；所述第一电流扩展层与所述非本征掺杂缓冲层毗邻，所述第三电流扩展层与所述活性层毗邻。
Description
技术领域
本发明属于发光半导体技术领域，涉及一种具有电流扩展层的氮化镓系发光二极管及其制作方法。
背景技术
近年来，为了提高GaN芯片的发光效率，发展了衬底转移技术，例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除；或者在SiC或者Si衬底上沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把SiC或者Si衬底用化学腐蚀方法去除。这样一方面可以通过在外延薄膜和基板之间加一个反射层，另一方面由于氮极性面的GaN上容易通过光化学腐蚀方法获取粗糙的出光面，以上两方面使薄膜GaN芯片具有更高的出光效率，同时转移后的基板具有优良的导热特性，因此转移到散热基板上的GaN基薄膜芯片在大电流应用上具有较大的优势。然而，要真正意义上普及半导体照明，仍然需要在现有的光效水平上继续提高。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种具有电流扩展层的发光二极管，包含：由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层；在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；其中，所述n侧层由非本征掺杂缓冲层及复合式多电流扩展层依次层叠构成；所述复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成；所述第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，所述第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层；所述第一电流扩展层与所述非本征掺杂缓冲层毗邻，所述第三电流扩展层与所述活性层毗邻。
根据本发明的第二个方面，提供了一种具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，包括步骤：提供一生长衬底上，在其上形成n侧层；在所述n侧层上形成活性层；在所述活性层上形成p侧层，构成外延结构；其中，所述n侧层由非本征掺杂缓冲层及复合式多电流扩展层依次层叠构成；所述复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成；所述第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，所述第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层；所述第一电流扩展层与所述非本征掺杂缓冲层毗邻，所述第三电流扩展层与所述活性层毗邻。
本发明公开的发光二极管具有良好N-型电流扩展作用，在复合式多电流扩展层内能将电流非常均匀扩展分布至整个发光面积，因而可以有效提高氮化物发光二极管组件的发光效率，并且提高静电击穿电压。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1一般氮化镓系垂直结构发光二极管组件的结构示意图。
图2为图1所示的发光二极管组件的电流路径示意图。
图3为本发明实施例1的氮化镓系垂直结构发光二极管的LED外延结构示意图。
图4是本发明实施例1的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的侧面剖视图。
图5是本发明实施例1的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的电流扩展示意图。
图6是本发明实施例2的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的侧面剖视图。
图7是本发明实施例2的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的电流扩展示意图。
图8是本发明实施例2的发光输出功率的曲线图。
图9是本发明实施例2的静电击穿电压通过率图。
图中各标号表示：
201：蓝宝石衬底；
102，202，302：非本征掺杂缓冲层；
103：n型GaN层；
203，303：复合式多电流扩展层；
203a，303a：第一电流扩展层；
203b，303b：第二电流扩展层；
303c：渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层；
203d，303d：第三电流扩展层；
104，204，304：活性层；
105，205，305：电子阻挡层；
106，206，306：p型GaN层；
110，210，310：P-面反光镜和欧姆电极层；
111，211，311：P-面金属扩散阻挡层和键合层；
112，212，312：导电基板；
113，213，313：下电极金属层；
114，214，314：N-面电极金属层。
具体实施方式
下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。
如图1所示，为一般氮化镓系垂直结构发光二极管组件的结构示意图，其至上而下可能包括：N-面电极金属层114、非本征掺杂缓冲层102、N型GaN层103、活性层104、电子阻挡层105、P型GaN层106、P-面反光镜和欧姆电极层110、P-面金属扩散阻挡层和键合层111、导电基板112、下电极金属层113。图2为LED组件的电流路径示意图，因为电流从N-面电极金属层114流向下电极金属层113会偏向较近的线路，这样就会造成有些部分电流密度过大，导致电流拥挤现象（current crowding），从而限制光效水平的有效提高。
为解决上述氮化镓系垂直结构发光二极管中所存在的问题，有效提高发光效率，下面提出了一种具有良好N-型电流扩展的发光二极管及其制作方法。
