專利名稱：一種新型半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)是一種半導(dǎo)體發(fā)光器 件，利用氮化鎵系列化合物發(fā)光材料，在正向電壓下引起光子復(fù)合而發(fā)光。LED直接發(fā)出白 色和各種彩光，其發(fā)光過程包括正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射發(fā)光和光能的有效提 取。然而，目前主流的LED設(shè)計均采用N型和P型電極分處在LED左右兩端的刻蝕臺 階結(jié)構(gòu)(Mesa-etch structure)，其電子注入和擴(kuò)散受到限制，導(dǎo)致LED發(fā)光效率降低，發(fā) 光亮度不均勻(如圖1所示)。在高電流密度注入條件下，靠近N型電極的區(qū)域容易出現(xiàn)電 流擁塞，導(dǎo)致局部溫度過高甚至整個LED器件失效。為解決電流擁塞問題，2008年固體物理現(xiàn)狀通訊雜志(Physica StatusSolidi C) 第6期里，德國厄姆大學(xué)的Hertkorn等人提出了一種新型外延層結(jié)構(gòu)，使用氮化鎵，氮化鋁 和氮化鋁鎵化合物半導(dǎo)體的超晶格結(jié)構(gòu)(superlattice)，以及該結(jié)構(gòu)特有的二維電子氣聚 集效應(yīng)來增強(qiáng)N型層的橫向電流擴(kuò)散。但是，由于引入電阻率較大，不易摻雜的氮化鋁外延 層，該結(jié)構(gòu)將增加LED裝置的垂直方向電阻，增加正向電壓并降低效率和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的LED器件的缺陷，本發(fā)明提供一種出光均勻、發(fā)光效率高、電極可 靠的新型半導(dǎo)體發(fā)光二極管，解決了 LED器件電流擁塞問題，同時解決了因LED的P型電極 遮光效應(yīng)引起的出光量減少和電極可靠性降低等問題。本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為一種新型半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括依次復(fù)合的 襯底、緩沖層、N型層、有源層、電子阻擋層、P型層，P型接觸金屬層，其中在P型接觸金屬層 表面，向襯底方法通過刻蝕等方法至少形成一個槽深至N型層的凹槽，所述凹槽的四周側(cè) 壁設(shè)有絕緣層，還設(shè)有N型接觸金屬層，所述N型接觸金屬層通過絕緣層間隔復(fù)合在P型接 觸金屬層表面，并隨凹槽向N型層延伸至兩者直接接觸連接。本發(fā)明通過刻蝕穿透P型層、電子阻擋層、有源層等，將N型層材料直接暴露于P 型材料一側(cè)，并在暴露區(qū)域覆蓋N型接觸金屬和電極，從而增強(qiáng)N型層中的橫向電流擴(kuò)散， 同時P型金屬覆蓋整個P型半導(dǎo)體層，LED從襯底表面出光。通過上述改進(jìn)本發(fā)明可大幅 度縮短了電流在LED器件中的橫向擴(kuò)散距離，避免了電流擁塞引起的LED器件電流密度分 布不均，使LED器件(特別是芯片面積大于1mm2的LED)出光更加均勻，且根除了 P型電極 的遮光效應(yīng)。同時，避免了電流擁塞帶來的局部熱量集中導(dǎo)致的LED器件散熱困難，發(fā)光效 率和電極可靠性降低等問題。此外，由于LED出光部分表面不再覆蓋金屬電極，為后續(xù)白光LED制程中的熒光粉 (Phosphor)旋涂提供了方便，特別是可直接在襯底表面復(fù)合熒光粉層。
本發(fā)明中所述有源層包括至少一組由量子位障層和量子井層形成的組合。其中， 所述位障層和量子井層的單層厚度在1納米到100納米之間。作為對本發(fā)明的進(jìn)一步研究，所述N型層厚度在100納米到100微米之間；更進(jìn)一 步表示為所述N型層厚度優(yōu)選為1微米到100微米之間。所述電子阻擋層厚度在1納米到500納米之間。所述P型層由氮化物系列化合物半導(dǎo)體制成，其厚度在10納米至10微米之間。所述凹槽底面剖面寬度在10納米到10，000納米之間。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是典型傳統(tǒng)刻蝕臺階型LED結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)圖。其中，11為襯底；12.緩沖層；13. N型層；14.有源層；15.電子阻擋層；16為P型 層；17.為熒光粉層；18為量子位障層；19為量子井層；201. N型接觸金屬層；202. N型厚電 極；203. P型接觸金屬層；204. P型厚電極；205.絕緣層。
具體實(shí)施例方式如圖2所示本發(fā)明涉及一種新型半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括依次復(fù)合的熒光粉層 17、襯底11、緩沖層12、N型層12、有源層14、選擇厚度為10納米、100納米或200納米的電 子阻擋層15、選擇厚度為10納米、1微米或8微米的P型層16、P型接觸金屬層203，P型接 觸金屬層203和通過絕緣層205間隔的N型接觸金屬層201，在LED器件的P型層16表面的 局部進(jìn)行刻蝕形成三個凹槽，其分別穿透P型層16、有源層14和部分N型層13，從而使N型 層13材料表面暴露于P型材料一側(cè)，所述N型層氮化鎵系材料為InxAlyGai_x_yN(0彡x彡1， 0彡y彡1，0彡x+y彡1)，且x和y的比例可根據(jù)LED設(shè)計的出光波長進(jìn)行任意選擇。在 P型層16上蒸鍍接觸金屬層203和電極，金屬材料為鎳、金的合金，并呈完整覆蓋P型層 13。在暴露的N型層區(qū)域蒸鍍接觸金屬層和電極，材料為鈦、鋁、金、釩的合金。N型接觸金 屬層201與P型接觸金屬層203、電極以及有源層14、電子阻擋層15、P型層16互不接觸， 其界面由絕緣層205隔離，該絕緣層同時覆蓋N型層材料刻蝕時形成的部分凹面和全部側(cè) 壁，絕緣層材料為二氧化硅或氮化硅。