CN208444856U - 具有场板结构的发光二极管器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种具有场板结构的发光二极管器件。该器件主体为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‑型电流阻挡层、P‑型半导体传输层、P‑型重掺杂半导体传输层、场板结构层、电流扩展层和P‑型欧姆电极；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；其中，场板结构层位于P‑型重掺杂半导体传输层和电流扩展层之间，并嵌于电流扩展层；所使用的绝缘体材料为非掺杂的SiO2、Al2O3、Si3N4、AlN、LiF、金刚石或PMMA。本实用新型中具有场板结构的发光二极管器件，制作工艺简单，易于操作，可重复性强，生产成本低。

Description

具有场板结构的发光二极管器件

技术领域

本实用新型涉及发光二极管半导体技术领域，具体地说是一种具有场板结构的发光二极管器件。

背景技术

在上世纪50年代，随着锗、硅材料作为第一代半导体的出现，以集成电路为核心的微电子工业开始逐渐发展起来，此类材料被广泛应用于集成电路中。进入90年代以后，第二代半导体砷化镓、磷化铟等具有高迁移率的半导体材料逐渐出现，使得有线通讯技术迅速发展。随后在本世纪初，碳化硅，氮化镓等具有宽禁带的第三代半导体材料也相继问世，随着半导体器件制备技术的不断进步，氮化物LED发光二极管技术相应地取得了充分的发展，在通讯照明，国防军事，杀菌消毒等领域都有着广阔的应用前景。

目前，氮化物LED发光二极管技术亟待解决的主要问题是高电流下的效率衰退。相关研究机构发现造成这种现象的原因主要有较低的空穴注入率、载流子的离域以及俄歇复合等原因。如前所提到的原因均是基于载流子在多量子阱(MQWs)中的垂直分布。然而面内(水平方向)的载流子分布不均匀，即电流拥挤现象对器件造成的影响同样值得关注。有关研究发现，空穴具有相较于电子更重的有效质量，因此空穴的迁移率则会较低，加之P-型材料层的电阻率较高，使空穴更容易在P-型欧姆电极边缘发生拥挤。由此造成LED发光二极管局部高电流浓度区域的辐射复合率降低，由此使得LED的效率下降十分严重，同时局部的高温区域会严重影响器件的性能和使用寿命。因此提高空穴的电流扩展对改善LED器件的性能和提高其使用寿命具有重要的意义。研究人员为提高载流子的横向扩展而改造了LED的器件结构，比如采用放置于多量子阱和P-型材料层之间的超晶格结构来增加空穴垂直方向的势垒，从而提高了空穴在水平方向的电流扩展，提高了器件的外量子效率[Yi-Jung Liu,Chih-Hung Yen,et al.On a GaN-Based Light-Emitting Diode With a p-GaN/i-InGaNSuperlattice Structure,IEEE Electron Device Lett.30,1149(2009).]；另外，提出一种具有图形化二氧化硅电流阻挡层结构的LED，这种LED增强了器件的电流扩展效应，同时使图形化的圆柱作为光散射中心，使光有更大的概率能够射出器件，提高了器件性能[Jae-Seong Park,Young Hoon Sung,et al.Use of a patterned current blocking layer toenhance the light output power of InGaN-based light-emitting diodes,Opt.Express 25,17556-17561(2017).]。上述两种结构虽然在一定程度上提高了电流的横向扩展效应，使器件性能得到了一定的提升，但无论是超晶格型的空穴垂直势垒层，还是利用具有图形化二氧化硅电流阻挡层结构，它们的结构均较为复杂，对于生长工艺的要求过高，一般的工业生产水平较难达到两种器件所提出的标准。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供具有场板结构的发光二极管器件。该器件通过在电流扩展层之中嵌入场板结构，利用场板结构能够分担电场的特点，使得P-型欧姆电极边缘部位原本存在的较高的电场得以削弱，从而减弱了该部位的电流拥挤现象，使整个器件内部的载流子得到更好的横向扩展，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。另外，由于横向电流分布的更加均匀，这样就缓解了发光二极管的局部高温现象，延长了器件的使用寿命。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种具有场板结构的发光二极管器件，该器件主体为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-型电流阻挡层、P-型半导体传输层、P-型重掺杂半导体传输层、场板结构层、电流扩展层和P-型欧姆电极；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；其中，场板结构层位于P-型重掺杂半导体传输层和电流扩展层之间，并嵌于电流扩展层；所使用的绝缘体材料为非掺杂的SiO2、Al2O3、Si3N4、AlN、LiF、金刚石或PMMA，厚度为0.1～1000μm，宽度为1～1000μm。

