CN106025017A - 具有静电保护的发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有静电保护的发光二极管及其制作方法，其在芯片出光面上设置静电保护区、电极区和出光，在电极区上形成第一N型欧姆接触电极，在该静电保护区依次形成蚀刻截止层、隧穿结、静电保护层、第二N型欧姆接触电极构成抗静电保护结构，在当发光二极管受到静电逆向偏压时，所述抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极、静电保护结构至第二N型欧姆接触电极，避免静电逆向偏压过高造成所述发光层被破坏。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体的说是具有抗静电保护结构的发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。发光二极管的正逆向电流或电压必须经过发光层，在施加反向电压过大时会有造成芯片被击穿的可能性，导致芯片功能失效。
中国专利公开申请案CN102308397A公开了一种发光二极管和发光二极管灯，其在透明基板的底部设置第3电极，在装配成发光二极管灯时将n型欧姆电极和第3电极通过n极电极端子以成为等电位或大致等电位的方式电连接，并且从透明基板侧向P型GaP层侧的击穿电压为比PN接合型的发光部的反向电压低的值。由此，与其使在不小心地施加反向电压时发生的反向电流经由设置于发光部的上方的n型欧姆电极流到PN接合部的反向电压高的发光部，不如索性使其经由第3电极在击穿电压低的透明基与p型GaP层的接合区域流通，可以不经由发光部而逃向P型欧姆电极。因此，能够避免由不小心的反向过电流的流通引起的发光二极管的发光部的破坏。
然而，该防止逆向电压击穿发光二极的结构必须为水平板PN电极同一面的芯片结构，并不适合于垂直版芯片，此问题大大减少并且限制了LED应用的简便性。
发明内容
针对前述问题，本发明提出一种具有静电保护的发光二极管结构，其将防止逆向电压击穿结构做于LED芯片上，增加芯片质量与使用上的简便性。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种具有静电保护的发光二极管的外延片，依次包括：生长衬底；由一N型半导体层和一P型半导体层构成的静电保护层，形成于所述生长衬底之上；隧穿结，形成于所述静电保护层之上；蚀刻截止层，形成于所述隧穿结之上；N型覆盖层，形成于所述第二蚀刻截止层之上；发光层，形成于所述N型覆盖层之上；P型覆盖层，形成于所述发光层之。
采用上述外延结构设计的LED芯片结构，包括：发光部，包含P 型覆盖层、发光层和N型覆盖层，其上表面划分为出光区、电极区和静电保护区；抗静电保护结构，位于所述发光部的静电保护区之上，依次包含蚀刻截止层、隧穿结、静电保护层，所述静电保护层由一N型半导体层和一P型半导体层构成；第一N型欧姆接触电极，形成于所述发光部的电极区之上；第二N型欧姆接触电极，形成于所述静电保护层之上；当发光二极管受到静电逆向偏压时，所述抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极、静电保护结构至第二N型欧姆接触电极，避免静电逆向偏压过高造成所述发光层被破坏。作为本发明的一个较佳实施例，所述发光部位通于金属键合层粘结于导电基板上。更佳的，在发光部与金属键合层之间还可设置反射镜结构。
上述具有静电保护的发光二极管芯片的制作方法，包括步骤：1）外延生长：在生长衬底上外延生长形成外延片，其自下而上包含：生长衬底、由一N型半导体层和一P型半导体层构成的静电保护层、隧穿结、蚀刻截止层、N型覆盖层、发光层和P型覆盖层；2）转移生长衬底：提供一导电基板，通过一金属键合层与所述外延片的P型覆盖层一侧表面进行粘接，移除所述生长衬底，露出外延片的表面；3）制作抗静电保护结构：在露出的外延片表面上定义出光区、电极区和静电保护区，去除所述出光区和电极区的静电保护层、隧穿结、蚀刻截止层；4）制作电极：在所述外延片表面的电极区制作第一N型欧姆接触电极，在所述静电保护层上制作第二N型欧姆接触电极。在上述形成的发光二极管结构中，所述蚀刻截止层、隧穿结、静电保护层和第二N型欧姆接触电极构成抗静电保护结构，当发光二极管受到静电逆向偏压时，所述抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极、静电保护结构至第二N型欧姆接触电极，避免静电逆向偏压过高造成所述发光层被破坏。
