CN109148662A - 具有均匀电极电场分布的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有均匀电极电场分布的发光二极管及其制备方法。该二极管沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、N‑型半导体传输层、多量子阱层、P‑型半导体传输层、P‑型重掺杂半导体传输层、电流扩展层；所述的N‑型半导体传输层部分暴露，暴露的N‑型半导体传输层上分布有N‑型欧姆电极；电流扩展层上分布有绝缘体层，绝缘体层上覆盖有P‑型欧姆电极；所述的绝缘层上图形化分布有大小相同的孔洞；所述的P‑型欧姆电极分为两部分，下部分布有与绝缘层上的孔洞匹配的柱状图形化电极，上部为整体层状结构，覆盖在绝缘层上。本发明的结构改善了电极电场分布，并解决了电极电场分布均匀之后进而改善电流拥挤问题。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管半导体技术领域，具体地说是一种具有均匀电极电场分布的发光二极管器件及其制备方法。
背景技术
宽禁带半导体材料(禁带宽度大于或等于2.3eV)被称为第三代半导体材料，主要包括SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场、热导率和更大的电子漂移饱和速度的特点。这些特性让氮化物LED发光二极管近年来在蓝光、绿光和紫外波段的光电子器件方面得到了快速的发展，并在照明探测、医学光疗、杀菌消毒、化学催化等领域上均有广泛的应用。然而，尽管氮化物LED发光二极管的亮度在不断增加，但与传统的照明系统相比，其光输出功率和光电转换效率仍然很低。
造成这个问题的其中一个重要原因是传统的P-型欧姆电极的设置：一方面，在传统的LED发光二极管结构中，P-型欧姆电极位于光路的中间，一部分通过的光会被P-型欧姆电极吸收而造成不可避免的光损失。另一方面，P-型欧姆电极的边缘电场比其内部电场小许多，电场的分布不均匀导致电极边缘积聚大量的空穴，使LED发光二极管局部区域具有高电流浓度，产生低辐射复合率和电流拥挤的问题，使LED发光二极管的效率大大降低，同时由于电流拥挤造成的局部高温区域会严重影响器件的性能和使用寿命。因此均匀的电极电场分布对改善LED发光二极管性能具有重要的意义。研究人员为改善电极电场分布的不均匀造成的电流拥挤而改造了LED发光二极管的器件结构，大都从电流的角度上进行改造，比如采用放置于电极正下方电流扩展层和P-型传输层之间的纳米SiO2电子阻挡层结构，SiO2结构改变了部分电流的流动路径，因此缓解了电流拥挤，提高了器件的输出功率(Chun-FuTsai,Yan-Kuin Su,et al.Improvement in the Light Output Power of GaN-BasedLight-Emitting Diodes by Natural-Cluster SiliconDioxide Nanoparticles as theCurrent-Blocking Layer[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.21,NO.14,JULY15,(2009))；另外，提出一种钯材料的图形化P型欧姆接触结构的LED，钯嵌入在Al电极中，这种图形化结构减少了接触层的光吸收，同时电流在纳米钯之间流动，使电流更加均匀的注入的器件中，同时，部分光在图形化钯结构之间的区域传播将被Al电极反射回出光面，从而提高光输出和器件性能(N.Lobo,H.Rodriguez,et al.Enhancement oflightextraction in ultraviolet light-emitting diodes using nanopixel contactdesign withAl reflector[J].APPLIED PHYSICS LETTERS 96,081109(2010))。上述两种结构虽然在一定程度上减缓了电流拥挤效应，但对于电极电场分布的影响并没有提及。对于第一种SiO2电子阻挡层结构，SiO2结构位于电流扩展层和P-型传输层之间来改善电流分布，此种结构对电极边缘电场改善没有明显作用；对于第二种采用钯材料的P极欧姆接触层结构，钯属于贵金属，金属嵌入在金属电极中对电极边缘电场改善没有效果，而且额外的贵金属材料也增加了制作成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供具有均匀电极电场分布的发光二极管器件及其制备方法，通过在金属电极底部嵌入绝缘体，使P型金属欧姆电极接触图形化，由于图形化的P型欧姆接触处金属电极之间的电场相互抵消，使得P-型欧姆电极边缘部位原本存在的较高电场得以削弱，从而减缓了该部位的电流拥挤现象；同时图形化欧姆接触电极也能增加光的散射效果，从而提高了发光二极管的发光效率。本发明的结构改善了电极电场分布，并解决了电极电场分布均匀之后进而改善电流拥挤问题，比当前技术中的两种器件结构上差异很大且性能上更胜一筹；另外，由于电流分布的更加均匀，有利于缓解发光二极管的局部高温现象，延长器件的使用寿命。