下列各实施例公开的具有良好N-型电流扩展的发光二极管的外延结构由n侧层、活性层、p侧层构成，其中n侧层由非本征掺杂缓冲层和复合式多电流扩展层依次层叠构成。进一步地，复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成。第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层。第一电流扩展层与非本征掺杂缓冲层毗邻，第三电流扩展层与发光二极管的活性层毗邻。
在某些实施例中，具有良好N-型电流扩展的发光二极管还包括一导电基板，外延结构位于该导电基板上，其中n侧层远离导电基板，p侧层靠近导电基板，构成了垂直的发光结构。在n侧层的顶面一般设置有电极金属层，由于缓冲层为非本征掺杂，可直接将该电极金属层形成该缓冲层上。复合式多电流扩展层中的第一电流扩展层设计为u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层，其目的是将从N-面电极金属层导入的电流源，借由u型层和n型层的交互叠层，将各处的电流源强迫先做一次二维水平扩展；第二电流扩展层的设计为在n型氮化物半导体层形成分布绝缘层可强迫电流均匀分布（distribution)，形成分布均匀的点状电流源(参看图3或图5)；第三电流扩展层的设计为u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，其目的是将第二电流扩展层所形成的均匀分布点状电流源，由u型层和n型层的交互叠层，将各处的点状电流源再次强迫做二维水平扩展，使电流非常均匀扩展至整个发光面积，比现有一般传统无电流扩展层或单电流扩展的设计更能达到电流扩展的效果，而无电流拥挤现象（current crowding）。
n侧层中的复合式多电流扩展层膜厚可以为1000埃～100000埃。第一电流扩展层、第三电流扩展层各自膜厚可以为350埃～45000埃，其中u型氮化物半导体层与n型氮化物半导体层的膜厚比大于0.8，叠层周期数为1～100；第二电流扩展层膜厚可以为100埃～5000埃，其中分布绝缘层可以由以预定间隔隔开的绝缘部组成，其制程可通过离子注入法形成。在一些优选实施例中，第一电流扩展层膜厚可以为10000埃～40000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1.5：1，叠层周期数为40。第三电流扩展层膜厚为4000埃～18000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1：1，叠层周期数为18。
在一些优选实施例中，第一电流扩展层、第三电流扩展层中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3 ，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
在某些优选的实施例中，在第二电流扩展层与第三电流扩展层之间还可以包括一渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层。具体地，渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层的膜厚可以为200埃～5000埃，由二次成长外延所形成，其中硅掺杂浓度由1×1017cm-3渐变至5×1019cm-3，更优地，所硅掺杂浓度由5×1017cm-3 渐变至1×1019cm-3。
在第二电流扩展层与第三电流扩展层中加入渐变式硅掺杂n型层，其目的是借由渐变式硅掺杂的n型氮化物半导体层来修复改善第二电流扩展层因形成分布绝缘层而造成表层缺陷，进而维持二次外延后氮化物半导体层的晶格质量，并可作为第三电流扩展层的电流引导层。
下面结合实施例1、2及附图3~9对本发明具体实施的更多细节作说明。
实施例1
图3为本发明实施例1的氮化镓系垂直结构发光二极管的LED外延结构示意图，其含有复合式多电流扩展层。本实施方式的氮化物垂直结构发光二极管具有在蓝宝石衬底201上依次叠层下述各层的结构：
(1)由氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）或氮化镓铝（GaAlN） 构成的非本征掺杂缓冲层202，其膜厚为200埃～500埃。
(2)由第一电流扩展层203a、第二电流扩展层203b、第三电流扩展层203d依次层叠构成的复合式多电流扩展层203，其膜厚为15000埃～100000埃间。第一电流扩展层203a膜厚为10000埃～40000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1.5：1，叠层周期数为40。第二电流扩展层203b为通过离子注入法在n型氮化物半导体层形成的分布式绝缘层，由预定间隔隔开的绝缘部组成，膜厚为100埃～5000埃。第三电流扩展层203d膜厚为4000埃～18000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1：1，叠层周期数为18。在第一电流扩展层203a、第三电流扩展层203d中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3 ，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
(4)以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层的多量子阱结构的活性层204；其中阱层的膜厚为18埃～30埃，势垒层的膜厚为80埃～200埃。
(5)由掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlInGaN)构成的电子阻挡层205，其膜厚为100埃～600埃。
(6)由氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化镓系之一构成的P型GaN层206，其膜厚为1000埃～3000埃。
