CN101807639A - 发光二极管外延结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延结构，所述发光二极管外延结构的衬底层为金刚石衬底层，将金刚石作为衬底生长氮化镓，由于金刚石与氮化镓的晶格匹配较好，从而使得发光二极管外延生长结构优良，缺陷小。而且金刚石具有高导热性能，将金刚石作为衬底，能将发光二极管内部产生的热量尽快疏导出去，降低了发光二极管内部的温度，提高了二极管的最大饱和电流，在加大电流的情况下发光效率仍继续增加，延长了发光二极管寿命，可作为照明光源的大功率发光二极管外延结构。

Description

发光二极管外延结构

技术领域

本发明涉及一种半导体光电子技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延结构。

背景技术

大功率发光二极管(led)主要用在铁路照明、道路照明、井下照明，正在向民用照明发展，其节能环保效果显著。现有大功率蓝光发光二极管的外延结构是在衬片层的上面自下至上依次设有蓝宝石衬底、低温GaN(氮化镓)缓冲层、N-GaN接触、InGaN(铟氮化稼)/GaN发光层、P+GaN接触、Ni(镍)/Au(金)透明导电层。但是，该外延结构由于GaN与其衬底蓝宝石的晶格失配度相当大，也就是GaN与蓝宝石Al₂O₃晶格不匹配，所以在蓝宝石上生长GaN加大电流容易造成大量的晶格缺陷，而这些缺陷过多就会造成p-n结发生隧道击穿，从而大大降低器件抗静电能力，容易导致器件失效，影响其性能参数，导致这种外延结构做出的成管容易损害，其最大饱和电流每平方厘米500A，最大饱和电流太小，不能满足单颗3W\5W照明的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗静电能力好且最大饱和电流大的发光二极管外延结构。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：发光二极管外延结构，包括采用金刚石材料制成的金刚石衬底层；设于所述金刚石衬底层上的氮化镓缓冲层；设于所述氮化镓缓冲层上的半导体层，所述半导体层包括N型氮化镓半导体层、发光层以及P型氮化镓半导体层，所述发光层位于所述N型氮化镓半导体层与P型氮化镓半导体层之间；第一电极，所述第一电极电连接N型氮化镓半导体层；第二电极，所述第二电极电连接P型氮化镓半导体层。

作为一种优选的技术方案，所述金刚石衬底层的厚度为50-200μm。

作为一种优选的技术方案，所述发光层为铟镓氮/氮化镓量子阱发光层。

作为一种优选的技术方案，所述发光二极管外延结构还包括第一透明导电层，所述第一电极通过所述第一透明导电层电连接所述N型氮化镓半导体层。

作为一种优选的技术方案，所述发光二极管外延结构还包括第二透明导电层，所述第二电极通过所述第二透明导电层电连接所述P型氮化镓半导体层。

作为一种优选的技术方案，所述第一透明导电层和第二透明导电层均为由硅原子层、镍原子层、铍原子层和金原子层依次叠加生长的硅/镍/铍/金透明导电层。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：该发光二极管外延结构的衬底层为金刚石衬底层，将金刚石作为衬底生长氮化镓，由于金刚石与氮化镓的晶格匹配较好，从而使得发光二极管外延生长结构优良，缺陷小。而且金刚石具有高导热性能，将金刚石作为衬底，能将发光二极管内部产生的热量尽快疏导出去，降低了发光二极管内部的温度，提高了二极管的最大饱和电流，在加大电流的情况下发光效率仍继续增加，延长了发光二极管寿命，可作为照明光源的大功率发光二极管外延结构。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明：

附图是本发明实施例的结构示意图：

图中：1、金刚石衬底层；2、氮化镓缓冲层；3、N型氮化镓半导体层；4、发光层；5、P型氮化镓半导体层；6、第一透明导电层；7、第二透明导电层；8、第一电极；9、第二电极。

