CN105449060A - 一种半导体发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光二极管芯片，属于半导体技术领域，在两层第一导电类型半导体层之间设置二维电子气层，在两层第二导电类型半导体层之间设置二维空穴气层，第一电极与两层第一导电类型半导体层和二维电子气层分别连接，第二电极与两层第二导电类型半导体层和二维空穴气层分别连接。在第二导电类型半导体层上无需设置透明导电材料氧化铟锡ITO电流扩展层，其生产工艺简单。本发明形成高横向电流扩展及低工作电压发光二极管，通过电极和高载流子导电通道相连形成高载流子注入，降低欧姆接触电阻和LED工作电压；同时增强载流子扩展能力，提高载流子的注入效率，有效提高发光均匀性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及高横向电流扩展及低工作电压发光二极管芯片的制备技术。
技术背景
发光二极管LED是一种半导体发光器件，具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等优点，在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明领域发挥了越来越重要的作用。
常规发光二极管包含一个P区（其中含有一层或多层P型半导体材料）和一个N区（其中含有一层或多层N型半导体材料），发光二极管管芯横向尺寸为几百微米乘几百微米量级，而其中的P区和N区（或者两者之一）的厚度相对小很多，使得其中横向电阻远大于纵向电阻，电流只能纵向流动而几乎不能横向流动，不可避免地存在电流横向扩展问题，进而导致电流聚集效应的产生；电流聚集效应导致LED发光、发热不均匀，使用寿命下降等问题，尤其是对于大尺寸的大功率LED电流聚集效应更加明显。
现有技术一般使用透明导电材料氧化铟锡（In2O3：Sn，简称ITO）减少电流聚集效应实现电流扩展均匀分布，ITO光电性能优越，具有高的载流子浓度，薄膜的电阻可达10-4Ω·cm；但是ITO难以和p-GaN实现欧姆接触，高的欧姆接触电阻会产生较多的焦耳热，也会使器件的光电性能变差，缩短器件寿命。通常采用在pGaN与ITO之间引入间隔层，间隔层一般为金属或者金属合金薄膜，其厚度一般为几个纳米，间隔层的厚度对pGaN的欧姆接触及ITO的透光率有很大影响，制备工艺较难控制并且成本提高；另外，ITO中In材料自然储备量少并且价格昂贵，In扩散导致器件性能衰减。
在常规氮化物半导体中，半导体层的串联电阻比较大，成为器件总串联电阻的主要成分，电流流过附加的串联电阻产生的焦耳热使器件温度升高，焦耳热本身成为降低半导体发光器件外量子效率的机理之一；另一方面，结温升高，非辐射复合几率增加，同时从N型层和P型层注入到有源层的电子和空穴在复合发光之前，热能增加了电子和空穴分别从有源层逸出的几率，也导致发光效率降低。
二维电子气具有高的载流子浓度和高的迁移率，能有效增强载流子的横向扩展能力，能扩展流入有源层的电流分布面积，从而有效提高发光均匀性，提高载流子的注入效率，进而提高LED的发光效率。
发明内容
针对以上现有技术缺陷，本发明提供目的是提出一种增强载流子扩展能力、提高载流子的注入效率、有效提高发光均匀性及低工作电压的半导体发光二极管芯片。
本发明包括第一导电类型半导体层、发光层、电子阻挡层、第二导电类型半导体层、第一电极和第二电极；其特征在于所述第一导电类型半导体层为两层，在两层第一导电类型半导体层之间设置二维电子气层；所述第二导电类型半导体层为两层，在两层第二导电类型半导体层之间设置二维空穴气层；第一电极与两层第一导电类型半导体层和二维电子气层分别连接，第二电极与两层第二导电类型半导体层和二维空穴气层分别连接。
本发明在第一导电类型半导体层内设置二维电子气层，二维电子气层包含一对或几对禁带宽度不同的两种或多种半导体层，不同禁带宽度半导体层的界面形成一处或多处二维电子气，因此，第一电极与设置在第一导电类型半导体层内暴露出的高载流子浓度二维电子气非连续结构直接相连形成导电通道；本发明还在第二导电类型半导体层内设置二维空穴气层，二维空穴气层包含一对或几对禁带宽度不同的两种或多种半导体层，不同禁带宽度半导体层的界面形成一处或多处二维空穴气，因此，第二电极与设置在第二导电类型半导体层内暴露出的高载流子浓度二维空穴气非连续结构直接相连形成导电通道。
