CN1338783A

CN1338783A - 半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法

Info

Publication number: CN1338783A
Application number: CN00120889A
Authority: CN
Inventors: 刘祥林; 陆大成; 王晓晖; 袁海荣
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2000-08-15
Filing date: 2000-08-15
Publication date: 2002-03-06
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: CN1133217C

Abstract

半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法,包括:在半导体面发光器件的n区(或p区)具有增强平行于p－n结平面的电子迁移率的二维电子气(二维空穴气),以及在光输出面具有增强透光性网格状的电极。含有新结构的半导体面发光器件(如:发光二极管,面输出的激光二极管等)具有光输出效率高,整个发光面发光均匀,避免了对厚度要求极其苛刻的金属透明电极,或减少了器件的厚度,以及由此带来制作成本低廉的优点。

Description

半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法

本发明涉及半导体器件，特别是指一种半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法。

半导体面发光器件涉及以下内容：按器件功能划分则包括发光二极管和面发射激光二极管等光发射半导体器件；按材料划分则包括以砷化镓为代表的III族砷化物面发光器件，以磷化铟(磷化铟镓，磷化镓)为代表的III族磷化物面发光器件，以氮化镓为代表的III族氮化物面发光器件，以硫(硒)化锌为代表的II-VI族化合物面发光器件，等等。

发光二极管是在显示、控制、通讯领域用量极大的元件。由于发光二极管的寿命长，耗电低，目前在仪器仪表显示领域已经几乎完全取代了传统的显示灯泡。随着红、绿、蓝高亮度和超高亮度发光二极管的出现，满足当前对全彩色户外显示的需要，目前大部分大屏幕户外显示屏都是用发光二极管制成的。高亮度红、黄、绿(或蓝)发光二极管如应用于交通信号标志，与传统的白炽灯相比，在同样发光强度下电能可节省70～80％，寿命长40～50倍。高亮度长寿命发光二极管交通信号灯，电能和维修费用大大降低。半导体激光二极管是光盘存储，通讯等领域不可缺少的光电子器件，市场前景广阔，是目前世界上研究的热点。

常规的发光二极管或激光二极管结构大体上包含一个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)，以及由p区和n区交界处组成的p-n结。半导体发光器件所发出的光就是从p-n结产生的。另外，为了能给器件通电，分别在p区和n区的器件外侧各有一个p电极和n电极，它们一般是用通常不能透光的金属材料制成。常规的发光二极管或激光二极管器件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)的厚度只有1微米，甚至小于1微米。为了方便，我们把横向尺寸远大于厚度尺寸的区域(无论是p区还是n区)定义为“薄区”，而把横向尺寸与厚度尺寸接近甚至大于厚度尺寸的区域(无论是p区还是n区)定义为“厚区”。由于薄区的几何尺寸的特点，使得薄区中横向电阻远大于纵向电阻，薄区中的电流只能纵向流动而几乎不能横向流动，即电流只能垂直于p-n结流动而几乎不能平行与p-n结流动。电流不能在薄区中横向扩展，薄区的电极范围决定了薄区中电流的范围。由于薄区的特性，使得含有薄区的半导体面发光器件中具有以下缺点：(1)因为器件中电流不均匀，所以器件发光不均匀，有效发光面积减小；(2)薄区电极正投影处的p-n结区域发光最强，但该处正好被薄区电极遮挡，器件所发出的光不能有效地透出。为了解决这些问题，一般采用以下三中方法：(1)将薄区电极覆盖整个薄区，利用金属具有良好的导电性这一特点，将电流横向扩展至整个薄区。虽然这种方法解决了电流横向扩展的问题，器件中发光均匀，但是器件所发出的光还是被电极遮挡，不能有效地透出。(2)将薄区的厚度加厚，变成厚区。这种方法增加了材料的厚度，由此带来材料的生长时间延长，增加了器件的制作成本。(3)采用极薄厚度的“透明”金属电极。金属一般是不透明的，但厚度减薄到一定程度后也会有一定的透光性。在保证电流横向扩展的前提下，尽量将薄区的金属电极减薄至“透明”状态并将该“透明”电极覆盖整个薄区。这是目前氮化物发光二极管最广泛采用的方法。虽然该方法原则上解决了横向电流扩展和透光的矛盾，但是对厚度要求极其严格的透明金属电极的制作工艺复杂，增加了器件的成本。