优选地，所述构成静电保护层的N型半导体层同时作为N型欧姆接触半导体层。
优选地，所述静电保护层由N-GaAs层和P-GaAs层构成。
优选地，所述隧穿结由P型重掺杂层和N型重掺杂层构成，其中P重掺杂层为P++-GaAs，其掺杂浓度≥1E19，N重掺杂层为N++-GaAs，其掺杂浓度≥1E20。
优选地，所述蚀刻截止层为N型掺杂，掺杂浓度至少为1E18以上，较佳值为5E18，掺杂材料可以为Si、Te，厚度至少为1000Å以上，材料可选用InGaP 、GaP、 GaAs、 AlInP、AlAs或AlGaAs。
优选地，在所述蚀刻截止层与N型覆盖层之间还设有一N型欧姆接触半导体层。
优选地，在所述N型欧姆接触半导体层与N型覆盖层之间还设有一N型电流传输层，其掺杂浓度≥5E17，厚度≥2000nm。
优选地，所述出光区的面积大于所述静电保护区的面积。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施的一种具有静电保护的LED外延结构的侧面剖视图。
图2为采用图1所示外延结构制作的LED芯片结构的侧面剖视图。
图3为根据本发明实施的一种具有静电保护的LED芯片在正常工作模式下的电流流向示意图。
图4为根据本发明实施的一种具有静电保护的LED芯片在抗静电工作模式下的电流流向示意图。
图5为根据本发明实施的制作一种具有静电保护的LED过程剖视图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
请参看附图1，根据本发明实施的一种发光二极管的外延结构，包括：生长衬底100，第一蚀刻截止层111、静电保护层之N型层112、静电保护层之P型层113、P型重掺层114、N型重掺层115、第二蚀刻截止层116、N型欧姆接触层117、N型电流扩散层118、N型覆盖层119、多量子阱发光层120、P型覆盖层121、P型电流扩散层122和P型欧姆接触层123。
具体的，生长衬底100采用GaAs材料；第一蚀刻截止层111采用N-InGaP材料；静电保护层之N型层112采用N-GaAs材料，其可同时作为抗静电保护结构的欧姆接触半导体层；静电保护层之P型层113采用P- GaAs材料；P型重掺层114和N型重掺层115构成隧穿结，其中P重掺杂层114为P++-GaAs，其掺杂浓度≥1E19，N重掺杂层115为N++-GaAs，其掺杂浓度≥1E20；第二蚀刻截止层116为N型掺杂，掺杂浓度至少为1E18以上，较佳值为5E18，掺杂材料可以为Si、Te，厚度至少为1000Å以上，材料可选用InGaP 、GaP、 GaAs、 AlInP、AlAs或AlGaAs；N型欧姆接触层117的材料为GaAs；N型电流扩散层118为n-AlGaInP，掺杂浓度至少为7E17以上，较佳值为1E18，掺杂材料可以为Si、Te，厚度至少为1微米以上，较佳值为3微米；n型覆盖层119的材料为AlInP；有源层120为多量子阱结构；p型覆盖层121的材料可为AlInP；p型电流扩散层122的厚度为0.5~2微米，较佳值为1微米；P型欧姆接触层123的材料为p-GaP，掺杂浓度至少为8E17以上，较佳值为1E18，掺杂材料可以为Mg、Zn、C，厚度至少为5微米以上，较佳值为10微米。
下面表格列举了上述LED外延结构中各层的主要材料及其相关参数。
| 标号 | 功能 | 材料 | 厚度 (nm) | 掺杂浓度 |
| 111 | 第一蚀刻截止层 | InGaP:Si | 100 | 5E18 |
| 112 | 静电保护层之N型层与N欧姆接触半导体层1 | GaAs:Si | 100 | 1E18 |
| 113 | 静电保护层之P型层 | GaAs:C | 100 | 3E18 |
| 114 | P重掺杂隧穿结层 | GaAs:C | <20 | >5E19 |
| 115 | N重掺杂隧穿结层 | GaAs:Te | <20 | >5E19 |
| 116 | 第二蚀刻截止层 | InGaP:Si | 200 | 5E18 |
| 117 | N欧姆接触层2 | GaAs:Si | 60 | 1E18 |
| 118 | N型电流扩散层 | AlGaInP:Si | 3000 | 8E17 |
| 119 | N型覆盖层 | AlInP:Si | 500 | 8E17 |
