CN106129210A - 一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，属于半导体光电子技术领域。该发光二极管包括P电极、电流扩展层、绝缘区、窗口层、上限制层、有源区、下限制层、缓冲层、N电极。通过离子注入的方法，注入深度达到有源区，能够使P电极下方的有源区绝缘，阻止了P电极正下方的电流输运，P电极流入的电流会横向扩展流入到周围的有源区，解决了P电极下方有源区发出的光被P电极阻挡和吸收的问题，改善了电流的扩展，提高了器件的光提取效率和发光强度。同时，采用本发明中有源区绝缘化的方法不会在器件表面产生台阶，不会影响器件的表面平整，提高了器件的可靠性。工艺简单、成本较低，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的LED(发光二极管)器件结构，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
目前，普通的正装LED的结构如图1所示，从上到下的结构依次为：P电极1、窗口层2、上限制层3、有源区4、下限制层5、缓冲层6、N电极7。通过流入电流，电子空穴对在有源区复合发光，光从LED的正面发射出来，但是目前此种结构LED存在一些问题：
1)P电极正下方有源区发出的光会被电极阻挡和吸收，而流入电极下方的电流占总电流的比例较大，这部分的光不会从LED表面发出，反而会被电极吸收造成发热，影响LED器件的可靠性。
2)窗口层的电流扩展性不好，造成流入LED有源区的电流分布不均，电极正下方的电流密度高，发热严重。
目前，针对P电极挡光和电流扩展性不好两个问题，有人提出了在P电极下方插入电流阻挡层(Current Blocking Layer，CBL)的方法，如图2所示：此种方法是通过在电极下方插入二氧化硅(SiO2)或其他的绝缘材料形成电流阻挡层8，再在电流阻挡层上面镀一层氧化铟锡(ITO)作为电流扩展层9。此方法虽然能够起到电流阻挡的作用，并改善了LED的特性，但是流入的电流在一定程度上仍会绕过电流阻挡层，流入到电极的正下方的有源区。同时，由于电流阻挡层有一定的厚度，导致最后的电流扩展层ITO势必会产生台阶，台阶处的电阻值大电流密度高会导致发热严重，影响器件的可靠性。针对产生的台阶问题，又有人提出了将电流阻挡层嵌入窗口层中的想法，在窗口层的位置通过刻蚀的方法在窗口层上刻蚀一个凹槽，在凹槽内做电流阻挡层将凹槽填平，这样就不会产生台阶，如图3所示。但是此种方法不仅工艺复杂，而且电流阻挡层难以将凹槽填平，势必会产生一定误差，同时，仍然难以避免电流绕过阻挡层流入到P电极下方有源区的这种情况。
目前，工业上主要采用厚窗口层的工艺，如图4所示，将窗口层做厚，以此来达到电流扩展的效果，同时，厚的窗口层可以增加侧壁出光，提高光提取效率，但仍旧避免不了P电极对有源区发光的阻挡和吸收。
发明内容
本发明的目的是提供一种电极下方有源区绝缘化的发光二极管，能够同时解决P电极挡光和电流扩展的问题，并且不会像插入电流阻挡层那样出现电流绕过阻挡层流入电极下方有源区的情况，大大提高了光提取效率，而且制作工艺简单、成本低，最后能够得到高光功率、高亮度、可靠性高的新型发光二极管。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，该发光二极管包括P电极1、电流扩展层9、绝缘区10、窗口层2、上限制层3、有源区4、下限制层5、缓冲层6、N电极7；电流扩展层9、窗口层2、上限制层3、有源区4、下限制层5、缓冲层6、N电极7从上往下依次布置，P电极1设置在电流扩展层9的顶部中间位置，绝缘区10设置在窗口层2、上限制层3、有源区4的中间区域，绝缘区10设置在下限制层5的中间部分区域。
本发明的一种电极下方有源区绝缘化的发光二极管，还可以是图7所示结构。
一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，该发光二极管包括P电极1、窗口层2、上限制层3、有源区4、下限制层5、缓冲层6、N电极7、绝缘区10；窗口层2、上限制层3、有源区4、下限制层5、缓冲层6、N电极7从上往下依次布置，P电极1设置在电流扩展层9的顶部中间位置，绝缘区10设置在窗口层2的中间区域。