本发明的技术方案是：
一种具有均匀电极电场分布的发光二极管，该二极管沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、N-型半导体传输层、多量子阱层、P-型半导体传输层、P-型重掺杂半导体传输层、电流扩展层；所述的N-型半导体传输层部分暴露，暴露的N-型半导体传输层上分布有N-型欧姆电极；电流扩展层上分布有绝缘体层，绝缘体层上覆盖有P-型欧姆电极；所述的绝缘层上图形化分布有孔洞；所述的P-型欧姆电极分为两部分，下部分布有与绝缘层上的孔洞匹配的柱状图形化电极，上部为整体层状结构，覆盖在绝缘层上；
所述的绝缘层上的孔洞的图形化分布具体为中心对称、非中心对称或随机分布的不规则图形；孔洞所占面积为绝缘层面积的50～99％；绝缘层的边缘有孔洞，边缘孔洞的数量为全部孔洞数量的1～100％；
所述的图形优选为圆形、圆弧形、圆环、椭圆形或者边缘圆滑的图形；
所述的绝缘层上的孔洞的形状优选为圆形、椭圆形，相邻两个孔洞之间的间距为1～2000nm；
所述的绝缘层上图形化分布有的孔洞优选为大小相同；
所述的P-型欧姆电极的整体形状优选为圆形(投影形状与绝缘层相同，并覆盖其上)，整体的半径为10μm～150μm，上部整体层状部分的厚度为1～1000nm；
所述的N-型半导体传输层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，应保证各组分系数0≤x1≤1,0≤y1≤1，1≥1-x1-y1≥0，厚度为1～5μm；暴露部分面积所占整体的1％～20％；
所述的衬底的材质为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃，厚度为50nm～10μm；所述的缓冲层的材质为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，式中各元素的组分x2、y2和1-x2-y2均介于0和1之间，厚度为10～50nm；所述的多量子阱层的材质为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，式中各元素的组分x3、x4、y3、y4、1-x3-y3和1-x4-y4均介于0和1之间，量子垒Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的厚度为5～50nm，量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的厚度为1～15nm，且量子垒Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的禁带宽度大于量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的禁带宽度；所述的P-型半导体传输层的材质为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，式中各元素的组分x5、y5和1-x5-y5均介于0和1之间，厚度为50～500nm；所述的P-型重掺杂半导体传输层的材质为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，其中，应保证各组分系数0≤x7≤1,0≤y7≤1，1≥1-x7-y7≥0，材料掺杂为P型重掺杂，厚度为10～50nm；所述的电流扩展层的材质为ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线，厚度为10～500nm；
所述P型欧姆电极的材质为P-型欧姆电极Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al，厚度为1～3000nm；