上述中，LED的襯底11的選取材料為氮化鋁、氮化鎵(GaN)或硅(Si)、碳化硅 (SiC)或鋁酸鑭(LiA103)或藍(lán)寶石(A1203)的一種，所選襯底在LED出光波長范圍內(nèi)透明， 并可包含圖形化的表面結(jié)構(gòu)從而提高出光效率和降低錯位密度。緩沖層12用于緩沖襯底和氮化鎵系材料的晶格失配引起的應(yīng)力效應(yīng)，提高后續(xù) 生長的N型層13，有源層14和P型層16的晶體質(zhì)量。有源層14包括三組波長帶寬較高的量子位障層18和帶寬較低的量子井層19 組合，其單層厚度在1納米到100納米之間，本實(shí)施例選擇10納米、50納米或70納米； 上述各材料層均可由氮化物的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，InxAlyGalTyN(0彡x彡1，0彡y彡1， 0彡x+y彡1)，且x和y的比例可根據(jù)LED設(shè)計的出光波長進(jìn)行任意選擇。N型層13和P型 層16的半導(dǎo)體帶寬高于有源層的半導(dǎo)體材料帶寬，上述各層材料均可根據(jù)需要進(jìn)行摻雜，
4可摻雜的材料包括硅(Si)、鎂(Mg)等，其摻雜方式包括連續(xù)摻雜和非連續(xù)摻雜等。為了獲 得較高的電子和空穴濃度，也可利用氮化物內(nèi)建極化電場進(jìn)行摻雜。N型層中也可以包含類 似的超晶格結(jié)構(gòu)用來降低錯位密度。N型層13的厚度一般控制在100納米到100微米之間，從而為隨后的凹槽刻蝕預(yù) 留出足夠的誤差空間，本實(shí)施例厚度選擇為1微米、10微米、20微米、50微米。在P型層16材料的表面蒸鍍一層P型接觸金屬層203，該半導(dǎo)體_金屬接觸為歐 姆接觸(Ohmic contact)。該P(yáng)型接觸金屬層203可為單一金屬或者多種金屬的堆棧結(jié)構(gòu)。絕緣層205的形成方式包括使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，以及通過光刻程序形 成。在絕緣層205形成后，在其表面形成的N型接觸金屬層201，其與N型層半導(dǎo)體材 料為歐姆接觸。該N型接觸金屬201可為單一金屬或者多種金屬的堆棧結(jié)構(gòu)，包括但不限 于鈦(Ti)、鋁(A1)、金(Au)、釩(V)的合金。隨后，通過刻蝕N型接觸金屬層201和絕緣層205暴露出P型接觸金屬層203，并 在其表面形成焊點(diǎn)204。采用該結(jié)構(gòu)的LED —般需進(jìn)行倒裝封裝。本發(fā)明還可根據(jù)波長的不同，在一些LED結(jié)構(gòu)中，N型材料層和有源層中可插入一 層空穴阻擋層(未顯示)。以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明的權(quán)利 范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
一種新型半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括依次復(fù)合的襯底、緩沖層、N型層、有源層、電子阻擋層、P型層，P型接觸金屬層，其特征在于在P型接觸金屬層表面，向襯底方法通過刻蝕等方法至少形成一個槽深至N型層的凹槽，所述凹槽的四周側(cè)壁設(shè)有絕緣層，還設(shè)有一N型接觸金屬層，所述N型接觸金屬層通過絕緣層間隔復(fù)合在P型接觸金屬層表面，并隨凹槽向N型層擴(kuò)展延伸至兩者直接接觸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于還包括復(fù)合在襯底表面的 熒光粉層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述有源層至少包括一組 由量子位障層和量子井層形成的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述位障層和量子井層的 單層厚度在1納米到100納米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述N型層厚度在100納 米到100微米之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述N型層厚度在1微米 到100微米之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述電子阻擋層厚度在1 納米到500納米之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述P型層由氮化物系列 化合物半導(dǎo)體制成，其厚度在10納米至10微米之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述凹槽底面剖面寬度在 10納米到10,000納米之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于在N型材料層和有源層之 間復(fù)合空穴阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括襯底、緩沖層、N型層、有源層、電子阻擋層、P型層，P型接觸金屬層，通過刻蝕穿透P型層、電子阻擋層、有源層等，將N型層材料直接暴露于P型材料一側(cè)，并在暴露區(qū)域覆蓋N型接觸金屬和電極，從而增強(qiáng)N型層中的橫向電流擴(kuò)散，同時P型金屬覆蓋整個P型半導(dǎo)體層，LED從襯底表面出光。通過上述改進(jìn)可大幅度縮短了電流在LED器件中的橫向擴(kuò)散距離，避免了電流擁塞引起的LED器件電流密度分布不均，使LED器件出光更加均勻，且根除了P型電極的遮光效應(yīng)。
文檔編號H01L33/38GK101867002SQ20101018399
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者云峰, 廖翊韜 申請人:常州美鎵偉業(yè)光電科技有限公司;云峰