如图5所示，本发明通过离子注入(如：H+)方法使P电极下方的有源区4绝缘化形成绝缘区域，注入深度达到有源区4，绝缘区不导电，因而电流不会流入这部分区域，而会自然扩展到周围的有源区，这样就阻止了电流向P电极正下方有源区的流入，解决的P电极对正下方有源区发光的阻挡和吸收，能够大大提高光强，同时，由于绝缘区的存在，电流要先向周围扩展然后流入有源区，因而电流扩展性将会改善。同时，采用绝缘化的方法工艺简单，不会产生台阶问题，LED的可靠性能够大大提高。离子注入(如：H+)是通过高能离子注入有源区将有源区的晶格结构破坏，会产生许多缺陷，这些缺陷可以形成陷阱俘获电子和空穴，因而在流入的地方会形成绝缘区，同时也不具有原来的晶格结构。在窗口层上增加一层电流扩展层，提高出光效率，改善绝缘化后的电极的接触电阻，增加电流扩展。实验结果显示，在器件尺寸为150μm×150μm，流入区为45微米半径圆形，20mA电流下，如图5所示的结构的电极下方有源区绝缘化LED的平均光功率为0.49mW，平均光强为227.8mcd，如图6所示的电极下方有源区绝缘化的LED的平均光功率为0.28mW，平均光强为138.5mcd，平均光功率提高75％，平均光强提高64.5％。且绝缘化后的LED的远场发散角比未绝缘化的LED的远场发散角大10度左右，说明采用电极下方有源区绝缘化结构的LED的电流扩展有明显改善。
对于离子注入使有源区绝缘化的方法，本发明中采用硬质金属掩膜版作为离子注入的掩膜。将硬质金属掩膜版紧贴器件表面作为离子注入掩膜，注入后只需将金属掩膜版揭去即完成注入。此种采用硬质金属掩膜版作为注入掩膜的方法操作快捷、工艺简单，而且金属掩膜版可以重复使用，大大降低了离子注入的成本。目前现有的硬质金属掩膜的厚度约为几十微米，图案的最小尺寸可以做到20微米左右，完全满足离子注入对掩膜的要求。
本发明中采用的电极下方有源区绝缘化的方法既可以用在红光LED上，也可以用在正装蓝光LED和倒装垂直结构的蓝光LED上。
本发明中采用的有源区绝缘化方法可以是离子注入、高等激光束等一些既可以产生绝缘区，又不会对器件表面的平整造成破坏的技术方法。
本发明中采用的离子注入的注入深度是达到有源区，能够将电极下方的有源区绝缘化。
本发明中电流扩展层所采用材料可以是氧化铟锡(ITO)，导电树脂，石墨烯，也可以是其他的导电、透光的材料。
本发明中离子注入所采用的离子注入掩膜既可以是氧化硅，氮化硅，光刻胶等需沉积或旋涂上去的材料，也可以是直接采用硬质金属掩膜版紧贴器件表面充当掩膜。
本发明中采用的LED的尺寸为150μm×150μm，绝缘区域的尺寸为90μm直径的圆形，P电极的尺寸为90μm直径的圆形，也可以是其他尺寸。
本发明的优越性：
1.采用电极下方有源区绝缘化的方法，可以有效的阻止P电极正下方的电流输运，而是改为电极周围的横向输运扩展，从而能够大幅提高发光效率和光提取效率。
2.电流的横向输运和扩展得到增强，P电极下方不发光，不会产生无法输出的光和热，所以器件有更好的热饱和特性，更加有利于大电流下工作。
3.P电极下方的有源区绝缘化之后能够完全阻止电流流入，因而不会出现采用电流阻挡层工艺时电流绕过阻挡层后流入到P电极正下方有源区的情况。
4.采用离子注入的方法使有源区绝缘化，不会对器件表面的平整性造成损坏，因而蒸镀ITO和制作P电极的时候不会产生台阶，相较此前采用电流阻挡层工艺的LED的可靠性大大提高。
5.采用离子注入的方法使有源区绝缘化工艺简单方便，大规模工业生产时成本较低。
6.采用硬质金属掩膜版作为离子注入的掩膜，此工艺简单、方便、快捷，同时硬质金属掩膜版可以重复使用，降低了离子注入的成本。
附图说明
图1：普通的正装结构LED的结构示意图；
图2：带有CBL电流阻挡层的LED结构示意图；
图3：将CBL电流阻挡层嵌入窗口层中的LED的结构示意图；
图4：厚窗口层结构的LED的结构示意图；
图5：电极下方有源区绝缘化的LED的结构示意图；
图5-1：沉积二氧化硅阻挡层后的外延片结构示意图；
图5-2：经过光刻、溅射镍、剥离后的外延片结构示意图；
