插入匀化电流结构的发光器件及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种插入了匀化电流结构的发光器件及其制造方法。该插入匀化电流结构的发光器件，包括：第一电极层；在所述第一电极层上的p型简并半导体层；在所述p型简并半导体层上的n型简并半导体层；在所述n型简并半导体层上的p型半导体层；在所述p型半导体层上的有源层；在所述有源层上的n型半导体层；以及在所述n型半导体层上的第二电极层。利用本发明，可以有效地提高半导体元器件工作时的电流分布均匀性，对改善半导体元器件光、电、热性能以及提高使用寿命有很重要的作用。
【专利说明】插入匀化电流结构的发光器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，特别是指一种插入了匀化电流结构的发光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]发光器件出光面的电极面积总是只占据其对应工作区的一小部分，器件在工作时注入的电流容易集中在靠近电极的地方而不能有效地在整个器件内扩展开，导致注入到结区电流分布不均，这种效应叫做电流集边效应。电流集边效应容易引起发光器件局部过热而击穿，会降低器件的工作寿命，限制器件的额定功率。对于普通的功率型二极管，电流集边效应是普遍存在的一个问题，在设计器件结构和电极布线总是需要考虑到尽量降低电流集边效应对器件额定功率和工作寿命的影响。此外，电流集边效应还会大幅的降低发光效率。
【发明内容】
[0003](一 )要解决的技术问题
[0004]针对这一技术问题，本发明提供一种插入了匀化电流结构的发光器件及其制造方法。
[0005]( 二 )技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种插入匀化电流结构的发光器件，包括:第一电极层；在所述第一电极层上的P型简并半导体层；在所述P型简并半导体层上的n型简并半导体层；在所述n型简并半导体层上的p型半导体层；在所述p型半导体层上的有源层；在所述有源层上的n型半导体层；以及在所述n型半导体层上的第二电极层。
[0007]在本发明的一个实施例中，还提供了一种插入匀化电流结构的发光器件，包括:第一电极层；在所述第一电极层上的n型简并半导体层；在所述n型简并半导体层上的p型简并半导体层；在所述P型简并半导体层上的n型半导体层；在所述n型半导体层上的有源层；在所述有源层上的P型半导体层；以及在所述P型半导体层上的第二电极层。
[0008]在本发明的一个实施例中，还提供了一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括:取一n型半导体，在n型半导体下表面形成第一电极层；在所述的n型半导体上表面形成n型简并半导体层；在所述的n型简并半导体层上形成p型简并半导体层；在所述的P型简并半导体层上形成n型半导体层；在所述的n型半导体层上形成有源层；在所述的有源层上形成P型半导体层；在所述的P型半导体层上形成第二电极层。
[0009]在本发明的一个实施例中，还提供了一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括:在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体和第一简并p型半导体；在第一简并P型半导体上形成第一电极层；移除衬底，并将外延片旋转180度进行衬底转移；以及在n型半导体层上形成第二电极层。
[0010]在本发明的一个实施例中，还提供了一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括:在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体和第一简并P型半导体；在第一简并P型半导体上形成第一电极层；以及在衬底背面形成第二电极层。
[0011]在本发明的一个实施例中，还提供了一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括:在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体、第一简并P型半导体和ITO透明电极薄膜；从ITO透明电极薄膜表面开始刻蚀台面以暴露出n型半导体层；在ITO透明电极薄膜上形成第一电极层及在n型半导体层上形成第二电极层。
[0012](三)有益效果
[0013]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0014]1、利用本发明，在放光二极管结构中插入简并的p型和n型半导体层，相当于在放光二极管中增加了串联的隧穿二极管，通过隧穿二极管的高动态电阻特性限制电流在器件中的纵向流动，达到大幅加强电流在器件中的横向流动的效果，从而提高了电流横向扩展能力，减少了出光面金属电极的布线密度，从而减少金属电极对光的遮挡，提高出光效率。
