CN1508889A - 发光二极管 - Google Patents
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Abstract
具有至少AlGaInP发光层和透明电极的一种发光二极管，其中该透明电极由第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明涉及发光二极管，它广泛地用于显示器或类似物，且具有至少AlGaInP发光层和透明电极。
2.相关技术的描述
发光二极管广泛地用作例如显示器、光纤通信装置等等的装置。通常，需要的是具有高亮度(高输出)的发光二极管，其发光效率和响应特性很好。此外，近几年，需要配备发光二极管的产品成本降低，因此需要降低这种产品的一部分的发光二极管的成本。
除了高亮度，用作显示装置的发光二极管还需要发出的光的颜色变化。因此，使用AlGaInP作为发光层的组成材料的装置根据其组成比率发射范围从绿到红的光，且广泛地使用。此外，除了由各种材料制成的装置，为了获得具有更高亮度的装置，还发展了具有各种结构的装置。
图1是示出常规发光二极管实例的示意性剖视图。该发光二极管形成于第一导电类型基片11上，该第一导电类型基片具有下层电极12在其后表面上，通过顺序地层压第一导电类型缓冲层12，第一导电类型DBR(分布式布喇格反射器)层13，第一导电类型覆盖层(clad layer)14，第二导电类型发光层(也称作“活性层”(active layer))15，第二导电类型覆盖层16，用于透明电极的第二导电类型第一接触层(吸收性的GaAs)17，第一导电类型电流阻断层18，第二接触层(Zn层)19，第一导电类型透明电极(ITO薄膜)110和用于导线结合的电极(也称作“结合片”)111。因此，该发光二极管具有双异性(double-hetero)结构的第二导电类型发光层15，由此增加发光效率；具有第一导电类型的电流阻断层18，由此防止所发射的光由结合片吸收；并具有第一导电类型的透明电极110在装置的整个表面上，由此使得电流的扩散良好并防止发光效率由于电流的集中而降低(例如，参见日本未审查的特许公开No.HEI 11(1999)-4020和日本特许公报3084364)。
但是，根据以上的常规技术，吸收性的GaAs用于透明电极的第二导电类型的接触层中；因此，产生了问题，降低了发光输出。此外，为了形成ITO薄膜必须将电极加热且其薄膜的生长速度很低；因此，产生了问题，制造这种发光二极管很费钱和费时。
发明概述
因此，本发明的目的在于提供一种具有高亮度和改进的生产率的发光二极管。
本发明人认真地进行研究来解决上述问题，结果发明了一种发光二极管，它具有至少，AlGaInP发光层和透明电极，该透明电极由用第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成，由此可以提供具有高亮度和改进的生产率的发光二极管，其中可以获得低电阻率为了允许二极管用作稳定的器件并导致完成本发明。
因此，根据本发明，所提供的是一种发光二极管，它具有至少，AlGaInP发光层和透明电极，其中所述透明电极由用第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成。
附图概述
图1是示出常规发光二极管实例的示意性剖视图；
图2A和2B是本发明的发光二极管(第一实施例)的示意图，其中图2A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图2B是完成后的装置的示意性剖视图；
图3A和3B是本发明的发光二极管(第二实施例)的示意图，其中图3A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图3B是完成后的装置的示意性剖视图；
图4A和4B是本发明的发光二极管(第三实施例)的示意图，其中图4A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图4B是完成后的装置的示意性剖视图；以及
图5是本发明的发光二极管的第一导电类型的透明电极和接触层的能带图。
具体实施方式
根据本发明的发光二极管具有，至少，AlGaInP发光层和透明电极，其中所述透明电极由用第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成。
以下，将根据第一到第三实施例具体描述本发明的发光二极管结构和其制造方法，但本发明不限于这里描述的这些实施例。
第一实施例
