專利名稱：具有高導通n型歐姆接觸的發光二極管及制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管其及制作方法，特別是涉及一種具有高導通η型歐姆接觸的的垂直結構發光二級管及其制造方法。
背景技術：
近年來，為了提高氮化鎵基發光二極管的發光效率，發展了襯底轉移技術，例如在藍寶石襯底上通過MOCVD沉積GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通過晶圓鍵合技術或電鍍技術黏結到半導體或金屬基板上，再把藍寶石襯底用激光剝離方法去除；或者在SiC或者Si 襯底上沉積GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通過晶圓鍵合技術或電鍍技術黏結到半導體或金屬基板上，再把SiC或者Si襯底用化學腐蝕方法去除。這樣一方面可以通過在外延薄膜和基板之間加一個反射層，另一方面由于氮極性面的GaN上容易通過光化學腐蝕方法獲取粗糙的出光面，以上兩方面使薄膜GaN芯片具有更高的出光效率，同時轉移后的基板具有優良的導熱特性，因此轉移到散熱基板上的GaN基薄膜芯片在大電流應用上具有較大的優勢。然而，去除生長襯底后暴露的GaN薄膜表面一般為氮極性面，而氮極性面的歐姆接觸特性與鎵極性面不同，例如鎵極性面的N型GaN的歐姆接觸電極一般采用Ti/Al歐姆接觸電極，而氮極性面的N型GaN的接觸電極若仍然采用Ti/Al電極，則在初始時間，Ti/ Al與N型GaN呈現出比鎵極性面更優的歐姆接觸特性，但經過150度左右的溫度后，其接觸特性即劣化為肖特基接觸，表現為其正向工作電壓升高，嚴重制約了薄膜GaN芯片的光效。 關于其形成原因的探討較具有代表性的有Hyunsoo Kim等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 93，192106，2008)認為是氮空位與表面鎵空位以及C、0原子反應導致表面氮空位減少； Ho Won Jang等人(APHJED PHYSICS LETTERS 94，182108, 2009)認為是體內的氮原子向表面擴散補償了氮空位導致表面氮空位減少。目前為止，此兩個研究團隊亦未提出在氮極性面上制作N型GaN歐姆接觸電極的有效方法。Philips Lumileds Lighting Company推出的薄膜倒裝(TFFC)發光二極管，其N型歐姆接觸電極仍然制作在鎵極性面N型GaN上， 即可以繼續沿用Ti/Al歐姆接觸電極，因此TFFC的一個顯著優點是可以完全避開上述討論氮極性面的問題，但因薄膜上P、N電極需要分別黏結在基板上對應的正負電極區域，因此對芯片倒裝技術要求較高；另外為了避免激光剝離藍寶石襯底時薄膜破裂，需要保證薄膜表面在激光剝離藍寶石瞬間承受均勻的沖擊力，因此在激光剝離藍寶石襯底前需要在薄膜與倒裝粘結基板之間填充介質，填充的一致性難控制，器件成品率可能因此受影響。

發明內容
為了解決現在的技術方問題，本發明提出了一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管其及制作方法，以克服現有垂直式氮化鎵基垂直發光二極管存在的因氮面η型GaN 基半導體層上歐姆接觸電極易受溫度裂化導致薄膜GaN基發光器件電壓可靠性問題。根據本發明的第一方面，一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構的制造方法，包括以下步驟提供一生長襯底；在生長襯底上形成一摻雜η型歐姆接觸緩沖層，其電子濃度大于或等于1 X IO20Cm-3 ；在η型歐姆接觸緩沖層上外延生長發光外延層，其至下而上至少包括m型半導體層、活性層、P型半導體層。所述η型歐姆接觸緩沖層通過外延生長形成，其材料為Al。IndGai_。_dN，其中
0 芻 c<l，0 ^ d<l, c+d<l。所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0所述η型歐姆接觸緩沖層通過離子注入法注入離子形成高摻雜，其摻雜濃度大于或等于IXio2W30所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。根據本發明的第二個方面，一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構，包括生長襯底；摻雜η型歐姆接觸緩沖層，位于該生長襯底之上，其電子濃度大于或等于1 X IO20Cm-3 ；發光外延層，形成于η型歐姆接觸緩沖層之上，其自下而上包含η型半導體層、活性層、P型半導體層。