CN1540774A - 半导体发光二极管及其制造方法 - Google Patents

半导体发光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种半导体发光二极管及其制造方法。该半导体发光二极管包括：衬底，其上顺序堆叠有n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及，p型电极，其包括形成在p型半导体层上的第一金属层以及形成在第一金属层上并反射自有源层产生的光的第二金属层。

Description

半导体发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管及其制造方法，更具体地，涉及一种其p型电极结构被改变以增大发光量的半导体发光二极管，及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管广泛用作诸如光通讯的通讯领域中的数据传输装置，或用作诸如激光唱盘播放器(CDP)或数字化视频光盘播放器(DVDP)的设备中记录和读出数据的装置。半导体发光二极管具有广泛的应用范围，诸如大尺寸外部电信号或用于液晶显示器(LCD)的背光。
图1是剖视图，示意性示出传统半导体发光二极管的结构。参见图1，在兰宝石衬底1的顶表面上顺序形成n型半导体层2、产生光的有源层3、以及p型半导体层4。附图标记5和6分别代表与n型半导体层2电接触的n型电极和与p型半导体层4电接触的p型电极。
自有源层3产生的光L1经n型半导体层2和衬底1发射到外界。光L2从有源层3产生，在n型半导体层2与衬底1之间的界面处反射，并且在反射在p型电极6与衬底1之间反复进行的同时横向发射，光L2具有比由n型半导体层2与衬底1之间的折射系数计算出的临界角大的发射角。由于这样的反射反复进行，所以光的能量被吸收进p型电极6中，且光的强度迅速减弱。
于是，为了提高半导体发光二极管的光引出效率，需要将具有高光反射率的材料，即具有低光吸收的材料用于p型电极6。此外，用于p型电极6的材料需要与p型半导体层4形成良好的欧姆接触。
当具有低光吸收的诸如银(Ag)的金属接合在p型半导体层4上时，因为Ag对p型半导体层4具有很高的接触电阻，所以欧姆特性较差。于是，当Ag被用于p型电极6时，需要高的驱动电压以操作半导体发光二极管。此外，Ag与广泛用于p型半导体层2和n型半导体层4的III-V族氮化物半导体层具有较差的接触。
在美国专利第6,486,499号中，具有高反射率的金属材料(例如银)被用于p型电极，且增加了p型电极与下部装置之间的接触面积，从而提高了欧姆特性。此时，半导体发光二极管的尺寸增大，使得每个晶片上可制造的半导体发光二极管的数量减少。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体发光二极管及其制造方法，其中，采用了包括具有互补特性的两个金属层的p型电极，以提高光引出效率。
根据本发明的一个方面，半导体发光二极管包括：衬底，其上顺序堆叠有n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及p型电极，其包括形成在p型半导体层上的第一金属层、以及形成在第一金属层上并反射自有源层产生的光的第二金属层。
根据本发明的另一方面，制造半导体发光二极管的方法包括：(a)在衬底上顺序堆叠n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及(b)在p型半导体层上形成电接触p型半导体层的p型电极。步骤(b)包括在p型半导体层上顺序堆叠第一金属和第二金属，并形成第一金属层和第二金属层，该第一金属层与p型半导体层形成欧姆接触，该第二金属层反射光。
第一金属层由自钯(Pd)、铂(Pt)和氧化铟锡(ITO)中选出的金属形成，第二金属层由自银(Ag)和铝(Al)选出的金属形成。
优选的是，第一金属层的厚度在1nm与10nm之间，包括1nm和10nm在内，且第二金属层的厚度大于50nm。
还优选的是，n型半导体层、有源层和p型半导体层为GaN基III-V族氮化合物，且有源层为n型材料层InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1且x+y≤1)基n型材料、或未掺杂材料层。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的以上和其它方面和优点将变得更清楚，其中：
图1是剖视图，示意性示出传统半导体发光二极管的结构；
