CN102185062A - 一种iii族氮化物发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种III族氮化物发光二极管及其制作方法，发光二极管包括衬底(1)以及层叠于衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下至上依次包括N型层(2)、发光层(3)和P型层(4)，其特征在于，部分半导体外延叠层通过刻蚀，在N型层(2)中形成一N型层台面，该N型层台面上设置N型电极(7)；在P型层(4)未刻蚀部分的上表面设置有P型电极(6)；所述N型层(2)还包含有掺杂浓度一致的均匀掺杂层(2a)和掺杂浓度变化的调制掺杂层(2b),调制掺杂层(2b)设于均匀掺杂层(2a)和发光层(3)之间。本发明可以显著改善晶体质量和发光均匀性，提高光效，并提高了器件的可靠性，延长器件寿命。

Description

一种III族氮化物发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管，尤其涉及一种大功率III族氮化物发光二极管及其制作方法。

背景技术

近二十年来，GaN基材料在外延生长、器件工艺方面得到了很大的发展，使得III族氮化物半导体材料广泛应用于蓝/绿光和白光发光二极管、紫外探测器以及大功率电子器件；特别地，目前基于InGaN/GaN量子阱的LED器件已经进入商业化水平。由于自支撑GaN衬底成本极其昂贵，GaN材料的同质外延极难实现；因此目前广泛使用的衬底材料包括蓝宝石（Al₂O₃）、SiC和Si。相比于其他材料，蓝宝石虽然具有不导电、导热差等缺点，但由于外延工艺成熟成为主流的GaN衬底材料。

然而，蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配度（15%）和热失配度（34%）较大，引入了很高的缺陷态密度（10¹⁰ cm^-3)，导致GaN外延中的载流子的迁移率下降，少数载流子的寿命缩短等不良后果；另外，外延层材料在生长降温过程中，较厚的薄膜会产生龟裂。Amano和Nakamura等人分别提出使用AlN和GaN作为缓冲层，大大提高了GaN的晶体质量；然而，外延层中仍存在10⁷-10⁸cm^-3的位错密度。在LED外延结构中，发光层位于N型GaN之上，其外延生长模式和晶体质量大大受制于N型GaN的晶体质量，因此，要提高发光效率、延长器件寿命，必须建立在晶体质量良好的N型GaN的基础上。其次，由于发光层中的核心材料InGaN的生长条件（温度、压力、生长速率、V/III比等）与GaN材料相比有很大的不同，因此，在两层之间形成良好的过渡是得到良好发光层质量的必要条件。

另一方面，由于蓝宝石衬底具有绝缘性，不能作为电极，实现垂直结构的LED只能建立在诸如尚未成熟的激光剥离技术或者金属加热剥离技术之上（申请号为200610124446.0的中国专利“有电流扩展层和阻挡层的GaN基垂直LED功率芯片制备方法”），因此目前的蓝宝石衬底LED大多数采用横向结构。然而，根据近年的理论和实验研究，横向结构LED芯片（尤其是大功率LED芯片）的电流扩展问题亟需解决。在横向结构中，电流在N型层中集中于靠近电极的一侧，形成所谓的“电流拥挤效应”。由于电流拥挤效应造成电流在器件中分布不均匀，容易造成：（1）在LED的有源区电激发不均匀，发光强度低；（2）电流可能集中于器件的某些区域，导致LED器件的抗静电放电（ESD）性能差，从而降低器件的寿命。

回顾目前改善LED电流扩展特性的论文与专利，如申请号为200880118412.8 （带有电流扩展层的发光二极管）的欧司朗光电半导体公司提出的将电流扩展层设置在有源层和N接触部之间，并具有多次重复的层序列，该层序列至少具有N掺杂的层、未掺杂的层和具有Al含量的浓度梯度的AlGaN构成的层；申请号为00120889.6（半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法）的中国科学院半导体研究所提出的半导体面发光器件的N区（或P区）具有增强平行于PN 结平面的电子迁移率的二维电子气（二维空穴气），以及在光输出面具有增强透光性网格状的电极，使得LED具有光输出效率高且整个发光面发光均匀；申请号为200810218304.X （一种改善电流扩展效率的发光二极管及其制备方法）的世纪晶源科技有限公司提出的通过离子植入或二次外延的方式在P型电流扩展层内形成一电流阻挡区，电流阻挡区内设置有电流阻挡层，使P型电极注入的电流横向扩展到电极下方以外的有源发光区，使P电极下方无电流，不发光，增加了发光效率，减少了焦耳热的产生；韩国全北国立大学的Jeon等人提出在P型层上面生长P+/N+隧穿结可以有效增强横向扩展（Applied Physics Letters, 78, 3265）。另外，在器件工艺层面，波士顿大学的Guo和Schubert提出使用环形（ring-shaped）几何结构和叉指型结构相比传统的方形（square-shaped）结构减小了电流拥挤效应（Applied Physics Letters, 78, 3337；Applied Physics Letters, 79, 1936）。

