CN102709423B - 一种具有电荷输运限制的高压发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种具有电荷输运限制的高压发光二极管及其制备工艺，属于半导体光电子器件领域。其高压发光二极管的主要结构依次包括：电极、接触层、有源区、隔离槽、未掺杂电流限制层、反型防护层组成的LED结构。该结构是：利用ICP刻蚀隔离槽的方法，将LED独立绝缘开来，通过第二接触层、未掺杂电流限制层、反型防护层形成载流子输运限制结构，限制其在工作时处于反向状态，最后溅射金属进行串联，形成发光二极管阵列。本发明取代原有的刻蚀至衬底的方法，大大降低了隔离槽的深度，解决了绝缘层良好包覆在隔离槽侧壁的问题，使器件的制备不必采用深刻蚀工艺。同时该结构对器件提供静电保护，提高了器件的可靠性。

Description

一种具有电荷输运限制的高压发光二极管

技术领域

本发明涉及一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，属于半导体光电子器件领域。

技术背景

近几年由于技术与效率的进步，LED应用越来越广。随着LED应用的升级，市场对于LED的需求朝向更大功率及更高亮度，即高功率LED方向发展。对于实现高功率LED，目前高压发光二极管的设计成为解决方案之一。高压发光二极管的关键技术第一在于深隔离槽，隔离槽的深度依不同外延结构而异，但需要刻蚀至衬底，目的在于将复数颗的晶胞独立开来，因此需要开发深刻蚀的制程技术。第二为绝缘层，若绝缘层不具备良好的绝缘特性，将使整个设计失败，其困难点在于必须在深隔离槽的侧壁上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的磨层，而常规高压LED隔离槽的深度限制了绝缘层能够很好的包覆在侧壁上。针对第二个难点，有人提出了在侧壁增加一个台阶的方法，这样有助于绝缘层更好的包覆，但是这种方法同时增加了工艺的复杂性，需要在原来的基础上增加一步光刻工艺，而且可能会引入其他问题，对整个器件造成影响。因此，该方法并不能从根本上解决问题，要解决以上两个难题，还需从解决深隔离槽方面入手。

发明内容

为解决常规高压发光二极管制程技术中存在的难点，本发明提供一种具有电荷输运限制的高压发光二极管结构和制备工艺，从而达到同时解决上述两个关键技术的目的。

一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，外延片依次包括有第一接触层2、第一限制层3、有源区4、第二限制层5、第二接触层6、未掺杂电流限制层9、反型防护层10、缓冲层11、衬底12；在上述外延片上刻蚀有隔离槽8；隔离槽8的最深端刻蚀至未掺杂电流限制层9内，隔离槽8台阶的最浅端刻蚀至第二接触层6内，隔离槽8内的未掺杂电流限制层9与第二接触层6之间构成台阶，在所述的台阶上淀积有金属连接层7，金属连接层7均连接到与该台阶的最深端相邻的第一接触层2上的绝缘隔离层13上；在所述隔离槽8的侧壁及隔离槽8中的未掺杂电流限制层9上设置有绝缘隔离层。所述的外延片最左端的第一接触层上焊接有第一电极1；所述的外延片最右端的第二接触层上焊接有第二电极15；反型防护层10的导电类型与第二接触层相反，第二接触层6、未掺杂电流限制层9以及反型防护层10相串联构成载流子输运限制结构14。

有源区4材料为GaN系或GaAs系材料。

包括第二接触层6、未掺杂电流限制层9以及反型防护层10的载流子输运限制结构14的导电类型顺序为P/I/N，或者为N/I/P。

绝缘隔离层13的材料为SiO2、或SiNx。

未掺杂电流限制层9材料为本征的InGaN/GaN、AlInP/AlGaInP。

反型防护层10材料为GaN或AlInP。

所述载流子输运限制结构与发光二极管反向相接，发光二极管正向导通时，载流子输运限制结构反向截止。

与常规发光二极管制成发光二极管阵列相比，本发明采用载流子输运结构，利用发光二极管的单向导通性质，该限制结构在器件正常工作时处于反向状态，载流子不能通过，起到隔离多个独立LED的作用，取代原有的刻蚀至衬底的方法，大大降低了隔离槽的深度，解决了绝缘层良好包覆在隔离槽侧壁的问题，使器件的制备不必采用深刻蚀工艺。同时该结构对器件提供静电保护，提高了器件的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图1为常规的高压发光二极管结构示意图。

