CN101867002A - 一种新型半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体发光二极管，包括衬底、缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，P型接触金属层，通过刻蚀穿透P型层、电子阻挡层、有源层等，将N型层材料直接暴露于P型材料一侧，并在暴露区域覆盖N型接触金属和电极，从而增强N型层中的横向电流扩散，同时P型金属覆盖整个P型半导体层，LED从衬底表面出光。通过上述改进：可大幅度缩短了电流在LED器件中的横向扩散距离，避免了电流拥塞引起的LED器件电流密度分布不均，使LED器件出光更加均匀，且根除了P型电极的遮光效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管。
背景技术
半导体发光二极管(Light Emitting Diode，以下简称LED)是一种半导体发光器件，利用氮化镓系列化合物发光材料，在正向电压下引起光子复合而发光。LED直接发出白色和各种彩光，其发光过程包括正向偏压下的载流子注入、复合辐射发光和光能的有效提取。
然而，目前主流的LED设计均采用N型和P型电极分处在LED左右两端的刻蚀台阶结构(Mesa-etch structure)，其电子注入和扩散受到限制，导致LED发光效率降低，发光亮度不均匀(如图1所示)。在高电流密度注入条件下，靠近N型电极的区域容易出现电流拥塞，导致局部温度过高甚至整个LED器件失效。
为解决电流拥塞问题，2008年固体物理现状通讯杂志(Physica StatusSolidi C)第6期里，德国厄姆大学的Hertkorn等人提出了一种新型外延层结构，使用氮化镓，氮化铝和氮化铝镓化合物半导体的超晶格结构(superlattice)，以及该结构特有的二维电子气聚集效应来增强N型层的横向电流扩散。但是，由于引入电阻率较大，不易掺杂的氮化铝外延层，该结构将增加LED装置的垂直方向电阻，增加正向电压并降低效率和可靠性。
发明内容
为了克服现有的LED器件的缺陷，本发明提供一种出光均匀、发光效率高、电极可靠的新型半导体发光二极管，解决了LED器件电流拥塞问题，同时解决了因LED的P型电极遮光效应引起的出光量减少和电极可靠性降低等问题。
本发明所采用的具体技术方案为：一种新型半导体发光二极管，包括依次复合的衬底、缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，P型接触金属层，其中在P型接触金属层表面，向衬底方法通过刻蚀等方法至少形成一个槽深至N型层的凹槽，所述凹槽的四周侧壁设有绝缘层，还设有N型接触金属层，所述N型接触金属层通过绝缘层间隔复合在P型接触金属层表面，并随凹槽向N型层延伸至两者直接接触连接。
本发明通过刻蚀穿透P型层、电子阻挡层、有源层等，将N型层材料直接暴露于P型材料一侧，并在暴露区域覆盖N型接触金属和电极，从而增强N型层中的横向电流扩散，同时P型金属覆盖整个P型半导体层，LED从衬底表面出光。通过上述改进：本发明可大幅度缩短了电流在LED器件中的横向扩散距离，避免了电流拥塞引起的LED器件电流密度分布不均，使LED器件(特别是芯片面积大于1mm2的LED)出光更加均匀，且根除了P型电极的遮光效应。同时，避免了电流拥塞带来的局部热量集中导致的LED器件散热困难，发光效率和电极可靠性降低等问题。
此外，由于LED出光部分表面不再覆盖金属电极，为后续白光LED制程中的荧光粉(Phosphor)旋涂提供了方便，特别是可直接在衬底表面复合荧光粉层。
本发明中所述有源层包括至少一组由量子位障层和量子井层形成的组合。其中，所述位障层和量子井层的单层厚度在1纳米到100纳米之间。
作为对本发明的进一步研究，所述N型层厚度在100纳米到100微米之间；更进一步表示为所述N型层厚度优选为1微米到100微米之间。
所述电子阻挡层厚度在1纳米到500纳米之间。
所述P型层由氮化物系列化合物半导体制成，其厚度在10纳米至10微米之间。
所述凹槽底面剖面宽度在10纳米到10,000纳米之间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是典型传统刻蚀台阶型LED结构。
图2是本发明的LED结构图。
其中，11为衬底；12.缓冲层；13.N型层；14.有源层；15.电子阻挡层；16为P型层；17.为荧光粉层；18为量子位障层；19为量子井层；201.N型接触金属层；202.N型厚电极；203.P型接触金属层；204.P型厚电极；205.绝缘层。
具体实施方式
如图2所示：本发明涉及一种新型半导体发光二极管，包括依次复合的荧光粉层17、衬底11、缓冲层12、N型层12、有源层14、选择厚度为10纳米、100纳米或200纳米的电子阻挡层15、选择厚度为10纳米、1微米或8微米的P型层16、P型接触金属层203，P型接触金属层203和通过绝缘层205间隔的N型接触金属层201，在LED器件的P型层16表面的局部进行刻蚀形成三个凹槽，其分别穿透P型层16、有源层14和部分N型层13，从而使N型层13材料表面暴露于P型材料一侧，所述N型层氮化镓系材料为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，且x和y的比例可根据LED设计的出光波长进行任意选择。在P型层16上蒸镀接触金属层203和电极，金属材料为：镍、金的合金，并呈完整覆盖P型层13。在暴露的N型层区域蒸镀接触金属层和电极，材料为：钛、铝、金、钒的合金。N型接触金属层201与P型接触金属层203、电极以及有源层14、电子阻挡层15、P型层16互不接触，其界面由绝缘层205隔离，该绝缘层同时覆盖N型层材料刻蚀时形成的部分凹面和全部侧壁，绝缘层材料为二氧化硅或氮化硅。