综观这些改善电流扩展的方法，或引入了非传统的插入层，或使用了非常规的工艺手段，都增加了LED制作过程的复杂性和不确定性，不利于在大规模产业化中实现。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种没有加入额外的工艺工程，方便简单，且重复性好的III族氮化物发光二极管的制作方法，只需在常规的N型层中调制掺杂浓度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种III族氮化物发光二极管，包括衬底以及层叠于衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下至上依次包括N型层、发光层和P型层，部分半导体外延叠层通过刻蚀，在N型层中形成一N型层台面，该N型层台面上设置N型电极；在P型层未刻蚀部分的上表面设置有P型电极；所述N型层包括掺杂浓度一致的均匀掺杂层和掺杂浓度变化的调制掺杂层,调制掺杂层设于均匀掺杂层和发光层之间。在本发明中LED结构的N型层中引入了调制掺杂层，从而实现了以下的目的：（1）处理了N型层与发光层的接触界面，提高了N型层的晶体质量，从而提高发光层的质量；（2）有效改善了LED芯片的电流扩展性能，从而提高芯片光效和ESD性能，延长LED器件的寿命。

进一步的，所述调制掺杂层的掺杂方式为周期性掺杂，包含若干周期性相间的高浓度掺杂层和低浓度掺杂层，所述掺杂浓度周期性掺杂的形式为掺杂浓度矩形形式变化或者正弦形式变化。

更进一步的，周期性掺杂的周期为10nm到50nm，周期数为3-10个。

进一步的，调制掺杂层的掺杂方式为渐变过渡掺杂，为浓度线性变化掺杂或者非线性变化掺杂。

更进一步的，渐变过渡掺杂的浓度变化趋势为浓度从下到上递减变化。

进一步的，所述P型层上表面设有一透明导电薄膜，P型电极设置在透明导电薄膜上；透明导电薄膜采用镍金合金氧化物或者氧化铟锡或者氧化铝锌或者氧化锌，以及它们的组合物。

进一步的，所述衬底由蓝宝石材料形成，所述半导体外延叠层由铝镓铟氮（In_xGa_yAl_1-x-yN）材料形成，且0<=x<=1, 0<=y<=1；为了解决半导体外延叠层与衬底的晶格失配问题，半导体外延叠层与衬底之间设置有缓冲层。

本发明还包括一种III族氮化物发光二极管的制作方法，具体包括以下步骤：

A、利用金属有机化学气相沉积，在蓝宝石衬底上依次沉积N型层、发光层和P型层；

B、采用光刻和干法刻蚀技术，在半导体外延叠层上选择性刻蚀N型层台面，要求刻蚀到暴露N型层；

C、采用光刻技术，在N型层台面上刻出N型电极区域，在该区域上蒸镀N型电极，退火形成欧姆接触；

D、采用光刻技术，在P型层上刻出P型区域，在该区域表面生成导电薄膜；

E、在导电薄膜上刻出P型电极区域，在该区域上蒸镀P型电极，退火形成欧姆接触。

作为一种优选方案，步骤A中，沉积N型层为依次沉积掺杂浓度一致的均匀掺杂层和掺杂浓度变化的调制掺杂层；步骤B中，N型层台面刻蚀到暴露均匀掺杂层。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

本发明的发光二级管与常规结构相比，在N型层中加入了调制掺杂层，从而一方面处理了N型层和发光层的界面，提高了N型层和发光层的晶体质量；另一方面提高了N型层的纵向电阻率，使得纵向电阻率比横向电阻率大，因此N型层中的电流会较多地横向流动，从而缓解了器件中的电流拥挤效应，改善了电流扩展。

因此，本发明可以显著改善晶体质量和发光均匀性，提高光效，并提高了器件的可靠性，延长器件寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一实施例的调制掺杂层结构示意图；

图3为本发明一实施例的调制掺杂层掺杂周期示意图；

图4为本发明另一实施例的调制掺杂层结构示意图；

图5为本发明另一实施例的调制掺杂层掺杂周期示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例1

如图1所示，一种III族氮化物发光二极管，包括衬底1以及层叠于衬底上的半导体外延叠层，上述衬底1由蓝宝石（Al₂O₃）材料形成，半导体外延叠层由铝镓铟氮（In_xGa_yAl_1-x-yN，0<=x<=1,0<=y<=1）材料形成。为了解决半导体外延叠层与衬底的晶格失配问题，半导体外延叠层与衬底之间设置有缓冲层8。

半导体外延叠层由下至上依次包括N型层2、发光层3和P型层4，部分半导体外延叠层通过刻蚀，在N型层2中形成一N型层台面，该N型层台面上设置N型电极7；在P型层4未刻蚀部分的上表面设置有P型电极6；N型层2包括有掺杂浓度一致的均匀掺杂层2a和掺杂浓度变化的调制掺杂层2b,调制掺杂层2b设于均匀掺杂层2a和发光层3之间。P型层4的上表面形成有一层透明导电薄膜5，在透明导电薄膜5上设置有P型电极6。