所述η型歐姆接觸緩沖層由AlcJndGEI1TdN構成，其中0 ^ c<l,0 ^ d<l, c+d<l。所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。所述η型歐姆接觸緩沖層為硅摻雜氮化物，其摻雜濃度大于或等于1 X 102°cm_3。所述發光二極管外延結構還包括一漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層，其位于η 型歐姆接觸緩沖層與發光外延層之間。根據本發明的第三個方面，一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管芯片的制作方法，包括以下步驟提供一生長襯底；在生長襯底上形成一摻雜η型歐姆接觸緩沖層， 其電子濃度大于或等于1 X IO20Cm-3 ；在η型歐姆接觸緩沖層上外延生長發光外延層，其至下而上至少包括η型半導體層、活性層、ρ型半導體層；提供一導電基板，將發光外延層與導電基板連結；剝離生長襯底，露出η型歐姆接觸緩沖層表面；在導電基板上形成ρ電極，在η 型歐姆接觸緩沖層表面之上形成η電極。所述η型歐姆接觸緩沖層通過低溫外延生長形成，其材料為Al。IndGai_。_dN，其中
0 芻 c<l，0 ^ d<l, c+d<l。所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0所述η型歐姆接觸緩沖層通過離子注入法注入離子形成高摻雜，其摻雜濃度大于或等于IXio2W30根據本發明的第四個方面，一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管芯片，包括導電基板，其具有正、反兩表面；發光外延層，位于導電基板正表面之上，其至上而下包含η型半導體層，活性層，ρ型半導體層；摻雜η型歐姆接觸緩沖層，位于η型半導體層之上，其電子濃度大于或等于IX 102°cm_3;第二電極，位于η型歐姆接觸緩沖層之上；第一電極，位于導電基板反表面之上。所述η型歐姆接觸緩沖層由AlcJndGEi1TdN構成，其中0 ^ c<l,0 ^ d<l, c+d<l。所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。所述η型歐姆接觸緩沖層為硅摻雜氮化物，其摻雜濃度大于或等于1 X 102°cm_3。
在AlcJndGii1TdN層中，通過摻入高濃度的η型離子(如硅，其硅離子的濃度達 IXlO20Cm-3以上)，使得其與生長襯底接觸的表面呈非氮極性。在氮化鎵基發光二極管中， 將發外延層外延生長在高電子濃度的η型歐姆接觸緩沖層上，當去除生長襯底時，露出表面的η型歐姆接觸緩沖層，其為低能隙、非氮極性面η型GaN基材料，η型歐姆接觸電極制作在該η型歐姆接觸緩沖層上，沿用Ti/Al歐姆接觸電極，可以避開氮極性面歐姆接觸的問題，且可保證薄膜GaN發光器件具有較低的工作電壓。當η型歐姆接觸緩沖層的電子濃度達到lX102°cm_3，其摻雜濃度需至少達到lX102°cm_3，一般僅通過外延生長，不容易形成如此高的雜質濃度，本發明采用離子注入法可以簡單地實現該雜質濃度或更高。另外，η型歐姆接觸緩沖層作為初始的成核層，且高硅摻雜、低溫成長，故其晶格松散、原子間的鍵結強度較弱，因此利于激光剝離工藝或濕法腐蝕工藝，明顯地減少因激光剝離工藝在生長襯底和LED薄膜界面產生的瞬態高溫和機械分離過程中產生的巨大應力和沖擊力，不會增加LED外延層的結構缺陷，對內量子效率的負面影響大大的減低。本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。雖然在下文中將結合一些示例性實施及使用方法來描述本發明，但本領域技術人員應當理解，并不旨在將本發明限制于這些實施例。反之，旨在覆蓋包含在所附的權利要求書所定義的本發明的精神與范圍內的所有替代品、修正及等效物。


附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪制。圖1是根據本發明實施的一種具有高導通η型歐姆接觸的的發光二極管外延結構示意圖。圖2是根據本發明實施的一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管芯片的剖面示意圖。圖3是本發明優選實施例的正向工作電壓的曲線圖。圖4是本發明優選實施例的老化后的正向工作電壓的曲線圖。圖5是本發明優選實施例的發光輸出功率的曲線圖。主要組件符號說明
101.外延生長襯底
102.η型歐姆接觸緩沖層
103.漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層
