CN201060869Y

CN201060869Y - 一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管

Info

Publication number: CN201060869Y
Application number: CNU2006201728125U
Authority: CN
Inventors: 沈光地; 陈依新; 韩金茹
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2016-12-29

Abstract

一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，属于半导体光电子技术领域。包括上电极(10)、电流扩展层(20)、上限制层(30)、有源区(400)、下限制层(50)、缓冲层(60)、衬底(70)、下电极(80)，DBR反光层(90)，在上电极与电流扩展层之间设置有导电透光层，电流阻挡层(120)设置在电流扩展层里面或下面或上面，由导电透光层、电流扩展层和电流阻挡层结合形成电流输运窗口层。本实用新型制作工艺简单，电流输运增透窗口层减小了无效电流产生的光及热损耗；增大了出光角度，提高了光提取效率，增加了发光强度，器件更有利于大电流下工作；小尺寸管芯可获得大光强高光功率输出，产量高；成本低，适合批量生产。

Description

一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管

技术领域

在发光二极管(LED)中引入的电流输运增透窗口层结构，涉及一种新型的LED器件结构，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

目前，普通的正装结构发光二极管的设计方法及其存在的问题：一般采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)进行外延生长，器件结构如图1所示，包括有从上往下依次纵向层叠生长的上电极10、电流扩展层20、上限制层30、有源区400、下限制层50、缓冲层60、衬底70、下电极80。通过注入电流，电子空穴对在有源区辐射复合发光，产生的光子从器件的正面发射出来。该种器件存在的三个主要问题是：

1.吸收衬底(如GaAs，Si等)对发光材料(如AlGaInP，GaN，ZnO等)产生的光有强的吸收，使得发射到衬底方向的光几乎全被吸收，最终以热的形式发出，严重影响了器件性能的进一步提高；

2.窗口层材料的折射率与空气的折射率相差较大，发射到器件上表面的光只有很小的一部分(约5％)能够发射到体外，其余的光绝大部分都被反射回来被衬底吸收，光的提取效率很低；

3.电极正下方的垂直输运电流占总注入电流的比例相当大(视芯片尺寸，电极尺寸和电流扩展层的好坏而异)，该部分电流产生的光由于电极的阻挡和吸收，不但不能发射到体外，反而在体内发热。

目前，针对衬底吸收的问题，人们提出的办法是：在衬底和下限制层之间生长高反射的分布布拉格发射(DBR)层，能够对垂直发射到衬底方向的光进行反射，以提高光的提取效率，如图2所示。为了解决窗口层折射率较大的问题，有人通过在窗口层上生长增透膜的办法，能够有效的增加出光效率，如图3所示；另一办法是通过生长厚的窗口层，即厚的电流扩展层12，例如：约50μm的GaP窗口层，如图4，既增加了电流的扩展，又有利于正面以及侧面的出光，大大提高了出光效率。关于解决电极下方电流密度较大的问题，国外有人曾提出过在上限制层与电流扩展层之间制作电流阻挡层的方法，如图5所示，该方法有效地阻挡了电流从电极直接向下输运，增加电流的扩展，提高了发光效率，但是，他们采用的工艺几乎都是二次外延的办法，成本高，设备昂贵。以上提到的四种方法虽然都能从某一方面解决目前发光二极管存在的问题，但是它们都无法同时解决存在的三个问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，来同时解决衬底吸收、窗口层材料的折射率与空气的折射率相差较大、电极正下方的电流产生的光被电极阻挡和吸收这三个问题，以提高出光效率，从而得到高效、高亮度的发光二极管，其制作工艺简单，成本低。

本实用新型中器件组成部分包括：从上往下依次纵向层叠生长的上电极10、电流扩展层20、上限制层30、有源区400、下限制层50、缓冲层60、衬底70、下电极80，在上电极10与电流扩展层20之间设置有导电透光层，还包括设置在电流扩展层20里面或下面或上面的电流阻挡层120，由导电透光层、电流扩展层20和电流阻挡层120结合形成电流输运窗口层。