通过芯片制程获得的垂直结构的LED组件的侧面剖视图如图4所示，由非本征掺杂缓冲层202、复合式多电流扩展层203、活性层204、电子阻挡层205、P型GaN层206构成的外延结构反转倒装在导电基板212上。导电基板212一般选择散热性材料，可为硅片、陶瓷片等。在附图中所示的基板212为导电型的材料构成，并不局限于此类材料，也可选用通孔型基板，其散热效果更佳。在P型GaN层206与导电基板212之间一般设有p-面反射镜和欧姆电极层210，并通过键合层211键合在导电基板上，为了防止金属扩展，还可以在键合层中加入金属扩展阻挡层。213下电极金属层形成于导电基板212的背面上，N-面电极金属层214直接沉积在非本征掺杂缓冲层202上。
前述的垂直结构的LED组件可通过下面方法制作获得。
（1）在蓝宝石衬底201上通过MOCVD外延生长非本征掺杂缓冲层202及复合式多电流扩展层203中的第一及第二电流扩展层，并通过离子注入法在第二电流扩展层形成预定间隔隔开的分布绝缘层。
（2）在第二电流扩展层203b上二次外延生长第三电流扩展层203d、活性层204、电子阻挡层205、P型GaN层206，完成外延生长。
（3）然后通过干法蚀刻工艺对外延片进行台面蚀刻，对外延片进行选择性图形蚀刻，完成LED芯片按照设计的尺寸和间隔进行的芯片级分离，蚀刻深度至少透过外延层薄膜。
（4）在外延片表面的P-面按照芯片设计的图形制作P-面反光镜和欧姆电极层210、P-面金属扩散阻挡层和键合层211。
（5）将外延片通过金属键合工艺反转到导电基板212上。
（6）通过透过激光剥离、研磨、湿法腐蚀或结合其中两种技术，将蓝宝石衬底201去除。此时，蓝宝石衬底和LED外延层薄膜分开，LED外延层薄膜保留在导电基板212上，而蓝宝石衬底自动脱落，形成可制作垂直结构LED器件的结构，非本征掺杂缓冲层202暴露在表面。
（7）制作N-面电极金属层214、N-型表面织构化、表面刻蚀与下电极金属层213，完成垂直结构LED的制作。
请参看附图5，在本实施例中，从N-面电极金属层214导入的电流源，借由第一电流扩展层203a的u型层和n型层的交互叠层做第一次二维水平扩展；接着通过第二电流扩展层203b的分布绝缘层的强迫电流均匀分布(distribution)作用，形成分布均匀的点状电流源；最后借由第三电流扩展层203d的由u型层和n型层的交互叠层，将各处的点状电流源强迫做第二次二维水平扩展，从而使电流非常均匀扩展至整个发光面积，比现有一般传统无电流扩展层或单电流扩展的设计更能达到电流扩展的效果。进一步地，可借由第二电流扩展层绝缘层的的形状、大小、分布密度与第一、三电流扩展层u型层与n型层的膜厚比、叠层周期数做搭配设计。例如：第二电流扩展层绝缘层的分布密度高，所需第一、三电流扩展层叠层周期数则少；反之，当第二电流扩展层绝缘层的分布密度低，则所需第一、三电流扩展层叠层周期数则多，使电流非常均匀分布至整个发光面积，因此可以有效提高氮化物发光二极管组件的发光效率，并且提高静电击穿电压。图5和图2是有无本发明实施方式的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的电流路径示意图。
实施例2
图6是示出本发明实施例2的氮化镓系垂直结构发光二极管组件的侧面剖视图。本实施例与实施例1的相比，其复合式多电流扩展层为在第二电流扩展层与第三电流扩展层之间多加入一渐变式硅掺杂n型层303c。该渐变式硅掺杂n型层303c的设计为硅掺杂浓度由低掺5×1017cm-3 渐变至高掺1×1019cm-3 的n型氮化物半导体层，是由二次外延所形成，其目的是借由渐变式硅掺杂的n型氮化物半导体层来修复改善因离子注入造成表层缺陷的第二电流扩展层，进而维持二次外延后氮化物半导体层的晶格质量，并可作为第三电流扩展层的电流引导层。
在本实施例中，为更好地说明本发明相较于传统的氮化镓系垂直结构发光二极管(即有无本发明工艺的复合式多电流扩展层)的有益效果，针对本发明工艺与传统的工艺(即有无本发明工艺的复合式多电流扩展层)，制作2种样品，分别评价其发光输出功率与静电击穿电压特性。
在本实施例中，按表1所示那样设定各半导体层的膜厚。
表1
图8、图9示出了它的评价结果。
如图8所示的本发明实施例的各样品的发光输出功率的曲线图，本发明的氮化镓系垂直结构发光二极管组件样品的发光输出功率比传统工艺的氮化镓系垂直结构发光二极管组件样品高出10~20％左右。
如图9所示的本发明实施例的各样品的静电击穿电压通过率图，本发明的氮化镓系垂直结构发光二极管组件样品的静电击穿电压高于传统工艺的氮化镓系垂直结构发光二极管组件样品。
Claims (22)
1.具有电流扩展层的发光二极管，包含：
由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层；
在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；
其特征在于：所述n侧层由非本征掺杂缓冲层及复合式多电流扩展层依次层叠构成；所述复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成；所述第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，所述第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层；所述第一电流扩展层与所述非本征掺杂缓冲层毗邻，所述第三电流扩展层与所述活性层毗邻。
2.根据权利要求1 所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述复合式多电流扩展层还包括一渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层，其位于所述第二电流扩展层与所述第三电流扩展层之间。
3.根据权利要求1或2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：还包括一导电基板，由所述p侧、活性层和n侧层构成的外延结构位于所述导电基板之上，构成垂直的发光结构。
4.根据权利要求1或2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述分布绝缘层由以预定间隔隔开的绝缘部组成。
