專利名稱：基于平面結構的Ⅲ族氮化物半導體發光二極管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體發光二極管及其制備方法，特別是指基于平面結構的in 族氮化物半導體發光二極管及其制備方法。
二背景技術：
III族氮化物半導體(包括A1N， GaN， InN及其合金)為直接帶隙半導體，禁帶寬度涵 蓋了從紅外光到紫外光區域，具有較高的電子遷移率，優異的熱穩定性和化學穩定性， 可以承受較強的電場，而且能夠形成多種異質結構，可用來制造各種顏色的可見光發 光二極管，以及紫外發光二極管。用這類材料制造的固態發光二極管具有體積小，重 量輕，發光效率高，器件可靠性好，功耗低，易于調制和集成等優點。目前已經實現 商品化，然而在器件性能改善和成本優化方面還有很大余地。因此，III族氮化物半 導體發光二極管仍是世界范圍內許多公司，大學及科研機構的研究熱點。現有的III 族氮化物半導體發光二極管主要包括p-n結發光二極管，異質結發光二極管，量子阱 發光二極管等，均屬垂直結構的III族氮化物半導體發光二極管。它們的制造通常需 要對氮化物發光材料進行有選擇的刻蝕來暴露出電接觸區域，這需要多步光刻，等離 子刻蝕等步驟，因而有相當高的制造成本；而且由于需要在p型和n型氮化物材料上 分別制作歐姆接觸，工藝成本也因此進一步增加。同時，由于電極尺寸受到制備方面 的限制，難以做出大發光面積的二極管。最后，由于器件結構不對稱，以上發光二極 管只能由直流電驅動，因此須在交流源與器件之間額外增加交流-直流轉換電路，增 加了器件應用的成本。目前，成本較高正是III族氮化物半導體發光二極管還難以大 規模進入常規照明市場的主要原因。
三
發明內容
本發明的目的是提供一種基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極管及
其制備方法，它能有效降低ni族氮化物半導體發光二極管的制造成本，便于制作大
面積器件，便于器件大規模集成，而且基于該平面結構的發光二極管可以直接由交流 源驅動，因此勿須在交流源與器件之間額外增加轉換電路，減少了器件應用的成本。
本發明的技術解決方案是基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，其結
構是，在襯底材料上分別淀積有氮化物半導體緩沖層、氮化物半導體有源層、氮化物 半導體接觸層；該緩沖層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaxInyN)，其中0《X<1， 0《Y〈1; 單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.01-100ym之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜(如硅摻雜)、或P型摻雜(如鎂摻雜)；所述有源發光層的材質是 氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJriyN)，其中0《X<1, 0《Y〈1，；單層或者變組分的多層結構；總 厚度介于O. 001-10 ym之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜(如硅摻雜)、 或P型摻雜(如鎂摻雜)；所述接觸層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJnyN)，其中0 《X〈1, 0《Y〈1，；單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10ym之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜(如硅慘雜)、或P型摻雜(如鎂摻雜)；在氮化 物半導體接觸層；所述電極是肖特基接觸或者歐姆接觸電極。
將所制發光二極管的兩個連線電極直接制備在發光二極管有源區的同一側，不需要 通過刻蝕的方法暴露出發光二極管有源區另一側的電接觸區域。
所制備的電極可以具有任意形狀；所用電極材料一般為金屬或其復合結構，但也可 以是其它電阻率小于l.OQ.cm的材料。
本發明方法的技術方案包括如下步驟
在藍寶石或硅襯底上用化學氣相沉積(CVD)的方法分別生長基于III族氮化物 半導體材料的緩沖層、有源發光層和接觸層。
在完成氮化物半導體薄膜結構生長的晶片的同一面直接制備發光二極管的兩個 接觸電極，所制備的電極可以具有任意形狀；所用電極材料一般為金屬或其復合結構， 但也可以是其它電阻率小于1. OQ . cm的材料。
該緩沖層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJnyN)，其中0《X〈1， 0《Y〈1;單層或 者變組分的多層結構；總厚度介于0. 01-100y m之間；可以在生長中釆取非有意摻雜、 N型摻雜(如硅摻雜)、或P型摻雜(如鎂摻雜)。
有源發光層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJnyN)，其中0《X〈1, 0《Y〈1;單層 或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10ym之間；可以在生長中采取非有意摻 雜、N型摻雜(如硅摻雜)、或P型摻雜(如鎂摻雜)。
接觸層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJnyN)，其中0《X〈1， 0《Y〈1;單層或者 變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10ym之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜(如硅摻雜)、或P型摻雜(如鎂摻雜)。該發光二極管的兩個接觸電極在有源發光層的同一側。
本發明的特征在于將所制發光二極管的兩個連線電極直接制備在發光二極管有源區的同一側，不需要通過刻蝕的方法暴露出發光二極管有源區另一側的電接觸區 域。
該發明的原理是(如下圖)所制發光二極管有源區同一側的電極1通過正向肖 特基接觸導通或者歐姆接觸導通的方式向有源區注入電子或空穴；同時，電極2通過 反向漏電或者載流子隧穿的方式向有源區注入與電極1電注入相對應的另一種載流 子；其結果是，電極1和電極2所分別注入的兩種載流子在有源區中進行輻射復合而 發光。注以上敘述中提到的電極1和2只是相對而言，可以互換。
該發明的有益效果在于
1) 基于該平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，由于電極都制作在有源 發光區的同一側，因此不需要對外延結構進行選擇性刻蝕來暴露出有源發光區另一側的電接觸區域；
2) 由于兩電極制作在同種摻雜接觸層材料上，因此兩電極可以采用相同的電極材料，不需要針對P型和n型接觸分別制作不同材質的電極；
