一種在SiC襯底上製備的發光二極體的製作方法

2023-06-23 09:02:41 3

專利名稱：一種在SiC襯底上製備的發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體，屬於發光二極體光電子技術領域。
背景技術：
發光二極體(LEDLight Emitting Diode)是利用半導體材料的電致發光性質直接將電能轉換為光能的光源。與傳統的白熾燈相比，具有高效、節能、環保等諸多優點，被稱為二十一世紀的綠色光源。
40年前採用GaAsP外延生長技術製成第一支實用的LED，僅能提供紅色發光，不久橙色和黃綠色LED也相繼問世。開發初期，LED的發光效率較小，主要應用於室內指示燈、數碼管等低亮度要求的領域。1991年，基於AlGaInP材料的紅、橙、黃色超高亮度LED的實用化揭開了LED發展新篇章，打破了LED的傳統應用，從室內走向室外，成功的用於各種交通信號燈、汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。1994年藍色AlInGaN超高亮度LED的問世成為LED發展的又一重要裡程碑，不久綠色AlInGaN超高亮度LED相繼研製成功，從而實現了LED的超高亮度全色化。
目前，利用紫外、或紫色、或藍色的AlInGaN短波長LED加螢光粉或用紅、綠、藍三基色LED製作的白光的效率已經超過螢光燈，從而使半導體照明技術，又稱固態照明技術，受到全世界範圍內的廣泛重視，是具有產業革命意義的重大技術革新。
LED的製備過程主要包括在襯底材料上生長多層薄膜，也叫外延材料，隨後進行LED管芯工藝製備出接觸電極，封裝後得到標準的LED器件。要獲得大功率、高效率的LED，需要著重處理好如下三個方面的問題1、外延薄膜材料與襯底的晶格失配要獲得高質量的外延材料，提高器件內量子效率，儘量選擇與外延材料晶格匹配的襯底是非常重要的。目前短波長(紫、藍、綠色)LED主要採用兩種類型的襯底一是Al2O3(藍寶石)襯底，日本的日亞化學公司(Nichia)首先採用，並實現了商品化。藍寶石襯底的LED管芯結構如圖1所示，包括正極2、負極1、p型AlInGaN層3、發光層4、n型AlInGaN層5和藍寶石襯底6。其特點是襯底為藍寶石，它是絕緣材料，正極和負極必須製作到頂端；襯底對藍、紫和紫外光透明，可以具有較高的輸出效率。但是藍寶石的導熱性較差，不利散熱，對於製作大功率、高效率LED不利。
二是n型SiC襯底。美國克裡公司在中國申請了一項名稱為《在SiC襯底上形成的GaN基LED》的專利，申請號是02809205.8，是採用導電類型的n型6H-SiC或4H-SiC襯底，其LED的管芯結構如圖2所示，包括負極1、正極2、p型AlInGaN層3、發光層4、n型AlInGaN層5和n型6H-SiC襯底7。其特點是襯底7為n型SiC材料，它是導電襯底，同時充當LED負極，與常規的LED工藝兼容。該襯底材料要求的電阻率很小(小於0.1歐姆·釐米)，需要摻雜高濃度的雜質降低電阻率，達到導電的目的，對藍光和紫光是吸收的(如圖3所示)，當載流子濃度達到1×1018個/cm3時，其透明性已經很差，從而限制了LED光輸出效率的提高和大功率照明應用。
SiC材料的熱導率是藍寶石材料的10倍以上，利用SiC做襯底可以有利用管芯散熱，可以增大LED的輸出功率，對製作大功率LED非常有利，是半導體照明的必由之路。
2、提高LED管芯輸出效率LED管芯發出的光是從折射率高的半導體材料中輸出的，由於存在臨界角損耗和菲涅耳損耗等原因，大部分光在表面無法有效輸出而內反射回去，因此從發光層4發出的光需要多次反射才能從表面出射，n型導電襯底對在管芯內部的多次反射有強烈的吸收作用，降低出光效率；另外，LED管芯的襯底厚度一般在200微米，遠遠大於外延層的厚度，透明襯底的側壁成為光輸出的重要路徑，這在吸收襯底是做不到的。上述申請號為02809205.8的《在SiC襯底上形成的GaN基LED》的專利申請中因為採用導電的n型SiC襯底能夠吸收藍光和紫光，減少了匯聚到上出光面的光，使得LED管芯輸出效率較低。
