CN100502071C - 基于平面结构的ⅲ族氮化物半导体发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，在衬底材料上分别设有氮化物半导体缓冲层、氮化物半导体有源层、氮化物半导体接触层，两连线电极被制备在氮化物半导体有源层同一侧的接触层上；该缓冲层的材质是氮化铝镓铟，单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.01-100μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂、或P型掺杂；所述有源发光层的材质是氮化铝镓铟，单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间：所述接触层的材质是氮化铝镓铟，单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间；所述电极是肖特基接触或者欧姆接触电极。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管及其制备方法，特别是指基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管及其制备方法。
二、背景技术
III族氮化物半导体(包括AlN，GaN，InN及其合金)为直接带隙半导体，禁带宽度涵盖了从红外光到紫外光区域，具有较高的电子迁移率，优异的热稳定性和化学稳定性，可以承受较强的电场，而且能够形成多种异质结构，可用来制造各种颜色的可见光发光二极管，以及紫外发光二极管。用这类材料制造的固态发光二极管具有体积小，重量轻，发光效率高，器件可靠性好，功耗低，易于调制和集成等优点。目前已经实现商品化，然而在器件性能改善和成本优化方面还有很大余地。因此，III族氮化物半导体发光二极管仍是世界范围内许多公司，大学及科研机构的研究热点。现有的III族氮化物半导体发光二极管主要包括p-n结发光二极管，异质结发光二极管，量子阱发光二极管等，均属垂直结构的III族氮化物半导体发光二极管。它们的制造通常需要对氮化物发光材料进行有选择的刻蚀来暴露出电接触区域，这需要多步光刻，等离子刻蚀等步骤，因而有相当高的制造成本；而且由于需要在p型和n型氮化物材料上分别制作欧姆接触，工艺成本也因此进一步增加。同时，由于电极尺寸受到制备方面的限制，难以做出大发光面积的二极管。最后，由于器件结构不对称，以上发光二极管只能由直流电驱动，因此须在交流源与器件之间额外增加交流-直流转换电路，增加了器件应用的成本。目前，成本较高正是III族氮化物半导体发光二极管还难以大规模进入常规照明市场的主要原因。
三、发明内容
本发明的目的是：提供一种基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管及其制备方法，它能有效降低III族氮化物半导体发光二极管的制造成本，便于制作大面积器件，便于器件大规模集成，而且基于该平面结构的发光二极管可以直接由交流源驱动，因此勿须在交流源与器件之间额外增加转换电路，减少了器件应用的成本。
本发明的技术解决方案是：基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其结构是，在衬底材料上分别淀积有氮化物半导体缓冲层、氮化物半导体有源层、氮化物半导体接触层；该缓冲层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.01-100μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)；所述有源发光层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1，；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)；所述接触层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1，；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)；在氮化物半导体接触层；所述电极是肖特基接触或者欧姆接触电极。
将所制发光二极管的两个连线电极直接制备在发光二极管有源区的同一侧，不需要通过刻蚀的方法暴露出发光二极管有源区另一侧的电接触区域。
所制备的电极可以具有任意形状；所用电极材料一般为金属或其复合结构，但也可以是其它电阻率小于1.0Ω.cm的材料。
本发明方法的技术方案包括如下步骤：
在蓝宝石或硅衬底上用化学气相沉积(CVD)的方法分别生长基于III族氮化物半导体材料的缓冲层、有源发光层和接触层。
在完成氮化物半导体薄膜结构生长的晶片的同一面直接制备发光二极管的两个接触电极，所制备的电极可以具有任意形状；所用电极材料一般为金属或其复合结构，但也可以是其它电阻率小于1.0Ω.cm的材料。
该缓冲层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.01-100μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)。
有源发光层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)。
接触层的材质是氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≤X<1，0≤Y<1；单层或者变组分的多层结构；总厚度介于0.001-10μm之间；可以在生长中采取非有意掺杂、N型掺杂(如：硅掺杂)、或P型掺杂(如：镁掺杂)。
该发光二极管的两个接触电极在有源发光层的同一侧。
本发明的特征在于：将所制发光二极管的两个连线电极直接制备在发光二极管有源区的同一侧，不需要通过刻蚀的方法暴露出发光二极管有源区另一侧的电接触区域。
