CN102522468B - 具有良好n型欧姆接触的发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管及其制作方法。在本发明中，发光二极管，在发光外延层的n侧上形成一电子浓度达1×10¹⁸cm^-3以上的高掺杂n型欧姆接触缓冲层，当去除生长衬底时，露出表面的n型欧姆接触缓冲层，其为低能隙、非氮极性面N型GaN基材料，n型欧姆接触电极制作在该n型欧姆接触缓冲层上，可沿用Ti/Al欧姆接触电极，因此可以完全避开氮极性面欧姆接触的问题，且可保证薄膜GaN基发光器件具有较低的工作电压。

Description

具有良好n型欧姆接触的发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管其及制作方法，特别是涉及一种具有良好n型欧姆接触的的垂直结构发光二级管及其制造方法。    

背景技术

近年来，为了提高氮化镓基发光二极管的发光效率，发展了衬底转移技术，例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除；或者在SiC或者Si衬底上沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把SiC或者Si衬底用化学腐蚀方法去除。这样一方面可以通过在外延薄膜和基板之间加一个反射层，另一方面由于氮极性面的GaN上容易通过光化学腐蚀方法获取粗糙的出光面，以上两方面使薄膜GaN芯片具有更高的出光效率，同时转移后的基板具有优良的导热特性，因此转移到散热基板上的GaN基薄膜芯片在大电流应用上具有较大的优势。

然而，去除生长衬底后暴露的GaN薄膜表面一般为氮极性面，而氮极性面的欧姆接触特性与镓极性面不同，例如镓极性面的N型GaN的欧姆接触电极一般采用Ti/Al欧姆接触电极，而氮极性面的N型GaN的接触电极若仍然采用Ti/Al电极，则在初始时间，Ti/Al与N型GaN呈现出比镓极性面更优的欧姆接触特性，但经过150度左右的温度后，其接触特性即劣化为肖特基接触，表现为其正向工作电压升高，严重制约了薄膜GaN芯片的光效。关于其形成原因的探讨较具有代表性的有：Hyunsoo Kim等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 192105, 2008)认为是氮空位与表面镓空位以及C、O原子反应导致表面氮空位减少；Ho Won Jang等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 182108, 2009)认为是体内的氮原子向表面扩散补偿了氮空位导致表面氮空位减少。目前为止，此两个研究团队亦未提出在氮极性面上制作N型GaN欧姆接触电极的有效方法。Philips Lumileds Lighting Company 推出的薄膜倒装(TFFC)发光二极管，其N型欧姆接触电极仍然制作在镓极性面N型GaN上，即可以继续沿用Ti/Al欧姆接触电极，因此TFFC的一个显着优点是可以完全避开上述讨论氮极性面的问题，但因薄膜上P、N电极需要分别黏结在基板上对应的正负电极区域，因此对芯片倒装技术要求较高；另外为了避免激光剥离蓝宝石衬底时薄膜破裂，需要保证薄膜表面在激光剥离蓝宝石瞬间承受均匀的冲击力，因此在激光剥离蓝宝石衬底前需要在薄膜与倒装粘结基板之间填充介质，填充的一致性较难控制，器件成品率可能因此受影响。

发明内容

为了解决现在的技术方问题，本发明提出了一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管其及制作方法，以克服现有垂直式氮化镓基垂直发光二极管存在的因氮面n型GaN基半导体层上欧姆接触电极易受温度裂化导致薄膜GaN基发光器件电压可靠性问题。

根据本发明的第一方面，一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构的制造方法，包括以下步骤：提供一生长衬底；在生长衬底上形成一掺杂n型欧姆接触缓冲层，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；在n型欧姆接触缓冲层上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括：n型半导体层 、活性层、p型半导体层。

所述n型欧姆接触缓冲层通过外延生长形成，其材料为Al_cIn_dGa_1-c-dN，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

根据本发明的第二个方面，一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构，包括：生长衬底；掺杂n型欧姆接触缓冲层，位于该生长衬底之上，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；发光外延层，形成于n型欧姆接触缓冲层之上，其自下而上包含n型半导体层、活性层、P型半导体层。

