專利名稱：一種iii族氮化物發(fā)光二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，尤其 涉及一種大功率III族氮化物發(fā)光二極管及其制作方法。
背景技術(shù)：
近二十年來，GaN基材料在外延生長、器件工藝方面得到了很大的發(fā)展，使得III 族氮化物半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于藍(lán)/綠光和白光發(fā)光二極管、紫外探測(cè)器以及大功率電子器件；特別地，目前基于InGaN/GaN量子阱的LED器件已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化水平。由于自支撐 GaN襯底成本極其昂貴，GaN材料的同質(zhì)外延極難實(shí)現(xiàn)；因此目前廣泛使用的襯底材料包括藍(lán)寶石(A1203)、SiC和Si。相比于其他材料，藍(lán)寶石雖然具有不導(dǎo)電、導(dǎo)熱差等缺點(diǎn)，但由于外延工藝成熟成為主流的GaN襯底材料。然而，藍(lán)寶石襯底與GaN材料的晶格失配度(15%)和熱失配度(34%)較大，引入了很高的缺陷態(tài)密度(IO10 cm-3)，導(dǎo)致GaN外延中的載流子的遷移率下降，少數(shù)載流子的壽命縮短等不良后果；另外，外延層材料在生長降溫過程中，較厚的薄膜會(huì)產(chǎn)生龜裂。Amano和 Nakamura等人分別提出使用AlN和GaN作為緩沖層，大大提高了 GaN的晶體質(zhì)量；然而，夕卜延層中仍存在IO7-IO8CnT3的位錯(cuò)密度。在LED外延結(jié)構(gòu)中，發(fā)光層位于N型GaN之上，其外延生長模式和晶體質(zhì)量大大受制于N型GaN的晶體質(zhì)量，因此，要提高發(fā)光效率、延長器件壽命，必須建立在晶體質(zhì)量良好的N型GaN的基礎(chǔ)上。其次，由于發(fā)光層中的核心材料InGaN 的生長條件(溫度、壓力、生長速率、V/III比等)與GaN材料相比有很大的不同，因此，在兩層之間形成良好的過渡是得到良好發(fā)光層質(zhì)量的必要條件。另一方面，由于藍(lán)寶石襯底具有絕緣性，不能作為電極，實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的LED 只能建立在諸如尚未成熟的激光剝離技術(shù)或者金屬加熱剝離技術(shù)之上(申請(qǐng)?zhí)枮?200610124446. 0的中國專利“有電流擴(kuò)展層和阻擋層的GaN基垂直LED功率芯片制備方法”)，因此目前的藍(lán)寶石襯底LED大多數(shù)采用橫向結(jié)構(gòu)。然而，根據(jù)近年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，橫向結(jié)構(gòu)LED芯片(尤其是大功率LED芯片)的電流擴(kuò)展問題亟需解決。在橫向結(jié)構(gòu)中， 電流在N型層中集中于靠近電極的一側(cè)，形成所謂的“電流擁擠效應(yīng)”。由于電流擁擠效應(yīng)造成電流在器件中分布不均勻，容易造成(1)在LED的有源區(qū)電激發(fā)不均勻，發(fā)光強(qiáng)度低； (2)電流可能集中于器件的某些區(qū)域，導(dǎo)致LED器件的抗靜電放電(ESD)性能差，從而降低器件的壽命?；仡櫮壳案纳芁ED電流擴(kuò)展特性的論文與專利，如申請(qǐng)?zhí)枮?00880118412. 8 (帶有電流擴(kuò)展層的發(fā)光二極管)的歐司朗光電半導(dǎo)體公司提出的將電流擴(kuò)展層設(shè)置在有源層和N接觸部之間，并具有多次重復(fù)的層序列，該層序列至少具有N摻雜的層、未摻雜的層和具有Al含量的濃度梯度的AlGaN構(gòu)成的層；申請(qǐng)?zhí)枮?0120889. 6 (半導(dǎo)體面發(fā)光器件及增強(qiáng)橫向電流擴(kuò)展的方法)的中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所提出的半導(dǎo)體面發(fā)光器件的 N區(qū)(或P區(qū))具有增強(qiáng)平行于PN結(jié)平面的電子遷移率的二維電子氣(二維空穴氣)，以及在光輸出面具有增強(qiáng)透光性網(wǎng)格狀的電極，使得LED具有光輸出效率高且整個(gè)發(fā)光面發(fā)光均勻；申請(qǐng)?zhí)枮?00810218304. X (—種改善電流擴(kuò)展效率的發(fā)光二極管及其制備方法) 的世紀(jì)晶源科技有限公司提出的通過離子植入或二次外延的方式在P型電流擴(kuò)展層內(nèi)形成一電流阻擋區(qū)，電流阻擋區(qū)內(nèi)設(shè)置有電流阻擋層，使P型電極注入的電流橫向擴(kuò)展到電極下方以外的有源發(fā)光區(qū)，使P電極下方無電流，不發(fā)光，增加了發(fā)光效率，減少了焦耳熱的產(chǎn)生；韓國全北國立大學(xué)的Jeon等人提出在P型層上面生長P+/N+隧穿結(jié)可以有效增強(qiáng)橫向擴(kuò)展(Applied Physics Letters, 78，3265)。