CN100459185C - 一种发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及其制备方法。发光二极管包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN、InGaN/GaN量子阱有源层、p型GaN、p型欧姆接触层、n型欧姆接触层、p型欧姆接触透明电极，其中，p型欧姆接触透明电极是同心圆结构，在相邻的同心圆结构环形电极之间有沟槽；制备方法是在现有的制备方法之后用干法刻蚀形成同心圆结构。本发明利用环形电极分布，使电流注入更加均匀，电极间的沟槽增加了侧面发光的几率，并且减小了反射角，而大大降低了因为全反射产生的光能损耗，提高了发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是一种基于氮化镓半导体材料的发光二极管。本发明还涉及一种发光二极管的制备方法。
背景技术
半导体发光二极管在全色大屏幕图像显示，光存储，标志识别，水下及空间通信，医疗设备，光电集成和军事侦察等领域具有广泛的应用。特别是氮化镓基蓝、紫、及紫外光半导体发光二极管可以作为白光管的基础光源，具有节能、绿色、环保等优点。具有广泛的应用前景和巨大的市场需求。
半导体发光二极管是对位于P-N结处的有源层注入电流，通过电子和空穴的辐射复合发光。发射光的波长由有源区材料的禁带宽度来决定的。在传播方面，其主要特性之一是：半导体发光二极管发光属于自发辐射发光，发出的光向空间各个方向传播的几率是相等的。其主要特性之二是：半导体材料的折射率比较大，所发出的光都是由光密介质(如GaN)出射进入光疏介质(空气)，这样必然存在光的全反射角，限制了光的输出。如GaN材料对于蓝光波段(460-480nm)，折射率为n＝2.5。目前普遍采用的GaN基发光二极管，其六个面的出射角如图1所示，据此可以算出，光的全反射角为23.6度，出光效率大约为4％。特别是对于功率型LED，芯片尺寸由原来的0.3×0.3mm扩大到1×1mm，甚至向更大尺寸发展，从而使得出光效率更低。目前普遍使用的功率型芯片结构，主要为插指型结构，如图2所示。由于其电极呈交错结构，如果制作时稍有偏差，使其交错结构不够均匀、对称，就会导致电流扩展不充分，造成发光不均匀，而且出光面积小，存在全反射角限制，出光效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型发光二极管，通过增加出光面积，降低发光二极管由于折射率和全反射产生的功率损耗，而提高发光二极管的发光效率。
为解决上述技术问题，本发明一种发光二极管，包括蓝宝石衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、n型GaN欧姆接触层、InGaN/GaN量子阱有源层、p型AlGaN载流子阻挡层、p型GaN欧姆接触层、p型欧姆接触透明电极、n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极，其中，所述p型欧姆接触电极是同心圆结构，在相邻同心圆结构的p型欧姆接触电极之间有环形沟槽。
为实现上述发光二极管结构，本发明一种发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，外延生长半导体发光二极管晶片；
第二步，刻蚀n型台阶并淀积n型金属多层膜；
第三步，合金化，形成n型欧姆接触；
第四步，淀积p型金属多层膜并合金化；
第五步，用光刻方法将掩膜图形转移到基片上；
其中，在上述步骤之后，还包括：
第六步，干法刻蚀形成同心圆结构p型欧姆接触电极。
本发明利用环行电极分布，有效地克服了常规半导体发光二极管所面临的电流的注入不均匀和扩展不佳的难题；在电极间的环行沟槽，增加了侧面出光的几率，避免了光被本身材料和电极(包括透明电极)吸收，以及因全反射而不能出射等弊端，从而提高了外部量子效率；环行结构有效地降低了光的出射角，增加了出光面积，侧向出射的光大部分部以垂直侧面法向方向出射，不会出现全反射现象，提高了出光效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为发光二极管六面光出射角示意图；
图2为现有的功率型发光二极管芯片的插指型电极结构示意图；
图3为本发明一种发光二极管芯片的电极结构示意图；
图4、图5、图6为本发明一种发光二极管不同深度沟槽的剖面结构图；
图7为本发明一种发光二极管发光效率和沟槽深度关系曲线图；
图8为本发明一种发光二极管正向电压和沟槽深度关系曲线图；
图9为本发明一种发光二极管波长和沟槽深度关系曲线图；
图10为本发明一种发光二极管反向漏电流和沟槽深度关系曲线图。
图中，1.n型电极；2.p型电极；3.沟槽；4.蓝宝石衬底；5.GaN成核层；6.GaN缓冲层；7.n型GaN欧姆接触层；8.InGaN/GaN量子阱有源层；9.p型AlGaN载流子阻挡层；10.p型GaN欧姆接触层；11.p型欧姆接触透明电极；12.p型欧姆接触电极。