图2A和2B是本发明的发光二极管(第一实施例)的示意图，其中图2A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图2B是完成后的装置的示意性剖视图。关于图中的标号，21表示第一导电类型基片，22表示第一导电类型缓冲层，23表示第一导电类型DBR层，24表示第一导电类型覆盖层，25表示第二导电类型发光层，26表示第二导电类型覆盖层，27表示用于透明电极的第二导电类型接触层，28表示第一导电类型电流阻断层，210表示第一导电类型透明电极，211表示用于导线结合的电极，以及212表示下层电极。
第一实施例的发光二极管可以如下制造。
首先，根据已知的方法，诸如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法，在n型GaAs基片21上依次形成n型GaAs缓冲层22，n型DBR薄膜23作为反射层，n型AlInP第一覆盖层24，p型AlGaInP发光层25，p型AlInP第二覆盖层26，p型GaP接触层27和n型GaP电流阻断层28(参见图2A)。
虽然对于第一导电类型的基片21没有特殊的限制，但是较佳地，n型GaAs基片具有从表面(100)沿<011>倾斜15°的平面方向。
此外，可以根据发光二极管的结构适当地设定各薄膜的薄膜厚度，且在第一实施例中，例如，n型GaAs缓冲层22具有0.5微米的厚度，n型DBR薄膜23具有0.1微米的厚度，n型AlInP第一覆盖层24具有1微米的厚度，p型AlGaInP发光层25具有1微米的厚度，p型AlInP第二覆盖层26具有1微米的厚度，p型GaP接触层27具有300埃的厚度以及n型GaP电流阻断层28具有300埃的厚度。
接着，在根据已知方法，诸如光刻，在n型GaP电流阻断层28上形成图案之后，根据已知方法，诸如溅射法形成具有0.1微米到0.2微米薄膜厚度的ZnO薄膜作为第一导电类型透明电极210，且根据已知方法，诸如气相沉积法将Au沉积其上以具有约0.5微米到1.0微米的薄膜厚度，从而根据已知方法，诸如光刻形成图案，由此获得用于导线结合的电极211。
此外，在根据已知方法，诸如背磨(back-grinding)将第一导电类型基片21抛光成具有约100微米厚度之后，根据已知方法，诸如气相沉积法形成具有0.1微米到0.5微米薄膜厚度的AuGe薄膜作为n侧电极212且将基片划线并分割从而获得如图2B所示的装置。
根据本发明的发光二极管的透明电极由用第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成，且这种结构提供了低电阻率的发光二极管，以便该二极管可以用作具有高亮度和改进的生产率的稳定的器件。
较佳地，从Ga，Al，In和其化合物中选择所述第III簇元素或其化合物。这种结构是优选的，因为透明电极呈现更稳定的低电阻率。其化合物的实例包括氧，诸如Ga2O3，Al2O3和In2O3，其中Ga2O3是优选的。
此外，被掺杂的第三簇元素和其化合物的量较佳地是ZnO中的1重量％到10重量％，且量的实例是1重量％，2重量％，3重量％，4重量％，4.5重量％，5重量％，5.5重量％，6重量％，7重量％，8重量％，9重量％，10重量％。较佳地，量是3重量％到8重量％，且更佳地是5重量％到7重量％。这种结构是优选的因为透明电极变得具有更稳定、低电阻。
根据本发明人进行的实验，在将2.0重量％、6.0重量％和10.0重量％的Ga2O3和ZnO掺杂的情况中，其电阻率分别变成1.5×10-3Ω·cm-1，5.0×10-4Ω·cm-1和1.0×10-3Ω·cm-1。因此，可以理解，电阻率取决于被掺杂的第III簇元素或其化合物的量，且优选5重量％到7重量％。
虽然掺杂方法取决于形成透明电极的方法，但例如可以应用方法，其中由ZnO和第III簇元素或其氧化物的金属粉末的混合体制成的压粉体用作溅射目标。此外，该溅射目标可以是复合氧化物的形式。
在第一实施例中，将5.7重量％的第III簇元素化合物Ga2O3和第一导电类型透明电极210的ZnO薄膜掺杂，由此获得良好的结果。
较佳地，本发明的发光二极管在AlGaInP发光层和透明电极之间具有接触层诸如第一实施例，且较佳地，从GaP薄膜、InGaP薄膜和(AlxGa1-x)yIn1-yP薄膜选择该接触层，其中所述(AlxGa1-x)yIn1-yP薄膜中的Al的混晶比(mixed crystal ratio)(x)和In的混晶比(1-y)都是0.05或更小。这种结构使装置具有发光层和透明电极之间良好的接触。上述化合物之间的GaP薄膜是透明的。有可能在室温时形成ZnO薄膜，此时薄膜的生长速率很快，此外可以使ZnO薄膜的成本低于ITO薄膜的成本；因此，优选ZnO薄膜。
较佳地，鉴于和透明电极的接触电阻的降低，接触层由Zn以约1018cm-3到1019cm-3的浓度掺杂。虽然在第一实施例中Zn以1019cm-3的高浓度掺杂入接触层的GaP薄膜，但抑制Zn扩散到发光层而不负面影响发光，因为薄膜厚度是300埃之小。