5.根据权利要求2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述复合式多电流扩展层膜厚为1000埃～100000埃。
6.根据权利要求1或2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述第二电流扩展层膜厚为100埃～5000埃。
7.根据权利要求2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层膜厚为200埃～5000埃。
8.根据权利要求2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层由二次成长外延所形成，其中硅掺杂浓度由1×1017cm-3渐变至5×1019cm-3。
9.根据权利要求8所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层由二次成长外延所形成，其中硅掺杂浓度由5×1017cm-3 渐变至1×1019cm-3。
10.根据权利要求1或2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述第一电流扩展层、第三电流扩展层各自膜厚为350埃～45000埃，其中u型氮化物半导体层与n型氮化物半导体层的膜厚比大于0.8，叠层周期数为1～100。
11.根据权利要求10所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述第一电流扩展层膜厚为10000埃～40000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1.5：1，叠层周期数为40。
12.根据权利要求10所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述第三电流扩展层膜厚为4000埃～18000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1：1，叠层周期数为18。
13.根据权利要求1或2所述的具有电流扩展层的发光二极管，其特征在于：所述第一电流扩展层、第三电流扩展层中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3 ，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
14.具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，包括步骤：
提供一生长衬底上，在其上形成n侧层；
在所述n侧层上形成活性层；
在所述活性层上形成p侧层，构成外延结构；
其中，所述n侧层由非本征掺杂缓冲层及复合式多电流扩展层依次层叠构成；所述复合式多电流扩展层由第一电流扩展层、第二电流扩展层及第三电流扩展依次层叠构成；所述第一电流扩展层及第三电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，所述第二电流扩展层是在n型氮化物半导体层形成的分布绝缘层；所述第一电流扩展层与所述非本征掺杂缓冲层毗邻，所述第三电流扩展层与所述活性层毗邻。
15.根据权利要求14所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，所述n侧层通过下列步骤形成：
在所述生长衬底上依次外延生长非本征掺杂缓冲层及第一及第二电流扩展层，并通过离子注入法在所述第二电流扩展层形成预定间隔隔开的分布绝缘层；
在所述第二电流扩展层上二次外延生长第三电流扩展层。
16.根据权利要求15所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，还包括步骤：
在所述第二电流扩展层与所述第三电流扩展层之间形成一渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层。
17.根据权利要求15或16所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，还包括步骤：
提供一导电基板；
将所述外延结构所述导电基板连结；
移除所述生长衬底；
制作p、n电极，形成垂直结构的发光二极管。
18.根据权利要求17所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述复合式多电流扩展层膜厚为1000埃～100000埃。
19.根据权利要求17所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一电流扩展层、第三电流扩展层各自膜厚为350埃～45000埃，其中u型氮化物半导体层与n型氮化物半导体层的膜厚比大于0.8，叠层周期数为1～100。
20.根据权利要求19所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一电流扩展层膜厚为10000埃～40000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1.5：1，叠层周期数为40。
21.根据权利要求19所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第三电流扩展层膜厚为4000埃～18000埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为1：1，叠层周期数为18。
22.根据权利要求17所述的具有电流扩展层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一电流扩展层、第三电流扩展层中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3 ，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
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