CN102637801A

CN102637801A - 发光二极管

Info

Publication number: CN102637801A
Application number: CN201110416204XA
Authority: CN
Inventors: 樊英民; 王建峰; 刘争晖; 钟海舰; 任国强; 蔡德敏; 徐耿钊; 徐科
Original assignee: Suzhou Nanowin Science And Technology Co ltd; Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Nanowin Science And Technology Co ltd; Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种发光二极管，包括具有第一导电类型的半导体衬底、半导体衬底表面的有源层、以及有源层表面的具有第二导电类型的半导体覆盖层，所述半导体覆盖层与有源层相对的一表面上设置有电极；所述半导体覆盖层表面上的电极包括石墨烯层与金属层，所述石墨烯层设置在金属层与半导体覆盖层之间，用以改善金属层与半导体材料之间的欧姆接触。本发明的优点在于，通过插入石墨烯层，不需要退火或刻蚀等工艺处理即可极大地改变半导体材料的表面电子态，从而减小任意金属或合金与半导体之间接触势垒。

Description

发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种发光二极管。

背景技术

基于GaN材料的LED发光二极管器件目前已广泛应用于生产和生活中，其主要用于发出蓝光和绿光。基于GaN材料的LED发光二极管器件通常采用包含N型掺杂GaN、InGaN量子阱和P型掺杂GaN，在两端加偏压后，P型掺杂GaN提供空穴载流子，N型掺杂GaN提供电子载流子，电子和空穴反向流动，在InGaN量子阱中发生复合，从而发出一定波长的光。在影响器件发光效率的诸多因素中，用于加电压的两端金属电极与P型和N型掺杂GaN应尽可能形成良好的欧姆接触，减小接触电阻造成的能量损耗。

决定金属与半导体之间能否形成良好欧姆接触的主要因素包括半导体的掺杂类型、金属与半导体的功函数差别、金属和半导体之间的界面电子态。由于P性掺杂和N型掺杂GaN的载流子类型不同，所以所选用的金属电极材料和形成欧姆接触的工艺是非常不相同的。根据半导体器件理论，对于N型掺杂GaN，则要求功函数低于N型掺杂GaN的金属材料才能与其直接形成欧姆接触，否则会存在较高肖特基势垒，通常N型掺杂GaN的功函数约4.3eV，即需采用功函数低于4.3eV的金属；对于P型掺杂GaN，只有功函数高于P型掺杂GaN的金属材料才能与其直接形成欧姆接触，通常P型掺杂GaN的功函数大于7eV，即需采用功函数大于7eV的金属。可见如果直接采用金属材料与GaN接触，与P型和N型掺杂GaN能形成欧姆接触的金属材料必须是完全不同的金属材料，也对应完全不同的工艺条件。

在现有的LED器件结构和工艺中，对于N型GaN，通常采用铟（In），铝（Al），钛（Ti），钨（W）等金属及其合金材料，例如，在GaN薄膜表面依次沉积Ti/Al或Al/Ti这样的双层金属结构，然后在氮气气氛下快速退火；而对于P型GaN，由于根本不存在功函数大于7eV的金属，其欧姆接触的难度非常大，目前用于连接P型GaN的电极材料通常为Ni/Au，并配合在700℃下的快速退火等工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种发光二极管，能够改善发光二极管的金属电极与半导体层之间的欧姆接触性质，从而提高发光二极管的发光效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管，包括具有第一导电类型的半导体衬底、半导体衬底表面的有源层、以及有源层表面的具有第二导电类型的半导体覆盖层，所述半导体覆盖层与有源层相对的一表面上设置有电极；所述半导体覆盖层表面上的电极包括石墨烯层与金属层，所述石墨烯层设置在金属层与半导体覆盖层之间，用以改善金属层与半导体材料之间的欧姆接触。

石墨烯是由碳原子组成的仅包含一个或多个单原子层的极薄层材料，是一种零带隙、半金属二维材料，具有优良的光学、电学和力学性能，热力学稳定性也非常好。

本发明的实现原理如图1所示。图1以n型掺杂半导体为例，比较了普通金属和石墨烯分别与其形成的接触的不同性质：

图1中的(a)与（b）是普通金属与半导体之间的接触：（a）为接触之前的能带示意图，这时半导体功函数W_s与金属功函数W_m存在一定差异；（b）为n型半导体与金属直接接触后的能带示意图。由于半导体费米面高于金属费米面，电子载流子从半导体流向金属产生空间电荷区。由于金属在费米面附近具有很高的载流子浓度和抛物线型的能带结构（如(a)右侧方框中所示），金属的费米面基本保持不变，而空间电荷区集中于半导体一侧，使得半导体在界面附近的能带产生弯曲，形成一个较高的接触势垒，最终使得两者费米面相平。该接触势垒的高度qV_D等于两者功函数之差，是决定金属与半导体接触电阻的关键因素。

与上述结果相比较，图1的（c）与（d）分别是n型半导体与石墨烯接触前后的能带图。对于石墨烯这一新型材料，虽然其具有同金属相似的载流子浓度（可达10²³~10²⁶cm^-3），远高于半导体内的载流子浓度（10¹⁷~10²¹cm^-3），具有金属性，但是它与普通金属的本质区别在于：普通金属在费米面具有很高的态密度和类抛物面的能带结构，因此少量电子的转移不会引起其费米面的移动，而石墨烯的能带结构在费米面附近呈线性关系，且带隙为零（如（c）右侧方框中所示），因此少量电子向石墨烯发生迁移，对能带进行填充，就会引起其功函数的迅速变化：石墨烯功函数可随电子的移入而降低，随电子的流出而升高。如 (d)所示，当半导体与石墨烯接触时，无论半导体功函数与石墨烯功函数间存在多大的差异，在经过少量电子迁移后，石墨烯的费米能级可以自适应地与半导体实现匹配，这使得半导体内的净电荷数量和空间电荷区的宽度远小于相同功函数的金属形成的接触，从而使得半导体能带只产生少量弯曲，形成较低的接触势垒，大大减小接触电阻。