3) 因為電極制作在有源發光區的同一側，不受選擇性刻蝕的限制，可以方便地 定義出諸如插指形的大面積圖形的電極，適合制備大面積發光光源；
4) 基于該平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，由于接觸電極的電學注入具有對稱性，可以實現交流驅動。不需要在交流源與器件之間額外增加轉換電路。
本發明己經按照上述制備方法制造出了平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，實現了預期顏色的可見光輸出，可以滿足多種色彩柔和照明的需要。
四
圖1是現有的常規垂直結構III族氮化物半導體發光二極管的截面圖2是現有的常規垂直結構III族氮化物半導體發光二極管的平面俯視圖3是平面結構的III族氮化物半導體發光二極管的截面圖4是平面結構的III族氮化物半導體發光二極管的平面俯視圖。該圖的電極 形狀以插指形為例，也可為其他形狀；
圖5是一平面結構的III族氮化物半導體發光二極管的發光光譜，其有源層為 InGaN材料，電極為插指形肖特基接觸類型；
圖6是圖5所述發光二極管的發光照片。
五具體實施例方式
進一步說明本發明的內容，以下結合實施例及附圖對本發明做一詳細的描述。其中參閱圖l及圖2所示，通常的垂直結構III族氮化物半導體發光二極管的制作過 程是
1) 在藍寶石或硅襯底上用化學氣相沉積的方法分別生長基于III族氮化物半導 體材料的緩沖層、有源發光層和接觸層；
2) 通過刻蝕的方法暴露出發光二極管有源區另一側的電接觸區域，在圖1、圖2 中指刻出n型材料的電接觸區域；
3) 利用半導體工藝技術分別針對n型和p型材料在電接觸區域制作n型層和p 型層電極。
請參閱圖3及圖4所示，本發明基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極 管，其制備方法包括如下步驟
在藍寶石或硅襯底上用化學氣相沉積的方法分別生長基于III族氮化物半導體 材料的緩沖層、有源發光層和接觸層(含AlGaN電子阻擋層)；該發光二極管為常規 LED結構緩沖層為N型GaN，厚度為2um，有源層為GaN/In。.,Ga。.9N多量子阱機構， 其中InGaN厚度為2nm， GaN厚度為7nm，周期數為5個周期，有源層上生長一 AlGaN 電子阻擋層，厚度為70nm，表面接觸層為P型GaN，厚度為0.2um。
在完成氮化物半導體薄膜結構生長的晶片的同一面直接制備發光二極管的兩個 接觸電極，所制備的電極可以具有任意形狀，本實施例中為插指形電極，如圖4所示； 所用電極材料一般為金屬或其復合結構，但也可以是其它電阻率小于l.OQ.cm的材 料。本實施例的發光光譜及發光圖片分別如圖5，圖6所示。
權利要求
1、基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，其特征是在襯底材料上分別設有氮化物半導體緩沖層、氮化物半導體有源層、氮化物半導體接觸層，兩連線電極被制備在氮化物半導體有源層同一側的接觸層上；該緩沖層的材質是氮化鋁鎵銦Al1-x-yGaxInyN，其中0≤X＜1，0≤Y＜1；單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.01-100μm之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜、或P型摻雜；所述有源發光層的材質是氮化鋁鎵銦，其中0≤X＜1，0≤Y＜1，；單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10μm之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜、或P型摻雜；所述接觸層的材質是氮化鋁鎵銦，其中0≤X＜1，0≤Y＜1，；單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10μm之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜、或P型摻雜；在氮化物半導體接觸層；所述電極是肖特基接觸或者歐姆接觸電極。
2、 根據權利要求i所述的基于平面結構的ni族氮化物半導體發光二極管，其特征是將所制發光二極管的兩個連線電極直接制備在發光二極管有源區的同一側。
3、 根據權利要求1所述的基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，其特征是電極是叉指型電極。
4、 根據權利要求1所述的基于平面結構的III族氮化物半導體發光二極管，其特 征是所用電極材料一般為金屬或其復合結構或者電阻率小于l.OQ.cm的材料。
5、 基于平面結構的ni族氮化物半導體發光二極管的制備方法，其特征是在藍寶石或硅襯底上用化學氣相沉積的方法分別生長基于III族氮化物半導體材料的緩沖層、有源發光層和接觸層；在完成氮化物半導體薄膜結構生長的晶片的同一面直接制 備發光二極管的兩個接觸電極；該緩沖層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJnyN)，其中 0《X〈1, 0《Y〈1;單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.01-100ym之間；有源 發光層的材質是氮化鋁鎵銦(Alh-yGaJriyN)，其中0《X〈1, 0《Y〈1;單層或者變組 分的多層結構；總厚度介于0.001-10um之間；接觸層的材質是氮化鋁鎵銦 (Alh-yGaxInyN)，其中0《X<1， 0《Y〈1;單層或者變組分的多層結構；總厚度介于 0. 001-10um之間；該發光二極管的兩個接觸電極在有源發光層的同一側。
全文摘要
基于平面結構的Ⅲ族氮化物半導體發光二極管，在襯底材料上分別設有氮化物半導體緩沖層、氮化物半導體有源層、氮化物半導體接觸層，兩連線電極被制備在氮化物半導體有源層同一側的接觸層上；該緩沖層的材質是氮化鋁鎵銦，單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.01-100μm之間；可以在生長中采取非有意摻雜、N型摻雜、或P型摻雜；所述有源發光層的材質是氮化鋁鎵銦，單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10μm之間；所述接觸層的材質是氮化鋁鎵銦，單層或者變組分的多層結構；總厚度介于0.001-10μm之間；所述電極是肖特基接觸或者歐姆接觸電極。
文檔編號H01L33/00GK101202320SQ20071013501
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年11月6日
發明者榮 張, 操 苗, 鄭有炓, 海 陸 申請人:南京大學