另外，在器件工藝層面，波士頓大學(xué)的Guo和khubert提出使用環(huán)形(ring-shaped)幾何結(jié)構(gòu)和叉指型結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的方形(square-shaped)結(jié)構(gòu)減小了電流擁擠效應(yīng)(Applied Physics Letters, 78，3337 ； Applied Physics Letters, 79, 1936)。綜觀這些改善電流擴(kuò)展的方法，或引入了非傳統(tǒng)的插入層，或使用了非常規(guī)的工藝手段，都增加了 LED制作過程的復(fù)雜性和不確定性，不利于在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化中實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種沒有加入額外的工藝工程，方便簡單，且重復(fù)性好的III族氮化物發(fā)光二極管的制作方法，只需在常規(guī)的N型層中調(diào)制摻雜濃度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種III族氮化物發(fā)光二極管，包括襯底以及層疊于襯底上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊層由下至上依次包括N型層、發(fā)光層和P型層，部分半導(dǎo)體外延疊層通過刻蝕，在N型層中形成一 N型層臺(tái)面，該N型層臺(tái)面上設(shè)置N型電極；在P型層未刻蝕部分的上表面設(shè)置有P型電極；所述N型層包括摻雜濃度一致的均勻摻雜層和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層，調(diào)制摻雜層設(shè)于均勻摻雜層和發(fā)光層之間。在本發(fā)明中LED結(jié)構(gòu)的N型層中引入了調(diào)制摻雜層，從而實(shí)現(xiàn)了以下的目的
(1)處理了N型層與發(fā)光層的接觸界面，提高了 N型層的晶體質(zhì)量，從而提高發(fā)光層的質(zhì)量；
(2)有效改善了LED芯片的電流擴(kuò)展性能，從而提高芯片光效和ESD性能，延長LED器件的壽命ο進(jìn)一步的，所述調(diào)制摻雜層的摻雜方式為周期性摻雜，包含若干周期性相間的高濃度摻雜層和低濃度摻雜層，所述摻雜濃度周期性摻雜的形式為摻雜濃度矩形形式變化或者正弦形式變化。更進(jìn)一步的，周期性摻雜的周期為IOnm到50nm，周期數(shù)為3-10個(gè)。進(jìn)一步的，調(diào)制摻雜層的摻雜方式為漸變過渡摻雜，為濃度線性變化摻雜或者非線性變化摻雜。更進(jìn)一步的，漸變過渡摻雜的濃度變化趨勢(shì)為濃度從下到上遞減變化。進(jìn)一步的，所述P型層上表面設(shè)有一透明導(dǎo)電薄膜，P型電極設(shè)置在透明導(dǎo)電薄膜上；透明導(dǎo)電薄膜采用鎳金合金氧化物或者氧化銦錫或者氧化鋁鋅或者氧化鋅，以及它們的組合物。進(jìn)一步的，所述襯底由藍(lán)寶石材料形成，所述半導(dǎo)體外延疊層由鋁鎵銦氮 (InxGayAl1^yN)材料形成，且0<=x<=l，0<=y<=l ；為了解決半導(dǎo)體外延疊層與襯底的晶格失配問題，半導(dǎo)體外延疊層與襯底之間設(shè)置有緩沖層。本發(fā)明還包括一種III族氮化物發(fā)光二極管的制作方法，具體包括以下步驟A、利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，在藍(lán)寶石襯底上依次沉積N型層、發(fā)光層和P型層；
B、采用光刻和干法刻蝕技術(shù)，在半導(dǎo)體外延疊層上選擇性刻蝕N型層臺(tái)面，要求刻蝕
到暴露N型層；
C、采用光刻技術(shù)，在N型層臺(tái)面上刻出N型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍N型電極，退火形成歐姆接觸；
D、采用光刻技術(shù)，在P型層上刻出P型區(qū)域，在該區(qū)域表面生成導(dǎo)電薄膜；
E、在導(dǎo)電薄膜上刻出P型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍P型電極，退火形成歐姆接觸。作為一種優(yōu)選方案，步驟A中，沉積N型層為依次沉積摻雜濃度一致的均勻摻雜層和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層；步驟B中，N型層臺(tái)面刻蝕到暴露均勻摻雜層。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的發(fā)光二級(jí)管與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，在N型層中加入了調(diào)制摻雜層，從而一方面處理了 N型層和發(fā)光層的界面，提高了 N型層和發(fā)光層的晶體質(zhì)量；另一方面提高了 N型層的縱向電阻率，使得縱向電阻率比橫向電阻率大，因此N型層中的電流會(huì)較多地橫向流動(dòng)，從而緩解了器件中的電流擁擠效應(yīng)，改善了電流擴(kuò)展。