| 120 | 发光层 | AlGaInP | 11*18 对 | - |
| 121 | P型覆盖层 | AlInP:Mg | 900 | 1E18 |
| 122 | P型电流扩散层 | AlGaInP:Mg | 25 | 2E18 |
| 123 | P欧姆接触层 | GaP:Mg | 1200 | 3E18 |
图2显示了采用上述外延结构设计的一种发光二极管的芯片结构，自下而上依次包括：P电极143、导电基板101、金属键合层132、镜面层131、P型欧姆接触层123、P型电流扩散层122、P型覆盖层121、发光层120、N 型覆盖层119、N型电流扩散层118、N型欧姆接触层117、第二蚀刻截止层116、N重掺杂隧穿结层115、P重掺杂隧穿结层114、静电保护层之P型层113、静电保护层之N型层、第一欧姆接触电极141和第二欧姆接触电极142。其中，N型电流扩散层118的上表面划分为出光区、电极区和静电保护区，N型欧姆接触层117形成于出光区和电极区，第二蚀刻截止层116、N重掺杂隧穿结层115、P重掺杂隧穿结层114、静电保护层之P型层113和静电保护层之N型层112形成于静电保护区，第一欧姆接触电极141形成于电极区的N型欧姆接触层117上，第二欧姆接触电极142形成于静电保护层之N型层112上。
在上述LED芯片结构中， N型电流扩散层118、第二蚀刻截止层116、N重掺杂隧穿结层115、P重掺杂隧穿结层114、静电保护层之P型层113和静电保护层之N型层112构成静电保护结构。将图2所述LED芯片安装于PCB板200时，其中第一N型欧姆接触电极141与PCB板200的负极接点200a连接，第二N型欧姆接触电极142和P电极143与PCB板200的正极接点200b连接，当此发光二极管施以正向偏压，电流经由P电极143到外延发光层至第一N型欧姆接触电极141，此芯片正常工作，如图3所示；当发光二极管受到静电逆向偏压时，芯片抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极141到静电保护结构至第二N型欧姆接触电极142，避免静电逆向偏压过高造成MQW发光层被破坏，导致LED失效。
下面对上述发光二极管的制作方法做简单描述。
首先，采用外延生长方法形成图1所示的外延结构。
接着，进行基板转移：在p型欧姆接触层123的表面上制作镜面层131，其包括P型欧姆接触金属层131a和高透光性介电材料层131b，两者配合一方面提供P型欧姆接触层，另一方面用于反射发光层射向下方的光线；提供一导电基板101，在其上涂布金属键合层132，将导电基板101与镜面层131进行黏合，并去除生长衬底100，裸露N型欧姆接触层112，如图5所示。
再接着，制作抗静电保护结构：在裸露出的N型欧姆接触层112表面上定义出光区、电极区和静电保护区，使用黄光化学制成技术，蚀刻去除出光区的静电保护层之N型层112、静电保护层之P型层113、P型重掺层114、N型重掺层115、第二蚀刻截止层116、N型欧姆接触层117及电极区的静电保护层之N型层112、静电保护层之P型层113、P型重掺层114、N型重掺层115、第二蚀刻截止层116，从而形成由N型电流扩散层118、第二蚀刻截止层116、N重掺杂隧穿结层115、P重掺杂隧穿结层114、静电保护层之P型层113和静电保护层之N型层112构成静电保护结构。
最后，制作N型欧姆接触电极：在电极区的N型欧姆接触层117上制作第一N型欧姆接触电极141，在静电保护区的静电保护层112上制作第二N型欧姆接触电极142，形成具有抗静电保护结构的发光二极管。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。
Claims (15)
1.具有静电保护的发光二极管外延片，依次包括：生长衬底；由一N型半导体层和一P型半导体层构成的静电保护层，形成于所述生长衬底之上；隧穿结，形成于所述静电保护层之上；蚀刻截止层，形成于所述隧穿结之上；N型覆盖层，形成于所述第二蚀刻截止层之上；发光层，形成于所述N型覆盖层之上；P型覆盖层，形成于所述发光层之。
2.根据权利要求1所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：所述构成静电保护层的N型半导体层同时作为N型欧姆接触半导体层。
