CN102751414A - 大尺寸发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种大尺寸发光器件及其制造方法。一种III族氮化物发光器件，其衬底上具有由导电线构成的导电网格，激活层夹在N型层和P型层之间构成LED结构，导电网格与N型层之间形成欧姆接触，及一种制造该器件的方法。
Description
技术领域
本发明一般地涉及发光器件，特别涉及提高电流注入均匀性的大尺寸三族氮化物发光器件。
背景技术
众所周知，以三族氮化物为基础的发光器件如发光二极管(LED)作为新一代光源，正在逐渐取代传统照明光源中的白炽灯和日光灯。例如，通过掺铈钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉将铟镓氮多量子阱(MQW)发光二极管生成的蓝光转换成白光，从而产生发光效率为80-110lm/W的商用白光发光二极管。日亚公司(Nichia)目前为止报道的研发发光效率记录已达183lm/W(Y.Narukawa等，J.Phys D：Appl.Phys.43，354002(2010))。
用于一般照明应用的LED通常要能够承受高电流和高电流密度工作。面向一般照明的LED通常具有较大尺寸，经测量目前发展水平的尺寸接近或大于1×1mm2，因此电流注入能够均匀分布于整个器件区域至关重要。
在现有技术中，如美国专利No.6,078,064所阐述，广泛采用透明导电层如氧化铟锡(ITO)来扩展P型层中的电流。为了进一步提高电流扩展，在器件中形成贯穿P型层和激活层并直达N型层的凹槽，以形成连接N型电流扩展层的指状N电极。结果，所得到的指状N电极之间被指状P电极间隔开，反之亦然。如图1中所示，示出现有技术的大尺寸LED平面示意图。还可以在美国专利No.6,885,036中看到更多的现有技术大尺寸LED的示意图。图中P电极810(包含指状P电极812和盘状P电极811)和N电极820(包含指状N电极822和盘状N电极821)位于LED芯片相对的两侧，并且四个指状P电极812被三个指状N电极822隔开。P电极810和N电极820分别在ITO 60上和凹槽823内。凹槽823可以通过去掉P型层材料、激活层和N型层材料直到露出N型电流扩展层N型氮化镓23’而形成。N电极820在凹槽823内直接形成在N型电流扩展层23’上。现有技术中可以通过适当的设计指状P电极和N电极来获得电极之间均匀的电流分布，但是却要牺牲部分发光激活区域。
发明内容
本发明阐述一种在不过分牺牲激活区的情况下提高电流注入均匀性的发光器件，一种用于发光器件的具有导电网格的晶圆衬底及其制造方法。
在用于发光器件的衬底或样板上形成高导电网格，然后在其上形成LED结构。
本发明的一方面提供一种三族氮化物发光器件，包括：
衬底；
在该衬底上形成的由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间的距离在10-150微米之间，导电线的厚度在0.5-2微米之间，及导电线的宽度在5-15微米之间；
在所述衬底和导电网格上形成的N型层，其中该N型层与导电网格之间是直接的欧姆接触或是通过导电网格下的导电样板或衬底的欧姆接触；
P型层；以及
夹在所述N型层和P型层之间的激活层。
本发明的另一方面提供一种用于三族氮化物发光器件的晶圆衬底，包括：
衬底；和
在该衬底上形成的由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间的距离在10-150微米之间，导电线的厚度在0.5-2微米之间，及导电线的宽度在5-15微米之间。
本发明又一方面提供一种三族氮化物发光器件的晶圆，包括：
晶圆衬底，包含衬底和在该衬底上形成的由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间的距离在10-150微米之间，导电线的厚度在0.5-2微米之间，及导电线的宽度在5-15微米之间；
在该晶圆衬底上形成的N型层；
在该N型层上形成的激活层；和
在该激活层上形成的P型层。
本发明再一方面提供一种制造三族氮化物发光器件的方法，包括：
预备衬底或包括在该衬底上外延生长形成的样板层的样板；
在该衬底或样板上形成由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间的距离在10-150微米之间，导电线的厚度在0.5-2微米之间，及导电线的宽度在5-15微米之间；
在该衬底或样板和导电网格上形成N型层，其中该N型层与导电网格之间是直接的欧姆接触或是通过导电网格下的导电样板或衬底的欧姆接触；
在该N型层上形成激活层；和
在该激活层上形成P型层。
附图说明
所附各图是用来帮助进一步理解本发明，是本发明的一部分，阐述本发明所包含的内容，并与下列说明一起来阐明本发明的宗旨。图中相同的附图标记代表本发明中相同的部件，以及一个层可以代表具有相同功能的一组层。