具体实施方式

发光二极管外延结构，如附图所示，包括：采用金刚石材料制成的金刚石衬底层1；设于所述金刚石衬底层1上的氮化镓缓冲层2；设于所述氮化镓缓冲层2上的半导体层，所述半导体层包括N型氮化镓半导体层3、发光层4以及P型氮化镓半导体层5，所述发光层4为铟镓氮/氮化镓量子阱发光层，所述发光层4位于所述N型氮化镓半导体层3与P型氮化镓半导体层5之间，且所述发光层4位于所述N型氮化镓半导体层3的部分区域上，所述N型氮化镓半导体层3部分暴露在外的区域上设有第一透明导电层6，所述第一透明导电层6上连接有第一电极8，在所述P型氮化镓半导体层5上设有第二透明导电层7，所述第二透明导电层7上设有第二电极9。

本发明实施例优选的设计有第一透明导电层6和第二透明导电层7，所述第一透明导电层6和所述第二透明导电层7能扩散电流，使得发光层的各个区域发光均匀，避免电流过大，击穿p-n结。而且本发明采用的第一透明导电层6和第二透明导电层7均为由硅原子层、镍原子层、铍原子层和金原子层依次叠加生长的硅/镍/铍/金透明导电层，其中利用了硅原子层的透明导电性能，镍原子层的强附着性和结合力，铍原子层的连接作用，金原子层的牢固性，且金原子层用于接电极7。从而，采用四层的硅/镍/铍/金透明导电层能使得电流扩展效果好，保证器件的稳定性，增强半导体器件的使用寿命。

而且，本发明金刚石衬底的厚度选择要合适，太厚容易造成浪费且起反作用，太薄不易控制。本实施例中优选的金刚石衬底层1的厚度为50-200μm。

本发明的工作原理：

首先，在金刚石上生长氮化镓，金刚石是一种优良的衬底材料。目前，一般生长氮化镓的衬底多用蓝宝石，蓝宝石的晶格常数比氮化镓约大16％，即蓝宝石与氮化镓的晶格失配度在16％左右，蓝宝石与氮化镓不匹配；而金刚石衬底的晶格常数和热膨胀系数均与氮化镓非常接近，适合作为氮化镓的衬底材料。

另外，金刚石具有高的导热率，能及时疏导半导体材料内部聚集的热量，使得led内部发光层处于较低温度状态，在电流增大的情况下，led发光效率继续增大，从而，提高了led最大饱和电流。

通过实际生产研究表明，本发明采用金刚石衬底，改进了外延生长条件，增强了外延片的抗静电能力，提高了其最大饱和电流，其最大饱和电流为蓝宝石衬底的5倍，而且，耐高温，光强在室温升高到420℃时不衰减，大大提高了发光二极管的使用寿命。这种外延片做出的芯片具有优越的稳定性，打开了用大功率紫外光推广绿色节能环保led照明的大门。

以下表格中的数据表现了两种不同外延结构做成的芯片用同一材质、同一工艺封装成led的最大饱和电流比较：(表一)

表一

序号	常规蓝宝石衬底外延结构做成芯片的最大饱和电流(A/cm2)	本发明金刚石衬底外延结构做成芯片的最大饱和电流(A/cm2)
			1	486	2890
2	470	2789
			3	498	2790
4	500	2890
			5	478	2990
6	450	2890
			7	457	2888
8	478	2899
			9	479	2998
10	490	2898
			平均值	478	2892

上述实施例仅仅是本发明具体实施方式的举例，本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.发光二极管外延结构，其特征在于：包括

采用金刚石材料制成的金刚石衬底层；

设于所述金刚石衬底层上的氮化镓缓冲层；

设于所述氮化镓缓冲层上的半导体层，所述半导体层包括N型氮化镓半导体层、发光层以及P型氮化镓半导体层，所述发光层位于所述N型氮化镓半导体层与P型氮化镓半导体层之间；

第一电极，所述第一电极电连接N型氮化镓半导体层；

第二电极，所述第二电极电连接P型氮化镓半导体层。

2.如权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述金刚石衬底层的厚度为50-200μm。

3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述发光层为铟镓氮/氮化镓量子阱发光层。

4.如权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述发光二极管外延结构还包括第一透明导电层，所述第一电极通过所述第一透明导电层电连接所述N型氮化镓半导体层。

5.如权利要求4所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述发光二极管外延结构还包括第二透明导电层，所述第二电极通过所述第二透明导电层电连接所述P型氮化镓半导体层。

6.如权力要求4或5所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述第一透明导电层和第二透明导电层均为由硅原子层、镍原子层、铍原子层和金原子层依次叠加生长的硅/镍/铍/金透明导电层。

Images