本发明的目的是提供一种半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法，既解决了薄区中横向电流扩展和发光器件的透光性之间的矛盾，又避免制作工艺复杂，制作成本高的问题。

为了实现本发明的目的，该方法包括以下两个方面：

1.在器件薄区含有连续生长与薄区同型(n型或p型)但禁带宽度不同的两种半导体材料。在这两种材料的界面处形成一层具有增强横向电流扩展的二维结构。在器件的薄区中可以含一层二维结构或多层二维结构。

2.在器件的透光面采用类似经线和纬线等相互交织的网状结构的金属电极，并在其中具有可供器件电极引线的金属焊盘。

为了更好地说明本发明的意义，下面对以上所提到的词汇作进一步解释。

所说的“面发光器件”，指的是器件发出的光是从平行于p-n结的平面发出的发光器件。按器件功能划分则包括发光二极管和面发射激光二极管等光发射半导体器件；按制备器件的材料划分则包括以砷化镓为代表的III族砷化物面发光器件，以磷化铟(磷化铟镓，磷化镓)为代表的III族磷化物面发光器件，以氮化镓为代表的III族氮化物面发光器件，以硫(硒)化锌为代表的II-VI族化合物面发光器件，等等；按器件发出的光的波长划分，可以是可见光，红外光和紫外光等。

所说的“III族砷化物”，包括砷化镓，砷化铝镓，砷化铟镓，砷化铟铝镓。

所说的“III族磷化物”，包括磷化镓，磷化铝镓，磷化铟镓，磷化铟铝镓。

所说的“III族氮化物”，包括氮化镓，氮化铝镓，氮化铟镓，氮化铟铝镓。

所说的“II-VI族化合物”，包括硫化锌，硒化锌，硫硒化锌，等。

所说的“薄区”，可以是器件的p区，也可以是器件的n区。指的是器件中横向尺寸远大于厚度尺寸的区域。

所说的“与薄区同型”含义如下：如果薄区为器件的n区，则连续生长禁带宽度不同的两种半导体材料也为n型；如果薄区为器件的p区，则连续生长禁带宽度不同的两种半导体材料也为p型。

所说的“禁带宽度不同的两种半导体材料”，指的是该两种半导体材料中，导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差值不同；即该两种半导体材料中，导带底的能量之间或(和)价带顶的能量之间有一个能量突变。

所说的“连续生长”，指的是禁带宽度不同的两种半导体材料叠在紧相邻处，但顺序可以颠倒。例如：A代表禁带宽度大的半导体材料，B代表禁带宽度小的半导体材料，那么A、B两者必须相邻，但可以是AB顺序，也可以是BA顺序，即可以A更靠近p-n结，也可以B更靠近p-n结。

所说的“横向电流”，指的是平行于器件p-n结的电流。

所说的“纵向电流”，指的是垂直于器件p-n结的电流。

所说的“二维结构”，可以是二维电子气，也可以是二维空穴气，依薄区为器件n区还是器件p区而定。如果薄区为器件n区，则“二维结构”为二维电子气；如果薄区为器件p区，则“二维结构”为二维空穴气。

所说的“一层二维结构”和“多层二维结构”含义如下：以A代表禁带宽度大的半导体材料，B代表禁带宽度小的半导体材料，那么由AB的界面组成了“一层二维结构”；如果器件中含有A-B-A-B…，那么由每一个AB界面就组成了一层二维结构(如：A-B-A-B中有三层二维结构)，于是就称“多层二维结构”。

所说的“网状结构的金属电极”，指的是金属电极没有铺满整个平面，而是在平面中具有许多空洞。“网状结构”可以是矩形结构(类似经线和纬线)，也可以是六边形结构(类似蜂巢)，以及其它任意能铺满平面的结构。