具体实施方式
本发明一种发光二极管，包括蓝宝石衬底4、GaN成核层5、GaN缓冲层6、n型GaN欧姆接触层7、InGaN/GaN量子阱有源层8、p型AlGaN载流子阻挡层9、p型GaN欧姆接触层10、p型欧姆接触透明电极11、n型欧姆接触电极13、p型欧姆接触电极12。p型欧姆接触电极12是同心圆结构，如图3，为了充分利用发光区，在同一个芯片上集成有多个同心圆结构的p型欧姆接触电极12。p型欧姆接触电极12间有沟槽3，沟槽3增加了侧面出光的几率和出光面积，避免了光被本身材料和电极(包括p型欧姆接触透明电极11)吸收，环行结构有效地降低了光的出射角，侧向出射的光大部分部以垂直侧面法向方向出射，因此克服了光因全反射而不能出射等弊端，p型欧姆接触电极12呈圆环型空间分布，有利于电流均匀注入，从而提高发光效率。
在图4、图5、图6中，发光二极管其结构自下而上分别是蓝宝石衬底4、GaN成核层5、GaN缓冲层6、n型GaN欧姆接触层7、InGaN/GaN量子阱有源层8、p型AlGaN载流子阻挡层9、p型GaN欧姆接触层10、p型欧姆接触透明电极11。
如图4所示，所述沟槽3的底部延伸到p型欧姆接触层10，使所述p型GaN欧姆接触层10以上的部分均为同心圆结构。
如图5所示，所述沟槽3的底部延伸到p型AlGaN载流子阻挡层9，使所述p型AlGaN载流子阻挡层9以上的部分均为同心圆结构。
如图6所示，所述沟槽3的底部延伸到n型GaN欧姆接触层7，使所述n型GaN欧姆接触层7以上的部分均为同心圆结构。
不同的沟槽深度对发光二极管的性能会有一定的影响。图7揭示了发光效率与沟槽3深度的关系，其中02D6和18C3工作电流为100mA，28D5工作电流为20mA。在沟槽底部深度穿过有源层以前，发光效率随沟槽深度的增加而增加。
图8揭示了正向电压与沟槽3深度的关系，其中02D6和18C3工作电流为100mA，28D5工作电流为20mA。当沟槽底部超过n型欧姆接触层的深度时，正向工作电压会随着沟槽深度的增加而增加。在此之前正向电压基本不变。
图9揭示了发光波长与沟槽3深度的关系，其中02D6和18C3工作电流为100mA，28D5工作电流为20mA。发光二极管发光的波长在沟槽深度加深时基本保持不变。
图10揭示了反向漏电流与沟槽3深度的关系，其中02D6和18C3工作电流为100mA，28D5工作电流为20mA。发光二极管发光的反向漏电流在沟槽深度加深时基本保持不变。
为实现上述发光二极管结构，本发明一种发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，外延生长半导体发光二极管晶片；
第二步，刻蚀n型台阶并淀积n型金属多层膜；
第三步，合金化，形成n型欧姆接触；
第四步，淀积p型金属多层膜并合金化；
第五步，用光刻方法将掩膜图形转移到基片上；
其中，在上述步骤之后，还包括：
第六步，干法刻蚀形成同心圆结构p型欧姆接触电极。
Claims (6)
1.一种发光二极管，包括蓝宝石衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、n型GaN欧姆接触层、InGaN/GaN量子阱有源层、p型AlGaN载流子阻挡层、p型GaN欧姆接触层、p型欧姆接触透明电极、n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极，其特征在于，所述p型欧姆接触电极是同心圆结构，在相邻同心圆结构的p型欧姆接触电极之间有环形沟槽。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，在同一个芯片上集成有多个同心圆结构的p型欧姆接触电极。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述环形沟槽底部延伸到p型GaN欧姆接触层，使所述p型GaN欧姆接触层以上的部分均为同心圆结构。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述环形沟槽底部延伸到p型AlGaN载流子阻挡层，使所述p型AlGaN载流子阻挡层以上的部分均为同心圆结构。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述环形沟槽底部延伸到n型GaN欧姆接触层，使所述n型GaN欧姆接触层以上的部分均为同心圆结构。
6.一种如权利要求1所述的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，外延生长半导体发光二极管晶片；
第二步，刻蚀n型台阶并淀积n型金属多层膜；
第三步，合金化，形成n型欧姆接触；
第四步，淀积p型金属多层膜并合金化；
第五步，用光刻方法将掩膜图形转移到基片上；
其特征在于，在上述步骤之后，还包括：
第六步，干法刻蚀形成同心圆结构p型欧姆接触电极。
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