CN101060150A - 一种在SiC衬底上制备的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在SiC衬底上制备的发光二极管，其结构自上而下依次包括p型AlInGaN层、发光层、n型AlInGaN层和衬底，在p型AlInGaN层设有正极，在n型AlInGaN层设有负极，衬底为透明的SiC单晶晶片，该衬底在可见光范围内是无色透明的，SiC单晶晶片的背景载流子浓度小于1×1016个/cm3，电阻率大于103Ω.cm。本发明利用透明SiC单晶晶片作为衬底，避免了利用n型SiC做衬底时的光吸收和利用Al2O3做衬底时导热性差的弊端，能够制作大功率LED器件。同时直接在衬底底面制作对光反射能力强的金属反射层，将向下传输的光反射回来，提高了LED管芯的发光效率；另外透明衬底还增加了光从衬底侧面输出，进一步提高了发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管，属于发光二极管光电子技术领域。
背景技术
发光二极管(LED：Light Emitting Diode)是利用半导体材料的电致发光性质直接将电能转换为光能的光源。与传统的白炽灯相比，具有高效、节能、环保等诸多优点，被称为二十一世纪的绿色光源。
40年前采用GaAsP外延生长技术制成第一支实用的LED，仅能提供红色发光，不久橙色和黄绿色LED也相继问世。开发初期，LED的发光效率较小，主要应用于室内指示灯、数码管等低亮度要求的领域。1991年，基于AlGaInP材料的红、橙、黄色超高亮度LED的实用化揭开了LED发展新篇章，打破了LED的传统应用，从室内走向室外，成功的用于各种交通信号灯、汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。1994年蓝色AlInGaN超高亮度LED的问世成为LED发展的又一重要里程碑，不久绿色AlInGaN超高亮度LED相继研制成功，从而实现了LED的超高亮度全色化。
目前，利用紫外、或紫色、或蓝色的AlInGaN短波长LED加荧光粉或用红、绿、蓝三基色LED制作的白光的效率已经超过荧光灯，从而使半导体照明技术，又称固态照明技术，受到全世界范围内的广泛重视，是具有产业革命意义的重大技术革新。
LED的制备过程主要包括在衬底材料上生长多层薄膜，也叫外延材料，随后进行LED管芯工艺制备出接触电极，封装后得到标准的LED器件。要获得大功率、高效率的LED，需要着重处理好如下三个方面的问题：
1、外延薄膜材料与衬底的晶格失配
要获得高质量的外延材料，提高器件内量子效率，尽量选择与外延材料晶格匹配的衬底是非常重要的。目前短波长(紫、蓝、绿色)LED主要采用两种类型的衬底：
一是Al2O3(蓝宝石)衬底，日本的日亚化学公司(Nichia)首先采用，并实现了商品化。蓝宝石衬底的LED管芯结构如图1所示，包括正极2、负极1、p型AlInGaN层3、发光层4、n型AlInGaN层5和蓝宝石衬底6。其特点是：衬底为蓝宝石，它是绝缘材料，正极和负极必须制作到顶端；衬底对蓝、紫和紫外光透明，可以具有较高的输出效率。但是蓝宝石的导热性较差，不利散热，对于制作大功率、高效率LED不利。
二是n型SiC衬底。美国克里公司在中国申请了一项名称为《在SiC衬底上形成的GaN基LED》的专利，申请号是02809205.8，是采用导电类型的n型6H-SiC或4H-SiC衬底，其LED的管芯结构如图2所示，包括负极1、正极2、p型AlInGaN层3、发光层4、n型AlInGaN层5和n型6H-SiC衬底7。其特点是：衬底7为n型SiC材料，它是导电衬底，同时充当LED负极，与常规的LED工艺兼容。该衬底材料要求的电阻率很小(小于0.1欧姆·厘米)，需要掺杂高浓度的杂质降低电阻率，达到导电的目的，对蓝光和紫光是吸收的(如图3所示)，当载流子浓度达到1×1018个/cm3时，其透明性已经很差，从而限制了LED光输出效率的提高和大功率照明应用。
SiC材料的热导率是蓝宝石材料的10倍以上，利用SiC做衬底可以有利用管芯散热，可以增大LED的输出功率，对制作大功率LED非常有利，是半导体照明的必由之路。
