CN103066175B - 一种具有电流阻挡层的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管及其制备方法，本发明所述的发光二极管，通过在P型GaN表面，P电极正下方对应的局部位置上制备一层反射膜，有效反射发光层射向电极下方的光线，反射膜上的电流阻挡层能改善电流在电极下方积聚的现象，具有反射作用的电流阻挡层内的圆柱形空洞内填充ITO导电材料，可以保证使P电极对应的位置下方也有少量的电流通过，这样既避免电流积聚，又能提高电极下方对应位置发光区效率，同时也很好的解决了P电极下方对应位置结温易迅速升高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电流阻挡层的发光二极管及其制备方法，属于光电技术领域。
背景技术
GaN材料利用其大的禁带宽度制作的蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件，具有极大地发展空间和广阔的应用市场。GaN基蓝绿光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。虽然GaN基LED已经产业化，但芯片出光效率低的问题仍没得到很好解决。
其中，影响晶片出光效率的因素主要有以下几方面：
1.晶片PN结的量子结构缺陷，导致部分量子复合为非辐射复合；
2.晶片上必须安装供电流通过的电极，而电极一般由不透光的金属材料制成，影响了部分光线的出射；
3.由光的传播理论，根据折射定律，当入射角大于arc sin(n1/n2)时，将发生全反射，光线将不会射出晶片而消耗在晶片内部。(n1、n2为材料折射率)。
目前主要的解决出光效率问题的方法如下：
1.改变晶片的几何形状，以改变光线的出射角度来增加光线的射出；
2.采用芯片倒装技术(Flip Chip)；
3.在衬底层上增加反射镜，如金属镜反射、分布式布拉格反射镜(DBR)、ODR介质膜，让光线直接在表面射出，提高发光效率。
电极一般由不透光金属材料制成，直径约70-90μm，在芯片发光面上占据了很大一部分面积，这样使得电极正下方的电流密度非常大，从而大部分光产生于电极下面，加之金属电极对光的吸收、阻挡，严重影响了LED芯片的发光效率，为此业界通常采用引入电流阻挡层的方法来改变电极下的电流积聚。常见的电流阻挡层由一层SiO2薄膜或者一层接触势垒高的金属构成，如中国专利CN101510580提供了一种具有电流阻挡层的发光二极管制作方法，在透明电极与P型半导体材料层之间，阳极金属焊线层下方的局部位置上，形成有电流阻挡层，利用电流阻挡层减少晶片电极下方的电流积聚，减少电极对光的吸收，此种阻挡层存在以下缺点：1、完全阻挡了电流向焊盘下发光区的注入，不能有效利用电极下的发光区；2、此种电流阻挡层不能有效反射射向电极的光，导致部分光被金属电极吸收。
中国专利CN101969089A提供了一种具有电流阻挡层的发光二极管制作方法，包括：在蓝宝石衬底上形成氮化镓基发光外延层，在外延层上定义电流阻止区，并在阻止区的非掺杂氮化镓基外延层上镀一层金属层做掩膜覆盖整个电流阻止区。采用电化学蚀刻方式将电流阻止区之外的非掺杂氮化镓基外延层去除，并去除掩膜。在P型氮化镓基外延层和非掺杂外延层上制作透明导电层，并在电流阻止区范围内的导电层上制作P电极。
CN 201349018提供了一种电流阻挡层分布于上电极对应的发光二级管制作方法，包括：电流阻挡层的形状与上电极形状相同，位于上电极的正下方，并且电流阻挡层设置在导电增透层或电流扩展层或上限值层或有源区里面，或相邻的两层、三层、四层的里面。
CN201699049U提供了一种双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二级管，包括：在上电极下方以及转移衬底上方分别制备上电流阻挡层和下电流阻挡层，且上电流阻挡层和下电流阻挡层在层叠方向的位置相对应，这避免了注入电流产生的光子被电极阻挡和吸收，大大提高了有效电流的比列，同时也增加了电流效率，减少了热的产生。
根据现有公开报道，电流阻挡层能有效扩展电流，提高发光二极管的发光效率。但通常的电流阻挡层只能避免电流进入P区后在电极下方对应区域积聚，忽视了降低电极吸光、提升电极下方对应区域的量子阱发光效率，这些也能有效提升光效，从而改变常规电流阻挡层存在的不足。
发明内容
本发明针对现有GaN基发光二极管外量子效率仍然不高、电极正下方局部位置电流扩展积聚，电极吸光及散热不好等问题，提出一种具有电流阻挡层的发光二极管，本发明还提出一种所述发光二极管的制备方法。
发明概述
本发明涉及一种具有电流阻挡层的发光二极管，所述的电流阻挡层是通过在P电极正下方对应位置生长一层具有反射作用的电流阻挡层，在电流阻挡层内制作圆柱形空洞，并在空洞内填充导电材料，这样能够有效增强LED的发光效率，提高其可靠性。该电流阻挡层既能有效反射发光区射向电极底部位置的光线，又能改善电流积聚、降低芯片散热不良的状况，所述的导电材料为圆柱形ITO导电材料，能避免在电极下方对应位置完全不导电现象的发生，提高发光区发光效率。