该发明的原理是：(如下图)所制发光二极管有源区同一侧的电极1通过正向肖特基接触导通或者欧姆接触导通的方式向有源区注入电子或空穴；同时，电极2通过反向漏电或者载流子隧穿的方式向有源区注入与电极1电注入相对应的另一种载流子；其结果是，电极1和电极2所分别注入的两种载流子在有源区中进行辐射复合而发光。注：以上叙述中提到的电极1和2只是相对而言，可以互换。
该发明的有益效果在于：
1)基于该平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，由于电极都制作在有源发光区的同一侧，因此不需要对外延结构进行选择性刻蚀来暴露出有源发光区另一侧的电接触区域；
2)由于两电极制作在同种掺杂接触层材料上，因此两电极可以采用相同的电极材料，不需要针对p型和n型接触分别制作不同材质的电极；
3)因为电极制作在有源发光区的同一侧，不受选择性刻蚀的限制，可以方便地定义出诸如插指形的大面积图形的电极，适合制备大面积发光光源；
4)基于该平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，由于接触电极的电学注入具有对称性，可以实现交流驱动。不需要在交流源与器件之间额外增加转换电路。
本发明已经按照上述制备方法制造出了平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，实现了预期颜色的可见光输出，可以满足多种色彩柔和照明的需要。
四、附图说明
图1是现有的常规垂直结构III族氮化物半导体发光二极管的截面图；
图2是现有的常规垂直结构III族氮化物半导体发光二极管的平面俯视图；
图3是平面结构的III族氮化物半导体发光二极管的截面图；
图4是平面结构的III族氮化物半导体发光二极管的平面俯视图。该图的电极形状以插指形为例，也可为其他形状；
图5是一平面结构的III族氮化物半导体发光二极管的发光光谱，其有源层为InGaN材料，电极为插指形肖特基接触类型；
图6是图5所述发光二极管的发光照片。
五、具体实施方式
进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明做一详细的描述。其中：参阅图1及图2所示，通常的垂直结构III族氮化物半导体发光二极管的制作过程是：
1)在蓝宝石或硅衬底上用化学气相沉积的方法分别生长基于III族氮化物半导体材料的缓冲层、有源发光层和接触层；
2)通过刻蚀的方法暴露出发光二极管有源区另一侧的电接触区域，在图1、图2中指刻出n型材料的电接触区域；
3)利用半导体工艺技术分别针对n型和p型材料在电接触区域制作n型层和p型层电极。
请参阅图3及图4所示，本发明基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其制备方法包括如下步骤：
在蓝宝石或硅衬底上用化学气相沉积的方法分别生长基于III族氮化物半导体材料的缓冲层、有源发光层和接触层(含AlGaN电子阻挡层)；该发光二极管为常规LED结构：缓冲层为N型GaN，厚度为2μm，有源层为GaN/In0.1Ga0.9N多量子阱机构，其中InGaN厚度为2nm，GaN厚度为7nm，周期数为5个周期，有源层上生长一AlGaN电子阻挡层，厚度为70nm，表面接触层为P型GaN，厚度为0.2μm。
在完成氮化物半导体薄膜结构生长的晶片的同一面直接制备发光二极管的两个接触电极，所制备的电极可以具有任意形状，本实施例中为插指形电极，如图4所示；所用电极材料一般为金属或其复合结构，但也可以是其它电阻率小于1.0Ω.cm的材料。本实施例的发光光谱及发光图片分别如图5，图6所示。
Claims (5)
1、基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其特征是在蓝宝石或硅衬底材料上分别设有氮化物半导体缓冲层、氮化物半导体有源层、电子阻挡层、氮化物半导体接触层，两连线电极被制备在氮化物半导体有源层同一侧的接触层上；所述缓冲层为N型GaN，厚度为2μm，所述有源层为GaN/In0.1Ga0.9N多量子阱机构，其中In0.1Ga0.9N厚度为2nm，GaN厚度为7nm，周期数为5个周期；有源层上生长一AlGaN电子阻挡层，厚度为70nm，半导体接触层为P型GaN，厚度为0.2μm，所述电极是肖特基接触或者欧姆接触电极。
2、根据权利要求1所述的基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其特征是将所制发光二极管的两个连线电极直接制备在发光二极管有源区的同一侧。
3、根据权利要求1所述的基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其特征是电极是叉指型电极。
4、根据权利要求1所述的基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管，其特征是所用电极材料一般为金属或其复合结构或者电阻率小于1.0Ω.cm的材料。
5、基于平面结构的III族氮化物半导体发光二极管的制备方法，其特征是在蓝宝石或硅衬底上用化学气相沉积的方法分别生长基于III族氮化物半导体材料的缓冲层、有源发光层、电子阻挡层和接触层；在完成氮化物半导体薄膜结构生长的晶片的同一面直接制备发光二极管的两个接触电极；该缓冲层的材质是N型GaN，厚度为2μm，所述有源发光层为GaN/In0.1Ga0.9N多量子阱机构，其中In0.1Ga0.9N厚度为2nm，GaN厚度为7nm，周期数为5个周期；有源层上生长一AlGaN电子阻挡层，厚度为70nm，接触层为P型GaN，厚度为0.2μm；该发光二极管的两个接触电极在有源发光层的同一侧。
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