图5-3：对二氧化硅采用感应耦合等离子体刻蚀和BOE湿法腐蚀后的结构示意图；
图5-4：质子注入绝缘化后的LED外延片结构示意图；
图5-5：镀上电流扩展层ITO后的LED结构示意图；
图5-6：将硬质金属掩膜版作为离子注入掩膜的结构示意图；
图5-7：离子注入后将金属掩膜版揭去的示意图；
图6：未采用电极下方有源区绝缘化的LED的结构示意图；
图7：对厚GaP(Mg)窗口层进行离子注入绝缘化后的LED结构示意图；
具体实施方式
本发明的实施通过以下三个实施例给予说明。
实施例1：
如图5所示，以AlGaInP LED为例，采用电极下方有源区质子注入(H+注入)的方法对有源区进行绝缘化，质子注入的掩膜采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积一层3μm厚二氧化硅。该器件有以下各部分组成：P电极1，绝缘区10，窗口层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，缓冲层6，N电极7，其中窗口层为2μm厚的GaP(Mg)，上限制层为0.5μm厚的Al0.5In0.5P。若要使质子(H+)注入的深度到达有源区，通过TRIM软件模型确定注入两次，两次注入的能量分别为225keV，300keV，注入的剂量均为3e15/cm3。其制备过程和方法如下：
S1外延片清洗，在LED窗口层上通过PECVD外延一层3μm厚的二氧化硅层11。如图5-1所示。
S2采用正胶光刻出注入孔的图案，然后在二氧化硅层上溅射一层300nm厚的镍(Ni)12，然后剥离，露出注入孔，注入孔的大小为90μm直径圆形。如图5-2所示。
S3采用感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)对二氧化硅层11进行干法刻蚀，刻蚀到二氧化硅厚度剩余100nm左右时改用BOE溶液进行湿法腐蚀将二氧化硅腐蚀干净。如图5-3所示。
S4进行质子注入，注入两次，能量分别为225keV，300keV，注入的剂量均为3e15/cm3，注入后将二氧化硅层11和Ni层12分别用腐蚀液去除干净。如图5-4所示。
S5蒸镀一层ITO作为电流扩展层9。如图5-5所示。
S6通过光刻，溅射，剥离的工艺制作正面P电极，P电极为15nm Ti/300nm Au，大小为90μm直径圆形；然后磨片，溅射背面N电极，N电极为50nm AuGeNi/300nm Au，最后得到如图5所示器件结构，该LED的尺寸为150μm×150μm。
在20mA电流下该型器件的光功率为0.49mW，较同结构未进行有源区绝缘化的LED的光功率提高75％。
实施例2：
如图5所示，以AlGaInP LED为例，采用质子注入进行有源区绝缘化的方法，质子注入的阻挡层采用硬质金属掩膜版，具体步骤如下：
S1外延片清洗，将已经做好注入孔图案的硬质金属掩膜版13紧贴器件表面，如图5-6所示。
S2依照实施例1中的注入参数进行质子注入，注入后将硬质金属掩膜版揭去，如图5-7所示。
S3之后工艺步骤参照实施例1中的工艺。
实施例3：
如图7所示，以AlGaInP LED为例，对于目前工业上常用的8um厚的GaP(Mg)作为窗口层的LED结构，本发明采用深质子注入的工艺来进行绝缘化。由于目前所使用设备的深质子注入最大深度的限制(约为5μm)，绝缘区不能到达有源区，但是仍能很大程度提高发光效率和光提取效率，工艺步骤如下：
S1外延片清洗，采用硬质金属掩膜版作为质子注入的掩膜，将硬质金属掩膜版紧贴外延片表面。
S2进行深注入，采用两次注入，流入功率分别为420keV，500keV，两次注入剂量均为3e15/cm3。注入后将金属掩膜版揭去。注入孔的大小为88μm直径的圆形。
