CN103325905B - 一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法。该GaN基发光二极管芯片包括外延层构造、p电极、n电极，p电极由ITO透明电极和金属电极组成，所述金属电极位于ITO透明电极与p型GaN之间并被ITO透明电极围绕，金属电极的下层与p型GaN为肖特基接触，金属电极与ITO透明电极之间为欧姆接触，ITO透明电极与p型GaN为欧姆接触，金属电极上方的ITO透明电极部分开有窗口。本发明的GaN基发光二极管芯片工作时从两侧斜入射到金属电极下表面的光大部分被反射回到外延层中，从而减少了金属电极对光的吸收，提高了LED的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法，应用于制作高亮度GaN基发光二极管芯片。
背景技术
从20世纪90年代以来，GaN基蓝光LED作为一种新型光源在社会生活各个领域得到广泛的应用，例如户外显示、景观照明、仪表指示等。目前，基于GaN基蓝光LED的白光照明产品开始应用于照明领域。然而，制约半导体照明发展的一个关键因素是GaN基蓝光LED的光效，包括内量子效率和外量子效率。如今，外延技术的发展可以将内量子效率提高到90％以上，但是外量子效率却很低。
ITO透明电极技术对于提高GaN基蓝光LED的外量子效率具有重要的作用。但是仍然存在两点问题：一、ITO电极的电流扩展能力有限；二、无法在ITO材料上焊线。为了解决以上两点问题，现有技术在ITO上制作图案化的金属电极，金属电极提高了芯片的电流扩展能力，同时，金属电极提供的金属焊盘可用作后续封装工艺的焊线。常规LED芯片工艺通常在p型GaN表面制作大面积ITO透明导电层，然后在ITO透明导电层上制作Cr/Au或者Ti/Au金属电极。
然而，金属电极的引入对LED的光效也带来负面影响，即金属电极对光的吸收。首先，当向LED中注入电流时，金属电极向正下方注入的电流密度很高，而正下方发出的光向上传播时会被金属电极吸收。其次，即使是金属电极两侧下方发出的光，也很可能斜入射到金属电极表面从而被金属电极吸收。金属电极对光的吸收降低了LED的外量子效率。
为了减少金属电极向正下方注入电流，一种方法是在金属电极底下设置一电流阻挡层，该电流阻挡层可以是本征半导体、绝缘体或不导电树脂，参见CN200710063101.3。另一种方法如中国专利文件CN200680048451.6所提出的，在透明氧化物电流扩展层底下选择性设一外延半导体层，该外延半导体层为未掺杂或弱掺杂材料，使其导电性小于邻接材料的十分之一，或者为反型掺杂材料，在LED工作时，该材料与邻接材料形成一个在阻塞方向运行的pn结。中国专利文件CN200910138745.3提出另外一种电流阻挡金属接触的方法，该方法不需要添加额外的材料，首先使用光刻胶在外延层表面制做出图形，通过等离子体处理，对没有光刻胶保护的外延层表面进行掺杂补偿，使随后制作的金属与该区域外延层接触为肖特基接触，抑制电流向正下方注入。
以上所提到的电流阻挡结构，在金属电极正下方的外延层内无发光，可在一定程度上减少金属电极对光的吸收，但是，金属电极左右斜下方外延层内发出的光仍然会有很大的几率照射到金属电极底部，从而被吸收掉。还需要解决斜入射光被吸收的问题才能更进一步地提高LED的外量子效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片及其制作方法。
术语解释
ITO：氧化铟锡(Indium-TinOxide)，是一种透明导电材料；本领域通用ITO表示。
ICP刻蚀：感应耦合等离子(InductiveCoupledPlasma)刻蚀。
p-GaN：p型GaN；
n-GaN：n型GaN；
本发明的技术方案如下：
一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片，包括外延层构造，形成在所述外延层构造p型GaN表面上的p电极，以及形成在所述外延层构造n型GaN表面上的n电极，所述p电极由ITO透明电极和金属电极组成，所述金属电极由上下两层金属材料组成，其特征在于所述金属电极位于ITO透明电极与p型GaN之间并被ITO透明电极围绕，金属电极的下层与p型GaN表面为肖特基接触，金属电极与ITO透明电极之间为欧姆接触，ITO透明电极与p型GaN表面为欧姆接触，金属电极上方的ITO透明电极部分开有1～2个窗口并穿透金属电极的上层露出金属电极下层，窗口的面积小于金属电极的面积。
根据本发明优选的，ITO透明电极厚度为50～500纳米，金属电极上层、下层厚度分别为50～500纳米和1～5微米。
根据本发明优选的，金属电极下层材料选自Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Al、Pd、、Rh或Mo等对光具有高反射性的材料。
根据本发明优选的，金属电极上层材料选自Cr或Ti。
进一步优选的，金属电极上层材料选自Ti或Cr，下层为Al。分别记为Al/Ti电极、Al/Cr电极。
根据本发明优选的，所述窗口面积为金属电极面积的1/3～3/4。
本发明的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片的制作方法，包括步骤如下：