图1是一个现有技术的大尺寸发光二极管的平面示意图。
图2A是本发明的一方面中，在样板或衬底上形成的导电网格的平面图。
图2B是本发明的一方面中，在样板或衬底上形成的导电网格的横截面图。
图2C是本发明的一方面中，在样板或衬底上形成的导电网格的横截面图。
图2D是本发明的一方面中，在样板或衬底上形成的导电网格的横截面图。
图3A和图3B是根据本发明，在图2A-2D中所示的导电网格上形成的大尺寸LED示例。
具体实施方式
用于形成导电网格的材料电阻率最好小于50μΩ.cm，并且在高于800℃下的氢气、氮气和氨气中不活跃。导电网格还要对可见光具有高于50％反射率，而且最好能在导电网格上生长三族氮化物，并与导电网格欧姆接触。两种材料之间的欧姆接触是指在两种材料的界面处加上电压时而得到线性电流-电压关系。
导电网格的材料可以由IIIB-VIB族氮化物如氮化钪(ScN)、氮化钇(YN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钒(VN)、氮化铌(NbN)、氮化钽(TaN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)或氮化钨(WN)构成，虽不必要，但希望这些过渡金属氮化物为等化学配比。
导电网格可以是一个二维网格如一个方形网格、或具有一内角为60度的平行四边形网格、一个六边形网格、一个极图形网格或变形极图形网格，或者是其它形状的网格。导电网格也可以是一个一维网格如平行直线、平行锯齿线。导电网格可以均匀分布于整个晶圆，或者在晶圆上的某些区域的密度高于其它区域。优选地，二维导电网格为一具有一内角为60度的平行四边形网格。组成导电网格的导电线的走向优选地平行于GaN的<10-10>晶向。
导电网格可以由衬底或样板上的导电线构成，或者由衬底或样板中的沟壑构成。导电线的厚度b可以在0.5-2微米之间，如1-1.5微米，宽度c可以在5-15微米之间，如8-10微米，导电线之间的周期间距可以在10-150微米之间，如50-100微米。
图2A是根据本发明一方面，在样板1或衬底10上形成的导电线构成的导电网格233的平面图(按晶圆大小)。所用衬底10可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、尖晶石或类似材料。样板1包含衬底10和外延生长的样板层20，可以是III族氮化物AlxInyGa1-x-yN(0＜＝x＜＝1；0＜＝y＜＝1)。对于III族氮化物的可见光LED，样板层20最好是AlxInyGa1-x-yN(0＜＝x+y＜＝0.1)，并且最好是N型导电性，具有电子浓度高于5×1018cm-3，比如是硅掺杂，这样样板层20与导电网格233就形成欧姆接触。当使用样板层20时，优选地是使得导电网格233下表面与衬底10上表面的垂直距离小于或等于150nm。这可以通过适当选择样板层20厚度来实现。例如当导电网格233形成在样板层20上表面时，样板层20的厚度可以小于或等于150nm，当导电网格233形成在样板层20的沟槽中时，从沟槽的底表面到样板层20下表面的厚度可以小于或等于150nm。
通过已知的方法在样板1或衬底10上依次形成N型层、激活层、P型层和ITO层。N型层可以与导电网格233直接接触。N型层可以是硅掺杂的氮化镓、或铟镓氮、或铝镓氮，对于可见光LED，铟或铝的平均组分分别小于10％如3％-7％。为了确保导电网格233和N型层之间的欧姆接触，N型层的底部可以采用高掺杂硅，也就是说，N型层的起始0.1-0.5微米可以掺杂硅的浓度到5-50×1018cm-3，而在N型层的上部则将硅掺杂的浓度降至正常如5×1018cm-3或更低。激活层可以由氮化镓/铟镓氮多量子井构成，P型层可以是镁掺杂P型氮化镓、P型铝镓氮或P型铟镓氮。通常厚度在200-400纳米的ITO层被用来扩展P型层的电流。通过已知的后续工艺，可以在晶圆上形成一组LED结构。
图2B和2C是图2A的两个横截面图，在图2B中，导电网格233位于样板层20上，导电线之间的周期间隔最好在50-150微米之间，如80-110微米(间隔是指相邻两条平行导电线之间的垂直距离)，导电线的厚度b在0.5-2微米之间如1-1.5微米，宽度c在5-10微米之间如6-8微米。尽管在图2A中，导电网格233是一个二维方形网格，但也可以是其它形状的二维网格，如具有一内角为60度的平行四边形网格，或者六边形网格、或者极图形网格或其它图形的网格。在这个示例中，导电网格均匀分布于整个晶圆，但其也可以非均匀分布于整个晶圆。
