CN100517786C - 氮化物基半导体发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种氮化物基半导体LED，包括：阳极；第一p型包覆层，具有与阳极相接触的第二n型包覆层，该第一p型包覆层形成于阳极下方，从而第一p型包覆层的一部分与阳极相接触；活性层，形成在第一p型包覆层下方；第一n型包覆层，具有不与活性层相接触的第二p型包覆层，该第一n型包覆层形成于活性层的整个下表面上；以及阴极，形成于第一n型包覆层和第二p型包覆层的下方，以便与第一n型包覆层的一部分和第二p型包覆层相接触，其中，第二n型包覆层不与活性层相接触。

Description

氮化物基半导体发光二极管
相关申请交叉参考
本申请要求于2006年5月30日向韩国知识产权局提交的第10-2006-0048877号韩国专利申请的权益，其公开内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种氮化物基半导体发光二极管(LED)，其对静电放电(ESD)具有较高的抵抗力。
背景技术
由于诸如GaN的III-V族氮化物半导体具有极好的物理和化学特性，所以它们被认为是发光器件(例如，发光二极管(LED)或激光二极管(LD))的基本材料。由III-V族氮化物半导体形成的LED或LD广泛应用于用来获取蓝光或绿光的发光器件中。这些发光器件适用于各种产品(诸如电子显示板和照明装置)的光源。
但是，使用氮化物半导体的LED具有如下缺陷：它们对ESD的抵抗力比其它化合物半导体(诸如GaP和GaAlAs)低得多。例如，当沿正向(forward direction)施加大约几百伏(大于100V)的恒定电压时，该氮化物半导体LED可能被破坏。而且，当沿反向(backward direction)施加大约几十伏(大于30V)的恒定电压时，该氮化物半导体LED也可能被破坏。当操控或使用诸如LED或LD的氮化物半导体发光器件时，人体或产品中容易出现的静电可以产生这种恒定电压。
因此，为了防止由ESD造成的氮化物半导体LED的损坏，正在进行各种研究。例如，提供稳压二极管(其中电流可以沿反向流动)，以补偿氮化物半导体LED在ESD方面的缺点。就稳压二极管来说，提供了齐纳二极管，其与LED并联，以便有效地处理静电。
现在，将参照图1和图2详细描述传统的氮化物基半导体LED。
图1是传统的氮化物基半导体LED的主视图，而图2是图1所示的氮化物基半导体LED的剖视图。
如图1和图2所示，氮化物基半导体LED包括LED 30和ESD保护元件40，它们并联安装在包括一对阳极引线51和阴极引线52的引线框架50的同一表面上。LED 30和ESD保护元件40通过由金(Au)形成的导线60连接，从而形成并联结构。ESD保护元件40由齐纳二极管构成。
在图1和图2中，参考标号10表示由透明或不透明合成树脂形成的封装件，而参考标号20表示用于保护LED的模制材料。
用作ESD保护元件40的齐纳二极管是所谓的稳压二极管。齐纳二极管是半导体p-n结型二极管中的一种，并且制造成可以在p-n结的击穿区中呈现出运行特性。而且，齐纳二极管通过利用齐纳效应获得恒定电压，并且在10mA的电流下在硅的p-n结中运行。此外，齐纳二极管根据其类型可以获得3V至12V的恒定电压。
在传统的氮化物基半导体LED中，这种齐纳二极管通过导线等与LED并联。因此，即使由于静电而施加反向电流，齐纳二极管也可以防止LED被损坏。
然而，当齐纳二极管和LED并联安装在引线框架上时，从LED发射出的光可以被齐纳二极管吸收或扩散，从而降低了LED的亮度。
为了解决这类问题，已经提出了在同一衬底(substrate)上形成LED和肖特基二极管的技术，如第6,593,597号美国专利的图3B中所示。图3是示出第6,593,597号美国专利的图3B中所示的传统氮化物半导体LED的结构的剖视图。