2、提高LED管芯输出效率
LED管芯发出的光是从折射率高的半导体材料中输出的，由于存在临界角损耗和菲涅耳损耗等原因，大部分光在表面无法有效输出而内反射回去，因此从发光层4发出的光需要多次反射才能从表面出射，n型导电衬底对在管芯内部的多次反射有强烈的吸收作用，降低出光效率；另外，LED管芯的衬底厚度一般在200微米，远远大于外延层的厚度，透明衬底的侧壁成为光输出的重要路径，这在吸收衬底是做不到的。上述申请号为02809205.8的《在SiC衬底上形成的GaN基LED》的专利申请中因为采用导电的n型SiC衬底能够吸收蓝光和紫光，减少了汇聚到上出光面的光，使得LED管芯输出效率较低。
3、提高器件高温工作性能，增大输出功率，同时改善器件热阻
温度升高将对LED管芯的发光效率和寿命产生巨大的负面影响。温度对LED亮度的影响近似为反比线性关系，温度越高，LED效率越低。比如，若LED的p-n结温为25℃时亮度为100，而温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃剩60，到175℃时只剩40。温度对寿命的影响呈指数性，同样以pn结面温度为准，若一直保持在50℃以下使用则LED有近20,000小时的寿命，75℃则只剩10,000小时，100℃剩5,000小时，125℃剩2,000小时，150℃剩1,000小时。
发明内容
针对现有不同类型衬底的可见光短波长LED存在的不足，本发明提供一种效率高、功率大的在SiC衬底上制备的发光二极管。
本发明的在SiC衬底上制备的发光二极管的结构自上而下依次包括p型AlInGaN层、发光层、n型AlInGaN层和衬底，在p型AlInGaN层设有正极，在n型AlInGaN层设有负极，衬底为透明的SiC单晶晶片，该衬底在可见光范围内是无色透明的，SiC单晶晶片的背景载流子浓度小于1×1016个/cm3，电阻率大于103Ω.cm。保证衬底对可见光不吸收，该SiC单晶衬底是不导电的，透明SiC单晶可以是透明6H-SiC或者4H-SiC多型。
透明SiC衬底采用的单晶可以通过杂质补偿机制得到，如在SiC单晶中掺入少量的钒(V)元素，补偿SiC单晶中的背景杂质浓度，达到降低载流子浓度和可见光透明的目的；或者采取高纯单晶生长工艺，降低SiC单晶中的背景载流子浓度到小于1×1016/cm3以下，此时形成高阻的透明SiC衬底。这些半绝缘或者高阻的SiC单晶衬底在其能带宽度之内(或400nm以上的可见光波段)是透明的，如图3所示。
n型AlInGaN层和p型AlInGaN层由具有不同材料组分的多层结构组成。其中n型AlInGaN层由AlN/GaN缓冲层、n型GaN欧姆接触层和n型AlGaN下限制层组成；p型AlInGaN层由p型AlGaN上限制层和p型GaN层欧姆接触层组成。
同时，本发明在透明的SiC单晶衬底底面设有金属反射层，将向下传输的光反射回来，以增强汇聚到LED管芯上出光面的光，进一步提高LED的输出效率。
本发明利用透明SiC晶片作为衬底，同时具有导电n型SiC衬底和蓝宝石衬底的优点，避免了利用导电n型SiC衬底时的衬底吸光问题；充分利用了SiC具有比蓝宝石导热性好的优点，能够制作大功率LED器件。由于使用了透明衬底，直接在衬底底面制作对光反射能力强的金属反射层，将向下传输的光反射回来，提高了LED的发光效率；同时透明衬底增加了光在衬底侧面的输出，进一步提高了发光效率。采用透明SiC衬底减少了对光的吸收，还提高了光电转换效率，减少了热能产生，使得器件可以工作在大功率，提高了输出功率。
附图说明：
图1是蓝宝石衬底的LED管芯结构示意图。
图2是导电n型SiC衬底LED管芯结构示意图。
图3是不同载流子浓度的6H-SiC单晶衬底的吸收谱图。
图4是本发明的具有透明SiC衬底的LED管芯外延材料结构示意图。
图5是本发明的具有透明SiC衬底的LED管芯的结构示意图。
图中：1、负极，2、正极，3、p型AlInGaN层，4、发光层，5、n型AlInGaN层，6、Al2O3衬底，7、导电n型SiC衬底，8、透明SiC衬底，9、金属反射层。
具体实施例方式
实施例