名词解释：
ITO透明导电材料：氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电材料。
ODR介质膜：全方位反射镜(Omni-directional reflector)介质膜。
真空蒸镀：在真空环境中，将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀。
磁控溅射技术：利用Ar、O2等气体在电场和交变磁场的作用下，形成等离子体，等离子体中的粒子在电场中被加速成高能粒子，高能粒子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。
ICP刻蚀：感应耦合等离子(Inductive Coupled Plasma)刻蚀。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种发光二极管，包括衬底层上依次是GaN外延层和电流扩展层，所述GaN外延层由下往上依次包括N型GaN半导体层、发光层和P型GaN半导体层，在电流扩展层上是P电极焊线层，在N型GaN半导体层上是N电极焊线层；在P电极焊线层正下方对应位置生长有一层具有反射作用的电流阻挡层，位于P型GaN半导体层和电流扩展层之间，所述的电流阻挡层内有圆柱形空洞，在所述圆柱形空洞内有ITO透明导电材料。
所述电流阻挡层的横截面积大小与所述的P电极焊线层的大小相同。
所述的圆柱形空洞直径为0.5-2μm，周期为10-20μm，所述电流阻挡层内有圆柱形空洞的数量为20-30个。所述的周期为10-20μm是指相邻两个圆柱形空洞之间相距10-20μm。
所述的电流阻挡层为TiO、TiO2、ZrO2、SiO2、SiNx中的任意两种或多种，按照1/4LED的发光波长交替生长而成，生长周期为2-3个。以SiO2和TiO2为例，交替生长厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，通常为2-3对，其中λ为LED的发光波长，λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。
所述的电流扩展层的材质是ITO透明导电材料，所述电流阻挡层的厚度小于或等于电流扩展层的厚度。
所述的ITO透明导电材料的电阻率为1.8×10-4-4×10-4Ω·cm。
所述的衬底层是蓝宝石、硅或碳化硅衬底其中的一种。
在衬底层背面设置有ODR介质膜。
所述的ODR介质膜为：自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3-4个，其中λ为LED的发光波长；所述Al膜的厚度为200-600nm。λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。
本发明具有电流阻挡层的发光二极管的制备方法，步骤如下：
(1)在衬底层上生长GaN外延层：在衬底层上自下往上依次生长厚度为0.5μm-6μm的掺Si的N型GaN层，其中Si的掺杂浓度范围是：5×1017cm-3-5×1019cm-3，多量子阱(MQWS)发光层，其中发光层厚度范围为10-500nm，厚度为120nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，其中Mg掺杂浓度范围是：5×1019cm-3-5×1020cm-3；
(2)利用真空蒸镀或磁控溅射技术，在P型GaN层上生长电流阻挡层，所述的电流阻挡层为TiO、TiO2、ZrO2、SiO2、SiNx中的任意两种或多种，按照1/4LED的发光波长交替生长而成，生长周期为2-3个。以SiO2和TiO2为例，交替生长厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，通常为2-3对，其中λ为LED的发光波长，λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。该电流阻挡层的厚度满足干涉相长，增强反射光强度，有效反射发光区射向电极底部的光。
(3)通过湿法腐蚀或干法刻蚀方式将电流阻挡层的外形制成与P电极焊线层相对应的形状，并且电流阻挡层上贯通设置圆柱形空洞，圆柱形空洞直径为0.5-2μm，周期为10-20μm，所述电流阻挡层内有圆柱形空洞的数量为20-30个。所述的周期为10-20μm是指相邻两个圆柱形空洞之间相距10-20μm。
(4)利用真空蒸镀或磁控溅射技术，在电流阻挡层的圆柱形空洞内填充ITO导电材料，ITO的厚度等于电流阻挡层的厚度；
(5)在电流阻挡层的上表面制备一层ITO电流扩展层，所述的ITO电流扩展层厚度大于或等于电流阻挡层的厚度；
(6)采用ICP刻蚀、PECVD生长掩蔽膜以及电子束蒸镀技术，在电流扩展层上制备P电极焊线层和N电极焊线层，最终制得芯片；