此外，透明电极中的Zn扩散进入接触层，从而接触层变成p型高浓度且这是较佳的，因为可以进一步降低透明电极和接触层之间的接触电阻。图5是本发明发光二极管的第一导电类型透明电极和接触层的能带图。如图5所示，由于隧道效应，正空穴从第一导电类型透明电极流到第二导电类型接触层。
接触层的薄膜厚度较佳地是100埃到500埃，且更佳地是200埃到300埃。在接触层的薄膜厚度于上述范围之内的情况中，可以抑制从接触层到下层的掺杂物扩散，它影响发光特性并降低发光效率。
较佳地，本发明的发光二极管具有反导电类型的电流阻断层，它被层压在部分接触层上。这种结构可以防止所发出的光由用于结合的电极阻断，该电极将在之后加以描述。
用于导线结合的电极的尺寸小于电流阻断层；因此，可以高效率地发光而不会被用于导线结合的电极吸收。
较佳地，本发明的发光二极管具有金属电极(用于导线结合的电极)，它在部分接触层上进行肖特基接触。这种结构可以防止在用于导线结合的电极之下发光。
较佳地，本发明的发光二极管具有透明电极和接触层，通过退火降低它们的接触电阻。即，由于退火，透明电极内的Zn或掺杂的第III簇元素扩散进入接触层，由此增加了接触层中的载流子浓度从而降低了接触电阻；因此，透明电极和接触层可以彼此良好地接触。此外，可以在形成接触层时降低掺杂物的量从而可以抑制进入下层的掺杂物扩散。
可以在形成透明电极之后例如在真空或氮气氛中500℃持续30分钟或更长时间的条件下进行退火。
第二实施例
图3A和3B是本发明的发光二极管(第二实施例)的示意图，其中图3A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图3B是完成后的装置的示意性剖视图。对于图中的标号，31表示第一导电类型的基片，32表示第一导电类型缓冲层，33表示第一导电类型DBR层，34表示第一导电类型覆盖层，35表示第二导电类型发光层，36表示第二导电类型覆盖层，37表示用于透明电极的第二导电类型接触层，310表示第一导电类型透明电极，311表示用于导线结合的电极且312表示下层电极。
可以如下制造第二实施例的发光二极管。
首先，根据已知的方法，诸如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法，在n型GaAs基片31上依次形成n型GaAs缓冲层32，n型DBR薄膜33作为反射层，n型AlInP第一覆盖层34，p型AlGaInP发光层35，p型AlInP第二覆盖层36，p型GaP接触层37(参见图3A)。
接着，在根据已知方法，诸如溅射法形成具有约0.1微米到0.2微米薄膜厚度的ZnO薄膜作为第一导电类型透明电极310；通过形成图案使用于透明电极的第二导电类型接触层37暴露且根据已知方法，诸如沉积法将Au沉积其上从而具有约0.5微米到1.0微米的薄膜厚度；且根据已知方法，诸如光刻形成图案从而获得用于导线结合的电极311。
此外，在根据已知方法，诸如背磨将第一导电类型基片21抛光成具有约100微米厚度之后，根据已知方法，诸如沉积法形成具有0.1微米到0.5微米薄膜厚度的AuGe薄膜作为n侧电极312，随后将基片划线并分割从而获得如图3B所示的装置。
较佳地，本发明发光二极管的透明电极用第III簇元素或其化合物掺杂，且进一步用非第III簇元素或其化合物的过渡元素(transient element)掺杂。这种结构增加了透明电极的化学特性的可控制性从而便于其形成图案，并降低了透明电极的光吸收从而增加了其发光效率。即，这种结构增加了透明电极的耐酸性和耐碱性同时保持了其低电阻率，由此可以消除以高速和低可控制性进行蚀刻的问题，从而可以稳定地形成图案。
较佳地，从Cr，Co，V和其化合物中选择非第III簇元素或其化合物的过渡元素。化合物的实例包括氧化物，诸如CrO2，CoO和VO，且优选CrO2。
此外，被掺杂的非第III簇元素或其化合物的过渡元素的量较佳地是相对于ZnO为1重量％到5重量％，且该量的实例包括1重量％，2重量％，3重量％，3.5重量％，4重量％，5重量％，且优选2重量％到4重量％。
根据本发明人进行的实验，在没有掺杂CrO2的情况中，使用HCl时的蚀刻速度是10nm/sec或更高，而在掺杂1重量％和3重量％CrO2的情况中，其蚀刻速度分别是8nm/sec和7nm/sec，呈现极好的可控制性。此外，在分别将1重量％，3重量％和5重量％的Ga2O3和ZnO掺杂时，当掺杂物的量增加时电阻率增加且电阻率变成5.0×10-4Ω·cm-1，6.0×10-4Ω·cm-1和9.0×10-4Ω·cm-1。因此，可以理解，电阻率取决于非第III簇元素或其化合物的过渡元素的掺杂量，且优选2重量％到3重量％。
在第二实施例中，通过将相对于ZnO的5.7重量％的Ga2O3和相对于ZnO的3.0重量％的CrO2掺杂入第一导电类型透明电极310的ZnO薄膜作为第III簇元素或其化合物可以获得良好的结果。
用于导线结合的电极和透明电极的ZnO薄膜形成欧姆接触而和GaP接触层形成肖特基接触，从而在用于导线结合的电极之下没有电流流过；因此，可以降低由用于导线结合的电极吸收的发光量，从而提高了发光效率。