因此，本發(fā)明可以顯著改善晶體質(zhì)量和發(fā)光均勻性，提高光效，并提高了器件的可靠性，延長器件壽命。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的調(diào)制摻雜層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的調(diào)制摻雜層摻雜周期示意圖； 圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例的調(diào)制摻雜層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的調(diào)制摻雜層摻雜周期示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例1
如圖1所示，一種III族氮化物發(fā)光二極管，包括襯底1以及層疊于襯底上的半導(dǎo)體外延疊層，上述襯底1由藍(lán)寶石(Al2O3)材料形成，半導(dǎo)體外延疊層由鋁鎵銦氮GnxGayAl1TyN, 0<=X<=l，0<=y<=l)材料形成。為了解決半導(dǎo)體外延疊層與襯底的晶格失配問題，半導(dǎo)體外延疊層與襯底之間設(shè)置有緩沖層8。半導(dǎo)體外延疊層由下至上依次包括N型層2、發(fā)光層3和P型層4，部分半導(dǎo)體外延疊層通過刻蝕，在N型層2中形成一 N型層臺(tái)面，該N型層臺(tái)面上設(shè)置N型電極7 ；在P 型層4未刻蝕部分的上表面設(shè)置有P型電極6 ；N型層2包括有摻雜濃度一致的均勻摻雜層 2a和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層2b，調(diào)制摻雜層2b設(shè)于均勻摻雜層加和發(fā)光層3之間。 P型層4的上表面形成有一層透明導(dǎo)電薄膜5，在透明導(dǎo)電薄膜5上設(shè)置有P型電極6。如圖2所示，N型層2中的調(diào)制摻雜層2b包含若干周期性相間的高濃度摻雜層和低濃度摻雜層，其摻雜濃度通過外延生長時(shí)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備對(duì)于雜質(zhì)的流量控制，調(diào)制摻雜層2b由4個(gè)周期組成，每個(gè)周期的厚度為50nm，周期性調(diào)制摻雜的方式可以是摻雜濃度矩形形式變化或者正弦形式變化。在制作過程中可以根據(jù)實(shí)際要求改變各層的厚度以及周期數(shù)。上述III族氮化物發(fā)光二極管的制造方法具體包括以下步驟
A、利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，在藍(lán)寶石襯底上依次沉積N型層2、發(fā)光層3和P型層
4；
B、采用光刻和干法刻蝕技術(shù)，在半導(dǎo)體外延疊層上選擇性刻蝕N型層臺(tái)面，要求刻蝕到暴露N型層2 ；
C、采用光刻技術(shù)，在N型層臺(tái)面上刻出N型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍N型電極7，退火形成歐姆接觸；
D、采用光刻技術(shù)，在P型層4上刻出P型區(qū)域，在該區(qū)域表面生成導(dǎo)電薄膜5；
E、在導(dǎo)電薄膜5上刻出P型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍P型電極6，退火形成歐姆接觸。將III族氮化物發(fā)光二極管半導(dǎo)體外延疊層切割，形成獨(dú)立的發(fā)光二極管芯片。本實(shí)施例中，透明導(dǎo)電薄膜可以采用鎳金合金氧化物(Oxidzed Ni/Au)、氧化銦錫 (ΙΤ0)、氧化鋁鋅(ΑΖ0)、氧化鋅(ZnO)，以及它們的組合物。實(shí)施例2
如圖3所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于本實(shí)施例發(fā)光二極管的N型層2中的調(diào)制摻雜層2b是一濃度的漸變過渡層，由均勻摻雜層的摻雜濃度逐漸下降為低摻雜濃度。摻雜濃度通過外延生長時(shí)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備對(duì)于雜質(zhì)的流量控制。調(diào)制摻雜層2b 是厚度為50nm的摻雜線性變化區(qū)域，且越靠近發(fā)光層3摻雜濃度越小。在制作過程中可以根據(jù)實(shí)際要求將摻雜方式改變?yōu)榉蔷€性變化的單調(diào)遞減形式，且調(diào)制摻雜層2b的厚度也可相應(yīng)改變。