CN1663055A - 具有碳化硅衬底的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
基于未掺杂的内禀SiC衬底(101)的发光二极管(100)，在该SiC衬底上生长有：绝缘缓冲结构或集结成核结构(102)；发光结构(112)；窗口层(107，108)；半透明的导电层(119)；结合焊盘粘结层(109)；p－型电极结合焊盘(110)；以及n－型电极结合焊盘(115)。在一个实施例中，衬底(101)的发光表面(130)被粗糙处理，以使光发射最大化。
Description
技术领域
本发明关于发光二极管(LED)器件和生产和操作该发光二极管器件的方法。更具体地，本发明关于具有改进设计和输入特性的LED。更进一步地，本发明尤其关于在具有横向器件结构的在高电阻率碳化硅衬底上形成的LED。
背景技术
发光二极管(LED)的效率受限于对LED器件工程师们构成反复出现的挑战的多个因素。其中，产生的光可能会被构成LED的半导体材料层吸收，并且可能会被为器件的活性区带来有功电流所要求的电极所遮蔽。
通常采用电阻率相对较小(即高掺杂)的碳化硅(SiC)作为在蓝光、绿光和近紫外光的光谱范围中高亮度的LEDs的导电衬底材料。对于这一光谱范围内的LEDs，已经采用氮化镓(GaN)作为基础发光材料。采用气相沉积法—一般是金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，可常规地在衬底上一层一层地生长基于GaN的LED结构。
图1示出在实质上导电的SiC衬底20上构建的常规LED器件10或LED芯片的示意图。作为欧姆接触的两个电极21，22设置在衬底20的相反侧。此处被称为顶部电极21的一个电极21位于其上建有LED的衬底20的那一侧上(即MOCVD或外延层侧)。此处被称为底部电极22的另一个电极22则位于与外延层侧相对的衬底20的另一侧。在SiC衬底20上设置一缓冲层23，并在缓冲层上设置一发光结构24。发光结构24包括活性区26，其侧面与n-型镀层25和p-型镀层27相接。
存在一些与器件的设计有关的性能问题。为在SiC衬底上生长高质量的GaN材料，需要考虑3％的晶格失配。晶格失配在晶体结构内诱发应变，从而导致限制性能的晶体结构缺陷或降低电子器件的可靠性。
通常采用对SiC仅有1％晶格失配的氮化铝(AlN)层作为SiC和GaN之间的过渡层。由于AlN的电阻率很高，制造的具有AlN过渡层的LEDs显示出非常高的正向电压，这导致高功率消耗和低效率。
为了降低过渡层的电阻率，可采用铝-镓-氮化物(AlGaN)层。AlGaN可以是掺杂n-型，并产生比AlN高得多的电导率。然而，由于必须解决晶格失配问题，所采用的AlGaN化合物仍要求具有高铝(Al)含量。这导致对正向电压的提高有限。
第二个问题是为了在器件工作期间形成从顶部电极流向底部电极的低阻抗电流路径，要求SiC衬底是高掺杂的。在衬底是高掺杂的情况下，SiC对光能，尤其是蓝-绿和近紫外光范围的光(波长范围为约400-550nm)具有更好的吸收性，这降低了作为光发射器的衬底的效率。从而，在光输出和正向电压之间进行折衷是无可避免的。因此，所需要的是提供改进的光输出的LED结构。
发明内容
根据本发明的LED在400-550nm的光谱范围内发射光，其特征是在器件驱动电流和输出光能之间达到了高能量转换效率。该LED具有包括基本上不导电的SiC衬底的衬底侧；设置在衬底上的集结成核缓冲结构(nucleation buffer structure)；包括n-型层、活性区和p-型层的外延层侧。活性区可为双异质结构(DH)，单量子阱(SQW)或多量子阱(MQW)结构。n-型和p-型层可为n-掺杂和p-掺杂的AlxInyGa1-x-yN，0≤x，y≤1。毗邻缓冲结构的外延层侧具有至少一个与LED的p-侧和n-侧每一侧进行电连接的电极。
外延层侧包括含有GaN的多个层，并设置在衬底的上表面上，从LED发射出的光的主要部分穿过衬底的下表面或发光表面而出现。
由于未掺杂的SiC衬底具有高电阻率，根据本发明的LED包括两个必须电极，这两个电极设置在同一侧(即LED的外延层侧)，并且与衬底间隔开来。由于电流无需穿过缓冲层，也无需穿过衬底，因此正向电压并未被高电阻率的缓冲材料或衬底而有所降低。此外，由于电流并未穿过衬底，因此衬底可保持为基本未掺杂的，并且提高了衬底侧的光发射而并未降低低偏压。而且，与LED芯片的另一面相比，活性区中产生的光更容易从衬底侧发出，因此可在外延层侧形成反射体，从而使最初向外延层/环氧界面传播的几乎所有的光被反射为朝向衬底侧传播，并因此从LED发出更多的光。SiC衬底是基本未掺杂的，优选的电阻率为至少.09Ω-cm(欧姆厘米)，在这种情况下，衬底对波长范围大于400nm的输出光能的吸收为最小。
此外，可通过机械处理使衬底的发光表面变粗糙，从而改进了从衬底发出的光传播进入并穿过环氧封装材料进入开放的空间。
通过将电极放置在器件的外延层侧，还使本发明的LED中的光发射实现了最大化。
参照以下与附图结合的说明书和附图之后，就可明白和理解本发明的其它目的和效果，同时也能更全面地理解本发明。
附图说明
图1是常规LED的剖视图。
图2A是本发明LED的俯视平面图。
图2B是图2A中LED的剖示图。
具体实施方式
图2示出了本发明LED的一个实施例的剖视图，其总称为100。该LED构建在衬底101上。优选地，衬底101为未掺杂的，并且为电阻率大于.09Ω-cm的单晶SiC。选择SiC的理由是它的折射率高，并且它的晶格匹配度接近于氮化镓(3.5％失配)和相关的第III-V族氮化物。也可采用本领域技术人员公知与SiC特性基本匹配的其它衬底。
