《氮化物發光二極體及其製作方法》是廈門市三安光電科技有限公司於2013年1月11日申請的發明專利，該專利申請號為2013100104881，公布號為CN103094440A，公布日為2013年5月8日，發明人是林文禹、葉孟欣、林科闖。
《氮化物發光二極體及其製作方法》公開了一種具電流注入調製層（current modulation layer）的發光二極體之外延結構設計，具體的說是關於導入一種高阻值（highresistivity）的材料以改變注入電流傳導路徑。其主要的結構實施為分別在N型傳導層或P型傳導層中成長高阻值材料（如InxAlyGa1-x-yN），藉由高溫H2在反應爐內蝕刻（In Situ Etching）直至露出部分電流傳導路徑，再分別成長N型或P型傳導層於以覆蓋而得。此設計無需二次外延即可形成電流注入調製層，此法使得注入電流在N型傳導層與P型傳導層具一更佳之擴展路徑，更有效均勻擴散注入有源區層，進而增加發光效率。
2021年6月24日，《氮化物發光二極體及其製作方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《氮化物發光二極體及其製作方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：氮化物發光二極體及其製作方法
- 申請日：2013年1月11日
- 申請號：2013100104881
- 申請公布日：2013年5月8日
- 申請公布號：CN103094440A
- 申請人：廈門市三安光電科技有限公司
- 地址：福建省廈門市思明區呂嶺路1721-1725號
- 發明人：林文禹、葉孟欣、林科闖
- Int. Cl.：H01L33/14(2010.01)I; H01L33/32(2010.01)I; H01L33/00(2010.01)I
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
截至2013年1月，在氮化鎵發光二極體中，P側電流由P型電極經由透明傳導層（transparent conductive layer）注入P型傳導層乃至進入有源區（active layer），然而由於P型傳導層中電洞濃度（hole concentration）通常不高（介於10~10厘米），且其遷移率（hole mobility）也多在10平方厘米/伏·秒以下，如此，造成電流在P型傳導層的分布不易均勻，往往會發生電流擁擠的現象（current crowding），容易有多餘的熱在此處產生，最終影響發光效率。此外，因為電極下方的高電流密度，其光強度相對高，然而其所發出的光，容易被電極遮蔽或反射進來而被材料所吸收，造成光輸出功率的損失。
另一方面，N型傳導層雖然不具P型傳導層那樣嚴苛之電傳導特性，在相對均勻之電流分布注入有源區的情況下，仍是可以得到較佳之發光效率。
發明內容
專利目的
《氮化物發光二極體及其製作方法》的目的是提供一種具電流注入調製層（current modulation layer）的發光二極體之外延結構設計，具體的說是關於導入一種高阻值（high resistivity）的材料以改變注入電流傳導路徑，進而增加發光效率。其主要的結構實施為分別在N型傳導層或P型傳導層中成長高阻值材料（如InxAlyGa1-x-yN），藉由高溫H2在反應爐內蝕刻（In Situ Etching）直至露出部分電流傳導路徑，再分別成長N型或P型傳導層於以覆蓋而得。
技術方案
《氮化物發光二極體及其製作方法》的第一個方面，氮化物發光二極體，包含N型傳導層，P型傳導層，在N型傳導層和P型傳導層之間具有發光層；至少在N型傳導層或P型傳導層內包含一層電流注入調製層，其由具有開孔結構的氮化物絕緣材料層構成，所述開孔結構通過在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻而成，用於電流傳導。
優先地，所述電流注入調製層的材料可以為未摻雜的InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤0.1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，厚度可以取50納米~200納米，藉由高溫H2在反應爐內蝕刻（InSituEtching）形成隨機離散分布的開口結構，其分布密度為1×10~1×10厘米，開孔結構的直徑d為50納米~200納米。
《氮化物發光二極體及其製作方法》的第二個方面，氮化物發光二極體的製作方法，通過外延生長方法沉積N型傳導層，發光層和P型傳導層，其特徵在於：至少在N型傳導層或P型傳導層內形成一層電流注入調製層，其由具有開孔結構的氮化物絕緣材料層構成，所述開孔通過在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻而成，用於傳導電流。