(7)将步骤(6)所得的芯片的衬底层背面减薄，并在减薄后的衬底层背面上制备ODR介质膜，所述的ODR介质膜为：自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3-4个，其中λ为LED的发光波长。λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率；所述Al膜的厚度为200-600nm。
所述步骤(5)中ITO电流扩展层的厚度为260-500nm。
本发明的优点在于：
本发明所述的发光二极管，通过在P型GaN表面，P电极正下方对应的局部位置上制备一层反射膜，有效反射发光层射向电极下方的光线，反射膜上的电流阻挡层能改善电流在电极下方积聚的现象，具有反射作用的电流阻挡层内的圆柱形空洞内填充ITO导电材料，可以保证使P电极对应的位置下方也有少量的电流通过，这样既避免电流积聚，又能提高电极下方对应位置发光区效率：对460nm的光反射率达到80％以上，既避免金属电极对光的吸收，又使光线从其他位置发射出；同时也很好的解决了P电极下方对应位置结温易迅速升高的问题。
附图说明
图1为普通蓝宝石衬底层GaN基LED芯片切面图。
图2为普通具有电流阻挡层的GaN基LED芯片切面图。
图3为GaN外延层上制备具有反射作用的电流阻挡层切面图。
图4为本发明所提供的具有电流阻挡层的发光二极管的切面图。
图5是本发明LED的电流扩展图示。
图6是无电流阻挡层LED的电流扩展图示。
图7是具有普通电流阻挡层LED的电流扩展图示。
图8是本发明的电流阻挡层反光图示。
图9是普通电流阻挡层的反光图示。
在图1-9中，10、电流扩展层；20、普通电流阻挡层；30、本发明中的具有反射作用的电流阻挡层；40、本发明中的具有反射作用的电流阻挡层内的ITO圆柱形导电材料；50、形成于N型GaN上的N电极焊线层；60、形成于电流扩展层上的P电极焊线层；70、衬底层、80、GaN外延层；90、ODR介质膜；91、被电流阻挡层反射的出射光；92、被P电极焊线层阻挡的出射光。
具体实施例
以下结合附图及实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种具有电流阻挡层的发光二极管，包括蓝宝石衬底层70上依次是GaN外延层80和电流扩展层10，所述GaN外延层80由下往上依次包括N型GaN半导体层、发光层和P型GaN半导体层，在电流扩展层10上是P电极焊线层60，在N型GaN半导体层上是N电极焊线层50；在P电极焊线层60正下方对应位置生长有一层具有反射作用的电流阻挡层30，位于P型GaN半导体层和电流扩展层10之间，所述电流阻挡层30的横截面积大小与所述的P电极焊线层60的大小相同；所述的电流阻挡层30内有圆柱形空洞，在所述圆柱形空洞内有ITO透明导电材料40，所述的圆柱形空洞直径为1μm，周期为10μm，所述电流阻挡层30内有圆柱形空洞的数量为25个。
所述的电流阻挡层30为SiO2和TiO2，交替生长厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，周期为2个，其中λ为LED的发光波长，λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。
所述的电流扩展层10的材质是ITO透明导电材料，所述电流阻挡层30的厚度小于或等于电流扩展层10的厚度。所述的ITO透明导电材料的电阻率为2×10-4Ω·cm。
在衬底层70背面设置有ODR介质膜90，自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3个，其中λ为LED的发光波长。λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率，所述Al膜的厚度为300nm。
实施例2、
一种实施例1所述发光二极管的制备方法，步骤如下：
(1)在衬底层70上生长GaN外延层80：在衬底层上自下往上依次生长厚度为3μm的掺Si的N型GaN层，其中Si的掺杂浓度范围是：5×1017cm-3-5×1019cm-3，多量子阱(MQWS)发光层，其中发光层厚度范围为200nm，厚度为150nm的掺Mg的P型GaN层，其中Mg掺杂浓度范围是：5×1019cm-3-5×1020cm-3；
(2)利用真空蒸镀技术，在P型GaN层上生长电流阻挡层30，所述的电流阻挡层30为SiO2和TiO2，交替生长厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为2个，其中λ为LED的发光波长，λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。该电流阻挡层30的厚度满足干涉相长，增强反射光强度，有效反射发光区射向电极底部的光。
(3)通过湿法腐蚀方式将电流阻挡层30的外形制成与P电极焊线层60相对应的形状，并且电流阻挡层30上贯通设置圆柱形空洞，圆柱形空洞直径为1μm，周期为10μm，所述电流阻挡层内有圆柱形空洞的数量为25个。
(4)利用真空蒸镀技术，在电流阻挡层的圆柱形空洞内填充ITO导电材料40，ITO的厚度等于电流阻挡层的厚度；