所述N型欧姆电极的材质为N-型欧姆电极Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au，厚度为1～3000nm，其面积为N-型半导体传输层暴露部分面积的5％～95％；
所述的绝缘体层的材质为非掺杂的SiO2、Al2O3、Si3N4、AlN、LiF、金刚石或PMMA，厚度为1～2999nm；
上述具有均匀电极电场分布的发光二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)反应炉中，将衬底表面上外延生长缓冲层；在得到的缓冲层上外延生长N-型半导体传输层；在得到的N-型半导体传输层上外延生长多量子阱；在得到的多量子阱层上外延生长P-型半导体传输层和P-型重掺杂半导体传输层；在得到的P-型重掺杂半导体传输层上蒸镀电流扩展层；
第二步，在PECVD(即等离子体增强化学气相沉积法)或者ALD(原子层沉积)反应炉中，在第一步得到的电流扩展层上生长绝缘体层；
第三步，在第二步得到的绝缘体层上，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出一部分N-型半导体传输层；
第四步，在第三步得到的绝缘体层上通过光刻和ICP刻蚀来获得图形化的绝缘体层并暴露出一部分电流扩展层；
第五步，在第四步得到的图形化绝缘体层上及其周围所有暴露出的电流扩展层涂上一层光刻胶，在光刻胶上放置带有图形化的光刻板，再进行曝光处理；
第六步，曝光处理后，去掉光刻版，光刻胶受到光照后分解后，暴露出外延层最上层的电流扩展层和绝缘体层；
第七步，在第六步得到的结构上蒸镀出P-型欧姆电极，在N-型半导体传输层表面上蒸镀出N-型欧姆电极；
第八步，用胶带除掉第七步蒸镀后产生在剩余光刻胶表面上的残存金属；再除去光刻胶，依次使用去胶液、丙酮、乙醇溶液进行清洗，最终得到下部图形化的P-型欧姆电极；
由此制得本发明的所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件；
上述具有均匀电极电场分布的发光二极管器件，所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的。
本发明的实质性特点为：
本发明通过对电极结构研究，即在电极下方嵌入图形化结缘层结构，使P型金属欧姆接触图形化，通过二极管电极边缘的改进，优化电极边缘的电场分布，该均匀电极电场分布结构可以运用在任何结构的发光二极管器件上，比如倒装结构、垂直结构。本发明涉及其它外延层，图形化样式和绝缘层的材料限制少，制作工艺条件要求低，材料易获取。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著进步：
(1)本发明中的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件，其特征是在P-型欧姆电极底部嵌入图形化绝缘层，这种结构充分利用了电场之间相互抵消的特点，使任意两个电极之间的较高的边缘场强被相互抵消，从而得到均匀的电极电场分布，减弱了该部位的电流拥挤效应，从而增强了发光二极管工作时的性能，提高了发光二极管的效率。
(2)由于绝缘层和电极的折射率不同，图形化欧姆接触电极能增加光的散射效果，使更多被电极吸收的光射出器件，从而提高了二极管的光提取效率。
(3)另外，该器件设计结构一定程度上缓解了LED器件中电流拥挤效应，从而减小由器件结温升高造成的器件退化的影响，进而延长了器件的使用寿命。
(4)此外，该器件所采用圆形、椭圆结构，圆滑的边缘可避免尖端放电现象发生。
(5)本发明中具有均匀电极电场分布的发光二极管器件，与效果相近的其他器件相比，本发明只多了对P-型欧姆电极刻蚀的步骤，且没有对正常工作电压造成影响，制作工艺简单，易于操作，可重复性强，绝缘体生长的厚度所要求的精度不高，且材料易获取，选择性多，生产成本低。
附图说明
下面结合附图对本发明作近一步的说明。
图1为现有技术中的标准发光二极管外延片结构主视图。
图2为实施例1、2、3、4中，在外延层表面生长绝缘体层，并在绝缘体层上，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出N-型半导体传输层的外延片结构示意图。
图3为本发明的方法中，通过光刻和ICP刻蚀得到的图形化绝缘体层结构示意图。
图4为实施例1、2、3、4中，在绝缘体层表面均匀涂上光刻胶的结构示意图。
图5为实施例1、2、3、4中，放置光刻板并进行曝光处理后的示意图。
图6为实施例1、2、3、4中，通过蒸镀金属来制作电极的示意图。
