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CN102097560B - 具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管 - Google Patents

具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，复合式双电流扩展层是由第一电流扩展层、第二电流扩展层依次层叠构成的复合式半导体层；所述第一电流扩展层形成于n型氮化物半导体层的分布绝缘层，所述第二电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成；复合式双电流扩展层分别与n型氮化物半导体层及活性层连接。氮化物发光二极管设有的复合式双电流扩展层内能将电流非常均匀扩展分布至整个发光面积，避免电流拥挤现象，因而可以有效提高氮化物发光二极管组件的发光效率，并且提高静电击穿电压。

Description

具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，更为具体的是一种具有复合式双电流扩展层（Compound current spreading layer）的氮化物发光二极管。
背景技术
近年来，以氮化物半导体材料为代表的半导体照明技术的发展引起全世界范围内的广泛关注。随着外延和芯片工艺技术的不断改进，氮化物发光二极管的发光效率得到不断提升。然而，要真正意义上普及半导体照明，仍然需要在现有的光效水平上继续提高。
如图1为一般氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图，在蓝宝石衬底100上依次外延生长缓冲层101、n型氮化物半导体层102、发光层104、p型限制层105、p型氮化物半导体层106，在p型氮化物半导体层106上形成p型接触层107，分别在p型接触层107和n型氮化物半导体层102上形成p电极108和n电极109。因为电极从n电极109流向p电极108会偏向较近的线路，这样就会造成有些部分电流密度过大，导致电流拥挤现象（current crowding）,从而限制光效水平的有效提高。
发明内容
为解决上述发光二极管中所存在的问题，有效提高发光效率，本发明提供了一种具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，包含：
蓝宝石衬底；
由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层；
在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的发光层；
n侧层由缓冲层、n型氮化物半导体层及复合式双电流扩展层依次层叠构成；复合式双电流扩展层是由第一电流扩展层、第二电流扩展层依次层叠构成的复合式半导体层；所述第一电流扩展层形成于n型氮化物半导体层的分布绝缘层，所述第二电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成；复合式双电流扩展层分别与n型氮化物半导体层及发光层连接。
优选地，上述分布绝缘层由以预定间隔隔开的绝缘部组成。
优选地，上述公布绝缘层通过离子注入法形成。
优选地，在第一电流扩展层与第二电流扩展层之间还包括一渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层。
优选地，上述复合式双电流扩展层膜厚为1000埃～20000埃。
优选地，上述第一电流扩展层膜厚为100埃～5000埃。
优选地，上述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层膜厚为200埃～5000埃。
优选地，上述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层由二次生长外延所形成，其中硅掺杂浓度由1×1017cm-3渐变至5×1019cm-3。
优选地，上述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层由二次生长外延所形成，其中硅掺杂浓度由5×1018cm-3 渐变至1×1018cm-3。
优选地，上述第二电流扩展层膜厚为700埃～10000埃，其中u型氮化物半导体层与n型氮化物半导体层的膜厚比＞0.8，叠层周期数为1至20。
优选地，上述第二电流扩展层膜厚为1800埃～3600埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为5：1，叠层周期数为3。
优选地，上述第二电流扩展层中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
本发明中所提“u型氮化物半导体”均指低掺杂氮化物半导体，其掺杂浓度小于5×1017cm-3。
在本发明中，复合式双电流扩展层中的第一电流扩展层，在n型氮化物半导体层形成分布绝缘层可强迫电流均匀分布（distribution)，形成分布均匀的点状电流源(参看图3或图5)；第二电流扩展层的设计为u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，其目的是将第一电流扩展层所形成的均匀分布点状电流源，借由u型层和n型层的交互叠层，将各处的点状电流源强迫做二维水平扩展，使电流非常均匀扩展至整个发光面积，比现有一般传统无电流扩展层或单电流扩展的设计更能达到电流扩展的效果，而无电流拥挤现象（current crowding）。
在第一电流扩展层与第二电流扩展层中加入渐变式硅掺杂n型层，其目的是藉由渐变式硅掺杂的n型氮化物半导体层来修复第一电流扩展层因形成分布绝缘层而造成表层缺陷，进而维持二次外延后氮化物半导体层的晶格质量，并可作为第二电流扩展层的电流引导层。
本发明的有益效果是：氮化物发光二极管设有的复合式双电流扩展层内能将电流非常均匀扩展分布至整个发光面积，避免电流拥挤现象，因而可以有效提高氮化物发光二极管组件的发光效率，并且提高静电击穿电压。
附图说明
图1为一般氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图2是本发明实施例1的氮化物发光二极管组件的模式剖面图。