在图3所示的传统氮化物半导体LED中，LED和肖特基二极管形成在同一衬底上，以便可以彼此并联。因此，从LED发射出的光不会损失，并且可以保护LED不受ESD的影响，从而提高LED的亮度。
然而，在这种技术中，存在的问题在于其制造工艺复杂。即，LED区域和肖特基二极管区域应该彼此隔开。而且，形成肖特基接触的电极材料和形成欧姆接触的电极材料应该单独地沉积在导电缓冲层上，以便形成肖特基结。
发明内容
本发明的优点在于提供一种氮化物基半导体LED，其对于ESD具有较高的抵抗力，而无需单独的元件来提高对于ESD的抵抗力。
本发明总发明构思的其它方面和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地将通过描述而变得显而易见，或者可以通过实施该总发明构思而获得。
根据本发明的一方面，氮化物基半导体LED包括：阳极；第一p型包覆层(clad layer)，具有与阳极相接触的第二n型包覆层，该第一p型包覆层形成于阳极下方，从而第一p型包覆层的一部分与阳极相接触；活性层(有源层，active layer)，形成在第一p型包覆层下方；第一n型包覆层，具有不与活性层相接触的第二p型包覆层，该第一n型包覆层形成于活性层的整个下表面上；以及阴极，形成于第一n型包覆层和第二p型包覆层的下方，以便与第一n型包覆层的一部分和第二p型包覆层相接触，其中，第二n型包覆层不与活性层相接触。
根据本发明的另一方面，氮化物基半导体LED包括：阳极；第一n型包覆层，具有与阳极相接触的第二p型包覆层，该第一n型包覆层形成于阳极下方，从而第一n型包覆层的一部分与阳极相接触；活性层，形成于第一n型包覆层下方；第一p型包覆层，具有不与活性层相接触的第二n型包覆层，该第一p型包覆层形成于活性层的整个下表面上；以及阴极，形成于第一p型包覆层和第二n型包覆层的下方，以便与第一p型包覆层的一部分和第二n型包覆层相接触，其中，第二p型包覆层不与活性层相接触。
根据本发明的又一方面，氮化物基半导体LED包括：衬底；第一n型包覆层，具有不与衬底相接触的第二p型包覆层，该第一n型包覆层形成于衬底的整个上表面上；活性层，形成于第一n型包覆层的预定区域上；第一p型包覆层，具有不与活性层相接触的第二n型包覆层，该第一p型包覆层形成于活性层的整个上表面上；阳极，形成于第一p型包覆层的一部分和第二n型包覆层上；以及阴极，形成在未形成活性层的第一n型包覆层的一部分和第二p型包覆层上，其中，第二p型包覆层不与活性层相接触。
根据本发明的再一方面，氮化物基半导体LED包括：衬底；第一p型包覆层，具有不与衬底相接触的第二n型包覆层，该第一p型包覆层形成于衬底的整个上表面上；活性层，形成于第一p型包覆层的预定区域上；第一n型包覆层，具有不与活性层相接触的第二p型包覆层，该第一n型包覆层形成于活性层的整个上表面上；阳极，形成于第一n型包覆层的一部分和第二p型包覆层上；以及阴极，形成于未形成活性层的第一p型包覆层的一部分和第二n型包覆层上，其中，第二n型包覆层不与活性层相接触。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明总发明构思的这些和/或其它方面和优点将变得显而易见，并更容易理解，附图中：
图1是传统的氮化物基半导体LED的主视图；
图2是图1所示的氮化物基半导体LED的剖视图；
图3是示出了第6,593,597号美国专利的图3B中所示的传统氮化物半导体LED结构的剖视图；
图4是示出了根据本发明第一实施例的氮化物基半导体LED结构的剖视图；
图5是图4所示的氮化物基半导体LED的电路图；
图6和图7是示出了图4所示的氮化物基半导体LED的正向和反向电流的剖视图；
图8是示出了图4所示的氮化物基半导体LED的I-V曲线的曲线图；
图9是示出了根据本发明第二实施例的氮化物基半导体LED结构的剖视图；
图10是示出了根据本发明第三实施例的氮化物基半导体LED结构的剖视图；
图11和图12是示出了图10所示的氮化物基半导体LED的正向和反向电流的剖视图；以及