3、提高器件高溫工作性能，增大輸出功率，同時改善器件熱阻溫度升高將對LED管芯的發光效率和壽命產生巨大的負面影響。溫度對LED亮度的影響近似為反比線性關係，溫度越高，LED效率越低。比如，若LED的p-n結溫為25℃時亮度為100，而溫度升高至75℃時亮度就減至80，到125℃剩60，到175℃時只剩40。溫度對壽命的影響呈指數性，同樣以pn結面溫度為準，若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時的壽命，75℃則只剩10,000小時，100℃剩5,000小時，125℃剩2,000小時，150℃剩1,000小時。

發明內容
針對現有不同類型襯底的可見光短波長LED存在的不足，本發明提供一種效率高、功率大的在SiC襯底上製備的發光二極體。
本發明的在SiC襯底上製備的發光二極體的結構自上而下依次包括p型AlInGaN層、發光層、n型AlInGaN層和襯底，在p型AlInGaN層設有正極，在n型AlInGaN層設有負極，襯底為透明的SiC單晶晶片，該襯底在可見光範圍內是無色透明的，SiC單晶晶片的背景載流子濃度小於1×1016個/cm3，電阻率大於103Ω.cm。保證襯底對可見光不吸收，該SiC單晶襯底是不導電的，透明SiC單晶可以是透明6H-SiC或者4H-SiC多型。
透明SiC襯底採用的單晶可以通過雜質補償機製得到，如在SiC單晶中摻入少量的釩(V)元素，補償SiC單晶中的背景雜質濃度，達到降低載流子濃度和可見光透明的目的；或者採取高純單晶生長工藝，降低SiC單晶中的背景載流子濃度到小於1×1016/cm3以下，此時形成高阻的透明SiC襯底。這些半絕緣或者高阻的SiC單晶襯底在其能帶寬度之內(或400nm以上的可見光波段)是透明的，如圖3所示。
n型AlInGaN層和p型AlInGaN層由具有不同材料組分的多層結構組成。其中n型AlInGaN層由AlN/GaN緩衝層、n型GaN歐姆接觸層和n型AlGaN下限制層組成；p型AlInGaN層由p型AlGaN上限制層和p型GaN層歐姆接觸層組成。
同時，本發明在透明的SiC單晶襯底底面設有金屬反射層，將向下傳輸的光反射回來，以增強匯聚到LED管芯上出光面的光，進一步提高LED的輸出效率。
本發明利用透明SiC晶片作為襯底，同時具有導電n型SiC襯底和藍寶石襯底的優點，避免了利用導電n型SiC襯底時的襯底吸光問題；充分利用了SiC具有比藍寶石導熱性好的優點，能夠製作大功率LED器件。由於使用了透明襯底，直接在襯底底面製作對光反射能力強的金屬反射層，將向下傳輸的光反射回來，提高了LED的發光效率；同時透明襯底增加了光在襯底側面的輸出，進一步提高了發光效率。採用透明SiC襯底減少了對光的吸收，還提高了光電轉換效率，減少了熱能產生，使得器件可以工作在大功率，提高了輸出功率。


圖1是藍寶石襯底的LED管芯結構示意圖。
圖2是導電n型SiC襯底LED管芯結構示意圖。
圖3是不同載流子濃度的6H-SiC單晶襯底的吸收譜圖。
圖4是本發明的具有透明SiC襯底的LED管芯外延材料結構示意圖。
圖5是本發明的具有透明SiC襯底的LED管芯的結構示意圖。
圖中1、負極，2、正極，3、p型AlInGaN層，4、發光層，5、n型AlInGaN層，6、Al2O3襯底，7、導電n型SiC襯底，8、透明SiC襯底，9、金屬反射層。
具體實施例方式實施例本發明的在SiC襯底上製備的發光二極體的結構如圖5所示，自上而下依次包括p型AlInGaN層3、發光層4、n型AlInGaN層5和透明SiC襯底8，在p型AlInGaN層3上設有正極2，在n型AlInGaN層5上設有負極1。襯底可以是透明的6H-SiC單晶晶片，也可以是透明的4H-SiC單晶晶片，該透明SiC襯底8在可見光範圍內是無色透明的。為將向下傳輸的光反射回來，在襯底8的底面還設有金屬反射層9。