所述衬底为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃；衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底。

所述缓冲层的材质是Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N；式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1，0≤1-x1-y1≤1，厚度为10～50nm。

所述N-型半导体传输层的材质为Al_x2In_y2Ga1_-x2-y2N，其中，应保证各组分系数0≤x2≤1,0≤y2≤1，0≤1-x2-y2≤1，厚度为1～5μm；暴露部分的面积占总N-型半导体传输层面积的比例为5％～90％，厚度范围1～5μm。

所述多量子阱层材质为Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N，式中，0≤x3≤1,0≤y3≤1，0≤1-x3-y3≤1，0≤x4≤1,0≤y4≤1，0≤1-x4-y4≤1，量子垒的禁带宽度应高于量子阱的禁带宽度，量子阱的个数大于等于1；量子阱Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N厚度为1～10nm，量子垒Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N厚度为5～50nm。

所述P-型电流阻挡层的材质为Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N，式中，0≤x5≤1,0≤y5≤1，0≤1-x5-y5≤1，厚度为10～100nm。

所述P-型半导体传输层的材质为Al_x6In_y6Ga_1-x6-y6N，式中，0≤x6≤1,0≤y6≤1，0≤1-x6-y6≤1，厚度为50～250nm。

所述P-型重掺杂半导体传输层的材质为Al_x7In_y7Ga_1-x7-y7N，式中，0≤x7≤1,0≤y7≤1，0≤1-x7-y7≤1，材料掺杂为P型重掺杂，厚度为10～50nm。

所述电流扩展层的材料可以是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，P-型欧姆电极的投影面积为电流扩展层面积的5％～100％。

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，其中，N型欧姆电极的投影面积为暴露的N-型半导体传输层面积的5％～100％。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型具有如下的突出的实质性特点和显著进步：

(1)本实用新型中的具有场板结构的发光二极管器件，将绝缘体嵌入到了发光二极管的电流扩展层中，这种发光二极管结构充分利用了场板结构所具有的分担电场的特点，使场板结构与发光二极管进行了巧妙的整合，经计算，使得P-型欧姆电极边缘部位存在的较高的电场削弱为标准发光二极管器件的83.3％，从而减弱了该部位的电流拥挤现象，使整个器件内部的载流子得到更好的横向扩展，即电极边缘部位的载流子浓度下降了12.5％，相应地器件边缘两侧的载流子浓度提升7.2％，从而使发光二极管的光功率提升了19.2％，内量子效率提升了18.7％。

(2)此外，该器件设计结构一定程度上缓解了现有标准发光二极管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。

(3)本实用新型中具有场板结构的发光二极管器件，制作工艺简单，易于操作，可重复性强，生产成本低。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作近一步的说明。

图1为现有技术中的标准发光二极管外延片结构示意图。

图2为本实用新型的方法中，具有场板结构的发光二极管的外延片结构示意图。

图3为本实用新型的方法中，在P-型重掺杂半导体传输层上，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4为本实用新型的方法中，图3所示制品在P-型重掺杂半导体传输层上蒸镀场板结构层，并通过光刻技术、刻蚀技术得出具备图3所示场板结构的外延片架构示意图。

图5为本实用新型的方法中，图4所示制品通过光刻和湿法刻蚀制作图形化电流扩展层的外延片结构示意图。

图6为实施例1中具有场板结构发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强与标准发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强的对比图。

图7为实施例1中具有场板结构发光二极管最后一个量子阱的横向空穴浓度与标准发光二极管最后一个量子阱的横向空穴浓度的对比图。

图8为实施例4的结构示意图。

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-型电流阻挡层，106.P-型半导体传输层，107.P-型重掺杂半导体传输层，108.场板结构层，109.电流扩展层，110.P-型欧姆电极，111.N-型欧姆电极。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

图1所示实施例表明，现有技术中的标准发光二极管外延片结构，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-型电流阻挡层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109、P-型欧姆电极110和N-型欧姆电极111。

图2所示实施例表明，本实用新型具有场板结构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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107、场板结构层108、电流扩展层109、P-型欧姆电极110和N-型欧姆电极111。

图3所示实施例表明，本实用新型的方法中，在P-型重掺杂半导体传输层107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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106和P-型重掺杂半导体传输层107。

图4所示实施例表明，本实用新型的方法中，在P-型重掺杂半导体传输层107上蒸镀场板结构层108，并光刻出场板结构的外延片结构，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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107和场板结构层108。