图13是根据本发明第四实施例的氮化物基半导体LED的剖视图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明总发明构思的实施例，其实例在附图中示出，在附图中，相同的参考标号始终表示相同的元件。为了解释本发明的总发明构思，以下通过参照附图来描述这些实施例。附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被放大。
以下，将参照附图详细描述根据本发明的氮化物基半导体LED。
第一实施例
参照图4和图5，将详细描述根据本发明第一实施例的氮化物基半导体LED的结构。
图4是示出了根据本发明第一实施例的氮化物基半导体LED结构的剖视图；而图5是图4所示的氮化物基半导体LED的电路图。
如图4所示，氮化物基半导体LED具有形成于其最上部中的阳极110，该阳极110由Cr/Au等构成。
在阳极110下方，形成有第一p型包覆层120。第一p型包覆层120包括形成于其预定区域中的第二n型包覆层130，并且第二n型包覆层130形成为与阳极110相接触。优选地，第一p型包覆层120和第二n型包覆层130由包含InxAlYGa(1-X-Y)N组分(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的III-V族半导体、ZnO、II-IV化合物半导体、Si等形成。
即，阳极110形成为同时与第一p型包覆层120和第二n型包覆层130相接触。
在具有第二n型包覆层130的第一p型包覆层120的下方，形成有活性层140。活性层140形成为具有包括InGaN/GaN层的多量子阱结构。
活性层140可以形成有单量子阱结构或双异质结构。
在活性层140下方，形成有第一n型包覆层150。类似于第一p型包覆层120，第一n型包覆层150也具有形成于其预定区域中的第二p型包覆层160。第二p型包覆层160形成为不与活性层140相接触。优选地，第一n型包覆层150和第二p型包覆层160由包含InxAlYGa(1-X-Y)N组分(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的III-V族半导体、ZnO、II-IV化合物半导体、Si等形成。
在第一n型包覆层150的一部分以及第二p型包覆层160的下方，形成有阴极170，以便同时与第一n型包覆层150和第二p型包覆层160相接触。因此，与第6,593,597号美国专利的图3B中所公开的传统氮化物基半导体LED(其中，LED和肖特基二极管形成在同一衬底上)相比，其可以减少待形成的电极的数量。因此，可以简化制造工艺。
当上述根据本发明第一实施例的氮化物基半导体LED被正向偏压时，其用作p-n二极管，如同LED。而且，当氮化物基半导体LED被反向偏压时，其用作具有p-n-p-n结构的肖特基二极管。
即，氮化物基半导体LED具有这样的结构，其中p-n二极管300和肖特基二极管400并联，如图5所示。
以下，将参照图6至图8描述根据第一实施例的氮化物基半导体LED的工作方法。
图6和图7是示出了图4所示的氮化物基半导体LED的正向和反向电流的剖视图，而图8是示出了图4所示的氮化物基半导体LED的I-V曲线的曲线图。
首先，当根据第一实施例的氮化物基半导体LED被正向偏压时，电流沿图6的箭头所指示的方向(p1→n1)流动，从而氮化物基半导体LED用作p-n二极管。在图8中，I-V曲线形成具有顶点a→e(p1→n1)的曲线，这意味着氮化物基半导体LED正常工作。
同时，当根据第一实施例的氮化物基半导体LED被反向偏压时，电流沿图7的箭头所指示的方向(p2→n1→p1→n2)流动，从而氮化物基半导体LED用作具有p-n-p-n结构的肖特基二极管。因此，电流旁通(by-pass through)肖特基二极管，从而可以防止ESD造成的损坏。