本发明采用以上技术结构，形成高横向电流扩展及低工作电压发光二极管，通过电极和高载流子导电通道相连形成高载流子注入，降低欧姆接触电阻和LED工作电压；同时增强载流子扩展能力，提高载流子的注入效率，有效提高发光均匀性；本发明在第二导电类型半导体层上无需设置透明导电材料氧化铟锡ITO电流扩展层，其生产工艺简单，利于降低成本。
本发明可采用典型的三种方式实现：
一为：在远离发光层的第一导电类型半导体层的一侧设置衬底层，在第一导电类型半导体层和衬底层之间设置高温本征层，在二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层外围的高温本征层上设置闭合环状的第一电极；在二维空穴气层以及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层外围的电子阻挡层上设置闭合环状的第二电极。这种结构的优点是：第一电极呈闭合环状可以增大第一电极与暴露出的高载流子浓度二维电子气接触面积，提高电子注入和扩展能力，第二电极呈闭合环状可以增大第二电极与暴露出的高载流子浓度二维空穴气接触面积，提高空穴注入和扩展能力。
二为：在远离发光层的第一导电类型半导体层的一侧设置衬底层，在第一导电类型半导体层和衬底层之间设置高温本征层，在二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层外围的高温本征层上设置闭合环状的第一电极；第二电极的表面设置在第二导电类型半导体层的上表面，所述第二电极的内端穿过二维空穴气层及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层设置在电子阻挡层上。这种结构的优点是：第二电极内穿第二半导体层与高载流子二维空穴气接触，空穴可以均匀地向四周扩展均匀注入。
三为：第一电极的表面设置在远离发光层的第一导电类型半导体层外侧，第一电极的内端穿过二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层与接近发光层的第一导电类型半导体层接触；第二电极的表面设置在远离第二导电类型半导体层的一侧，第二电极的内端穿过二维空穴气层及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层与电子阻挡层接触，在第二电极的表面键合转移衬底。这种结构主要体现在垂直LED结构的应用。
另外，本发明所述二维电子气层具有高于1×1013/cm2的面电子浓度的通道。
所述二维空穴气层具有高于1×1013/cm2的面空穴浓度的通道。
进一步地，本发明所述第一电极采用功函数大的金属材料，第二电极采用功函数小的金属材料。
第一电极采用功函数大的金属材料，可与第一导电类型半导体形成高势垒（肖特基接触）；第二电极采用功函数小的金属材料，可与第二导电类型半导体形成高势垒（肖特基接触）。电极与半导体形成高势垒，载流子可以通过二维电子气通道和二维空穴气通道形成注入通路，由于高势垒，载流子不倾向通过第一导电类型半导体和第二导电类型半导体注入，降低界面接触电阻和半导体体电阻。
附图说明：
图1为本发明制作过程中的外延结构示意图。
图2为暴露二维电子气层和二维空穴气层的刻蚀台柱结构剖面图。
图3为本发明的终产品结构剖面图。
图4为图3的俯视图。
图5本发明的第二种结构示意图。
图6本发明的第三种结构示意图。
图中，10-衬底，11-低温缓冲层，12-高温本征层，13-第一导电类型半导体层，14-二维电子气层，15-发光层，16-电子阻挡层，17-二维空穴气层，18-第二导电类型半导体层，19-第一电极，20-第二电极，21-转移电极。
具体实施方式
例一：
如图1至4所示，半导体的外延结构中设有衬底10，在衬底10上自下到上依次设置有低温缓冲层11、高温本征层12、N型导电层（第一导电类型半导体层）13、发光层15、电子阻挡层16和P型导电层（第二导电类型半导体层）18。以上第一导电类型半导体层（N型导电层）13为两层，在两层第一导电类型半导体层（N型导电层）13之间设置有二维电子气层14；第二导电类型半导体层（P型导电层）18有两层，在两层第二导电类型半导体层（P型导电层）18之间设置有二维空穴气层17。