優先地，所述電流注入調製層的材料為未摻雜的InxAlyGa1-x-yN（0≤x≤0.1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），通過下面方法形成於N型傳導層（或P型傳導層）內：首先外延生長N型傳導層（或P型傳導層）；接著在N型傳導層（或P型傳導層）上沉積氮化物絕緣材料層；然後在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻所述氮化物絕緣材料層直至露出部分N型傳導層（或P型傳導層）形成開口結構，用於電流傳導；最後繼續外延生長N型傳導層（或P型傳導層），從而在N型傳導層（或P型傳導層）內形成電流注入調製層。其中，所述H2氣氛的濃度可取H2/NH3=2.5~10，蝕刻的溫度為900攝氏度~1200攝氏度。
改善效果
《氮化物發光二極體及其製作方法》採用在外延生長過程中，直接在生長環境中採用H2高溫蝕刻氮化物高阻絕緣材料形成電流傳導路徑，無需二次外延即可形成電流注入調製層之方法，此法使得注入電流在N型傳導層與P型傳導層具一更佳之擴展路徑，更有效均勻擴散注入有源區層，進而增加發光效率。
附圖說明
圖1展示了根據《氮化物發光二極體及其製作方法》實施的一種具電流注入調製層（current modulation layer）的發光二極體之外延結構簡圖。
圖2展示了圖1中的具電流注入調製層的剖面圖和截面圖。
圖3演示了採用圖1所示的發光二極體外延結構製作成的LED晶片的電流傳導路徑。
圖4演示了相關的發光二極體晶片的電流傳導路徑。
圖中各標號表示：100是生長襯底；200是發光外延層；210是N型傳導層；220是發光層；230是電子阻擋層；240是P型傳導層；250是電流注入調製層；251是氮化物絕緣材料；252是開口部；301是N電極；302是P電極。
技術領域
《氮化物發光二極體及其製作方法》涉及一種氮化物發光二極體及其製作方法，更具體的是一種具電流注入調製層（current modulation layer）氮化物發光二極體之外延結構設計。
權利要求
1.氮化物發光二極體，包含N型傳導層，P型傳導層，在N型傳導層和P型傳導層之間具有發光層；至少在N型傳導層或P型傳導層內包含一層電流注入調製層，其由具有開孔結構的氮化物絕緣材料層構成，所述開孔結構通過在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻而成，用於電流傳導；當所述電流注入調製層位於N型傳導層內時，其與N型傳導層之鄰近發光層的表面具有距離，當所述電流注入調製層位於P型傳導層內時，其與P型傳導層之下表面具有距離。
2.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層的材料為未摻雜的InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤0.1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
3.根據權利要求1所述的氮化物發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層的開孔結構為隨機離散分布。
4.根據權利要求3所述的氮化物發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層的開孔結構位於所述氮化物絕緣材料層中晶格較差的區域。
5.根據權利要求1所述的氮化物發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層開孔結構的分布密度為1×10~1×10厘米。
6.根據權利要求1所述的氮化物發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層的下表面距離P型傳導層的下表面的距離為50納米~200納米。
7.根據權利要求1所述的氮化物發光二極體，其特徵在於：所述電流注入調製層的厚度為50納米~200納米。
8.氮化物發光二極體的製作方法，通過外延生長方法沉積N型傳導層，發光層和P型傳導層，其特徵在於：至少在N型傳導層或P型傳導層內形成一層電流注入調製層，其由具有開孔結構的氮化物絕緣材料層構成，所述開孔通過在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻而成，用於傳導電流；當所述電流注入調製層位於N型傳導層內時，其與N型傳導層之鄰近發光層的表面具有距離，當所述電流注入調製層位於P型傳導層內時，其與P型傳導層之下表面具有距離。
9.根據權利要求8所述的氮化物發光二極體的製作方法，其特徵在於：所述電流注入調製層的材料為未摻雜的InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤0.1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
10.根據權利要求8所述的氮化物發光二極體的製作方法，其特徵在於：所述電流注入調製層通過下面方法形成：外延生長N型傳導層或P型傳導層；在N型傳導層或P型傳導層上沉積氮化物絕緣材料層；在外延生長的反應爐內通入H2蝕刻所述氮化物絕緣材料層直至露出部分N型傳導層或P型傳導層形成開口結構，用於電流傳導；繼續外延生長N型傳導層或P型傳導層，從而在N型傳導層或P型傳導層內形成電流注入調製層。
11.根據權利要求10所述的氮化物發光二極體的製作方法，其特徵在於：所述H2氣氛的濃度為H2/NH3=2.5~10。
12.根據權利要求10所述的氮化物發光二極體的製作方法，其特徵在於：所述H2蝕刻的溫度為900攝氏度~1200攝氏度。