图7为实施例1、2、3、4中，去掉多余的金属和光刻胶后所得到的具有均匀电极电场分布的发光二极管的外延片结构主视图。
图8和图9分别为实施例1和3中，对绝缘体层进行光刻和干法刻蚀工艺制作图形，所呈现出的圆柱阵列形、边缘圆柱阵列形的结构俯视图。
图10为实施例1、3中具有均匀电极电场分布的发光二极管P-型欧姆电极中任意两个电极之间的场强分布与标准发光二极管P-型欧姆电极的场强分布的对比图。
图11为实施例1、3中具有均匀电极电场分布的发光二极管P-型欧姆电极边缘位置最后一个量子肼的空穴浓度与标准发光二极管P-型欧姆电极边缘对比图。
图12为实施例1、3中具有均匀电极电场分布的发光二极管P-型欧姆电极底部有绝缘体位置最后一个量子肼的空穴浓度图。
其中，101.衬底，102.缓冲层，103.N-型半导体传输层，104.多量子阱层，105.P-型半导体传输层，106.P-型重掺杂半导体传输层，107.电流扩展层，108.P-型欧姆电极，109.N-型欧姆电极，110.绝缘体层，111.光刻胶层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
现有技术中的标准发光二极管外延片结构如图1所示，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、P-型欧姆电极108、N-型欧姆电极109。
图2所示实施例表明，本发明的方法中，在电流扩展层107上生长绝缘体层110，并在绝缘体层110上，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出N-型半导体传输层103的外延片结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、绝缘体层110。
图3所示实施例表明，本发明的方法中，通过光刻和ICP刻蚀处理绝缘体层110后的结构，绝缘体层110呈现图形化，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、绝缘体层110。
图4所示实施例表明，本发明的方法中，在绝缘体层表面均匀涂光刻胶111的结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、绝缘体层110和光刻胶层111。
图5所示实施例表明，本发明的方法中，通过放置光刻板进行曝光处理后的的结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、绝缘体层110和光刻胶层111。
图6所示实施例表明，本发明的方法中，在绝缘体层110表面和N-型半导体传输层103表面蒸镀金属而形成电极的结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、P-型欧姆电极108、N-型欧姆电极109、绝缘体层110和光刻胶层111。
图7所示实施例表明，本发明具有均匀电极电场分布的发光二极管的外延片结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107、P-型欧姆电极108、N-型欧姆电极109、绝缘体层110。
图8和图9所示实施例表明，本发明的方法中，通过光刻和干法刻蚀绝缘体层110制作出的圆柱阵列形图形和边缘圆柱阵列形图形的P-型欧姆电极的外延片结构的俯视图，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107和绝缘体层110。
实施例1
本实施例的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件如图7所示，沿着外延生长方向依次包括：外延层(衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107)，所述的N-型半导体传输层103部分暴露，暴露的N-型半导体传输层103上分布有N-型欧姆电极109；电流扩展层107上分布有绝缘体层110，绝缘体层110上覆盖有P-型欧姆电极108；所述的绝缘层110上图形化分布有大小相同的孔洞，厚度为5nm；所述的P-型欧姆电极108分为两部分，下部分布有与绝缘层110上的孔洞匹配的柱状图形化电极，上部为整体层状结构，覆盖在绝缘层110上，厚度为10nm；
所述的图形化绝缘层110的材质为非掺杂的SiO2；