所说的“二维结构”和“网状结构的金属电极”，可以在一个器件中单独使用，也可以在一个器件中联合使用。

由于在本发明的器件结构中，在器件薄区引进了二维结构，而二维结构具有增强横向电流扩展并且不增强(甚至减弱)纵向电流的作用，大大增强了电流在器件薄区的横向扩展程度。

由于在器件薄区引进了网状电极结构，该网状结构把器件的薄区分割成许多小块。针对每一小块而言，薄区的横向几何尺寸大大缩小，而薄区的厚度没有变化。由于横向尺寸缩小，电流在器件薄区的横向扩展程度大大增强。

与以往的技术相比，该发明具有以下意义：

1、在以往的氮化镓(蓝色和绿色)发光二极管制备中，为了能使电流在薄区(p区)中横向扩展，通常采用“透明”金属电极。而该电极对厚度要求非常严格，电极太厚则不透明，电极太薄则不连续，电流不能扩展。严格的厚度要求势必增加器件成本，降低器件的成品率。除此以外，“透明”金属电极和电极引线的金属焊盘不能在同一道工序制备，必须采用两道工序。相比之下，本发明采用对厚度要求不严格的网状电极，并且网状电极和电极引线的金属焊盘在同一道工序中制备。这样大大提高了器件的成品率，降低了器件成本。

2、在以往的磷化铟镓(红色和橙色等)发光二极管制备中，为了能使电流在薄区(p区)中横向扩展，通常将最上层材料(p型磷化镓)的厚度加厚，达到4微米以上。由于器件的总厚度增大，生长器件的原料消耗增加，器件制备的生长时间延长，这些都增加了器件的成本。相比之下，本方面采用对厚度要求不严格的网状电极，该网状结构把器件的薄区分割成许多小块。针对每一小块而言，薄区的横向几何尺寸大大缩小，而薄区的厚度没有变化。由于横向尺寸缩小，电流在器件薄区的横向扩展程度大大增强。由于网状电极和电极引线的金属焊盘在同一道工序中制备，网状电极本身不会增加器件的工艺成本。

本发明的技术方案是：

一种半导体面发光器件增强横向电流扩展的方法，该方法包括如下步骤：

1、在蓝宝石衬底上依次生长1～10微米的n型氮化镓、有源区、0.1～1微米的p型氮化铝镓，0.1～1微米的p型氮化镓等，形成器件的外延材料；

2、采用常规的光刻工艺、刻蚀工艺等器件工艺，将外延材料的部分表面刻蚀，露出n型氮化镓。

3、采用常规的金属蒸发等器件工艺，在p型氮化镓层上形成p-电极，在n型氮化镓层上形成n-电极。

4、将器件切割成小块，器件的横向尺寸不小于100微米，最后是器件封装。

其中步骤3所说的p-电极为网格状的金属电极，在网格状的金属电极的一角制作有一电极引线的金属焊盘。

本发明一种半导体面发光器件，其中在在蓝宝石衬底上依次生长1～10微米的n型氮化镓、有源区、0.1～1微米的p型氮化铝镓，0.1～1微米的p型氮化镓等，形成器件的外延材料；将外延材料的部分表面刻蚀，露出n型氮化镓；在p型氮化镓层上形成p-电极，在n型氮化镓层上形成n-电极。

其中p-电极为网格状的金属电极，在网格状的金属电极的一角制作有一电极引线的金属焊盘。

所说n型区或p型区的半导体层可以是二层或二层以上；每层的厚度为1nm～100m；半导体层可以掺有杂质或不掺有杂质。

在n型区或p型区可以含有一层或多层二维电子气。

在n型区或p型区的网状电极；电极通常由金，镍，铂，铝、钛、钨、钴、锌、锡和铟等单层金属材料、钛/铝、金/镍/铝/钛等双层和多层金属材料和上述金属材料的合金如硅化钨合金等。