[0015]2、利用本发明，可以使发光二极管工作时获得更均匀的电流分布，防止局部电流密度过大，从而提高了发光二极管的抗静电能力，防止材料的局部过早劣化，提高了发光二极管的可靠性和使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1至图3是依照本发明第一实施例的制作插入了匀化电流结构的发光器件的工艺流程图；其中:
[0017]图1是基于绝缘衬底插入了匀化电流结构的发光二极管外延结构的剖面图；
[0018]图2是对图1中所述的发光二极管外延结构进行了衬底转移后的剖面图；
[0019]图3是对图1中所述的发光二极管外延结构采用了衬底转移技术后制作的垂直结构的发光二极管器件的剖面图。
[0020]图4是依照对图1至图3所示第一实施例的一种变化方案得到的基于导电衬底插入了匀化电流结构的垂直结构发光二极管器件的剖面图。
[0021]图5是依照对图1至图3所示第一实施例的另一种变化方案得到的插入了匀化电流结构的横向结构发光二极管器件的剖面图。
[0022]图6是依照本发明第二实施例的制作插入了匀化电流结构的发光器件的剖面图，其与图3结构类似，仅改变了各半导体层的掺杂类型的另一种发光二极管器件剖面图。
[0023]图7是各种隧穿pn结的电流-电压关系曲线的图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0025]在附图中，为了方便和解释清楚起见，各层的厚度或尺寸可以放大、缩小或示意性示出，各构成部分的尺寸不必或可以不必反映其实际尺寸。
[0026]在下文中，将参照附图详细描述根据第一实施例的发光器件的制造方法。图1至图3是依照本发明第一实施例的制作插入了匀化电流结构的发光器件的工艺流程图。
[0027]参照图1，在衬底10上依次形成n型半导体层31、有源层50、第二简并p型半导体61、简并n型半导体42和第一简并p型半导体41。衬底10可由S1、SiC、GaAs, InP、蓝宝石(Al2O3)、ZnO、MgO和金刚石中的至少一种形成。有源层50可以是单量子讲结构或多量子阱结构，例如InGaN阱层/ GaN垒层的堆叠结构。
[0028]然后在第一简并p型半导体41上形成第一电极层200，第一电极层同时起到导电、支撑衬底的作用，第一电极层200可由镍(Ni)、银(Ag)、钼(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)中的至少一种组成。
[0029]参照图2，移除衬底10，并将外延片旋转180度进行衬底转移。
[0030]参照图3，在n型半导体层31上形成第二电极层100。
[0031]因此，通过上述方法，可以制造根据第一实施例的垂直结构的发光二极管器件。
[0032]参照图3，图3是依照本发明第一实施例的制作插入了匀化电流结构的发光器件的结构不意图，该发光器件包括:第一电极层200 ;在所述的第一电极层200上的p型简并半导体41 ;在所述的p型简并半导体41上的n型简并半导体42 ;在所述的n型简并半导体42上的p型半导体层61 ;在所述的p型半导体层61上的有源层50 ;在所述的有源层50上的n型半导体层31 ;在所述的n型半导体层31上的第二电极层100。
[0033]n型简并半导体42是指具有高浓度施主杂质的半导体，半导体的费米能级位于导带底之上。例如，简并n型硅是通过在硅中掺入2.3 X IO20Cm-3以上磷原子来实现。P型简并半导体61是指具有高浓度受主杂质的半导体，半导体的费米能级位于价带底之下。例如，简并P型硅是通过在硅中掺入IO18CnT3以上硼原子来实现。
[0034]n型简并半导体42与p型半导体层61在界面处形成第二隧穿pn结，当第一电极200与第二电极100之间开始施加正压降时，该第二隧穿pn结将反向导通，起到在n型简并半导体42与p型半导体层61之间形成良好的电连接的作用。
[0035]在p型简并半导体41与n型简并半导体42的界面处会形成第一隧穿pn结。
[0036]图7是各种隧穿pn结的电流-电压关系曲线的图。
[0037]参照图7和图3，当第一电极200与第二电极100之间开始施加正压降时，该第一隧穿PN结将正向开启，随着第一电极200与第二电极100之间正压降逐渐加大，该第一隧穿PN结的微区垂直方向动态电阻将从一个非常小的值增加到接近无穷大，微区垂直方向电流将达到饱和，此时第一隧穿PN结有一部分区域的纵向电流可以处于饱和状态，显然该部分区域的纵向电流是均一的。第一隧穿PN结的这一特性明显可以使注入到有源层50中的电流分布均匀化。因此根据该方案提高发光器件的电流分布均匀性是有效的。
[0038]图4是对图1至图3所示第一实施例的一种变化方案，图4中的发光器件的衬底10是能传导电流的，该变化方案是在衬底10上依次形成n型半导体层31、有源层50、第二简并P型半导体61、简并n型半导体42和第一简并p型半导体41，且在第一简并p型半导体41上形成第一电极层200后，不再移除衬底10，而是保留衬底10，并在衬底10的背面直接形成第二电极层100。