虽然图1的示例为n型接触的情形，但p型半导体与石墨烯的接触情况与其基本一致。由于p型半导体的功函数比石墨烯高，因此向石墨烯转移的是空穴载流子，同样转移少量载流子就可使得石墨烯的费米面降低（功函数升高），从而与半导体费米面匹配，从而产生接触电阻减小的效果。

本发明的优点在于，通过插入石墨烯层，不需要退火或刻蚀等工艺处理即可极大地改变半导体材料的表面电子态，从而减小任意金属或合金与半导体之间接触势垒，降低开启电压。因此可以在LED器件中通过插入石墨烯中间连接层，从而采用相同的金属材料和处理工艺，而不影响器件性能，这对于简化对应的LED发光二极管器件加工工艺有重要的应用价值。

附图说明

附图1是本发明实现原理的能带图。

附图2所示是本具体实施方式所述LED的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的发光二极管具体实施方式做详细说明。

附图2所示是本具体实施方式所述LED的结构示意图，依次包括n型GaN层衬底1、多周期量子阱有源层2、p型GaN半导体层3、石墨烯层4、金属层5、以及n型GaN的电极6。所述p型GaN半导体层3在远离多周期量子阱有源层2的表面上设置有电极，该电极包括了石墨烯层4和金属层5。所述石墨烯层4设置在金属层5与p型GaN半导体层3之间，用以改善金属层4与p型GaN半导体层3之间的欧姆接触，降低接触电阻，从而提高LED的发光效率。

在另一具体实施方式中，n型GaN层衬底1和p型GaN半导体层3的导电类型可以互换。所述n型GaN层衬底1和p型GaN半导体层3的材料除本具体实施方式所述之GaN之外，还可以选自于III-V族化合物、II-VI族化合物以及IV族化合物以及单质半导体中的一种，尤其可以是宽禁带半导体材料，例如可以是GaN、AlN、ZnO、SiC和ZnTe及其合金中的一种。

所述石墨烯层4的材料选自于单原子层石墨烯和多原子层石墨烯中的一种，所述多层石墨烯的层数范围可以是2至100层。所述石墨烯为未经p型或n型掺杂或表面修饰的石墨烯。

所述金属层5的材料选自于金、银、铂、镍、铜、钴、钯和铝中的一种。金属层5是一高反射率层，以确保有源层2发出的光从n型GaN层衬底1一侧出射。

由于在金属层7和p型GaN半导体层3之间插入了石墨烯层4，改善了金半的欧姆接触性质，改善了金半接触的能带状态，可广泛适用于不同功函数的金属和不同掺杂类型及掺杂浓度的半导体，降低了接触能带的势垒，从而起到降低接触电阻的作用。电极与半导体层之间接触电阻的降低有利于进一步改善发光二极管的串联电阻，从而提高了发光二极管的发光效率。

上述结构可以采用如下方法制备。

方法一：

步骤11：在自支撑N型GaN 衬底上使用MOCVD技术生长多个周期的量子阱有源区和P型GaN层。

步骤12：用化学气相沉积的方法在金属衬底上生长石墨烯薄膜，将带有生长衬底的石墨烯置于可腐蚀所用金属衬底的溶液中，使石墨烯与衬底分离，漂浮于液面上。

步骤13：将步骤11得到的外延层从步骤12中的溶液中捞起漂浮的石墨烯，实现将石墨烯转移到型GaN层表面。

步骤14：在覆盖有石墨烯层外延片表面溅射沉积一定厚度的金属膜，此处可选用具有高反射率的银膜。

步骤15：将得到的芯片键合到支撑层上。

步骤16：在N型GaN层上制作电极。

方法二：

步骤21：在自支撑N型GaN 衬底上使用MOCVD技术生长多个周期的量子阱有源区和P型GaN层。

步骤22：用化学气相沉积的方法在金属衬底上生长石墨烯薄膜。该金属衬底是沉积在Si片或其他具有良好力学性能的材料，为支撑层。

步骤23：将步骤21得到的外延片的P型氮化镓层直接与石墨烯接触，并且使用绝缘粘合材料在不影响导电和透光的条件下将GaN层和带有衬底的石墨烯固定在一起。

步骤24：在N型GaN层上制作电极。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种发光二极管，包括具有第一导电类型的半导体衬底、半导体衬底表面的有源层、以及有源层表面的具有第二导电类型的半导体覆盖层，所述半导体覆盖层与有源层相对的一表面上设置有电极；其特征在于，所述半导体覆盖层表面上的电极包括石墨烯层与金属层，所述石墨烯层设置在金属层与半导体覆盖层之间，用以改善金属层与半导体材料之间的欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述半导体衬底和半导体覆盖层的材料相同，选自于III-V族化合物、II-VI族化合物以及IV族化合物以及单质半导体中的一种。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述半导体衬底和半导体覆盖层的材料选自于GaN、AlN、ZnO、SiC、ZnTe及其合金中的一种。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述石墨烯层的材料选自于单原子层石墨烯和多原子层石墨烯中的一种。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述石墨烯为未经p型或n型掺杂，或未经表面修饰的石墨烯。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属层的材料选自于金、银、铂、镍、铜、钴、钯和铝中的一种。