图2A和图2B中的导电网格233可以通过已知的方法形成如光刻和沉积。由IIIB-VIB族氮化物构成的导电网格233可以通过已知的方法在样板层20上形成，如磁控管溅射、电子束沉积、原子层沉积、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、或物理气相沉积。可以在先前的文献中找到这些过渡金属氮化物气化的方法，例如H.-S.Seo等人发表在Journal of Applied Physics，Vol 96，pp878-884(2004)上的‘Growth and physical properties of epitaxial HfN layers onMgO(001)’，或者另一篇由M.H.Oliver等人发表在Applied Physics Letters，Vol93，023109(2008)上的‘Organometallic vapor phase epitaxial growth of GaNon ZrN/AlN/Si substrate’。导电网格233也可以直接形成在衬底10上，而不需要用样板层20。当导电网格233如图2B般形成在样板层20上表面时，样板层20厚度优选地小于或等于150nm，使得导电网格233下表面与衬底10上表面的垂直距离小于或等于150nm，以减少光在导电网格233和衬底10之间的光损失。
在图2C中，为了将光吸收降至最低，导电网格233位于样板层20’中的沟壑201的垂直侧壁上。沟壑201是通过已知的标准光刻和刻蚀工艺形成的，深3-5微米，宽2-15微米，沟壑之间彼此相距20-150微米。然后在沟壑201的垂直侧壁上通过溅射沉积形成厚度为0.5-2微米的导电网格233。沟壑201也可以直接在衬底10上形成，而不需要用到样板层。
图2D是导电网格233的另一个示例，在导电网格233上形成额外的层243和253，层243和253可以分别由二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiNx)，或氧化钛(TiO2)制成。层243和253也可以是一个由SiO2、SiNx或TiO2构成的厚度大于100纳米的单一保护层，以在后续的N型层23的MOCVD生长时保护导电网格233免受热氢气的侵袭。
图2D中的导电网格结构可以通过已知的方法如光刻和沉积形成。首先在样板层20上生长含金属的导电层，然后在该导电层上依次形成层243和253。导电层也可以直接生长在衬底10上，而不需要样板层20。刻蚀层243、253和导电层以形成导电网格233，通过刻蚀工艺在导电网格上覆盖着同形状的层243和253。层243和253可以通过已知方法如化学气相沉积、磁控管溅射、原子层沉积或物理气相沉积形成。同样地如图2C，导电网格233、层243和253也可以在沟壑201中依次形成。
在其它的示例中，层243和253可以是不同的层，例如层243可以是SiO2层，而层253可以是TiO2层。层243和层253可以在导电网格233上交替叠加几次，也就是说，层234和层253形成一个分布布拉格反射器(DBR)。形成DBR的要求是已知的。在这个示例中，如果层243是SiO2和层253是TiO2，层对243/253可以交替5-20次。每一层243和每一层253的厚度可以分别在50-100纳米之间如30-70纳米。由于在这个示例中对层243/253形成DBR，因此导电网格233上面的入射光将以高于95％甚至高于99％的反射率反射回去。在这个DBR加导电网格的示例中，由于导电网格233中光吸收的降低，导电网格233的导电线之间的距离a可以降到10-50微米，而导电线的宽度c可以升至5-15微米，以提高电流扩展效果而不需牺牲出光效率。此DBR加导电网格的示例为后续LED结构的生长提供了导电反射层，用以提高器件的电学和光学特性。
图3A是根据本发明的一个示例中LED芯片的透视图，芯片的PN结面积大于200mil2，如400-10,000mil2。LED结构是形成在如图2A-2D所示的样板1上或直接在衬底10上。衬底10可以是一个图形化的蓝宝石衬底。在衬底10上是一个不掺杂或硅掺杂的氮化镓样板层20。在样板1上形成LED结构可以是任何已知的LED结构，例如LED结构可以是III族氮化物LED结构，包含由已知方法依次形成的N型层23、激活层40、P型层50和ITO层60。一组LED结构可以通过图形化和蚀刻N型层23、激活层40、P型层50和ITO层60在晶圆上形成。这里每个LED结构也被指是一个LED平台。N型层23长在样板1上，并直接与导电网格233和样板层20(图2B，图2C)相接触，或者N型层23长在样板1上，并与样板层20和DBR对层243/253接触。N型层23可以是硅掺杂氮化镓、或铟镓氮、或铝镓氮，对于可见光LED，其铟或铝的平均组分分别小于10％如3％-7％。为了确保导电网格233和N型层23之间的欧姆接触，N型层23的底部可以高掺杂硅，也就是说，N型层23的前0.1-0.5微米可以掺杂硅浓度在5-50×1018cm-3，而后面部分的掺杂浓度可降到正常如5×1018cm-3或更低。激活层40可以是氮化镓/铟镓氮多量子井，P型层50可以是镁掺杂的P型氮化镓、P型铝镓氮或P型铟镓氮，ITO层60通常厚度在200-400纳米，被用来扩展P型层的电流。在ITO层60上是带有指状电流扩展分支和盘状电极的金属P电极82。