图2是剖视图，示出根据本发明一实施例的半导体发光二极管的结构；
图3是曲线图，显示了根据本发明的图2所示的半导体发光二极管的热处理特性的测量结果；
图4是曲线图，显示了根据本发明的图2所示的p型电极的接触电阻的测量结果；
图5是曲线图，显示了根据本发明的图2所示的p型电极的光反射率的测量结果；
图6是曲线图，显示了根据本发明的图2所示的半导体发光二极管的输出功率的测量结果；以及
图7是曲线图，显示了根据本发明的图2所示的半导体发光二极管的辐射光通量的测量结果。
具体实施方式
以下，将详细说明本发明的优选实施例，其示例示于附图中。
图2为剖视图，示出根据本发明一实施例的半导体发光二极管的结构。参见图2，在衬底10上顺序堆叠n型半导体层20、有源层30和p型半导体层40。
衬底10为高电阻衬底。主要将兰宝石衬底用于衬底10，且Si、SiC或GaN衬底也可用于衬底10。
n型半导体层20包括缓冲层21和第一包层(cladding layer)22，它们顺序形成在衬底10的顶表面上。p型半导体层40包括第二包层41和盖层(capping layer)42，它们顺序形成在有源层30的顶表面上。
缓冲层21为n型材料层，其包括GaN基III-V族氮化合物半导体、或未掺杂的材料层。优选地，缓冲层21为n-GaN层。
盖层42为GaN基III-V族氮化合物半导体层。优选地，盖层42为直接跃迁型GaN基III-V族氮化合物半导体层，其中掺入p型导电杂质。更优选地，盖层42为p-GaN层。此外，盖层42可以是类似缓冲层21的GaN层、AlGaN层或InGaN层，其中包含有预定比例的铝(Al)或铟(In)。
优选地，第一包层22为n-AlGaN/GaN层。第二包层41为与第一包层22相同的材料层，其不同之处在于具有p型掺杂材料。
有源层30是这样的材料层，其中因诸如电子和空穴的载流子的复合而发生光发射。优选地，有源层30是具有多重量子阱(MQW)结构的GaN基III-V族氮化合物半导体层。更优选地，有源层30是InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1且x+y≤1)层。此外，有源层30可以是这样的材料层，其中铟(In)以预定的比例包含在GaN基III-V族氮化合物半导体层中，例如InGaN层。
虽然未示出，但是还在有源层30上下叠置有第一和第二波导层，使得从有源层30发出的光被放大和振荡成具有更大光强的光。第一和第二波导层由折射系数小于有源层30的折射系数且大于第一和第二包层22和41的折射系数的材料形成，优选地例如是GaN基III-V族化合物半导体层。第一波导层由n-GaN层形成，第二波导层由p-GaN层形成。
形成p型电极50和n型电极60以分别电接触p型半导体层40和n型半导体层20。
根据上述结构，电子经n型电极60注入到n型半导体层20中，空穴经p型电极50注入到p型半导体层40中。注入的电子和空穴在有源层30中相遇，湮灭，且使具有短波长带宽(wavelength bandwidth)的光振荡。所发出的光的颜色根据波长带宽变化。波长带宽由通过用于半导体发光二极管的材料形成的导带与价带之间的能量宽度决定。
自有源层30发射的光经n型半导体层20和衬底10发射到外界。发射角大于由n型半导体层20与衬底10之间的折射系数计算的临界角的光自有源层30产生，在n型半导体层20与衬底10之间的界面上反射，并且在反射在p型电极50与衬底10之间反复进行的同时横向发射。
对p型半导体层40具有低接触电阻且与p型半导体层40形成良好欧姆接触的第一金属层，以及不降低自有源层30产生的光的强度且具有高光反射率的第二金属一起用于p型电极50。因此，p型电极50用于补偿每种金属的不足。
为此，p型电极50包括与p型半导体层40形成良好欧姆接触的第一金属层51、以及具有高光反射率的第二金属层52。
第一金属和第二金属顺序堆叠在盖层42上，从而形成第一和第二金属层51和52。第一金属层51与盖层42形成欧姆接触。为了降低用于驱动半导体发光二极管的驱动电压，优选地，第一金属层51由对盖层42具有尽可能低的接触电阻的金属形成。另外，优选地，第一金属层51由与盖层42之间的接触电阻比第二金属的接触电阻低的金属形成。第二金属层52反射自有源层30产生的光。优选地，第二金属层由光反射率比第一金属的光反射率高的金属形成。优选地，第一金属是自钯(Pd)、氧化铟锡(ITO)和铂(Pt)构成的组中选出的一种。优选地，第二金属是自银(Ag)和铝(Al)构成的组中选出的一种。