104.η 型 GaN 層
105.活性層
106.電子阻擋層
107.ρ 型 GaN 層
201. ρ面反光鏡和歐姆電極層202.ρ面金屬擴散阻擋層和鍵合層
203.導電基板
204.第二電極金屬層
205.第一電極金屬層。
具體實施例方式下面結合附圖和優選的具體實施例對本發明做進一步說明。在具體的器件設計和制造中，本發明提出的LED結構將根據應用領域和工藝制程實施的需要，可對其部分結構和尺寸在一定范圍內作出修改，對材料的選取進行變通。圖1是為本發明實施的一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構示意圖。如圖1所示，一種具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構，包括外延生長襯底101，η型歐姆接觸緩沖層102形成于外延生長襯底101之上，漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103通過二次外延生長形成于η型歐姆接觸緩沖層102之上，η型GaN基半導體層104形成于漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103之上，活性層105形成于η型GaN 基半導體層104之上，ρ型GaN基半導體層107形成于活性層105之上。其中，外延生長襯底101的選取包括但不限于藍寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其晶向包括但不限于0001等極化、半極化和非極化方向，其表面結構可為平面結構或經特別處理的圖形化表面。η型歐姆接觸緩沖層102由特定組成、能隙小于或等于3. ^V的氮化鋁銦鎵 AlcJndGa1TdN層所構成其0 ^ c<l,0 ^ d<l,c+d<l ；膜厚介于10埃 5000埃之間。在η型歐姆接觸緩沖層102中通過離子注入法摻硅雜質，硅的濃度大于或等于IX 102°cm_3，使得η 型歐姆接觸緩沖層102的電子濃度大于或等于lX102°cm_3，其外表面呈非氮極性。漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103的膜厚為100埃 20000埃，由二次成長外延所形成，其中硅摻雜濃度由IX IO17CnT3 -5X IO18CnT3漸變至IX IO18CnT3 -5X1019cm_3， 本發明優先選擇漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層膜厚4000埃 6000埃，硅摻雜濃度由 IXlO17Cm-3漸變至IX 1019cm_3，借由漸變式硅摻雜的η型氮化物半導體層修復改善因離子注入造成表層缺陷的η型歐姆接觸緩沖層102，進而維持二次外延后氮化鎵基半導體層的晶格質量。η型GaN基半導體層104的膜厚為20000埃 40000埃；活性層105為多量子阱結構，以InGaN層作為阱層、GaN層作為勢壘層，其中阱層的膜厚為18埃 30埃，勢壘層的膜厚為80埃 200埃；ρ型GaN基半導體層107的膜厚為1000埃 3000埃間；可在ρ型 GaN基半導體層107與活性層105間插入一由摻雜了 Mg的氮化鋁銦鎵層作為電子阻擋層 106，其膜厚為100埃 600埃。圖2為根據圖1所示的發光二極管外延結構制作而成的垂直式發光二極管芯片。如圖2所示，具有高導通η型歐姆接觸的發光二極芯片，包括導電基板203 ；發光外延層通過金屬鍵合層202倒裝焊接在導電基板的正面上，發光外延層為圖1中所示的發光二極管外延結構去除生長襯底后的結構，其至上而下為P型GaN基半導體層、電子阻擋層 106、活性層105、η型GaN基半導體層104、漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103、η型歐姆接觸緩沖層102 ；η面電極金屬層204形成于η型歐姆接觸緩沖層102之上，下電極金屬層205形成于導電基板203的背面上。為了提高取光效率，可在ρ型GaN基半導體層與導電基板之間加入P面反光鏡和歐姆電極層201，在金屬鍵合層202中加入ρ面金屬擴散阻擋層。由于η面電極金屬層204通過摻雜的η型歐姆接觸緩沖層102與η型η型GaN基半導體層104連接，避免了傳統的垂直式氮化鎵基發光二極管芯片中，在η型GaN基半導體層的氮性面上制作的Ti/Al歐姆接觸電極遇150°C后其接觸特性即劣化為肖特基接觸的問題。前述圖1所示的具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管的外延結構和圖2所示的發光二極管芯片通過下面工藝完成。