上述中，LED的衬底11的选取材料为：氮化铝、氮化镓(GaN)或硅(Si)、碳化硅(SiC)或铝酸镧(LiAlO3)或蓝宝石(Al2O3)的一种，所选衬底在LED出光波长范围内透明，并可包含图形化的表面结构从而提高出光效率和降低错位密度。
缓冲层12用于缓冲衬底和氮化镓系材料的晶格失配引起的应力效应，提高后续生长的N型层13，有源层14和P型层16的晶体质量。
有源层14包括三组波长带宽较高的量子位障层18和带宽较低的量子井层19组合，其单层厚度在1纳米到100纳米之间，本实施例选择10纳米、50纳米或70纳米；上述各材料层均可由氮化物的化合物半导体构成，InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，且x和y的比例可根据LED设计的出光波长进行任意选择。N型层13和P型层16的半导体带宽高于有源层的半导体材料带宽，上述各层材料均可根据需要进行掺杂，可掺杂的材料包括硅(Si)、镁(Mg)等，其掺杂方式包括连续掺杂和非连续掺杂等。为了获得较高的电子和空穴浓度，也可利用氮化物内建极化电场进行掺杂。N型层中也可以包含类似的超晶格结构用来降低错位密度。
N型层13的厚度一般控制在100纳米到100微米之间，从而为随后的凹槽刻蚀预留出足够的误差空间，本实施例厚度选择为1微米、10微米、20微米、50微米。
在P型层16材料的表面蒸镀一层P型接触金属层203，该半导体-金属接触为欧姆接触(Ohmic contact)。该P型接触金属层203可为单一金属或者多种金属的堆栈结构。
绝缘层205的形成方式包括使用等离子增强化学气相沉积，以及通过光刻程序形成。
在绝缘层205形成后，在其表面形成的N型接触金属层201，其与N型层半导体材料为欧姆接触。该N型接触金属201可为单一金属或者多种金属的堆栈结构，包括但不限于钛(Ti)、铝(Al)、金(Au)、钒(V)的合金。
随后，通过刻蚀N型接触金属层201和绝缘层205暴露出P型接触金属层203，并在其表面形成焊点204。采用该结构的LED一般需进行倒装封装。
本发明还可根据波长的不同，在一些LED结构中，N型材料层和有源层中可插入一层空穴阻挡层(未显示)。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种新型半导体发光二极管，包括依次复合的衬底、缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，P型接触金属层，其特征在于：在P型接触金属层表面，向衬底方法通过刻蚀等方法至少形成一个槽深至N型层的凹槽，所述凹槽的四周侧壁设有绝缘层，还设有一N型接触金属层，所述N型接触金属层通过绝缘层间隔复合在P型接触金属层表面，并随凹槽向N型层扩展延伸至两者直接接触连接。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：还包括复合在衬底表面的荧光粉层。
3.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述有源层至少包括一组由量子位障层和量子井层形成的组合。
4.根据权利要求3所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述位障层和量子井层的单层厚度在1纳米到100纳米之间。
5.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述N型层厚度在100纳米到100微米之间。
6.根据权利要求5所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述N型层厚度在1微米到100微米之间。
7.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述电子阻挡层厚度在1纳米到500纳米之间。
8.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述P型层由氮化物系列化合物半导体制成，其厚度在10纳米至10微米之间。
9.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：所述凹槽底面剖面宽度在10纳米到10,000纳米之间。
10.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于：在N型材料层和有源层之间复合空穴阻挡层。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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