通常采用蒸汽迁移法(vapor transfer)使衬底101进行生长，蒸汽迁移法是本领域技术人员公知的技术，在此不做进一步讨论。此类衬底可从地址为22660 Executive Drive，Suite 101 Sterling，Virginia20166-9535的Sterling Semiconductor公司或地址是375 Saxonburg Blvd.，Saxonburg，PA 16056的II-VI有限公司(II-VI Inc.)购买。这一部分中所述的其它半导体层采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)进行增长，MOCVD是本领域技术人员公知的技术，在此不再进一步讨论。也可采用其它公知的生长技术和工艺在衬底101上生长外延层。
发光二极管100包括具有下表面或发光表面130和上表面132的衬底101。LED100进一步包括集结成核缓冲结构102，其与衬底101毗邻，并且优选由GaN；AlN；氮化铟(InN)；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物，其中A、B和C为第III族元素，x和y的总和为0、1以及0与1之间的分数三者之一，并且1大于x和y的总和；以及SiC与这些三元或四元的第III族氮化物形成的合金。
缓冲结构102设置在衬底101和发光结构112之间，从而减小由两种材料之间的晶格失配引起的物理应力。发光二极管100具有水平构建的发光结构112，并且缓冲结构102和衬底101两者都不设置在电极110和115之间，从而不会阻断有功电流(active current)的预期路径。
如图2A和2B所示的本发明的一个实施例中，缓冲结构102包括单一的非导电性集结成核层，但是该缓冲结构可包括其它层。层102由AlN构成，但是也可采用其它材料，包括AlGaN或其它本领域技术人员公知的材料。由于并不要求有垂直电流穿过缓冲结构102，因此缓冲结构的材料可以是非导电性的。单层的缓冲层设计降低了制造的复杂性，并且通过吸收性和内反射最小化，提高二极管100的性能。本发明的其它实施例可采用不同的或分层的集结成核材料层，或采用其它层以突出不同的器件性能特性。
设置在缓冲结构102上的是可生长成为发光结构112中的GaN衬底103的未掺杂GaN层。GaN衬底103用来完成晶格缓冲功能，即建立GaN晶格并为形成设置在衬底103上的镀层而产生高质量和低缺陷的基础。
发光结构112形成于GaN衬底103上，该发光结构112是包括p-n结的双异质结构，其中活性和异质结构层选自包括下列物质的组：二元的第III族氮化物、三元的第III族氮化物、四元的第III族氮化物，以及SiC和这些氮化物的合金。
发光结构112包括第一镀层(cladding layer)104，活性区105和第二镀层106。第一镀层104设置在GaN衬底103上。镀层104，106每层都必须被掺杂为互不相同的p-型或n-型。活性区105设置在第一镀层104上。优选活性区105的带隙小于镀层104，106每一个的带隙。
第二层106设置在活性区105上。在图3的示例中，第一镀层104优选由硅掺杂的GaN构成，活性区105优选由硅掺杂的n-型镓-铟-氮化物/氮化镓(GaInN/GaN)多量子阱(MQW)结构构成，而第二镀层优选由Mg掺杂的氮化铝镓(AlGaN)构成。
如图2B所示的本发明的一个实施例中，第一个窗口层(windowlayer)107由Mg掺杂的GaN构成，第二个窗口层108由另一个Mg掺杂的GaN层构成，从而使在窗口层107，108和第一电极10之间可以存在欧姆接触。第二窗口层108设置在第一窗口层107上，第一窗口层设置在发光区112上。
由氧化镍/金(NiO/Au)构成的半透明导电层119设置在第二窗口层108上，使来自第一电极110的电流进一步传导遍布窗口层107，108的表面上，进而使驱动电流的延伸范围最大化，并最佳地利用已有的活性区。半透明导电层119的上表面132也是LED100的上表面。
第一电极110位于反射性结合焊盘粘结层(bond pad adhesionlayer)109上，反射性结合焊盘粘结层109位于第二窗口层108的上表面上。第一电极110设置在结合焊盘109的上表面上，以有利于封装过程中的引线连接。第一镀层104和第二镀层106每一个中的带隙都大于活性区105中的带隙。
为形成与第一镀层104的欧姆接触，对窗口层107、108和发光结构112中的几个层进行蚀刻处理，形成穿过窗口层107、108和发光结构112的几个层的开口以暴露出第一镀层104的上表面，如图2B中的虚线所示。反射性结合焊盘111设置在第一镀层104的上表面105上，而导电性接点如金接点则设置在结合焊盘111上，以形成第二电极115。
可采用化学或机械处理使衬底101的下表面130变粗糙，以使回到衬底和LED结构中的反射最小化。这促进光向器件外部传播。可能的粗糙处理技术包括锯切(机械)，RIE(化学)和LE4(化学)。
由于SiC和与GaN相关的III-V族半导体化合物的晶格常数匹配非常接近，因此优选用SiC构成衬底101。SiC与结构、高性能和持久性要求，以及GaN LED结构的生产效率相适应。使LED的层与层之间的晶格失配最小化，减少了对器件性能造成限制的晶体缺陷。采用横向导电的LED器件结构使非导电性缓冲结构102和其制造方法成为可能。当在20mA的驱动电流下工作时，根据本发明的LED的额定输出功率(power output rating)约为1mW。