附图2为本发明具有电荷输运限制的高压发光二极管结构示意图。

附图3为常规的发光二极管阵列隔离槽结构示意图。

附图4为本发明具有电荷输运限制的发光二极管阵列隔离槽结构示意图。

附图5为本发明第一步ICP刻蚀至第二接触层的示意图。

附图6为本发明第二步ICP刻蚀至未掺杂电流限制层的示意图。

附图7为本发明淀积绝缘隔离层后的示意图。

附图8为本发明多个LED串联形成高压发光二极管的示意图。

附图9为本发明制备电极后最终工艺形成后的示意图。

图中：1、第一电极；2、第一接触层；3、第一限制层；4、有源区；5、第二限制层；6、第二接触层；7、金属连接层；8、隔离槽；9、未掺杂电流限制层；10、反型防护层；11、缓冲层；12、衬底；13、绝缘隔离层；14、载流子输运限制结构；15、第二电极；16、隔离槽深度区；17、LED。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：

实施例1

制备方法参照附图3-9，以GaN作为外延层材料，导电类型为P/I/N/N/I/P，SiO2作为绝缘材料为例，该器件由以下各部分组成：p-GaN,p-AlGaN,InGaN,n-AlGaN,n-GaN,InGaN,p-GaN,InGaN/GaN,蓝宝石。

如2所示的结构，其中：1是第一电极，材料是Ni/Au；2是第一接触层，材料是p-GaN；3是第一限制层；材料是p-AlGaN；4是有源区，材料是InGaN；5是第二限制层，材料是n-AlGaN；6是第二接触层，材料是n-GaN；7是金属连接层，材料是Ti/Al/Ti/Au；8是隔离槽；9是未掺杂电流限制层，材料是InGaN；10是反型防护层，材料是p-GaN；11是缓冲层，材料是InGaN/GaN；12是衬底，材料是蓝宝石；13是绝缘隔离层，材料是SiO2；15是第二电极，材料是Ti/Au；16是隔离槽深度区；17是LED。

其制备过程如下：

1.将蓝宝石上外延生长P-I-N-N-I-P型的外延层，并进行表面清洗处理

2.第一步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至第二接触层（6），n-GaN，参照图5

3.第二步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至未掺杂电流限制层（9），InGaN，参照图6

4.淀积绝缘材料SiO2，包覆侧壁，参照图7

5.溅射金属，将与台阶最深端相邻的p-GaN和台阶最浅端的n-GaN相连接，参照图8

6.制备P型电极Ni/Au和N型电极Ti/Al,多个独立LED串联，形成高压发光二极管，最终工艺示意图，参照图9

实施例2

制备方法参照附图3-9，以GaAs作为外延层材料，导电类型为P/I/N/N/I/P，SiNx作为绝缘隔离层材料为例，该器件由以下各部分组成：p-AlGaInP（Mg）,p-AlGaInP（Mg）,AlGaInP,n-AlGaInP（Si）,n-GaInP（Si）,AlGaInP,p-AlGaInP（Mg）,GaAs buffer，GaAs。

如2所示的结构，其中，1是第一电极，材料是Ni/Au；2是第一接触层，材料是p-AlGaInP（Mg）；3是第一限制层；材料是p-AlGaInP（Mg）；4是有源区，材料是AlGaInP；5是第二限制层，材料是n-AlGaInP（Si）；6是第二接触层，材料是n-GaInP（Si）；7是金属连接层，材料是Ti/Al/Ti/Au；8是隔离槽；9是未掺杂电流限制层，材料是AlGaInP；10是反型防护层，材料是p-AlGaInP（Mg）；11是缓冲层，材料是GaAs；12是衬底，材料是GaAs；13是绝缘隔离层，材料是SiNx；15是第二电极，材料是Ti/Au；16是隔离槽深度区；17是LED。

其制备过程如下：

1.将GaAs上外延生长P-I-N-N-I-P型的外延层，并进行表面清洗处理

2.第一步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至第二接触层（6），n-GaInP（Si）

3.第二步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至未掺杂电流限制层（9），AlGaInP

4.淀积绝缘材料SiNx，包覆侧壁

5.溅射金属，将与台阶最深端相邻的p-AlGaInP（Mg）和台阶最浅端的n-AlGaInP(Si)相连接

6.制备P型电极Ni/Au和N型电极Ti/Al,，多个独立LED串联，形成高压发光二极管

实施例3：

制备方法参照附图3-9，以GaAs作为外延层材料，导电类型为N-I-P-P-I-N，SiO2作为绝缘材料为例，该器件由以下各部分组成：n-GaInP(Si),n-AlGaInP(Si),AlGaInP,p-AlGaInP（Mg），p-AlGaInP（Mg），AlGaInP,n-AlGaInP(Si),GaAs buffer,GaAs。

