CN1588659A - n－pin结构半导体发光二极管 - Google Patents

Abstract

n－pin结构的发光二极管，属于半导体光电子领域。针对现有技术中红色发光二极管制备方法生产成本高，且在进行二次外延时界面会引起问题，蓝色发光二极管方法制备的电流扩展层大大降低了器件的亮度，而且没有得到良好的电流扩展效应。本发明如所示，包括有纵向层叠的上欧姆接触电极(1)，p型上限制层(4)，红色或蓝色发光区(5)，n型下限制层(6)，衬底(7)和下欧姆接触电极(8)，特征在于，还包括上欧姆接触电极(1)和p型上限制层(4)之间的，纵向依次排列的n－电流扩展层(2)和隧道结(3)。本发明增强了扩展效应，提高了出光效率；减小电流扩展层的厚度，实现外延一次生长，降低生产成本；对GaN发光二极管简化了器件制备工艺。

Description

n-pin结构半导体发光二极管

技术领域

n-pin结构半导体发光二极管(LED)，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

发光二极管由于其寿命长，效率高，体积小，绿色环保等显著的特点，被广泛的应用于信息指示，信息显示和信息传递等方面，特别是在白光照明方面，显示了巨大的市场潜力和应用前景。目前分别由AlGaInP/GaAs材料系和GaN基材料系制备的红光和蓝光发光二极管已成为效率最高的红光和蓝光发光二极管。

根据发光二极管的工作原理，其基本层结构主要为p-i-n异质结构，即p型上限制层，i型发光区和n型下限制层，通常p型上限制层的厚度小于1微米。但是由于p型上限制层的极限掺杂浓度相对较低，如对于p-AlInP，极限掺杂浓度一般为5×10¹⁷cm^-3，载流子的横向扩展效应很小，注入到发光区的载流子主要集中在电极下，相应的发出的光也主要集中在金属电极下，通常金属电极的尺寸为100微米，厚度约为1微米，因此由这种层结构制备的发光二极管，发光区发出的大部分光将被厚厚的金属电极吸收掉。电流在电极下集中，使得电流密度增加，根据焦耳定律，发热增加，使得器件的热特性变坏。

为增加在p型电极以外的发光，减小电极吸收的影响，现代的发光二极管在上述的基本结构上增加p型电流扩展层，或者是直接生长高掺杂的半导体材料，形成p-pin结构，或者采用薄的金属层，形成m-pin结构，来增强电流扩展，提高发光二极管提取效率，提高器件的热特性。如图1所示的现代常规的AlGaInP/GaAs基红光发光二极管和图2所示的GaN基蓝光二极管的层结构示意图，其中红光发光二极管是在衬底上从下而上依次生长n型下限制层6，红色发光区5，p型上限制层4，和p-电流扩展层9，然后分别在p-电流扩展层9上制备p型电极1和在衬底7上制备n型电极8，同时在p型电极1和n型电极8之间加电流，器件发出红光。蓝光发光二极管是在衬底上从下而上依次生长n型下限制层6，蓝色发光区5，p型上限制层4，再在p型上限制层4上淀积一层薄的(约5nm)金属层作为p-电流扩展层9，然后分别在p-电流扩展层9上制备p型电极1和在衬底7上制备n型电极8，同时在p型电极1和n型电极8之间加电流，器件发出蓝光。

但是，对于红光发光二极管，由于p型电流扩展层的掺杂极限相对较低，载流子迁移率小，如p-GaP的迁移率约为120cm²/V·s，为得到较好的载流子扩展效应，需要生长很厚的电流扩展层。图3显示的是波长为595nm，注入电流为20mA的封装后AlGaInP发光二极管的相对光输出和p-GaP电流扩展层厚度的理论计算和实验关系，可以看出，良好的电流扩展层的厚度往往需要在50～60微米。这种发光二极管的制备在实际生产中需要先用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)的方法生长先生长前面的发光区和限制层部分，再换用其他的生长设备，如采用汽相外延法生长厚的电流扩展层，进行二次生长。这种制备方法本身生产成本高，而且在进行二次外延时界面会引起很多问题。