在一个器件中，二维结构和网状电极可以单独使用，也可以联合使用。

为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，其中：

图1表示根据本发明第一实施例的发光二极管器件的剖面图。

图2表示根据本发明第一实施例的发光二极管器件的俯视图。

图3表示根据本发明第二实施例的发光二极管器件的剖面图。

图4表示根据本发明第二实施例的发光二极管器件的俯视图。

图5表示根据本发明第三实施例的发光二极管器件的剖面图。

图6表示根据本发明第三实施例的发光二极管器件的俯视图。

实施例一：

图1和图2分别是第一实施例的发光二极管的器件剖面图和俯视图，这是一个氮化镓蓝光或绿光发光二极管的结构图。该器件的制备包括以下过程：

1、参阅图1，在蓝宝石衬底(-Al₂O₃)7上依次生长1～10微米的n型氮化镓(GaN)6，有源区(一般是氮化铟镓，InGaN)5，0.1～1微米的p型氮化铝镓(AlGaN)4，0.1～1微米的p型氮化镓2等，形成器件的外延材料。

2、参阅图1，采用常规的光刻工艺、刻蚀工艺等器件工艺，将外延材料的部分表面刻蚀，露出n型氮化镓6。

3、参阅图2，采用常规的金属蒸发等器件工艺，在p型氮化镓层上形成p-电极1，其中含有网格状的金属电极1(b)和电极引线的金属焊盘1(a)，在n型氮化镓层上形成n-电极8。

4、将器件切割成小块。器件的横向尺寸(长和宽)不小于100微米。最后是器件封装。

在本器件中有两处应用了本发明：

1、由于器件的横向尺寸不小于100微米，而p区的纵向尺寸在0.1～2微米，因此p区为本器件的薄区。在p区含有连续生长禁带宽度不同的p型氮化铝镓4和p型氮化镓2两种半导体材料，在这两种材料的界面处形成了一层二维空穴气3。二维空穴气具有增强横向电流，而不增强(甚至减弱)纵向电流的能力。因此，该结构有利于电流在p区的横向扩展。

2、该器件的p-电极采用了网状结构1(b)。该结构有利于电流的横向扩展，并有利于器件有源区发出的光从p型氮化镓面透出。

该器件中衬底除蓝宝石外，也可以采用尖晶石(MgAl₂O₄)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、硅上生长氧化铝复合衬底(Al₂O₃/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)、硅上生长氧化锌复合衬底(ZnO/Si)和AlN/SiC复合衬底。这里硅上生长氧化铝复合衬底(Al₂O₃/Si)是指在常规硅衬底上淀积三氧化二铝薄膜的双层结构组成的衬底，氮化物将生长在Al₂O₃上面。其他复合衬底依此类推以避免赘述。

该器件中p区只含有一层二维空穴气3，采用连续生长禁带宽度不同的p-氮化铝镓4和p型氮化镓2构成。也可以用多层二维空穴气，采用连续生长p型氮化铝镓，p型氮化镓，p型氮化铟镓三种材料中任意两者构成。

该器件的p-电极1采用了矩形网状结构1(b)，也可以采用其它形状的网状结构。

该器件的n-电极8(兼作电极引线)为圆形，p-电极的电极引线1(a)为正方形。可以将两者颠倒，或采用其它图形。

实施例二：

图3和图4分别是第二实施例的发光二极管的器件剖面图和俯视图，这是一个磷化铟镓(InGaP)红光或橙光发光二极管的结构图。该器件的制备包括以下过程：

1、参阅图3，在n型砷化镓(GaAs)衬底16上依次生长n型砷化镓，n型磷化铝铟镓14，n型磷化铟镓有源区13，p型磷化铝铟镓12，p型磷化镓11等，形成器件的外延材料。

2、参阅图4，采用常规的金属蒸发等器件工艺，在p型磷化镓11层上形成p-电极10，其中含有网格状的金属电极10(a)和电极引线的金属焊盘10(b)，在n型砷化镓衬底16上形成n-电极17。

3、将器件切割成小块。器件的横向尺寸(长和宽)不小于100微米。最后是器件封装。

在本器件中有一处应用了本发明：由于器件的横向尺寸不小于100微米，而p区的纵向尺寸在0.1～10微米，因此p区为本器件的薄区。该器件的p-电极采用了网状结构10(a)。该结构将p区分割成小块，改变了p区的几何尺寸比例，有利于电流的横向扩展，并有利于器件有源区发出的光从p型磷化镓面透出。