所述的衬底101使用蓝宝石衬底，缓冲层102的材料为GaN，厚度为15nm；N-型半导体传输层103的材料为GaN，厚度为3μm；多量子阱层104的结构为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度设置为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度设置为4nm；P-型半导体传输层105的材料为GaN，厚度为50nm；P-型重掺杂半导体传输层106的材料为GaN，厚度为10nm；电流扩展层107的材料为ITO，厚度为10nm；P-型欧姆电极108的材质为Cr/Au；N型-欧姆电极109的材质为Cr/Au，图形化绝缘层为中心对称的圆柱阵列形图形(如图8)，绝缘体层108的材质为非掺杂的SiO2；
上述具有均匀电极电场分布的发光二极管器件外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，生长外延层：在蓝宝石衬底101在1200℃进行环境下进行烘烤，再在处理后的衬底表面上外延生长缓冲层102，材料为GaN，厚度为15nm(从而将位错缺陷进行过滤并使晶格失配产生的应力得到释放)；接下来在缓冲层102上依次生长N-型半导体传输层103，材料为GaN，厚度为3μm；多量子阱层104，结构为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度设置为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度设置为4nm；P-型半导体传输层105，材料为GaN，厚度为50nm；P-型重掺杂半导体传输层106，材料为GaN，厚度为10nm；电流扩展层107，材料为ITO，厚度为10nm；
第二步，在PECVD反应炉中，在第一步中得到的外延层最上层电流扩展层107上生长绝缘体层110，厚度为100nm，所使用的材料为非掺杂的SiO2；
第三步，在第二步得到的绝缘体层110的右侧，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出一部分N-型半导体传输层103，曝露出的N-型半导体传输层103，为90度的扇形，占总面积的5％(扇形的半径为100μm)，如图2所示；
第四步，在第三步得到的SiO2层110上进行光刻，即保留一个直径为50μm的圆形部分，刻蚀掉圆形以外的其他部分，然后再在剩余的圆形SiO2层上进行刻蚀，刻蚀中首先在圆形部分的圆心刻蚀出一个半径为9.9μm的空心圆柱(直至显露出下面的电流扩展层107的上表面)，然后以其为中心，刻蚀出第一圈(数量为12个)，进而再刻蚀出第二圈空心圆柱(数量为25个)，所述的空心圆柱均半径相同、均匀分布，相邻两个圆柱之间的距离为200nm(孔洞所占面积为绝缘层面积的90％)；最后得到图形化SiO2层；图形化SiO2层的主视图如图3所示，俯视图如图8所示(图8中孔洞数量因为篇幅有限，其数量仅取部分作为示意)；其中，绝缘层最外侧的孔洞的外沿的切点(最外沿的一点)位于绝缘层的边缘(即绝缘层边缘有孔洞分布，使所述的P-型欧姆电极的下层电极与上层的电极成为一个整体，从而有利于电子输运)；本发明所述的“绝缘层的边缘有孔洞”，即可以如本实施例这样，边缘的孔洞是完整的，也可以是孔洞跨越绝缘层的边缘(超出绝缘层的部分由于绝缘层本身所限，仅能刻蚀出部分孔洞，但剩余的部分在依然能在P-型欧姆电极108下部的蒸镀中，根据绝缘层的外沿形状，保持圆滑外沿)；
第五步，在第四步得到的图形化SiO2层110及其周围所有暴露出的电流扩展层107上均匀的涂上一层光刻胶111，在光刻胶111上放置带有如第四步中所述的孔洞分布的图形化的光刻板，进行曝光处理，如图4所示；
第六步，曝光处理后，去掉光刻版，光刻胶111受到光照后分解，暴露出外延层最上层的电流扩展层107和绝缘体SiO2层110，如图5所示；
第七步，在第六步得到的图形化结构上蒸镀金属进行制作P-型欧姆电极108，材料为Cr/Au(首先是通过蒸镀填充SiO2层110内的图形化孔洞，下形成P-型欧姆电极108的下部，然后继续蒸镀P-型欧姆电极108的上部，厚度为10nm。最后得到P-型欧姆电极108的投影面积与绝缘层110相同)，在N-型半导体传输层103表面上蒸镀金属进行制作N-型欧姆电极109，材料为Cr/Au；蒸镀后的器件如图6所示，其中用胶带除掉蒸镀产生在剩余光刻胶表面上的少量金属，再依次使用去胶液、丙酮、乙醇溶液除去P-型欧姆电极108上的光刻胶；最后通过光刻得到所需形状的N-型欧姆电极109(N-型欧姆电极109的半径为50μm的圆形，厚度为10nm)，本发明最终得到的外延片结构如图7所示(P-型欧姆电极108投影形状和绝缘层110相同，即外沿平齐)；