本实用新型的具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，可以是图6、图8和图10所示的结构，分别包括有纵向层叠(从上往下看)的p-型上电极100，p-型导电透光层130，p-型电流扩展层200，p-型上限制层300，有源区400，n-型下限制层500，n-型缓冲层600和n-型衬底700，n-型下电极800，电流阻挡层120分别设置在p-型电流扩展层20上面、里面和下面。由依次排列的p-型导电透光层130、电流阻挡层120和薄的p-型电流扩展层200，构成p-型电流输运增透窗口层140。图7、图9和图11在结构上分别比图6、图8和图10多一个n-型DBR反光层900。该电流输运增透窗口层结构的发光二极管的特征在于：由于有电流阻挡层120和导电透光层130的存在，从电极注入的电流很自然的扩展到电极的周围，阻止了p-型电极100正下方的电流直接往下流动；p-型导电透光层130的引入带来了两个作用，一是增加了出光的角度，使得有源区产生的光子更多的能够发射到体外，二是增加了电流的扩展，这样一来，就可以大大降低p-型电流扩展层200的厚度，从而降低成本。p-型导电透光层130、电流阻挡层120和薄的p-型电流扩展层200结合形成的p-型电流输运增透窗口层140，增加了电流的扩展，阻止了电流向电极正下方流动，减小了电流损耗，减小了热的产生，同时也起到了对光进行增透的作用，所以，该电流输运增透窗口层结构的引入提高了LED的出光效率以及热饱和特性。实验结果显示，在20mA注入电流下，LED的光强提高了70％左右，饱和工作电流增加了20mA以上。

本实用新型的具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，还可以分别包括有纵向层叠(从上往下看)的n-型上电极100，n-型导电透光层131，n-型电流扩展层201，n-型上限制层301，有源区400，p-型下限制层501，p-型缓冲层601和p-型衬底701，p-型下电极801，电流阻挡层120分别设置在n-型电流扩展层201上面、里面和下面。由依次排列的n-型导电透光层131、电流阻挡层120和薄的n-型电流扩展层201，构成n-型电流输运增透窗口层141。图12给出了电流阻挡层120设置在n-型电流扩展层201上面的结构，图13比图12的结构多一个设置在p-型下限制层501和p-型缓冲层601之间的p-型DBR反光层901。

本实用新型中电流输运增透窗口层的上面还可以引入增透膜、表面粗化层等能够对光能起到增透作用的结构。

本实用新型中的导电透光层所用的材料可以是ITO(氧化铟锡)，导电树脂，也可以是其它的既能导电、透光又能对光起到增透作用的材料。如：AlGaInP LED中，折射率介于GaP与空气之间的ITO层。

本实用新型中电流阻挡层120的材料可以是本征半导体、不导电树脂、不掺杂非晶Si，Si_xN_y和Si_xO_y等绝缘材料，也可以是与导电透光层导电类型相反的导电材料。

本实用新型中电流阻挡层120的形状以及尺寸可以和电极的相同，也可以不和电极的相同。

本实用新型中电流阻挡层120可以做在电流扩展层的里面、上面或下面。

本实用新型中有源区400结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的任意组合结构。

本实用新型中电流输运窗口层电极结构的发光二极管可以引入DBR反光层90或复合DBR结构，也可以不引入，也可以是倒装结构镜面全反射结构或部分反射结构。

本实用新型中的电流输运窗口层电极结构的发光二极管其器件结构如前述n型在下，p型在上，即在n型衬底上生长LED结构，也可以是p型在下，n型在上，即在p型衬底上生长与上面器件结构颠倒的器件结构，而新型导电透光层是n型。

本实用新型中上电极10的形状可以是圆形、星形、条形、插指形等其他形状，压焊点直径可以是100μm，80μm或其它的尺寸，材料可以是AuZnAu，也可以是其它的电极材料。