由于SiC衬底优选未掺杂的，并且电阻率至少为.09Ω-cm，因此根据本发明的衬底101内的光吸收被最小化。电极110，115并未明显遮蔽从半导体结构发出的光，原因是这些电极位于与衬底130的下表面相反侧的器件的外延层侧，这样可使发射的光的主要部分避开电极。本发明的进一步改进是采用本领域公知的技术使SiC衬底130的下表面变粗糙，从而进一步提高发射效率。
由于这些器件的特征和改进之处的累加效果，本发明可提供高能量转换效率的发光器件。
已经结合几个实施例对本发明进行了描述，同时，在以上描述的启示下所作出的多种选择、修饰和变化对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明意欲包括落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这些选择、修饰和变化。
Claims (34)
1.一种发光二极管，其发射可见光谱中波长为400-550nm部分的光，所述发光二极管包括：
未掺杂的SiC衬底；
设置在所述SiC衬底上的氮化物集结成核缓冲层；
设置在所述缓冲结构上的p-n结二极管异质结构，该p-n结二极管异质结构包括第一镀层和第二镀层，所述第一镀层和所述第二镀层选自包括二元第III族氮化物和三元第III族氮化物的组；
到所述p-n结二极管异质结构的第一镀层的欧姆接触；以及
到所述p-n结二极管异质结构的第二镀层的欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述缓冲结构选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物，其中A、B和C为第III族元素，x和y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，并且1大于x和y的总和；以及SiC与这些三元或四元的第III族氮化物形成的合金。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述双异质结构进一步包括活性层，所述活性层选自包括下列材料的组：二元第III族氮化物、三元第III族氮化物、四元第III族氮化物，以及SiC与这些氮化物形成的合金，所述第一镀层和所述第二镀层进一步选自包括四元第III族氮化物以及SiC和这类氮化物形成的合金的组。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述缓冲结构包括单一氮化铝层。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，进一步包括设置在所述缓冲结构和所述双异质结构之间的氮化镓外延层。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述欧姆接触为电极，在所述电极之间的驱动电流为20毫安的情况下工作时，额定输出功率至少为1mW。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述双异质结构包括：
活性层；以及
与所述活性层相邻设置的第一镀层和第二镀层，该第一镀层和第二镀层的组成选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铝；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物以及氮化镓与这类三元第III族氮化物形成的合金，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物以及氮化镓与这类四元第III族氮化物形成的合金，其中A、B和C为第III族元素，x为0、1以及0和1之间的分数三者之一，y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，且x和y的总和小于1。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述的双异质结构包括：
活性层，其选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铝；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物以及氮化镓与这类三元的第III族氮化物形成的合金，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物以及氮化镓与这类四元第III族氮化物形成的合金，其中A、B和C为第III族元素，x为0、1以及0和1之间的分数三者之一，y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，且x和y的总和小于1。
9.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述第一镀层和第二镀层中的每一个都遵守通式AlxGa1-xN，其中x为0、1以及0和1之间的分数三者之一。
10.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述第一镀层和第二镀层中每一个的带隙都大于所述活性层的带隙。