由此制得本发明的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件。
实施例2
本实施例的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件如图7所示，沿着外延生长方向依次包括：外延层(衬底101、缓冲层102、N-型半导体传输层103、多量子阱层104、P-型半导体传输层105、P-型重掺杂半导体传输层106、电流扩展层107)，所述的N-型半导体传输层103部分暴露，暴露的N-型半导体传输层103上分布有N-型欧姆电极109；电流扩展层107上分布有绝缘体层110，绝缘体层110上覆盖有P-型欧姆电极108；所述的绝缘层110上图形化分布有大小相同的孔洞，厚度为5nm；所述的P-型欧姆电极108分为两部分，下部分布有与绝缘层110上的孔洞匹配的柱状图形化电极，上部为整体层状结构，覆盖在绝缘层110上，厚度为15nm；
所述的图形化绝缘层110的材质为非掺杂的Al2O3；
所述的衬底101使用蓝宝石衬底，缓冲层102的材料为AlN，厚度为15nm；N-型半导体传输层103的材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为4μm；多量子阱层104的结构为5个周期的Al0.53Ga0.47N/Al0.44Ga0.56N层，其中量子垒Al0.53Ga0.47N的厚度设置为11nm，量子阱Al0.44Ga0.56N的厚度设置为3nm；P-型半导体传输层105的材料为Al0.40Ga0.60N，厚度为10nm；P-型重掺杂半导体传输层106的材料为GaN，厚度为15nm；电流扩展层107的材料为ITO，厚度为10nm；P-型欧姆电极108的材质为Ni/Au；N型-欧姆电极109的材质为Ni/Au，图形化绝缘层为中心对称的椭圆柱阵列形图形，绝缘体层108的材质为非掺杂的Al2O3；
上述具有均匀电极电场分布的发光二极管器件外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，生长外延层：在蓝宝石衬底101上，生长缓冲层102，材料为AlN，厚度为15nm；接着依次生长N-型半导体传输层103，材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为4μm；多量子阱层104，结构为5个周期的Al0.53Ga0.47N/Al0.44Ga0.56N层，其中量子垒Al0.53Ga0.47N的厚度设置为11nm，量子阱Al0.44Ga0.56N的厚度设置为3nm；P-型半导体传输层105，材料为Al0.40Ga0.60N，厚度为10nm；P-型重掺杂半导体传输层106，材料为GaN，厚度为15nm；电流扩展层107，材料为ITO，厚度为10nm；
第二步，在ALD反应炉中，在第一步中得到的外延层最上层电流扩展层107上生长绝缘体层110，厚度为50nm，所使用的材料为非掺杂的Al2O3；
第三步，在第二步得到的绝缘体层110的右侧，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出一部分N-型半导体传输层103，曝露出的N-型半导体传输层103，为90度的扇形，占总面积的5％，如图2所示；
第四步，在第三步得到的Al2O3层110上进行光刻，即保留一个直径为50μm的圆形部分，刻蚀掉圆形以外的其他部分，然后再在剩余的圆形Al2O3层上进行刻蚀，刻蚀中首先在圆形部分的圆心刻蚀出一个空心椭圆柱，椭圆柱上下表面的椭圆长轴为5μm，短轴为4μm，然后以其为中心，刻蚀出第一圈，进而再刻蚀出第二圈空心椭圆柱，所述的空心椭圆柱中椭圆面的长轴短轴均相同、均匀分布，相邻两个圆柱之间的距离为150nm；最后得到图形化Al2O3层；图形化Al2O3层的主视图如图3所示；
第五步，在第四步得到的图形化Al2O3层110及其周围所有暴露出的电流扩展层107上均匀的涂上一层光刻胶111，在光刻胶111上放置带有如第四步中所述的孔洞分布的图形化的光刻板，进行曝光处理，如图4所示；
第六步，曝光处理后，去掉光刻版，光刻胶111受到光照后分解，暴露出外延层最上层的电流扩展层107和绝缘体Al2O3层110，如图5所示；