所述n型欧姆接触缓冲层由Al_cIn_dGa_1-c-dN构成，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

所述n型欧姆接触缓冲层为硅掺杂氮化物，其掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。

根据本发明的第三个方面，一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管芯片的制作方法，包括以下步骤：提供一生长衬底；在生长衬底上形成一掺杂n型欧姆接触缓冲层，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；在n型欧姆接触缓冲层上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括：n型半导体层 、活性层、p型半导体层；提供一导电基板，将发光外延层与导电基板连结；剥离生长衬底，露出n型欧姆接触缓冲层表面；在导电基板上形成第一电极，在n型欧姆接触缓冲层表面之上形成第二电极。

所述n型欧姆接触缓冲层通过低温外延生长形成，其材料为Al_cIn_dGa_1-c-dN，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

根据本发明的第四个方面，一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管芯片，包括：导电基板，其具有正、反两表面；发光外延层，位于导电基板正表面之上，其至上而下包含n型半导体层，活性层，p型半导体层; 掺杂n型欧姆接触缓冲层，位于n型半导体层之上，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；第二电极，位于n型欧姆接触缓冲层之上；第一电极，位于导电基板反表面之上。

所述n型欧姆接触缓冲层由Al_cIn_dGa_1-c-dN构成，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

所述n型欧姆接触缓冲层为硅掺杂氮化物，其掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。

在氮化镓基发光二极管中，将发光外延层生长在高电子浓度的n型欧姆接触缓冲层上，当去除生长衬底时，露出表面的n型欧姆接触缓冲层，其为低能隙、非氮极性面N型GaN基材料，n型欧姆接触电极制作在该n型欧姆接触缓冲层上，沿用Ti/Al欧姆接触电极，可以避开氮极性面欧姆接触的问题，且可保证薄膜GaN发光器件具有较低的工作电压。

进一步地，n型欧姆接触缓冲层作为初始的成核层，且高掺杂、低温成长，故其晶格松散、原子间的键结强度较弱，因此利于激光剥离工艺或湿法腐蚀工艺，明显地减少因激光剥离艺在生长衬底和LED薄膜界面产生的瞬态高温和机械分离过程中产生的巨大应力和冲击力，不会增加LED外延层的结构缺陷，对内量子效率的负面影响大大的减低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领 域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1是根据本发明实施的一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构示意图。

图2是根据本发明实施的一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管芯片的剖面示意图。

图3是本发明优选实施例的正向工作电压的曲线图。

图4是本发明优选实施例的老化后的正向工作电压的曲线图。

图5是本发明优选实施例的发光输出功率的曲线图。

主要组件符号说明：

101. 外延生长衬底

102. n型欧姆接触缓冲层

103. n型GaN层

104. 活性层

105. 电子阻挡层

106. p型GaN层

201. p面反光镜和欧姆电极层

202. p面金属扩散阻挡层和键合层

203.导电基板

204.第二电极金属层

205.第一电极金属层。

具体实施方式

下面结合附图和优选的具体实施例对本发明做进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，可对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。

图1是为本发明实施的一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构示意图。

如图1所示，一种具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构，包括：外延生长衬底101，n型欧姆接触缓冲层102形成于外延生长衬底101之上，n型GaN基半导体层103形成于n型欧姆接触缓冲层102之上，活性层104形成于n型GaN基半导体层103之上，p型GaN基半导体层106形成于活性层104之上。

