CN103594589A - 一种发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管，包括：反射电极（1）、衬底（2）、非掺杂GaN或AlN缓冲层（3）、n型GaN层（4）、有源层（5）、p型GaN接触层（6）、p型AlGaN覆盖层（7）、ITO透明电极层（8），其中ITO透明电极层（8）具有开口，该开口贯穿ITO透明电极层（8）且开口底部位于p型AlGaN覆盖层（7）中，开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14），开口中的金属阻挡层（14）上的多层p接触电极（9-12）以及其上的键合引线（13）。本发明的GaN基发光二极管具有优良的电特性以及发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种氮化镓（GaN）基发光二极管。
背景技术
半导体发光二极管的优点在于发光强度高、光指向性强、能耗低、制造成本低廉等等，因此其应用日益广泛，特别是在照明方面有取代白炽灯和荧光灯的趋势，但目前还面临一些技术上的问题，例如P型电极与发光二极管外延半导体结构中的P型半导体层粘附力弱、欧姆接触性能低劣、电极中的金属会扩散进外延半导体结构中等等。这就阻碍了发光二极管的电特性方面的进一步提升。
近年来，为了提高发光二极管的亮度，开发了垂直结构的发光二极管，相对于正装结构，即平台（mesa）结构的发光二极管来说，垂直结构的发光二极管具有诸多优点。垂直结构发光二极管的两个电极分别处于发光二极管的两侧，电流几乎全部垂直流过半导体外延层，没有横向流动的电流，因此电流分布均匀，产生的热量相对较少。并且由于垂直结构的两个电极处于两侧，因此出光过程中不会受到同侧电极的阻挡，其出光效率更高。
现有较为常见的GaN基发光二极管的结构是：蓝宝石衬底、形成于衬底上的非掺杂GaN或AlN缓冲层、形成于非掺杂GaN或AlN缓冲层上的GaN基外延层发光结构，其依次包括n型GaN层、有源层、p型GaN接触层以及p型AlGaN覆盖层，形成在蓝宝石衬底背面的背镀电极，其用作n接触电极，以及形成在p型AlGaN覆盖层上的p接触电极。对于p接触电极来说，可采用简单的单层电极结构。但为了进一步提升其接触导电性，进而提升发光二极管的整体电特性，较佳地采用双层乃至多层电极结构，以期提高电极导电特性。但多层电极结构存在的问题是各层电极结构之间的匹配不良以及多层电极结构与半导体外延层之间的粘附性低劣，且金属电极不论单层结构还是多层结构，在某些情况下，金属电极中的金属元素也有可能扩散进半导体材料中，从而导致发光二极管整体电特性退化甚至更为严重的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术的问题，提出了一种发光二极管。通过对该发光二极管的p接触电极进行改进并同时预防金属元素扩散，能够提升发光二极管的电特性，从而有效提高发光二极管的发光效率。
本发明提出的GaN基发光二极管包括：
衬底2；
形成于衬底2背面的反射电极1，其用作n接触电极；
形成于衬底2正面上的非掺杂GaN或AlN缓冲层3；
形成于非掺杂GaN或AlN缓冲层3上的GaN基外延层发光结构，其依次包括n型GaN层4、有源层5、p型GaN接触层6以及p型AlGaN覆盖层7；
形成在GaN基外延层发光结构的p型AlGaN覆盖层7上的ITO透明电极层8，其中ITO透明电极层8具有开口，该开口贯穿ITO透明电极层8且开口底部位于p型AlGaN覆盖层7中；
开口的底部和侧壁上的金属阻挡层14；
开口中的金属阻挡层14上的多层p接触电极9-12；以及
形成在多层p接触电极9-12上的键合引线13。
附图说明
附图1为本发明提出的GaN基发光二极管的整体结构。
具体实施方式
实施例1
以下参考图1详细说明本发明的GaN基发光二极管的结构及其制造方法。为清楚起见，附图中所示的各个结构均未按比例绘制，且本发明并不限于图中所示结构。
步骤一：首先提供衬底2，衬底2的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝、玻璃等等。
步骤二：在衬底2背面，即与后续形成GaN基外延层发光结构的衬底2正面相反的表面上蒸镀或溅射反射电极1，反射电极1用作n接触电极且兼具反射功能，反射电极1的材料是诸如Al、Ag、Au、Pt等的具有高反射特性的金属。
步骤三：在衬底2的正面上形成缓冲层3，缓冲层3的材料可以是非掺杂GaN或AlN，其用于缓冲衬底2和后续形成于其上的GaN基外延层发光结构之间的晶格失配，以提高LED整体的发光效率。