图3是本发明实施例1的氮化物发光二极管组件的电流扩展示意图。
图4是本发明实施例2的氮化物发光二极管组件的模式剖面图。
图5是本发明实施例2的氮化物发光二极管组件的电流扩展示意图。
图6是本发明实施例2的发光输出功率的曲线图。
图7是本发明实施例2的静电击穿电压通过率图。
图中：
100蓝宝石衬底
101缓冲层
102 n  型氮化物半导体层
103复合式双电流扩展层
103a第一电流扩展层
103b渐变式硅掺杂n型层
103c第二电流扩展层
104 发光层
105 p型限制层
106 p型层
107 p型接触层
108 p欧姆电极
109 n欧姆电极
110 p焊接区(pad)电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
图2是本发明实施例2的氮化物发光二极管组件(LED组件)的结构的模式剖面图。本实施方式的氮化物发光二极管组件具有在蓝宝石衬底100上依次叠层下述各层的结构：
(1)由氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）或氮化镓铝（GaAlN）构成的缓冲层101，其膜厚为200埃～500埃。
(2)由Si掺杂GaN构成的n型氮化物半导体层102，其膜厚为20000埃～40000埃间。
(3)由第一电流扩展层、第二电流扩展层依次层叠构成的复合式双电流扩展层103，其膜厚为1000埃～20000埃。第一电流扩展层103a为透过离子注入法在n型氮化物半导体层102形成的分布式绝缘层，由预定间隔隔开的绝缘部组成；第二电流扩展层103c由非掺杂u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，其中u型氮化物半导体层硅掺杂浓度为5×1016cm-3，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度为1×1019cm-3，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为5：1，叠层周期数为3。
(4)以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层的多量子阱结构的发光层104；其中阱层的膜厚为18埃～30埃，势垒层的膜厚为80埃～200埃。
(5)由掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlInGaN)构成的p型限制层105，其膜厚为100埃～600埃。
(6)由氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化镓系之一构成的p型层106与p型接触层107；其中p型层106的膜厚为1000埃～3000埃间，p型接触层107的膜厚为50埃～200埃。
并且按下述方法形成p侧及n侧的电极，由此构成氮化物发光二极管组件。在组件的角部中用刻蚀法从p型接触层107到n型氮化物半导体层102的部分除去，使n型氮化物半导体层102的一部分露出，n欧姆电极109形成在露出的n型氮化物半导体层102上。此外，作为p侧的电极，在p型接触层107的几乎整个面上形成p欧姆电极108、在该p欧姆电极108上的一部分上形成p焊接区(pad)电极110。
在本实施例中，复合式双电流扩展层103的第一电流扩展层103a的设计，其目的是透过离子注入法在n型氮化物半导体层形成分布绝缘层可强迫电流均匀分布(distribution)，形成分布均匀的点状电流源(参考图3)；复合式双电流扩展层103中的第二电流扩展层103c的设计为u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成，其目的是将第一电流扩展层103a所形成的均匀分布点状电流源，藉由u型层和n型层的交互叠层，将各处的点状电流源强迫做二维水平扩展，使电流非常均匀扩展至整个发光面积，比现有一般传统无电流扩展层或单电流扩展的设计更能达到电流扩展的效果。藉由第一电流扩展层绝缘层的的形状、大小、分布密度与第二电流扩展层u型层与n型层的膜厚比、叠层周期数做搭配设计。例如：第一电流扩展层绝缘层的分布密度高，所需第二电流扩展层叠层周期数则少；反之，当第一电流扩展层绝缘层的分布密度低，则所需第二电流扩展层叠层周期数则多，使电流非常均匀分布至整个发光面积，因此可以有效提高氮化物发光二极管组件的发光效率，比现有产品增加10%～20%的亮度，并且提高静电击穿电压。图3和图1分别是有无本发明实施方式的复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管组件的电流路径示意图。
实施例2
图4是本发明实施例2的氮化物发光二极管组件的结构的模式剖面图。本实施例与实施例1的相比，其复合式双电流扩展层为在第一电流扩展层与第二电流扩展层之间多加入一渐变式硅掺杂n型层103b，其膜厚为200埃～5000埃。该渐变式硅掺杂n型层103b的设计为硅掺杂浓度由低掺1×1017cm-3  渐变至高掺1×1019cm-3 的n型氮化物半导体层，是由二次外延所形成，其目的是藉由渐变式硅掺杂的n型氮化物半导体层来修复改善因离子注入造成表层缺陷的第一电流扩展层，进而维持二次外延后氮化物半导体层的晶格质量，并可作为第二电流扩展层的电流引导层。
在本实施例中，为更好地说明本发明相较于传统的发光二极管(即有无本发明工艺的复合式双电流扩展层)的有益效果，针对本发明工艺与传统的工艺(即有无本发明工艺的复合式双电流扩展层)，制作2种样品，分别评价其发光输出功率与静电击穿电压特性。
在本实施例中，按表1所示那样设定各半导体层的膜厚。
表1
Figure 2010106169693100002DEST_PATH_IMAGE001
图6、图7示出了它的评价结果。
如图6所示的本发明实施例的各样品的发光输出功率的曲线图,本发明的氮化物发光二极管组件样品的发光输出功率比传统工艺的氮化物发光二极管组件样品高出20％左右。
如图7所示的本发明实施例的各样品的静电击穿电压通过率图，本发明的氮化物发光二极管组件样品的静电击穿电压高于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。