步驟一，提供外延生長襯底101，在生長襯底的表面上低溫外延生長一摻雜的η型歐姆接觸緩沖層102，其電子濃度為大于或等于1 X IO20Cm-3,能隙小于或等于3. 4eV0 η型歐姆接觸緩沖層102可選用摻硅的AlcJndGEi1TdN (0 ^ c<l,0 ^ d<l, c+d<l)，采用離子注入法注入硅離子，其硅的摻雜濃度為大于或等于IX 102°cm_3，厚度為10埃 5000埃。如果η 型歐姆接觸緩沖層102選擇GaN，其生長溫度可為50(T60(TC。步驟二 在η型歐姆接觸緩沖層102上通過二次外延生長漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103，漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層103的膜厚為100埃 20000埃，其中硅摻雜濃度由1 X IO17CnT3 -5 X IO18cnT3漸變至1 X IO18cnT3 -5 X IO19cnT3。本發明優先選擇漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層膜厚4000埃 6000埃，硅摻雜濃度由1 X 1017cm_3漸變至1 X 1019cm_3，借由漸變式硅摻雜的η型氮化物半導體層修復改善因離子注入造成表層缺陷的η型歐姆接觸緩沖層102，進而維持二次外延后氮化鎵基半導體層的晶格質量。步驟三在η型歐姆接觸緩沖層103上外延生長發光外延層，形成外延結構。發光外延層至下而上至少包括η型GaN基半導體層104、活性層105、ρ型半導體層107。η型 GaN基半導體層104的膜厚為20000埃 40000埃；活性層105為多量子阱結構，以InGaN 層作為阱層、GaN層作為勢壘層，其中阱層的膜厚為18埃 30埃，勢壘層的膜厚為80埃 200埃；ρ型GaN基半導體層107的膜厚為1000埃 3000埃間；可在ρ型GaN基半導體層 107與活性層105間插入一由摻雜了 Mg的氮化鋁銦鎵層作為電子阻擋層106，其膜厚為100 埃 600埃。步驟四定義芯片的尺寸，通過干法蝕刻工藝對上述完成外延片進行臺面蝕刻，完成外延片的芯片級分離。蝕刻深度至少透過外延層薄膜，至外延生長襯底101表面。步驟五提供一導電基板203，將發光外延層與導電基板203連結。分別在ρ型GaN 基半導體層107、導電基板203上形成金屬鍵合層202，采用金屬鍵合工藝將發光外延層與導電基板203連結在一起。為了提高芯片的取光效率，可在ρ型GaN基半導體層107上制作P-面反光鏡和歐姆電極層201，在在金屬鍵合層202中加入ρ面金屬擴散阻擋層。步驟六剝離生長襯底101。采用剝離、研磨或濕法腐蝕，將外延生長襯底101去除，外延生長襯底和LED薄膜分開，LED薄膜留在反轉基板上露出η型歐姆接觸緩沖層102 表面。步驟七在導電基板上形成下電極金屬層205，在η型歐姆接觸緩沖層表面之上形成η面電極金屬層204，完成垂直結構LED的制作。在本發明的優選實施例中，按表1所示那樣設定各半導體層的膜厚。表 權利要求
1.具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構的制造方法，包括以下步驟 提供一生長襯底；在生長襯底上形成一高摻雜η型歐姆接觸緩沖層，其電子濃度大于或等于1 X IO20CnT3 ；在η型歐姆接觸緩沖層上外延生長發光外延層，其至下而上至少包括η型半導體層、 活性層、P型半導體層。
2.根據權利要求1所述的發光二極管外延結構的制造方法，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層通過外延生長形成，其材料為AlcJndGa1TdN,其中0含c<l,0含d<l，c+d<l。
3.根據權利要求1或2所述的發光二極管外延結構的制造方法，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層通過離子注入法注入離子形成高摻雜，其摻雜濃度大于或等于IX IO20CnT3。
4.根據權利要求1或2或3所述的發光二極管外延結構的制造方法，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0
5.根據權利要求1或2或3或4所述的發光二極管外延結構的制造方法，其特征在于 所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。