按现有技术在衬底上生长GaN外延层，包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；通过ICP刻蚀掉部分p型层和发光层，露出n型层；在p型GaN层上用于制作p电极；在n型GaN层上制作n电极；在p电极和n电极上分别制作焊线；其中，
在p型GaN表面先制作金属电极，然后制作ITO透明电极，ITO透明电极覆盖p型GaN表面及金属电极；
在ITO透明电极上开1-2个窗口，露出金属电极，去除露出的金属电极的上层材料，露出金属电极的下层材料。该窗口用于后续封装工艺的焊线。在该窗口位置的金属电极上制作焊线。
本发明优选的焊线材料为金线或者铝线。
本发明的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片的制作方法，优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或者硅。
本发明的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片的制作方法，优选的，在p型GaN表面通过溅射或者蒸镀图形化的金属电极，先溅射或者蒸镀下层材料，再溅射或者蒸镀上层材料。按现有技术工艺即可。
在衬底上生长GaN外延层包括采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法。
本发明中未加限定的均按本领域的现有技术。
本发明的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管(LED)芯片中，金属电极对照射到其下表面的光具有超过80％的反射率；当LED工作时，金属电极向正下方注入的电流占总注入电流的比例小于1％。由于金属电极下层材料与p型GaN的接触为肖特基接触，电流会通过ITO向金属电极周围传输，抑制了沿金属电极向正下方的电流注入，金属电极正下方发光层基本无发光。另外由于金属电极下层材料的高反射特性，对于从金属电极两侧下方斜入射到金属电极下表面的光，大部分也会被反射回到外延层中，从其他途径出光，避免被金属电极吸收。金属电极上方的ITO具有一到两个窗口，窗口的面积小于金属电极的面积，该窗口的目的是用于制作后续封装工艺的焊线。
常规结构发光二极管的p电极的制作方法为先在p型GaN表面制作大面积ITO透明导电层，然后在ITO透明导电层上制作Cr/Au或者Ti/Au金属电极。常规p电极结构从下往上依次为p型GaN、ITO、金属电极。同时，通常在ITO与p-GaN之间加入一图案化的电流阻挡层。虽然电流阻挡层的引入减少了沿金属电极向正下方的电流注入，减少了电极下方的发光，但是，金属电极左右斜下方外延层内发出的光仍然会很大的几率照射到金属电极底部，从而被吸收掉。
与常规工艺不同的是，本发明中，金属电极位于ITO透明电极和p-GaN之间。在本发明中，通过将金属电极置于ITO和p-GaN之间，金属电极与p-GaN的肖特基接触特性实现了电流阻挡功能，金属电极的高反射率特性极大程度的减少了金属电极对斜入射光的吸收，另外，通过对ITO开窗口，该金属电极可作为后续封装工艺的打线焊盘。
本发明提出的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片，极大程度的减少了金属电极对光的吸收，提高了LED的外量子效率，进而提高了LED的光效。
附图说明
图1a-图1f为实施例1的GaN基发光二极管芯片制作过程的截面示意图；图2为本发明实施例1的发光二级管芯片焊线之后的截面示意图；图中，100、衬底，111、n型GaN层，112、发光层，113、p型GaN层，200、金属电极，201、金属电极下层(Al)，202、金属电极上层(Ti)，300、ITO透明电极，301、窗口，400、n电极，501、p电极焊线，502、n电极焊线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。但不限于此。
实施例1：
一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片，包括外延层构造，形成在所述外延层构造p型GaN表面上的p电极，以及形成在所述外延层构造n型GaN表面上的n电极400，所述p电极由ITO透明电极300和金属电极200组成，所述金属电极200由上下两层金属材料组成，所述金属电极位于ITO透明电极与p型GaN之间并被ITO透明电极包围在中间，金属电极的下层201与p型GaN表面为肖特基接触，金属电极与ITO透明电极之间为欧姆接触，ITO透明电极与p型GaN表面为欧姆接触，金属电极上方的ITO透明电极部分开有1个窗口301并穿透金属电极的上层露出金属电极下层201，窗口301的面积为金属电极面积的2/3。
制作方法，包括以下步骤，如图1a～1f所示：
第一步，在蓝宝石衬底100上使用MOCVD方法生长GaN外延层，该GaN外延层包括n型GaN层111，发光层112和p型GaN层113；如图1a。
第二步，通过ICP刻蚀技术，去除部分区域的p型GaN层和发光层，露出n型GaN层111。按现有技术即可。如图1b所示。
第三步，在p型GaN表面通过溅射或蒸镀制作图形化的金属电极200(Al/Ti电极)，金属电极200有两层材料组成，上层202为钛，厚度100nm；下层201为铝，厚度2微米。如图1c所示。