Claims (11)

1.具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，包含： 
蓝宝石衬底；
由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层；
在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的发光层；
其特征在于：n侧层由缓冲层、n型氮化物半导体层及复合式双电流扩展层依次层叠构成；复合式双电流扩展层是由第一电流扩展层、第二电流扩展层依次层叠构成的复合式半导体层；所述第一电流扩展层是形成于n型氮化物半导体层的分布绝缘层，所述第二电流扩展层由u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层交互叠层而成；复合式双电流扩展层分别与n型氮化物半导体层及发光层连接。
2.根据权利要求1所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：所述分布绝缘层由以预定间隔隔开的绝缘部组成。
3.根据权利要求2所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：所述分布绝缘层通过离子注入法形成。
4.根据权利要求1所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：在第一电流扩展层与第二电流扩展层之间还包括一渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层。
5.根据权利要求4所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征是：所述复合式双电流扩展层膜厚为1000埃～20000埃。
6.根据权利要求1所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：第一电流扩展层膜厚为100埃～5000埃。
7.根据权利要求4所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：所述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层膜厚为200埃～5000埃。
8.根据权利要求4所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：所述渐变式硅掺杂n型氮化物半导体层由二次生长外延所形成，其中硅掺杂浓度由1×1017cm-3渐变至5×1019cm-3。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：第二电流扩展层膜厚为700埃～10000埃，其中u型氮化物半导体层与n型氮化物半导体层的膜厚比＞0.8，叠层周期数为1至20。
10.根据权利要求9所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：第二电流扩展层膜厚为1800埃～3600埃，u型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的膜厚比为5：1，叠层周期数为3。
11.根据权利要求1或2或3或4所述的具有复合式双电流扩展层的氮化物发光二极管，其特征在于：所述第二电流扩展层中，u型氮化物半导体层硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，n型氮化物半导体层硅掺杂浓度大于1×1018cm-3。
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