6.具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管外延結構，包括 一生長襯底；一摻雜η型歐姆接觸緩沖層，位于該生長襯底之上，其電子濃度大于或等于1 X IO20CnT3 ；一發光外延層，形成于η型歐姆接觸緩沖層之上，其自下而上包含η型半導體層、活性層、P型半導體層。
7.根據權利要求6所述的發光二極管外延結構，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層由 AlJridGiVc-dN 構成，其中 0 含 c<l，0 含 d<l，c+d<l。
8.根據權利要求6或7所述的發光二極管外延結構，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0
9.根據權利要求6或7或8所述的發光二極管外延結構，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。
10.根據權利要求6或7或8或9所述的發光二極管外延結構，其特征在于η型歐姆接觸緩沖層為硅摻雜氮化物，其摻雜濃度大于或等于1 X 102°cm_3。
11.根據權利要求6或7或8或9或10所述的發光二極管外延結構，其特征在于還包括漸變式硅摻雜η型氮化物半導體層，其位于η型歐姆接觸緩沖層與發光外延層之間。
12.具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管芯片的制作方法，包括以下步驟 提供一生長襯底；在生長襯底上形成一摻雜η型歐姆接觸緩沖層，其電子濃度大于或等于lX102°cm_3 ； 在η型歐姆接觸緩沖層上外延生長發光外延層，其至下而上至少包括η型半導體層、 活性層、P型半導體層；提供一散熱基板，將發光外延層與導電基板連結； 剝離生長襯底，露出η型歐姆接觸緩沖層表面；在導電基板上形成第一電極，在η型歐姆接觸緩沖層表面之上形成第二電極。
13.根據權利要求11所述的發光二極管芯片的制作方法，其特征在于所述所述η型歐姆接觸緩沖層通過低溫外延生長形成，其材料為AlJndGai_。_dN，其中0含c<l,0 ^ d<l， c+d<l0
14.根據權利要求11或12所述的發光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. 4eV0
15.根據權利要求11或12或13所述的發光二極管芯片的制造方法，其特征在于 所述η型歐姆接觸緩沖層通過離子注入法注入離子形成高摻雜，其摻雜濃度大于或等于IX IO20CnT3。
16.具有高導通η型歐姆接觸的發光二極管芯片，包括 一導電基板，其具有正、反兩表面；一發光外延層，位于導電基板正表面之上，其至上而下包含η型半導體層，活性層，ρ型半導體層；一摻雜η型歐姆接觸緩沖層，位于η型半導體層之上，其電子濃度大于或等于1 X IO20CnT3 ；一第一電極，位于導電基板反表面之上； 一第二電極，位于η型歐姆接觸緩沖層之上。
17.根據權利要求15所述的發光二極管芯片，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層由 AlJridGiVc-dN 構成，其中 0 含 c<l，0 含 d<l，c+d<l。
18.根據權利要求15或16所述的發光二極管芯片，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的能隙小于或等于3. ^V。
19.根據權利要求15或16或17所述的發光二極管外芯片，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層的厚度為10埃 5000埃。
20.根據權利要求15或16或17或18所述的發光二極管芯片，其特征在于所述η型歐姆接觸緩沖層為硅摻雜氮化物，其摻雜濃度大于或等于1 X 102°cm_3。
全文摘要
本發明公開了一種具有高導通n型歐姆接觸的發光二極管及制作方法。在本發明中，發光二極管，在發光外延層的n側上形成一電子濃度達1×1020cm-3以上的高摻雜n型歐姆接觸緩沖層，當去除生長襯底時，露出表面的n型歐姆接觸緩沖層，其為低能隙、非氮極性面N型GaN基材料，n型歐姆接觸電極制作在該n型歐姆接觸緩沖層上，可沿用Ti/Al歐姆接觸電極，因此可以完全避開氮極性面歐姆接觸的問題，且可保證薄膜GaN基發光器件具有較低的工作電壓。
文檔編號H01L33/12GK102569556SQ201210003578
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者葉孟欣, 吳志強, 周啟倫, 黃少華 申請人:廈門市三安光電科技有限公司