導電的n型6H-SiC單晶由於雜質離子的存在，導致單晶顏色是綠色的。在可見光波段有強烈的吸收，如圖3給出的6H-SiC單晶襯底的吸收譜所示，當載流子濃度大於1×1018個/cm3時，在600nm波長附近有強烈的吸收。但是高阻和半絕緣的6H-SiC單晶的背景載流子濃度低，一般小於1×1016個/cm3，此時6H-SiC單晶在可見光波段的吸收已經很小，達到透明。因此本發明中，6H-SiC單晶晶片的背景載流子濃度小於1×1016個/cm3，電阻率大於103Ω.cm。保證襯底對可見光不吸收及該SiC單晶襯底是不導電的，透明SiC襯底採用的單晶可以通過雜質補償機製得到，如在SiC單晶中摻入少量的釩(V)元素，補償SiC單晶中的背景載流子濃度，達到降低載流子濃度和可見光透明的目的；或者採取高純單晶生長工藝，降低SiC單晶中的背景載流子濃度到小於1×1016個/cm3以下，此時形成高阻的透明SiC襯底。這些半絕緣或者高阻的SiC單晶襯底在其能帶寬度之內(或400nm以上的可見光波段)是透明的，如圖3所示。
如圖4所示，本發明是利用透明SiC作為襯底，然後用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術自下而上依次生長n型AlInGaN層5、發光層4、p型AlInGaN層3，製作出外延材料；然後利用金屬蒸發、刻蝕等常規半導體器件製作工藝製作出頂層雙電極管芯(結構如圖5所示)，再封裝成單個的LED器件。其III族元素利用三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)作為反應前驅物，V族元素用氨氣(NH3)作反應物，n型摻雜源採用矽烷(SiH4)，p型摻雜源採用CP2Mg。另外，為提高LED內量子效率，發光層有源區採用多量子阱結構。材料生長完畢後，利用常規的光刻、刻蝕、金屬蒸發、熱處理、晶片切割等半導體晶片製作工藝製作出單面雙電極管芯，然後通過封裝將管芯製作成LED器件。
在充分考慮材料外延工藝、電子空穴注入及電極製作工藝要求後，n型AlInGaN層5和p型AlInGaN層3由具有不同材料組分的多層結構組成。其中，n型AlInGaN層5由AlN/GaN緩衝層、n型GaN層歐姆接觸層、n型(Al)GaN層下限制層組成；p型AlInGaN層由p型(Al)GaN上限制層、p型GaN層歐姆接觸層組成。
本發明結構的LED管芯具有如下特點1、透明SiC襯底對短波長(紫、藍、綠色)的光是不吸收的，避免了利用導電n型SiC襯底時襯底吸光問題；2、透明SiC襯底具有比藍寶石導熱性好的優點，利於製作大功率LED器件，也提高了LED可靠性；3、由於使用了透明襯底，可以直接在襯底底面製作對光反射能力強的金屬反射層9，將向下傳輸的光反射回來，提高LED的發光效率；4、透明襯底增加了光從襯底側面輸出，從而可以進一步提高發光效率。
權利要求
1.一種在SiC襯底上製備的發光二極體，其結構自上而下依次包括p型AlInGaN層、發光層、n型AlInGaN層和襯底，在p型AlInGaN層設有正極，在n型AlInGaN層設有負極，其特徵在於襯底為透明的SiC單晶晶片，該襯底在可見光範圍內是無色透明的，SiC單晶晶片的背景載流子濃度小於1×1016個/cm3，電阻率大於103Ω.cm。
2.根據權利要求1所述的在SiC襯底上製備的發光二極體，其特徵在於所述透明SiC單晶襯底的底面上設有金屬反射層。
3.根據權利要求1所述的在SiC襯底上製備的發光二極體，其特徵在於所述透明SiC單晶襯底是6H-SiC或者4H-SiC多型。
全文摘要
本發明提供了一種在SiC襯底上製備的發光二極體，其結構自上而下依次包括p型AlInGaN層、發光層、n型AlInGaN層和襯底，在p型AlInGaN層設有正極，在n型AlInGaN層設有負極，襯底為透明的SiC單晶晶片，該襯底在可見光範圍內是無色透明的，SiC單晶晶片的背景載流子濃度小於1×10
文檔編號H01L33/00GK101060150SQ20071001444
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月15日 優先權日2007年5月15日
發明者徐現剛, 寧麗娜, 李樹強, 胡小波, 蔣民華 申請人:山東大學