(5)在电流阻挡层30的上表面制备一层ITO电流扩展层10，所述的ITO电流扩展层10厚度大于或等于电流阻挡层30的厚度；
(6)采用ICP刻蚀、PECVD生长掩蔽膜以及电子束蒸镀技术，在电流扩展层10上制备P电极焊线层60和N电极焊线层50，最终制得芯片；
(7)将步骤(6)所得的芯片的衬底层70背面减薄，并在减薄后的衬底层70背面上制备ODR介质膜90，所述的ODR介质膜90为：自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3-4个，其中λ为LED的发光波长。λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率；所述Al膜的厚度为200-600nm。
所述步骤(5)中ITO电流扩展层10的厚度为260-500nm。
实施例3、
一种具有电流阻挡层的发光二极管，如实施例1所述，其区别在于：
所述的圆柱形空洞直径为2μm，周期为12μm，所述电流阻挡层30内有圆柱形空洞的数量为20个。所述的电流阻挡层30为SiO2和TiO2，交替生长厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，周期为3个，其中λ为LED的发光波长，λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率。所述的ITO透明导电材料的电阻率为3×10-4Ω·cm。
在衬底层背面设置有ODR介质膜90，自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为4个，其中λ为LED的发光波长。λ取值范围为450-470nm，n1是SiO2折射率，n2为TiO2折射率，所述Al膜的厚度为400nm。
Claims (5)
1.一种发光二极管的制备方法，其中，所述发光二极管包括衬底层上依次是GaN外延层和电流扩展层，所述GaN外延层由下往上依次包括N型GaN半导体层、发光层和P型GaN半导体层，在电流扩展层上是P电极焊线层，在N型GaN半导体层上是N电极焊线层，其特征在于，在P电极焊线层正下方对应位置生长有一层具有反射作用的电流阻挡层，位于P型GaN半导体层和电流扩展层之间，所述的电流阻挡层内有圆柱形空洞，在所述圆柱形空洞内有ITO透明导电材料；
所述发光二极管的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底层上生长GaN外延层：在衬底层上自下往上依次生长厚度为0.5μm-6μm的掺Si的N型GaN层，其中Si的掺杂浓度范围是：5×1017cm-3-5×1019cm-3，多量子阱发光层，其中发光层厚度范围为10-500nm，厚度为120nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，其中Mg掺杂浓度范围是：5×1019cm-3-5×1020cm-3；
(2)利用真空蒸镀或磁控溅射技术，在P型GaN层上生长电流阻挡层，所述的电流阻挡层为TiO、TiO2、ZrO2、SiO2、SiNx中的任意两种或多种，按照1/4LED的发光波长交替生长而成，生长周期为2-3个；
(3)通过湿法腐蚀或干法刻蚀方式将电流阻挡层的外形制成与P电极焊线层相对应的形状，并且电流阻挡层上贯通设置圆柱形空洞，空洞直径为0.5-2μm，周期为10-20μm，所述电流阻挡层内有圆柱形空洞的数量为20-30个；
(4)利用真空蒸镀或磁控溅射技术，在电流阻挡层的圆柱形空洞内填充ITO导电材料，ITO的厚度等于电流阻挡层的厚度；
(5)在电流阻挡层的上表面制备一层ITO电流扩展层，所述的ITO电流扩展层厚度大于或等于电流阻挡层的厚度；
(6)在电流扩展层上制备P电极焊线层和N电极焊线层，最终制得芯片；
(7)将步骤(6)所得的芯片的衬底层背面减薄，并在减薄后的衬底层背面上制备ODR介质膜，所述的ODR介质膜为：自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3-4个，其中λ为LED的发光波长。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电流阻挡层的横截面积大小与所述的P电极焊线层的大小相同。
3.根据权利要求1-2任一权利要求所述的制备方法，其特征在于，所述的ITO透明导电材料的电阻率为1.8×10-4-4×10-4Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的衬底层是蓝宝石、硅或碳化硅衬底其中的一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的ODR介质膜为：自上而下顺序为，一层布拉格反射膜系和一层Al膜，所述布拉格反射膜系是交替生长的厚度为λ/4n1的SiO2和厚度为λ/4n2的TiO2，生长周期为3-4个，其中λ为LED的发光波长；所述Al膜的厚度为200-600nm。
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