第七步，在第六步得到的图形化结构上蒸镀金属进行制作P-型欧姆电极108，材料为Ni/Au，在N-型半导体传输层103表面上蒸镀金属进行制作N-型欧姆电极109，材料为NiAu；蒸镀后的器件如图6所示，其中用胶带除掉蒸镀产生在剩余光刻胶表面上的少量金属，再依次使用去胶液、丙酮、乙醇溶液除去P-型欧姆电极108上的光刻胶；最后通过光刻得到所需形状的N-型欧姆电极109，本发明最终得到的外延片结构如图7所示；
由此制得本发明的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件。
实施例3
除电流扩展层107使用的材料为石墨烯；绝缘体层110先在中间光刻出一个半径为40μm的圆柱孔洞，接着在绝缘体层110边缘光刻出一圈圆柱孔洞，边缘上每两个圆柱孔洞之间的距离为200nm，半径为9.9μm，与中心圆柱孔洞的距离为200nm(俯视图如图9)，其他同实施例1。
实施例4
除电流扩展层107使用的材料为铝；绝缘体层110先在中间光刻出一个半径为35μm的圆柱孔洞，接着在绝缘体层110边缘光刻出一圈椭圆柱孔洞，边缘上每两个椭圆柱孔洞之间的距离为150nm，椭圆柱上下表面的椭圆长轴为5μm，短轴为4μm，与中心圆柱孔洞的距离为200nm，其他同实施例2。
图10、图11和图12采用APSYS仿真，适用于实例1和3
图10所示曲线表明，具有均匀电极电场分布的发光二极管两个电极之间的场强明显小于标准发光二极管，随着两个电极的距离越近，电场越均匀，这是由于电场之间相互抵消的作用。以此类推，当电极边缘被分为很多个小电极时，电极边缘整体的场强会减小。P-型欧姆电极边缘场强降低了，会引起该位置处的空穴浓度得到降低，进而对电极边缘的电流拥挤现象起到了缓解的作用，并且得到了更好的电流扩展效应。
图11所示曲线表明，具有均匀电极电场分布的发光二极管，其P-型欧姆电极边缘的空穴浓度小于标准发光二极管的电极边缘，空穴浓度减小即电流扩展效果好，而且两个电极之间距离越近(绝缘层的宽度越窄)，空穴浓度越低，电流扩展效果越好。
图12所示曲线表明，具有均匀电极电场分布的发光二极管，其P-型欧姆电极底部嵌入绝缘层处的空穴浓度随两个电极之间距离减小(绝缘层的宽度变窄)而变得均匀，从而改善了电流拥挤。
上述具有均匀电极电场分布的发光二极管器件，所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (9)
1.一种具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为该二极管沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、N-型半导体传输层、多量子阱层、P-型半导体传输层、P-型重掺杂半导体传输层、电流扩展层；所述的N-型半导体传输层部分暴露，暴露的N-型半导体传输层上分布有N-型欧姆电极；电流扩展层上分布有绝缘体层，绝缘体层上覆盖有P-型欧姆电极；所述的绝缘层上图形化分布有孔洞；所述的P-型欧姆电极分为两部分，下部分布有与绝缘层上的孔洞匹配的柱状图形化电极，上部为整体层状结构，覆盖在绝缘层上；
所述的绝缘层上的孔洞的图形化分布具体为中心对称、非中心对称或随机分布的不规则图形；孔洞所占面积为绝缘层面积的50～99％；绝缘层的边缘有孔洞，边缘孔洞的数量为全部孔洞数量的1～100％；
所述的图形为圆形、圆弧形、圆环、椭圆形或者边缘圆滑的图形。
2.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述的绝缘层上的孔洞的形状为圆形、椭圆形，相邻两个孔洞之间的间距为1～2000nm。
3.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述的绝缘层上图形化分布有的孔洞大小相同。
4.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述的P-型欧姆电极的整体形状为圆形(投影形状与绝缘层相同，并覆盖其上)，整体的半径为10μm～150μm，上部整体层状部分的厚度为1～1000nm。
5.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述P型欧姆电极的材质为P-型欧姆电极Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al，厚度为1～3000nm。
6.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述N型欧姆电极的材质为N-型欧姆电极Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au，厚度为1～3000nm，其面积为N-型半导体传输层暴露部分面积的5％～95％。