具体地，当根据第一实施例的氮化物基半导体LED被反向偏压时，I-V曲线形成具有顶点a→b→c→d(p2→n1→p1→n2)的曲线，如图8所示。因此，即使当氮化物基半导体LED被反向偏压时，以及当氮化物基半导体LED被正向偏压时，其都可以正常工作。
换句话说，即使在交流电模式下(即，既在正向偏压下又在反向偏压下)，根据本发明第一实施例的氮化物基半导体LED也可以工作。
第二实施例
现在，将参照图9描述根据本发明第二实施例的氮化物基半导体LED。但是，将省略与第一实施例相同的那些部件的描述。
图9是示出了根据本发明第二实施例的氮化物基半导体LED结构的剖视图。
如图9所示，根据第二实施例的氮化物基半导体LED具有与根据第一实施例的氮化物基半导体LED大致相同的结构。但是，在第二实施例中，包括第二p型包覆层160的第一n型包覆层150形成在阳极110下方，并且包括第二n型包覆层130的第一p型包覆层120形成在活性层140下方，而在第一实施例中，包括第二n型包覆层130的第一p型包覆层120形成在阳极110下方，并且包括第二p型包覆层160的第一n型包覆层150形成在活性层140下方。
即，第一实施例示出了具有p-n-p-n结构的肖特基二极管，而第二实施例示出了具有n-p-n-p结构的肖特基二极管。
因此，类似于第一实施例，在第二实施例中，p-n二极管和肖特基二极管也并联。所以，根据第二实施例的氮化物基半导体LED对于ESD具有较高的抵抗力，并且同时，可以在正向偏压和反向偏压下工作。
第三实施例
现在，将参照图10详细描述根据本发明第三实施例的氮化物基半导体LED。但是，将省略与第一实施例相同的那些部件的描述。
图10是根据本发明第三实施例的氮化物基半导体LED的剖视图。
如图10所示，氮化物基半导体LED具有形成于其最下部中的衬底200。作为适于生长氮化物半导体单晶的衬底，衬底200可以是异质衬底(诸如蓝宝石衬底或碳化硅(SiC)衬底)或同质衬底(诸如氮化物衬底)。
在衬底200上，形成有第一n型包覆层210，该第一n型包覆层210包括不与衬底200相接触的第二p型包覆层220。
在第一n型包覆层210的预定区域上，形成有活性层230。
在活性层230的整个表面上，形成有第一p型包覆层240，该第一p型包覆层240包括不与活性层230相接触的第二n型包覆层250。在第一p型包覆层240和第二n型包覆层250上，设置有阳极260，以便同时与第一p型包覆层240的一部分和第二n型包覆层250相接触。
在未形成活性层230的第一n型包覆层210上，即，在第一n型包覆层210的一部分和第二p型包覆层220(它们通过活性层230和第一p型包覆层240的台面蚀刻部分而露出)上，形成有阴极270，以便同时与第一n型包覆层210和第二p型包覆层220相接触。
现在，将参照图11和图12描述根据本发明第三实施例的氮化物基半导体LED的工作方法。
图11和图12是示出了图10所示的氮化物基半导体LED的正向和反向电流的剖视图。
当根据第三实施例的氮化物基半导体LED被正向偏压时，电流沿图11的箭头所指示的方向(p1→n1)流动，从而氮化物基半导体LED用作p-n二极管。
同时，当根据第三实施例的氮化物基半导体LED被反向偏压时，电流沿图12的箭头所指示的方向(p2→n1→p1→n2)流动，从而氮化物基半导体LED用作具有p-n-p-n结构的肖特基二极管。因此，电流旁通肖特基二极管，从而可以防止ESD造成的损坏。
即，第一实施例示例出竖向LED，其中不同电极竖向形成，而第三实施例示例出横向LED，其中不同电极横向形成。
因此，第三实施例具有与第一实施例相同的操作和效果。
第四实施例
现在，将参照图13描述根据本发明第四实施例的氮化物基半导体LED。但是，将省略与第三实施例相同的那些部件的描述。
图13是根据本发明第四实施例的氮化物基半导体LED的剖视图。