步骤四：在缓冲层3上形成GaN基外延层发光结构，其依次包括n型GaN层4、有源层5、p型GaN接触层6以及p型AlGaN覆盖层7。
步骤五：随后，在p型AlGaN覆盖层7上形成ITO透明电极层8。在ITO透明电极层8上涂布光刻胶（未示出），经过显影、曝光等工艺形成光刻胶图案（未示出），该光刻胶图案在ITO透明电极层8的表面中部具有光刻胶窗口区，该光刻胶窗口区用于形成贯穿ITO透明电极层8且底部位于p型AlGaN覆盖层7中的开口。
步骤六：随后，利用图案化的光刻胶图案对ITO透明电极层8以及p型AlGaN覆盖层7进行蚀刻，蚀刻方法为干式蚀刻或湿式蚀刻等等，从而形成贯穿ITO透明电极层8且底部位于p型AlGaN覆盖层7中的开口。该开口的形状可以是圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或其他规则多边形形状，例如正六边形等等。且当开口为圆形时，其圆心与ITO透明电极层8的表面中心重合。开口面积为ITO透明电极层8表面积的20％-30％，优选20％，更优选25％，且最优选30％。开口的底部位于p型AlGaN覆盖层7中，也就是说开口深入p型AlGaN覆盖层7一定深度，该深度是从ITO透明电极层8与p型AlGaN覆盖层7接触的表面算起，向下深入p型AlGaN覆盖层7的深度。该深度范围是150至250nm，优选150nm，180nm，215nm，230nm，250nm。
步骤七：随后，通过蒸镀、溅射等方法，在开口底部和侧壁上形成金属阻挡层14，金属阻挡层14的材料是TiW合金，用于阻挡后续形成的p接触电极9-12中的金属元素扩散进半导体材料中，且阻挡金属层14的厚度是50nm。
步骤八：随后，通过蒸镀、溅射等方法，在开口中的金属阻挡层14上形成多层p接触电极9-12，该多层p接触电极9-12为四层结构。以下详述其形成方法。
首先在开口中的金属阻挡层14上形成Ti金属粘附层9，厚度为50-100nm，优选75nm。其有利于多层p接触电极9-12与p型AlGaN覆盖层7之间的粘附。
随后在Ti金属粘附层9上形成Ti/Al合金欧姆接触层10，厚度为65-120nm，优选100nm。
随后在Ti/Al合金欧姆接触层10上形成Al/Ti/Au合金电极层11，厚度为65-120nm，优选100nm。
随后在Al/Ti/Au合金电极层11上形成Ti/Au/Rh合金电极层12，厚度为65-120nm，优选100nm。
最后在Ti/Au/Rh合金电极层12上形成键合引线13，其可以是以Sn为主要成分的无铅焊料，用于外部引线连接。
至此完成具有多层p接触电极9-12的GaN基发光二极管的制备，其总体结构如图1中所示，包括反射电极1、衬底2、非掺杂GaN或AlN缓冲层3、n型GaN层4、有源层5、p型GaN接触层6、p型AlGaN覆盖层7、ITO透明电极层8，其中ITO透明电极层8具有开口，该开口贯穿ITO透明电极层8且开口底部位于p型AlGaN覆盖层7中，开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14），开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14）上的多层p接触电极9-12以及多层p接触电极9-12上的键合引线13，其中多层p接触电极9-12包括四层结构，依次为：Ti金属粘附层9、Ti/Al合金欧姆接触层10、Al/Ti/Au合金电极层11以及Ti/Au/Rh合金电极层12。
实施例2
实施例2的GaN基发光二极管的结构与制造过程与实施例1基本相同，不同之处在于多层p接触电极9-12中各层的成分与厚度。以下将说明实施例2与实施例1的主要不同之处，而不再赘述两者相同的结构和制造过程。
步骤一至七与实施例1中相应步骤相同，从步骤八开始说明：
步骤八：随后，通过蒸镀、溅射等方法，在开口中的金属阻挡层14上形成多层p接触电极9-12，该多层p接触电极9-12为四层结构。以下详述其形成方法。
首先在开口中的金属阻挡层14上形成Ti金属粘附层9，厚度为50-100nm，优选75nm。其有利于多层p接触电极9-12与p型AlGaN覆盖层7之间的粘附。
随后在Ti金属粘附层9上形成Ni/AuBe合金欧姆接触层10，厚度为75-120nm，优选110nm。
随后在Ni/AuBe合金欧姆接触层10上形成Al/Pt/Au合金电极层11，厚度为75-120nm，优选110nm。
随后在Al/Pt/Au合金电极层11上形成Ti/Al/Rh/Pt/Au合金电极层12，厚度为75-120nm，优选110nm。
