[发明专利]一种III族氮化物发光二极管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管，尤其涉及一种大功率III族氮化物发光二极管及其制作方法。

背景技术

近二十年来，GaN基材料在外延生长、器件工艺方面得到了很大的发展，使得III族氮化物半导体材料广泛应用于蓝/绿光和白光发光二极管、紫外探测器以及大功率电子器件；特别地，目前基于InGaN/GaN量子阱的LED器件已经进入商业化水平。由于自支撑GaN衬底成本极其昂贵，GaN材料的同质外延极难实现；因此目前广泛使用的衬底材料包括蓝宝石（Al₂O₃）、SiC和Si。相比于其他材料，蓝宝石虽然具有不导电、导热差等缺点，但由于外延工艺成熟成为主流的GaN衬底材料。

然而，蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配度（15%）和热失配度（34%）较大，引入了很高的缺陷态密度（10¹⁰ cm^-3)，导致GaN外延中的载流子的迁移率下降，少数载流子的寿命缩短等不良后果；另外，外延层材料在生长降温过程中，较厚的薄膜会产生龟裂。Amano和Nakamura等人分别提出使用AlN和GaN作为缓冲层，大大提高了GaN的晶体质量；然而，外延层中仍存在10⁷-10⁸cm^-3的位错密度。在LED外延结构中，发光层位于N型GaN之上，其外延生长模式和晶体质量大大受制于N型GaN的晶体质量，因此，要提高发光效率、延长器件寿命，必须建立在晶体质量良好的N型GaN的基础上。其次，由于发光层中的核心材料InGaN的生长条件（温度、压力、生长速率、V/III比等）与GaN材料相比有很大的不同，因此，在两层之间形成良好的过渡是得到良好发光层质量的必要条件。

另一方面，由于蓝宝石衬底具有绝缘性，不能作为电极，实现垂直结构的LED只能建立在诸如尚未成熟的激光剥离技术或者金属加热剥离技术之上（申请号为200610124446.0的中国专利“有电流扩展层和阻挡层的GaN基垂直LED功率芯片制备方法”），因此目前的蓝宝石衬底LED大多数采用横向结构。然而，根据近年的理论和实验研究，横向结构LED芯片（尤其是大功率LED芯片）的电流扩展问题亟需解决。在横向结构中，电流在N型层中集中于靠近电极的一侧，形成所谓的“电流拥挤效应”。由于电流拥挤效应造成电流在器件中分布不均匀，容易造成：（1）在LED的有源区电激发不均匀，发光强度低；（2）电流可能集中于器件的某些区域，导致LED器件的抗静电放电（ESD）性能差，从而降低器件的寿命。

回顾目前改善LED电流扩展特性的论文与专利，如申请号为200880118412.8 （带有电流扩展层的发光二极管）的欧司朗光电半导体公司提出的将电流扩展层设置在有源层和N接触部之间，并具有多次重复的层序列，该层序列至少具有N掺杂的层、未掺杂的层和具有Al含量的浓度梯度的AlGaN构成的层；申请号为00120889.6（半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法）的中国科学院半导体研究所提出的半导体面发光器件的N区（或P区）具有增强平行于PN 结平面的电子迁移率的二维电子气（二维空穴气），以及在光输出面具有增强透光性网格状的电极，使得LED具有光输出效率高且整个发光面发光均匀；申请号为200810218304.X （一种改善电流扩展效率的发光二极管及其制备方法）的世纪晶源科技有限公司提出的通过离子植入或二次外延的方式在P型电流扩展层内形成一电流阻挡区，电流阻挡区内设置有电流阻挡层，使P型电极注入的电流横向扩展到电极下方以外的有源发光区，使P电极下方无电流，不发光，增加了发光效率，减少了焦耳热的产生；韩国全北国立大学的Jeon等人提出在P型层上面生长P+/N+隧穿结可以有效增强横向扩展（Applied Physics Letters, 78, 3265）。另外，在器件工艺层面，波士顿大学的Guo和Schubert提出使用环形（ring-shaped）几何结构和叉指型结构相比传统的方形（square-shaped）结构减小了电流拥挤效应（Applied Physics Letters, 78, 3337；Applied Physics Letters, 79, 1936）。

综观这些改善电流扩展的方法，或引入了非传统的插入层，或使用了非常规的工艺手段，都增加了LED制作过程的复杂性和不确定性，不利于在大规模产业化中实现。

发明内容