11.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述第一镀层与第二镀层的导电类型相反。
12.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述的第一镀层为p-型，而所述的活性层和所述的第二镀层为n-型。
13.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述第一镀层为n-型，而所述活性层和所述第一镀层为p-型。
14.根据权利要求7所述的发光二极管，其中所述活性层组成为InxGa1-xN，其中x为在0和1之间的分数。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述SiC衬底的发光表面为打磨的并且织地粗糙的表面。
16.根据权利要求15所述的发光二极管，进一步包括与所述发光表面相对设置的外延层。
17.根据权利要求16所述的发光二极管，其中到所述第一镀层的所述欧姆接触以及到所述第二镀层的所述欧姆接触中的每一个都设置在所述外延层的一侧。
18.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述第一镀层由硅掺杂的氮化镓构成。
19.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述活性层由硅掺杂的n-型氮化镓铟/氮化镓多量子阱结构构成。
20.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述第二镀层由镁掺杂的氮化铝镓构成。
21.根据权利要求1所述的发光二极管，进一步包括第一窗口层和第二窗口层。
22.根据权利要求21所述的发光二极管，其中所述第一窗口层由镁掺杂的氮化镓构成，而所述第二窗口层由掺杂程度更高的氮化镁镓构成。
23.根据权利要求21所述的发光二极管，进一步包括设置在所述第二窗口层上的导电层。
24.根据权利要求23所述的发光二极管，其中所述导电层由氧化镍/金构成。
25.根据权利要求1所述的发光二极管，进一步包括设置在所述第一镀层上的反射性结合焊盘。
26.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述衬底的电阻率大于.09欧姆厘米。
27.一种发光二极管，其发射可见光谱中波长为400-550nm部分的光，所述发光二极管包括：
轻掺杂的SiC衬底，其具有外延层侧和发光侧；
设置在所述衬底外延层侧上的集结成核缓冲结构；
设置在所述缓冲结构上的p-n结二极管异质结构，所述p-n结二极管异质结构包括第一镀层和第二镀层，所述第一镀层和所述第二镀层选自包括二元第III族氮化物、三元第III族氮化物，以及四元第III组氮化物的组；
到所述p-n结二极管异质结构的第一镀层的欧姆接触；以及
到所述p-n结二极管异质结构的第二镀层的欧姆接触。
28.根据权利要求27所述的发光二极管，其中所述缓冲结构选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物，其中A、B和C为第III族元素，x和y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，并且1大于x和y的总和；以及SiC与这些三元或四元第III族氮化物形成的合金。
29.根据权利要求27所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述双异质结构包括活性层，所述活性层选自包括下列材料的组：二元第III族氮化物，三元第III族氮化物，四元第III族氮化物，以及SiC与这些氮化物形成的合金，并且其中所述第一镀层和所述第二镀层进一步选自SiC与此类氮化物形成的合金。
30.根据权利要求27所述的发光二极管，其中所述缓冲结构包括氮化铝。
31.根据权利要求27所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述双异质结构包括：
活性层；以及
与所述活性层相邻设置的第一镀层和第二镀层，该第一镀层和第二镀层的组成选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铝；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物以及氮化镓与这类三元的第III族氮化物形成的合金，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物以及氮化镓与这类四元第III族氮化物形成的合金，其中A、B和C为第III族元素，x为0、1以及0和1之间的分数三者之一，y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，且x和y的总和小于1。
32.根据权利要求27所述的发光二极管，其中所述p-n结二极管异质结构包括双异质结构，所述双异质结构包括：
活性层，其选自包括下列材料的组：氮化镓；氮化铝；氮化铟；通式为AxB1-xN的三元第III族氮化物以及氮化镓与这类三元的第III族氮化物形成的合金，其中A和B为第III族元素，而x为0、1以及0和1之间的分数三者之一；通式为AxByC1-x-yN的四元第III族氮化物以及氮化镓与这类四元第III族氮化物形成的合金，其中A、B和C为第III族元素，x为0、1以及0和1之间的分数三者之一，y为0、1以及0和1之间的分数三者之一，且x和y的总和小于1。