[0039]图5是对图1至图3所示第一实施例的另一种变化方案。参照图5的发光器件的衬底10是绝缘的，该变化方案是在衬底10上依次形成n型半导体层31、有源层50、第二简并P型半导体61、简并n型半导体42、第一简并p型半导体41和ITO透明电极薄膜70后，不在ITO透明电极薄膜70上形成第一电极层200，也不再移除衬底10，而是保留衬底10，并从ITO透明电极薄膜70表面开始刻蚀台面以暴露出n型半导体层31，然后同时制作第一电极层200和第二电极层100，即在ITO透明电极薄膜70上形成第一电极层200及在n型半导体层31上形成第二电极层100 二者同时进行。
[0040]图6是依照本发明第二实施例的制作插入了匀化电流结构的发光器件的剖面图，其与图3结构类似，仅改变了各半导体层的掺杂类型的另一种发光二极管器件剖面图。
[0041]在解释第二实施例的发光器件时，将省略与第一实施例的发光器件重复的描述。
[0042]参照图6，根据第二实施例的发光器件包括第一电极层200 ;在所述的第一电极层200上的n型简并半导体43 ;在所述的n型简并半导体43上的p型简并半导体44 ;在所述的P型简并半导体44上的n型半导体层62 ;在所述的n型半导体层62上的有源层50 ;在所述的有源层50的p型半导体层32 ;在所述的p型半导体层32上的第二电极层100。
[0043]参照图6，根据第二实施例的发光器件具有和第一实施例相类似的结构，只是将材料类型由P型变成n型或由n型改为p型，因此与第一实施例相同的制造方法就能完成对第二实施例的发光器件的制造。
[0044]根据第二实施例的发光器件的变化方案也如同根据第一实施例的变化方案一样，这里不再赘述。
[0045]下文结合图1至图3以插入隧穿pn结的氮化镓(GaN)基垂直结构发光二极管(LED)及其制造方法为例对本发明进行详细说明。
[0046]参照图3，插入隧穿pn结的GaN基LED的结构由下至上依次包括p电极(由NiAgNiAu薄膜和铜衬底组成)200、p型重掺氮化镓41、n型重掺氮化镓42、p型氮化镓61、InGaN / GaN多量子阱叠层50、n型氮化镓31，以及n电极(AlTiAu薄膜)100。该器件的制备包括以下过程:
[0047]参照图1。将一个蓝宝石衬底10放入MOCVD反应炉中，依照现有的铟镓铝氮(AlInGaN)半导体材料生长工艺，生长GaN基LED的叠层结构。该结构从下到上依次包括n型氮化镓层31、InGaN / GaN多量子阱有源层50、p型氮化镓层61、重掺杂n型氮化镓层42和重掺杂P型氮化镓层41。半导体叠层结构生长完后，在760°C氮气气氛中对该半导体叠层结构进行热退火20分钟。然后该半导体叠层结构上表面沉积NiAgNiAu金属薄膜，在该金属薄膜上电镀厚度200微米的铜层。参照图2，采用激光剥离技术将该结构的蓝宝石衬底10移除，并使用5%盐酸溶液将该结构清洗干净。将外延片旋转180度进行衬底转移，采用光刻、电子束蒸发和金属剥离的方法在n型氮化镓层31表面制作n电极100，该n电极是图形化AlTiAu金属薄膜。至此就得到本发明的插入隧穿pn结的氮化镓(GaN)基垂直结构发光二极管，如图3所示。
[0048]图5是对图1至图3所示第一实施例的另一种变化方案。参照图5，插入隧穿pn结的GaN基横向结构发光二级管由下至上包括蓝宝石衬底10、n型氮化镓31、n电极(CrPtAu薄膜)100、InGaN / GaN多量子阱叠层50、p型氮化镓61、n型重掺氮化镓42、p型重掺氮化镓41、ITO透明电极70以及p金属电极(CrPtAu薄膜)200。该器件的制备包括以下过程:
[0049]参照图1，将一个蓝宝石衬底10放入MOCVD反应炉中，依照现有的铟镓铝氮(AlInGaN)半导体材料生长工艺，生长GaN基LED的叠层结构。该结构从下到上依次包括n型氮化镓层31、InGaN / GaN多量子阱有源层50、p型氮化镓层61、重掺杂n型氮化镓层42和重掺杂P型氮化镓层41。半导体叠层结构生长完后，在760°C氮气气氛中对该半导体叠层结构进行热退火20分钟。然后该半导体叠层结构上表面沉积ITO透明电极薄膜70。参照图5，刻蚀台面，暴露n型氮化镓层31。采用光刻、电子束蒸发和金属剥离的方法同时制作n金属电极100和p金属电极200，在ITO透明电极薄膜70上形成p金属电极200及在N型半导体层31上形成n金属电极100 二者同时进行。至此就得到本发明的插入隧穿pn结的GaN基横向结构发光二级管，如图5所示。
[0050]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种插入匀化电流结构的发光器件，包括: 第一电极层； 在所述第一电极层上的P型简并半导体层； 在所述P型简并半导体层上的n型简并半导体层； 在所述n型简并半导体层上的p型半导体层； 在所述P型半导体层上的有源层； 在所述有源层上的n型半导体层；以及 在所述n型半导体层上的第二电极层。
2.根据权利要求1所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述P型简并半导体层与所述n型简并半导体层在界面处形成第一隧穿pn结。