对于蓝光发光二极管，由于受到Mg掺杂p型GaN载流子浓度极限的限制，电流扩展层通常采用的是金属层，金属的导电性好，可使得注入的电流在有源区均匀分布，使得p型电极1以外的光能够出射到表面，但是金属对于可见光具有很强的吸收。为平衡电流扩展和吸收二者的矛盾，人们只能采用薄的金属层作为电流扩展层。很显然，采用薄金属层作为电流扩展层，既不能得到良好的电流扩展，还引入了吸收损耗，通常约有50％的损耗，这也是为什么称这层薄金属层为半透明层的原因。这种方法制备的电流扩展层大大降低了器件的亮度，而且没有得到良好的电流扩展效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种n-pin结构、适用于AlGaInP/GaAs材料系的红光和GaN基材料系的蓝光发光二极管的制备方法，通过引入隧结，将原来p型或者金属电流扩展层转换为n型电流扩展层，即将原来的p-pin或者m-pin结构转换为n-pin结构。由于n型半导体材料的载流子迁移率远远高于p型载流子的迁移率，(如n-GaP的迁移率为150cm²/V·s，而p-GaP的迁移率约为120cm²/V·s；n-GaN的迁移率约为300～500cm²/V·s，而p-GaN的迁移率约为3～5cm²/V·s)，根据公式 $l_s={\left(\frac{\mathrm{pqutnkT}}{J_{0}e}\right)}^{\frac{1}{2}},$ l_s是载流子的扩散长度，u是载流子的迁移率。可以看出，载流子迁移率的增加，大大增加了载流子的扩散长度，增强了扩展效应，提高了出光效率；相应的，为达到相同的载流子扩展效果，可大大减小电流扩展层的厚度，并可实现外延一次生长，降低生产成本；对于GaN基发光二极管的意义更明显，即将原来的强吸收的金属电流扩展层转换为透明的半导体材料作为电流扩展层，这将大大增加出光效率；p型电流扩展层材料转换为n型半导体材料，特别是对于n-GaN材料的生长，大大降低材料的生长难度；将用于制备电极的p型材料转换为n型材料，由于n型的比欧姆接触电阻(～10^-8Ωcm)远远小于p型比欧姆接触电阻(～10^-5Ωcm)，可大大减小由欧姆接触引起的发热和压降，同时可以使得原来的两种电极材料，简化为只有一种电极材料，对于GaN发光二极管，还可同时制备上下两个电极，简化了器件制备工艺步骤。

本发明的n-pin结构的发光二极管，如图4和图5所示，包括有纵向层叠的上欧姆接触电极1，p型上限制层4，发光区5，n型下限制层6，衬底7和下欧姆接触电极8，其特征在于，还包括有设在上欧姆接触电极1和p型上限制层4之间的，纵向依次排列的n-电流扩展层2和隧道结3。

本发明中的n-电流扩展层2的厚度为1～50um。

隧道结3厚度大于载流子的耗尽宽度，材料的禁带宽度大于发射波长对应的禁带宽度。

但是本发明的n-电流扩展层2的厚度以及隧道结3厚度选择只是更好地实现本发明，并不是必要技术特征，其材料的选择属于公知技术。

通过在上、下欧姆接触电极1和8之间加电流，由欧姆接触电极1注入的载流子在隧道结处实现电子和空穴的转换，将空穴注入到发光区，和下欧姆接触电极注入的电子一起，进行辐射复合，发出红光或蓝光。

本发明中的n-电流扩展层2的材料，对于红光发光二极管，只需将原来的p-电流扩展层的材料转换为n型即可；对于蓝光发光二极管，可采用GaN。

本发明中的隧道结3可以为同质结，也可以为异质结。隧道结的厚度大于载流子的耗尽宽度，材料的禁带宽度大于发射波长对应的禁带宽度，可减小隧道结对光的吸收。

本发明中的隧道结3的作用主要是将从欧姆接触电极1注入的电子转换成空穴，同时由于隧道结是重掺杂，进一步起到电流扩展的作用。

本发明红光或者蓝光的发光区的结构为PN结，或PIN结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

本发明中的衬底7，对于红光发光二极管，可以是GaAs；对于蓝光二极管，可以是蓝宝石，SiC，ZnO或其它介质层。

本发明提出的图4和图5所示的n-pin结构为一个基本的特征结构，可以在其基础上增加其他层，增加器件的发光效率或者提高材料的生长质量。如对于红光发光二极管，在衬底7和n型下限制层之间增加布拉格反射镜(DBR)，增加出光效率。

本发明提出的如图4和图5所示的n-pin结构的发光二极管的器件实现方法，可以有多种方法，可采用常规的如图4和图5所示的发光二极管的制备方法；也可采用键合的方法，将吸收的GaAs衬底换成透明的GaP衬底或者Si衬底；也可采用激光剥离的方法，将蓝宝石衬底换成Cu衬底等方法。

与图1所示的传统的p-pin结构红光发光二极管相比，n-pin结构的红光发光二极管可大大减小电流扩展层的厚度，使得两种电极材料减少为一种n型电极，降低了生产成本。