本实用新型中电流输运窗口层电极结构的发光二极管的衬底70可以是正装LED的GaAs，Si等对可见光吸收的材料，也可以是倒装焊结构的铜、金、Si等转移衬底材料。

本实用新型中n-型电极800可以是AlGaInP LED的AuGeNi，也可以是其它材料系的LED的n-型电极材料。

本实用新型中电流输运窗口层电极结构的发光二极管的管芯面积可以是225μm×225μm，200μm×200μm，也可以是其他的尺寸。

本实用新型的主要优越性：

1)电流输运增透窗口层LED中的电流阻挡层120能够有效地减小甚至完全阻止电极正下方的电流输运，而改为电流向电极周围的导电窗口层的横向输运扩展，从而提高了发光效率和光提取效率，相同条件下，器件的提取效率甚至可以增加一倍以上。

2)电流输运增透窗口层LED中的导电透光层不但增强了注入电流的横向输运和扩展，也起到了对光进行增透的作用，使得有源区产生的光子更多的发射到体外。

3)电流阻挡层120与导电透光层的结合，增强了电流的横向输运和扩展，从而降低了电流扩展层20的厚度，减少了生长时间，从而节省了原材料，降低了器件的成本。

4)器件的MOCVD外延生长时间由原来的4-5小时减少至3小时，整个器件的生长到器件制备的完成只需要12个小时左右，工艺简单，工艺流程短。

5)由于电流横向输运与扩展得到增强，电极下无电流流动，不产生无法输出的光和热，所以器件有着更好的热饱和特性，更加有利于大电流下工作。

6)由于电流阻挡层120和薄且强的电流扩展层20的存在，器件尺寸减小将不导致光强和光功率的减小，即可在小尺寸芯片下得到高亮度大功率输出的LED，可大大提高产量和产值。

7)具有电流输运增透窗口层结构发光二极管，具有的重要优点是：电流损耗小，亮度高，光效高；制作工艺简单，重复性好；器件尺寸小，产值高，成本低，适合于大批量生产。

附图说明

图1：普通的正装结构发光二极管的结构示意图；

图2：带有DBR反光层的正装结构发光二极管的结构示意图

图3：带有增透膜的正装结构发光二极管的结构示意图

图4：引入厚电流扩展层的正装结构发光二极管的结构示意图

图5：通过二次外延工艺引入电流阻挡层的正装结构发光二极管的结构示意图

图6：具有电流输运窗口层电极结构的正装发光二极管的结构示意图(阻挡层置于电流扩展层的上面)

图7：具有电流输运增透窗口层结构的正装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于电流扩展层200的上面，在n-型下限制层500与n-型缓冲层600之间引入了DBR反光层900)

图8：具有电流输运增透窗口层结构的正装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于p-型电流扩展层200的里面)

图9：具有电流输运增透窗口层结构的正装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于p-电流扩展层200的里面，在n-型下限制层500与n-型缓冲层600之间引入了DBR反光层900)

图10：具有电流输运增透窗口层结构的正装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于p-电流扩展层200的下面)

图11：具有电流输运增透窗口层结构的正装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于p-电流扩展层200的下面，在n-型下限制层500与n-型缓冲层600之间引入了DBR反光层900)

图12：具有电流输运增透窗口层结构的倒装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于n-型电流扩展层131的上面)

图13：具有电流输运增透窗口层结构的倒装发光二极管的结构示意图(电流阻挡层120置于n-型电流扩展层131的上面，在p-型下限制层501与p-型缓冲层601之间引入了DBR反光层901)

图中：10为上电极，20为电流扩展层，30为上限制层，400为有源区，50为下限制层，60为缓冲层，70为衬底，80为下电极，90为DBR反光层，11为增透膜，12为厚的电流扩展层，120为电流阻挡层，，130-p-型导电透光层，131-n-型导电透光层，100为p-型上电极，200为p-型电流扩展层，300为p-型上限制层，500为n-型下限制层，600为n-型缓冲层，700为n-型衬底，800为n-型下电极，900为n-型DBR反光层，140为p-型电流输运增透窗口层，101为n-型上电极，201为n-型电流扩展层，301为n-型上限制层，501为p-型下限制层，601为p-型缓冲层，701为p-型衬底，801为p-型下电极，901为p-型DBR反光层，141为n-型电流输运增透窗口层。