7.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述的绝缘体层的材质为非掺杂的SiO2、Al2O3、Si3N4、AlN、LiF、金刚石或PMMA，厚度为1～2999nm。
8.如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管，其特征为所述的N-型半导体传输层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，应保证各组分系数0≤x1≤1,0≤y1≤1，1≥1-x1-y1≥0，厚度为1～5μm；暴露部分面积所占整体的1％～20％；
所述的衬底的材质为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃，厚度为50nm～10μm；
所述的缓冲层的材质为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，式中各元素的组分x2、y2和1-x2-y2均介于0和1之间，厚度为10～50nm；
所述的多量子阱层的材质为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，式中各元素的组分x3、x4、y3、y4、1-x3-y3和1-x4-y4均介于0和1之间，量子垒Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的厚度为5～50nm，量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的厚度为1～15nm，且量子垒Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的禁带宽度大于量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的禁带宽度；
所述的P-型半导体传输层的材质为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，式中各元素的组分x5、y5和1-x5-y5均介于0和1之间，厚度为50～500nm；
所述的P-型重掺杂半导体传输层的材质为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，其中，应保证各组分系数0≤x7≤1,0≤y7≤1，1≥1-x7-y7≥0，材料掺杂为P型重掺杂，厚度为10～50nm；
所述的电流扩展层的材质为ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线，厚度为10～500nm。
9.如如权利要求1所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)反应炉中，将衬底表面上外延生长缓冲层；在得到的缓冲层上外延生长N-型半导体传输层；在得到的N-型半导体传输层上外延生长多量子阱；在得到的多量子阱层上外延生长P-型半导体传输层和P-型重掺杂半导体传输层；在得到的P-型重掺杂半导体传输层上蒸镀电流扩展层；
第二步，在PECVD或者ALD反应炉中，在第一步得到的电流扩展层上生长绝缘体层；
第三步，在第二步得到的绝缘体层上，通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，曝露出一部分N-型半导体传输层；
第四步，在第三步得到的绝缘体层上通过光刻和ICP刻蚀来获得图形化的绝缘体层并暴露出一部分电流扩展层；
第五步，在第四步得到的图形化绝缘体层上及其周围所有暴露出的电流扩展层涂上一层光刻胶，在光刻胶上放置带有图形化的光刻板，再进行曝光处理；
第六步，曝光处理后，去掉光刻版，光刻胶受到光照后分解后，暴露出外延层最上层的电流扩展层和绝缘体层；
第七步，在第六步得到的结构上蒸镀出P-型欧姆电极，在N-型半导体传输层表面上蒸镀出N-型欧姆电极；
第八步，用胶带除掉第七步蒸镀后产生在剩余光刻胶表面上的残存金属；再除去光刻胶，依次使用去胶液、丙酮、乙醇溶液进行清洗，最终得到下部图形化的P-型欧姆电极；
由此制得本发明的所述的具有均匀电极电场分布的发光二极管器件。
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