本发明的在SiC衬底上制备的发光二极管的结构如图5所示，自上而下依次包括p型AlInGaN层3、发光层4、n型AlInGaN层5和透明SiC衬底8，在p型AlInGaN层3上设有正极2，在n型AlInGaN层5上设有负极1。衬底可以是透明的6H-SiC单晶晶片，也可以是透明的4H-SiC单晶晶片，该透明SiC衬底8在可见光范围内是无色透明的。为将向下传输的光反射回来，在衬底8的底面还设有金属反射层9。
导电的n型6H-SiC单晶由于杂质离子的存在，导致单晶颜色是绿色的。在可见光波段有强烈的吸收，如图3给出的6H-SiC单晶衬底的吸收谱所示，当载流子浓度大于1×1018个/cm3时，在600nm波长附近有强烈的吸收。但是高阻和半绝缘的6H-SiC单晶的背景载流子浓度低，一般小于1×1016个/cm3，此时6H-SiC单晶在可见光波段的吸收已经很小，达到透明。因此本发明中，6H-SiC单晶晶片的背景载流子浓度小于1×1016个/cm3，电阻率大于103Ω.cm。保证衬底对可见光不吸收及该SiC单晶衬底是不导电的，
透明SiC衬底采用的单晶可以通过杂质补偿机制得到，如在SiC单晶中掺入少量的钒(V)元素，补偿SiC单晶中的背景载流子浓度，达到降低载流子浓度和可见光透明的目的；或者采取高纯单晶生长工艺，降低SiC单晶中的背景载流子浓度到小于1×1016个/cm3以下，此时形成高阻的透明SiC衬底。这些半绝缘或者高阻的SiC单晶衬底在其能带宽度之内(或400nm以上的可见光波段)是透明的，如图3所示。
如图4所示，本发明是利用透明SiC作为衬底，然后用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术自下而上依次生长n型AlInGaN层5、发光层4、p型AlInGaN层3，制作出外延材料；然后利用金属蒸发、刻蚀等常规半导体器件制作工艺制作出顶层双电极管芯(结构如图5所示)，再封装成单个的LED器件。其III族元素利用三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为反应前驱物，V族元素用氨气(NH3)作反应物，n型掺杂源采用硅烷(SiH4)，p型掺杂源采用CP2Mg。另外，为提高LED内量子效率，发光层有源区采用多量子阱结构。材料生长完毕后，利用常规的光刻、刻蚀、金属蒸发、热处理、芯片切割等半导体芯片制作工艺制作出单面双电极管芯，然后通过封装将管芯制作成LED器件。
在充分考虑材料外延工艺、电子空穴注入及电极制作工艺要求后，n型AlInGaN层5和p型AlInGaN层3由具有不同材料组分的多层结构组成。其中，n型AlInGaN层5由AlN/GaN缓冲层、n型GaN层欧姆接触层、n型(Al)GaN层下限制层组成；p型AlInGaN层由p型(Al)GaN上限制层、p型GaN层欧姆接触层组成。
本发明结构的LED管芯具有如下特点：
1、透明SiC衬底对短波长(紫、蓝、绿色)的光是不吸收的，避免了利用导电n型SiC衬底时衬底吸光问题；
2、透明SiC衬底具有比蓝宝石导热性好的优点，利于制作大功率LED器件，也提高了LED可靠性；
3、由于使用了透明衬底，可以直接在衬底底面制作对光反射能力强的金属反射层9，将向下传输的光反射回来，提高LED的发光效率；
4、透明衬底增加了光从衬底侧面输出，从而可以进一步提高发光效率。
Claims (3)
1.一种在SiC衬底上制备的发光二极管，其结构自上而下依次包括p型AlInGaN层、发光层、n型AlInGaN层和衬底，在p型AlInGaN层设有正极，在n型AlInGaN层设有负极，其特征在于：衬底为透明的SiC单晶晶片，该衬底在可见光范围内是无色透明的，SiC单晶晶片的背景载流子浓度小于1×1016个/cm3，电阻率大于103Ω.cm。
2.根据权利要求1所述的在SiC衬底上制备的发光二极管，其特征在于：所述透明SiC单晶衬底的底面上设有金属反射层。
3.根据权利要求1所述的在SiC衬底上制备的发光二极管，其特征在于：所述透明SiC单晶衬底是6H-SiC或者4H-SiC多型。
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