第三实施例
图4A和4B是本发明的发光二极管(第三实施例)的示意图，其中图4A是制造过程中的发光二极管的示意性剖视图，而图4B是完成后的装置的示意性剖视图。对于图中的标号，40表示第二导电类型基片，42表示第二导电类型缓冲层，47表示用于透明电极的第二导电类型接触层，46表示第二导电类型覆盖层，45表示第二导电类型发光层，44表示第一导电类型覆盖层，413表示用于直接接合的第一导电类型接触层，41表示第一导电类型基片，410表示第一导电类型透明电极，411表示用于导线结合的电极，412表示下层电极以及414表示保护膜。
可以如下制造第三实施例的发光二极管。
首先，根据已知的方法，诸如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法，在p型GaAs基片40上依次形成p型GaAs缓冲层42，p型InGaP接触层47，p型AlInP第二覆盖层46，p型AlGaInP发光层45，n型AlInP第一覆盖层44，和n型GaP接触层413(参见图4A)。
接着，在根据已知方法，诸如直接结合法在高温和高压下将n型GaP接触层413和n型GaP基片41直接结合如所获得的叠片中之后，根据已知方法，诸如蚀刻除去p型GaAs基片40和p型GaAs缓冲层42。接着，根据已知方法，诸如溅射法形成ZnO薄膜(相对于ZnO 5.7重量％的Ga2O3和相对于ZnO 3.0重量％的CrO2和ZnO掺杂)作为第一导电类型电极410从而具有约0.1微米到0.2微米的薄膜厚度；根据已知方法，诸如气相沉积法将Au沉积其上以具有约0.5微米到1.0微米的薄膜厚度；且根据已知方法，诸如光刻形成图案从而获得用于导线结合的电极411。随后，根据已知方法，诸如溅射法在透明电极上形成SiO2薄膜414。
此外，根据已知方法，诸如气相沉积法形成AuGe薄膜作为n侧电极212从而具有约0.1微米到0.5微米的薄膜厚度，且将基片划线并分割从而获得如图4B所示的装置。
从AlGaInP发光层45发射的光通过GaP基片41；因此，该光有可能从GaP基片41侧以及从第一导电类型透明电极410侧射出，且具有这种结构的发光二极管允许高效发光。
此外，通过在第一导电类型透明电极410上设置保护膜可以增加关于湿度等的元素的可靠性。通过使用具有对湿度高抵抗力的薄膜，诸如TiO2和ITO代替SiO2可以获得同样的效果。
本发明可以提供具有高亮度和改善了的生产率的发光二极管。
Claims (10)
1.一种发光二极管，它至少具有AlGaInP发光层和透明电极，其特征在于，所述透明电极由用第III簇元素或其化合物掺杂的ZnO薄膜制成。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第III簇元素或其化合物选自Ga，Al，In和其化合物。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，被掺杂的所述第III簇元素和其化合物的量是相对于ZnO的1重量％到10重量％。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，除了所述第III簇元素或其化合物，额外地用过渡元素将所述ZnO薄膜掺杂。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管在所述AlGaInP发光层和所述透明电极之间具有接触层，且所述接触层选自GaP薄膜、InGaP薄膜或(AlxGa1-x)yIn1-yP薄膜，所述(AlxGa1-x)yIn1-yP薄膜中的Al的混晶比(x)和In的混晶比(1-y)都是0.05或更小。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层具有100埃到500埃的薄膜厚度。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层具有200埃到300埃的薄膜厚度。
8.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管具有层压在部分所述接触层上的相反导电类型的电流阻断层。
9.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管具有金属电极，它和部分所述接触层进行肖特基接触。
10.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管具有所述透明电极和所述接触层，通过退火降低所述透明电极和所述接触层之间的接触电阻。
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