这样，优选的是，第一和笫二金属层51和52通过在非氧化气氛中热处理和稳定化而形成。在热处理之后，第一金属层51与盖层42形成良好的欧姆接触，且第二金属层52变成固溶体。
图3是曲线图，示出根据本发明的图2所示的半导体发光二极管的热处理特性的测量结果。曲线图显示了钯(Pd)用于p型电极50的第一金属层51、且银(Ag)用于p型电极50的第二金属层52的情形下，半导体发光二极管的热处理温度和工作电压之间的关系。热处理时间为1分钟，供应电流为20mA，发射的波长为392nm。
参见图3，当热处理温度约为200℃时，半导体发光二极管的工作电压约为3.2V。随着热处理温度增高，工作电压增高。当热处理温度约为280℃时，半导体发光二极管的工作电压约为3.6V。虽然未示出，但是优选地，本实施例中的热处理温度约在包括80℃和350℃的80℃至350℃之间。这与形成良好欧姆接触所需的通常热处理温度超过400℃不同。
第一金属层51的厚度应当大于第一金属仍保留金属特性的最小厚度。优选地，第一金属层51的厚度在包括1nm和10nm的1nm至10nm之间。第二金属层52的厚度应当在使得光不穿过第二金属层52的范围内。优选地，第二金属层52的厚度大于50nm。
图4为曲线图，显示了根据本发明的图2所示p型电极的接触电阻的测量结果。Pd：100nm和Ag：100nm显示了作为现有技术的p型电极的钯(Pd)堆叠至100nm厚(Pd：100nm)的情形和作为现有技术的p型电极的银(Ag)堆叠至100nm厚(Ag：100nm)的情形下的接触电阻。Pd/Au、Pd/Al和Pd/Ag显示了根据本发明的由第一金属层51和第二金属层52构成的p型电极50的接触电阻，第一金属层中钯(Pd)堆叠至5nm厚，第二金属层中银(Ag)、铝(Al)和金(Au)分别堆叠至100nm厚。
图5是曲线图，示出根据本发明的图2所示p型电极的光反射率的测量结果。Ag：ref显示现有技术的由单层构成的p型电极，该单层由100nm厚的银(Ag)形成。Pd/Al、Pd/Ag和Pd/Au显示了根据本发明的p型电极50的光反射率，其中钯(Pd)堆叠至5nm厚，银(Ag)、铝(Al)和金(Au)在钯(Pd)上分别堆叠至100nm厚。曲线图显示了当由Ag：ref表示的现有技术的p型电极的光反射率为1时，根据本发明的p型电极50的相对光反射率。曲线图中显示的百分数代表发射波长为400nm时的相对光反射率。
参见图4和5，银(Ag)具有最高的光反射率，但对p型半导体层40具有最大的接触电阻，且跟p型半导体层40未形成良好的欧姆接触。另外，钯(Pd)对p型半导体层40具有最低的接触电阻，且与p型半导体层40形成良好的欧姆接触。另一方面，钯(Pd)的光反射率仅为银(Ag)的光反射率的43％，降低了光引出效率。于是，当仅将上述金属中的一种用作p型电极50时，不能同时获得良好的欧姆特性和高的光反射率。
然而，根据本发明的p型电极50包括由第一金属形成的第一金属层51和由第二金属形成的第二金属层52，第一金属与p型半导体层40形成良好的欧姆接触，第二金属具有高的光反射率，使得可同时获得良好的欧姆特性和高的光反射率。参见图4和5，Pd/Au、Pd/Al和Pd/Ag组合用于p型电极50时所示出的p型电极50的接触电阻变成与仅钯(Pd)用于p型电极50时所显示的p型电极50的接触电阻非常相似，且与仅银(Ag)用于p型电极50时所示出的p型电极50的接触电阻比较有极大改善。另外，当Pd/Ag和Pd/Al组合用于p型电极50时，p型电极50的光反射率达到仅银(Ag)用于p型电极50时所显示出的p型电极50的光反射率的72％和82％，且与仅钯(Pd)用于p型电极50时所显示出的p型电极的光反射率52％相比大为改善。Pd/Au组合用于p型电极50时所显示出的p型电极50的光反射率在具有约300至500nm光波长的区域中较低，而在具有约500nm的光波长的区域中较高。
图6为曲线图，示出了根据本发明的图2所示的半导体发光二极管的输出功率的测量结果。
曲线图显示了作为现有技术的p型电极的钯(Pd)堆叠至100nm厚的情形(Pd：100nm)下、以及根据本发明的作为p型电极50的钯(Pd)和银(Ag)分别堆叠至5nm和100nm厚的情形(Pd/Ag：5/100nm)下供给电流产生的输出功率、以及工作电压。此处，输出功率用光传感器的输出电流值表示，在该光传感器中，自半导体发光二极管发出的光利用光传感器检测。于是，出于比较的原因，曲线图所示出的输出功率不具有绝对含义(absolutemeaning)，但具有相对含义。