S3通过光刻，溅射，剥离的工艺制作正面P电极，P电极为15nm Ti/300nm Au，大小为94μm直径圆形；然后磨片，溅射背面N电极，N电极为50nm AuGeNi/300nm Au，最后得到如图5所示器件结构，该LED的尺寸为150μm×150μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和构思的前提下作出的任何修改、替换和改进等，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：该发光二极管包括P电极(1)、电流扩展层(9)、绝缘区(10)、窗口层(2)、上限制层(3)、有源区(4)、下限制层(5)、缓冲层(6)、N电极(7)；电流扩展层(9)、窗口层(2)、上限制层(3)、有源区(4)、下限制层(5)、缓冲层(6)、N电极(7)从上往下依次布置，P电极(1)设置在电流扩展层(9)的顶部中间位置，绝缘区(10)设置在窗口层(2)、上限制层(3)、有源区(4)的中间区域，绝缘区(10)设置在下限制层(5)的中间部分区域。
2.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：该发光二极管的另一种结构包括P电极(1)、窗口层(2)、上限制层(3)、有源区(4)、下限制层(5)、缓冲层(6)、N电极(7)、绝缘区(10)；窗口层(2)、上限制层(3)、有源区(4)、下限制层(5)、缓冲层(6)、N电极(7)从上往下依次布置，P电极(1)设置在电流扩展层(9)的顶部中间位置，绝缘区(10)设置在窗口层(2)的中间区域。
3.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：绝缘区(10)的深度穿过有源区，能够使P电极下方的有源区完全绝缘，完全阻挡了向P电极正下方有源区流入的电流。
4.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：绝缘区(10)的引入不仅适用于正装红光LED，也适用于正装蓝光LED和倒装垂直结构的蓝光LED。
5.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：绝缘的工艺方法是离子注入或者是高能激光束。
6.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：离子注入的掩膜是沉积二氧化硅等充当掩膜，或是硬质金属掩膜版紧贴外延片表面充当掩膜。
7.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：在窗口层(2)上引入电流扩展层(9)，以此来增加电流扩展，降低接触电阻。
8.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：绝缘区(10)只需保证在电极正下方。
9.根据权利要求1所述的一种电极下方有源区绝缘化的高光提取效率发光二极管，其特征在于：该发光二极管不需要电流扩展层(9)，P电极(1)尺寸只需要略大于绝缘区(10)的尺寸，通过P电极(1)的边缘与窗口层(2)接触的部分向有源区流入电流。
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| CN101341604A (zh) * | 2005-12-23 | 2009-01-07 | 奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司 | 具有电流扩展层的发光二极管芯片及其制备方法 |
| CN101388431A (zh) * | 2008-11-07 | 2009-03-18 | 沈光地 | 电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法 |
| CN104037279A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-09-10 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 一种具有电流阻挡层的发光二极管的制作方法 |
-
2016
- 2016-06-22 CN CN201610460910.7A patent/CN106129210A/zh active Pending
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