第四步，在金属电极200外制作ITO透明电极300；ITO透明电极300覆盖p型GaN表面及金属电极；如图1d所示。ITO透明电极在p型GaN表面上的厚度为230nm。
第五步，再在ITO上开一个窗口，露出金属电极钛202。如图1e所示。
第六步，将窗口位置的露出的金属电极钛202去除，露出金属电极铝201。
在第二步所述露出的n型GaN表面制作图形化的n电极400，n电极与第三步的金属电极制作相同，为Al/Ti电极，上层钛厚度100nm，下层铝厚度2微米。之后采用化学腐蚀的方法去除n电极上的Ti层，保留Al层，作为n电极400，如图1f所示。
按现有技术在n电极400制作n电极焊线502，在p电极的窗口区制作p电极焊线501，p电极焊线焊接在窗口区露出的金属电极下层201上。如图2所示。焊线为Au线。
该实施例的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片，当沿着p电极焊线501向LED中注入电流时，由于金属电极铝201与p型GaN的接触为肖特基接触，抑制了电流通过铝201向正下方的注入，电流的传播路径为金属电极201铝→金属电极202钛→ITO透明电极300，然后再向下传输，注入发光层112，在发光层内产生光子。由于无电流注入，金属电极铝201正下方的发光层基本无发光。另外，对于从两侧斜入射到金属电极下表面的光，大部分也会被铝层下表面反射回到外延层中，从其他途径逸出，从而减少了金属电极对光的吸收，将LED的外量子效率提高约15％。
实施例2：
一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片，如实施例1所述，所不同的是，所述金属电极上层材料是铬，厚度为100nm，金属电极下层材料是铝，厚度为2.5微米，金属电极上方的ITO透明电极部分开有2个窗口并穿透金属电极的上层露出金属电极下层，每个窗口面积为金属电极面积的1/3。ITO透明电极在p型GaN表面上的厚度为100nm。
n电极与金属电极不相同，为单独制作，为Ti/Al电极，Ti位于Al层与n-GaN之间，Ti的厚度为100nm，Al的厚度为2微米。
该实施例的具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片提高LED的外量子效率约12％。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该有权利要求和他们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施例决定。
Claims (7)
1.一种具有电流阻挡结构的GaN基发光二极管芯片的制作方法，包括外延层构造，形成在所述外延层构造p型GaN表面上的p电极，以及形成在所述外延层构造n型GaN表面上的n电极，所述p电极由ITO透明电极和金属电极组成，所述金属电极由上下两层金属材料组成，其特征在于所述金属电极位于ITO透明电极与p型GaN之间并被ITO透明电极围绕，金属电极的下层与p型GaN表面为肖特基接触,金属电极与ITO透明电极之间为欧姆接触，ITO透明电极与p型GaN表面为欧姆接触，金属电极上方的ITO透明电极部分开有1～2个窗口并穿透金属电极的上层露出金属电极下层，窗口的面积小于金属电极的面积；
包括步骤如下：
在衬底上生长GaN外延层，包括n型GaN层、发光层和p型GaN层；通过ICP刻蚀掉部分p型层和发光层，露出n型层；在p型GaN层上用于制作p电极；在n型GaN层上制作n电极；在p电极和n电极上分别制作焊线；其中，
在p型GaN表面先制作金属电极，然后制作ITO透明电极，ITO透明电极覆盖p型GaN表面及金属电极；在p型GaN表面通过溅射或者蒸镀图形化的金属电极，先溅射或者蒸镀下层材料，再溅射或者蒸镀上层材料；
在ITO透明电极上开1-2个窗口，露出金属电极，去除露出的金属电极的上层材料，露出金属电极的下层材料；在窗口位置的金属电极上制作焊线。
2.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，金属电极下层材料选自Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Al、Pd、、Rh或Mo；金属电极上层材料选自Cr或Ti。
3.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，金属电极上层材料选自Ti或Cr，下层为Al。
4.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述窗口面积为金属电极面积的1/3～3/4。
5.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述金属电极对照射到其下表面的光具有超过80%的反射率；向发光二极管注入电流时，向金属电极正下方发光层内注入的电流占总注入电流的比例低于1%。
6.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或者硅。
7.如权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片的制作方法，其特征在于焊线材料为金线或者铝线。
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