其中，外延生长衬底101的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其晶向包括但不限于0001等极化、半极化和非极化方向，其表面结构可为平面结构或经特别处理的图形化表面。

n型欧姆接触缓冲层102由特定组成、能隙小于或等于3.4eV的氮化铝铟镓Al_cIn_dGa_1-c-dN层所构成其0≦c<1，0≦d<1，c+d<1；膜厚介于10埃～5000埃之间。在n型欧姆接触缓冲层102中掺有硅杂质，硅的浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3，使得n型欧姆接触缓冲层102的电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3，其外表面为非氮极性面。在允许的范围内，n型欧姆接触缓冲层102的电子浓度的越高，对于后续形成垂直结构的发光二极管芯片时，越有利于在该n型欧姆接触缓冲层102外侧表面制作电极结构。

n型GaN基半导体层103的膜厚为20000埃～40000埃；活性层104为多量子阱结构，以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层，其中阱层的膜厚为18埃～30埃，势垒层的膜厚为80埃～200埃；p型GaN基半导体层106的膜厚为1000埃～3000埃间；可在p型GaN基半导体层106与活性层104间插入一由掺杂了Mg的氮化铝铟镓层作为电子阻挡层105，其膜厚为100埃～600埃。

图2为根据图1所示的发光二极管外延结构制作而成的垂直式发光二极管芯片。

如图2所示，具有良好n型欧姆接触的发光二极芯片，包括：导电基板203；发光外延层通过金属键合层202倒装焊接在导电基板的正面上，发光外延层为图1中所示的发光二极管外延结构去除生长衬底后的结构，其至上而下为p型GaN基半导体层、电子阻挡层105、活性层104、n型GaN基半导体层103、n型欧姆接触缓冲层102；第二电极金属层204形成于n型欧姆接触缓冲层102之上，第一电极金属层205形成于导电基板203的背面上。为了提高取光效率，可在p型GaN基半导体层与导电基板之间加入p面反光镜和欧姆电极层201，在金属键合层202中加入p面金属扩散阻挡层。由于第二电极金属层204制作在高掺杂的n型欧姆接触缓冲层102上，避免了传统的垂直式氮化镓基发光二极管芯片中，在n型GaN基半导体层的氮极性面上制作的Ti/Al欧姆接触电极遇150℃后其接触特性即劣化为肖特基接触的问题。

前述图1所示的发光二极管的外延结构和图2所示的发光二极管芯片通过下面工艺完成。

步骤一：提供外延生长衬底101，在生长衬底的表面上低温外延生长一掺杂的n型欧姆接触缓冲层102，其电子浓度为大于或等于1×10¹⁸cm^-3，能隙小于或等于3.4eV。n型欧姆接触缓冲层102可选用掺硅的Al_cIn_dGa_1-c-dN，（0≦c<1，0≦d<1，c+d<1），厚度为10埃～5000埃，其硅的掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。为了取得更佳的n型欧姆接触，可适当提高电子浓度，如其浓度可高于或等于1×10²⁰cm^-3。当n型欧姆接触缓冲层102选择GaN，其生长温度可为500~600℃。

步骤二：在n型欧姆接触缓冲层102上外延生长发光外延层，形成外延结构。发光外延层至下而上至少包括：n型GaN基半导体层103 、活性层104、p型半导体层106。n型GaN基半导体层103的膜厚为20000埃～40000埃；活性层104为多量子阱结构，以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层，其中阱层的膜厚为18埃～30埃，势垒层的膜厚为80埃～200埃；p型GaN基半导体层106的膜厚为1000埃～3000埃间；为了提交发光层的内部效应，可在p型GaN基半导体层106与活性层104间插入一由掺杂了Mg的氮化铝铟镓层作为电子阻挡层105，其膜厚为100埃～600埃。

步骤三：定义芯片的尺寸，通过干法蚀刻工艺对上述完成外延片进行台面蚀刻，完成外延片的芯片级分离。蚀刻深度至少透过外延层薄膜，至外延生长衬底101表面。

步骤四：提供一导电基板203，将发光外延层与导电基板203连结。分别在p型GaN基半导体层106、导电基板203上形成金属键合层202，采用金属键合工艺将发光外延层与导电基板203连结在一起。为了提高芯片的取光效率，可在p型GaN基半导体层106上制作p面反光镜和欧姆电极层201，在在金属键合层202中加入p面金属扩散阻挡层。