13.根據權利要求10所述的氮化物發光二極體的製作方法，其特徵在於：所述H2蝕刻所述氮化物絕緣材料層中晶格較差的部位形成開口結構。
實施方式
《氮化物發光二極體及其製作方法》圖4展示了傳統氮化物發光二極體器件中的電流擁擠的現象（current crowding），其電流分布密度不均衡，電極下面的電流密度最大，其光強度相對高，然而其所發出的光容易被電極遮蔽或反射進來而被材料所吸收，從而影響了器件的發光效率。因此，如何提高電流分布的均勻性成為業內的研究重點之一。
中國專利ZL200410062825.2提出了一種在活性層的p型光導層內形成AlN電流狹窄層的氮化物半導體雷射器。這種雷射器的線條結構可按如下製造：首先，在MOCVD裝置的反應爐內，在400～600攝氏度下，在形成的元件上形成由AIN而構成的電流狹窄層，直達p型光導層，接著從反應爐內取出，通過使用鹼性蝕刻液的光刻法形成條狀開口部後，再裝入MOCVD裝置的反應爐內，生長p型光導層以埋沒電流狹窄層的開口部，進一步依次層疊p型金屬包層等。
美國專利US7817692提出了一種在具有設定條狀開口部的電流狹窄層的氮化鎵系化合物半導體雷射器，為了阻止蝕刻形成條狀開口部的過程中過渡蝕刻破壞外延層，將電流狹窄層形成在Al比率小於前述電流狹窄層的半導體層上。
前案技術均以條狀（striped-shaped）氮化物半導體絕緣材料於氮化物雷射二極體N型傳導層或P型傳導層作為電流阻礙層，其都必須透過黃光微影（photolithography）及二次外延工藝方可完成。
《氮化物發光二極體及其製作方法》主要以一次爐內外延成長完成N型傳導區及P型傳導區之電流調製層，在不需二次外延成長，不需額外工藝的情形下，將可節省時間成本及避免因為二次外延成長所造成之表面污染，而使良率下降。
參考圖1，在生長襯底100上依次沉積有N型傳導層210、發光層220和P型傳導層240，構成發光外延層。其中生長襯底100可以是藍寶石、碳化矽、氮化鎵等適於外延生長氮化物半導體材料層的材料。在N型傳導層210與生長襯底100之間可進一步沉積緩衝層用於改善發光外延層的晶格質量。
N型傳導層210的材料為n-GaN層，在N型傳導層的內部包含電流注入調製層250，其與N型傳導層210的下表面最好具有一定的距離，但也可以直接位於N型傳導層210的底部。電流注入調製層250為具有開口結構252的高阻值絕緣材料層251。高阻值絕緣材料層251的材料可以選用InxAlyGa1-x-yN，其中為了保證InxAlyGa1-x-yN的高阻性，成長此層過程中未摻雜Si及Mg（即為un-dopedInxAlyGa1-x-yN），如可以為AlN，GaN等材料。N型傳導層210可以通過下面方法形成：首先在生長襯底100上生長N-GaN材料，接著生長50納米~200納米的un-dopedInxAlyGa1-x-yN層251；然後在反應爐中通入H2，在H2氣氛中蝕刻un-dopedInxAlyGa1-x-yN層251，在un-dopedInxAlyGa1-x-yN層中形成隨機分布的開口結構252，其中反應爐內的蝕刻條件可按下面進行設定：H2氛圍H2/NH3=2.5~10，蝕刻溫度為900~1200攝氏度，蝕刻時間為30秒~600秒；然後繼續生長N-GaN層，其填充所述的開口結構並覆蓋所述的AlN層251，形成平整的外延表面，最終形成的電流注入調製層250如圖2所示。AlN層251上分布有一系列的開口252，其分布密度為1×10~1×10厘米，各個開口的直徑d可控制在50納米~200納米之間。
發光層220一般由In的氮化鎵系化合物半導體所構成，較佳為多量子阱結構，具體可以由Inx1Ga1-x1N阱層（0＜x1＜1）和Inx2Ga1-x2N壘層（0≤x2＜1，x1＞x2），以適當次數交替反覆層疊形成。
在發光層220和P型傳導層之間還設定一層電子阻擋層230，其材料通常為氮化鋁鎵，厚度為10納米~60納米且具有足夠高之勢壘，用以局限從N型注入之電子防止其溢流到P型層。
P型傳導層240的材料為p-GaN層，在P型傳導層的內部同樣包含電流注入調製層250，其與P型傳導層240的下表面具有一定的距離D（約50納米~200納米），此為確保爐內蝕刻分解un-dopedInxAlyGa1-x-yN時，不會損傷到電子阻擋層或發光層，其結構和製備方法與N型傳導層內的電流注入調製層基本相同，在此不再重複表述。
圖3演示了採用圖1所示的發光二極體外延結構製作成的LED晶片的電流傳導路徑。從圖中可看出：藉由控制開口密度及大小，凡是經由電極傳導出之電流，在經過電流注入調製層時皆有相當程度上影響而改變其電流路徑，進而增加電流分布之均勻性。再者，由於H2氛圍分解un-dopedInxAlyGa1-x-yN時，通常從高缺陷密度處（dislocation）生成分解反應，如此可留下較佳晶格質量之隨機分布開口的un-dopedInxAlyGa1-x-yN，有利於後續之N型或P型傳導層成長。
進一步地，在該實施中，在爐內insitu完成外延結構設計，避免了黃光微影和二次外延工藝，將可避免因暴露空氣導致之界面污染而引起光電組件電性異常。
專利榮譽
2021年6月24日，《氮化物發光二極體及其製作方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