参见图6，工作电压是非常相似的。于是，Pd/Ag组合用于p型电极50时所显示出的接触电阻与仅使用钯(Pd)时所显示出的接触电阻非常相似。也就是说，该半导体发光二极管可以在比仅用银(Ag)时所显示出的电压低的电压下工作。于是，如美国专利第6,486,499号中那样，为了减小p型电极与p型半导体层之间的接触电阻，p型电极与p型半导体层之间的接触面积不必增大。
此外，当所供给的电流约为20mA时，Pd/Ag组合用于p型电极50时所显示出的输出功率与仅钯(Pd)用于p型电极50时相比提高约28％。
图7为曲线图，显示了根据本发明的图2所示半导体发光二极管的辐射光通量的测量结果。曲线图显示了发射波长约为392nm的光时的测量结果。
由图7可看出，在作为p型电极50的钯(Pd)和银(Ag)分别堆叠至5nm和100nm厚(Pd/Ag：5/100nm)时，半导体发光二极管的辐射光通量与作为现有技术的p型电极的钯(Pd)堆叠至100nm厚时相比提高12％。
如上所述，在根据本发明的半导体发光二极管中，提供了对p型半导体层具有低接触电阻且同时还具有高的光反射率的p型电极，使得工作电压下降且光引出效率提高。
虽然本发明已经参照其优选实施例得以具体显示和说明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可作形式和细节上的各种改变。

Claims (18)

1.一种半导体发光二极管，包括：
衬底，其上顺序堆叠有n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及
p型电极，其包括形成在p型半导体层上的第一金属层、以及形成在第一金属层上并反射自有源层产生的光的第二金属层。
2.根据权利要求1的半导体发光二极管，其中第一金属层与p型半导体层之间的接触电阻比第二金属层的接触电阻低，且第二金属层具有比第一金属层高的光反射率。
3.根据权利要求1的半导体发光二极管，其中第一金属层由自钯(Pd)、铂(Pt)和氧化铟锡(ITO)中选出的金属形成。
4.根据权利要求3的半导体发光二极管，其中第一金属层的厚度在1nm与10nm之间，包括1nm和10nm在内。
5.根据权利要求1的半导体发光二极管，其中第二金属层由自银(Ag)和铝(Al)中选出的金属形成。
6.根据权利要求5的半导体发光二极管，其中第二金属层的厚度大于50nm。
7.根据权利要求1的半导体发光二极管，其中第一和第二金属层在非氧化气氛中、在包括80℃和350℃在内的80℃至350℃之间的温度下热处理。
8.根据权利要求1的半导体发光二极管，其中n型半导体层、有源层和p型半导体层为GaN基III-V族氮化合物。
9.根据权利要求8的半导体发光二极管，其中有源层为n型材料层InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1且x+y≤1)基n型材料、或未掺杂材料层。
10.一种制造半导体发光二极管的方法，该方法包括：
(a)在衬底上顺序堆叠n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及
(b)在p型半导体层上形成与p型半导体层电接触的p型电极，
其中，步骤(b)包括在p型半导体层上顺序堆叠第一金属和第二金属，并形成第一金属层和第二金属层，第一金属层与p型半导体层形成欧姆接触，第二金属层反射光。
11.根据权利要求10的方法，其中步骤(b)还包括在非氧化气氛中、在包括80℃和350℃在内的80℃至350℃之间的温度下热处理第一和第二金属层，并且稳定化第一和第二金属层。
12.根据权利要求10的方法，其中第一金属与p型半导体层之间的接触电阻比第二金属的接触电阻低，且第二金属具有比第一金属高的光反射率。
13.根据权利要求10的方法，其中第一金属是自钯(Pd)、铂(Pt)和氧化铟锡(ITO)构成的组中选出的一种。
14.根据权利要求13的方法，其中第一金属层的厚度在1nm与10nm之间，包括1nm和10nm在内。
15.根据权利要求10的方法，其中第二金属是自银(Ag)和铝(Al)构成的组中选出的一种。
16.根据权利要求15的方法，其中第二金属层的厚度大于50nm。
17.根据权利要求10的方法，其中n型半导体层、有源层和p型半导体层为GaN基III-V族氮化合物。
18.根据权利要求17的方法，其中有源层为n型材料层InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1且x+y≤1)基n型材料、或未掺杂材料层。
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