3.根据权利要求2所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述第一隧穿pn结在所述发光器件开启时处于正向偏置状态。
4.根据权利要求1所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述n型简并半导体层与所述P型半导体层在界面处形成第二隧穿Pn结。
5.根据权利要求4所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述第二隧穿pn结在所述发光器件开启时处于反向偏置状态。
6.一种插入匀化电流结 构的发光器件，包括: 第一电极层； 在所述第一电极层上的n型简并半导体层； 在所述n型简并半导体层上的p型简并半导体层； 在所述P型简并半导体层上的n型半导体层； 在所述n型半导体层上的有源层； 在所述有源层上的P型半导体层；以及 在所述P型半导体层上的第二电极层。
7.根据权利要求6所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述n型简并半导体层与所述P型简并半导体层在界面处形成第一隧穿Pn结。
8.根据权利要求7所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述第一隧穿pn结在所述发光器件开启时处于正向偏置状态。
9.根据权利要求6所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述p型简并半导体层与所述n型半导体层在界面处形成第二隧穿pn结。
10.根据权利要求9所述的插入匀化电流结构的发光器件，其中所述第二隧穿pn结在所述发光器件开启时处于反向偏置状态。
11.一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括: 取一 n型半导体，在n型半导体下表面形成第一电极层； 在所述的n型半导体上表面形成n型简并半导体层； 在所述的n型简并半导体层上形成p型简并半导体层； 在所述的P型简并半导体层上形成n型半导体层； 在所述的n型半导体层上形成有源层； 在所述的有源层上形成P型半导体层；在所述的P型半导体层上形成第二电极层。
12.—种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括: 在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体和第一简并P型半导体； 在第一简并P型半导体上形成第一电极层； 移除衬底，并将外延片旋转180度进行衬底转移；以及 在n型半导体层上形成第二电极层。
13.根据权利要求12所述的插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，其中衬底是由S1、SiC、GaAs, InP、蓝宝石(Al2O3)、ZnO、MgO和金刚石中的至少一种形成，有源层是单量子阱结构或多量子阱结构。
14.根据权利要求12所述的插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，其中第一电极层同时起到导电、支撑衬底的作用，由镍(Ni)、银(Ag)、钼(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)中的至少一种形成。
15.一种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括: 在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体和第一简并P型半导体； 在第一简并P型半导体上形成第一电极层；以及 在衬底背面形成第二电极层。
16.根据权利要求15所述的插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，其中衬底是能传导电流的，有源层是单量子阱结构或多量子阱结构。
17.—种插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，包括: 在衬底上依次形成n型半导体层、有源层、第二简并p型半导体、简并n型半导体、第一简并P型半导体和ITO透明电极薄膜； 从ITO透明电极薄膜表面开始刻蚀台面以暴露出n型半导体层； 在ITO透明电极薄膜 上形成第一电极层及在n型半导体层上形成第二电极层。
18.根据权利要求17所述的插入匀化电流结构的发光器件的制造方法，其中衬底是绝缘的，有源层是单量子阱结构或多量子阱结构。
【文档编号】H01L33/00GK103811610SQ201410087810
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】郭恩卿, 伊晓燕, 刘志强, 陈宇, 王军喜, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所