如2所示的结构，其中，1是第一电极，材料是Ti/Au；2是第一接触层，材料是n-GaInP(Si)；3是第一限制层；材料是n-AlGaInP(Si)；4是有源区，材料是AlGaInP；5是第二限制层，材料是p-AlGaInP（Mg）；6是第二接触层，材料是p-AlGaInP（Mg）；7是金属连接层，材料是Ti/Al/Ti/Au；8是隔离槽；9是未掺杂电流限制层，材料是AlGaInP；10是反型防护层，材料是n-AlGaInP(Si)；11是缓冲层，材料是GaAs；12是衬底，材料是GaAs；13是绝缘隔离层，材料是SiO2；15是第二电极，材料是Ni/Au；16是隔离槽深度区；17是LED。

其制备过程如下：

1.将GaAs上外延生长N-I-P-P-I-N型的外延层，并进行表面清洗处理

2.第一步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至第二接触层（6），p-AlGaInP(Mg)

3.第二步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至未掺杂电流限制层（9），AlGaInP

4.淀积绝缘材料SiO2，包覆侧壁

5.溅射金属，将与台阶最深端相邻的n-AlGaInP(Si)和台阶最浅端的p-AlGaInP（Mg）相连接

6.制备n型电极Ti/Al和p型电极Ni/Au,多个独立LED串联，形成发光二极管阵列

实施例4：

制备方法参照附图3-9，以GaN作为外延层材料，导电类型为N/I/P/P/I/N,SiNx作为绝缘材料为例，该器件由以下各部分组成：n-GaN,n-InGaN,InGaN,p-AlGaN,p-GaN,InGaN,n-GaN,InGaN/GaN,蓝宝石。

如2所示的结构，其中：1是第一电极，材料是Ti/Au；2是第一接触层，材料是n-GaN；3是第一限制层；材料是n-InGaN；4是有源区，材料是InGaN；5是第二限制层，材料是p-AlGaN；6是第二接触层，材料是p-GaN；7是金属连接层，材料是Ti/Al/Ti/Au；8是隔离槽；9是未掺杂电流限制层，材料是InGaN；10是反型防护层，材料是n-GaN；11是缓冲层，材料是InGaN/GaN；12是衬底，材料是蓝宝石；13是绝缘隔离层，材料是SiNx；15是第二电极，材料是Ni/Au；16是隔离槽深度区；17是LED。

其制备过程如下：

7.将蓝宝石上外延生长N-I-P-P-I-N型的外延层，并进行表面清洗处理

8.第一步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至第二接触层（6），p-GaN，参照图5

9.第二步刻蚀，利用ICP刻蚀的方法，刻蚀至未掺杂电流限制层（9），InGaN，参照图6

10.淀积绝缘材料SiNx，包覆侧壁，参照图7

11.溅射金属，将与台阶最深端相邻的n-GaN和台阶最浅端的p-GaN相连接，参照图8

12.制备P型电极Ni/Au和N型电极Ti/Al,多个独立LED串联，形成高压发光二极管，最终工艺示意图，参照图9

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；既凡依本发明的权利要求范围所作的等同变换，均为本发明的保护范围所覆盖。

Claims (6)

1.一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征在于：外延片依次包括有第一接触层(2)、第一限制层(3)、有源区(4)、第二限制层(5)、第二接触层(6)、未掺杂电流限制层(9)、反型防护层(10)、缓冲层(11)、衬底(12)；在上述外延片上刻蚀有隔离槽(8)；隔离槽(8)的最深端刻蚀至未掺杂电流限制层(9)内，隔离槽(8)台阶的最浅端刻蚀至第二接触层(6)内，隔离槽(8)内的未掺杂电流限制层(9)与第二接触层(6)之间构成台阶，在所述的台阶上淀积有金属连接层(7)，金属连接层(7)均连接到与该台阶的最深端相邻的第一接触层(2)上的绝缘隔离层(13)上；在所述隔离槽(8)的侧壁及隔离槽(8)中的未掺杂电流限制层(9)上设置有绝缘隔离层；所述的外延片最左端的第一接触层上焊接有第一电极(1)；所述的外延片最右端的第二接触层上焊接有第二电极(15)；反型防护层(10)的导电类型与第二接触层相反，第二接触层(6)、未掺杂电流限制层(9)以及反型防护层(10)相串联构成载流子输运限制结构(14)。

2.如权利要求1所述的一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征为，有源区(4)材料为GaN系或GaAs系材料。

3.如权利要求1所述的一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征为，包括第二接触层(6)、未掺杂电流限制层(9)以及反型防护层(10)的载流子输运限制结构(14)的导电类型顺序为P/I/N，或者为N/I/P。

4.如权利要求1所述的一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征为，绝缘隔离层(13)的材料为SiO2或SiNx。

5.如权利要求1所述的一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征为，未掺杂电流限制层(9)材料为本征的InGaN/GaN、AlInP/AlGaInP。

6.如权利要求1所述的一种具有电荷输运限制的高压发光二极管，其特征为，反型防护层(10)材料为GaN或AlInP。