33.根据权利要求31所述的发光二极管，其中所述第一镀层和第二镀层中的每一个都遵守通式AlxGa1-xN，其中x为0，1以及0和1之间的分数三者之一。
34.一种发光二极管，其发射可见光谱中波长为400-550nm部分的光，所述的发光二极管包括：
未掺杂的SiC衬底；
设置在所述SiC衬底上的氮化物集结成核缓冲结构；
设置在所述缓冲结构上的发光结构，该发光结构包括活性层，第一镀层和第二镀层，所述活性层，所述第一镀层和所述第二镀层选自包括二元第III族氮化物和三元第III族氮化物组成的组；
到所述p-n结二极管异质结构的第一镀层的欧姆接触；以及
到所述p-n结二极管异质结构的第二镀层的欧姆接触。
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Effective date of registration: 20110512 Address after: 116025 B607, high energy street, 1 hi tech Zone, Liaoning, Dalian Applicant after: Dalian Meiming Epitaxial Wafer Technology Co., Ltd. Address before: American California Applicant before: Axt Inc. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: WD Ref document number: 1082594 Country of ref document: HK |
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| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: GR Ref document number: 1082594 Country of ref document: HK |
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| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20130902 Granted publication date: 20120530 |
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| RINS | Preservation of patent right or utility model and its discharge | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20140902 Granted publication date: 20120530 |
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| RINS | Preservation of patent right or utility model and its discharge | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20150302 Granted publication date: 20120530 |
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| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20150312 Granted publication date: 20120530 |
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| RINS | Preservation of patent right or utility model and its discharge | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20160912 Granted publication date: 20120530 |
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| RINS | Preservation of patent right or utility model and its discharge | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Dalian Meiming Epitaxial Wafer Technology Co., Ltd. Document name: Notification of Termination of Procedure |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120530 Termination date: 20210519 |