由IIIB-VIB族氮化物构成的导电网格233可具有很小的电阻率例如仅为10-50μΩ.cm，提供电子横向传输的高导电性。导电网格233提高了大尺寸器件的电流注入均匀性，如图3A所示，金属N电极81可以只有一个接触盘，位于导电网格233上，利用导电网格233优越的导电性将电流均匀扩展到N型层23。导电网格233具有很小的电阻，使得图3A中的LED实际上是一个垂直导电的LED。为了得到更好的注入均匀性，N电极81可以带有一个包围LED平台的指状延伸如图3B所示。在另一个示例中，N电极81可以覆盖整个被N型层23暴露的样板1的表面。
显然，对于本领域技术人员，可以对上述一系列示例进行各种修改和改变而不脱离本发明的范围或精神。有鉴于此，本发明包括下列权利要求及其等价体所涵盖的各种修改和变化结构。
Claims (29)
1.一种III族氮化物发光器件，包含：
衬底；
在该衬底上形成的由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间距离在10-150微米之间，导电线厚度在0.5-2微米之间，且导电线的宽度在5-15微米之间；
在所述衬底和导电网格上形成的N型层，其中该N型层与导电网格是欧姆接触；
P型层；以及
夹在所述N型层和P型层之间的激活层。
2.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，进一步包括与所述导电网格直接接触的N电极，其中该N电极包括接触盘和环绕LED平台的指状延伸。
3.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，其中所述N型层的底部采用比上部更高的硅掺杂。
4.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，进一步包括在所述衬底上形成的N型样板层，其中所述导电网格位于样板层上并与之欧姆接触，N型层则位于样板层和导电网格上。
5.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，进一步包括位于所述导电网格上的保护层，其中该保护层是由氧化硅、氮化硅或氧化钛构成。
6.如权利要求5所述的III族氮化物发光器件，其中所述保护层包含一对或多对氧化硅/氧化钛层，形成分布布拉格反射器，对可见光的反射率高于95％。
7.如权利要求4所述的III族氮化物发光器件，其中所述导电网格是以样板层上的导电线构成，或者是以样板层的沟壑中的导电线构成。
8.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，其中所述导电网格是以衬底上的导电线构成，或者是以衬底的沟壑中的导电线构成。
9.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，其中所述导电网格是二维方形网格、或具有一内角为60度的平行四边形网格，或六边形网格，并且均匀分布于整个衬底。
10.如权利要求1所述的III族氮化物发光器件，其中所述导电网格是由氮化钪(ScN)、氮化钇(YN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钒(VN)、氮化铌(NbN)、氮化钽(TaN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)或氮化钨(WN)构成。
11.一种用于III族氮化物发光器件的晶圆衬底，包括：
衬底；以及
在该衬底上形成的由导电线构成的导电网格，其中该导电网格的导电线之间距离在10-150微米之间，导电线厚度在0.5-2微米之间，且导电线的宽度在5-15微米之间。
12.如权利要求11所述的晶圆衬底，进一步包括在所述衬底上形成的N型样板层，其中所述导电网格位于样板层上并与样板层形成欧姆接触。
13.如权利要求11所述的晶圆衬底，进一步包括位于所述导电网格上的保护层，其中该保护层由氧化硅、氮化硅或氧化钛构成。
14.如权利要求13所述的晶圆衬底，其中所述保护层包含一对或多对氧化硅/氧化钛层，形成分布布拉格反射器，对可见光的反射率高于95％。
15.如权利要求12所述的晶圆衬底，其中所述导电网格由位于样板层上的导电线构成，或者是由样板层的沟壑中的导电线构成。
16.如权利要求11所述的晶圆衬底，其中所述导电网格由位于衬底上的导电线构成，或者是由衬底的沟壑中的导电线构成。