步骤五：剥离生长衬底101。采用剥离、研磨或湿法腐蚀，将外延生长衬底101去除，外延生长衬底和LED薄膜分开，LED薄膜留在反转基板上露出n型欧姆接触缓冲层102表面。

步骤六：在导电基板上形成下电极金属层205，在n型欧姆接触缓冲层表面之上形成n面电极金属层204，完成垂直结构LED的制作。

在本发明的优选实施例中，按表1所示那样设定各半导体层的膜厚。

 表一

图3、图4、图5示出了它的评价结果。

如图3所示的本发明实施例的各样品的正向工作电压的曲线图,本发明的氮化物垂直结构发光二级管样品的正向工作电压低于传统工艺的氮化物垂直结构发光二级管样品。

如图4所示的本发明实施例的各样品的老化后的正向工作电压的曲线图, 本发明的氮化物垂直结构发光二级管样品的老化后的正向工作电压的可靠性明显优于传统工艺的氮化物垂直结构发光二级管样品。

如图5所示的本发明实施例的各样品的发光输出功率的曲线图,本发明的氮化物垂直结构发光二级管样品的发光输出功率高于传统工艺的氮化物垂直结构发光二级管样品。

Claims (18)

1.具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构的制造方法，包括以下步骤：

提供一生长衬底；

在生长衬底上形成一掺杂n型欧姆接触缓冲层，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；

在n型欧姆接触缓冲层上外延生长发光外延层，其自下而上至少包括：n型半导体层、活性层、p型半导体层； 

所述形成的n型欧姆接触缓冲层与生长衬底直接接触的表面呈非氮极性，用于制作电极。

2.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层通过外延生长形成，其材料为Al_cIn_dGa_1-c-dN，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

4.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

5.具有良好n型欧姆接触的发光二极管外延结构，包括：

一生长衬底；

一掺杂n型欧姆接触缓冲层，位于该生长衬底之上，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；

一发光外延层，形成于n型欧姆接触缓冲层之上，其自下而上包含n型半导体层、活性层、p型半导体层；

所述n型欧姆接触缓冲层与生长衬底直接接触的表面呈非氮极性，用于制作电极。

6.根据权利要求5所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层由Al_cIn_dGa_1-c-dN构成，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

7.根据权利要求5或6所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

8.根据权利要求5所述的发光二极管外延结构，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

9.根据权利要求5所述的发光二极管外延结构，其特征在于：n型欧姆接触缓冲层为硅掺杂氮化物，其掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。

10.具有良好n型欧姆接触的发光二极管芯片的制作方法，包括以下步骤：

提供一生长衬底；

在生长衬底上形成一掺杂n型欧姆接触缓冲层，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3；

在n型欧姆接触缓冲层上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括：n型半导体层 、活性层、p型半导体层；

提供一导电基板，将发光外延层与导电基板连结；

剥离生长衬底，露出n型欧姆接触缓冲层表面，其呈非氮极性；

在导电基板上形成第一电极，在n型欧姆接触缓冲层表面之上形成第二电极。

11.根据权利要求10所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层通过外延生长形成，其材料为Al_cIn_dGa_1-c-dN，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

12.根据权利要求10或11所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

13.根据权利要求10所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

14.具有良好n型欧姆接触的发光二极管芯片，包括：

一导电基板，其具有正、反两表面；

一发光外延层，位于导电基板正表面之上，其至上而下包含n型半导体层，活性层，p型半导体层；

一掺杂n型欧姆接触缓冲层，位于n型半导体层之上，其电子浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3，表面呈非氮极性；

一第一电极，位于导电基板反表面之上；

一第二电极，位于n型欧姆接触缓冲层之上。

15.根据权利要求14所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层由Al_cIn_dGa_1-c-dN构成，其中0≦c<1，0≦d<1，c+d<1。

16.根据权利要求14或15所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的能隙小于或等于3.4eV。

17.根据权利要求14所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层的厚度为10埃～5000埃。

18.根据权利要求14所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述n型欧姆接触缓冲层为硅掺杂氮化物，其掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。