图5所示实施例表明，本实用新型的方法中，通过光刻和湿法刻蚀制作图形化电流扩展层的外延片结构，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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107、场板结构层108和电流扩展层109。

图6所示曲线表明，在实施例1中由于场板结构的使用，虚线所代表的具有场板结构发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强较标准发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强下降了16.7％。这是由于绝缘体材料的场板结构起到了分担电场的作用。

图7所示曲线表明，在实施例1中由于具有场板结构发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强较标准发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强降低了，因此该位置处的空穴浓度降低了12.5％，对电极边缘的电流拥挤现象起到了缓解的作用，得到了更好的电流扩展效应，器件边缘两侧载流子浓度提升7.2％。

图8所示表明，实施例4中具有场板结构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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107、场板结构层108、电流扩展层109、P-型欧姆电极110和N-型欧姆电极111。

实施例1

本实施例的具有场板结构的发光二极管器件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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107、场板结构层108、电流扩展层109、P-型欧姆电极110和N-型欧姆电极111。其中，场板结构层108所使用的绝缘体材料为非掺杂的SiO₂,厚度为300nm,宽度为20μm。

上述中，衬底101使用蓝宝石，结构外延生长沿着[0001]方向；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In_0.07Ga_0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度设置为8nm，量子阱In_0.07Ga_0.93N的厚度设置为4nm；P-型电流阻挡层105的材料为Al_0.09Ga_0.91N，厚度为15nm；P-型半导体传输层106的材料为GaN，厚度为50nm；P-型重掺杂半导体传输层107的材料为GaN，厚度为10nm；场板结构层108的材质为SiO₂，厚度为2nm，宽度为5nm；电流扩展层109的材料为ITO，厚度为10nm；P-型欧姆电极110的材质为P-型欧姆电极Cr/Au；N型-欧姆电极111的材质为N-型欧姆电极Cr/Au。

上述具有场板结构的发光二极管器件外延结构，其制备方法如下：

第一步，在MOCVD反应炉中，将衬底101在1300℃高温环境下进行烘烤，将衬底101表面的异物进行清除；

第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底101表面上外延生长厚度为15nm缓冲层102，生长温度为1020℃，气压为380mbar，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；

第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102上外延生长厚度为3μm的N-型半导体传输层103,生长温度为1020℃，气压为380mbar；

第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步中得到的N-型半导体传输层103上外延生长多量子阱层104。其中，量子垒GaN厚度为8nm，量子阱In_0.07Ga_0.93N厚度为4nm，量子垒的禁带宽度应高于量子阱的禁带宽度，多量子阱的生长周期为5,生长温度为900℃，气压为400mbar。

第五步，在MOCVD反应炉中，在第三步中得到的多量子阱层104上外延生长P-型电流阻挡层105，厚度为15nm,生长温度为950℃，气压为120mbar。并继续生长厚度为50nm的P-型半导体传输层106和厚度为10nm的P-型重掺杂半导体传输层107,生长温度为950℃，气压为320mbar；

第六步，在第五步得到的P-型重掺杂半导体传输层107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；

第七步，在第五步得到的P-型重掺杂半导体传输层107上蒸镀场板结构层108，场板结构层所使用的绝缘体材料为非掺杂的SiO₂，厚度为300nm。随后利用光刻技术对绝缘体材料刻蚀出矩形图案，该图案沿着P-型重掺杂半导体传输层107的边缘而覆盖，宽度为20μm；

第八步，在第七步得到的场板结构层上蒸镀电流扩展层109，其材料是ITO，厚度为10nm。并通过光刻和湿法刻蚀制作图形化电流扩展层，位于P-型重掺杂半导体传输层107和场板结构层108的上方。

第九步，蒸镀并且光刻制作出P-型欧姆电极110，随后蒸镀并且光刻制作出位于N-型半导体传输层103之上的N-型欧姆电极111。

由此制得本实用新型的具有场板结构的发光二极管器件。根据图6所示，本实施例中由于场板结构的使用，虚线所代表的具有场板结构发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强标准发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强下降了16.7％。这是由于绝缘体材料的场板结构起到了分担电场的作用。图7所示曲线表明，本实施例中由于具有场板结构发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强较标准发光二极管P-型欧姆接触电极边缘场强降低了，因此该位置处的空穴浓度降低了12.5％，对电极边缘的电流拥挤现象起到了缓解的作用，得到了更好的电流扩展效应，器件边缘两侧载流子浓度提升7.2％。