该器件的p-电极采用了六边形网状结构，也可以采用其它网状结构。

该器件的n-电极17铺满了整个n型砷化镓衬底16，也可以不铺满了整个n型砷化镓衬底。

该器件的p-电极的电极引线10(b)为圆形，也可以采用正方形或其它图形。

该器件的有源区为n磷化铟镓，也可以为n型磷化铟铝镓(InGaAlP)，以改变发光波长。

实施例三：

图5和图6分别是第三实施例的发光二极管的器件剖面图和俯视图，这是一个砷化镓红外光发光二极管的结构图。该器件的制备包括以下过程：

1、参阅图5，p型砷化镓(p-GaAs)衬底27上先后生长p型砷化镓26，p型砷化铝镓(p-AlGaAs)25，p型砷化镓有源区24，n型砷化铝镓(n-AlGaAs)23，n型砷化镓(n-GaAs)21等，形成器件的外延材料。

2、参阅图6，采用常规的金属蒸发等器件工艺，在n型砷化镓层21上形成电极引线的金属焊盘20，在p型砷化镓衬底27上形成p-电极28。

在本器件中有一处应用了本发明。由于器件的横向尺寸不小于100微米，而n区的纵向尺寸在0.1～10微米，因此n区为本器件的薄区。在n区含有连续生长禁带宽度不同的n型砷化铝镓23和n型砷化镓21两种半导体材料，在这两种材料的界面处形成了一层二维电子气22。二维电子气具有增强横向电流，而不增强(甚至减弱)纵向电流的能力。因此，该结构有利于电流在n区的横向扩展。

该器件中n区只含有一层二维电子气22，采用连续生长禁带宽度不同的n型砷化铝镓23和n型砷化镓21构成。也可以用多层二维电子气，采用连续生长n型砷化铝镓，n型砷化镓，n型砷化铟镓(InGaAs)三种材料中任意两者构成。

该器件的n-电极20(兼作电极引线)为圆形，或采用正方形或其它图形。

该器件的p-电极28铺满了整个p型砷化镓衬底27，也可以不铺满了整个p型砷化镓衬底。

该器件的有源区为p型砷化镓，也可以为p型砷化铝镓或p型砷化铟镓，以改变发光波长。

Claims

1.一种半导体面发光器件增强横向电流扩展的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2、采用常规的光刻工艺、刻蚀工艺等器件工艺，将外延材料的部分表面刻蚀，露出n型氮化镓；

3、采用常规的金属蒸发等器件工艺，在p型氮化镓层上形成p-电极，在n型氮化镓层上形成n-电极；

2.根据权利要求1所述的半导体面发光器件增强横向电流扩展的方法，其特征在于，其中步骤3所说的p-电极为网格状的金属电极，在网格状的金属电极的一角制作有一电极引线的金属焊盘。

3.一种半导体面发光器件，其特征在于，其中在在蓝宝石衬底上依次生长1～10微米的n型氮化镓、有源区、0.1～1微米的p型氮化铝镓，0.1～1微米的p型氮化镓等，形成器件的外延材料；将外延材料的部分表面刻蚀，露出n型氮化镓；在p型氮化镓层上形成p-电极，在n型氮化镓层上形成n-电极8。

4.根据权利要求3所述的半导体面发光器件，其特征在于，其中p-电极为网格状的金属电极，在网格状的金属电极的一角制作有一电极引线的金属焊盘。

5.根据权利要求3所述的一种半导体面发光器件，其特征在于，所说n型区或p型区的半导体层可以是二层或二层以上；每层的厚度为1nm～100m；半导体层可以掺有杂质或不掺有杂质。

6.根据权利要求3所述的一种半导体面发光器件，其特征在于，在n型区或p型区可以含有一层或多层二维电子气。

7.根据权利要求3所述的一种半导体面发光器件，其特征在于，在n型区或p型区的网状电极；电极通常由金，镍，铂，铝、钛、钨、钴、锌、锡和铟等单层金属材料、钛/铝、金/镍/铝/钛等双层和多层金属材料和上述金属材料的合金如硅化钨合金等。

8.根据权利要求3所述的一种半导体面发光器件，其特征在于，在一个器件中，二维结构和网状电极可以单独使用，也可以联合使用。