具体实施方式

实施例1

如图6所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：p-型电极100，p-型电流扩展层200，p-型上限制层300，有源区400，n-型下限制层500，n-型缓冲层600，n-型衬底700，n-型下电极800，以及由p-型导电透光层130、电流阻挡层120和p-型电流扩展层200构成的p-型电流输运增透窗口层140；其制备过程和方法如下：

1、在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底700上，用MOVCD方法依次外延生长n-型缓冲层600，n-型下限制层500，有源区400，p-型上限制层300，p-型电流扩展层200，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片；

2、具体的工艺步骤为：首先将外延片进行清洗，然后利用耦合等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统在p-型电流扩展层200上面淀积一层SiO₂绝缘层，接下来光刻出电流阻挡层120，再蒸镀上一层ITO导电透光材料，形成p-型导电透光层130，通过这些步骤，完成了p-型电流输运增透窗口层140的制作；

3、接下来，在正面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出p-型电极100，将整个外延片衬底进行减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成n-型电极800，完成了上下电极的制作；将做好的外延片解理成225μm×225μm的管芯，压焊在管座上；

4、在p-型电极100和n-型电极800之间加上电流，就可以实现高效高亮度的AlGaInP发光二极管的发光。例：20mA注入电流下，单管轴向发光强度达到140mcd，主波长在625nm左右，光效达到9lm/W，而没有电流输运增透窗口层的器件的光效仅为4lm/W。

实施例2

如图7所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：p-型电极100，p-型电流扩展层200，p-型上限制层300，有源区400，n-型下限制层500，n-型缓冲层600，n-型衬底700，n-型下电极800，n-型DBR反光层900，以及由p-型导电透光层130、电流阻挡层120和p-型电流扩展层200构成的p-型电流输运增透窗口层140；其制备过程和方法如下：

1.在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底700上，用MOVCD方法依次外延生长n-型缓冲层600，n-型DBR反光层900，n-型下限制层500，有源区400，p-型上限制层300，p-型电流扩展层200，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片；

2.具体的工艺步骤为：首先将外延片进行清洗，然后利用PECVD(耦合等离子体增强化学气相淀积)系统在p-型电流扩展层200上面淀积一层SiO₂绝缘层，接下来光刻出电流阻挡层120，再蒸镀上一层ITO导电透光材料，通过这些步骤，完成了p-型电流输运窗口层140的制作；

3.接下来，在正面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出p-型电极100，将整个外延片衬底进行减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成n-型电极800，完成了上下电极的制作；将做好的外延片解理成225μm×225μm的管芯，压焊在管座上；从外延片的生长到器件制备的完成共需12小时，工艺流程时间短。

4.在p-型电极100和n-型电极800之间加上电流，就可以实现高效高亮度的AlGaInP发光二极管的发光。例：20mA注入电流下，单管轴向发光强度达到200mcd，主波长在625nm左右。

实施例3

如图8所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：p-型电极100，p-型电流扩展层200，p-型上限制层300，有源区400，n-型下限制层500，n-型缓冲层600，n-型衬底700，n-型电极800，n-型DBR反光层900，以及由p-型导电透光层130、电流阻挡层120和p-型电流扩展层200构成的p-型电流输运窗口层140；其制备过程和方法如下：

1.在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底700上，用MOVCD方法依次外延生长n-型缓冲层600，n-型下限制层500，有源区400，p-型上限制层300，p-型电流扩展层200，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片；

2.再通过后工艺的办法：首先将外延片进行清洗，甩胶，光刻出要做阻挡层的区域，带胶湿法腐蚀，腐蚀深度与p-型电流扩展层200的厚度相同，然后利用PECVD系统在表面淀积一层SiO₂绝缘层，厚度与腐蚀深度相同，接下来，进行剥离，得到了电流阻挡层120，再蒸镀上一层ITO导电透光材料，通过这些步骤，完成了电流输运增透窗口层140的制作；