实施例2

本实施例的具有场板结构的发光二极管器件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-型电流阻挡层105、P-型半导体传输层106、P-型重掺杂半导体传输层107、场板结构层108、电流扩展层109、P-型欧姆电极110和N-型欧姆电极111。其中，场板结构层108所使用的绝缘体材料为非掺杂的Al₂O₃,厚度为200nm,宽度为15μm。

上述中，衬底101使用蓝宝石，结构外延生长沿着[0001]方向；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Al_0.60Ga_0.40N，厚度为4μm；多量子阱层104的结构为5个周期的Al_0.53Ga_0.47N/Al_0.44Ga_0.56N层，其中量子垒Al_0.53Ga_0.47N的厚度设置为11nm，量子阱Al_0.44Ga_0.56N的厚度设置为3nm；P-型电流阻挡层105的材料为Al_0.60Ga_0.40N，厚度为15nm；P-型半导体传输层106的材料为Al_0.40Ga_0.60N，厚度为180nm；P-型重掺杂半导体传输层107的材料为GaN，厚度为15nm；场板结构层108的材质为Al₂O₃，厚度为200nm，宽度为10μm；电流扩展层109的材料为ITO，厚度为200nm；P-型欧姆电极110的材质为P-型欧姆电极Ni/Au；N型-欧姆电极111的材质为N-型欧姆电极Ni/Au。

上述具有场板结构的发光二极管器件外延结构，其制备方法如下：

第一步，在MOCVD反应炉中，将衬底101在1300℃高温环境下进行烘烤，将衬底101表面的异物进行清除；

第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底101表面上外延生长厚度为15nm缓冲层102，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；

第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102上外延生长厚度为4μm的N-型半导体传输层103；

第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步中得到的N-型半导体传输层103上外延生长多量子阱层104。其中，量子垒Al_0.53Ga_0.47N厚度为11nm，量子阱Al_0.44Ga_0.56N厚度为3nm，量子垒的禁带宽度应高于量子阱的禁带宽度，多量子阱的生长周期为5。

第五步，在MOCVD反应炉中，在第三步中得到的多量子阱层104上外延生长P-型电流阻挡层105，厚度为15nm。并继续生长厚度为180nm的P-型半导体传输层106和厚度为15nm的P-型重掺杂半导体传输层107；

第六步，在第五步得到的P-型重掺杂半导体传输层107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；

第七步，在第五步得到的P-型重掺杂半导体传输层107上蒸镀场板结构层108，场板结构层所使用的绝缘体材料为非掺杂的Al₂O₃，厚度为200nm。随后利用光刻技术对绝缘体材料刻蚀出图案，该图案沿着P-型重掺杂半导体传输层107的边缘而覆盖，宽度为15μm；

第八步，在第七步得到的场板结构层上蒸镀电流扩展层109，其材料是ITO/金属合金层，ITO层厚度为2nm,金属层厚度为200nm。并通过光刻和湿法刻蚀制作图形化电流扩展层，位于P-型重掺杂半导体传输层107和场板结构层108的上方。

第九步，蒸镀并且光刻制作出P-型欧姆电极110以及位于N-型半导体传输层103之上的N-型欧姆电极111。

由此制得本实用新型的具有场板结构的发光二极管器件。

实施例3

除场板结构层108使用的材料为金刚石；电流扩展层109使用的材料为石墨烯之外，其他同实施例1。

实施例4

本实施例其他步骤同实施例2，不同的是，我们并没有将场板结构局限于电流扩展层的边缘，而是使用相同的生长方法，经过光刻技术刻蚀后在电流扩展层内部同样嵌入了场板结构，另外场板结构层108使用的材料为LiF，电流扩展层109使用的材料为Al。

上述具有场板结构的发光二极管器件，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。

结合各实施例所得结果，我们发现随着场板厚度的变厚，该结构起到的电场分担作用更强，同时器件内部的电流扩展效应就更好。具体的宽度和厚度的变化需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使场板结构起到最佳效果。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种具有场板结构的发光二极管器件，其特征为该器件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-型电流阻挡层、P-型半导体传输层、P-型重掺杂半导体传输层、场板结构层、电流扩展层和P-型欧姆电极；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；

其中，场板结构层位于P-型重掺杂半导体传输层和电流扩展层之间，并嵌于电流扩展层；所使用的绝缘体材料为非掺杂的SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、AlN、LiF、金刚石或PMMA，厚度为0.1～1000 μm，宽度为1～1000 μm。