最后在Ti/Al/Rh/Pt/Au合金电极层12上形成键合引线13，其可以是以Sn为主要成分的无铅焊料，用于外部引线连接。
至此完成具有多层p接触电极9-12的GaN基发光二极管的制备，其总体结构如图1中所示，包括反射电极1、衬底2、非掺杂GaN或AlN缓冲层3、n型GaN层4、有源层5、p型GaN接触层6、p型AlGaN覆盖层7、ITO透明电极层8，其中ITO透明电极层8具有开口，该开口贯穿ITO透明电极层8且开口底部位于p型AlGaN覆盖层7中，开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14），开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14）上的多层p接触电极9-12以及多层p接触电极9-12上的键合引线13，其中多层p接触电极9-12包括四层结构，依次为：Ti金属粘附层9、Ni/AuBe合金欧姆接触层10、Al/Pt/Au合金电极层11以及Ti/Al/Rh/Pt/Au合金电极层12。
至此，上文已经详细的说明了本发明的GaN基发光二极管及其制造方法，相对于现有方法制得的发光二极管，本发明的GaN基发光二极管的多层p接触电极能保持良好的电特性以及与半导体外延结构之间的良好粘附性，且金属阻挡层14可防止多层p接触电极中的金属元素扩散进半导体材料中，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。上文所述实施例仅是本发明的优选实施例，其旨在对本发明进行说明而非对其进行限定。在不脱离本发明所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域技术人员显然可对本发明做出任何改变和改进，且本发明的保护范围由所附权利要求进行限定。
Claims (4)
1.一种GaN基发光二极管，包括：
衬底（2）；
形成于衬底（2）背面的反射电极（1），其用作n接触电极；
形成于衬底（2）正面上的非掺杂GaN或AlN缓冲层（3）；
形成于非掺杂GaN或AlN缓冲层（3）上的GaN基外延层发光结构；
形成在GaN基外延层发光结构上的ITO透明电极层（8），其中ITO透明电极层（8）具有开口，该开口贯穿ITO透明电极层（8）且开口底部位于GaN基外延层发光结构的p型AlGaN覆盖层（7）中；
形成在开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14）；
形成在金属阻挡层（14）上的多层p接触电极（9-12）；以及
形成在多层p接触电极（9-12）上的键合引线（13）。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管，特征在于：
其中开口是圆形，其圆心与ITO透明电极层（8）的表面中心重合；
开口面积为ITO透明电极层（8）表面积的20％-30％，优选20％，更优选25％，且最优选30％；
开口的底部位于p型AlGaN覆盖层（7）中，开口深入p型AlGaN覆盖层（7）中的深度范围是150至250nm；
形成在开口的底部和侧壁上的金属阻挡层（14）是TiW，其厚度是50nm。
3.根据权利要求2所述的GaN基发光二极管，特征在于：
其中多层p接触电极（9-12）是四层结构，依次为：Ti金属粘附层（9）、Ti/Al合金欧姆接触层（10）、Al/Ti/Au合金电极层（11）以及Ti/Au/Rh合金电极层（12），
其中Ti金属粘附层（9）的厚度为50-100nm，优选75nm；
Ti/Al合金欧姆接触层（10）的厚度为65-120nm，优选100nm；
Al/Ti/Au合金电极层（11）的厚度为65-120nm，优选100nm；
Ti/Au/Rh合金电极层（12）的厚度为65-120nm，优选100nm。
4.根据权利要求3所述的GaN基发光二极管，特征在于：
其中多层p接触电极（9-12）是四层结构，依次为：Ti金属粘附层（9）、Ni/AuBe合金欧姆接触层（10）、Al/Pt/Au合金电极层（11）以及Ti/Al/Rh/Pt/Au合金电极层（12），
其中Ti金属粘附层（9）的厚度为50-100nm，优选75nm；
Ni/AuBe合金欧姆接触层（10）的厚度为75-120nm，优选110nm；
Al/Pt/Au合金电极层（11）的厚度为75-120nm，优选110nm；
Ti/Al/Rh/Pt/Au合金电极层（12）的厚度为75-120nm，优选110nm。
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