3.接下来，在正面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出p-型电极100，将整个外延片衬底进行减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成n-型电极800，完成了上下电极的制作；将做好的外延片解理成225μm×225μm的管芯，压焊在管座上；

图9所示的器件在结构上比图8多一个在n-型下限制层500与n-型缓冲层600之间生长的n-型DBR反光层900，工艺上的唯一区别是MOCVD生长时多生长一层n-型DBR反光层900。

实施例4

如图10所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：p-型电极100，p-型电流扩展层200，p-型上限制层300，有源区400，n-型下限制层500，n-型缓冲层600，n-型衬底700，n-型电极800，以及由p-型导电透光层130、电流阻挡层120和p-型电流扩展层200构成的p-型电流输运窗口层140；其制备过程和方法如下：

2.再通过后工艺的办法：首先将外延片进行清洗，甩胶并光刻出要做阻挡层的区域，利用离子注入的办法在该区域注入能起阻挡作用的离子，形成电流阻挡层120，去胶并清洗，然后蒸镀上一层ITO导电透光材料，通过这些步骤，完成了电流输运增透窗口层140的制作；

3.接下来，用蒸发的办法在正面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出p-型上电极100，将整个外延片衬底进行减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成n-型下电极800，完成了上下电极的制作；将做好的外延片解理成225μm×225μm的管芯，压焊在管座上。

图11所示的器件在结构上比图10多一个在n-型下限制层500与n-型缓冲层600之间生长的n-型DBR反光层900，工艺上的唯一区别是MOCVD生长时多生长一层n-型DBR反光层900。

实施例5

如图12所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：n-型电极101，n-型电流扩展层201，n-型上限制层301，有源区400，p-型下限制层501，p-型缓冲层601，p-型衬底701，p-型电极801，以及由n-型导电透光层130、电流阻挡层120和n-型电流扩展层201构成的n-型电流输运窗口层141；其制备过程和方法如下：

1.在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的p-型衬底701上，用MOVCD方法依次外延生长p-型缓冲层601，p-型下限制层501，有源区400，n-型上限制层301，n-型电流扩展层201，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片；

2.具体的工艺步骤为：首先将外延片进行清洗，然后利用PECVD(耦合等离子体增强化学气相淀积)系统在n-型电流扩展层201上面淀积一层SiO₂绝缘层，接下来光刻出电流阻挡层120，再蒸镀上一层ITO导电透光材料，通过这些步骤，完成了n-型电流输运增透窗口层141的制作；

3.接下来，用蒸发的办法在正面蒸发一层AuGeNi金属层，并光刻出n-型电极101，将整个外延片衬底进行减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuZnAu形成p-型电极801，完成了上下电极的制作；将做好的外延片解理成225μm×225μm的管芯，压焊在管座上。

图13所示的器件在结构上比图12多一个在p-型下限制层501与p-型缓冲层601之间生长的p-型DBR反光层901，工艺上的唯一区别是MOCVD生长时多生长一层p-型DBR反光层901。

Claims

1.一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，包括有从上往下依次纵向层叠生长的上电极(10)、电流扩展层(20)、上限制层(30)、有源区(400)、下限制层(50)、缓冲层(60)、衬底(70)、下电极(80)，其特征在于，在上电极(10)与电流扩展层(20)之间设置有导电透光层，还包括设置在电流扩展层(20)里面或下面或上面的电流阻挡层(120)，由导电透光层、电流扩展层(20)和电流阻挡层(120)结合形成电流输运窗口层。

2.根据权利要求1所述的一种电流输运增透窗口层结构的发光二极管，其特征在于，在下限制层(50)和缓冲层(60)之间引入DBR反光层(90)或复合DBR结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，其特征在于，在电流输运增透窗口层的上面引入能够对光能起到增透作用的结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有电流输运增透窗口层结构的发光二极管，其特征在于，有源区(400)的结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或超晶格结构，或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的任意组合结构。