以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物發(fā)光二極管，包括襯底(1)以及層疊于襯底上的半導(dǎo)體外延疊層， 該半導(dǎo)體外延疊層由下至上依次包括N型層O)、發(fā)光層C3)和P型層G)，其特征在于，部分半導(dǎo)體外延疊層通過刻蝕，在N型層O)中形成一 N型層臺(tái)面，該N型層臺(tái)面上設(shè)置N型電極(7)；在P型層⑷未刻蝕部分的上表面設(shè)置有P型電極(6)；所述N型層⑵包括摻雜濃度一致的均勻摻雜層Oa)和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層Ob)，調(diào)制摻雜層Ob)設(shè)于均勻摻雜層Oa)和發(fā)光層(3)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，所述調(diào)制摻雜層 (2b)的摻雜方式為周期性摻雜，包含若干周期性相間的高濃度摻雜層(9)和低濃度摻雜層 (10)，所述周期性摻雜的形式為摻雜濃度矩形形式變化或者正弦形式變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，周期性摻雜的周期為 IOnm到50nm,周期數(shù)為3-10個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，調(diào)制摻雜層Ob)的摻雜方式為漸變過渡摻雜，為線性變化摻雜或者非線性變化摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，漸變過渡摻雜的濃度變化趨勢(shì)為濃度從下到上遞減變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，所述P型層(4)上表面設(shè)有一透明導(dǎo)電薄膜(5)，P型電極(6)設(shè)置在透明導(dǎo)電薄膜(5)上；透明導(dǎo)電薄膜(5) 采用鎳金合金氧化物或者氧化銦錫或者氧化鋁鋅或者氧化鋅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底(1)由藍(lán)寶石材料形成，所述半導(dǎo)體外延疊層由MxGayAl1^N材料形成，且0<=X<=1，0<=y<=l ；所述半導(dǎo)體外延疊層與襯底之間設(shè)置有緩沖層(8)。
8.—種III族氮化物發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括以下步驟A、利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，在藍(lán)寶石襯底上依次沉積N型層(2)、發(fā)光層C3)和P 型層⑷；B、采用光刻和干法刻蝕技術(shù)，在半導(dǎo)體外延疊層上選擇性刻蝕N型層臺(tái)面，要求刻蝕到暴露N型層⑵；C、采用光刻技術(shù)，在N型層臺(tái)面上刻出N型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍N型電極(7)，退火形成歐姆接觸；D、采用光刻技術(shù)，在P型層(4)上刻出P型區(qū)域，在該區(qū)域表面生成導(dǎo)電薄膜(5)；E、在導(dǎo)電薄膜(5)上刻出P型電極區(qū)域，在該區(qū)域上蒸鍍P型電極(6)，退火形成歐姆接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的III族氮化物發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，步驟A 中，沉積N型層(2)為依次沉積摻雜濃度一致的均勻摻雜層Qa)和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層(2b)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的III族氮化物發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，步驟B 中，N型層臺(tái)面刻蝕到暴露均勻摻雜層(2a)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種III族氮化物發(fā)光二極管及其制作方法，發(fā)光二極管包括襯底(1)以及層疊于襯底上的半導(dǎo)體外延疊層，該半導(dǎo)體外延疊層由下至上依次包括N型層(2)、發(fā)光層(3)和P型層(4)，其特征在于，部分半導(dǎo)體外延疊層通過刻蝕，在N型層(2)中形成一N型層臺(tái)面，該N型層臺(tái)面上設(shè)置N型電極(7)；在P型層(4)未刻蝕部分的上表面設(shè)置有P型電極(6)；所述N型層(2)還包含有摻雜濃度一致的均勻摻雜層(2a)和摻雜濃度變化的調(diào)制摻雜層(2b),調(diào)制摻雜層(2b)設(shè)于均勻摻雜層(2a)和發(fā)光層(3)之間。本發(fā)明可以顯著改善晶體質(zhì)量和發(fā)光均勻性，提高光效，并提高了器件的可靠性，延長器件壽命。
文檔編號(hào)H01L33/14GK102185062SQ201110087979
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者江灝, 王鋼, 鄭致遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中山大學(xué)