衬底10为蓝宝石衬底。低温缓冲层11为1～100nm的非掺杂GaN。高温本征层12是1～10um的非掺杂GaN。各层第一导电类型半导体层（N型导电层）13是厚度1～10um掺Si的nGaN层，Si的掺杂浓度是1×1017/cm3～1×1020/cm3。二维电子气层14为包含一对或多对的GaN和AlGaN层，其中AlGaN层是Si掺或者本征AlGaN层，Al组分为0.1～0.4。发光层15是多量子阱结构，为交替生长的厚度为1～30nm的InGaN阱和厚度为8～80nm的GaN垒，重复周期为2～30。电子阻挡层16为掺Mg的AlGaN层，厚度为10～200nm，掺杂浓度1×1018/cm3～1×1021/cm3，Al组分为0.1～0.4。各层第二导电类型半导体层（P型导电层）18是厚度50～500nm掺Mg的pGaN，Mg掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1021/cm3。二维空穴气层17为包含一对或多对的GaN和AlGaN层，其中AlGaN层是Mg掺或者本征AlGaN层，Al组分为0.1～0.4。
其中二维电子气层14的通道具有高于1×1013/cm2的面电子浓度，二维空穴气层17的通道具有高于1×1013/cm2的面空穴浓度。
通过以上工艺获得发光二极管外延结构，如图1所示。
在获得的发光二极管外延结构基础上，利用光刻和ICP工艺对P型导电层18、电子阻挡层16、发光层15和N型导电层13进行刻蚀，刻蚀深度至高温本征层12上表面。同时，也使二维电子气层14在外侧暴露出二维电子气层通道。利用光刻和ICP工艺对P型导电层18和部分电子阻挡层16进行刻蚀，刻蚀深度至电子阻挡层16上表面至下表面之间合适的深度。同时，也使二维空穴气层17外侧暴露出二维空穴气通道。如图2所示。
利用电子束蒸发等工艺，在二维电子气层14上方的第一导电类型半导体层（N型导电层）13至高温本征层12之间的外延材料外围制作形成闭合环状第一电极（N电极）19。该第一电极（N电极）19与二维电子气层14暴露出的高载流子浓度二维电子气非连续结构相连形成导电通道，两层第一导电类型半导体层（N型导电层）13之间的非连续结构为二维电子气通道的开口，并且暴露出至少一个二维电子气通道。
利用电子束蒸发等工艺，在电子阻挡层16以上的外延材料外围制作形成闭合环状第二电极（P电极）20。该第二电极（P电极）20与二维空穴气层17暴露出的高载流子浓度二维空穴气非连续结构相连形成导电通道，两层第二导电类型半导体层（P型导电层）18之间的非连续结构为二维空穴气通道的开口，并且暴露出至少一个二维电子气通道。
形成的产品如图3和4所示：产品设有两层第一导电类型半导体层13、发光层15、两层第二导电类型半导体层18，在两层第一导电类型半导体层13之间设置二维电子气层14；在两层第二导电类型半导体层18之间设置二维空穴气层17。在二维电子气层14以及二维电子气层14两侧的第一导电类型半导体层13外围的高温本征层12上设置闭合环状的第一电极19。在二维空穴气层17以及二维空穴气层17两侧的第二导电类型半导体层18外围的电子阻挡层16上设置闭合环状的第二电极20。
在本实施例中，通过两次ICP刻蚀结合光刻和电子束蒸发等工艺，形成外延台柱结构和金属电极，台柱成正方形，当然也可以为矩形、圆形或其他不规则形状，电极成闭合环状N型电极和P型电极，台柱结构暴露出高载流子浓度的二维电子气和二维空穴气和金属环状电极相连形成导电通道。
优选地，如常规工艺第一电极（N电极）19还可以设置有高反射金属层，第二电极（P电极）20也可以设置有高反射金属层。
例二：
如图5所示，其它都同例一，不同的是：
直接在最上方的第二导电类型半导体层（P型导电层）18上采用图形掩饰膜，在第二导电类型半导体层（P型导电层）18中心向下ICP刻蚀至电子阻挡层16，形成一个中心孔，然后在中心孔中制作第二电极（P电极）20，形成第二电极（P电极）20的表面暴露在第二导电类型半导体层（P型导电层）18上表面。
