[发明专利]用于发光二极管的扩散阻挡层

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管，尤其涉及由碳化硅衬底上的III族氮化物材料形成的发光二极管。

背景技术

发光二极管是一种光子器件，它在电流流经形成该二极管的p-n结时发射光。作为一个部分列表，发光二极管广泛地用作专业和客户电子音频和视频设备上的状态指示器(开/关灯)、七段显示器(例如，计算器)、公共信息标志中的少量信息显示器、必须保留夜视力的环境中的字母数字显示器、用于电视机和相关设备的远程控制(使用红外LED)、光纤通信、交通信号以及刹车灯以及转弯指示灯。LED还越来越频繁地用作诸如闪光灯之类的照明光源和用于液晶显示(LCD)屏的背光，并用作家中和办公室照明的白炽和荧光灯泡的替代物。

根据公知的物理原理，二极管发射的光的颜色基本由形成该二极管的半导体材料的带隙决定。因为光的频率直接涉及能量，所以具有较大带隙的半导体材料发射较高能量、较高频率的光子。因为III族氮化物具有至少约3.37电子伏特(eV)的带隙，它们可用于形成发射较短波长(例如，低于500纳米(nm))的光的二极管，这些较短波长的光落在可见光谱的绿色、蓝色和紫色部分以及落在紫外光谱部分。与此对照，诸如硅(1.11eV)、砷化镓(1.43eV)和磷化铟(1.34eV)之类的材料的较低的带隙产生可见光谱中较长波长的红色和黄色部分中较低能量的光子。

III族氮化物发射蓝光的能力提供了从固态源获得白光的相应优点；即，蓝光、绿光和红光LED的组合。备选地，发射蓝光或UV的LED还可用于激励所选的荧光体，该荧光体进而产生白光发射，或组合了LED的蓝光发射的发射(例如黄光)以产生白光。

III族氮化物还具有是“直接”发射器的优点，这意味着由导带和价带之间的跃迁发射的能量主要作为光(光子)产生，而不是以振动(声子)产生并导致热量。

由于很多原因，III族氮化物基器件通常由用不同材料形成的衬底上的所期望的III族材料的外延层形成。在某些情况中，该材料是蓝宝石(Al₂O₃)，它提供令人满意的晶格匹配、化学稳定性以及物理强度。蓝宝石还可以以透明的方式形成，从而避免了干扰从二极管对光的提取。

然而，蓝宝石不能被导电掺杂，由此在蓝宝石上形成的二极管必须具有“水平”取向；即，与二极管的p侧和n侧的欧姆接触一般而言必须朝向相同的方向。这趋向于增加二极管的总面积(“占用面积(footprint)”)。

因此，在很多应用中，碳化硅(SiC)为III族氮化物发光二极管提供了作为衬底的较好的替代。碳化硅物理强且化学鲁棒(robust)(对于化学侵蚀是惰性的)，且可以以透明或近透明晶体的方式形成。作为附加的优点，碳化硅可以被导电掺杂，并由此允许二极管以“垂直”取向形成；即，具有在器件的相对端(取轴向)的欧姆接触。基于相同面积的结和III族氮化物层，这允许碳化硅基二极管的占用面积小于蓝宝石基二极管的占用面积。

发光二极管的基本元件典型地包括(但不限于)半导体材料的一个p型层和相邻的半导体材料的n型层，它们一起形成p-n结。这些层在结构上被合适的衬底支撑，并与相应的欧姆金属电接触。因此，当电流通过欧姆接触注入并经过该p-n结时，至少一些所产生的电子跃迁产生光子，且至少某些光子以可见光的形式从二极管逸出。

在一些发光二极管中，器件的半导体部分以“倒装芯片”取向安置。在使用中，这将使结构衬底放置在器件的发光侧并且p-n结朝向支架结构(mounting structure)。所述支架结构通常包括反射层。当从所述结发射光时，该反射层将光改变方向，使其朝向器件的输出一侧，否则，这些光将被支架结构吸收。

无论具体的LED结构如何，由于复合产生的光子在所有方向从有源结构发射，反射层用作一个有用的目的。不过，该有用的目的在于将光引向特定的方向，并使可见输出最大化。这样，反射层(通常被称为“反射镜”)的存在既可以增强在特定方向中发射的光，也可以增加LED的总可见输出。