与图2所示的传统的m-pin结构蓝光发光二极管相比，n-pin结构的蓝光发光二极管，可将原来的强吸收的金属电流扩展层替换为透明的n型半导体电流扩展层，提高器件亮度；同时由于将两种金属电极简化为一种金属电极材料，可一起进行制备，大大简化工艺制备过程。

附图说明

图1：常规p-pin结构的红光发光二极管的层结构示意图；

图中：1、上欧姆接触电极，9、电流扩展层，4、p型上限制层，5、发光区，6、n型下限制层，7、衬底，8、下欧姆接触电极；

图2：常规m-pin结构的蓝光发光二极管的层结构示意图；

图中：1、上欧姆接触电极，9、电流扩展层，4、p型上限制层，5、发光区，6、n型下限制层，7、衬底，8、下欧姆接触电极；

图3：标准封装的AlGaInP发光二极管的相对发光强度与GaP电流扩展层厚度的关系。

图4：本发明n-pin结构红光发光二极管的层结构示意图；

图中：1、上欧姆接触电极，2、n-电流扩展层，3、隧道结，4、p型上限制层，5、发光区，6、n型下限制层，7、衬底，8、下欧姆接触电极；

图5：本发明n-pin结构蓝光发光二极管的层结构示意图；

图中：1、上欧姆接触电极，2、n-电流扩展层，3、隧道结，4、p型上限制层，5、发光区，6、n型下限制层，7、衬底，8、下欧姆接触电极；

图5：本发明实施例1的结构示意图；

图6：本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图5所示，n-pin结构红光发光二极管的实现方法如下：

1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在n⁺-GaAs衬底7上依次外延生长n-AlInP下限制层6、AlGaInP异质结发光区5、p-AlInP上限制层4，p⁺-GaAs/n⁺-GaAs隧道结3和n-GaP电流扩展层2；

2、采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形。

3、通过常规的蒸发方法，在正面蒸发上欧姆接触电极1 Au/Ge/Ni/Au；

4、采用常规的剥离法，只在欧姆接触电极1处有金属留下；

5、通过常规的机械化学腐蚀的方法将样品减薄至100μm；

6、按照常规工艺，再在衬底7上蒸发上下欧姆接触电极8 Au/Ge/Ni/Au；

7、将上述样品放入500℃的高温炉中，通入N₂，5分钟，将淀积的上下金属欧姆接触电极1和8进行常规工艺合金。

8、按照常规工艺解理，得到本发明的n-pin结构红光发光二极管。

实施例2：

如图7所示，n-pin结构蓝光发光二极管的实现方法如下

1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底7上依次外延生长n-GaN下限制层6、InGaN/GaN量子阱发光区5、p-GaN上限制层4，p⁺-InGaN/n⁺-InGaN隧道结3，和n-GaN电流扩展层2；

2、采用常规的卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形，用于干法刻蚀；

3、采用牛津(Oxford)ICP-100将样品刻蚀出台面结构至n-GaN下限制层6处，刻蚀气体为氯气和氩气，刻蚀时间10分钟，刻蚀深度为600纳米；

4、按照常规工艺光刻，获得上、下欧姆接触电极1和8的形状；

5、采用常规的蒸发或溅射的方法，同时制备出上、下欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au 1和8；

6、按照常规工艺，将上述样品放入800℃的高温炉中，通入N₂，1分钟，将淀积的上、下金属欧姆接触电极1和8合金；

7、按照常规工艺将衬底7减薄至90um；

8、按照常规工艺，采用New Wave的SS40激光划片机，将样品划开；

9、按照常规工艺，采用长洛公司的裂片机，将样品裂开，得到本发明的n-pin结构蓝光发光二极管。

本发明创造经上述方案的实施完成了本发明的目的。

Claims (3)

1、n-pin结构的发光二极管，如图4和图5所示，包括有纵向层叠的上欧姆接触电极(1)，p型上限制层(4)，红色或蓝色发光区(5)，n型下限制层(6)，衬底(7)和下欧姆接触电极(8)，特征在于，还包括上欧姆接触电极(1)和p型上限制层(4)之间的，纵向依次排列的n-电流扩展层(2)和隧道结(3)。

2、根据权利要求1所述的n-pin结构的发光二极管，其中n-电流扩展层(2)的厚度为1～50um。

3、根据权利要求1所述的n-pin结构的发光二极管，其中隧道结(3)厚度大于载流子的耗尽宽度，材料的禁带宽度大于发射波长对应的禁带宽度。

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