如图13所示，根据第四实施例的氮化物基半导体LED具有与根据第三实施例的氮化物基半导体LED大致相同的结构。但是，在第四实施例中，包括第二n型包覆层250的第一p型包覆层240形成在衬底200上，并且包括第二p型包覆层220的第一n型包覆层210形成在活性层230上，而在第三实施例中，包括第二p型包覆层220的第一n型包覆层210形成在衬底200上，并且包括第二n型包覆层250的第一p型包覆层240形成在活性层230上。
即，第三实施例示出了具有p-n-p-n结构的肖特基二极管，而第二实施例示出了具有n-p-n-p结构的肖特基二极管。
因此，类似于第三实施例，在第四实施例中，p-n二极管和肖特基二极管也并联。所以，根据第四实施例的氮化物基半导体LED对于ESD具有较高的抵抗力，并且同时，可以在正向偏压和反向偏压下工作。
根据本发明，当施加正向偏压时，氮化物基半导体LED用作p-n二极管。而且，当施加反向偏压时，氮化物基半导体LED用作具有p-n-p-n结构的肖特基二极管。这样，在正向偏压和反向偏压下工作的氮化物基半导体LED对于ESD具有较高的抵抗力。
而且，在本发明中，不需设置用于提高对ESD的抵抗力的单独元件，从而确保了空间容限(spatial margin)。因此，可以减小氮化物基半导体LED的尺寸，且同时增加了发光面积，从而提高了亮度特性。
而且，减少了电极的数量，从而可以简化整个制造工艺。因此，可以提高氮化物基半导体LED的产量。
尽管已经示出和描述了本发明总发明构思的几个实施例，但是本领域技术人员可以理解，在不背离总发明构思(其范围由权利要求及其等同物限定)的原则和精神的前提下，可以对这些实施例做出改变。

Claims (4)

1.一种氮化物基半导体LED，包括：
阳极；
第一p型包覆层，具有与所述阳极相接触的第二n型包覆层，所述第一p型包覆层形成于所述阳极下方，从而所述第一p型包覆层的一部分与所述阳极相接触；
活性层，形成于所述第一p型包覆层下方；
第一n型包覆层，具有不与所述活性层相接触的第二p型包覆层，所述第一n型包覆层形成于所述活性层的整个下表面上；以及
阴极，形成于所述第一n型包覆层和所述第二p型包覆层的下方，以便与所述第一n型包覆层的一部分和所述第二p型包覆层相接触，其中，
所述第二n型包覆层不与所述活性层相接触。
2.一种氮化物基半导体LED，包括：
阳极；
第一n型包覆层，具有与所述阳极相接触的第二p型包覆层，所述第一n型包覆层形成于所述阳极下方，从而所述第一n型包覆层的一部分与所述阳极相接触；
活性层，形成于所述第一n型包覆层下方；
第一p型包覆层，具有不与所述活性层相接触的第二n型包覆层，所述第一p型包覆层形成于所述活性层的整个下表面上；以及
阴极，形成于所述第一p型包覆层和所述第二n型包覆层的下方，以便与所述第一p型包覆层的一部分和所述第二n型包覆层相接触，其中，
所述第二p型包覆层不与所述活性层相接触。
3.一种氮化物基半导体LED，包括：
衬底；
第一n型包覆层，具有不与所述衬底相接触的第二p型包覆层，所述第一n型包覆层形成于所述衬底的整个上表面上；
活性层，形成于所述第一n型包覆层的预定区域上；
第一p型包覆层，具有不与所述活性层相接触的第二n型包覆层，所述第一p型包覆层形成于所述活性层的整个上表面上；
阳极，形成于所述第一p型包覆层的一部分和所述第二n型包覆层上；以及
阴极，形成在未形成有所述活性层的所述第一n型包覆层的一部分和所述第二p型包覆层上，其中，
所述第二p型包覆层不与所述活性层相接触。
4.一种氮化物基半导体LED，包括：
衬底；
第一p型包覆层，具有不与所述衬底相接触的第二n型包覆层，所述第一p型包覆层形成于所述衬底的整个上表面上；
活性层，形成在所述第一p型包覆层的预定区域上；
第一n型包覆层，具有不与所述活性层相接触的第二p型包覆层，所述第一n型包覆层形成于所述活性层的整个上表面上；
阳极，形成于所述第一n型包覆层的一部分和所述第二p型包覆层上；以及
阴极，形成于未形成所述活性层的所述第一p型包覆层的一部分和所述第二n型包覆层上，其中
所述第二n型包覆层不与所述活性层相接触。
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