如图2所示，N型层2中的调制掺杂层2b包含若干周期性相间的高浓度掺杂层和低浓度掺杂层，其掺杂浓度通过外延生长时金属有机化学气相沉积设备对于杂质的流量控制，调制掺杂层2b由4个周期组成，每个周期的厚度为50nm，周期性调制掺杂的方式可以是掺杂浓度矩形形式变化或者正弦形式变化。在制作过程中可以根据实际要求改变各层的厚度以及周期数。

上述III族氮化物发光二极管的制造方法具体包括以下步骤：

A、利用金属有机化学气相沉积，在蓝宝石衬底上依次沉积N型层2、发光层3和P型层4；

B、采用光刻和干法刻蚀技术，在半导体外延叠层上选择性刻蚀N型层台面，要求刻蚀到暴露N型层2；

C、采用光刻技术，在N型层台面上刻出N型电极区域，在该区域上蒸镀N型电极7，退火形成欧姆接触；

D、采用光刻技术，在P型层4上刻出P型区域，在该区域表面生成导电薄膜5；

E、在导电薄膜5上刻出P型电极区域，在该区域上蒸镀P型电极6，退火形成欧姆接触。

将III族氮化物发光二极管半导体外延叠层切割，形成独立的发光二极管芯片。

本实施例中，透明导电薄膜可以采用镍金合金氧化物（Oxidzed Ni/Au）、氧化铟锡（ITO）、氧化铝锌（AZO）、氧化锌（ZnO），以及它们的组合物。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例发光二极管的N型层2中的调制掺杂层2b是一浓度的渐变过渡层，由均匀掺杂层的掺杂浓度逐渐下降为低掺杂浓度。掺杂浓度通过外延生长时金属有机化学气相沉积设备对于杂质的流量控制。调制掺杂层2b是厚度为50nm的掺杂线性变化区域，且越靠近发光层3掺杂浓度越小。在制作过程中可以根据实际要求将掺杂方式改变为非线性变化的单调递减形式，且调制掺杂层2b的厚度也可相应改变。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种III族氮化物发光二极管，包括衬底(1)以及层叠于衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下至上依次包括N型层(2)、发光层(3)和P型层(4)，其特征在于，部分半导体外延叠层通过刻蚀，在N型层(2)中形成一N型层台面，该N型层台面上设置N型电极(7)；在P型层(4)未刻蚀部分的上表面设置有P型电极(6)； 所述N型层(2)包括掺杂浓度一致的均匀掺杂层(2a)和掺杂浓度变化的调制掺杂层(2b),调制掺杂层(2b)设于均匀掺杂层(2a)和发光层(3)之间。

2.根据权利要求1所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，所述调制掺杂层(2b)的掺杂方式为周期性掺杂，包含若干周期性相间的高浓度掺杂层（9）和低浓度掺杂层（10），所述周期性掺杂的形式为掺杂浓度矩形形式变化或者正弦形式变化。

3.根据权利要求2所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，周期性掺杂的周期为10nm到50nm，周期数为3-10个。

4.根据权利要求1所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，调制掺杂层(2b)的掺杂方式为渐变过渡掺杂，为线性变化掺杂或者非线性变化掺杂。

5.根据权利要求4所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，渐变过渡掺杂的浓度变化趋势为浓度从下到上递减变化。

6.根据权利要求1所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，所述P型层(4)上表面设有一透明导电薄膜（5），P型电极（6）设置在透明导电薄膜（5）上；透明导电薄膜（5）采用镍金合金氧化物或者氧化铟锡或者氧化铝锌或者氧化锌。

7.根据权利要求1所述的III族氮化物发光二极管，其特征在于，所述衬底(1)由蓝宝石材料形成，所述半导体外延叠层由In_xGa_yAl_1-x-yN材料形成，且0<=x<=1, 0<=y<=1；

所述半导体外延叠层与衬底之间设置有缓冲层（8）。

8.一种III族氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用金属有机化学气相沉积，在蓝宝石衬底上依次沉积N型层（2）、发光层(3)和P型层(4)；

B、采用光刻和干法刻蚀技术，在半导体外延叠层上选择性刻蚀N型层台面，要求刻蚀到暴露N型层(2)；

C、采用光刻技术，在N型层台面上刻出N型电极区域，在该区域上蒸镀N型电极（7），退火形成欧姆接触；

D、采用光刻技术，在P型层（4）上刻出P型区域，在该区域表面生成导电薄膜（5）；

E、在导电薄膜（5）上刻出P型电极区域，在该区域上蒸镀P型电极（6），退火形成欧姆接触。

9.根据权利要求8所述的III族氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤A中，沉积N型层（2）为依次沉积掺杂浓度一致的均匀掺杂层(2a)和掺杂浓度变化的调制掺杂层(2b)。

10.根据权利要求8所述的III族氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤B中，N型层台面刻蚀到暴露均匀掺杂层（2a）。

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