3.根据权利要求1所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：所述静电保护层由N-GaAs层和P-GaAs层构成。
4.根据权利要求1所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：所述隧穿结由P型重掺杂层和N型重掺杂层构成，其中P重掺杂层为P++-GaAs，其掺杂浓度≥1E19，N重掺杂层为N++-GaAs，其掺杂浓度≥1E20。
5.根据权利要求1所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：所述蚀刻截止层的厚度≥1000
Å。
6.根据权利要求1所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：在所述蚀刻截止层与N型覆盖层之间还设有一N型欧姆接触半导体层。
7.根据权利要求6所述的具有静电保护的发光二极管外延片，其特征在于：在所述N型欧姆接触半导体层与N型覆盖层之间还设有一N型电流传输层，其掺杂浓度≥5E17，厚度≥2000nm。
8.具有静电保护的发光二极管芯片，包括：
发光部，包含P 型覆盖层、发光层和N型覆盖层，其上表面划分为出光区、电极区和静电保护区；
抗静电保护结构，位于所述发光部的静电保护区之上，依次包含蚀刻截止层、隧穿结、静电保护层，所述静电保护层由一N型半导体层和一P型半导体层构成；
第一N型欧姆接触电极，形成于所述发光部的电极区之上；
第二N型欧姆接触电极，形成于所述静电保护层之上；
当发光二极管受到静电逆向偏压时，所述抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极、静电保护结构至第二N型欧姆接触电极，避免静电逆向偏压过高造成所述发光层被破坏。
9.根据权利要求8所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：所述构成静电保护层的N型半导体层同时作为N型欧姆接触半导体层。
10.根据权利要求8所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：所述静电保护层由N-GaAs层和P-GaAs层构成。
11.根据权利要求8所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：所述隧穿结由P型重掺杂层和N型重掺杂层构成，其中P重掺杂层为P++-GaAs，其掺杂浓度≥1E19，N重掺杂层为N++-GaAs，其掺杂浓度≥1E20。
12.根据权利要求8所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：所述蚀刻截止层的厚度≥1000
Å。
13.根据权利要求8所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：在所述蚀刻截止层与N型覆盖层之间还设有一N型欧姆接触半导体层，其形成于所述N型覆盖层的整个表面之上。
14.根据权利要求13所述的具有静电保护的发光二极管芯片，其特征在于：在所述N型欧姆接触半导体层与N型覆盖层之间还设有一N型电流传输层，其掺杂浓度≥5E17，厚度≥2000nm。
15.具有静电保护的发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）外延生长：在生长衬底上外延生长形成外延片，其自下而上包含：生长衬底、由一N型半导体层和一P型半导体层构成的静电保护层、隧穿结、蚀刻截止层、N型覆盖层、发光层和P型覆盖层；
2）转移生长衬底：提供一导电基板，通过一金属键合层与所述外延片的P型覆盖层一侧表面进行粘接，移除所述生长衬底，露出外延片的表面；
3）制作抗静电保护结构：在露出的外延片表面上定义出光区、电极区和静电保护区，去除所述出光区和电极区的静电保护层、隧穿结、蚀刻截止层；
4）制作电极：在所述外延片表面的电极区制作第一N型欧姆接触电极，在所述静电保护层上制作第二N型欧姆接触电极，所述蚀刻截止层、隧穿结、静电保护层和第二N型欧姆接触电极构成抗静电保护结构，当发光二极管受到静电逆向偏压时，所述抗静电保护结构工作，电流经由第一N型欧姆接触电极、静电保护结构至第二N型欧姆接触电极，避免静电逆向偏压过高造成所述发光层被破坏。
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