形成的产品与例一产品不同之处是：第二电极20的表面设置在第二导电类型半导体层18的上表面，第二电极20的内端穿过二维空穴气层17及二维空穴气层17两侧的第二导电类型半导体层18设置在电子阻挡层16上。
例三：
如图6所示，该实施例是剥离原生长衬底10、高温本征层12，采用腐蚀或者激光剥离或者采用两者混合方法实现衬底转移到转移衬底21形成垂直结构LED中的应用，不同与上述实施例1和2，该例中载流子复合发光从第一导电类型半导体面出光，在第二金属电极形成后采用键合方法实现衬底转移，该例中第一金属电极和第二金属电极位于发光层两侧对应分布。
第一电极19的表面设置在远离发光层15的第一导电类型半导体层13外侧，第一电极19的内端穿过二维电子气层14以及二维电子气层14两侧的第一导电类型半导体层13与接近发光层15的第一导电类型半导体层13接触；第二电极20的表面设置在远离第二导电类型半导体层18的一侧，第二电极20的内端穿过二维空穴气层17及二维空穴气层17两侧的第二导电类型半导体层18与电子阻挡层16接触，在第二电极20的表面键合转移衬底21。
Claims (7)
1.一种半导体发光二极管芯片，包括第一导电类型半导体层、发光层、电子阻挡层、第二导电类型半导体层、第一电极和第二电极；其特征在于所述第一导电类型半导体层为两层，在两层第一导电类型半导体层之间设置二维电子气层；所述第二导电类型半导体层为两层，在两层第二导电类型半导体层之间设置二维空穴气层；第一电极与两层第一导电类型半导体层和二维电子气层分别连接，第二电极与两层第二导电类型半导体层和二维空穴气层分别连接。
2.根据权利要求1所述半导体发光二极管芯片，其特征在于在远离发光层的第一导电类型半导体层的一侧设置衬底层，在第一导电类型半导体层和衬底层之间设置高温本征层，在二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层外围的高温本征层上设置闭合环状的第一电极；在二维空穴气层以及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层外围的电子阻挡层上设置闭合环状的第二电极。
3.根据权利要求1所述半导体发光二极管芯片，其特征在于在远离发光层的第一导电类型半导体层的一侧设置衬底层，在第一导电类型半导体层和衬底层之间设置高温本征层，在二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层外围的高温本征层上设置闭合环状的第一电极；第二电极的表面设置在第二导电类型半导体层的上表面，所述第二电极的内端穿过二维空穴气层及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层设置在电子阻挡层上。
4.根据权利要求1所述半导体发光二极管芯片，其特征在于第一电极的表面设置在远离发光层的第一导电类型半导体层外侧，第一电极的内端穿过二维电子气层以及二维电子气层两侧的第一导电类型半导体层与接近发光层的第一导电类型半导体层接触；第二电极的表面设置在远离第二导电类型半导体层的一侧，第二电极的内端穿过二维空穴气层及二维空穴气层两侧的第二导电类型半导体层与电子阻挡层接触，在第二电极的表面键合转移衬底。
5.根据权利要求1或2或3或4所述半导体发光二极管芯片，其特征在于所述二维电子气层具有高于1×1013/cm2的面电子浓度的通道。
6.根据权利要求1或2或3或4所述半导体发光二极管芯片，其特征在于所述二维空穴气层具有高于1×1013/cm2的面空穴浓度的通道。
7.根据权利要求1所述半导体发光二极管芯片，其特征在于所述第一电极采用功函数大的金属材料，第二电极采用功函数小的金属材料。
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- 2015-12-25 CN CN201510985445.4A patent/CN105449060A/zh active Pending
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