17.如权利要求11所述的晶圆衬底，其中所述导电网格是二维方形网格，或具有一内角为60度的平行四边形网格，或六边形网格，并且均匀分布于整个衬底。
18.如权利要求11所述的晶圆衬底，其中所述导电网格是由氮化钪(ScN)、氮化钇(YN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钒(VN)、氮化铌(NbN)、氮化钽(TaN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)或氮化钨(WN)构成。
19.一种使用权利要求11所述的晶圆衬底的III族氮化物发光器件的晶圆，包括：
在该晶圆衬底上形成的N型层；
在该N型层上形成的激活层；和
在该激活层形成的P型层。
20.一种制造III族氮化物发光器件的方法，包括：
预备衬底或包含外延生长于该衬底上的样板层的样板；
在该衬底或样板上形成导电线以构成导电网格，其中该导电网格的导电线之间距离为10-150微米，厚度为0.5-2微米，宽度为5-15微米；
在该衬底或样板和导电网格上形成N型层，其中该N型层与导电网格是欧姆接触；
在该N型层上形成激活层；和
在该激活层上形成P型层。
21.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，进一步包括：
刻蚀所述P型层、激活层和N型层，暴露部分导电网格以形成LED平台；和
在暴露的导电网格上形成N电极，其包括电极盘和环绕LED平台的指状分支。
22.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
在所述衬底或样板上形成金属导电层；和
刻蚀该金属导电层以形成导电网格。
23.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
在所述衬底或样板上形成金属导电层；
在该金属导电层上形成保护层；和
刻蚀所述保护层和金属导电层以形成被保护层覆盖并与其图形相同的导电网格。
24.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
在所述衬底或样板上形成金属导电层；
在该金属导电层上形成可见光分布布拉格反射器；和
刻蚀该可见光分布布拉格反射器和导电层以形成被可见光分布布拉格反射器覆盖并与其图形相同的导电网格。
25.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
刻蚀所述衬底或样板以在其中形成沟壑；和
在所述沟壑中填充金属导电材料以形成导电网格。
26.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
刻蚀所述衬底或样板以在其中形成沟壑；和
在所述沟壑中填充金属导电材料以形成导电网格，并在沟壑中填充保护层以覆盖该导电网格。
27.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中形成所述导电网格的步骤包括：
刻蚀所述衬底或样板以在其中形成沟壑；和
在所述沟壑中填充金属导电材料以形成导电网格；和
在所述沟壑中填充可见光布拉格反射器以覆盖导电网格。
28.如权利要求20所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中所述导电网格是由氮化钪(ScN)、氮化钇(YN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钒(VN)、氮化铌(NbN)、氮化钽(TaN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)或氮化钨(WN)构成。
29.如权利要求23所述的制造III族氮化物发光器件的方法，其中所述保护层由氧化硅、氮化硅或氧化钛构成。
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170427 Address after: 1, Silver Beach Road, economic development zone, Haiyan County, Zhejiang Patentee after: Zhejiang Invenlux Technology Co.,Ltd. Address before: Central, Hongkong, China, Lee Lee Street, the 12 floor of the rule of law building Patentee before: Invenlux Limited |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160420 Termination date: 20200419 |