[发明专利]发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种发光二极管。

背景技术

基于GaN材料的LED发光二极管器件目前已广泛应用于生产和生活中，其主要用于发出蓝光和绿光。基于GaN材料的LED发光二极管器件通常采用包含N型掺杂GaN、InGaN量子阱和P型掺杂GaN，在两端加偏压后，P型掺杂GaN提供空穴载流子，N型掺杂GaN提供电子载流子，电子和空穴反向流动，在InGaN量子阱中发生复合，从而发出一定波长的光。在影响器件发光效率的诸多因素中，用于加电压的两端金属电极与P型和N型掺杂GaN应尽可能形成良好的欧姆接触，减小接触电阻造成的能量损耗。

决定金属与半导体之间能否形成良好欧姆接触的主要因素包括半导体的掺杂类型、金属与半导体的功函数差别、金属和半导体之间的界面电子态。由于P性掺杂和N型掺杂GaN的载流子类型不同，所以所选用的金属电极材料和形成欧姆接触的工艺是非常不相同的。根据半导体器件理论，对于N型掺杂GaN，则要求功函数低于N型掺杂GaN的金属材料才能与其直接形成欧姆接触，否则会存在较高肖特基势垒，通常N型掺杂GaN的功函数约4.3eV，即需采用功函数低于4.3eV的金属；对于P型掺杂GaN，只有功函数高于P型掺杂GaN的金属材料才能与其直接形成欧姆接触，通常P型掺杂GaN的功函数大于7eV，即需采用功函数大于7eV的金属。可见如果直接采用金属材料与GaN接触，与P型和N型掺杂GaN能形成欧姆接触的金属材料必须是完全不同的金属材料，也对应完全不同的工艺条件。

在现有的LED器件结构和工艺中，对于N型GaN，通常采用铟（In），铝（Al），钛（Ti），钨（W）等金属及其合金材料，例如，在GaN薄膜表面依次沉积Ti/Al或Al/Ti这样的双层金属结构，然后在氮气气氛下快速退火；而对于P型GaN，由于根本不存在功函数大于7eV的金属，其欧姆接触的难度非常大，目前用于连接P型GaN的电极材料通常为Ni/Au，并配合在700℃下的快速退火等工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种发光二极管，能够改善发光二极管的金属电极与半导体层之间的欧姆接触性质，从而提高发光二极管的发光效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管，包括具有第一导电类型的半导体衬底、半导体衬底表面的有源层、以及有源层表面的具有第二导电类型的半导体覆盖层，所述半导体覆盖层与有源层相对的一表面上设置有电极；所述半导体覆盖层表面上的电极包括石墨烯层与金属层，所述石墨烯层设置在金属层与半导体覆盖层之间，用以改善金属层与半导体材料之间的欧姆接触。

石墨烯是由碳原子组成的仅包含一个或多个单原子层的极薄层材料，是一种零带隙、半金属二维材料，具有优良的光学、电学和力学性能，热力学稳定性也非常好。

本发明的实现原理如图1所示。图1以n型掺杂半导体为例，比较了普通金属和石墨烯分别与其形成的接触的不同性质：

图1中的(a)与（b）是普通金属与半导体之间的接触：（a）为接触之前的能带示意图，这时半导体功函数W_s与金属功函数W_m存在一定差异；（b）为n型半导体与金属直接接触后的能带示意图。由于半导体费米面高于金属费米面，电子载流子从半导体流向金属产生空间电荷区。由于金属在费米面附近具有很高的载流子浓度和抛物线型的能带结构（如(a)右侧方框中所示），金属的费米面基本保持不变，而空间电荷区集中于半导体一侧，使得半导体在界面附近的能带产生弯曲，形成一个较高的接触势垒，最终使得两者费米面相平。该接触势垒的高度qV_D等于两者功函数之差，是决定金属与半导体接触电阻的关键因素。